食用級淀粉納米顆粒乙?；杷男约捌湎匦?/h1>
2022-07-07 03:04:40姚先超史永桂焦思宇吳雅珊楊婉顏林日輝
食品科學 2022年12期
姚先超，史永桂，焦思宇，吳雅珊，楊婉顏，林日輝
（廣西民族大學化學化工學院，林產(chǎn)化學與工程國家民委重點實驗室，廣西林產(chǎn)化學與工程重點實驗室/協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西多糖材料與改性重點實驗室，廣西 南寧 530006）
近年來，納米顆粒材料作為藥物緩釋載體被認為是提高藥物穩(wěn)定性、生物利用率的重要途徑。生物質(zhì)納米顆粒也被認為是用于替代傳統(tǒng)乳化劑、抑制油滴聚集凝結(jié)、用制備更安全環(huán)保更穩(wěn)定的藥用食用性Pickering乳液、飲品等的重要乳化穩(wěn)定劑原料。來源廣泛的納米淀粉因其天然可再生、無毒性、生物相容性好、可生物降解性、成本低等優(yōu)勢，成為制備新型納米顆粒的生物質(zhì)資源。然而天然的納米淀粉由于其組成結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基基團而具有極強的親水性，當暴露于水中或潮濕環(huán)境時易受水分侵蝕而很快失去完整性和耐久性，大大降低其機械性能和尺寸穩(wěn)定性。此外，由于這些羥基的作用，淀粉分子具有很強的分子間和分子內(nèi)氫鍵，容易在有機介質(zhì)中發(fā)生自聚集、團聚、聚沉，因而不容易分散在油相中或油水界面，不具備形成良好穩(wěn)定Pickering乳液的能力，不適用于疏水性需求的領域，需要使用物理或化學方法改變其親疏水性能。淀粉的化學疏水改性主要有醚化、酯化、交聯(lián)、接枝和縮合反應等。酯化改性是將葡萄糖單元上的活性羥基轉(zhuǎn)化為烷基或芳基，這種改性不會破壞其鏈的完整性，保持了淀粉原有生物可降解等性能，但疏水性、加工性和柔韌性得到了改善。乙酰酯化是最容易實現(xiàn)淀粉疏水改性的酯化修飾方法，乙酰淀粉也是食品應用中使用非常廣泛的改性淀粉。
乙?；{米淀粉的制備方法中，原淀粉與醋酸酐要在堿性或強酸催化下制備成酯化淀粉，再將產(chǎn)物溶解于有機溶劑（如二甲基亞砜、丙酮等），最后通過高速均質(zhì)技術(shù)制備納米淀粉顆粒。Teodoro等報道了用冰醋酸和乙酸酐在40 ℃下將淀粉溶解成均相狀態(tài)，然后用濃硫酸作為催化劑在60 ℃下乙酰酯化，制得的乙酰淀粉用丙酮溶解后在水中沉析獲得500 nm左右的淀粉納米顆粒（starch nanoparticles，StNP）。Leonardo、Getahun等用NaOH作為催化劑合成乙酰淀粉，然后用丙酮、氯仿、二氯甲烷溶解再納米化。在這種方法中，酯化和納米化過程需要使用強酸堿性試劑、非環(huán)保試劑，需要反復糊化、溶解、破碎、干燥等高耗能操作。另一種常用方法是，通過酸解等方式制備成淀粉納米晶或者StNP，再催化乙?；玫疆a(chǎn)物。Takkalkar等用淀粉納米晶在濃硫酸催化下在50 ℃與乙酸酐反應5 h獲得取代度（degree of substitution，DS）為0.99的乙酰納米晶產(chǎn)物。Qian Xiaoli等用類似的方法改性淀粉納米晶，產(chǎn)物能夠用于穩(wěn)定Pickering乳液。Xiao Huaxi等用濃硫酸催化乙酰酯化制備了DS為2.72的產(chǎn)物，用于膜功能的慢速蛋白質(zhì)遞送。對于納米化再改性，相比于原生淀粉顆粒，StNP和納米晶粒粒徑降低至1 μm甚至數(shù)百納米以下，使更多的羥基活性基團在沒有溶脹或者糊化的情況下暴露在顆粒表層，其更短的孔道長度使得內(nèi)部的羥基也有更多的機會與試劑分子接觸發(fā)生反應，使改性更容易進行，而納米淀粉粒的葡萄糖骨架結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生根本改變，仍然具有生物相容性、可生物降解等特性。但是由于顆粒內(nèi)的淀粉鏈之間氫鍵的作用使其結(jié)構(gòu)緊密，不易溶于冷水，試劑難以接近淀粉骨架上大部分的基團，使改性工藝較為復雜，甚至需要使用腐蝕性、毒性較強的溶劑和催化劑，這些化學試劑在食品中存在使用限制性。為此，本實驗探索一種除了添加乙酸酐作為?；噭?，不添加強酸及有害試劑的StNP表面酯化疏水改性的簡便工藝條件，旨在為疏水性StNP制備尋找新型技術(shù)路線。
1 材料與方法
1.1 材料與試劑
食品級木薯淀粉由廣西岑溪市三角淀粉責任有限公司無償捐贈。
乙酸酐、鹽酸（均為分析純） 廉江市愛廉化試劑有限公司；無水乙醇、氫氧化鈉（均為分析純） 成都市科隆化學品有限公司；氘代二甲基亞砜（同位素標準品） 美國Cambridge Isotope Laboratories公司；大豆油（食用油） 益嘉海里公司；其他所有分離用溶劑均為國產(chǎn)分析純。
1.2 儀器與設備
JY92-IIN超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；SDS350整體傾斜接觸角測量儀 東莞市晟鼎精密儀器有限公司；SUPRA 55 Sapphire場發(fā)射掃描電子顯微鏡 德國Carl Zeiss公司；Avance600MHz型核磁共振 德國Bruker公司；MAGNA-IR550紅外光譜儀美國Thermo Fisher公司；Zetasizer Nano ZS激光納米粒度、Zeta電位分析儀 英國Malvern公司；UItime IV型X射線衍射儀 日本Rigaku公司；MiniFlex600型X射線衍射儀 日本理學公司。
1.3 方法
1.3.1 StNP乙酸酯的制備
采用本課題研發(fā)的納米化技術(shù)通過超聲破碎處理和乙醇沉降的方法制備StNP，再進行顆粒表面改性，得到產(chǎn)物。將食用木薯淀粉放入水中在90 ℃下完全糊化得到質(zhì)量分數(shù)為3.5%的淀粉糊，1 000 W超聲對淀粉溶液處理20 min，而后在劇烈攪拌下將淀粉溶液滴加到無水乙醇（1∶9，/）中，醇沉析出StNP，凍干可以獲得干燥顆粒。簡單的表面處理后得到的StNPp均勻分散在乙酸酐，在常溫下攪拌1 h，將溫度緩慢提高到75 ℃，補加乙酸酐（淀粉中葡萄糖單元與乙酸酐物質(zhì)的量比為1∶3，下稱料液比），繼續(xù)在冷凝回流下反應2 h。反應結(jié)束后，冷卻至室溫，在8 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心，用無水乙醇洗滌數(shù)次，沉積物加入適量水（1∶1，/），轉(zhuǎn)至寬口玻璃皿，去凍干，獲得StNP乙酸酯（acetate of starch nanoparticles pretreated，StNPpAc）。
按照上述合成步驟和條件，使用同等量的原淀粉和未經(jīng)表面預處理的StNP進行乙酰化，所得產(chǎn)物標記為StAc和StNPAc。每一種淀粉樣品在相同條件下分別重復做平行樣品。
1.3.2 酯化淀粉DS測定
參考文獻[19]，并根據(jù)實際情況作改進。取適量酯化淀粉，放入150 mL的錐形瓶中并加入50 mL的0.5 mol/L氫氧化鈉溶液，在磁力攪拌器上60 ℃糊化皂化1 h。將糊化后的溶液冷卻至室溫，滴加2～3 滴酚酞作為指示劑，再用0.5 mol/L的鹽酸進行滴定至終點，記錄消耗HCl的體積數(shù)。滴定后的淀粉糊化渾濁液，在60 ℃減壓蒸發(fā)水分，殘渣在80 ℃真空干燥至恒質(zhì)量，記錄殘渣質(zhì)量。按式（1）、（2）計算DS：
式（1）中：為乙?；诘矸埘ブ械暮?（g/g）；為滴定后去烘干所得殘渣質(zhì)量/g；為皂化加入的NaOH標準溶液體積/mL；為NaOH標準溶液濃度/（mol/L）；為樣品淀粉滴定消耗HCl溶液體積/mL；為HCl標準溶液濃度/（mol/L）。
式（2）中：DS為淀粉分子上每個葡萄糖單元上的羥基平均被取代的數(shù)量。
1.3.3 紅外光譜分析
采用KBr壓片法。傅里葉變換紅外光譜用于采集StNP和StNP乙酸酯樣品的紅外吸收，識別改性淀粉中存在的特征官能團。取1～2 mg淀粉樣品與干燥的KBr粉末混合并壓制成薄膜層，然后通過傅里葉變換紅外光譜儀進行測定。樣本掃描波長范圍為4 000～400 cm，平均32 次掃描，分辨率為4 cm。
1.3.4 核磁共振波氫譜分析
取5 mg干燥的淀粉用品，溶解于0.5 mL氘代二甲基亞砜溶劑中，利用核磁共振波譜儀檢測核磁共振波氫譜波譜圖。測試條件為：60 ℃，30°脈沖角，延遲時間10 s，數(shù)據(jù)采集時間2 s。
1.3.5 納米顆粒的形貌表征
用掃描電子顯微鏡法取一定量干燥的StNPp和不同DS的StNPpAc通過導電膠均勻地分散到樣品臺上，輕輕吹去多余的浮樣，置于真空鍍膜儀下噴鍍鈀金，制成電鏡觀察樣品，在掃描電鏡下拍攝具有代表性的不同放大倍數(shù)下的淀粉顆粒性形貌，加速電壓為10 kV。
1.3.6 粒徑和Zeta電位測定
參考文獻[22]并適當調(diào)整，將納米淀粉分散在超純水中，超聲處理20 s，配制0.01%的水分散液。將制備好的樣品注入粒徑測定的塑料比色皿中，放入測量區(qū)，等待儀器自動平衡樣品，用激光粒度及Zeta電位分析儀測量淀粉顆粒的粒徑分布范圍。淀粉顆粒和水的折光系數(shù)分別為1.54和1.33，測試數(shù)據(jù)用其平均粒徑范圍。將上述的淀粉分散液注入Zeta電位測定專用樣品池，采用相同的激光粒度及Zeta電位分析儀進行測定。
1.3.7 納米顆粒的結(jié)晶性
采用X射線衍射儀進行分析：Cu（Kα）射線，Ni片濾波，電壓40 kV，電流15 mA，掃描范圍2為4～30°，掃描速率為8°/min，掃描步長為0.02°，根據(jù)衍射峰振動波數(shù)、散射峰面積，分析干燥的淀粉樣品晶型并計算結(jié)晶度。
1.3.8 接觸角的測量
移取一定量的StNP乙醇分散液，均勻涂抹在干凈的薄玻璃片上，待乙醇揮發(fā)完畢，StNP在玻璃片形成一層薄層，將玻璃片放入真空干燥箱中在35 ℃、-0.095 MPa干燥24 h。其后，將玻璃片浸入到裝有大豆油的專用正方體比色皿中，置于接觸角測試儀操作平臺上，用高精度注射器系統(tǒng)控制一滴3 μL的水滴緩慢滴加到StNP薄層表面，在滴加后5 s，5、10、25、30 min對液滴進行拍照，測量其相應的接觸角值。接觸角采用儀器自帶的手動法測量，每個樣品的不同位置測量5 次，取其平均值。
1.3.9 納米顆粒在油水相中的分散
將StNP和StNPpAc分散在1∶1的水與氯仿中，輕輕搖振混勻，靜置后，觀察其分散情況。按照同樣的操作，水與大豆油1∶1，驗證納米顆粒在油水相中的分散效果。
1.3.10 酶解消化與動力學分析
參照文獻[23-24]的方法測定體外酶解消化特性。將100 mg樣品與10 mL醋酸-醋酸鈉緩沖液（pH 5.2，0.1 mol/L）混合搖勻，置于37 ℃恒溫箱中預熱10 min。然后加入5 mL混合酶液（290 U/mL-淀粉酶和15 U/mL淀粉葡萄糖苷酶），在37 ℃恒溫箱孵育酶解數(shù)小時（搖床速率200 r/min），前2 h每隔20 min從中吸取0.5 mL酶解液置于刻度試管，立即放入沸水浴中滅活，而后在6 000 r/min離心5 min。用3,5-二硝基水楊酸法測定其葡萄糖含量。用干燥原淀粉顆粒（dry starch granules，DStG）和糊化原淀粉（gelatinized starch，GSt）按上述方法做對照實驗。快消化性淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）、抗性淀粉（resistant starch，RS）含量按式（3）～（5）計算：
式中：為酶解前的葡萄糖質(zhì)量/mg；為酶解20 min葡萄糖質(zhì)量/mg；為酶解120 min葡萄糖質(zhì)量/mg；為總淀粉樣品質(zhì)量/mg。
1.4 數(shù)據(jù)處理
實驗均進行3 次重復取均值，采用Excel 2010對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、計算和繪表，采用Origin 2008對實驗參數(shù)和結(jié)果繪圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 酯化StNP的表征
2.1.1 X射線衍射分析
如圖1所示，原淀粉顆粒呈現(xiàn)典型的衍射圖譜，在15°～25°處有15°、17°、18°和23°四個強峰，因此原淀粉是一種A型結(jié)晶淀粉。StNP和StNPpAc沒有出現(xiàn)顯著上述形態(tài)的峰值，而是表現(xiàn)為一種無定型結(jié)晶態(tài)。糊化和醇沉使結(jié)晶形態(tài)發(fā)生了變化。完全糊化的原淀粉分子鏈之間的氫鍵被水分子破壞，充分伸展，以分子形態(tài)存在，結(jié)晶形態(tài)被破壞。糊化液在超聲的空化效應作用下，淀粉鏈的一部分結(jié)構(gòu)被破壞，發(fā)生斷裂，分子質(zhì)量降低，溶液黏度降低。在醇沉中，分子質(zhì)量降低后的淀粉鏈在乙醇中不溶解而重排析出，得到納米顆粒，但由于淀粉鏈中大量暴露的羥基與水分子相互作用，即使劇烈攪拌也不能完全將這些水分奪走，使醇沉形成的納米顆粒難以回生緊密的結(jié)晶形態(tài)，而是形成一種較為松散的無定型聚集狀態(tài)。這種結(jié)晶變化與淀粉納米晶的顆粒形態(tài)有明顯區(qū)別，因為納米晶在制備中并沒有發(fā)生糖鏈舒展和重排，而僅是原淀粉顆粒發(fā)生了自外到內(nèi)逐層斷裂脫除而得。由圖1還可看出，乙?；矡o助于StNP結(jié)晶形態(tài)的恢復。事實上，文獻報道的淀粉納米晶的高度乙酰化也會破壞淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，從而形成無定形寬峰。納米顆粒的這種無定型聚集態(tài)，反映了糖鏈之間聚集并不特別緊密，表面有一定松散度。這種松散的顆粒結(jié)構(gòu)使表面的活性基團得以暴露更多，在理論上有利于提高酯化活性。
圖1 X射線衍射圖Fig. 1 XRD patterns of native starch and nanoparticles
2.1.2 紅外光譜吸收
如圖2所示，在StNP的光譜中，3 372 cm處出現(xiàn)了氫鍵羥基的寬帶。吸收帶在2 930 cm左右歸因于C—H伸縮振動。1 642 cm是淀粉中吸附水的振動吸收。與StNP相比，不同DS的StNPpAc在1 733 cm處表現(xiàn)出強烈的酯基吸收信號，且隨著DS的增加，酯基信號強度增加。同時，在1 417、1 372 cm和1 247 cm處新的吸收帶可分別歸屬于—CH基團不對稱形變振動、—CH基團對稱形變振動和羰基C＝O伸縮振動，這些新吸附峰的出現(xiàn)表明產(chǎn)物StNPpAc是在酯化過程中形成的。在天然和經(jīng)過改性StNP的光譜中，在1 158、1 080、1 024 cm處都有幾個可辨別的吸收峰，這歸因于葡萄糖單元的C—O—C鍵拉伸振動，對于酯化淀粉，通過光譜中1 024 cm和1 730～1 750 cm處峰面積的比率可以粗略估計改性淀粉的酯化DS。在930、858、764、611、578 cm處出現(xiàn)的吸收帶歸因于整個脫水葡萄糖環(huán)和糖苷鍵的拉伸振動，該區(qū)域的吸收是多糖類物質(zhì)（直鏈淀粉、支鏈淀粉、纖維素和淀粉）葡萄糖單元的振動狀態(tài)的普遍模式。綜合上述，紅外光譜證實了表面改性，表面的羥基已被乙?；鶊F部分取代。
圖2 不同DS StNPpAc的紅外光譜Fig. 2 FTIR spectra of StNPpAc with different degrees of substitution
通常由于淀粉的親水性、緊密結(jié)晶和羥基氫鍵的存在，淀粉的酯化并不容易，一般需要使用二甲基亞砜、,-二甲基甲酰胺或者吡啶等有機試劑溶解后再進行，即使使用了活性?；噭┧狒蝓Ｂ?，通常也仍然需要在硫酸、對甲苯磺酸、吡啶或離子液體類催化劑的促進下才能得到DS較高的酯化產(chǎn)物。相關(guān)文獻報道了一種高DS的乙酸酐酯化淀粉的制備方法（DS達到2.66），在淀粉沒有完全溶解的情況下，需要濃硫酸催化才能順利進行，并且重復實驗發(fā)現(xiàn)該方法由于在90 ℃反應過程乙酸和生成水的影響，產(chǎn)物會發(fā)生一定程度的糊化，在分離純化時堵塞在濾紙層，說明高DS的產(chǎn)物是在結(jié)晶結(jié)構(gòu)被一定程度破壞的基礎上獲得，反過來也說明淀粉的表面活化處理更利于酯化反應。在水媒介中的乙酰酯化反應，則需要堿性環(huán)境才能獲得低DS的改性產(chǎn)物（DS為0.14以下）。通過對比實驗，在沒有催化劑的情況下，原淀粉在同樣條件下酯化反應活性非常低，紅外光譜沒有能夠檢測到酯基的顯著吸收；未經(jīng)表面技術(shù)處理的納米顆粒由于顆粒尺寸小，羥基暴露較多，具有一定的反應活性，在1 733 cm處出現(xiàn)了一個小峰；采用本課題組的表面處理的技術(shù)，有效提高了StNP對乙酸酐的反應活性，而且通過改變常溫反應和高溫反應時間，改變乙酸酐加入量，可以制備出不同DS的StNPpAc（DS如圖2所示）。當料液比為1∶5，反應時間6 h后，DS為0.53，紅外吸收峰較為顯著，如圖3所示。這表明經(jīng)過表面預處理的StNP反應活性更高，表面改性更容易進行。
圖3 預處理方式不同的淀粉乙酸酯的紅外光譜Fig. 3 FTIR spectra of starch acetate subjected to different pretreatments
2.1.3 核磁共振結(jié)果
通過核磁共振波氫譜上不同的特征峰，可以判斷物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學取代基團的區(qū)別。淀粉分子上的羥基在酯化反應中被取代。受到取代基團的影響，葡萄糖單元質(zhì)子的共振會發(fā)生變化，取代基上的質(zhì)子也會發(fā)生響應的共振。如圖4所示，通過酯化過程，乙?；灰氲絊tNP中，由甲基的質(zhì)子產(chǎn)生的信號出現(xiàn)在1.8～2.2。由于DS不夠高，仍然可以觀察到脫水葡萄糖單元的在3.29～3.65范圍內(nèi)的特征信號峰，這是因為僅有一部分羥基被取代修飾，糖鏈骨架上大量羥基依然存在，與相關(guān)文獻報道相符。
圖4 核磁共振譜Fig. 4 NMR spectra of native starch, StNP and StNPpAc
2.1.4 顆粒形貌、粒徑及電位分析
如圖5所示，原淀粉顆粒呈圓形和橢圓形，顆粒大小在3～20 μm之間。StNP的粒徑則遠小于原淀粉的粒徑，呈球形外觀，粒徑在30～500 nm范圍，這與粒徑分析結(jié)果相符（圖6），其平均粒徑為（329.6±23.66）nm，多分散指數(shù)（polydispersed index，PDI）為0.456±0.015，顆粒之間有較多橋狀黏連，主要是由于淀粉的氫鍵較強，顆粒之間相互吸引所致，這種作用也是原淀粉顆粒形成較大尺寸的原因。乙酰化處理的StNP表面形貌和邊緣略為粗糙，失去了光滑的表面結(jié)構(gòu)和形狀，輪廓不清晰，可能是酯化反應和溫度影響所致，改性后，顆粒之間存在一定程度的黏連，可能是酯化反應使顆粒表連接大量的乙?；鶊F之間相互作用，這種現(xiàn)象與文獻[23]報道使用原淀粉乙酰酯化后在進行納米化所得的顆粒形貌出現(xiàn)少量黏連相似，但粒徑分析表明納米顆粒在改性前后，尺寸沒有發(fā)生較大改變（平均粒徑（273.8±26.41）nm，PDI 0.412±0.07），這種黏連并不牢固，結(jié)構(gòu)上不緊密，因而并不影響StNP疏水性能在改性得到改善。另外，圖6的粒徑分布中均有2個大峰，可能的原因是淀粉在糊化和超聲破碎時產(chǎn)生了2種分子質(zhì)量較為集中分布的淀粉鏈，在醇沉時形成了粒徑分布有差異的納米淀粉顆粒。圖6也顯示了2種粒徑峰的位置在改性前后沒有較大變化，說明改性對納米淀粉顆粒尺寸沒有造成顯著損害。
圖5 原淀粉的掃描電子顯微鏡圖Fig. 5 SEM image of native starch
圖6 StNP和StNPpAc法掃描電子顯微鏡圖及粒徑分布Fig. 6 SEM images and particle size distribution of StNP and StNPpAc
對于顆粒在水中的聚集狀態(tài)，Zeta電位分析能解釋其中原因，這是了解StNP疏水親水性能的一種手段。如圖7所示，未改性的StNP電位為-12.2 mV，說明其帶有一定的負電荷，這與相關(guān)文獻相符；其負電性可能是由于納米淀粉顆粒對源于原淀粉本身的微量鹽帶來的負離子在顆粒表面的吸附所致，另一個可能的原因是超聲分散處理時空化效應引起了納米顆粒表面羥基的微弱解離。經(jīng)過改性的StNP在純水中的Ztea電位比未改性顆粒有一定增大，并隨著DS升高而增大，可以達到-19.4 mV。在理論上，Zeta電位是表征分散系穩(wěn)定性的重要指標，在一定程度上反映Stern雙電層理論中分散顆粒表面攜帶同種電荷的數(shù)量和粒子之間相互排斥或吸引力的強度，Zeta電位的絕對值越大，該分散體系就會越穩(wěn)定，不容易發(fā)生聚集。因此，在改性后，StNP電位增大，對水的穩(wěn)定性得到了提高，在水中分散后聚集現(xiàn)象減弱。在文獻中，酯化StNP表面電荷因靜電斥力能在水環(huán)境保持分散狀態(tài)，這種能力是納米顆粒能維持乳液穩(wěn)定性的重要內(nèi)在動力，對乳液制備等領域起著至關(guān)重要的作用。
圖7 Zeta電位分析Fig. 7 Zeta potential analysis
2.2 疏水性能測試
2.2.1 顆粒表面接觸角
如圖8所示，未改性的StNP表面接觸角值最小，因為StNP的表面富含羥基基團，最有能力與水建立氫鍵，利于水在表面的潤濕。改性后的StNP接觸角達到了（109±3.56）°，表明化學處理引起StNP表面極性的劇烈變化，使之具備了一定疏水能力，由此可知乙?；砻娓男愿纳屏说矸鄣氖杷阅堋＿@種疏水能力隨著DS增大而獲得增強。如圖9所示，不同DS StNPpAc膜上在水滴滴下后接觸角隨時間的變化情況，淀粉基材的接觸角值會隨時間而降低，這種現(xiàn)象是由于液滴的在空隙中擴散和滲透所致；接觸角值隨時間延長而降低的幅度與淀粉的DS有一定相關(guān)性，DS高的樣品的接觸角降低幅度較小，能維持穩(wěn)定接觸狀態(tài)的時間較長，這說明高DS的表面改性處理能提高淀粉材料表面的疏水性能和穩(wěn)定性。
圖8 不同DS StNP膜上在滴下水滴5 min后的接觸角Fig. 8 Contact angle for starch nanoparticle films with different DS values at five minutes after dropping water on them
圖9 不同DS StNPpAc膜上在水滴滴下后接觸角隨時間的變化情況Fig. 9 Change in contact angle for StNPpAc films with different DS values changes over time after dropping water on them
2.2.2 潤濕性能
疏水性能也可以通過油水混合進行直觀表現(xiàn)。將StNP和StNPpAc分散在1∶1的水與氯仿中，靜置后，未改性的StNP不能在氯仿中分散，被水層所吸附，改性后，StNPpAc進入氯仿層，并且沒有高速均質(zhì)的作用，也能與氯仿形成微乳，將少量水包裹其中（圖10）。在大豆油的分散情況與此類似，未改性的StNP也不容易在大豆油中分散，StNPpAc則與大豆油形成乳液。這說明改性后，StNPpAc更親油性，具有較好的疏水性能，能對油滴進行包裹，具備了油水乳化的潛力?？梢?，表面乙?；揎椄淖兞说矸垲w粒的親疏水性能。
圖10 StNP和StNPpAc在氯仿/水、大豆油/水中分散情況Fig. 10 Dispersion of StNP and StNPpAc in chloroform/water and soybean oil/water
2.3 酶解消化特性
如表1所示，干燥的未經(jīng)糊化的原淀粉由于結(jié)晶緊密，不容易被酶解，大部分原淀粉顆粒呈抗性特性。StNP和StNPpAc酶解殘余量低于65%，表現(xiàn)出更容易被消化的特性，可能因為StNP和StNPpAc是原淀粉經(jīng)過高溫糊化和超聲破碎處理，糖鏈結(jié)構(gòu)不再具有緊密的晶型形態(tài)，糖苷更容易被酶接觸而水解，可見通過此法制備的StNP和StNPpAc具有較好的生物降解性能和可消化特性。同時，與StNP相比，StNPpAc對淀粉酶敏感性降低，呈現(xiàn)出較強的抗酶解性能，DS高的StNPpAc抗性更強，可能是由于表面乙?；诡w粒疏水性增強，減弱了酶的界面接觸，表現(xiàn)了更好的酶解抗性。當酯化納米顆粒用于藥物、食用乳液制備時，這種相對較強的抗酶解性能使其在體內(nèi)具有一定的限期穩(wěn)定性，也使其作為食用多糖應用，具有一定的升糖控制性能。
表1 淀粉和納米顆粒體外消化特性Table 1 In vitro digestibility of starch and nanoparticles%
從酶解曲線（圖11）可見，DStG的酶解率非常低，而GSt酶解率達到79.63%，淀粉糊化后容易引起餐后血糖水平的突然升高。糊化后制備得到的StNP與糊化的原淀粉酶解速率接近，這與StNP在回生中沒有形成緊密的定型結(jié)晶有關(guān)，其松散的無定型結(jié)構(gòu)和極強的親水性使酶解易于進行。改性得到的StNPpAc，酶解率降低，DS高的產(chǎn)物酶解速率下降明顯，這與相關(guān)文獻相似。特別明顯地，較高DS的StNPpAc比StNP酶解率低得多，并且在40～420 min之間仍然具有一定的酶解速率，能持慢速續(xù)釋放糖分，有利于維持體內(nèi)的糖分需求。
圖11 原淀粉和StNP的酶解曲線Fig. 11 Enzymatic hydrolysis curves of native starch and starch nanoparticles
3 結(jié) 論
通過超聲破碎處理和醇沉等方式制備了平均尺寸（273.8±26.41）nm的StNP。在不添加催化劑的條件下，StNP的表面乙?；疍S能達到0.53，與未經(jīng)處理的原淀粉和StNP相比，表面預處理可以較好地提高StNP的表面修飾反應活性。顆粒表面經(jīng)疏水性修飾，增強了StNP的疏水性能，三相接觸角達到了（109±3.56）°，為StNP的后續(xù)疏水性領域的應用提供了便捷的技術(shù)支持。同時，酯化改性提高了醇沉納米顆粒的酶解抗性，使其具備一定的控糖性能，為StNP在有血糖要求的食用領域提供更多可能性。
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姚先超，史永桂，焦思宇，吳雅珊，楊婉顏，林日輝
（廣西民族大學化學化工學院，林產(chǎn)化學與工程國家民委重點實驗室，廣西林產(chǎn)化學與工程重點實驗室/協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西多糖材料與改性重點實驗室，廣西 南寧 530006）
近年來，納米顆粒材料作為藥物緩釋載體被認為是提高藥物穩(wěn)定性、生物利用率的重要途徑。生物質(zhì)納米顆粒也被認為是用于替代傳統(tǒng)乳化劑、抑制油滴聚集凝結(jié)、用制備更安全環(huán)保更穩(wěn)定的藥用食用性Pickering乳液、飲品等的重要乳化穩(wěn)定劑原料。來源廣泛的納米淀粉因其天然可再生、無毒性、生物相容性好、可生物降解性、成本低等優(yōu)勢，成為制備新型納米顆粒的生物質(zhì)資源。然而天然的納米淀粉由于其組成結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基基團而具有極強的親水性，當暴露于水中或潮濕環(huán)境時易受水分侵蝕而很快失去完整性和耐久性，大大降低其機械性能和尺寸穩(wěn)定性。此外，由于這些羥基的作用，淀粉分子具有很強的分子間和分子內(nèi)氫鍵，容易在有機介質(zhì)中發(fā)生自聚集、團聚、聚沉，因而不容易分散在油相中或油水界面，不具備形成良好穩(wěn)定Pickering乳液的能力，不適用于疏水性需求的領域，需要使用物理或化學方法改變其親疏水性能。淀粉的化學疏水改性主要有醚化、酯化、交聯(lián)、接枝和縮合反應等。酯化改性是將葡萄糖單元上的活性羥基轉(zhuǎn)化為烷基或芳基，這種改性不會破壞其鏈的完整性，保持了淀粉原有生物可降解等性能，但疏水性、加工性和柔韌性得到了改善。乙酰酯化是最容易實現(xiàn)淀粉疏水改性的酯化修飾方法，乙酰淀粉也是食品應用中使用非常廣泛的改性淀粉。
乙?；{米淀粉的制備方法中，原淀粉與醋酸酐要在堿性或強酸催化下制備成酯化淀粉，再將產(chǎn)物溶解于有機溶劑（如二甲基亞砜、丙酮等），最后通過高速均質(zhì)技術(shù)制備納米淀粉顆粒。Teodoro等報道了用冰醋酸和乙酸酐在40 ℃下將淀粉溶解成均相狀態(tài)，然后用濃硫酸作為催化劑在60 ℃下乙酰酯化，制得的乙酰淀粉用丙酮溶解后在水中沉析獲得500 nm左右的淀粉納米顆粒（starch nanoparticles，StNP）。Leonardo、Getahun等用NaOH作為催化劑合成乙酰淀粉，然后用丙酮、氯仿、二氯甲烷溶解再納米化。在這種方法中，酯化和納米化過程需要使用強酸堿性試劑、非環(huán)保試劑，需要反復糊化、溶解、破碎、干燥等高耗能操作。另一種常用方法是，通過酸解等方式制備成淀粉納米晶或者StNP，再催化乙?；玫疆a(chǎn)物。Takkalkar等用淀粉納米晶在濃硫酸催化下在50 ℃與乙酸酐反應5 h獲得取代度（degree of substitution，DS）為0.99的乙酰納米晶產(chǎn)物。Qian Xiaoli等用類似的方法改性淀粉納米晶，產(chǎn)物能夠用于穩(wěn)定Pickering乳液。Xiao Huaxi等用濃硫酸催化乙酰酯化制備了DS為2.72的產(chǎn)物，用于膜功能的慢速蛋白質(zhì)遞送。對于納米化再改性，相比于原生淀粉顆粒，StNP和納米晶粒粒徑降低至1 μm甚至數(shù)百納米以下，使更多的羥基活性基團在沒有溶脹或者糊化的情況下暴露在顆粒表層，其更短的孔道長度使得內(nèi)部的羥基也有更多的機會與試劑分子接觸發(fā)生反應，使改性更容易進行，而納米淀粉粒的葡萄糖骨架結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生根本改變，仍然具有生物相容性、可生物降解等特性。但是由于顆粒內(nèi)的淀粉鏈之間氫鍵的作用使其結(jié)構(gòu)緊密，不易溶于冷水，試劑難以接近淀粉骨架上大部分的基團，使改性工藝較為復雜，甚至需要使用腐蝕性、毒性較強的溶劑和催化劑，這些化學試劑在食品中存在使用限制性。為此，本實驗探索一種除了添加乙酸酐作為?；噭?，不添加強酸及有害試劑的StNP表面酯化疏水改性的簡便工藝條件，旨在為疏水性StNP制備尋找新型技術(shù)路線。
1 材料與方法
1.1 材料與試劑
食品級木薯淀粉由廣西岑溪市三角淀粉責任有限公司無償捐贈。
乙酸酐、鹽酸（均為分析純） 廉江市愛廉化試劑有限公司；無水乙醇、氫氧化鈉（均為分析純） 成都市科隆化學品有限公司；氘代二甲基亞砜（同位素標準品） 美國Cambridge Isotope Laboratories公司；大豆油（食用油） 益嘉海里公司；其他所有分離用溶劑均為國產(chǎn)分析純。
1.2 儀器與設備
JY92-IIN超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；SDS350整體傾斜接觸角測量儀 東莞市晟鼎精密儀器有限公司；SUPRA 55 Sapphire場發(fā)射掃描電子顯微鏡 德國Carl Zeiss公司；Avance600MHz型核磁共振 德國Bruker公司；MAGNA-IR550紅外光譜儀美國Thermo Fisher公司；Zetasizer Nano ZS激光納米粒度、Zeta電位分析儀 英國Malvern公司；UItime IV型X射線衍射儀 日本Rigaku公司；MiniFlex600型X射線衍射儀 日本理學公司。
1.3 方法
1.3.1 StNP乙酸酯的制備
采用本課題研發(fā)的納米化技術(shù)通過超聲破碎處理和乙醇沉降的方法制備StNP，再進行顆粒表面改性，得到產(chǎn)物。將食用木薯淀粉放入水中在90 ℃下完全糊化得到質(zhì)量分數(shù)為3.5%的淀粉糊，1 000 W超聲對淀粉溶液處理20 min，而后在劇烈攪拌下將淀粉溶液滴加到無水乙醇（1∶9，/）中，醇沉析出StNP，凍干可以獲得干燥顆粒。簡單的表面處理后得到的StNPp均勻分散在乙酸酐，在常溫下攪拌1 h，將溫度緩慢提高到75 ℃，補加乙酸酐（淀粉中葡萄糖單元與乙酸酐物質(zhì)的量比為1∶3，下稱料液比），繼續(xù)在冷凝回流下反應2 h。反應結(jié)束后，冷卻至室溫，在8 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心，用無水乙醇洗滌數(shù)次，沉積物加入適量水（1∶1，/），轉(zhuǎn)至寬口玻璃皿，去凍干，獲得StNP乙酸酯（acetate of starch nanoparticles pretreated，StNPpAc）。
按照上述合成步驟和條件，使用同等量的原淀粉和未經(jīng)表面預處理的StNP進行乙酰化，所得產(chǎn)物標記為StAc和StNPAc。每一種淀粉樣品在相同條件下分別重復做平行樣品。
1.3.2 酯化淀粉DS測定
參考文獻[19]，并根據(jù)實際情況作改進。取適量酯化淀粉，放入150 mL的錐形瓶中并加入50 mL的0.5 mol/L氫氧化鈉溶液，在磁力攪拌器上60 ℃糊化皂化1 h。將糊化后的溶液冷卻至室溫，滴加2～3 滴酚酞作為指示劑，再用0.5 mol/L的鹽酸進行滴定至終點，記錄消耗HCl的體積數(shù)。滴定后的淀粉糊化渾濁液，在60 ℃減壓蒸發(fā)水分，殘渣在80 ℃真空干燥至恒質(zhì)量，記錄殘渣質(zhì)量。按式（1）、（2）計算DS：
式（1）中：為乙?；诘矸埘ブ械暮?（g/g）；為滴定后去烘干所得殘渣質(zhì)量/g；為皂化加入的NaOH標準溶液體積/mL；為NaOH標準溶液濃度/（mol/L）；為樣品淀粉滴定消耗HCl溶液體積/mL；為HCl標準溶液濃度/（mol/L）。
式（2）中：DS為淀粉分子上每個葡萄糖單元上的羥基平均被取代的數(shù)量。
1.3.3 紅外光譜分析
采用KBr壓片法。傅里葉變換紅外光譜用于采集StNP和StNP乙酸酯樣品的紅外吸收，識別改性淀粉中存在的特征官能團。取1～2 mg淀粉樣品與干燥的KBr粉末混合并壓制成薄膜層，然后通過傅里葉變換紅外光譜儀進行測定。樣本掃描波長范圍為4 000～400 cm，平均32 次掃描，分辨率為4 cm。
1.3.4 核磁共振波氫譜分析
取5 mg干燥的淀粉用品，溶解于0.5 mL氘代二甲基亞砜溶劑中，利用核磁共振波譜儀檢測核磁共振波氫譜波譜圖。測試條件為：60 ℃，30°脈沖角，延遲時間10 s，數(shù)據(jù)采集時間2 s。
1.3.5 納米顆粒的形貌表征
用掃描電子顯微鏡法取一定量干燥的StNPp和不同DS的StNPpAc通過導電膠均勻地分散到樣品臺上，輕輕吹去多余的浮樣，置于真空鍍膜儀下噴鍍鈀金，制成電鏡觀察樣品，在掃描電鏡下拍攝具有代表性的不同放大倍數(shù)下的淀粉顆粒性形貌，加速電壓為10 kV。
1.3.6 粒徑和Zeta電位測定
參考文獻[22]并適當調(diào)整，將納米淀粉分散在超純水中，超聲處理20 s，配制0.01%的水分散液。將制備好的樣品注入粒徑測定的塑料比色皿中，放入測量區(qū)，等待儀器自動平衡樣品，用激光粒度及Zeta電位分析儀測量淀粉顆粒的粒徑分布范圍。淀粉顆粒和水的折光系數(shù)分別為1.54和1.33，測試數(shù)據(jù)用其平均粒徑范圍。將上述的淀粉分散液注入Zeta電位測定專用樣品池，采用相同的激光粒度及Zeta電位分析儀進行測定。
1.3.7 納米顆粒的結(jié)晶性
采用X射線衍射儀進行分析：Cu（Kα）射線，Ni片濾波，電壓40 kV，電流15 mA，掃描范圍2為4～30°，掃描速率為8°/min，掃描步長為0.02°，根據(jù)衍射峰振動波數(shù)、散射峰面積，分析干燥的淀粉樣品晶型并計算結(jié)晶度。
1.3.8 接觸角的測量
移取一定量的StNP乙醇分散液，均勻涂抹在干凈的薄玻璃片上，待乙醇揮發(fā)完畢，StNP在玻璃片形成一層薄層，將玻璃片放入真空干燥箱中在35 ℃、-0.095 MPa干燥24 h。其后，將玻璃片浸入到裝有大豆油的專用正方體比色皿中，置于接觸角測試儀操作平臺上，用高精度注射器系統(tǒng)控制一滴3 μL的水滴緩慢滴加到StNP薄層表面，在滴加后5 s，5、10、25、30 min對液滴進行拍照，測量其相應的接觸角值。接觸角采用儀器自帶的手動法測量，每個樣品的不同位置測量5 次，取其平均值。
1.3.9 納米顆粒在油水相中的分散
將StNP和StNPpAc分散在1∶1的水與氯仿中，輕輕搖振混勻，靜置后，觀察其分散情況。按照同樣的操作，水與大豆油1∶1，驗證納米顆粒在油水相中的分散效果。
1.3.10 酶解消化與動力學分析
參照文獻[23-24]的方法測定體外酶解消化特性。將100 mg樣品與10 mL醋酸-醋酸鈉緩沖液（pH 5.2，0.1 mol/L）混合搖勻，置于37 ℃恒溫箱中預熱10 min。然后加入5 mL混合酶液（290 U/mL-淀粉酶和15 U/mL淀粉葡萄糖苷酶），在37 ℃恒溫箱孵育酶解數(shù)小時（搖床速率200 r/min），前2 h每隔20 min從中吸取0.5 mL酶解液置于刻度試管，立即放入沸水浴中滅活，而后在6 000 r/min離心5 min。用3,5-二硝基水楊酸法測定其葡萄糖含量。用干燥原淀粉顆粒（dry starch granules，DStG）和糊化原淀粉（gelatinized starch，GSt）按上述方法做對照實驗。快消化性淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）、抗性淀粉（resistant starch，RS）含量按式（3）～（5）計算：
式中：為酶解前的葡萄糖質(zhì)量/mg；為酶解20 min葡萄糖質(zhì)量/mg；為酶解120 min葡萄糖質(zhì)量/mg；為總淀粉樣品質(zhì)量/mg。
1.4 數(shù)據(jù)處理
實驗均進行3 次重復取均值，采用Excel 2010對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、計算和繪表，采用Origin 2008對實驗參數(shù)和結(jié)果繪圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 酯化StNP的表征
2.1.1 X射線衍射分析
如圖1所示，原淀粉顆粒呈現(xiàn)典型的衍射圖譜，在15°～25°處有15°、17°、18°和23°四個強峰，因此原淀粉是一種A型結(jié)晶淀粉。StNP和StNPpAc沒有出現(xiàn)顯著上述形態(tài)的峰值，而是表現(xiàn)為一種無定型結(jié)晶態(tài)。糊化和醇沉使結(jié)晶形態(tài)發(fā)生了變化。完全糊化的原淀粉分子鏈之間的氫鍵被水分子破壞，充分伸展，以分子形態(tài)存在，結(jié)晶形態(tài)被破壞。糊化液在超聲的空化效應作用下，淀粉鏈的一部分結(jié)構(gòu)被破壞，發(fā)生斷裂，分子質(zhì)量降低，溶液黏度降低。在醇沉中，分子質(zhì)量降低后的淀粉鏈在乙醇中不溶解而重排析出，得到納米顆粒，但由于淀粉鏈中大量暴露的羥基與水分子相互作用，即使劇烈攪拌也不能完全將這些水分奪走，使醇沉形成的納米顆粒難以回生緊密的結(jié)晶形態(tài)，而是形成一種較為松散的無定型聚集狀態(tài)。這種結(jié)晶變化與淀粉納米晶的顆粒形態(tài)有明顯區(qū)別，因為納米晶在制備中并沒有發(fā)生糖鏈舒展和重排，而僅是原淀粉顆粒發(fā)生了自外到內(nèi)逐層斷裂脫除而得。由圖1還可看出，乙?；矡o助于StNP結(jié)晶形態(tài)的恢復。事實上，文獻報道的淀粉納米晶的高度乙酰化也會破壞淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，從而形成無定形寬峰。納米顆粒的這種無定型聚集態(tài)，反映了糖鏈之間聚集并不特別緊密，表面有一定松散度。這種松散的顆粒結(jié)構(gòu)使表面的活性基團得以暴露更多，在理論上有利于提高酯化活性。
圖1 X射線衍射圖Fig. 1 XRD patterns of native starch and nanoparticles
2.1.2 紅外光譜吸收
如圖2所示，在StNP的光譜中，3 372 cm處出現(xiàn)了氫鍵羥基的寬帶。吸收帶在2 930 cm左右歸因于C—H伸縮振動。1 642 cm是淀粉中吸附水的振動吸收。與StNP相比，不同DS的StNPpAc在1 733 cm處表現(xiàn)出強烈的酯基吸收信號，且隨著DS的增加，酯基信號強度增加。同時，在1 417、1 372 cm和1 247 cm處新的吸收帶可分別歸屬于—CH基團不對稱形變振動、—CH基團對稱形變振動和羰基C＝O伸縮振動，這些新吸附峰的出現(xiàn)表明產(chǎn)物StNPpAc是在酯化過程中形成的。在天然和經(jīng)過改性StNP的光譜中，在1 158、1 080、1 024 cm處都有幾個可辨別的吸收峰，這歸因于葡萄糖單元的C—O—C鍵拉伸振動，對于酯化淀粉，通過光譜中1 024 cm和1 730～1 750 cm處峰面積的比率可以粗略估計改性淀粉的酯化DS。在930、858、764、611、578 cm處出現(xiàn)的吸收帶歸因于整個脫水葡萄糖環(huán)和糖苷鍵的拉伸振動，該區(qū)域的吸收是多糖類物質(zhì)（直鏈淀粉、支鏈淀粉、纖維素和淀粉）葡萄糖單元的振動狀態(tài)的普遍模式。綜合上述，紅外光譜證實了表面改性，表面的羥基已被乙?；鶊F部分取代。
圖2 不同DS StNPpAc的紅外光譜Fig. 2 FTIR spectra of StNPpAc with different degrees of substitution
通常由于淀粉的親水性、緊密結(jié)晶和羥基氫鍵的存在，淀粉的酯化并不容易，一般需要使用二甲基亞砜、,-二甲基甲酰胺或者吡啶等有機試劑溶解后再進行，即使使用了活性?；噭┧狒蝓Ｂ?，通常也仍然需要在硫酸、對甲苯磺酸、吡啶或離子液體類催化劑的促進下才能得到DS較高的酯化產(chǎn)物。相關(guān)文獻報道了一種高DS的乙酸酐酯化淀粉的制備方法（DS達到2.66），在淀粉沒有完全溶解的情況下，需要濃硫酸催化才能順利進行，并且重復實驗發(fā)現(xiàn)該方法由于在90 ℃反應過程乙酸和生成水的影響，產(chǎn)物會發(fā)生一定程度的糊化，在分離純化時堵塞在濾紙層，說明高DS的產(chǎn)物是在結(jié)晶結(jié)構(gòu)被一定程度破壞的基礎上獲得，反過來也說明淀粉的表面活化處理更利于酯化反應。在水媒介中的乙酰酯化反應，則需要堿性環(huán)境才能獲得低DS的改性產(chǎn)物（DS為0.14以下）。通過對比實驗，在沒有催化劑的情況下，原淀粉在同樣條件下酯化反應活性非常低，紅外光譜沒有能夠檢測到酯基的顯著吸收；未經(jīng)表面技術(shù)處理的納米顆粒由于顆粒尺寸小，羥基暴露較多，具有一定的反應活性，在1 733 cm處出現(xiàn)了一個小峰；采用本課題組的表面處理的技術(shù)，有效提高了StNP對乙酸酐的反應活性，而且通過改變常溫反應和高溫反應時間，改變乙酸酐加入量，可以制備出不同DS的StNPpAc（DS如圖2所示）。當料液比為1∶5，反應時間6 h后，DS為0.53，紅外吸收峰較為顯著，如圖3所示。這表明經(jīng)過表面預處理的StNP反應活性更高，表面改性更容易進行。
圖3 預處理方式不同的淀粉乙酸酯的紅外光譜Fig. 3 FTIR spectra of starch acetate subjected to different pretreatments
2.1.3 核磁共振結(jié)果
通過核磁共振波氫譜上不同的特征峰，可以判斷物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學取代基團的區(qū)別。淀粉分子上的羥基在酯化反應中被取代。受到取代基團的影響，葡萄糖單元質(zhì)子的共振會發(fā)生變化，取代基上的質(zhì)子也會發(fā)生響應的共振。如圖4所示，通過酯化過程，乙?；灰氲絊tNP中，由甲基的質(zhì)子產(chǎn)生的信號出現(xiàn)在1.8～2.2。由于DS不夠高，仍然可以觀察到脫水葡萄糖單元的在3.29～3.65范圍內(nèi)的特征信號峰，這是因為僅有一部分羥基被取代修飾，糖鏈骨架上大量羥基依然存在，與相關(guān)文獻報道相符。
圖4 核磁共振譜Fig. 4 NMR spectra of native starch, StNP and StNPpAc
2.1.4 顆粒形貌、粒徑及電位分析
如圖5所示，原淀粉顆粒呈圓形和橢圓形，顆粒大小在3～20 μm之間。StNP的粒徑則遠小于原淀粉的粒徑，呈球形外觀，粒徑在30～500 nm范圍，這與粒徑分析結(jié)果相符（圖6），其平均粒徑為（329.6±23.66）nm，多分散指數(shù)（polydispersed index，PDI）為0.456±0.015，顆粒之間有較多橋狀黏連，主要是由于淀粉的氫鍵較強，顆粒之間相互吸引所致，這種作用也是原淀粉顆粒形成較大尺寸的原因。乙酰化處理的StNP表面形貌和邊緣略為粗糙，失去了光滑的表面結(jié)構(gòu)和形狀，輪廓不清晰，可能是酯化反應和溫度影響所致，改性后，顆粒之間存在一定程度的黏連，可能是酯化反應使顆粒表連接大量的乙?；鶊F之間相互作用，這種現(xiàn)象與文獻[23]報道使用原淀粉乙酰酯化后在進行納米化所得的顆粒形貌出現(xiàn)少量黏連相似，但粒徑分析表明納米顆粒在改性前后，尺寸沒有發(fā)生較大改變（平均粒徑（273.8±26.41）nm，PDI 0.412±0.07），這種黏連并不牢固，結(jié)構(gòu)上不緊密，因而并不影響StNP疏水性能在改性得到改善。另外，圖6的粒徑分布中均有2個大峰，可能的原因是淀粉在糊化和超聲破碎時產(chǎn)生了2種分子質(zhì)量較為集中分布的淀粉鏈，在醇沉時形成了粒徑分布有差異的納米淀粉顆粒。圖6也顯示了2種粒徑峰的位置在改性前后沒有較大變化，說明改性對納米淀粉顆粒尺寸沒有造成顯著損害。
圖5 原淀粉的掃描電子顯微鏡圖Fig. 5 SEM image of native starch
圖6 StNP和StNPpAc法掃描電子顯微鏡圖及粒徑分布Fig. 6 SEM images and particle size distribution of StNP and StNPpAc
對于顆粒在水中的聚集狀態(tài)，Zeta電位分析能解釋其中原因，這是了解StNP疏水親水性能的一種手段。如圖7所示，未改性的StNP電位為-12.2 mV，說明其帶有一定的負電荷，這與相關(guān)文獻相符；其負電性可能是由于納米淀粉顆粒對源于原淀粉本身的微量鹽帶來的負離子在顆粒表面的吸附所致，另一個可能的原因是超聲分散處理時空化效應引起了納米顆粒表面羥基的微弱解離。經(jīng)過改性的StNP在純水中的Ztea電位比未改性顆粒有一定增大，并隨著DS升高而增大，可以達到-19.4 mV。在理論上，Zeta電位是表征分散系穩(wěn)定性的重要指標，在一定程度上反映Stern雙電層理論中分散顆粒表面攜帶同種電荷的數(shù)量和粒子之間相互排斥或吸引力的強度，Zeta電位的絕對值越大，該分散體系就會越穩(wěn)定，不容易發(fā)生聚集。因此，在改性后，StNP電位增大，對水的穩(wěn)定性得到了提高，在水中分散后聚集現(xiàn)象減弱。在文獻中，酯化StNP表面電荷因靜電斥力能在水環(huán)境保持分散狀態(tài)，這種能力是納米顆粒能維持乳液穩(wěn)定性的重要內(nèi)在動力，對乳液制備等領域起著至關(guān)重要的作用。
圖7 Zeta電位分析Fig. 7 Zeta potential analysis
2.2 疏水性能測試
2.2.1 顆粒表面接觸角
如圖8所示，未改性的StNP表面接觸角值最小，因為StNP的表面富含羥基基團，最有能力與水建立氫鍵，利于水在表面的潤濕。改性后的StNP接觸角達到了（109±3.56）°，表明化學處理引起StNP表面極性的劇烈變化，使之具備了一定疏水能力，由此可知乙?；砻娓男愿纳屏说矸鄣氖杷阅堋＿@種疏水能力隨著DS增大而獲得增強。如圖9所示，不同DS StNPpAc膜上在水滴滴下后接觸角隨時間的變化情況，淀粉基材的接觸角值會隨時間而降低，這種現(xiàn)象是由于液滴的在空隙中擴散和滲透所致；接觸角值隨時間延長而降低的幅度與淀粉的DS有一定相關(guān)性，DS高的樣品的接觸角降低幅度較小，能維持穩(wěn)定接觸狀態(tài)的時間較長，這說明高DS的表面改性處理能提高淀粉材料表面的疏水性能和穩(wěn)定性。
圖8 不同DS StNP膜上在滴下水滴5 min后的接觸角Fig. 8 Contact angle for starch nanoparticle films with different DS values at five minutes after dropping water on them
圖9 不同DS StNPpAc膜上在水滴滴下后接觸角隨時間的變化情況Fig. 9 Change in contact angle for StNPpAc films with different DS values changes over time after dropping water on them
2.2.2 潤濕性能
疏水性能也可以通過油水混合進行直觀表現(xiàn)。將StNP和StNPpAc分散在1∶1的水與氯仿中，靜置后，未改性的StNP不能在氯仿中分散，被水層所吸附，改性后，StNPpAc進入氯仿層，并且沒有高速均質(zhì)的作用，也能與氯仿形成微乳，將少量水包裹其中（圖10）。在大豆油的分散情況與此類似，未改性的StNP也不容易在大豆油中分散，StNPpAc則與大豆油形成乳液。這說明改性后，StNPpAc更親油性，具有較好的疏水性能，能對油滴進行包裹，具備了油水乳化的潛力?？梢?，表面乙?；揎椄淖兞说矸垲w粒的親疏水性能。
圖10 StNP和StNPpAc在氯仿/水、大豆油/水中分散情況Fig. 10 Dispersion of StNP and StNPpAc in chloroform/water and soybean oil/water
2.3 酶解消化特性
如表1所示，干燥的未經(jīng)糊化的原淀粉由于結(jié)晶緊密，不容易被酶解，大部分原淀粉顆粒呈抗性特性。StNP和StNPpAc酶解殘余量低于65%，表現(xiàn)出更容易被消化的特性，可能因為StNP和StNPpAc是原淀粉經(jīng)過高溫糊化和超聲破碎處理，糖鏈結(jié)構(gòu)不再具有緊密的晶型形態(tài)，糖苷更容易被酶接觸而水解，可見通過此法制備的StNP和StNPpAc具有較好的生物降解性能和可消化特性。同時，與StNP相比，StNPpAc對淀粉酶敏感性降低，呈現(xiàn)出較強的抗酶解性能，DS高的StNPpAc抗性更強，可能是由于表面乙?；诡w粒疏水性增強，減弱了酶的界面接觸，表現(xiàn)了更好的酶解抗性。當酯化納米顆粒用于藥物、食用乳液制備時，這種相對較強的抗酶解性能使其在體內(nèi)具有一定的限期穩(wěn)定性，也使其作為食用多糖應用，具有一定的升糖控制性能。
表1 淀粉和納米顆粒體外消化特性Table 1 In vitro digestibility of starch and nanoparticles%
從酶解曲線（圖11）可見，DStG的酶解率非常低，而GSt酶解率達到79.63%，淀粉糊化后容易引起餐后血糖水平的突然升高。糊化后制備得到的StNP與糊化的原淀粉酶解速率接近，這與StNP在回生中沒有形成緊密的定型結(jié)晶有關(guān)，其松散的無定型結(jié)構(gòu)和極強的親水性使酶解易于進行。改性得到的StNPpAc，酶解率降低，DS高的產(chǎn)物酶解速率下降明顯，這與相關(guān)文獻相似。特別明顯地，較高DS的StNPpAc比StNP酶解率低得多，并且在40～420 min之間仍然具有一定的酶解速率，能持慢速續(xù)釋放糖分，有利于維持體內(nèi)的糖分需求。
圖11 原淀粉和StNP的酶解曲線Fig. 11 Enzymatic hydrolysis curves of native starch and starch nanoparticles
3 結(jié) 論
通過超聲破碎處理和醇沉等方式制備了平均尺寸（273.8±26.41）nm的StNP。在不添加催化劑的條件下，StNP的表面乙?；疍S能達到0.53，與未經(jīng)處理的原淀粉和StNP相比，表面預處理可以較好地提高StNP的表面修飾反應活性。顆粒表面經(jīng)疏水性修飾，增強了StNP的疏水性能，三相接觸角達到了（109±3.56）°，為StNP的后續(xù)疏水性領域的應用提供了便捷的技術(shù)支持。同時，酯化改性提高了醇沉納米顆粒的酶解抗性，使其具備一定的控糖性能，為StNP在有血糖要求的食用領域提供更多可能性。
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