曾木花，黃敏麗，陳雯凈，賈 茹，廖 珺，姚詩涵，李 進，鄭寶東，郭澤鑌

（福建農林大學食品科學學院，福建省特種淀粉品質科學與加工技術重點實驗室，福建 福州 350002）

我國淀粉資源豐富，對淀粉基材料的開發(fā)、研究以及應用具有良好的物質基礎，但天然淀粉水溶性差、易老化、耐機械性差、糊透明度低等不足限制了其應用范圍[1]。改性淀粉通過改變天然淀粉的理化性質或引入新官能團，彌補其固有特性的不足[2]，使其性能更符合在食品領域的應用要求，具有更實際的應用價值和更廣闊的發(fā)展前景[3-4]。

淀粉納米顆粒，又稱納米級改性淀粉，是指天然淀粉通過加工獲得的特征尺度至少在一個維度上為納米量級（1～1000 nm）的改性淀粉，由于小尺寸效應、表面效應和量子尺寸效應而表現出獨特的生物安全性、相容性和降解性等良好特性[5]，在新型食品乳液、食品涂膜包裝材料、食品活性成分遞釋等方面有著巨大的應用潛力[6]。目前，納米淀粉的制備方法主要包括機械法、細乳液法和納米沉淀法等[7]。機械法包括超微粉碎法、高壓均質法等，但制備的納米顆粒設備能耗大、粒徑不均勻、存在污染物等缺點，在實際工業(yè)生產中受到一定的限制[8]。細乳液法需與產生高能量的乳化技術如髙壓均質乳化等結合使用，不能自發(fā)形成[9]。納米沉淀法又稱溶劑交換法，是通過生物高分子在溶劑和非溶劑的置換過程中發(fā)生界面沉積，得到淀粉納米顆粒的方法[10]。納米沉淀法與其他方法相比，具有設備簡單、動力消耗少、重復性好等優(yōu)勢，可構建小尺寸的淀粉納米顆粒[11-13]。

薏米，又名薏苡仁、薏仁、薏苡米等，俗稱“藥王米”，具有較高的營養(yǎng)成分和藥理功能，在福建、陜西、遼寧等省產量較多[14]。研究發(fā)現，薏米中淀粉含量超過60%，是高淀粉質農產品[15]。將微米級的淀粉顆粒降解過渡至納米級別，在豐富變性淀粉種類的同時拓展了淀粉的應用范圍，具有重要的理論與現實價值，同時為產品品質優(yōu)化以及開發(fā)功能性產品提供一定理論依據。

基于此，以薏米淀粉為原料，采用3 種不同體系的納米沉淀法（堿溶體系、水-乙醇體系、二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）-乙醇體系）制備納米尺寸的薏米淀粉納米顆粒，通過對其顆粒特性、分子特性、結晶特性以及熱特性進行系統(tǒng)研究，旨在篩選出制備薏米淀粉納米顆粒的最優(yōu)體系，探討不同體系納米沉淀法對薏米淀粉納米顆粒理化特性的影響，以期為薏米淀粉的開發(fā)與應用提供理論依據，為構建一種可控、有效的淀粉納米顆粒制備方法提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

薏米 福建浦城縣官鄉(xiāng)路信源薏米專業(yè)合作社；二甲基亞砜 上海麥克林生化科技有限公司；脲（尿素）、氫氧化鈉 西隴科學股份有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

FDU-1200冷凍干燥機 上海愛朗儀器有限公司；DJG-9053A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒有限公司；HX-PB1058破壁料理機 佛山市海迅電器有限公司；HJ-4多頭磁力加熱攪拌器 常州國華電器有限公司；L550離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；DW-86W420J醫(yī)用低溫保存箱 青島海爾生物醫(yī)療股份有限公司；JSM-6360LV掃描電鏡 日本JEOL公司；Mastersizer 3000激光粒度分析儀、TDA305max凝膠滲透色譜儀 英國Malvern公司；Bruker AXS傅里葉紅外光譜儀、Tensor 27 X射線衍射儀 德國Bruker公司；214差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀 德國Netzsch公司。

1.3 方法

1.3.1 薏米淀粉的提取

參考包辰等[16]方法并稍加修改。新鮮薏米，與蒸餾水按料液比1∶3（g/mL）混合，放入破壁料理機中打漿，漿液經120 目食品級尼龍過濾布后于25 ℃條件下靜置24 h；倒掉懸浮液，蒸餾水清洗白色沉淀后靜置24 h，重復上述步驟清洗3 次白色沉淀后，加入50%乙醇溶液洗滌3 次，于烘箱45 ℃干燥16 h，磨粉過80 目篩后得到薏米淀粉，于干燥器中保存。

1.3.2 薏米淀粉納米顆粒的制備

堿溶體系納米沉淀法制備薏米淀粉納米顆粒（記為A-SNPs）：按照Chin等[17]的方法制備，并對過程稍加修改。制備氫氧化鈉（0.8%）和尿素（1%）溶液混合溶液100 mL，將2 g薏米淀粉分散在100 mL堿性/尿素溶液中，并將分散液分別加熱到35、45、55 ℃保持8 h。然后將薏米淀粉溶液迅速冷卻至室溫，過濾并去除可能存在的大顆粒。將乙醇逐滴滴加到淀粉溶液中進行磁力攪拌，NaOH/尿素與乙醇的體積比為1∶4，在室溫下磁力攪拌18 h，靜置12 h。收集淀粉納米顆粒，并用無水乙醇洗滌3 次，以除去尿素和NaOH，然后進行離心（4000 r/min，10 min）之后將淀粉納米顆粒分散液經冷凍干燥后獲得薏米淀粉納米顆粒。

水-乙醇體系納米沉淀法制備薏米淀粉納米顆粒（記為W-SNPs）：按照Hebeish等[18]的方法制備，并對過程稍加修改。將2 g薏米淀粉分散在100 mL蒸餾水中，并將分散液分別加熱到3、45、55 ℃保持8 h。冷卻至室溫后進行磁力攪拌，將乙醇逐滴滴加到淀粉溶液中，其中水與乙醇的體積比為1∶4，在室溫下攪拌18 h，靜置12 h。離心（4000 r/min，10 min）所得混合物，將獲得的淀粉納米顆粒分散液冷凍干燥以獲得薏米淀粉納米顆粒。

DMSO-乙醇體系納米沉淀法制備薏米淀粉納米顆粒（記為D-SNPs）：按照Wu Xiuli等[12]的方法制備，并對過程稍加修改。將2 g薏米淀粉溶于100 mL DMSO中，并將分散液分別加熱到35、45、55 ℃保持8 h。冷卻后進行磁力攪拌，在室溫下向淀粉溶液中逐滴滴加乙醇，其中DMSO與乙醇的體積比為1∶4，在室溫下攪拌18 h，靜置12 h。離心（4000 r/min，10 min）所得混合物，用無水乙醇沖洗3 次，去除DMSO，然后將獲得的淀粉納米顆粒分散液經冷凍干燥后獲得薏米淀粉納米顆粒。

1.3.3 場發(fā)射掃描電鏡觀測

挑取適量粉末樣品置于硅片的雙面膠上，吹掉浮粉后置于噴金設備上噴金10 min，使用10000 倍掃描電鏡測定其形貌。

1.3.4 粒度測定

將適量樣品分散于蒸餾水中，置于激光粒度儀中，遮光度為10%左右，測定樣品的粒徑分布。設置參數：分散劑1.33，樣品折射率1.53，平行測定3 次。

1.3.5 傅里葉紅外光譜測定

取少量樣品，加入100 倍體積KBr，石英碾缽粉碎后壓片，測試，設置參數：掃描范圍400～4000 cm-1，掃描次數32 次，分辨率4 cm-1。

1.3.6 分子質量測定

取30 mg樣品溶于30 mL DMSO溶液，于100 ℃加熱2 h后，置于60 ℃磁力攪拌水浴鍋中攪拌6 h。加熱結束后將樣品液置于尼龍過濾器（0.45 μm）進行過濾，對濾液進行測定分析。氦和氙為激光散射源氣體，將流動相的折射率設為1.4785。

1.3.7 X射線衍射測定

采用X射線衍射儀測定薏米淀粉及薏米淀粉納米顆粒。設置參數：40 kV Cu-Kα輻射電壓，200 mA電流，0.02°步寬，掃描范圍（2θ）5°～35°，參考張本山等[19]的方法計算相對結晶度。

1.3.8 DSC測定

將2 mg樣品按照質量比1∶2的比例加入蒸餾水置于PE液體坩堝中，密封后室溫下放置24 h，置于DSC設備測試，設置條件：升溫范圍20～120 ℃，速率5 ℃/min，流速20 mL/min，以氮氣為載氣，空坩堝作對比。

1.4 數據處理及分析

采用SPSS 26.0對實驗結果進行統(tǒng)計學分析，用Origin Pro 2018軟件進行繪圖，所有實驗均平行測定3 次取平均值。

2 結果與分析

2.1 掃描電鏡分析

如圖1所示，薏米淀粉顆粒大多數呈不規(guī)則多邊形、表面光滑、輪廓清晰、大小相對均勻，該結果相關文獻[20-21]的研究結果一致。隨著體系溫度逐漸升高，薏米淀粉顆粒被破壞，納米顆粒逐漸增多，顆粒間由黏附狀態(tài)逐漸團聚形成較大的聚集體。新生成的納米顆?？赡苡捎诹叫　⒈砻婊罨艽?，顆粒間較強的氫鍵相互吸引，易形成聚集狀態(tài)以達到穩(wěn)定結構，從而由黏附逐漸團聚[22-23]。不同之處在于，A-SNPs最多且相對均勻；W-SNPs形貌、大小整體變化不大；D-SNPs的團聚更為緊密，且逐漸形成層狀結構，這可能是因為DMSO可作為氫鍵的質子受體與淀粉形成更強的氫鍵，替代淀粉分子內和分子間的氫鍵，增加顆粒溶解度，加劇團聚現象[24]。

圖1 薏米淀粉和薏米淀粉納米顆粒的電鏡圖（×10000）Fig.1 SEM photographs of coix seed starch and coix seed starch nanoparticles (× 10000)

2.2 粒徑分析

采用馬爾文激光粒度儀測定薏米淀粉及其納米顆粒的粒徑，結果如圖2、表1所示。薏米淀粉納米顆粒的粒徑隨著體系溫度逐漸升高，均呈先減小后增大的趨勢，且均小于薏米淀粉顆粒粒徑。D[3,2]為表面積平均直徑，D[4,3]為體積平均直徑，Dx（10）、Dx（50）和Dx（90）分別為小于相應直徑的樣品分別占顆?？偭康?0%、50%和90%，薏米淀粉顆粒的粒徑分布范圍集中在3～225 μm，與其相比，A-SNPs、D-SNPs和W-SNPs在D[3,2]、D[4,3]、Dx（10）、Dx（50）和Dx（90）上存在顯著差異（P＜0.05）。在35 ℃條件下制備的納米顆粒粒徑變化不大，均未達到納米級別；在45 ℃條件下制備時，A-SNPs、W-SNPs和D-SNPs均有納米顆粒生成，占比分別為85.65%、61.23%和0.27%；當溫度升高到55 ℃時僅有A-SNPs、D-SNPs達到納米級別，占比分別為78.81%、0.01%。溫度對A-SNPs和D-SNPs粒徑的影響較大，可能是由于淀粉分子的熱運動增加了顆粒間的碰撞頻率，導致納米顆粒迅速聚結成大的聚集體[25]。A-SNPs較之W-SNPs和D-SNPs具有更小的顆粒粒徑，可能是堿溶體系中的NaOH破壞了淀粉分子中氫鍵的作用力，并滲透到淀粉微晶結構內部使其內部解體，有利于小尺寸納米顆粒的形成[26-27]；綜上研究，在45 ℃條件下堿溶體系納米沉淀法制備的SNPs具有最小的表面積平均直徑。

圖2 薏米淀粉和薏米淀粉納米顆粒的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of coix seed starch and coix seed starch nanoparticles

表1 薏米淀粉和薏米淀粉納米顆粒的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of coix seed starch and coix seed starch nanoparticles

2.3 短程結構分析

如圖3 所示，薏米淀粉及其納米顆粒在800～4000 cm-1之間僅有吸收峰的強弱變化，未出現新的吸收峰，表明納米沉淀處理后薏米納米顆粒的化學結構未發(fā)生改變。在譜圖800～1200 cm-1吸收峰區(qū)域內，主要反映的是淀粉 C—H、C—C和C—O鍵的伸縮振動以及C—OH鍵的彎曲振動，其中1045 cm-1和 1022 cm-1兩個峰被用作表示淀粉的無定形結構和有序結構，1045 cm-1/1022 cm-1的強度比可表示淀粉短程結構的有序度[27]。由表2可知，短程有序度強弱為：薏米淀粉＞A-SNPs＞W-SNPs＞D-SNPs，并且薏米淀粉納米顆粒的有序度隨體系溫度升高逐漸下降，表明加熱及不同納米淀粉制備處理會降低薏米淀粉納米顆粒的短程有序度，其原因可能是納米沉淀處理破壞了淀粉結晶區(qū)及無定型區(qū)域的螺旋結構，導致淀粉分子中雙螺旋結構的解旋或取向排列[25]。

圖3 薏米淀粉和薏米淀粉納米顆粒的傅里葉紅外光譜Fig.3 Fourier transform infrared spectra of coix seed starch and coix seed starch nanoparticles

表2 薏米淀粉和薏米淀粉納米顆粒的強度比Table 2 Intensity ratio between the absorption peaks at 1045 and 1022 cm-1 of coix seed starch and coix seed starch nanoparticles

2.4 分子質量

如圖4、表3 所示，薏米淀粉重均分子質量（mw）和數均分子質量（mn）分別是26.58×104Da和17.03×104Da。薏米淀粉納米顆粒的mw和mn隨著體系溫度的升高均呈先減小后增大的趨勢，且均比薏米淀粉降低了1 個數量級，這是由于堿溶體系中的NaOH破壞了淀粉分子的分子間和分子內氫鍵，而尿素能阻止淀粉分子新氫鍵的形成，從而加強了淀粉顆粒的溶解性，導致淀粉以單分子形式溶脹在溶液中，有利于制備小尺寸的納米顆粒；DMSO-乙醇體系中的DMSO可有效溶解淀粉，與其形成較強氫鍵而取代淀粉分子內和分子間的氫鍵，破壞了淀粉分子的結構，生成小顆粒；由于去溶劑化作用，水-乙醇體系中的乙醇迅速發(fā)生擴散和分裂成小區(qū)域，導致淀粉沉淀析出，淀粉納米顆粒快速形成。因此，均可顯著降低淀粉的分子質量。但隨著生成的短鏈片段增加，促進了加熱處理過程中淀粉鏈的可移動性及相互作用，形成尺寸大的顆粒[28]。多分散系數依次為A-SNPs＞D-SNPs＞W-SNPs＞薏米淀粉；同一種制備體系中，隨著體系溫度逐漸升高，納米顆粒的多分散指數均呈先增大后減小的趨勢，且在45 ℃條件下A-SNPs的多分散指數最高，多分散指數值越大表明其分子質量分布范圍越寬[29]，該結果與圖4中薏米淀粉納米顆粒的分子分布范圍變寬結果一致，也與粒徑分布結果相一致。綜上研究，在45 ℃條件下堿溶體系納米沉淀法可制備分子質量小、分布范圍寬的薏米淀粉納米顆粒。

圖4 薏米淀粉和薏米淀粉納米顆粒的分子質量分布Fig.4 Molecular mass distribution of coix seed starch and coix seed starch nanoparticles

表3 薏米淀粉和薏米淀粉納米顆粒的分子質量分布Table 3 Molecular mass distribution of coix seed starch and coix seed starch nanoparticles

2.5 結晶特性分析

如圖5所示，淀粉中常見的X射線衍射圖譜為A、B和C型[30-31]。薏米淀粉在衍射角2θ為17.2°、18.0°處呈現強衍射雙峰，2θ為15.1°、23.0°處呈現次強的單峰，屬于A型結晶結構[32]，相對結晶度為34.84%。薏米淀粉納米顆粒的相對結晶度均隨著體系溫度的升高呈減小的趨勢，且均比薏米淀粉小。A-SNPs和W-SNPs的X射線衍射圖譜未發(fā)生變化，表明堿溶體系和水-乙醇體系下的處理并未改變薏米淀粉的結晶類型，但其衍射峰強度降低，相對結晶度變小。但D-SNPs隨溫度升高其衍射峰逐漸消失形成大包峰，由A型結晶轉變?yōu)闊o定形結構，相對結晶度大幅度減小，French等[33]認為DMSO與淀粉形成分子內氫鍵，破壞了晶體和顆粒結構。研究結果表明，納米沉淀法處理過程反應從非結晶區(qū)逐漸擴展到有序的結晶區(qū)，破壞了淀粉鏈內部或淀粉鏈間的氫鍵，導致相鄰雙螺旋結構的位移和取向重排[34]。

圖5 薏米淀粉和薏米淀粉納米顆粒的X射線衍射圖譜Fig.5 X-ray diffraction patterns of coix seed starch and coix seed starch nanoparticles

2.6 熱特性分析

如表4所示，根據起始糊化溫度（T0）、峰值糊化溫度（Tp）、終止糊化溫度（Tc）、糊化溫度范圍（Tc-T0）和熱焓值（ΔH）反映淀粉顆粒內部結構的變化[35]。薏米淀粉納米顆粒的T0、Tp、Tc值與薏米淀粉相比明顯降低（P＜0.05），這說明不同溫度下各體系納米沉淀法處理破壞了淀粉的雙螺旋結構。A-SNPs和W-SNPs的Tc-T0相較于薏米淀粉增大，較寬的糊化溫度范圍表示重結晶現象的發(fā)生，晶體分布范圍變寬[36]。ΔH表示淀粉糊化過程中破壞部分結晶以及有序結構所需的能量[37]，其結果為薏米淀粉＞A-SNPs＞W-SNPs＞D-SNPs；同一種制備體系下，隨著體系溫度逐漸升高，ΔH均呈減小的趨勢，表明薏米淀粉顆粒發(fā)生相變時所需要的解旋能量降低，淀粉納米顆粒的結晶有序性和雙螺旋含量降低，熱穩(wěn)定性變差。以上結果與紅外、X射線衍射分析結果一致。

表4 薏米淀粉和薏米淀粉納米顆粒的熱力學參數Table 4 Thermal properties of coix seed starch and coix seed starch nanoparticles

3 結論

對比研究不同制備溫度下3 種納米沉淀法（堿溶體系、水-乙醇體系、DMSO-乙醇體系）制備條件對薏米淀粉納米顆粒結構和理化特性的影響。粒徑為薏米淀粉＞A-SNPs＞D-SNPs＞W-SNPs；A-SNPs和W-SNPs表現出典型的A型晶型結構，D-SNPs由A型晶型結構逐漸轉變成無定形結構，存在晶型的變化；相對結晶度為薏米淀粉＞A-SNPs＞W-SNPs＞D-SNPs。薏米淀粉納米顆粒制備過程中，未引入新官能團，短程有序度強弱為薏米淀粉＞A-SNPs＞W-SNPs＞D-SNPs。溫度對各體系納米沉淀法制備納米顆粒的分子質量影響較大，隨著溫度的上升，薏米淀粉鏈被破壞或斷裂，顯著降低其分子質量。薏米淀粉納米顆粒熱力學特性結果表明，納米沉淀處理破壞了淀粉的雙螺旋結構，結晶有序性降低，熱穩(wěn)定性降低。通過顆粒特性、分子特性、結晶特性以及熱特性分析，研究結果表明不同制備溫度處理和不同納米沉淀法制備處理破壞了薏米淀粉鏈間或內部的氫鍵，導致相鄰雙螺旋結構的位移或取向重排，使薏米淀粉納米顆粒的短程有序性、相對結晶度、熱穩(wěn)定性、粒徑下降，分子質量顯著減小，獲得更寬的分子質量分布范圍。其中，在45 ℃條件下堿溶體系納米沉淀法制備的納米顆粒具有最小的粒徑和最高的多分散指數，較高的有序度、結晶度和熱穩(wěn)定性，該條件是納米沉淀法制備薏米淀粉納米顆粒的最佳體系。本實驗為薏米淀粉的深度開發(fā)利用和薏米淀粉納米顆粒理化特性的進一步研究提供理論依據。