酯化/球磨改性蠟質玉米淀粉及其皮克林乳液穩定與釋放特性

安鳳平 萬 成 何 洪 王藝偉 陳 雷 宋洪波

(福建農林大學食品科學學院1，福州 350002) (福建省特種淀粉品質科學與加工技術重點實驗室2，福州 350002)

乳液分為水包油(O/W)型和油包水(W/O)型，由于組成乳液的兩相互不相溶，故存在界面張力，且體系的界面能很大，屬于熱力學不穩定體系，因此乳液液滴間易發生聚結，通常需添加表面活性劑來穩定乳液[1]。皮克林(Pickering)乳液是在油滴表面形成一層固體顆粒層，從而穩定油和水兩種互不相溶液體的乳液，這種乳液也被稱為顆粒穩定乳液[2]。由于皮克林乳液不僅保留了傳統乳液優良的性質，還具用量少、界面穩定性強等優勢，在食品、藥品、化妝品等領域具有巨大潛在應用價值[3]。淀粉因其來源廣泛、可生物降解、安全可食、強界面穩定性等特點，近年來成為研究的熱點[1，4]。但由于天然淀粉親水性強，并不適合O/W型乳液[5]。淀粉經辛烯基琥珀酸酐(OSA)酯化改性后，可同時引入親水性羧酸基團和疏水性烯基長鏈，因此賦予改性淀粉兩親性，可增強乳液的穩定性[6]。但多數淀粉僅依賴(OSA)酯化并不能形成穩定的皮克林乳液。

蠟質玉米淀粉是由蠟質玉米經濕磨提取得到，具有吸水性強、膨脹度高的優勢[7]。因此，本研究以蠟質玉米淀粉為材料，比較研究OSA酯化改性、以及在些基礎上的球磨改性淀粉對O/W乳液穩定性的影響，進而闡明酯化/球磨改性蠟質玉米淀粉穩定皮克林乳液及其釋放機理，為拓展淀粉在O/W型皮克林乳液方面的應用提借鑒。

1 材料和方法

1.1 材料與主要儀器設備

蠟質玉米淀粉、大豆油、辛烯基琥珀酸酐；氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇、疊氮化鈉、溴化鉀：分析純；D-葡萄糖試劑盒。

PHS-25數顯pH，CJM-SY-B 型球磨機，T25高速剪切分散乳化機， MS 3000激光粒度儀，Quanta 200掃描電子顯微鏡，BH-2光學顯微鏡，Rigaku D/Max-1200 X衍射儀，VERTEX 70傅里葉紅外光譜儀，UV-1780紫外可見分光光度計。

1.2 酯化玉米淀粉制備

參照Zhang等[8]的方法有所修改。稱取120.0 g蠟質玉米淀粉(NS)，配制成質量分數為35%淀粉乳，適時滴加5%NaOH溶液調節并維持pH至8.0，加入3%，基于淀粉干基)的OSA，于35 ℃勻速攪拌，反應4 h；用體積分數為3%HCl 溶液調節pH至6.5，5 000 r/min離心10 min，棄上清液，再用80%乙醇洗3次，水洗3次；將沉淀物置于烘箱，40 ℃干燥24 h，粉碎過100目篩，制得酯化淀粉(OSS)。按Królikowska等[9]的方法測定酯化淀粉的取代度為0.017。

1.3 酯化/球磨玉米淀粉制備

將OSS(100.0 g)與直徑為10 mm的氧化鋯球(1 000 g)混合，裝入球磨機動腔內，以420 r/min分別處理0.5、2、3.5 h和5.0 h，過100目篩，分別命名為OS-BM0.5、OS-BM2、OS-BM3.5、OS-BM5。

1.4 皮克林乳液制備

將淀粉配制成質量分數為5%淀粉乳液，加入20%的食用大豆油，再加入0.01% NaN3，采用高速剪切分散乳化機以22 000 r/min均質1 min。將皮克林乳液轉入玻璃瓶子密封，25 ℃下儲存30 d。

1.5 淀粉掃描電鏡觀察

用導電膠將淀粉樣品固定在樣品臺上，噴金處理后，用掃描電子顯微鏡以放大位數2 000×觀察淀粉顆粒形貌。

1.6 淀粉X射線衍射分析

采用X-射線衍射儀進行測定，參數設置為：管壓40 kV，電流40 mA，Cu靶，2θ角5°～35°，掃描速率6°/min，掃描步長0.02°。采用MDI Jade 6.0計算相對結晶度[10]。

1.7 淀粉結構表征

取1 mg淀粉樣品，與100 mg KBr混合，于瑪瑙研缽中研磨約5 min，壓膜處理，灌注于壓模中，抽真空壓片，20 MPa壓力下保持60 s，壓至透明；傅立葉紅外光譜分析儀的掃描范圍為400～4 000 cm-1，分辨率0.8 cm-1，掃描累加64次。

1.8 皮克林乳液光學顯微觀察

取一滴乳液滴加在光學顯微鏡的載玻片上，蓋上蓋玻片，放大400×觀察乳液。

1.9 皮克林乳液粒徑分布

采用激光衍射法測定乳液的粒徑分布，參數設置為：顆粒折射率1.460，顆粒吸收率0.001，以純水作為分散劑，其折射率1.330，轉速2 200 r/min。

1.10 荷載姜黃素皮克林乳液制備

姜黃素以1 mg/mL的比例添加到大豆油中，用高速剪切分散乳化機以22 000 r/min均質20 min。并以此替代大豆油，按1.4完成。

1.11 荷載姜黃素乳液體外模擬消化

1.11.1 體外模擬消化

模擬口腔消化：將10 mL KCl (1.2 mol/L)、10 mL KSCN(0.2 mol/L)、10 mL NaH2PO4(0.74 mol/L)、1.7 mL NaCl (1 mol/L)、20 mL NaHCO3(1 mol/L)、8 mL尿素 (0.42 mol/L) 混合均勻；再添加290 mg α-淀粉酶、15 mg尿酸、25 mg黏蛋白；將體系pH調節到6.8。4 mL模擬口腔液與4 mL乳液混合，37 ℃水浴5 min，再添加2 mL 1 mol/L HCl滅酶[11]。

模擬胃消化：2 g NaCl加到7 mL 1 mol/L HCl中，加水至1 000 mL容量瓶；用1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH調節pH至1.2，配成模擬胃液。0.003 2 g蛋白酶溶解在1 mL 模擬胃液中，再與9 mL乳液混合，保持溫度37 ℃，1 h后取樣，用1 mol/L NaHCO3調節pH至6.5終止反應[12]。

模擬腸道消化： 10 mg/mL胰酶加到0.05 mol/L KH2PO4配成模擬腸液，用0.2 mol/L HCl或 0.2 mol/L NaOH調節10 mL乳液至pH=6.5。將乳液與10 mL 腸液混合37 ℃保溫。取樣，用冰浴10 min抑制酶反應[12]。

1.11.2 淀粉消化率

用淀粉水解度表示淀粉消化率。采用D-葡萄糖試劑盒測定樣品中的葡萄糖含量。淀粉消化率按公式計算[13]：

式中：Sh為水解淀粉的量/g；Si為淀粉的初始量/g；Gh為產生的葡萄糖量/g；0.9為從淀粉到葡萄糖的轉換因子。

1.11.3 脂肪酸釋放率

脂肪消化率為消化液中的脂肪酸含量與皮克林乳液中脂肪酸含量的百分比。脂肪酸含量的測定采用滴定法[14]。

1.11.4 姜黃素生物可給率

在脂肪水解過程中，乳液運載的活性物質會轉移到由膽酸鹽、脂肪酸和磷脂構成的膠束中，膠束中的活性物質容易被小腸吸收。因此，姜黃素的生物可給率可以用在體外消化過程中轉化到膠束中的濃度來表示。根據Hélder等[14]的方法略有修改：將模擬腸消化2 h后的消化液樣品轉入離心管，以1 750 r/min、室溫離心10 min。離心后，樣品被分為3層，用注射器小心吸取中間層液體(膠束)，采用紫外分光光度計以425 nm 測定姜黃素濃度。姜黃素生物可給率按公式計算[14]：

姜黃素生物可給率=

1.12 數據處理

采用DPS13.5統計分析軟件，用Duncan 氏新復極差法進行不同處理間差異顯著性分析；采用OriginPro 8.5軟件繪制顯著性差異標記柱狀圖。

2 結果與討論

2.1 不同處理淀粉的特性比較

2.1.1 形貌特征

如圖1所示，蠟質玉米原淀粉(NS)表面光滑，結構緊密，呈現球形、橢球體或不規則多面體，輪廓圓潤。與NS相對，酯化淀粉(OSS)形態基本無變化。OSS經球磨處理0.5 h后(即OS-BM0.5)，淀粉表面出現皺褶，且發生輕微破碎。隨著球磨時間的延長，淀粉顆粒反復碰撞、摩擦、沖擊、剪切，表面破碎現象加重，許多細小顆粒聚集成較大顆粒，團聚顆粒被進一步沖擊破碎并聚集[15]，如此反復形成大小不均的顆粒聚集體(見OS-BM2)；另一方面，球磨處理還使得OSS出現了熔融現象。隨著球磨時間持續延長，淀粉破碎、團聚與糊化現象不斷加劇。

圖1 不同淀粉的掃描電鏡圖(2 000×)

2.1.2 X衍射分析

由表1可知，NS在2θ約為15°等處有4個主要衍射峰，表現為典型的A型淀粉。與NS相比，OSS的衍射峰沒有明顯變化，這是因為酯化反應發生在無定型區，因此對淀粉結晶結構影響不大(P>0.05)。對OSA球磨0.5 h后，OS-BM0.5的衍射峰強度明顯降低，結晶度顯著下降(P<0.05)；隨著球磨時間的增加，衍射光譜顯示出光滑且無特征峰，淀粉結晶度進一步顯著降低(P<0.05)、但彼此之間無顯著差異，說明足夠的球磨處理時間，使得OSS結晶結構嚴重破壞，結晶區轉變為無定型區，結晶完全消失[16]。

2.1.3 結構表征

圖2 不同淀粉的紅外光譜

2.2 不同處理淀粉的皮克林乳液特性比較

2.2.1 穩定性

穩定性實驗表明，剛制備的NS乳液上面出現一層浮油，乳液主體呈渾濁狀；儲存30 d后，油、水和淀粉層分離清晰，表明原淀粉的乳化及穩定能力很差，這是由于天然蠟質玉米淀粉的強親水性導致O/W乳液的不穩定[20]。OSS可以形成O/W乳液體系，是由于辛烯基琥珀酸酐的兩親性所決定的，但剛制備的皮克林乳液出現部分分層，儲存30 d后部分淀粉顆粒沉積在底部，主要原因是淀粉的顆粒較大、沉降能力強[21]。酯化后經球磨處理的淀粉乳液穩定性大為改觀，其中OS-BM0.5淀粉的新鮮乳液均勻，儲存30 d后未析油，但出現了分層現象。OS-BM2、OS-BM3.5和OS-BM5制成的乳液儲存30 d后依然均勻穩定。這表明酯化淀粉經球磨2 h以上，保證了皮克林乳液長期穩定性要求。其原因在于，除了酯化使淀粉具有對水和油的兩親性，足夠的球磨處理不僅極大的減小淀粉顆粒尺寸，特別是球磨處理2 h以上，淀粉的結晶區轉變為無定型區(參見表1)，具有更強的膨脹和吸納液體穩定兩相界面的作用。

2.2.2 微觀形貌與穩定性

由于蠟質玉米原淀粉不能形成O/W乳液，因此對比其改性淀粉的皮克林乳液微觀形貌如圖3所示。OSS乳液的液滴界面不清晰，油滴傾向于聚集，因此勢必導致嚴重析油。OS-BM0.5的乳液液滴界面比較清晰，但顆粒大小差異大，出現明顯的聚集與分離現象。OSS-BM2、OSS-BM3.5和OSS-BM5乳液的液滴界面清晰、大小比較均勻。

圖3 不同淀粉的皮克林乳液液滴的顯微圖像(400×)

2.2.3 粒徑分布

由于原淀粉的乳液穩定性極差，因此無法檢測乳液液滴的粒徑分布。如圖4所示，OSS皮克林乳液液滴粒徑分布圖存在一個主峰和一個次峰，粒徑范圍為8～102 μm；OS-BM0.5乳液液滴粒徑分布的主峰向左偏移、次峰減弱，粒徑范圍為1～30 μm；OS-BM0.5、OS-BM2和OS-BM3.5的乳液液滴粒徑分布非常接近，均呈正態分布，粒徑范圍約為1～18 μm。

圖4 不同淀粉的皮克林乳液液滴粒徑分布

由表2可以看出，與OSS乳液相比，OS-BM0.5乳液液滴粒徑各項指標均顯著減小(P<0.05)；OS-BM0.5、OS-BM2和OS-BM3.5乳液液滴粒的各項指標進一步顯著減小(P<0.05)，且各樣品之間差異不顯著(P>0.05)。

由此可見，OSS經球磨處理2～5 h，其乳液的液滴大小均勻，粒徑微小。這是酯化處理增強淀粉的兩親性以及球磨處理提升淀粉乳化性和吸附性共同作用的結果。

2.3 不同淀粉荷載姜黃素乳液的消化及利用

2.3.1 淀粉消化率

由圖5可知，在模擬口腔消化5 min和模擬胃消化60 min過程中，三種乳液中的淀粉消化率均接近零，這是因為模擬口腔消化液中淀粉酶濃度低、消化時間短，胃液中沒有淀粉酶可消化淀粉[22]。在模擬腸道消化初期階段，OSS、OSS-BM0.5和OSS-BM2的消化率快速增大，至120 min后三種淀粉的消化率增速都變慢；三種淀粉消化率由高至低的順序為：OS-BM2>OS-BM0.5>OSS，至180 min時OS-BM2乳液的淀粉消化率高達89.1%，OS-BM 0.5消化率為74.34%，OSS乳液的淀粉消化率僅為35.7%，其主要原因OS-BM2結晶度很小，而淀粉結晶度越小越易消化[23]。

表2 不同淀粉的皮克林乳液液滴粒徑對比

圖5 不同淀粉的皮克林乳液在體外消化模型中淀粉的消化率

2.3.2 脂肪酸釋放

由于皮克林乳液體系中的油脂液滴被淀粉顆粒包裹，而姜黃素溶解在油脂中，因此消化過程中脂肪酸釋放特性好壞將影響姜黃素的釋放和利用。由圖6可知，在模擬腸道消化前20 min，三個樣品中脂肪水解速度很快，之后逐漸變緩；至120 min時，OSS、OS-BM0.5和OS-BM2皮克林乳液中脂肪酸的釋放量分別為53.22%、84.53%和92.34%，由此可見OS-BM2乳液中脂肪酸釋放率明顯高于其他2種，這是因為一方面OS-BM2最易被腸道消化(圖5)，使得液滴界面層上的淀粉顆粒被破壞，其中的脂肪酸得以釋放；另一方面，皮克林乳液中油脂釋放快慢與液滴的比表面積正相關[24]，由于OS-BM2乳液液滴粒徑最小，其表面積最大，因此也有利于脂肪酸的釋放。

圖6 三種皮克林乳液在模擬腸消化過程脂肪酸的釋放率

2.3.3 姜黃素生物可給率

以皮克乳液體系運載活性物質，活性物質在模擬腸道消化過程中隨著油脂釋放而一同釋放出來進入膠束中，其中膠束由膽鹽、磷脂和游離脂肪酸所構成，最后活性物質以膠束的形式被小腸所吸收[25]。因此，采用體外模擬消化過程中轉換到膠束中的活性物質百分比表示活性物質的生物可給率。

圖7表明OSS、OSS-BM0.5和OSS-BM2三種皮克林乳液中姜黃素的生物可給率依次為(4.32±1.00)%、(6.48±3.32)%、(10.13±2.23)%，說明脂肪釋放程度與姜黃素的生物可給率正相關。

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖7 三種淀粉乳液中姜黃素生物可給率

3 結論

蠟質玉米淀粉經辛烯基琥珀酸酐酯化改性再球磨2～5 h，淀粉破碎并出現熔融現象，結晶區消失；另一方面，酯化過程中產生的酯基、羧基等新基團在球磨過程中保持穩定。與蠟質玉米淀粉、酯化淀粉相比，酯化/球磨2～5 h的淀粉制備的皮克林乳液液滴粒徑小(1～18 μm)且分布均勻，油/水界面清晰，具有長期穩定性；得益于酯化改性所賦予的兩親性，以及球磨破壞結晶結構賦予改性淀粉優良的乳化性和界面吸附性。以酯化/球磨2 h的淀粉制備的荷載姜黃素乳液，淀粉的可消化性更好，釋放特性佳，因此姜黃素的生物可利用度高。