楊翦秋,畢會(huì)敏,范方宇

(西南林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,云南 昆明,650224)

Pickering乳液是用固體顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)乳化劑構(gòu)成的乳液體系,常作為負(fù)載和輸送目標(biāo)物質(zhì)的載體,應(yīng)用于食品、藥品以及化妝品領(lǐng)域[1]。與傳統(tǒng)乳液相比,Pickering乳液具有安全性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[2]。隨著Pickering乳液在食品領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,采用淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)等食品級(jí)固體顆粒作為乳化劑的Pickering乳液成為目前研究熱點(diǎn)[3-4]。

木薯(Manihotesculenta)在我國(guó)資源豐富、價(jià)格低廉,木薯中雜質(zhì)含量低,淀粉含量高,被譽(yù)為“淀粉之王”[5]。木薯淀粉黏性強(qiáng)、透明度高、成膜性好[6],在理化、功能特性及加工性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。但木薯淀粉親水性較強(qiáng),無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定乳液,有研究表明,Pickering乳液的穩(wěn)定性受顆粒自身尺寸影響很大,粒徑小吸附動(dòng)力快,乳液穩(wěn)定性越強(qiáng)[1],納米級(jí)淀粉顆粒能穩(wěn)定吸附于油水界面形成物理屏障,得到穩(wěn)定乳液[2]。納米淀粉通常通過(guò)物理、化學(xué)及酶等方式分離得到[7],目前納米淀粉制備方法中,沉淀法因操作簡(jiǎn)單、重現(xiàn)性好、耗能少、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用[8-9]。

基于此,本研究以木薯淀粉為原料,沉淀法制備納米淀粉,并將其用于穩(wěn)定乳液,探究木薯納米淀粉穩(wěn)定乳液的效果,為木薯淀粉在食品工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

木薯淀粉(食品級(jí)),江蘇味門食品有限公司;無(wú)水乙醇(分析純),廣東光華科技股份有限公司;調(diào)和油(食品級(jí)),嘉里糧油有限公司。

XINYI-IID超聲波細(xì)胞粉碎機(jī),寧波新藝超聲設(shè)備有限公司;FJS-4磁力攪拌水浴鍋,金壇市西富威實(shí)驗(yàn)儀器廠;FD5-3冷凍干燥機(jī),美國(guó)Gold-Sim公司;Zetasizer Nano ZS90型激光粒度儀,英國(guó)Malvern儀器有限公司;600 MHz核磁共振波譜儀,德國(guó)Bruker公司;Tescan MIRA LMS掃描電子顯微鏡,捷克Tescan公司;FJM-F200透射電子顯微鏡,日本電子株式會(huì)社;FJ200-SH實(shí)驗(yàn)室數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī),上海瀘析實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 木薯納米淀粉的制備

參照GE等[10]的方法,稍作修改。將木薯淀粉水溶液100 r/min、100 ℃恒溫?cái)嚢? h至淀粉完全糊化。淀粉溶液冷卻至室溫后,650 W超聲波處理15 min。在100 r/min的磁力攪拌下,緩慢勻速注入乙醇。納米淀粉混合液8 000 r/min離心10 min,沉淀加20 mL無(wú)水乙醇離心洗滌3次。冷凍干燥,得木薯納米淀粉。

1.2.2 制備條件對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響

納米淀粉的粒徑是影響其乳化性能的重要參數(shù)之一,為探究制備條件對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響,依次改變木薯淀粉添加量分別為3%、4%、5%、6%、7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),固定超聲波振幅70%,乙醇體積分?jǐn)?shù)60%,攪拌時(shí)間15 min;依次改變超聲波振幅分別為60%、65%、70%、75%、80%,固定木薯淀粉添加量5%,乙醇體積分?jǐn)?shù)60%,攪拌時(shí)間15 min;依次改變乙醇體積分?jǐn)?shù)分別為40%、50%、60%、70%、80%,固定木薯淀粉添加量5%,超聲波振幅70%,攪拌時(shí)間15 min;依次改變攪拌時(shí)間分別為5、10、15、20、25 min,固定木薯淀粉添加量5%,超聲波振幅70%,乙醇體積分?jǐn)?shù)60%。

1.2.3 粒徑分析

采用納米激光粒度儀在25 ℃測(cè)定納米淀粉、乳液粒徑及分布。

1.2.4 核磁共振氫譜(hydrogen nuclear magnetic resonance,1H-NMR)分析

核磁共振氫譜分析納米淀粉化學(xué)結(jié)構(gòu)。測(cè)定條件:采用DMSO-d6為溶劑,溫度50 ℃,脈沖角30°,延遲時(shí)間10 s,采集時(shí)間2 s。

1.2.5 掃描電鏡(scanning electron microscopy,SEM)分析

通過(guò)SEM對(duì)木薯淀粉形貌進(jìn)行分析。取少量淀粉,用導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上,噴金,5 kV的加速電壓,放大倍數(shù)2 000。

1.2.6 透射電鏡(transmission electron microscopy,TEM)分析

通過(guò)TEM對(duì)木薯納米淀粉形貌進(jìn)行分析。將納米淀粉與去離子水配制成0.5 g/L的納米淀粉懸浮液,滴置于銅網(wǎng)進(jìn)行觀察。

1.2.7 乳化活性及乳化穩(wěn)定性分析

乳液的乳化活性(emulsification activity,EAI)、乳化穩(wěn)定性(emulsification stability,ESI)參考李佳慧[11]的方法,稍作修改。稱取0.70 g樣品與10 mL去離子水混合,50 ℃水浴2 min,加入4.50 mL調(diào)和油,14 000 r/min高速均質(zhì)3 min,制得Pickering乳液。將新鮮制備的乳液(0 h)與靜置72 h的乳液,5 000 r/min離心30 min。記錄液體總高度、乳化層高度。采用公式(1)、公式(2)分別計(jì)算EAI、ESI:

(1)

(2)

式中:EAI,乳化活性,%;ESI,乳化穩(wěn)定性,%;H,液體總高度,cm;h0,0 h乳化層高度,cm;h72,72 h乳化層高度,cm。

1.2.8 貯藏穩(wěn)定性分析

將新鮮制備的淀粉乳液避光貯藏,15 d后觀察乳液變化情況并拍照記錄。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,Origin 2018軟件繪圖,ANOVA分析數(shù)據(jù)差異顯著性(P<0.05),數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 制備條件對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響

沉淀法制備納米淀粉,淀粉應(yīng)能溶解于溶劑,不溶于不良溶劑,溶劑與不良溶劑之間應(yīng)具有良好的混溶性[12]。基于此條件,本研究以水為溶劑,乙醇為不良溶劑。并考察木薯淀粉添加量、超聲波振幅、乙醇體積分?jǐn)?shù)、攪拌時(shí)間對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響。

2.1.1 木薯淀粉添加量對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響

由圖1可知,隨木薯淀粉添加量的增加,木薯納米淀粉粒徑呈先下降后上升趨勢(shì)。淀粉添加量3%～4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)時(shí),納米淀粉粒徑較大。原因是淀粉添加量過(guò)少,淀粉溶液中水含量高,淀粉分子分散時(shí)容易發(fā)生團(tuán)聚,得到粒徑較大的納米淀粉[13]。當(dāng)?shù)矸厶砑恿?%時(shí),粒徑最小(81.77 nm),添加量超過(guò)5%時(shí),納米淀粉粒徑隨淀粉添加量增大而上升;7%時(shí),納米淀粉粒徑上升至289.00 nm,相對(duì)于淀粉添加量5%的樣品,粒徑顯著上升(P<0.05)。原因?yàn)榈矸厶砑恿窟^(guò)多,淀粉溶液黏度變大,阻礙淀粉溶液與乙醇之間的相互擴(kuò)散,導(dǎo)致淀粉分散不均勻,形成大顆粒[14]。此外,高濃度淀粉溶液中單位體積淀粉鏈較多,淀粉鏈聚集纏繞,使納米淀粉粒徑上升[15]。淀粉添加量為5%時(shí),木薯納米淀粉粒徑最小,因此選取5%的木薯淀粉添加量。

圖1 木薯淀粉添加量對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響Fig.1 Effect of cassava starch mass ratio on the particle size of cassava starch nanoparticles

2.1.2 超聲波振幅對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響

研究發(fā)現(xiàn)木薯淀粉添加量過(guò)高會(huì)使淀粉溶液黏度過(guò)大,導(dǎo)致木薯納米淀粉粒徑上升。超聲波輔助處理可降低淀粉溶液黏度,減小納米淀粉粒徑[16]。由圖2可知,固定超聲波功率650 W,振幅60%～75%時(shí),木薯納米淀粉粒徑較小,超聲波振幅的變化對(duì)粒徑影響不顯著(P>0.05);70%時(shí)粒徑最小,為76.80 nm。當(dāng)振幅超過(guò)75%,粒徑顯著上升(P<0.05),由82.47 nm上升到195.15 nm。原因是超聲波作用可破壞淀粉分子間的相互作用力,聚集纏繞的淀粉鏈被打開(kāi),使淀粉溶液迅速向乙醇擴(kuò)散,得到小粒徑納米淀粉。當(dāng)超聲波振幅過(guò)大(80%),淀粉受空穴作用,發(fā)生高速運(yùn)動(dòng),顆粒間的碰撞增多,發(fā)生團(tuán)聚,形成大顆粒納米淀粉[17]。超聲波振幅為70%時(shí),木薯納米淀粉粒徑最小,因此本研究以70%作為超聲波振幅。

圖2 超聲波振幅對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響Fig.2 Effect of ultrasonic amplitude on the particle size of cassava starch nanoparticles

2.1.3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響

由圖3可知,乙醇體積分?jǐn)?shù)40%～50%時(shí),木薯納米淀粉粒徑隨乙醇增加而顯著下降(P<0.05),粒徑由224.35 nm下降至87.62 nm。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)>50%時(shí),納米淀粉粒徑差異不顯著(P>0.05);60%時(shí)粒徑最小,為78.97 nm。原因?yàn)橐掖歼^(guò)少時(shí),不能完全取代淀粉中的水分,殘留的水分使淀粉分子間氫鍵作用力增強(qiáng),出現(xiàn)團(tuán)聚行為[18]。繼續(xù)添加乙醇,乙醇迅速擴(kuò)散使界面張力降低,納米淀粉粒徑減小[17]。乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí),木薯納米淀粉粒徑最小,因此本研究選取的乙醇體積分?jǐn)?shù)為60%。

圖3 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響Fig.3 Effect of ethanol volume fractions on the particle size of cassava starch nanoparticles

2.1.4 攪拌時(shí)間對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響

由圖4可知,隨攪拌時(shí)間的延長(zhǎng),木薯納米淀粉粒徑呈先下降后上升趨勢(shì)。攪拌時(shí)間5～15 min時(shí),納米淀粉粒徑隨攪拌時(shí)間增大而下降。當(dāng)攪拌時(shí)間超過(guò)15 min,納米淀粉粒徑顯著上升(P<0.05);15 min時(shí)粒徑最小,為75.91 nm。原因?yàn)閿嚢钑r(shí)間過(guò)短,淀粉溶液與乙醇的混合時(shí)間短,接觸不完全,使納米顆粒析出緩慢,形成粒徑較大的納米淀粉[19]。隨攪拌時(shí)間延長(zhǎng),淀粉溶液與乙醇混合更均勻,納米淀粉粒徑減小[13]。攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng),大量納米淀粉形成,顆粒間相互碰撞幾率增大,易發(fā)生團(tuán)聚使納米淀粉粒徑上升。攪拌時(shí)間為15 min時(shí),木薯納米淀粉粒徑最小,因此選取15 min作為攪拌時(shí)間。

圖4 攪拌時(shí)間對(duì)木薯納米淀粉粒徑的影響Fig.4 Effect of stirring time on the particle size of cassava starch nanoparticles

綜上,選取最適制備條件:木薯淀粉添加量5%、超聲波振幅70%、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、攪拌時(shí)間15 min,對(duì)該條件制備的木薯納米淀粉化學(xué)結(jié)構(gòu)、形貌及乳化性能進(jìn)行分析。

2.2 1H-NMR分析

由圖5可知,1H-NMR中,2.50、3.30 ppm分別為DMSO-d6、H2O的質(zhì)子吸收峰,3.30～3.80 ppm之間出現(xiàn)的吸收峰為淀粉中葡萄糖單元上C2～C6質(zhì)子峰,5.20 ppm為C1質(zhì)子峰,5.30～5.60 ppm附近為C2、C3上的羥基質(zhì)子峰,4.50 ppm為C6羥基質(zhì)子峰[9]。木薯納米淀粉與木薯淀粉各個(gè)氫的峰位基本一致,納米淀粉H-1、H-2,3,4,5,6、OH-2,3、OH-6的面積比為1∶6∶2∶1與葡萄糖單元結(jié)構(gòu)一致[20],表明沉淀法制備木薯納米淀粉的過(guò)程中無(wú)新基團(tuán)引入,納米淀粉保留了淀粉的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖5 木薯淀粉和木薯納米淀粉的1H-NMR譜圖Fig.5 1H-NMR pattern of cassava starch and cassava starch nanoparticles

2.3 形貌分析

利用SEM、TEM對(duì)樣品進(jìn)行形貌分析。圖6可見(jiàn),木薯淀粉大多呈規(guī)則圓球狀,有少數(shù)因破壞而形成不規(guī)則多面體存在,顆粒表面較光滑,有細(xì)微裂痕,粒徑為5.00～18.00 μm。木薯納米淀粉主要為圓球形,與原淀粉相比,粒徑明顯減小,為20.00～450.00 nm,結(jié)果表明沉淀法可以實(shí)現(xiàn)木薯淀粉的納米化。此外,納米淀粉易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象[21],史永桂等[17]將其解釋為由于去溶劑化作用,在乙醇揮發(fā)后,納米淀粉中殘留的水分增強(qiáng)了納米淀粉的氫鍵作用力,顆粒間出現(xiàn)團(tuán)聚行為,這也是觀察到部分大粒徑出現(xiàn)的原因。

a-木薯淀粉的SEM圖(×2 000);b-木薯納米淀粉的TEM圖

2.4 Pickering乳液的粒徑、EAI、ESI和貯藏穩(wěn)定性分析

以木薯淀粉和木薯納米淀粉作為固體顆粒乳化劑制備Pickering乳液,測(cè)定乳液粒徑、EAI、ESI和貯藏穩(wěn)定性,考察二者乳化性能的差別。由圖7可見(jiàn),納米淀粉乳液粒徑遠(yuǎn)小于原淀粉乳液。原淀粉乳液粒徑分布較寬,為1 790.00～2 780.00 nm,平均粒徑2 514.00 nm。納米淀粉乳液粒徑分布較窄,為198.00～741.90 nm,平均粒徑308.40 nm。

圖7 木薯淀粉乳液和木薯納米淀粉乳液粒徑分布Fig.7 The particle size distribution of cassava starch-based emulsion and cassava starch nanoparticles-based emulsion

EAI、ESI是評(píng)價(jià)乳液功能特性的重要指標(biāo)[22],由于離心作用可加速乳液的乳析過(guò)程,所以通過(guò)離心法測(cè)定EAI、ESI,可達(dá)到快速判斷乳液穩(wěn)定性的目的[23]。由表1可知,納米淀粉乳液與原淀粉乳液相比,EAI、ESI均有所提升。原淀粉乳液的EAI、ESI分別為58.42%、54.17%,納米淀粉乳液的EAI、ESI提升顯著(P<0.05),分別為87.12%、86.47%。由圖8可知,貯藏穩(wěn)定性與EAI、ESI的結(jié)果一致,納米淀粉乳液貯藏穩(wěn)定性明顯提升。原淀粉無(wú)法制備出穩(wěn)定的乳液,油水分離明顯,納米淀粉能穩(wěn)定乳液。隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng),15 d時(shí)納米淀粉乳液外觀仍無(wú)明顯變化,沒(méi)有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

表1 木薯淀粉乳液和木薯納米淀粉乳液EAI、ESI測(cè)試結(jié)果Table 1 The EAI, ESI of cassava starch-based emulsion and cassava starch nanoparticles-based emulsion

圖8 木薯淀粉乳液和木薯納米淀粉乳液貯藏穩(wěn)定性Fig.8 The storage stability of cassava starch-based emulsion and cassava starch nanoparticles-based emulsion

綜上所述,木薯淀粉的納米化處理能有效地提升其乳化性能。原因是納米淀粉粒徑較小,能穩(wěn)定吸附于油水界面,形成致密層,減小表面張力,從而阻礙液滴聚集,有效地穩(wěn)定乳液。天然淀粉顆粒較大,吸附動(dòng)力學(xué)慢,導(dǎo)致油水界面吸附障礙變大,填充效率變低,使淀粉難以穩(wěn)定吸附,乳液失穩(wěn)[24]。此外,乳液體系為了保持穩(wěn)定狀態(tài),其粒徑隨淀粉粒徑的減小而減小,乳液粒徑減小的同時(shí)穩(wěn)定性增強(qiáng)[25]。

2.5 反應(yīng)機(jī)理

由圖9可知,當(dāng)乙醇引入淀粉溶液時(shí),由于去溶劑化作用,淀粉在乙醇中迅速發(fā)生擴(kuò)散和分裂,得到納米淀粉[9]。納米尺寸效應(yīng)使納米淀粉穩(wěn)定吸附于油水界面形成固體微粒膜,從而穩(wěn)定乳液(圖10)。

圖9 納米淀粉的形成機(jī)理Fig.9 The formation mechanism of starch nanoparticles

圖10 納米淀粉Pickering乳液示意圖Fig.10 The formation mechanism of starch nanoparticles-based Pickering emulsion

納米級(jí)淀粉顆粒解吸能較高,發(fā)生在油水界面的吸附作用是不可逆的,能有效防止液滴間發(fā)生聚集,使乳液體系具有長(zhǎng)期貯藏穩(wěn)定性,不易受離子強(qiáng)度、pH及溫度等因素的影響[1]。因此采用沉淀法制備木薯納米淀粉,以此作為固體顆粒乳化劑制備Pickering乳液具有可行性,其良好的穩(wěn)定性為今后擴(kuò)展納米級(jí)食品顆粒乳液的應(yīng)用范圍提供依據(jù)。

3 結(jié)論

木薯淀粉資源豐富,是一種非常具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的農(nóng)產(chǎn)品資源。本研究以木薯淀粉為原料,沉淀法制備木薯納米淀粉,其最優(yōu)工藝條件為:淀粉添加量5%、超聲波振幅70%、乙醇體積分?jǐn)?shù)60%、攪拌時(shí)間15 min,此時(shí),粒徑最小75.91 nm。1H-NMR結(jié)果表明,淀粉納米化處理未引入新的官能團(tuán),能保持淀粉基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。TEM結(jié)果表明,納米淀粉粒徑20.00～450.00 nm,為圓球形,出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。通過(guò)粒徑、EAI、ESI及貯藏穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn),納米淀粉乳液粒徑較小,貯藏15 d仍保持均一乳液體系,EAI、ESI顯著提升,分別為87.12%和86.47%(P<0.05)。綜上所述,木薯淀粉可以通過(guò)沉淀法制備出納米淀粉,并能有效提升其乳化性能。此結(jié)果為豐富木薯淀粉的利用途徑和食品級(jí)固體顆粒乳化劑的開(kāi)發(fā)提供參考。