疏水化淀粉與陰離子乳化劑協(xié)同穩(wěn)定的Pickering乳狀液的性質(zhì)研究

龔 慧，郝花影，翟玉歌，林順順，宋曉燕*

（1 貴州大學(xué)水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 貴陽 550025 2 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院 鄭州 450002）

乳狀液是由兩種互不相溶的液相組成的分散體系，其中一相（內(nèi)相或分散相）以液滴的形式分散于另一相（外相或連續(xù)相）中，通常包括水包油（O/W）和油包水（W/O）兩種類型，通過添加乳化劑可提高其穩(wěn)定性[1]。Pickering 乳狀液是用固體顆粒作為乳化劑而得到的乳狀液。與傳統(tǒng)乳狀液相比，Pickering 乳狀液成本低，乳化劑用量少，毒害作用小，且具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性[2-4]。Pickering 乳狀液在食品、化妝品及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，受到越來越多學(xué)者的關(guān)注[5-7]。

常見的食品級(jí)固體顆粒乳化劑包括纖維素[8]、蛋白質(zhì)[9]、淀粉[10]等。其中淀粉作為一種安全性高、顆粒均一的生物可再生資源，逐漸成為顆粒穩(wěn)定劑的研究熱點(diǎn)[11-13]。然而，其天然親水性，需通過疏水化修飾來提高乳化性。辛烯基琥珀酸酐（Octenyl Succinic Anhydride，OSA）酯化是最有效的方法之一[14]。陸蘭芳等[15]對(duì)辛烯基琥珀酸酐改性處理后小米淀粉的理化性質(zhì)和乳化性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)改性后淀粉的乳化性能顯著提高。Zhu 等[16]用辛烯基琥珀酸酐對(duì)大米淀粉進(jìn)行疏水化改性，并研究淀粉濃度、油相體積等對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)乳狀液的物理穩(wěn)定性和脂質(zhì)氧化穩(wěn)定性均隨著淀粉濃度和油相濃度的增加而提高。Matos 等[17]利用辛烯基琥珀酸酐改性的大米淀粉微粒制備Pickering 乳狀液來包埋白藜蘆醇，發(fā)現(xiàn)油相體積為50%時(shí)白藜蘆醇的包埋率可達(dá)到90%。

近年來，國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)顆粒乳化劑和表面活性劑復(fù)配可有效提高乳狀液的穩(wěn)定性[18-20]。Nesterenko 等[21]報(bào)道了1.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的二氧化硅和低濃度非離子型表面活性劑司盤80 復(fù)配可提高乳狀液穩(wěn)定性。王然等[22]發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量濃度為0.04 g/100 mL 的淀粉微粒與1 g/100 mL 酪蛋白酸鈉具有良好的協(xié)同效果。課題組前期研究了OSA改性淀粉微粒和不同類型表面活性劑復(fù)配使用時(shí)乳狀液的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)淀粉微粒與陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉具有較好的復(fù)配效果[23]。目前關(guān)于淀粉微粒與食品級(jí)陰離子表面活性劑聯(lián)合使用的報(bào)道較少。本研究采用OSA 淀粉微粒和羧甲基纖維素鈉（Sodium Carboxymethyl Cellulose，CMC）、黃原膠、海藻酸鈉、硬脂酸乳酸鈉、卡拉膠5 種食品級(jí)陰離子表面活性劑協(xié)同穩(wěn)定Pickering 乳狀液，探討OSA 淀粉與5 種表面活性劑的協(xié)同效果，以及復(fù)配比例對(duì)乳狀液物理穩(wěn)定性、粒徑分布和微觀結(jié)構(gòu)的影響，為新型食品級(jí)Pickering 乳狀液的開發(fā)以及在食品、醫(yī)藥等行業(yè)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米淀粉II 優(yōu)838，實(shí)驗(yàn)室自制；辛烯基琥珀酸酐、尼羅紅、尼羅藍(lán)，Sigma-Aldrich 試劑公司；葵花籽油，金龍魚股份有限公司；羧甲基纖維素鈉、黃原膠、海藻酸鈉、硬脂酸乳酸鈉、卡拉膠，購于市場；無水乙醇、NaOH、HCl、異丙醇、硝酸銀、酚酞等試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2004 電子天平，上海良平儀器儀表有限公司；TD5A 臺(tái)式低速離心機(jī)，長沙英泰儀器有限公司；RISE-2008 激光粒度分析儀，濟(jì)南潤之科技有限公司；JSM-6510 掃描電子顯微鏡，日本尼康公司；IKA T18 ULTRA-TURRAX高速分散器，德國IKA 儀器公司；FV1200 激光掃描共聚焦顯微鏡，日本奧林巴斯公司。

1.3 方法

1.3.1 水分含量的測定 大米淀粉水分含量的測定參照GB 5009.3-2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》[24]。

1.3.2 OSA 改性淀粉的制備 將120 g 大米淀粉（干基）分散于280 mL 蒸餾水中，調(diào)整pH 值為8.5，攪拌并控制反應(yīng)溫度為35 ℃，逐滴加入用3倍體積無水乙醇稀釋的辛烯基琥珀酸酐（淀粉干基的5.0%），2 h 內(nèi)加完。繼續(xù)反應(yīng)（控溫35 ℃，調(diào)pH 8.0～8.5）3 h，結(jié)束后，調(diào)pH 值至6.5，離心棄上清液，沉淀物分別用蒸餾水和70%乙醇洗滌2次。將所得淀粉于40 ℃烘箱干燥24 h，粉碎過180目篩，得到OSA 改性淀粉（OS-淀粉）。

1.3.3 OS-淀粉取代度的測定 稱取5.0 g 樣品于500 mL 燒杯中，用適量的異丙醇潤濕，加入25 mL 2.5 mol/L 的鹽酸異丙醇溶液，磁力攪拌30 min 后，加入100 mL 90%的異丙醇溶液繼續(xù)攪拌10 min。反應(yīng)結(jié)束后，將樣品移入布氏漏斗，用90%的異丙醇溶液進(jìn)行洗滌直至無Cl-（用0.1 mol/L 硝酸銀檢驗(yàn)至無白色沉淀）。然后將洗滌完成的樣品移入燒杯中，加入300 mL 蒸餾水，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照組，沸水浴20 min 后，加入酚酞指示劑，趁熱用0.1 mol/L NaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至粉紅色，記錄消耗NaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。取代度計(jì)算公式：

式中：A——消耗NaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；M——NaOH 濃度，mol/L；W——樣品的質(zhì)量，g。

1.3.4 掃描電鏡觀察淀粉結(jié)構(gòu) 將樣品均勻地分散在導(dǎo)電膠上，噴金后在5 000 倍下進(jìn)行觀察并拍照。

1.3.5 OS-淀粉和不同陰離子乳化劑協(xié)同穩(wěn)定的乳狀液的制備 根據(jù)Song 等[25]的方法，并略做修改。分別精確稱取2.0% OS-淀粉、2.0%黃原膠、2.0%卡拉膠、2.0% CMC、2.0%海藻酸鈉、2.0%硬脂酸乳酸鈉、0.5%黃原膠+1.5% OS-淀粉、0.5%卡拉膠+1.5% OS-淀粉、0.5% CMC+1.5% OS-淀粉、0.5%海藻酸鈉+1.5% OS-淀粉、0.5%硬脂酸乳酸鈉+1.5% OS-淀粉，用蒸餾水分散乳化劑，加入50%（體積分?jǐn)?shù)）的葵花籽油，用高速分散器以12 000 r/min 分散3.0 min 制備乳狀液。

1.3.6 OS-淀粉和黃原膠、CMC 穩(wěn)定的乳狀液的制備 準(zhǔn)確稱取不同質(zhì)量的OS-淀粉、黃原膠和CMC 并分散于蒸餾水，加入50%（相對(duì)于整個(gè)體系）葵花籽油，用高速分散器以12 000 r/min 分散3.0 min，分別得到OS-淀粉與黃原膠、CMC 復(fù)配比例為5∶1，4∶1，3∶1，2∶1，1∶1（乳狀液質(zhì)量比）的乳狀液。

1.3.7 乳狀液穩(wěn)定性觀察 將制備好的乳狀液分裝于25 mL 帶刻度的試管及20 mL 帶蓋玻璃瓶中，室溫貯藏，定期記錄乳相體積，并進(jìn)行拍照記錄。

1.3.8 粒徑的測定 采用激光粒度分析儀測定乳狀液的粒徑分布。以蒸餾水為分散介質(zhì)，淀粉樣品的折射率設(shè)置為1.520；水的折射率為1.330；超聲時(shí)間為30 s；攪拌速率為900 r/min；循環(huán)泵的速率為1 500 r/min。

1.3.9 激光共聚焦顯微鏡觀察 采用激光共聚焦顯微鏡（Confocal laser scanning microscope，CLSM）觀察乳狀液液滴的微觀結(jié)構(gòu)。取少量乳狀液液滴于單凹槽載玻片上，然后滴入混合染料進(jìn)行染色，蓋上蓋玻片。在488 nm 和633 nm 的激發(fā)波長下進(jìn)行掃描，同時(shí)采集圖像?；旌先玖蠟槌兯芙獾哪崃_藍(lán)（0.01%）和異丙醇溶解的尼羅紅（0.01%）等體積混合配制而成，現(xiàn)配現(xiàn)用。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0 的Duncan's 多重比較對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，顯著性水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 OS-淀粉的微觀結(jié)構(gòu)分析

OSA 添加量為5.0%時(shí)，可以得到取代度為0.022 的疏水化大米淀粉。改性后的OS-淀粉微粒具有兩親性[26-27]，同時(shí)，采用掃描電鏡觀察了淀粉顆粒的表面結(jié)構(gòu)。如圖1 所示，與大米原淀粉相比，OSA 改性僅引起淀粉顆粒表面產(chǎn)生一些孔洞，這是因?yàn)槭杷男允紫裙舻氖堑矸鄣谋砻?，并沒有破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[28-29]。因此，OS-淀粉能夠作為制備Pickering 乳狀液的顆粒乳化劑。

圖1 淀粉的掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of starch

2.2 OS-淀粉和不同陰離子乳化劑復(fù)配對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

圖2 為室溫條件下儲(chǔ)存7 d 后的乳狀液外觀照片，相比單獨(dú)使用OS-淀粉，加入黃原膠后的乳狀液無水析出，加入CMC 后的乳狀液乳相體積明顯增加，加入卡拉膠后的乳狀液乳相體積無明顯變化，加入海藻酸鈉和硬脂酸乳酸鈉則未形成乳狀液。因此，以下試驗(yàn)采用黃原膠和CMC 分別與OS-淀粉復(fù)配制備乳狀液。

圖2 不同乳化劑對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of different emulsifiers on emulsion stability

2.3 OS-淀粉和黃原膠不同復(fù)配比對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

圖3 和表1 分別為OS-淀粉和黃原膠不同復(fù)配比例下的乳狀液外觀照片及乳相體積數(shù)據(jù)。由圖3 可以看出，室溫條件儲(chǔ)存30 d 后，相比于單獨(dú)使用OS-淀粉，淀粉與黃原膠不同復(fù)配比例形成的乳狀液均無水析出，這可能是因?yàn)辄S原膠有較高的黏度所致。與表1 所記錄的乳相體積數(shù)據(jù)一致。

表1 OS-淀粉與黃原膠不同復(fù)配比對(duì)乳狀液乳相體積的影響Table 1 Effect of different ratios of OS-starch and xanthan gum on cream volume

圖3 OS-淀粉與黃原膠不同復(fù)配比穩(wěn)定的乳狀液的穩(wěn)定性影響（室溫下儲(chǔ)存30 d）Fig.3 Effect of different ratios of OS-starch and xanthan gum on the stability of emulsions（30 d storage at room temperature）

表2 為室溫條件下儲(chǔ)存7 d 后的乳狀液液滴粒徑數(shù)據(jù)，由表可知，單獨(dú)使用1%淀粉微粒時(shí)，乳狀液液滴平均粒徑為100.74 μm，當(dāng)?shù)矸叟c黃原膠復(fù)配使用時(shí)，隨著淀粉比例的增加，乳狀液液滴粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在淀粉與黃原膠比例為3∶1 時(shí)粒徑最小，為83.01 μm。王然等[22]研究發(fā)現(xiàn)適量的淀粉微粒可以與酪蛋白酸鈉產(chǎn)生協(xié)同作用，而過量時(shí)則會(huì)與酪蛋白酸鈉在油水界面上產(chǎn)生競爭吸附，進(jìn)而導(dǎo)致乳狀液穩(wěn)定性變差，粒徑增大，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

表2 OS-淀粉與黃原膠不同復(fù)配比穩(wěn)定的乳狀液粒徑分布Table 2 Droplet size distribution of the emulsions stabilized by different ratios of OS-starch and xanthan gum

2.4 OS-淀粉和CMC 不同復(fù)配比對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

圖4 和表3 分別為OS-淀粉和CMC 不同復(fù)配比例下的乳狀液外觀照片及乳相體積數(shù)據(jù)。由圖可知，單獨(dú)使用CMC 時(shí)未形成乳狀液；OS-淀粉與CMC 復(fù)配比單獨(dú)使用OS-淀粉時(shí)乳化效果好，這可能是因?yàn)閹ж?fù)電的CMC 與帶負(fù)電的OS-淀粉之間產(chǎn)生了靜電相斥，從而減少了油滴之間的聚集[23]；OSA 淀粉與CMC 的復(fù)配比例為4∶1 時(shí)乳狀液更穩(wěn)定，與表3 記錄的乳狀液乳相體積結(jié)果一致。

表3 OS-淀粉與CMC 不同復(fù)配比對(duì)乳狀液乳相體積的影響Table 3 Effects of different ratios of OS-starch and CMC on cream volume

圖4 OS-淀粉與CMC 不同復(fù)配比穩(wěn)定的乳狀液的穩(wěn)定性影響（室溫下儲(chǔ)存30 d）Fig.4 Effect of different ratios of OS-starch and xanthan gum on the stability of emulsions（30 d storage at room temperature）

由表4 可知，隨著淀粉比例的增加，乳狀液液滴粒徑也呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且淀粉與CMC 比例為4∶1 時(shí)粒徑最小，為76.29 μm。

表4 OS-淀粉與CMC 不同復(fù)配比穩(wěn)定的乳狀液粒徑分布Table 4 Droplet size distribution of the emulsions stabilized by different ratios of OS-starch and CMC

2.5 OS-淀粉和陰離子乳化劑穩(wěn)定的乳狀液微觀結(jié)構(gòu)分析

為了研究陰離子乳化劑對(duì)OS-淀粉在油/水界面分布的影響，采用激光共聚焦顯微鏡觀察乳狀液微觀結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒呈紅色，油滴呈綠色。由圖5a 可知，淀粉顆粒緊密包裹在油滴表面，抑制了油滴之間的聚集，這與本課題組前期報(bào)道一致[23]。隨著黃原膠、CMC 的加入，淀粉的用量下降，包裹在油滴周圍的淀粉數(shù)目明顯減少，但乳狀液的穩(wěn)定性增加（圖3），說明OS-淀粉與黃原膠、CMC 具有較好的協(xié)同穩(wěn)定作用。且隨著復(fù)配比例的增加，乳液粒徑呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)（表2、表4）。

圖5 OS-淀粉與陰離子乳化劑復(fù)配穩(wěn)定的乳狀液CLSM 微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.5 CLSM images of the emulsions stabilized by different ratios of OS-starch and anionic emulsifiers

3 結(jié)論

本研究采用疏水化淀粉和5 種陰離子乳化劑協(xié)同穩(wěn)定Pickering 乳狀液，調(diào)節(jié)OS-淀粉與陰離子乳化劑的復(fù)配比例，結(jié)合乳相體積，液滴粒徑分布和微觀結(jié)構(gòu)等指標(biāo)來分析乳狀液的物理穩(wěn)定性。通過粒徑分析，可以發(fā)現(xiàn)1% OS-淀粉穩(wěn)定的乳狀液液滴Dav為100.74 μm；OS-淀粉與黃原膠不同復(fù)配比下乳狀液液滴粒徑為84～97 μm，OS-淀粉與CMC 不同復(fù)配比下乳狀液液滴粒徑為74～88 μm，且都隨著OS-淀粉與黃原膠、CMC 復(fù)配比例增大呈先減小后增大的趨勢(shì)。通過觀察乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)圖，可以看出OS-淀粉顆粒和黃原膠、CMC 復(fù)配使用時(shí)產(chǎn)生了協(xié)同穩(wěn)定作用。最終結(jié)果表明，OS-淀粉與黃原膠、CMC 復(fù)配使用能提高乳狀液的物理穩(wěn)定性，且OS-淀粉與黃原膠、CMC 復(fù)配比例分別為3∶1 和4∶1 時(shí)，可形成較為穩(wěn)定的Pickering 乳狀液。