周 洋，彭秀安，郭 祺，王馨悅，鄭智元，喻 禧，石 劍*

（1 常州大學石油化工學院 江蘇常州 213164 2 常州大學 江蘇省綠色催化材料與技術(shù)重點實驗室 江蘇常州 213164）

淀粉為天然高分子多糖聚合物，其致密結(jié)晶區(qū)使反應物和水等物質(zhì)難以進入其顆粒內(nèi)部，且溶解性較差、易回生、黏度較高，限制了其反應效率和產(chǎn)物品質(zhì)[1-2]。通過探究改善天然淀粉顆粒結(jié)構(gòu)性能來提高其反應活性及品質(zhì)，具有重要研究意義。辛烯基琥珀酸淀粉酯（Octenyl succinic acid modified starch，OSAS）是以淀粉為原料，辛烯基琥珀酸（Octenyl succinic anhydride，OSA）為酯化劑制備的改性雙親性酯化淀粉，屬淀粉糖酯類產(chǎn)品[3]。我國于1988 年審批OSAS 可應用作為食品添加劑，在其使用范圍內(nèi)無用量限制，可按需進行控制添加。因OSA 的引入會使普通親水性淀粉呈現(xiàn)疏水性，故OSAS 具備親水親油的兩親性質(zhì)，這種優(yōu)良的理化性質(zhì)使其具有重要且優(yōu)異的應用價值和實際意義，可用于微膠囊壁材的制備、食品乳化穩(wěn)定劑和增稠劑等，應用前景廣闊[4]。OSAS 作為微膠囊壁材在食品和醫(yī)藥等領域受到廣泛關注，發(fā)展十分迅速[5-8]。其制備方法除傳統(tǒng)干法、濕法（水相合成法）、有機相法[9-12]外，近年來，還有超聲輔助制備法[13]等。OSAS 作為微膠囊壁材，在水油二相的乳濁液體系中，具有獨特的乳化穩(wěn)定作用，可保護被包裹物不受外界干擾而失活和氧化，從而保證內(nèi)部藥物的穩(wěn)定性和活性，有效控制其擴散和揮發(fā)，實現(xiàn)藥物的可控釋放。姜黃素（Curcumin，Cur）是一種多酚化合物，是從姜科姜黃屬植物姜黃根莖中提煉出來的一種天然產(chǎn)物，常溫常態(tài)下為橙黃色粉末狀結(jié)晶，不溶于水且易氧化，具有抗纖維化、抗腫瘤、抗氧化、抗炎、抑菌、降血脂和護肝等廣泛的藥理作用[14-15]。以OSAS 作為微膠囊壁材包裹Cur，利用微膠囊包覆工藝，可將其制成具有水溶性的微膠囊產(chǎn)品[16]。這不僅可改善其水溶性，還增加了其在應用環(huán)境下的穩(wěn)定性，適用范圍亦更加廣泛，對其研究可為食品級Cur 膠囊的制備提供理論依據(jù)[17]。

多孔淀粉（Porous starch，PS）是通過酸、酶等物化手段部分水解獲得的一種具有中空孔洞結(jié)構(gòu)的變性淀粉，其顆粒形態(tài)充滿由表及里的微米級孔道，孔容積約為顆粒體積的40%～60%[18]。這種多孔結(jié)構(gòu)使得它除了具有普通淀粉的性質(zhì)以外，其比容積、比表面積和吸附能力也遠大于普通淀粉，可起到對被吸附物質(zhì)的保護和在目標環(huán)境緩釋的作用，在食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)、藥學、生化等領域有著廣泛的應用[19-21]。因淀粉顆粒表面存在親水羥基，故使得其對水溶性物質(zhì)吸附能力遠高于油溶性物質(zhì)，為提高其親油性，通?？蓪⑵溥M行酯化改性[22-24]。相對于OSAS，由PS 制備的OSA-PS 應用性質(zhì)更加優(yōu)異。本研究制備OSA-PS，并將其作為壁材用于制備Cur 微膠囊，探究其包埋和緩釋性能。

圖1 OSA-PS/CS-Cur 微膠囊的制備流程Fig.1 The preparation process of OAS-PS/CS-Cur microcapsule

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉，南京甘汁園糖業(yè)有限公司；辛烯基琥珀酸酐（分析純），上海麥克林生化科技有限公司；殼聚糖（分析純）、無水乙醇（分析純）、二水合檸檬酸三鈉（分析純）、姜黃素（分析純），國藥集團化學試劑有限公司；一水合檸檬酸（分析純），江蘇強盛功能化學股份有限公司；硝酸銀（分析純），上海申博化工有限公司；α-淀粉酶（分析純）、糖化酶（分析純），上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

ZD-85 氣裕恒溫振蕩器，上海香桂化工有限公司；12N/18N LC-10N 冷凍干燥機，浙江力辰儀器科技有限公司；JEM3010 高分辨透射電子顯微鏡，日本電子株式會社；APEXII 型X 射線衍射光譜，德國布魯克公司；IS50 傅立葉變換紅外光譜，美國賽默飛公司。

1.3 方法

1.3.1 PS 的制備 準確稱取玉米淀粉20.00 g（精確至0.01 g），放入燒杯中并加入100 mL 的pH 值為5.4 的緩沖溶液，置于50 ℃水浴鍋中恒溫預熱20 min，加入適量復合酶，并放入50 ℃恒溫搖床，120 r/min 反應10 h，反應結(jié)束后，加入5 mL 的質(zhì)量分數(shù)4%的NaOH 終止反應。抽濾并用蒸餾水洗滌沉淀，50 ℃烘箱干燥24 h 至恒重，研磨過0.150 mm 篩。通過不同的酶配比（α-淀粉酶∶糖化酶）及反應時間，探究單因素對PS 制備的影響。

1.3.2 PS 吸油率的測定 準確稱取2.0000 g 所制得PS（精確至0.0001 g），置于離心管中，加入10.0000 g 大豆油，置于磁力攪拌器上攪拌30 min；接著離心（4 000 r/min，10 min），倒掉上層油直至無油滴滴下，稱取離心管的質(zhì)量。計算吸油率（ω）如式（1）：

式中，M1——離心后淀粉、離心管和大豆油的總質(zhì)量（g）；M2——離心管質(zhì)量（g）；M3——PS 的質(zhì)量（g）。

1.3.3 OSA-PS 的制備 稱取制備得到的PS，與蒸餾水混合，制得質(zhì)量分數(shù)30%的淀粉乳液，形成懸浮液，放入50 ℃恒溫水浴鍋，磁力攪拌20 min，加入質(zhì)量分數(shù)3%的NaOH 溶液直至淀粉乳溶液pH 值為8.5～9.0，緩慢滴加占多孔淀粉質(zhì)量3%的且經(jīng)無水乙醇稀釋3 倍的OSA，在反應過程中，控制溶液pH 值為8.5 左右，在40 ℃水浴條件下反應4 h。反應結(jié)束后抽濾，用3%的HCl 溶液將沉淀洗滌至中性，再用無水乙醇洗滌3 次，經(jīng)AgNO3檢測無Cl 離子，放入50 ℃烘箱中干燥24 h，取出研磨后密封干燥保存。

1.3.4 DS 的測定 參考文獻[25]利用的滴定法對OSA-PS 的DS 進行測定，并在此基礎上作適當調(diào)整。準確稱取1.0000 g（精確到小數(shù)點后4 位）的OSA-PS 置于錐形瓶中，然后加入60 mL 去離子水，并將其置于95 ℃水浴鍋中20 min 攪拌預熱。加2～3 滴酚酞作指示劑，并用0.1 mol/L 的NaOH標準溶液滴定，至懸浮液變?yōu)榉奂t色時，終止滴定，表明反應已到達終點。DS 計算如式（2）：

式中，162——葡萄糖殘基摩爾質(zhì)量（g/mol）；210——OSA 摩爾質(zhì)量（g/mol）；A——NaOH 標準溶液滴定體積（mL）；C——NaOH 標準溶液濃度（mol/L）；M——所取OSA-PS 樣品質(zhì)量（g）。

1.3.5 電鏡分析 使用SEM（冷場）對PS、OSAPS 和原淀粉顆粒的形態(tài)進行探究。將樣品分別通過導電膠粘貼在樣品座上，進行噴金后分別進行電鏡分析。

1.3.6 傅里葉紅外光譜分析（FT-IR）取適量的PS、OSA-PS 和原玉米淀粉并分別加入質(zhì)量分數(shù)1%的溴化鉀，研磨至無顆粒狀并用模具分別壓片后測定分析，掃描波數(shù)為4000～400 cm-1。

1.3.7 X 射線衍射（XRD）的測定 采用X 射線衍射儀分析測定PS、OSA-PS 和原淀粉的晶體顆粒構(gòu)造。測試條件：掃描方式為連續(xù)，掃描范圍5～35；掃描步長為0.05；掃描速度3°/min。

1.3.8 OSA-PS-Cur 微球的制備 參考Li 等[26]的方法并稍作修改（Cur 以5 mg/mL 的質(zhì)量濃度溶解在無水乙醇中，過0.4 μm 過濾器除去未溶解晶體；OSA-PS 以10 mg/mL 的質(zhì)量濃度溶解在蒸餾水中，超聲處理使其體系分布穩(wěn)定；在持續(xù)攪拌過程中將Cur-乙醇溶液緩慢滴入OSA-PS 溶液中，制備成OSA-PS-Cur 復合樣品。適當加熱除去乙醇，超聲處理后用凍干機干燥（真空度0.07 mbar，抽真空18 h，持續(xù)干燥時間約為30 h），制得具有Cur 的特征黃色樣品，在-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.9 OSA-PS-CS-Cur 微膠囊的制備 取OSAPS-Cur 微球2 g，加入質(zhì)量分數(shù)5%的吐溫80 溶液1 mL，再加入質(zhì)量分數(shù)3%的殼聚糖（CS）溶液10 mL，于35 ℃恒溫水浴攪拌均勻，并采用乳化高速勻漿處理器處理5 min，重復乳化均質(zhì)3 次即得微膠囊乳液。經(jīng)預冷（-30 ℃，2.5 h）處理后，冷凍干燥（冷凍溫度-68.2 ℃，壓強0.01 kPa，冷凍干燥時間24 h），將所得產(chǎn)品取出研磨，于干燥陰涼處保存。

1.3.10 微膠囊包埋率的測定 以包埋率為指標，對目標物微膠囊化的效果進行評價：即微膠囊產(chǎn)品中已被包覆的目標芯材質(zhì)量與微膠囊產(chǎn)品中總芯材質(zhì)量之比[27]，如式（3）：

其中，微膠囊表面Cur 質(zhì)量的測定方法為：精確稱量制備所得微膠囊產(chǎn)物1.00 g，以1∶30 的比例加入無水乙醇充分振蕩，離心（1 400 r/min，10 min），取1 mL 上清液，添加無水乙醇至棕色容量瓶中定容到10 mL，在波長425 nm 處測定其吸光度，將吸光值代入Cur 紫外吸收標準曲線，計算可得微膠囊產(chǎn)品表面Cur 質(zhì)量。

產(chǎn)品中總Cur 的質(zhì)量測定方法為：精確稱量制備所得微膠囊產(chǎn)物1.00 g，以1∶30 的比例加入無水乙醇充分振蕩，經(jīng)超聲（45 ℃，30 min），離心（1 400 r/min，10 min）后，取上清液1 mL，添加無水乙醇在棕色容量瓶中定容至20 mL，在波長425 nm 處對吸光度進行測定，并代入Cur 紫外吸收標準曲線進行計算。

此外，可據(jù)此測定微膠囊產(chǎn)品的總Cur 得率如下：移取1 mL 待測樣品溶液，加入10 mL 棕色容量瓶中定容，用紫外分光計測定其吸光度，計算Cur 微膠囊總Cur 含量。并利用Cur 標準曲線回歸方程求得相應Cur 濃度，總Cur 得率計算如式（4）：

式中，Y——總Cur 得率（%）；C——所得待測液Cur 質(zhì)量濃度（g/L）；V——待測液體積（L）；N——溶液的稀釋倍數(shù)；m——Cur 樣品質(zhì)量（g）。

1.3.11 Cur 微膠囊緩釋性能測試 參考Paramera等[28]和Pereira 等[29]試驗方法略作修改。稱取2.0 g氯化鈉（NaCl），7.0 mL HCl（質(zhì)量分數(shù)36%）和1.0 g 吐溫80 溶解在1 L 蒸餾水中，制備模擬胃酸溶液，并將溶液pH 值調(diào)至1.2。稱取約50.0 mg Cur微膠囊樣品至1 000 mL 的燒杯中，向其中加入配制好的800 mL 的模擬胃酸溶液，于37 ℃水浴鍋中恒溫加熱。設定紫外分光光度計波長為425 nm，觀察24 h 內(nèi)Cur 微膠囊釋放Cur 的質(zhì)量，分別選取2，4，6，12，24 h 共5 個時間節(jié)點測定Cur的釋放質(zhì)量。Cur 的釋放質(zhì)量（RC%）計算如式（5）：

式中，m1——釋放到模擬胃酸溶液中Cur 的含量（μg/mL）；m2——微膠囊中總的Cur 的含量（μg/mL）。

2 結(jié)果與分析

2.1 PS 制備的工藝選擇

通過單因素實驗方法，考察復合酶配比、反應時間、反應溫度、復合酶用量以及反應pH 值對PS吸油率的影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同反應條件對PS 吸油率的影響Fig.2 Effect of different reaction conditions on oil absorption ratio of PS

由圖2 可知，隨著復合酶用量增長，PS 吸油率隨之呈先升后降的趨勢，當復合酶用量為3.0%時，在試驗范圍內(nèi)PS 吸油率達到最高。因復合酶添加量過低時，酶與淀粉不易發(fā)生充分反應，故此時淀粉水解未能完全進行；而酶添加量過高亦會導致淀粉在一定程度上過分水解，其顆粒坍縮而使內(nèi)部無法形成穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)，致使PS 吸油率下降。

在酶配比方面，酶配比為1∶5 時吸油率最高。因為α-淀粉酶有助于糖化酶的水解。糖化酶占比太低，會造成淀粉非結(jié)晶區(qū)水解反應不充分，而糖化酶占比過高亦會使淀粉過分水解而無法形成穩(wěn)定多孔結(jié)構(gòu)，從而導致其顆粒坍縮、裂解，使PS 結(jié)構(gòu)遭到破壞，致使吸油率下降。因此，選擇α-淀粉酶與糖化酶的最佳酶配比為1∶5。

在反應時間方面，隨著反應時間延長，試驗范圍內(nèi)PS 吸油率隨之大致呈先上升后下降至平穩(wěn)的趨勢，吸油率在10 h 時最高。若酶解時間較短，酶與淀粉無法充分發(fā)生作用，部分淀粉顆粒未被水解；若酶解時間較長，淀粉顆粒易被過度水解而垮塌裂解，從而破壞其整體有序的多孔架構(gòu)，無法形成顆粒完整的中空孔隙結(jié)構(gòu)，以致其吸油率下降。

同時，試驗范圍內(nèi)反應溫度對PS 吸油率的影響隨之呈先升后降的趨勢，在反應溫度為50 ℃時，PS 吸油率達最高。當酶解溫度較低時，酶活性較低，酶解反應不活躍；而酶解溫度較高時，淀粉顆粒吸水膨脹，接近糊化溫度[30]，使得淀粉束松散，對酶的敏感性增強，而被過度水解導致淀粉顆粒坍塌，吸油率下降。

由于酶解反應是在偏酸性條件下進行，其中α-淀粉酶的最適pH 范圍為4.5～6.5，糖化酶的最適pH 范圍為4.0～4.5[31]，因此兩種酶在制備中復合使用pH 值為5.4～6.0 時，活性最高，酶解效果最好。故當體系pH 值為6.0 時，PS 的吸油率最高。因此，單因素制備的PS 最佳工藝條件為：酶用量3%，酶配比1∶5，反應時間10 h，反應溫度50℃，反應pH 值6.0，此時PS 的吸油率為139.37%。

2.2 OSA-PS 制備的工藝選擇

以所制得PS 為原料，考察底物質(zhì)量濃度、pH值、OSA 添加量、反應溫度和反應時間對PS 酯化產(chǎn)物DS 的影響，從而確定OSA-PS 的最佳制備工藝條件。結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同酯化反應條件對產(chǎn)物性能的影響Fig.3 Effects of different esterification reaction conditions on product properties

相比于PS，酯化改性后的產(chǎn)物吸油率略有降低。雖然改性過程中引入疏水基團有利于增加產(chǎn)物的吸油性能，但反應過程中PS 顆粒會在一定程度上的再吸水溶脹，導致顆?？紫秲?nèi)部出現(xiàn)不同程度的裂解和塌陷，從而降低了產(chǎn)物的吸油率。由圖3 可知，底物質(zhì)量濃度對OSA-PS 的DS 影響較小，呈先增大后降低的趨勢。在PS 的酯化反應中，若底物質(zhì)量濃度過小，反應不充分，而底物質(zhì)量濃度太高則導致體系黏度增大，致使OSA 分散程度受限，進而引起DS 的降低；為了保證淀粉羥基基團的反應活性，PS 酯化反應須在弱堿性條件下進行，當pH 值為8.5 時，DS 最高，而當體系pH 值過高時，溶液中NaOH 易與OSA 反應生成副產(chǎn)物羧酸氫鈉和不參與反應的羧酸二鈉，從而影響PS 的酯化效果，降低其酯化效率。在試驗范圍內(nèi)，酯化PS 產(chǎn)物的DS 會隨著酸酐添加量的增加而逐漸上升，至3.5%時趨于平穩(wěn)，這是由于反應過程中PS與OSA 的接觸概率亦隨酸酐添加量的增加而升高，以致產(chǎn)物DS 也隨之升高。然而當酸酐添加量達到一定時，一方面隨著酸酐添加量的增加，為維持反應體系pH 恒定，所需的NaOH 量亦隨之增加，以致淀粉更容易糊化，另一方面，由于反應空間位阻的作用導致無法提供更多反應點，對反應的進行造成不利影響；一定程度上，反應時間的延長有助于反應物間的接觸，進而提升PS 酯化產(chǎn)品的DS，若反應時間過長，則OSA 與NaOH 直接作用和酯化產(chǎn)物的水解等副反應逐漸占據(jù)主導地位，從而導致DS 略有降低。因此單因素實驗考察得到OSA-PS 的最佳合成工藝條件為：底物質(zhì)量濃度25%，pH 值8.5，OSA 添加量3.5%，反應時間4 h，反應溫度40 ℃。此條件下OSA-PS 的DS 為0.02026，吸油率為120.05%。

2.3 SEM 分析

從圖4 可得，原玉米淀粉顆粒表面相對連續(xù)平滑，多呈圓形和多面體，且上無孔洞。PS 和OSA-PS 表面存在不同深度的細小孔洞，總體上看，淀粉顆粒形狀未發(fā)生較大變化，而OSA-PS 產(chǎn)物顆粒出現(xiàn)了一定的破碎情況，表明在酯化反應過程中會出現(xiàn)一定程度的孔道破壞和坍塌，這也證明了酯化產(chǎn)物吸油率較低的原因。

圖4 不同樣品的SEM 圖Fig.4 SEM images of different samples

2.4 FT-IR 分析

測定的3 個樣品在紅外光譜圖區(qū)域中，3 416～3 360 cm-1之間均存在O-H 伸縮振峰。2 927 cm-1附近吸收峰是C-H 伸縮振動。1 640，1 155，1 080，1 021，930 cm-1表示C-O 伸縮振動。從圖5 可以看出，玉米淀粉與PS 的紅外光譜相似，經(jīng)酶解反應的PS 并未產(chǎn)生新的特征峰，這表明酶解反應過程中未生成新的官能團結(jié)構(gòu)。而OSA-PS 在1 750 cm-1附出現(xiàn)了一個吸收峰，此吸收峰是由C=O 雙鍵伸縮振動產(chǎn)生，表明有羰基存在，證明發(fā)生了酯化反應。紅外光譜分析顯示已成功制備出了OSA-PS。

圖5 不同樣品的紅外光譜圖Fig.5 FT-IR spectra of different samples

2.5 XRD 分析

由圖6 可知，3 種樣品的XRD 譜圖基本相同，表明淀粉經(jīng)酶解及酯化改性后產(chǎn)物的晶型結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，說明反應在淀粉非結(jié)晶區(qū)進行，而這主要是由淀粉本身的物化性質(zhì)所決定的。因淀粉本身具有親水性，其非結(jié)晶區(qū)在反應體系的水相中發(fā)生了一定程度的吸水膨脹，然而由于反應過程均在淀粉糊化溫度以下進行，因此對淀粉分子內(nèi)和分子間的氫鍵力形成的高度有序晶體結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生影響。

圖6 不同樣品的XRD 譜圖Fig.6 XRD spectra of different samples

2.6 微膠囊包埋率分析

參照1.3.8 和1.3.9 節(jié)制備了原淀粉、PS 和不同DS 的OSA-PS 制備復合壁材式微膠囊，參照1.3.10 節(jié)測試了不同樣品對Cur 的包埋率，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 原淀粉、PS 及不同DS 的OSA-PS 對包埋率的影響Fig.7 Effects of the original starch，PS and OSA-PS of different DS on encapsulation efficiency

淀粉及其反應產(chǎn)物對Cur 的吸附作用主要分為物理吸附和化學吸附。相比于原淀粉，PS 因其酶解過程產(chǎn)生的孔道結(jié)構(gòu)，增強了對Cur 的物理吸附作用。而OSA-PS 引入了疏水性結(jié)構(gòu)，加強了對Cur 的氫鍵締合作用，隨著DS 的增加，其對于Cur 的吸附能力增強，當DS 為0.02 時，Cur 的包埋率可達到88.62%。結(jié)果表明，采用OSA-PS 和CS 作為復合壁材對Cur 具有較強的包埋性能。

2.7 微膠囊緩釋性能分析

Cur 主要吸收位置位于腸道中，為了能夠最大限度地利用Cur，制備出的Cur 微膠囊應當保證壁材物質(zhì)在胃中可以具備一定的抵抗胃酸降解能力[28]。測試原淀粉/CS-Cur、PS/CS-Cur 和OSA-PS/CS-Cur 復合微膠囊在模擬胃液中24 h 的緩釋性能。結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同樣品在模擬胃液下的緩釋性能Fig.8 Sustained-release performance of different samples under simulated gastric juice

在未考慮胃蛋白酶和胃內(nèi)部微生物對樣品緩釋性能的影響，復合壁材式微膠囊的緩釋能力主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面最外層的CS 可以在酸性溶液下緩慢溶解，從而暴露出附著在淀粉基表面的Cur；另一方面，淀粉在酸性溶液下發(fā)生水解，淀粉孔道坍塌，被吸附在淀粉內(nèi)部的Cur 逐漸釋放出來。結(jié)果表明，原淀粉中Cur 主要附著在淀粉表面，當CS 溶解后，表面Cur 逐漸釋放。OSA-PS/CS-Cur 復合微膠囊芯材吸附在淀粉孔道內(nèi)部并與淀粉疏水基團結(jié)合更緊密，則表現(xiàn)出了良好的抗胃酸降解性能，可使得大部分Cur 保存進入到腸道中。

3 結(jié)論

將玉米淀粉經(jīng)酶解，OSA 改性的方法制備了OSA-PS，從而提高了產(chǎn)品的吸油率和疏水性。最優(yōu)工藝條件下產(chǎn)物的吸油率和DS 分別為120.05%和0.02026，以此作為微膠囊壁材制備的復合型Cur 微膠囊，其包埋率可達到88.62%，并且在模擬胃液下具有良好的抗水解和緩釋性能。