謝 靜，黃靚澳，曹雅琪，劉 睿，魯 群，丁士勇

(華中農業(yè)大學食品科學技術學院，武漢 430070)

氣凝膠具有質量輕、比表面積高、生物相容性好等特點，對其定義尚不明確，普遍認為氣凝膠是利用干燥手段使氣體代替三維網(wǎng)絡中的液體，得到吸附力高、密度低、孔隙率高的固體材料，可運用于熱絕緣材料、載體材料、填料以及過濾器中，是近年研究熱點之一[1,2]。有機氣凝膠是氣凝膠中重要組成部分，目前的研究分布在以多糖為原材料制備的氣凝膠，纖維素、果膠、殼聚糖等都有報道[3]，以多糖為原料制備的氣凝膠也被證明具有生物降解性好、藥物負載力強等優(yōu)點。

淀粉是一種低成本、來源廣的氣凝膠制備原料，可通過糊化回生形成凝膠網(wǎng)絡結構。木薯廣泛生長于熱帶及亞熱帶地區(qū)，木薯淀粉具有適當直支比，無異味且凍融穩(wěn)定性好，黏度高且穩(wěn)定，是淀粉基氣凝膠制備的優(yōu)良原料[4]。淀粉基氣凝膠具有孔隙多、比表面積高、生物相容性好、降解性好等特點，Garcia-Gonzalez等[5]利用乳液-凝膠法制備微球粒徑在215～1 226 μm范圍內玉米淀粉微球氣凝膠。Ubeyitogullari等[6]利用超臨界CO2制備干燥技術制備小麥淀粉塊狀氣凝膠，并優(yōu)化氣凝膠比表面積可達59.7 m2/g，為淀粉基氣凝膠的開發(fā)利用提供方向。

淀粉基氣凝膠的研究多集中在塊狀氣凝膠，而淀粉微球氣凝膠的制備更為復雜[7]，微球氣凝膠在食品藥品中的應用更為廣泛，具有研究前景[8]。淀粉微球氣凝膠制備工藝可分為乳液法、噴霧法兩大類[9,10]，其中乳液法制備淀粉微球氣凝膠更易降解及均勻[11]，本研究在進行淀粉微球氣凝膠制備時采用的是乳液-凝膠法[12]。加工參數(shù)及干燥方法等，對淀粉微球氣凝膠的制備、特性影響很大[13]。為探究加工參數(shù)對淀粉微球氣凝膠的吸附能力影響，本研究以其對亞甲基藍的吸附力作為評價指標[14]，分析微球氣凝膠制備參數(shù)，以響應面法優(yōu)化工藝，以推動淀粉微球氣凝膠的高效制備及功能提升。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉(食品級)、大豆油(精煉一級)、亞甲基藍(生物染色劑)、無水乙醇(分析級)、失水山梨醇油酸酯(司班80，化學純)。

SHJ-4AB磁力攪拌水浴鍋，TD-5A離心機，LGJ-18冷凍干燥機，SHZ-82恒溫振蕩器，UV-1800紫外分光光度計，APA2000激光顆粒度分布儀，JSM-6390LV生物掃描電子顯微鏡。

1.2 淀粉微球氣凝膠制備工藝流程

依據(jù)Garcia-Gonzalez等[5]玉米淀粉微球氣凝膠制備及實驗條件對工藝流程進行簡化，圖1為制備流程圖，包括淀粉的糊化、乳化、回生、乙醇洗滌、冷凍干燥5個步驟。

圖1 淀粉微球氣凝膠制備流程圖

利用乳液-凝膠法制備淀粉微球氣凝膠，第1階段為乳液形成，首先需進行淀粉乳液的調配，將淀粉和水在磁力攪拌水浴鍋(30 ℃、500 r/min)中攪拌10 min，形成淀粉分散液[14]。其次是油乳比的調配，在磁力攪拌水浴鍋中將乳化劑和油在60 ℃、1 400 r/min條件攪拌5 min,使乳化劑在油中分散均勻，將淀粉分散液緩慢倒入，形成油包水體系[15,16]。第2階段為淀粉糊化、回生，加熱乳化體系，使淀粉糊化?；厣菍⒑矸鄯旁诒?4 ℃)中冷藏 24 h，淀粉在回生時會伴隨著結構重組和部分重結晶，形成凝膠網(wǎng)絡結構[17]。第3階段為洗滌及溶劑交換，待回生結束后，利用高速離心機(5 500 r/min,18 min)進行油乳分離，再通過五步溶劑交換法對其進行洗滌及溶劑交換[18]，五步溶劑交換法是利用30%、50%、70%、100%乙醇中各浸泡1 h,再在100%乙醇溶劑中浸泡24 h,讓凝膠中的水分脫去，使其在干燥后組織結構更加明顯[19]。第4階段為干燥階段，干燥手段會對氣凝膠的形態(tài)產生影響[20]，本研究在進行氣凝膠干燥時采用冷凍干燥(0.2 MPa,48 h)。

1.3 淀粉微球氣凝膠制備工藝單因素實驗

探討乳液質量分數(shù)(5%、7.5%、10%、12.5%、15%)、加熱溫度(55、70、85、100、121 ℃)、加熱時間(30、60、90、120、150 min)及油乳比[5](1∶1、2∶1、3∶1)對微球氣凝膠吸附能力的影響。稱取一定含量的淀粉，調配成不同濃度的淀粉乳液，混勻，稱取一定量的花生油，加入乳化劑(司班80)3%混合，控制不同的加熱溫度及糊化時間，乳液形成之后，冷卻至室溫，冰箱(4 ℃)冷藏24 h，離心(5 500 r/min，15 min)，取出顆粒，浸泡在無水乙醇中進行清洗及溶劑交換，反復5次，待結束后冷凍干燥(0.2 MPa,48 h)，利用研缽進行研磨，過100目篩，得淀粉微球氣凝膠。

1.4 響應面優(yōu)化淀粉微球吸附性能

在單因素實驗基礎上，按照 Box-Behnken 設計原理，選擇加熱時間(30、60、90 min)、加熱溫度(70、85、100 ℃)、淀粉乳質量分數(shù)(5%、10%、15%)為自變量，以淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍的吸附量為響應值，利用 Design-Expert 8.0.5 軟件進行響應曲面分析優(yōu)化制備條件。

1.5 淀粉微球氣凝膠亞甲基藍吸附實驗

亞甲基藍標準曲線的繪制：配制濃度為0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006 mg/mL的亞甲基藍溶液。在紫外分光光度計664 nm波長下測其吸光值，并以濃度為橫坐標，吸光值為縱坐標繪制標準曲線[21,22]。根據(jù)紫外分光光度計測量結果，得到擬合曲線y=167.53x-0.018 6(R2=0.999 4)。

淀粉微球氣凝膠吸附力測定：取25 mL 0.004 mg/mL亞甲基藍于錐形瓶中，加入0.03 g淀粉微球氣凝膠樣品，進行振蕩24 h，利用0.45 μm的微孔濾膜進行過濾，取濾液測吸光值。吸光值計算公式為：

式中：q為吸附量/mg/g;C原為未吸附前亞甲基藍質量濃度/mg/mL;C吸為吸附后亞甲基藍質量濃度/mg/mL；V為亞甲基藍體積/mL;M為淀粉微球氣凝膠的質量/g。

1.6 粒度分布測量

利用APA2000激光顆粒度分布儀進行粒度分布測量，利用液體進樣法測定粒徑，稱量0.2 g樣品放入離心管中，加入5 mL無水乙醇進行分散，將其加入樣品池中進樣測量，樣品池攪拌速度為2 000 r/min，測定淀粉樣品折射率為1.52。

1.7 掃描電鏡分析

利用JSM-6390LV生物掃描電子顯微鏡對其進行形態(tài)表征，取適量樣品在樣品盤上，并在20 mA下進行離子濺射噴金，噴金時間5 min，在15 kV下進行不同倍數(shù)的淀粉微球氣凝膠形態(tài)觀察。

1.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

每組實驗重復3次，結果用“平均值±標準差”表示，利用IBM SPSS Statistics 26進行單因素實驗結果的顯著性分析，利用Origin2018 64Bit進行單因素繪圖。Design-Expert 10軟件設計組合實驗及繪制響應面圖形，并利用軟件中Box-Behnken 組合對響應面實驗數(shù)據(jù)進行方差分析(ANOVA)。

2 實驗結果與分析

2.1 單因素實驗結果及分析

將加熱溫度設定為100 ℃、油乳比設定為1∶1、淀粉乳質量分數(shù)設定為15%，考察不同加熱時間下淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍吸附能力的影響，結果見圖2。不同加熱時間對淀粉微球氣凝膠吸附亞甲基藍的能力呈先上升后下降的趨勢，淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍的吸附能力顯著高于原木薯淀粉。淀粉糊化回生后其結晶度及組織形態(tài)都發(fā)生變化，導致其比表面積、凝沉性、組織結構等發(fā)生變化[23]，從而影響吸附能力。隨著時間延長，直鏈淀粉會溶出，在回生時影響凝膠形成[24]，從而影響其吸附性能。因此選擇30、60、90 min作為響應面優(yōu)化時間。

注：TS為原木薯淀粉；P<0.05。

將加熱時間設定為90 min、油乳比設定為1∶1、淀粉乳質量分數(shù)設定為15%，考察不同加熱時間下淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍吸附能力的影響。由圖2可見，不同加熱溫度對淀粉基氣凝膠的吸附量有影響，淀粉微球氣凝膠吸附力變化可以概括為3個階段，這3個階段同淀粉在不同加熱溫度下呈現(xiàn)的形態(tài)、結構變化相聯(lián)系[25]：55 ℃下淀粉微球氣凝膠吸附力和原淀粉相比沒有顯著性差異，由于加熱溫度并沒有達到淀粉糊化溫度，淀粉未發(fā)生淀粉溶出，組織結構及性能的改變，使其吸附力沒有顯著性變化。隨著溫度的升高，淀粉發(fā)生明顯的吸水膨脹，使淀粉微球氣凝膠組織結構松軟，比表面積增大，吸附力發(fā)生顯著提升。100 ℃及以上為淀粉崩解階段，淀粉出現(xiàn)崩解，直鏈淀粉溶出，支鏈淀粉斷裂，晶體結構發(fā)生明顯改變，影響凝膠結構的形成，使氣凝膠吸附力呈現(xiàn)下降趨勢，但是高溫條件下吸附力呈平緩趨勢。根據(jù)吸附力測試結果，選用70、85、100 ℃作為響應面優(yōu)化值。

將加熱時間設定為90 min、油乳比設定為1∶1、加熱溫度設定為100 ℃，考察不同淀粉乳濃度下淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍吸附能力的影響。圖2表明，不同淀粉乳濃度制備淀粉微球氣凝膠的吸附能力存在差異性，隨著淀粉乳濃度的增加其吸附力呈下降趨勢，淀粉乳濃度影響?zhàn)ざ龋ざ仍黾邮蛊湓谟拖嘀械姆植际艿接绊?，影響回生階段凝膠結構的形成[26]，從而使其吸附性能受到影響。考慮淀粉應用得率，在進行響應面分析時選取5%、10%、15%作為響應面優(yōu)化值。

將加熱時間設定為90 min、淀粉乳質量分數(shù)設定為15%、控制加熱溫度為100 ℃，考察不同油乳比下淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍吸附能力的影響。如圖2所示，不同油乳比條件下制備的淀粉微球氣凝膠，對亞甲基藍的吸附能力沒有顯著性差異。過量油會使淀粉乳在油相中分布均勻，但該比例下的油相不會對淀粉微球氣凝膠的形態(tài)產生實質性變化[27]，對吸附力也沒有影響。該因素不做為響應面優(yōu)化指標，考慮經濟效益及實驗的可行性，因此選用1∶1的油乳比作為實驗參數(shù)。

2.2 響應面實驗優(yōu)化

2.2.1 響應面優(yōu)化結果及分析

表1 響應面實驗方案及結果

表2 回歸模型方差分析

通過三維響應面圖和二維等高線圖分析顯示，各因素之間存在一定的交互關系，從等高線圖中可見其橢圓程度和疏密程度，與模型回歸中的方差分析一致。

由響應面軟件分析可得出淀粉微球氣凝膠的最佳預測工藝為：淀粉乳質量分數(shù)14.819%、加熱溫度為85.268 ℃、加熱時間為89.837 min、吸附量為0.945 mg/g?？紤]實驗的可操作性，調整最優(yōu)工藝為淀粉乳質量分數(shù)15%、加熱溫度85 ℃、加熱時間90 min。

2.2.2 驗證性實驗

根據(jù)響應面的最優(yōu)工藝進行3次平行驗證實驗，設定淀粉乳質量分數(shù)15%、加熱溫度為85 ℃、加熱時間為90 min，經過其對亞甲基藍吸附能力的測定，得出其吸附量為(0.928±0.008)mg/g，與吸附量預測值0.945 mg/g接近，符合預測結果，驗證該實驗的穩(wěn)定性。

2.3 粒度測量結果分析

如圖3所示，加熱時間對淀粉微球氣凝膠粒度分布沒有顯著性影響。加熱溫度對淀粉微球氣凝膠的粒度分布存在顯著影響，加熱溫度達到淀粉糊化的不同階段時：吸水膨脹階段、崩解階段，同黃婷[28]研究木薯淀粉糊化過程中顆粒變化一致。淀粉微球氣凝膠的顆粒分布不同。淀粉乳濃度顯著影響微球氣凝膠粒度分布，可能的原因是：淀粉乳濃度影響了糊化體系的黏度，進而影響其在油相中分散，使其粒度分布發(fā)生變化，但變化未呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，有待進一步研究。

注：TS為原木薯淀粉。

2.4 加熱溫度對淀粉顆粒形態(tài)的影響

由于加熱溫度對吸附力以及粒度分布影響顯著，因此對不同加熱溫度制備的淀粉微球氣凝膠樣品進行微觀形態(tài)表征，如圖4掃描電鏡圖所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，淀粉微球氣凝膠的形態(tài)出現(xiàn)明顯變化，100 ℃時，氣凝膠珊瑚狀表面形成，多孔、粒徑達到最大，溫度繼續(xù)升高，表面及粒徑穩(wěn)定。從圖4D(d)、圖4E(e)、圖4F(f)中顯示：氣凝膠表面出現(xiàn)凸起，推測可能原因是直鏈淀粉溶出[29]。當溫度持續(xù)升高，氣凝膠呈現(xiàn)珊瑚狀，表面出現(xiàn)明顯孔隙，形態(tài)發(fā)生改變。

注：A:TS-800×(TS:原木薯淀粉);B:55 ℃-800×；C:70 ℃-800×;D:85 ℃-800×;E:100 ℃-300×；F:121 ℃-300×；a:TS-5 000×;b: 55 ℃-5 000×; c:70 ℃-5 000×;d:85 ℃-5 000×;e:100 ℃-3 000×；f:121 ℃-3 000×。

3 結論

研究加熱溫度、加熱時間、淀粉乳濃度、油乳比對淀粉微球氣凝膠吸附能力的影響，結果表明淀粉微球氣凝膠吸附力顯著高于原淀粉，且加熱時間、加熱溫度及淀粉乳含量對微球吸附力影響最大，通過進行響應面優(yōu)化，可以得出其最優(yōu)工藝為淀粉乳質量分數(shù)15%、加熱溫度為85 ℃、加熱時間為90 min，吸附量為(0.928±0.008)mg/g，較原淀粉相比增長69.8%。不同加熱溫度以及乳液含量所制備的微球氣凝膠粒徑存在差異性，結合生物掃描電鏡分析結果可以發(fā)現(xiàn)，溫度對淀粉微球氣凝膠的粒徑影響最大，當溫度達到100 ℃時，淀粉微球氣凝膠珊瑚狀表面形成，粒徑穩(wěn)定，吸附性能發(fā)生明顯改變。