肖志剛，時超,，楊柳，秦新生，楊慶余，羅志剛,,3

（1.沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院，遼寧沈陽 110034）（2.華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510641）（3.華南協(xié)同創(chuàng)新研究院，廣東東莞 523808）

Pickering乳液是一種由固體顆粒代替小分子表面活性劑穩(wěn)定乳液體系的新型乳液[1]。因其獨特的穩(wěn)定性，逐漸成為食品、化妝品、涂料、生物醫(yī)藥及石油開采等[2～7]領(lǐng)域的研究熱點。通常用于穩(wěn)定 Pickering乳液的是無機/合成顆粒[4]，如二氧化硅，粘土和乳膠，其中食品級顆粒包括蛋白質(zhì)[8]、纖維素[9]、脂質(zhì)晶體[10]、類黃酮[11]、淀粉[12]等。與其他食品級顆粒相比，淀粉來源廣，成本低，可降解，且生物相容性高，是制備食品級顆粒乳化劑的良好原料[12]。但是原淀粉含有較多的親水性羥基，單獨作為顆粒乳化劑乳化效果一般，且乳液穩(wěn)定性較差。需要將其進行疏水化修飾以增加其潤濕性。辛烯基琥珀酸（Octenyl Succnic Anhydride，OSA）改性是一種常用的疏水化修飾手段，改性后得到的辛烯基琥珀酸淀粉酯（OSA淀粉）引入了親水性的羧酸基團和疏水性的烯基長鏈，在制備乳液時親水的羧酸基團會伸向水相中，疏水的辛烯基長鏈會伸入油相中，而復(fù)雜的多糖長鏈會在油水界面上展開，形成一層連續(xù)、致密且厚實的不易被破壞的界面膜。

Yusoff等[13]的研究表明 OSA改性的蠟質(zhì)玉米淀粉、木薯淀粉可用于穩(wěn)定Pickering乳液，但其在制備乳液前需要冷凍研磨降低其顆粒的尺寸，然后再通過噴射均化器制備乳液，工藝復(fù)雜且耗能較大。藜麥淀粉提取自藜麥種子（莧科藜屬雙子葉假谷物，淀粉含量約58.1%～64.2%），目前基本由實驗室制備而得，顆粒的粒徑多數(shù)分布在0.4～2.0 μm范圍內(nèi)，小于其他植物來源的大多數(shù)淀粉[14]，如玉米淀粉大米淀粉 3～8 μm、5～25 μm、馬鈴薯淀粉15～100 μm，是用來做顆粒乳化劑的良好選擇，因此藜麥淀粉具有很高的商業(yè)化生產(chǎn)潛力。Rayner等[7]曾針對藜麥淀粉與大米、玉米、水稻、蠟質(zhì)大麥和高直鏈淀粉玉米穩(wěn)定的Pickering乳液進行了研究，對比研究發(fā)現(xiàn)原藜麥淀粉比其他類型淀粉更穩(wěn)定。藜麥淀粉顆粒較小，可作為顆粒乳化劑穩(wěn)定食品級Pickering乳液。經(jīng)疏水改性后具有較好的界面特性，可提高定乳液的穩(wěn)定性。目前有關(guān)以藜麥OSA淀粉穩(wěn)定的Pickering乳液的深入研究較少。

本研究通過紅外光譜（FTIR）分析OSA基團是否成功接到淀粉鏈上，通過掃描電子顯微鏡（SEM）分析對比原淀粉與 OSA淀粉形態(tài)的差異。選取不同取代度、顆粒濃度及油相比例等因素，以乳液的體積平均直徑粒徑（d4,3）和乳化指數(shù)（EI）為考察指標(biāo)，研究上述因素對 OSA淀粉顆粒制備乳液的乳化性影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藜麥購買于沽源縣天然園農(nóng)場；辛/癸酸甘油酯（MCT），印度尼西亞Britz Networks Sdn. Bhd.；尼羅紅，阿拉丁試劑有限公司，其它化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純，實驗所用水為二級蒸餾水。

1.2 儀器與設(shè)備

光學(xué)顯微鏡OLYMPUS BX51，日本株式會社；高速剪切機T25，IKA艾卡（廣州）儀器設(shè)備有限公司；掃描電鏡ZEISS EVO18，德國卡爾蔡司；傅立葉紅外光譜儀Vector 33-MIR，德國 Brukev Optik；激光粒度儀 Malvern 2000，英國馬爾文儀器有限公司；TDL-5-A離心機，上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 藜麥淀粉的制備[15]

將藜麥種子磨成粉末，過100目篩，取篩下物放入烘箱烘干備用。稱取適量預(yù)處理后的藜麥粉并將其與0.20%的NaOH溶液按照1：5的比例混合，攪拌3 h后，靜置18 h。將混合物于4000 r/min離心10 min，去上層黃色蛋白質(zhì)沉淀和下層灰色沉淀，留中間白色淀粉反復(fù)離心、洗滌，調(diào)pH至中性，繼續(xù)洗滌至上層無黃色沉淀為止。最后將產(chǎn)物置于 40 ℃烘箱中干燥48 h，粉碎，過100目篩后封袋保存。

1.3.2 OSA淀粉的制備[16]

取10 g藜麥淀粉（干基），加入適量蒸餾水配成30%的淀粉乳，裝入250 mL三口燒瓶，置于30 ℃水浴鍋磁力攪拌；分別稱取一定量的OSA（添加量分別為淀粉干基的1%、3%、5%，W/W）溶于2.5 mL無水乙醇，一邊攪拌一邊加入淀粉乳中，于1 h內(nèi)加完。攪拌反應(yīng)過程中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaOH調(diào)控pH在8.0～8.5范圍內(nèi)。反應(yīng)2 h后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的HCl調(diào)節(jié)pH=6.5終止反應(yīng)。將所得產(chǎn)物離心，條件為4000 r/min，10 min，留下層沉淀用80%的乙醇洗滌3次，干燥，粉碎得到OSA淀粉。

1.3.3 取代度測定[17]

精確稱取5.000 g OSA淀粉，置于250 mL燒杯中，用約5 mL異丙醇潤濕。加入鹽酸-異丙醇溶液25 mL淋洗燒杯壁上的試樣，磁力攪拌30 min。再加入100 mL 90%異丙醇溶液，攪拌10 min，經(jīng)布氏漏斗過濾試樣，用90%異丙醇溶液淋洗至洗出液無氯離子（用0.1 mol/L硝酸銀溶液檢驗）。將濾液移入500 mL燒杯，用90%異丙醇溶液仔細(xì)淋洗布氏漏斗，洗液并入燒杯，加水至300 mL，置于沸水浴中加熱攪拌10 min，趁熱用0.1 mol/L氫氧化鈉溶液滴定至酚酞終點原藜麥淀粉為空白對照。

OSA基團的含量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)w2計，數(shù)值以%表示，按下述公式計算：

式中：V2：滴定試樣消耗的氫氧化鈉溶液的體積，單位為毫升（mL）；V0：滴定空白消耗的氫氧化鈉溶液的體積，單位為毫升（mL）；c2：氫氧化鈉溶液的濃度，單位為摩爾每升（mol/L）；0.210：辛烯基琥珀酸基團的毫摩爾質(zhì)量，單位為克每毫摩爾（g/mmol）[M（C12H18O3）=210]；m2：待測樣品的質(zhì)量，單位為克（g）；w0：待測樣品實際測得的干燥減量，%。

實驗結(jié)果以平行測定結(jié)果的算術(shù)平均值為準(zhǔn)。在重復(fù)性條件下獲得的兩次獨立測試結(jié)果的絕對差值不大于5%。

1.3.4 Pickering乳液的制備[7]

稱取一定質(zhì)量的不同取代度的 OSA淀粉（取代度分別為 0.82%、1.43%、3.12%），用磷酸鹽緩沖溶液（5 mM pH為7.0）將淀粉顆粒配制成2.5%、5.0%、7.5%、10%（W/V）的淀粉顆粒分散液（濃度相對于水相體系），用高速剪切機處理以15000 r/min處理30 s，之后添加不同油相比例（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）的MCT油相，用高速剪切機處理40 s，剪切機轉(zhuǎn)速為20000 r/min，分兩次進行，每次20 s，中間間隔1 min，將制備好的乳液保存在25 mL拇指瓶中。以原淀粉作為參照。

1.4 淀粉顆粒的分析表征

1.4.1 傅里葉紅外光譜

使用壓片法對原淀粉和 OSA淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)進行鑒定。將樣品與光譜純的溴化鉀（KBr）按照質(zhì)量比為100：1混合，將混合物于瑪瑙研缽中充分混合后用壓片機壓成薄片，用FTIR光譜儀進行光譜掃描，掃描范圍4000～500 cm-1分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)32次。

1.4.2 掃描電子顯微鏡

將原淀粉和 OSA淀粉固定在導(dǎo)電膠上，用洗耳球吹去導(dǎo)電膠上多余的樣品，使樣品均勻分散；把樣品放在鍍膜臺上噴金300 s，用掃描電子顯微鏡放大到適合的倍數(shù)察看，加速電壓10.0 kV并拍攝具備代表性的淀粉顆粒形貌，每個試樣選取多點進行觀察拍照。

1.5 乳液的分析表征

1.5.1 光學(xué)顯微鏡

取40 μL經(jīng)過稀釋的乳液樣品滴在載玻片上，小心蓋上蓋玻片，確保蓋玻片和載玻片中間沒有氣泡。用奧林巴斯光學(xué)顯微鏡觀察乳液的顯微結(jié)構(gòu)（目鏡10倍，物鏡40倍）。將制備好的樣品放置在顯微鏡下觀察，物鏡放大10和20倍數(shù)，找到有代表性的物象后，用顯微鏡附帶的相機拍照。

1.5.2 乳滴粒徑的測定

采用Malvern 2000粒度分布儀測定乳滴的粒徑大小，乳滴粒徑以體積平均直徑d4,3表示。參數(shù)設(shè)置為：顆粒折射率：1.540；顆粒吸收率：0.1；分散劑：水；分散劑折射率：1.330；泵的轉(zhuǎn)速：2500 r/min。

1.5.3 乳液乳化指數(shù)的測定

將新制備的乳液靜置于室溫（25 ℃）環(huán)境下，放置1 d對樣品進行觀察，記錄乳液分層后乳化層的高度。

乳化指數(shù)（Emulsion Index，EI）計算公式為：

式中：He：乳液乳化層高度（cm）；Ht：乳液總高度（cm）。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

2 結(jié)果與討論

2.1 傅里葉紅外光譜結(jié)構(gòu)分析

圖1 原淀粉和OSA淀粉（取代度為1.43%）顆粒的紅外吸收圖譜Fig.1 FT-IR spectrum of the native starch and modified starch granules (DS of 1.43%)

圖1為原淀粉和OSA淀粉（取代度為1.43%）顆粒的紅外吸收圖譜。由圖1可知，原淀粉在3387 cm-1和2932 cm-1處的特征吸收峰，分別由O-H伸縮振動和C-H的伸縮振動產(chǎn)生。在1647、1150、1102 cm-1處明顯的特征吸收峰，分別由淀粉內(nèi)的結(jié)合水和C-O的伸縮振動產(chǎn)生[18]。1078 cm-1處的吸收峰是仲醇羥基相連的C-O的伸縮振動。對比原淀粉與OSA淀粉的紅外圖譜發(fā)現(xiàn)，OSA淀粉在1570 cm-1處出現(xiàn)RCOO-的不對稱伸縮振動，這說明淀粉經(jīng)改性處理后成功引入了新官能團即 OSA基團，并以酯鍵的形式與淀粉分子相連，且在 1730 cm-1處出現(xiàn)新的吸收峰（1710～1740 cm-1是酯羰基-C=O的特征吸收區(qū)域），說明OSA基團與藜麥淀粉發(fā)生了酯化反應(yīng)。

2.2 藜麥淀粉顆粒形貌分析

原淀粉與不同取代度 OSA淀粉顆粒形貌的掃描電鏡圖（均放大50000倍）如圖2所示。從圖2可以看出，藜麥原淀粉顆粒呈不規(guī)則的多邊形，有棱角，表面略光滑，有少許破損痕跡，但顆粒基本完整。對比a與b、c、d發(fā)現(xiàn)，OSA淀粉與原淀粉相比，盡管顆粒表面更粗糙，但淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)沒被破壞。OSA對淀粉顆粒的疏水化修飾作用先發(fā)生在淀粉顆粒的表面，很少破壞淀粉顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[19]。藜麥淀粉顆粒粒徑主要分布在1.1～5.0 μm，平均粒徑為2.3 μm，屬于小顆粒淀粉。這與翟婭菲等[20]描述的從藜麥種子中提取的淀粉平均粒徑分布1.15～1.97 μm相似，因藜麥產(chǎn)地不同，提取得到的淀粉理化性質(zhì)會有部分差異。

圖2 原淀粉與OSA淀粉顆粒形貌Fig.2 SEM micrographs of the native starch and modified starch granules

2.3 不同因素對乳液乳化性的影響

2.3.1 取代度對乳液乳化性的影響

選取10%淀粉顆粒濃度(W/V)，OSA淀粉顆粒取代度分別為0%、0.82%，1.43%，3.12%，添加一定量的緩沖液配制淀粉顆粒分散液，油相比例為0.5，制備乳液，乳化方法同1.3.4。

圖3 不同取代度淀粉顆粒制備的乳液的微觀結(jié)構(gòu)及乳滴粒徑分布Fig.3 Particle size distribution and microstructure of emulsionprepared with different degree of starch particles

從圖3乳液的微觀結(jié)構(gòu)可看出，原淀粉可以穩(wěn)定乳液，但其乳滴粒徑大于 OSA淀粉顆粒穩(wěn)定的乳液乳滴粒徑。這主要是因為 OSA改性后，隨著取代度的提高，顆粒表面的疏水性增強，顆粒的疏水部分可以更多的探入到油滴內(nèi)部，在剪切乳化的過程中，只需少量的顆粒即可穩(wěn)定乳滴，因此形成的乳滴的粒徑會更小。對于原淀粉顆粒而言，因未經(jīng)疏水改性其表面的疏水性較差，與油滴接觸時顆粒與油滴接觸面積小，只能達(dá)到瞬時穩(wěn)定的效果，放置一段時間后，油滴與油滴之間極易絮凝進而導(dǎo)致乳滴變大。結(jié)合圖 2改性淀粉的顆粒形貌可知，OSA改性后的淀粉顆粒表面比原淀粉粗糙，淀粉顆粒大小介于0.2～5.0 μm之間，在界面處具有一定的厚度，顆粒吸附存在障礙和需要非常高的解吸能量，這一點不同于表面活性劑和蛋白等粒度極小的納米級乳化劑，它們的顆粒吸附到油水界面速度快，所需能量小，同時需要的解吸能量也低，因此穩(wěn)定時間不長[21～24]。由粒徑分布可以看出，原淀粉與OSA淀粉的粒徑分布在0.2～5.0 μm的范圍內(nèi)均出現(xiàn)峰，且峰的分布范圍與淀粉顆粒大小分布基本一致，這說明在乳液體系中有小部分淀粉顆粒因為吸附量過飽和沒有與油滴充分結(jié)合形成Pickering乳液。而隨著取代度的增加乳滴在5～40 μm有部分分布，且隨著取代度的增加這部分峰的峰值由0.52增至0.86，說明在油相比例不變的情況下，取代度的提高有利于在乳液乳化過程中小乳滴的形成。由圖4可知，隨著淀粉取代度的增加，乳滴粒徑逐漸減小，當(dāng)取代度達(dá)到3.12%時，乳滴粒徑由原淀粉的89.47 μm減小到69.36 μm，下降顯著。原淀粉的EI值為69.33%，隨著取代度的增加，EI值也隨之增加，當(dāng)取代度為1.43%時EI值為70.67%，當(dāng)取代度達(dá)到3.12%時EI值為88.33%，增長顯著。雖然取代度為 3.12%時，乳液的乳化效果最好，但在國家食品添加劑標(biāo)準(zhǔn)中要求 OSA基團的含量不超過 3%，因此后續(xù)試驗選擇取代度為 1.43%的淀粉顆粒進行研究。

圖4 不同取代度對乳滴粒徑與乳液乳化性的影響Fig.4 Effect of different degree of substitution on particle size and emulsifying properties

2.3.2 顆粒濃度對乳液乳化穩(wěn)定性的影響

選取淀粉顆粒濃度分別為 2.5%、5.0%、7.5%、10.0%（W/V），OSA淀粉顆粒取代度為1.43%，添加一定量的緩沖液配制淀粉顆粒分散液，油相比例為0.5，制備乳液，乳化方法同1.3.4。

圖5 不同淀粉顆粒濃度制備的乳液的乳滴粒徑分布Fig.5 Particle size distribution of emulsion prepared by different starch granule concentrations

圖6 不同顆粒濃度對乳滴粒徑與乳液乳化性的影響Fig.6 Effect of particle concentration on emulsion particle size and emulsifying properties

結(jié)合圖5、圖6可知，隨著淀粉顆粒濃度增加，乳滴粒徑分布范圍向更小的方向平移，這是因為隨著水相中顆粒增多，淀粉顆粒在油/水界面吸附量增加，引起界面張力降低，使得包裹的油相表面積隨之增加，當(dāng)包裹相同比例的油相時，比表面積的增加表現(xiàn)為乳滴粒徑變小。由圖6知，隨著淀粉顆粒濃度的增加，乳液的EI值增大，當(dāng)?shù)矸垲w粒濃度小于7.5%時，EI值顯著增加；當(dāng)?shù)矸垲w粒濃度大于 7.5%時，EI值增加緩慢。乳滴粒徑隨淀粉顆粒濃度增加而減小，當(dāng)?shù)矸垲w粒濃度小于7.5%時，乳滴粒徑顯著減??；當(dāng)?shù)矸垲w粒濃度大于7.5%時，乳滴粒徑降低的幅度較小。表明體系中淀粉顆粒濃度達(dá)到7.5%時，淀粉顆粒大部分均吸附于油水界面，繼續(xù)提高顆粒濃度，顆粒與界面的吸附達(dá)到飽和，過量的顆粒進入連續(xù)相中，水相黏度逐漸增加，乳液呈凝膠狀，阻止乳液分層、絮凝或聚集，乳液穩(wěn)定性明顯增強[25]。故隨著顆粒濃度的增加，EI值的增加及乳滴粒徑的減小均趨于緩慢。前人在有關(guān)不同顆粒乳化劑穩(wěn)定 Pickering乳液的研究中也有類似的發(fā)現(xiàn)，無機顆粒如二氧化硅[4]；有機顆粒如蛋白[8]、淀粉[12]、纖維素[9]等。

2.3.3 油相比例對乳液乳化性的影響

選取淀粉顆粒濃度分別為10%（m/V），OSA淀粉顆粒取代度為 1.43%，添加一定量的緩沖液配制淀粉顆粒分散液，油相比例分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，制備乳液，乳化方法同1.3.4。

由圖7可知，隨著油相比例的增加，乳滴的粒徑分布變化較大，其中0.2～5.0 μm處峰面積顯示出由大變小的趨勢，這說明隨著油相比例增大，穩(wěn)定油滴需要更多的淀粉顆粒吸附在油水界面上，原本過飽和的淀粉顆粒被利用；5.0～25 μm 處峰面積下降迅速，說明體系中油相比例增加使得乳滴的粒徑分布向較大值方向移動，在圖8中表現(xiàn)為d4,3隨油相比例增大而逐漸增大，EI值也隨之增大，乳化性增加顯著。結(jié)合圖7、圖8可知，當(dāng)乳液體系中油相比例增加時，單位界面膜上淀粉顆粒的濃度減小，體系在高速剪切下通過降低比表面積（液滴體積變大）來完成乳化[25]。當(dāng)油相比例達(dá)到0.4后，EI值增勢趨緩，這與Timgren A等[26]的研究一致。

圖7 不同油相比例制備的乳液的乳滴粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of emulsion prepared by different oil fraction

圖8 不同油相比例對乳滴粒徑與乳液乳化性的影響Fig.8 Effect of oil fraction on emulsion particle size and emulsifying properties

3 結(jié)論

原藜麥淀粉粒徑較小，尺寸分布較均勻，但乳化性不佳。經(jīng)過 OSA改性后的淀粉顆粒因引入了疏水基團，使得其制備的Pickering乳液乳化性增強。并且使用少量 OSA淀粉顆粒即可得到乳化穩(wěn)定性較好的乳液，隨著取代度或 OSA淀粉顆粒濃度的增加，乳滴粒徑呈現(xiàn)減小的趨勢，EI值呈現(xiàn)增大的趨勢，乳液乳化穩(wěn)定性性得到提高。隨著油相比例的增加，乳滴粒徑增加顯著，當(dāng)油相比例為0.5時制備的乳液的乳化性較好。OSA改性的藜麥淀粉可作為一種新型食品級顆粒乳化劑用于提高乳液乳化性，在食品結(jié)構(gòu)修飾及活性成分包埋方面有潛在的應(yīng)用價值。