直鏈淀粉含量對玉米淀粉-茶多酚乳液凝膠穩(wěn)定性質(zhì)的影響

王 然

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物學(xué)院，吉林 長春 130033）

乳液凝膠是一種軟凝膠，其凝膠基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能固定油相，屬于結(jié)構(gòu)化乳液[1]。乳液凝膠具有半固體的結(jié)構(gòu)特性，能負載生物活性成分，并提高疏水性活性成分的生物利用度，因此，在食品加工中具有廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)乳液凝膠與脂肪口感相似的特點，許多研究報道了采用乳液凝膠模擬脂肪開發(fā)代脂食品或低脂食品[2-3]；也有研究人員根據(jù)乳液凝膠具有乳液和凝膠的雙重特性，開發(fā)了能同時負載親水性和疏水性活性成分的控釋材料[4-5]。目前，通常采用兩步法制備乳液凝膠。首先，制備水包油乳液，一般需要使用乳化劑，乳化劑具有界面活性，能夠快速吸附到油-水界面上形成界面膜，發(fā)揮阻礙油滴聚結(jié)并維持乳液穩(wěn)定的作用。常用的乳化劑包括小分子表面活性劑、兩親性大分子和膠體顆粒[6]。然后，將乳液的連續(xù)相進行凝膠處理，一般需要使用凝膠劑[7-9]，凝膠劑能促使乳液連續(xù)相形成三維網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)，發(fā)揮固定油滴并抑制油滴遷移的作用，進而保持乳液凝膠穩(wěn)定，常用的凝膠劑為蛋白質(zhì)、多糖等生物大分子[10-11]。

天然淀粉具有來源廣泛、綠色、無毒、易于改性等特點，是制備乳化劑和凝膠劑的主要原料[12-13]。淀粉主要來源于種子、根莖以及塊莖類的糧食作物，如玉米、稻谷、馬鈴薯等，其中，玉米種植廣泛，是淀粉的重要來源[14]。玉米淀粉主要包括高直鏈玉米淀粉（high amylose maize starch，HM）、普通玉米淀粉（common maize starch，CM）和蠟質(zhì)玉米淀粉（waxy maize starch，WM）3 種[15]。玉米淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉構(gòu)成，HM中約含有55%～85%的直鏈淀粉，CM中約含有20%～30%的直鏈淀粉，而WM幾乎全部由支鏈淀粉組成[16]。茶多酚（tea polyphenols，TP）是從茶葉中提取的天然多酚化合物[17]。近年來，采用TP改變淀粉理化特性、乳化性并延緩淀粉消化性的研究引起了廣泛關(guān)注。萬芊[18]研究了不同直鏈含量玉米淀粉與多酚反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)多酚與淀粉能發(fā)生氫鍵相互作用，對不同直鏈含量玉米淀粉的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和消化性均具有明顯影響。Pan Junxian等[19]報道了TP與小麥淀粉能夠通過氫鍵等非共價作用結(jié)合，改變淀粉的凝膠性并抑制淀粉老化。Zhu Fan[20]報道了將TP與木薯淀粉結(jié)合能抑制消化酶對淀粉的水解，對延緩淀粉消化具有明顯效果。然而，將TP與不同直鏈含量的玉米淀粉進行非共價結(jié)合作為乳化劑和凝膠劑用于制備食品級乳液凝膠的研究還鮮見報道。

本實驗采用不同直鏈含量的玉米淀粉與TP結(jié)合用于構(gòu)建食品級乳液凝膠，并研究不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、流變性質(zhì)及其穩(wěn)定乳液凝膠的性質(zhì)，旨在為構(gòu)建食品級淀粉基乳液凝膠和生物活性物質(zhì)遞送載體提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

HM（直鏈淀粉質(zhì)量分數(shù)63.41%）上海源葉生物科技股份有限公司；CM（直鏈淀粉質(zhì)量分數(shù)28.75%）、WM（直鏈淀粉質(zhì)量分數(shù)≤1%）中糧生物科技股份有限公司；TP 杭州禾田生物技術(shù)有限公司；大豆油山東魯花集團有限公司；尼羅藍 美國西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司；尼羅紅 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；實驗所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Gemini冷凍掃描電子顯微鏡（cryo-scanning electron microscope，cryo-SEM）德國蔡司集團；MCR702流變儀 安東帕（上海）商貿(mào)有限公司；FA25高剪切分散乳化機 上海弗魯克科技發(fā)展有限公司；Nexus670傅里葉變換紅外光譜儀 美國熱電集團尼高力儀器公司；UVmini-1240紫外-可見分光光度計 島津儀器（蘇州）有限公司；FV3000激光共聚焦熒光顯微鏡（laser confocal fluorescence microscope，CLSM）奧林巴斯（中國）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的制備

參考Farrag等[21]方法稍作修改。將HM、CM和WM分別加入純凈水中，通過攪拌形成質(zhì)量分數(shù)2%的淀粉懸浮液，然后將3 種玉米淀粉懸浮液分別置于沸水浴中，勻速攪拌40 min。停止加熱，待3 種玉米淀粉懸浮液溫度降至95 ℃后，分別加入基于淀粉質(zhì)量8%的TP，并在95 ℃條件下勻速攪拌20 min。反應(yīng)結(jié)束后，將混合液置于磁力攪拌器上，將無水乙醇逐滴加入混合液（無水乙醇與混合液的體積比為3∶4），完成滴加后繼續(xù)攪拌10 min，得到3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠，分別回收上清液，記錄上清液體積。

1.3.2 不同直鏈含量玉米淀粉凝膠中TP保留量和保留率的測定

參考Li Songnan等[4]方法，略有修改。繪制TP濃度-吸光度標準曲線，采用紫外-可見分光光度計在274 nm波長處檢測上清液（1.3.1節(jié)）的吸光度，根據(jù)標準曲線方程分別計算3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠中TP的保留量。玉米淀粉凝膠中TP的保留量和保留率計算如式（1）、（2）所示：

式中：Q為玉米淀粉凝膠中TP的保留量/（mg/g）；m1為TP最初添加量/mg；C1為上清液中TP的質(zhì)量濃度/（mg/mL）；V1為上清液的體積/mL；m2為玉米淀粉的最初添加量/mg；R為TP的保留率/%。

1.3.3 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的微觀結(jié)構(gòu)觀察

參考Zhao Xia等[22]方法，挑取不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠樣品置于涂有導(dǎo)電膠的銅槽上，再將銅槽置于液氮雪泥中，在-210 ℃冷凍30 s。將載有不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠樣品的銅槽置于低溫制備室，在-90 ℃凍干處理10 min，然后用小刀在凍干的不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠樣品表面切出剖面。經(jīng)過噴金處理后，采用cryo-SEM分析凝膠樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.4 流變學(xué)特性的測定

采用配置平行夾具的流變儀（夾具直徑2.5 cm，間隙0.1 cm）對樣品的流變性進行檢測。在0.1～100 s-1剪切速率范圍內(nèi)，對樣品的黏度進行檢測；在0.1～100 rad/s角頻率范圍內(nèi)，對樣品的彈性模量G′、黏性模量G″和耗損角正切tanδ（G″/G′）進行檢測。每個樣品至少檢測3 次，測量結(jié)果取平均值。

1.3.5 傅里葉變換紅外光譜測定

將凍干的3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠研磨成粉末，然后再分別與KBr（質(zhì)量比1∶75）混合，研磨均勻后，壓制成透明圓片（直徑0.5 cm，厚度0.1 cm），采用紅外光譜儀在4 000～400 cm-1波長范圍內(nèi)對3 種樣品進行光譜掃描，分辨率為4 cm-1，經(jīng)32 次掃描獲得不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠紅外光譜圖。

1.3.6 乳液凝膠的制備

將不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠（質(zhì)量分數(shù)4%）置于油脂體積分數(shù)為60%的油-水混合物中，采用高速剪切乳化機對混合物進行乳化處理，剪切速率為19 000 r/min，時間為3 min，制得不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定的乳液凝膠。將乳液凝膠置于20 mL透明玻璃瓶中，采用數(shù)碼相機記錄乳液凝膠樣品在貯藏過程中的表觀形貌。

1.3.7 CLSM觀察

參考Ge Shengju等[23]方法，分別將尼羅藍和尼羅紅混合液（質(zhì)量濃度0.01 mg/mL）加入3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定的乳液凝膠中進行染色處理，采用CLSM觀察乳液凝膠的微觀形貌，尼羅藍發(fā)射波長為488 nm，尼羅紅發(fā)射波長為633 nm，觀察乳液凝膠中不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠和油滴的分布情況，并對不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定的乳液凝膠的微觀形貌進行拍照。

1.3.8 cryo-SEM觀察

將10 μL不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定的乳液凝膠分別置于涂有導(dǎo)電膠的銅槽上，其余操作步驟和參數(shù)與不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠微觀結(jié)構(gòu)觀察方法相同（1.3.3節(jié)）。

1.3.9 乳化指數(shù)的測定

參考Zhang Liang等[24]的方法，對不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定的乳液凝膠的乳化指數(shù)進行檢測，采用乳化指數(shù)評價不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定的乳液凝膠在25 ℃條件下貯藏30 d的物理穩(wěn)定性和乳化性能。不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定的乳液凝膠的乳化指數(shù)計算如式（3）所示：

式中：H1為乳液凝膠中乳化相的高度/cm；H2為乳液凝膠的高度/cm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的性質(zhì)

2.1.1 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠中TP的保留情況分析

如圖1所示，不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠中TP的保留量和保留率與直鏈淀粉含量呈反比，隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠中TP的保留量從66.33 mg/g增加至77.91 mg/g，TP保留率從82.81%增加至96.88%，說明直鏈淀粉分子和支鏈淀粉分子與TP的結(jié)合效率不同。TP主要由表兒茶素、表沒食子兒茶素、表沒食子酸酯和表沒食子兒茶素沒食子酸酯等單體構(gòu)成[25]，因為兒茶素分子中芳香環(huán)結(jié)構(gòu)不易進入玉米直鏈淀粉分子形成的螺旋空腔，因此，不易形成玉米淀粉/TP包容型復(fù)合結(jié)構(gòu)。研究表明，TP與淀粉分子之間的羥基能通過氫鍵等非共價相互作用連接在一起[26]。與玉米直鏈淀粉分子相比，具有簇狀分枝結(jié)構(gòu)的玉米支鏈淀粉分子與TP單體通過氫鍵相互作用結(jié)合的效率更高，因此，隨著直鏈淀粉含量的減少，淀粉凝膠中保留的TP反而呈現(xiàn)增加的趨勢。

圖1 不同直鏈含量玉米淀粉凝膠中TP的保留量和保留率Fig.1 Amount of retained TP in starch hydrogels with different amylose contents

2.1.2 微觀結(jié)構(gòu)

如圖2所示，玉米淀粉-TP凝膠樣品中較大的孔洞是凝膠經(jīng)凍干處理而導(dǎo)致水分升華后形成，不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的質(zhì)地明顯不同；隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠的質(zhì)地愈加粗糙，凝膠樣品中孔洞的尺寸減小，孔洞的數(shù)量增加。這可能是因為不同直鏈含量玉米淀粉的分子結(jié)構(gòu)不同，其與TP相互作用形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的類型不同；直鏈淀粉分子的長鏈可卷曲成左手單螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋內(nèi)部則形成疏水空腔，具有較小極性端的客體容易進入螺旋空腔，與直鏈淀粉形成包容型復(fù)合物[27]；分子構(gòu)型尺寸較大的多酚結(jié)構(gòu)可能不會進入玉米淀粉螺旋內(nèi)腔，此時多酚結(jié)構(gòu)與玉米淀粉分子通過非共價相互作用形成非包容型復(fù)合結(jié)構(gòu)。有研究表明，TP能與玉米淀粉分子發(fā)生氫鍵相互作用，在玉米淀粉分子中形成空間位阻效應(yīng)，阻礙了玉米淀粉形成分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵，影響了玉米淀粉分子的構(gòu)型[28]。此外，如圖1所示，不同直鏈含量玉米淀粉中TP的保留量不同。研究表明，TP與玉米淀粉之間形成的氫鍵消耗了玉米淀粉-TP凝膠表面的羥基[13]，致使不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的親、疏水性不同。以上因素都會對不同直鏈含量的玉米淀粉-TP凝膠的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

2.1.3 淀粉-TP凝膠的流變學(xué)特性

如圖3a所示，隨著直鏈淀粉含量的增加，玉米淀粉-TP凝膠的黏度逐漸下降；此外，隨著剪切速率從0.1 s-1增加至100 s-1，3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的黏度均發(fā)生明顯下降，這是因為在剪切應(yīng)力下，3 種玉米淀粉-TP凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均發(fā)生解體，所以其黏度均表現(xiàn)為降低。如圖3b所示，隨著直鏈淀粉含量的增加，不同直鏈含量的玉米淀粉-TP凝膠的G′增加，表明HM-TP凝膠的彈性最大，CM-TP凝膠和WM-TP凝膠次之；此外，隨著角頻率增加，3 種玉米淀粉-TP凝膠G′的變化較小，說明3 種凝膠樣品的頻率依賴性較小，彈性較好。如圖3c所示，隨著直鏈淀粉含量的增加，不同直鏈含量的玉米淀粉-TP凝膠的G″減小，表明WM-TP凝膠和CM-TP凝膠的黏度較大，HM-TP凝膠次之。tanδ越大表明凝膠體系的流動性越強，反之凝膠體系的彈性越強。如圖3d所示，根據(jù)tanδ隨頻率的變化可以看出，WM-TP凝膠和CM-TP凝膠表現(xiàn)出較高的黏性特征，而HM-TP凝膠則表現(xiàn)出較高的彈性特征。這可能是因為不同直鏈含量玉米淀粉與TP形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，所以3 種玉米淀粉-TP凝膠呈現(xiàn)出的黏彈特性具有差異。

圖3 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的流變性Fig.3 Rheological properties of starch-TP hydrogels with different amylose contents

2.1.4 紅外光譜分析

如圖4所示，通過不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠在特定波數(shù)范圍內(nèi)形成吸收峰強度的比值分析淀粉分子與TP相互作用的空間構(gòu)型[29]，在波數(shù)1 047 cm-1和1 022 cm-1處吸收峰的強度反映了形成的短程有序結(jié)構(gòu)淀粉分子和無定形結(jié)構(gòu)淀粉分子的數(shù)量[30]。在本研究中，1 047 cm-1與1 022 cm-1處峰強度的比值（1 047/1 022值）反映了不同直鏈含量玉米淀粉分子與TP相互作用形成的有序性結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)，不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的1 047/1 022值有所不同，1 047/1 022值與直鏈淀粉含量不是簡單的線性關(guān)系。與CM相比，WM與TP形成凝膠的1 047/1 022值增大，這可能是因為WM與TP的羥基通過氫鍵相互作用形成有序結(jié)構(gòu)的分子數(shù)量增加。Liu Bo等[29]采用紅外光譜研究WM與咖啡酸的相互作用，發(fā)現(xiàn)添加咖啡酸使WM分子的1 047/1 022值增加，說明形成了WM-咖啡酸復(fù)合物，這與本研究結(jié)果相符。與WM相比，HM與TP形成凝膠的1 047/1 022值相對較大，這可能是因為直鏈玉米淀粉分子不僅能與TP形成有序結(jié)構(gòu)，其自身還能排列形成有序的結(jié)構(gòu)，所以HM與TP形成的凝膠1 047/1 022值相對較高。

圖4 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra of starch-TP hydrogels with different amylose contents

2.2 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的微觀結(jié)構(gòu)

采用CLSM觀察乳液凝膠中不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠和油滴的分布情況，如圖5所示，隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠（熒光標記為紅色）穩(wěn)定的乳液凝膠中油滴（熒光標記為綠色）的尺寸減小，并且形狀趨于圓形，說明隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的能力增強。采用cryo-SEM分析不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠形成的網(wǎng)絡(luò)基質(zhì)與油滴之間的相互作用，與HM-TP凝膠相比，CM-TP凝膠和WM-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠中的基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)明顯細密，并且WM-TP凝膠在乳液凝膠中形成了有序的基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，增強了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有助于形成穩(wěn)定的乳液凝膠。

2.3 乳液凝膠的流變學(xué)特性

如圖6a所示，隨著直鏈淀粉含量的增加，玉米淀粉-TP凝膠的黏度逐漸下降；此外，隨著剪切速率從0.1 s-1增加至100 s-1，3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的黏度均明顯降低，說明不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定的乳液凝膠均為假塑性流體，具有剪切稀釋性。如圖6b、c所示，隨著直鏈淀粉含量的增加，玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的G′和G″均降低，說明WM-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的黏彈性最大，而HM-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的黏彈性則最小。如圖6d所示，3 種玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的tanδ接近1，并且WM-TP凝膠＞CM-TP凝膠＞HM-TP凝膠，說明3 種玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定的乳液凝膠均形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中由WM-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)黏彈性最好，這與cryo-SEM觀察結(jié)果相符。

圖6 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的流變性Fig.6 Rheological properties of emulsion gels stabilized by starch-TP hydrogels with different amylose contents

2.4 乳液凝膠的乳化指數(shù)

如圖7所示，貯藏時間為1 d時，隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的乳化指數(shù)從65.20%增加至83.33%，對照樣品為未添加TP的蠟質(zhì)玉米淀粉凝膠穩(wěn)定的乳液凝膠。貯藏30 d后，所有乳液凝膠樣品的乳化指數(shù)均有所下降，HM-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的乳化指數(shù)降至48.35%，WM-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的乳化指數(shù)降至64.47%。貯藏前后WM-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的乳化指數(shù)均為最高。然而在貯藏30 d后，對照樣品發(fā)生油-水分離，乳液凝膠失去穩(wěn)定性，乳化指數(shù)為0，這說明添加TP能夠賦予玉米淀粉凝膠乳化性，有助于增強乳液凝膠的穩(wěn)定性，其中，WM與TP形成的凝膠更適合用于穩(wěn)定乳液凝膠。

圖7 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠的乳化指數(shù)和表觀形貌Fig.7 Emulsification index and appearance of emulsion gels stabilized by starch-TP hydrogels with different amylose contents

3 結(jié)論

采用TP分別與HM、CM和WM進行相互作用，研究不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠及其穩(wěn)定的乳液凝膠的性質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠的質(zhì)地愈加粗糙，玉米淀粉-TP凝膠的黏度增加、G?減小、G″增加，說明不同直鏈含量玉米淀粉分子與TP進行相互作用形成的空間結(jié)構(gòu)不同。隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定乳液凝膠中的油滴尺寸明顯減小，玉米淀粉-TP凝膠在油滴周圍形成結(jié)構(gòu)緊密的網(wǎng)絡(luò)基質(zhì)，能夠阻礙油滴遷移，從而發(fā)揮穩(wěn)定乳液凝膠的作用。經(jīng)過長期貯藏，不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩(wěn)定的乳液凝膠均未發(fā)生油-水分離現(xiàn)象，說明乳液凝膠具有良好的物理穩(wěn)定。本研究表明玉米淀粉-TP凝膠可以作為乳化劑和凝膠劑用于穩(wěn)定食品級乳液凝膠，可為食品工業(yè)開發(fā)玉米淀粉基生物活性物質(zhì)遞送載體提供理論借鑒。