疏水改性淀粉基皮克林乳化液在乳化肉糜制品中的應用前景

周鳳超，楊慶余，林國榮，方超逸，李丹，鄧仕彬，王麗霞

1(莆田學院 環境與生物工程學院，福建 莆田，351100)2(沈陽師范大學 糧食學院，遼寧 沈陽，110034)

近年來，西式肉制品中的乳化肉糜制品(香腸、乳化腸、火腿腸等)產量逐年上升，消費者對此類肉制品的品質要求也越來越高。乳化肉糜制品加工過程中肉糜內的脂肪類物質與肌肉蛋白質，主要為肌原纖維蛋白(myofibrillar protein，MP)，能夠形成良好的乳化效果，加熱后形成穩固且具有彈性的凝膠，對產品的質量和風味具有良好的改善作用[1-2]。但人體攝入過多的動物脂肪對健康無益[3]，因此在肉糜制品中添加淀粉及植物油脂替代動物脂肪已得到了廣泛的應用[4-5]。淀粉水溶液經加熱、糊化、冷卻后也能夠形成凝膠，在肉糜制品中可與MP形成復合凝膠，對產品的凝膠特性具有增強作用。然而，淀粉的天然親水性質限制了其與脂類良好的結合，進而限制其在乳化肉糜制品中的應用。因此，通過改性處理在淀粉分子中引入親油的疏水基團使其兼具親水和親油的雙重特性，并具有穩定水包油(O/W)型乳化液的能力，有助于淀粉在食品中尤其是肉糜制品中的應用[6]。

目前，關于食品顆粒物穩定皮克林(Pickering)乳化液的研究越來越多。Pickering乳化液由固體小顆粒穩定，即通過顆粒對油水兩相的雙重潤濕作用使乳化液滴達到穩定。食品顆粒物相比于傳統乳化劑具有更強的抗聚集性，可以在乳化液滴間形成空間屏障防止液滴聚集。食品類乳化液中，可食用的顆粒乳化劑包括殼聚糖、纖維素納米晶體、脂肪晶體以及蛋白質等[6]。研究表明，在Pickering乳化液中，淀粉也可以作為顆粒穩定劑[7]。由于天然淀粉顆粒不具有疏水性且乳化能力較弱，因此在乳化過程中不易吸附到油水界面，但可以利用辛烯基琥珀酸酐改性天然淀粉顆粒來提高其疏水性，從而改善其乳化能力[8]。

辛烯基琥珀酸酐(ocentyl succinic anhydride，OSA)屬于鏈烯基琥珀酸酯的一種，鏈烯基琥珀酸酯(結構式如圖1所示)結構中的R基基團可以是烷基、烯基、芳烷基或芳烯基，也可以是含有5～18個碳原子的親脂鏈。在生物大分子乳化劑中，辛烯基琥珀酸淀粉酯(octenyl succiniate starch，OS-Starch)是公認的安全的乳化劑，當改性程度小于3%(改性劑使用量低于淀粉干基質量的3%)時，其具有無味、無色、低成本、無致敏成分的特點[9]。OS-Starch在高黏度、高油含量的調味品中可作為優良的穩定劑，在焙烤食品中具有乳化和保濕作用，在酸乳和沙拉醬中可起增稠和乳化的作用。而在乳化肉糜制品中還未見以OS-Starch作為乳化劑或品質改良劑的應用[10]。本文對OS-Starch的制備和以此種疏水改性淀粉穩定的Pickering乳化液特性進行綜述和分析，對OS-Starch制備的Pickering乳化液在乳化肉糜制品中的應用前景進行了分析和展望。

圖1 辛烯基琥珀酐酯結構式Fig.1 Structural formula of alkenyl succinate

1 OS-Starch的制備

商業生產的OS-Starch產品名稱為純膠，是以天然淀粉為原料，通常在溫和的堿性水溶液中與OSA發生酯化反應得到的疏水改性淀粉。其在水包油型乳濁液中有特殊的乳化穩定性，現已廣泛應用于食品、化工等領域。圖2為OS-Starch的制備過程。淀粉分子葡萄糖單元的C-2、C-3和C-6位置上的羥基基團可以在NaOH存在下被OS基團取代發生酯化反應[11]，疏水的OS基團結合到天然淀粉的親水結構中，將淀粉轉化為具有改善表面活性性能的兩親性顆粒。

不同顆粒度大小的天然淀粉均可通過改性處理制備OS-Starch，如大顆粒淀粉(30～100 μm)(馬鈴薯淀粉)、中等顆粒淀粉(5～30 μm)(木薯淀粉，玉米淀粉)、小顆粒淀粉(2～10 μm)(燕麥淀粉，大米淀粉)、極小顆粒淀粉(0.3～2 μm)(藜麥淀粉，莧菜淀粉)等[7-13]。目前，很多學者對以天然淀粉制備OS-Starch的工藝條件進行了研究。MAREFATI等[11]利用大米、莧菜和藜麥淀粉制備OS-Starch，具體條件為32 ℃、pH 8.2～8.4、20%的淀粉水溶液中加入0.6%、1.2%、1.8%、2.4%和3.0%(淀粉干基質量)OSA反應90～120 min。其中在0.6%～2.4%的OSA添加量下，藜麥淀粉的反應效率(reaction efficiency，RE)和取代度(degree of substitution，DS)相對較高，其次為莧菜淀粉和大米淀粉。SONG等[7]對小麥、大米、馬鈴薯及蠟質玉米淀粉進行疏水改性處理，反應條件：35 ℃、pH 8.4、30% 的淀粉水溶液中添加5%(淀粉干基質量)的OSA并反應5 h。DS值分別為：蠟質玉米淀粉0.026 0、大米淀粉0.024 7、馬鈴薯淀粉0.021 7及小麥淀粉0.017 1。

CHEN等[14]對玉米淀粉進行水預熱處理后(48.0、52.0、57.0、60.0和62.0 ℃)與OSA進行酯化反應，反應條件：35%淀粉水溶液、OSA添加量3%(淀粉干基質量)、35 ℃、pH 8.0～8.5反應3 h，結果表明，水熱預處理顯著提高了OS-Starch的DS值和RE值，預處理溫度越高，OSA越能深入淀粉顆粒內部。ZHANG等[15]在室溫條件下，利用球磨機將秈稻淀粉活化處理，再與OSA進行酯化反應，球磨機處理25 h，淀粉的酯化反應RE值由原淀粉的54.6%提高到了90.4%。THIRATHUMTHAVORN等[16]用HCl溶液處理木薯和大米淀粉后與OSA進行酯化反應，得到的木薯、大米改性淀粉DS值分別為0.013 7和0.012 8。

圖2 淀粉與OSA的反應Fig.2 The reaction of starch and OSA

2 疏水改性淀粉基Pickering乳化液

2.1 Pickering乳化液概述

由固體小顆粒穩定的乳液稱為Pickering乳化液，固體小顆粒的穩定性可以賦予這種乳液獨特的物理、化學和功能特性。依靠表面疏水性，固體小顆粒可吸附在油水界面上，穩定水中的油或油中的水，使乳化液達到良好的乳化效果[11]。在乳化液中，固體顆粒的粒徑通常比乳液液滴一個數量級小，顆粒越小則其穩定的液滴直徑越小，如：固體顆粒達到納米尺寸時，其穩定的液滴直徑可小至幾微米。顆粒穩定劑吸附在油水界面形成穩定的乳化液后，需要較大的解吸能才能將其穩定性破壞，因此相比于表面活性劑，固體顆粒在油水界面的吸附可以認為是不可逆的[17]。固體顆粒作為穩定劑在皮克林乳化液中需具備一定的潤濕性，且在油水兩相中都不互溶，而OS-Starch顆粒具備這樣的性質，在O/W型Pickering乳液中可作為顆粒穩定劑[18]。OS-Starch的油水兩親性使其表現出良好的表面活性，OS基團將OS-Starch分子帶入油水界面，同時淀粉分子中支鏈淀粉主鏈可通過空間穩定機制對乳液液滴形成保護，避免絮凝[6]。

近年來，利用淀粉作為顆粒穩定劑穩定的Pickering乳液具有獨特的特性和潛在的技術應用，引起了人們的廣泛研究興趣[19]。MAREFATI等[11]對莧菜、藜麥和大米淀粉顆粒進行疏水改性處理后制備Pickering乳化液，OSA處理水平3.0%、淀粉與油比例為4∶5(質量比)時，3種OS-Starch穩定的Pickering乳液液滴平均粒徑在8.15～26.0 μm。LI和RAYNER等[20-21]報道，粒徑為1.4 μm的OS-藜麥淀粉穩定的Pickering乳液液滴粒徑為9.0～7 0 μm，貯存7 d后，乳液液滴尺寸無顯著差異，表明其乳液穩定性較高。SAARI等[22]研究指出，由OS-燕麥淀粉和OS-蠟質大麥淀粉穩定的Pickering乳液液滴粒徑<10 μm，且OS-Starch顆粒尺寸的減小可以提高乳化指數，減小乳液的液滴尺寸。這些研究結果表明，OS-Starch顆粒大小對其乳化能力有重要影響，并且較小粒徑的OS-Starch顆粒具有較好的穩定油滴的能力。

2.2 OS-Starch皮克林乳化液的特性

淀粉是具有天然親水性質的大分子有機物，與OSA發生酯化反應后在淀粉分子中引入了疏水性的烯基長碳鏈，酯化后分子中既含有親水基團(如—COOH)又含有疏水的OS基團。在油水乳濁液中，OS-Starch的—COOH深入水中、烯基碳鏈深入油中，在油水相界面處能夠形成一層薄膜，阻止分散相顆粒間的相互聚集或分離，使水包油型乳濁液穩定的存在，因而OS-Starch具有穩定乳液的能力，可作為一種乳化劑[6，23]。

SONG等[7]利用不同顆粒大小的大米淀粉(2.9～7.6 μm)、糯玉米淀粉(9.3～25.0 μm)、小麥淀粉(11.4～33.7 μm)和馬鈴薯淀粉(24.4～54.1 μm)與OSA進行酯化反應制備OS-Starch，并考察4種OS-Starch制備Pickering乳化液的乳化特性，通過激光共聚焦掃描顯微鏡(confocal laser scanning microscope, CLSM)的觀察發現，OS-Starch顆粒沿乳化液中的油滴球面密集排列形成壁狀結構，阻止了油滴自由移動。此外，儲存過程中，含有OS-大米淀粉(粒徑范圍：24.2～83.6 μm)和OS-糯玉米淀粉(粒徑范圍：32.8～121.4 μm)的乳液具有相對較小的液滴尺寸，而用OS-小麥淀粉(粒徑范圍：48.5～117.4 μm)和OS-馬鈴薯淀粉(粒徑范圍：56.8～107.7 μm)制備的乳液液滴相對較大；通過對OS-Starch顆粒和乳液液滴分析結果表明：OS-Starch粒徑與乳液穩定性呈負相關，含有OS-大米淀粉、OS-糯玉米淀粉和OS-小麥淀粉顆粒的乳液相比含有OS-馬鈴薯淀粉顆粒的乳液更穩定，具有OS-大米淀粉顆粒的乳液具有最小的平均液滴尺寸(83.6 μm)和最佳的穩定性。

MAREFATI等[11]考察不同OSA處理水平下(0.6%、1.2%、1.8%、2.4%和3.0%)大米、莧菜和藜麥淀粉制備Pickering乳化液的乳化特性，認為OS-Starch的乳化能力取決于取代程度、淀粉顆粒的大小和乳化液中淀粉與油的比例以及淀粉中蛋白質含量；同種類型淀粉和相同淀粉與油比例條件下，OSA處理水平越高，乳液液滴粒徑越小、乳化液液層厚度越高；3種OS-Starch中，OS-藜麥淀粉的乳化效果一般最好，其次是OS-莧菜淀粉和OS-大米淀粉，且小顆粒淀粉(藜麥、莧菜)具有相對較好的穩定乳液的能力；由于藜麥淀粉的蛋白質含量(0.687%)高于莧菜(0.112%)和大米淀粉(0.328%)，而高蛋白質含量增加了淀粉顆粒的疏水性，使藜麥淀粉顆粒對油水界面的吸附能力更強；此外，當乳化液中淀粉與油的比例大于2∶5(質量比)、3.0%OSA處理水平時，OS-莧菜淀粉的平均粒度最小、乳化效果最好。

YU等[19]制備不同取代度(0.009、0.018、0.024、0.029、0.032)的OS-芋頭淀粉，考察不同DS值的OS-木薯淀粉作為顆粒穩定劑對Pickering乳化液穩定性和液滴尺寸的影響，經OSA處理后的OS-芋頭淀粉顆粒在空氣-水界面的接觸角從38.8°顯著增加到70.1°，這有利于OS-芋頭淀粉顆粒在油水界面上的吸附，DS值的增加提高了OS-芋頭淀粉顆粒的乳化能力、降低了乳液液滴尺寸，能夠使更多的淀粉顆粒吸附和包裹在油-水界面上，DS≥0.018的OS-芋頭淀粉制備Pickering乳液在20 ℃、儲存30 d后仍非常穩定。

這些研究結果表明，OS-Starch的乳化能力與淀粉的種類、顆粒大小、組成成分、OSA處理水平和取代度關系密切，在Pickering乳液中OS-Starch通過分子中的疏水基團與油滴之間發生了相互作用，有效穩定了分散在乳化液中的油滴。因此，疏水改性淀粉基皮克林乳化液在O/W、乳化型食品中具有廣泛的應用前景。由于OS-Starch良好的乳化特性和對乳化體系優良的穩定能力，目前已作為食品添加劑廣泛應用于食品領域，如乳化香精、調和油、色拉油、焙烤食品、冰淇淋等[10]。

3 OS-Starch皮克林乳化液在乳化肉糜制品中的應用前景

3.1 乳化肉糜概述

乳化肉糜通常是由瘦肉、肥膘、非肉蛋白、淀粉、食鹽和水等組成的混合體系。在對原料肉進行絞碎和斬拌時，肌肉中的功能性物質如MP從肌肉中溶出并溶解于混合體系的鹽溶液中，在保持一定黏度的同時將脂肪球包裹于MP的網絡結構中，形成穩定的乳化物。在這一混合體系中，細小的脂肪球為分散相，蛋白質鹽溶液為連續相，形成了水包油型(O/W)的乳化體系。由于MP中的氨基酸殘基同時具有極性和非極性，它們通過親水和疏水性將水和油連接，降低了兩相的表面張力，具有一定的乳化作用[24]。在該系統中MP充當乳化劑，它與脂肪的乳化結合是保證肉糜穩定的重要因素。

乳化肉糜類制品中，MP是形成凝膠的基礎，MP凝膠網絡結構對產品的質構、持水性和持油性具有重要的影響[25]。蛋白質凝膠的形成機制為肌肉蛋白在加熱條件下發生變性、蛋白質的網絡結構伸展，內部基團如疏水基團和巰基等暴露，然后這些基團通過疏水作用、靜電作用、二硫鍵及氫鍵等相互聚集、交聯，形成三維網狀凝膠體[26]。因此，提高MP的功能特性對乳化肉糜類制品的生產與發展具有重要的作用，尤其是MP的乳化和凝膠作用。

為了改善MP的乳化和凝膠特性，許多學者利用改性淀粉(醋酸酯化馬鈴薯淀粉、交聯酯化馬鈴薯淀粉、氧化馬鈴薯淀粉、交聯酯化木薯淀粉、羥丙基木薯淀粉等)與MP相互作用考察淀粉-MP復合物的乳化和凝膠特性，結果顯示，改性淀粉相比于原料淀粉對MP的乳化和凝膠特性有較好的改善作用，并在腸類制品中添加不同類型的改性淀粉，取得了良好的應用效果[27-29]。淀粉改善MP乳化和凝膠特性的機理在于淀粉與MP在乳化體系中的相互作用，淀粉和MP作為高聚物分子具有較長的分子鏈，在分子鏈上分布了大量的親水和親油基團，均可以吸附在脂肪球液滴表面，形成有效的液滴保護層。液滴保護層在液滴表面形成一定的靜電斥力和空間位阻，使界面張力降低，同時又能夠使液滴表面形成較厚的吸附層增大液面黏度，使淀粉-MP乳化體系保持良好的穩定性。進而在形成復合凝膠的過程中淀粉凝膠能夠有效地填充于MP三維網狀凝膠內部，改善了凝膠質構、持水性以及流變學特性，優化了凝膠水分組成。改性淀粉相比于原料淀粉具有更加良好的功能特性(如：糊化特性、親油性、凝膠性等)，使改性淀粉-MP復合物表現出了更好的乳化和凝膠特性，在肉糜制品中應用有效改善了產品的理化及感官特性[29-32]。目前，具有良好乳化性能的OS-Starch及其制備的皮克林乳化液在乳化肉糜類制品中的應用還未見報道。

3.2 OS-Starch皮克林乳化液在乳化肉糜制品中的應用前景

乳化肉糜類制品的最終形式大多是MP主導的復合凝膠，而淀粉作為重要的添加配料在MP三維凝膠網絡中能否有效的填充、以及與MP相互作用的效果受自身特性地影響。特別是在肉糜乳化體系中，淀粉的乳化特性能否與MP形成更好的增效作用尤為重要，這決定了最終形成的復合凝膠以及肉糜產品品質(如：凝膠強度、彈性，產品的保水、保油性等)的優劣。

王家豪[6]利用大米淀粉制備了改性程度3%(OSA使用量為淀粉干基質量3%)的OS-大米淀粉，以OS-大米淀粉為顆粒乳化劑(添加量0.25%、0.5%、0.75%、1.0%)與1%MP及20%葵花籽油共同均質得到OS-大米淀粉-MP復合乳化液，同時以表面活性劑吐溫80(1%)代替OS-大米淀粉制備傳統小分子乳化液作為對比。結果表明，OS-大米淀粉通過與MP分子頭部作用優先吸附于油水界面，且淀粉分子中的負離子基團與MP通過靜電相互作用降低了乳化液電勢，從而使均質后的乳化液滴粒徑更小。因此，OS-大米淀粉的添加顯著提高了MP乳化液的穩定性和乳化活性。此外，又進一步利用不同OS-大米淀粉濃度(0.25%、0.5%、0.75%、1.0%)的皮克林乳化液及1%吐溫80分別與2%的MP制備復合凝膠并考察其特性。結果表明，相比于傳統小分子乳化液，OS-大米淀粉皮克林乳化液的添加進一步促進了淀粉-MP-水分子間的相互作用、增強了MP凝膠網絡結構，復合凝膠的凝膠強度、彈性和持水性隨OS-大米淀粉濃度的提高均有顯著的增強，且凝膠的羰基含量隨OS-大米淀粉濃度的提高顯著降低，說明蛋白的氧化得到了抑制?？赡苁怯捎贠S-大米淀粉皮克林乳化液具有更好的穩定性，淀粉顆粒對油滴的包裹隔絕了氧氣，從而降低了氧化程度。

綜上所述，各種植物來源淀粉制備的OS-Starch均表現出良好的乳化特性，尤其是小顆粒OS-Starch在皮克林乳化液中能夠更好的穩定乳化體系。在MP乳化液中，OS-Starch顆粒與MP分子通過相互作用產生更強的乳化效果為形成更好的復合凝膠奠定了基礎。這些研究結果均說明OS-Starch皮克林乳化液可作為新型淀粉基顆粒乳化劑在乳化肉糜產品中應用，并能進一步提高產品的品質。

4 結語與展望

OS-Starch皮克林乳化液在諸多食品領域都發揮了其獨特的優勢和重要的作用，而在肉制品領域應用很少，但通過對OS-Starch皮克林乳化液的研究為其在乳化肉糜制品中的應用提供了良好的理論依據和試驗基礎。在提高MP功能特性、尤其是進一步改善MP的乳化和凝膠特性方面更應考慮OS-Starch的顆粒大小和疏水特性產生的影響，并深入研究小顆粒疏水改性淀粉與MP相互作用的機理。

此外，隨著低脂乳化型肉糜制品的產量逐年上升，對此類肉制品的產品質量要求也越來越高，而MP作為肉糜制品原料中重要的功能性蛋白質，其乳化和凝膠特性對產品的品質和質構特性會產生直接影響。同時，產品配料中的脂肪替代物對MP的乳化和凝膠特性是否有良好的促進和改善作用也直接影響了產品的質量。因此，選擇更加適合替代脂肪的OS-Starch對于低脂肉糜制品的生產與發展具有重要的作用。通過研究小顆粒OS-Starch制備皮克林乳化液的特性以及此類改性淀粉作為脂肪替代物參與MP乳化、凝膠的過程，從中選擇更加良好的疏水改性淀粉基脂肪替代物，即有助于開發新型淀粉基顆粒乳化劑，同時對提高乳化肉糜制品的品質和市場競爭力具有重要意義。