基于靜電紡絲的不同來源淀粉與風味成分的纖維膜結構及負載效果

林秀賢，王 廣，李 偉，鄧伶俐，程 超

（湖北民族大學生物與食品工程學院，恩施 445000）

靜電紡絲是利用高壓靜電場，將高聚物溶液或熔融高聚物牽伸為納米或微米纖維的技術［1］，此技術制備的纖維膜可有效負載化合物，因此靜電紡絲在風味成分的可控和持續釋放、可調孔隙度和高負載能力方面取得了許多進步［2］。尤其是近年來利用天然可再生資源如蛋白質、淀粉為原料進行靜電紡絲的研究大大推動了此技術在食品和制藥工業中的應用［3］。如Karim 等［4］發現將玉米醇溶蛋白與肉桂醛制備成乳液，靜電紡絲后能有效負載肉桂醛。

淀粉是一種廣泛分布于自然界的可再生生物基多糖，具有優異的生物相容性和生物降解性［5］，因此以淀粉為原料采用靜電紡絲制備纖維膜也成為了研究熱點。如Kong 等［6］使用濕法靜電紡絲制備了平均直徑為2.60 μm的純淀粉纖維。Cárdenas等［7］用質量分數10%高直鏈馬鈴薯淀粉濕紡制備了平均直徑為15 ～25 μm的淀粉纖維。Lancuski 等［8］用高直鏈淀粉（直鏈淀粉質量分數約為70%）制備了80 ～300 nm的淀粉纖維。直鏈淀粉在靜電紡絲中起著重要作用，一般直鏈淀粉含量越高越易使淀粉分子糾纏，形成的纖維性能越好［9］，天然淀粉由于富含支鏈淀粉導致纖維間易粘連。

淀粉因其復雜多尺度結構對食品風味成分具有吸附、包埋、緩釋等作用［10］。不同來源淀粉會影響淀粉－風味物質的形成及風味物質負載效果，如高粱、莧菜、綠豆、木薯、大米淀粉等會影響風味物質的結構性質等［11－13］。風味分子性質如鏈長、結構、極性等均對淀粉－風味物質的形成有影響，Feng等［14］研究了C6 ～C9 的脂肪族醇類及芳香族醇類化合物與淀粉的相互作用，發現風味成分負載率隨鏈長的減小而增大，芳香族醇類的負載率低于脂肪族醇。

目前利用靜電紡絲制備淀粉纖維膜和淀粉負載風味成分均有報道，但將三者結合起來的研究卻鮮有報道。本研究以加工常用和特種淀粉如玉米、馬鈴薯和山藥淀粉為代表，利用靜電紡絲探討不同淀粉與風味成分形成纖維膜的特征和對風味成分的負載效果。天然淀粉難溶解和體系內強烈氫鍵作用，很難對天然淀粉進行成纖［15］，實驗也發現天然淀粉難以電紡成大塊完整的纖維膜。因此選擇PVP作為骨架基質，以具“青香”的3 種鏈式風味物質壬醛、E －2 －癸烯醛、（E，E）－2，4 －庚二烯醛和一種雜環化合物2 －正戊基呋喃為對象，制備纖維膜，以此來初步探討食品基質外淀粉與風味物質纖維膜的結構及淀粉種類對風味物質負載效果的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

聚乙烯吡咯烷酮，無水乙醇，無水硫酸鈉，氯化鈉，直鏈淀粉、支鏈淀粉（源于馬鈴薯）標樣，2 －甲基－3 －庚酮，壬醛，2 －正戊基呋喃，E －2 －癸烯醛，（E，E）－2，4 －庚二烯醛，馬鈴薯、玉米、山藥。

1.2 儀器與設備

JDF05 型靜電紡絲機，Regulus8230 掃描電子顯微鏡，Nicolet iS5 傅里葉紅外光譜儀，OCA20 頻接觸角測試儀，D8 Advance X射線衍射儀，Q20 差示掃描熱量儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 馬鈴薯、玉米、山藥淀粉的制備

馬鈴薯淀粉（Potato starch，PS）制備：馬鈴薯洗凈去皮后磨漿，200 目尼龍布過濾，蒸餾水洗滌濾渣多次，靜置6 h后，棄去上清液，反復洗滌沉淀至上清液無色，靜置過夜取沉淀，50 ℃烘干、粉碎，過200 目篩得馬鈴薯淀粉。

玉米淀粉（Corn starch，CS）制備：稱取干燥后玉米籽粒，用體積分數0.5%NaHSO3溶液浸泡，料液體積比1∶2，溫度50 ℃，浸泡時間36 h，期間不斷攪拌，而后棄浸泡液，用蒸餾水反復洗滌玉米籽，以1∶5 料液體積比比加蒸餾水，破壁機低速研磨后分離胚，而后將玉米乳液放入組織破碎機中高速研磨，過200目尼龍布取濾液靜置過夜，取沉淀，反復用蒸餾水洗滌沉淀3 次，50 ℃烘干得玉米淀粉。

山藥淀粉（Yam starch，YS）制備：同馬鈴薯淀粉。

1.3.2 馬鈴薯、玉米、山藥淀粉的形貌測量

光學顯微鏡觀測：配制質量分數為1%淀粉乳，取少量淀粉乳于載玻片上，蓋上蓋玻片，顯微鏡下觀察［16］，用目鏡測微尺測量淀粉顆粒大小。

1.3.3 馬鈴薯、玉米、山藥淀粉中直鏈淀粉含量測定

分別稱取100 mg 標準直鏈、支鏈淀粉于50 mL燒杯中，用1 mL 無水乙醇濕潤，加1 mol／L KOH 溶液9 mL 輕搖，沸水浴加熱10 min 后冷卻，用水定容至100 mL。分別吸取此直鏈、支鏈淀粉標準溶液6、24 mL，混合后備用。吸取混合標準溶液0.0、0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 mL置于50 mL容量瓶，加入0.09 moL／L 氫氧化鉀溶液補足至8.0 mL，再加入2 mL 1 mol／L乙酸溶液，碘試劑1 mL，用水定容至50 mL，靜置30 min 后分別測定427 nm（λ直參比）、630 nm（λ直最大）的吸光值，分別記為A427、A630，ΔA直＝A630－A427，以直鏈淀粉質量（μg）為橫坐標，ΔA直為縱坐標繪制標準曲線［16］。

樣品直鏈淀粉含量測定：分別稱取100 mg 石油醚脫脂后的玉米、馬鈴薯和山藥淀粉于50 mL 燒杯中，加1 mL 無水乙醇濕潤，再加9 mL 1 mol／L KOH溶液，燒杯口封膜，沸水浴加熱10 min 后迅速冷卻至室溫，加水定容至100 mL，分別取樣品溶液1.2 mL于50 mL容量瓶中按標準曲線的方法進行測定。

式中：C為由標準曲線計算的直鏈淀粉質量／μg；V1為樣品定容總體積／mL；V2為測定時取樣體積／mL。

1.3.4 PVP－淀粉－風味物質纖維膜的制備

根據表1 將不同淀粉與PVP混合，加入50 mg 4種風味物質（Flavor substances，FS）：E －2 －癸烯醛、壬醛、2 －正戊基呋喃和（E，E）－2，4 －庚二烯醛，與10 mL無水乙醇混合均勻。

表1 PVP－淀粉風味物質混合物溶液的配制

取10 mL注射器，前端針頭為直徑0.06 mm 的不銹鋼平頭點膠針，將表1 制備的溶液吸入注射器，將注射器裝入圖1 的靜電紡絲設備中，利用注射泵使注射器以20.0 mL／h速率推進，注射器針頭與轉鼓接收端距離為18 cm，轉鼓接收端轉速為200 r／min，濕度40% ～60%，溫度22 ℃，電壓15 kV，制備PVP －淀粉－風味物質纖維膜（長×寬×厚為20 cm ×24 cm×0.1 mm），已制備的纖維膜置于密封袋中低溫儲藏［1］。

圖1 靜電紡絲裝置示意圖

1.3.5 PVP－淀粉－風味物質纖維膜的結構表征

1.3.5.1 纖維直徑測定

取適量纖維膜，用導電膠粘于樣品臺上，真空噴金，掃描電子顯微鏡上觀察纖維膜形貌。工作電壓5 kV，工作距離6.5 ～7.5 mm。使用軟件Nano Measure 選取3 張放大倍數為1 000 倍的電鏡圖，每張圖隨機選取40 根纖維，統計纖維直徑，得出纖維平均直徑［17］。

1.3.5.2 傅里葉變換紅外光譜

取適量纖維膜進行傅里葉變換紅外光譜掃描，光譜分辨率4 cm－1，掃描范圍4 000 ～400 cm－1，掃描次數為32 次［18］。

1.3.5.3 X－射線衍射分析

將纖維膜剪成2 cm×2 cm片狀，利用X射線衍射儀測定，波長0.154 2 nm 的單色Cu －Kα 射線，管壓40 kV，管流40 mA，掃描區域2θ ＝4°～60°，步長0.02°，掃描速率為10（°）／min［19］。相對結晶度計算見公式。

式中：Ac為結晶區面積；Aa為無定形區面積。

1.3.5.4 熱特性分析

準確稱量4 mg 纖維膜，放入鋁坩鍋，密封，25 ℃下平衡24 h，將空白和樣品鋁坩堝放入差示掃描熱量儀中，溫度20 ～200 ℃，加熱速率10 ℃／min［20］。

1.3.5.5 接觸角測定

將樣品固定在載玻片上，以去離子水為探針溶劑，室溫測量［21］。

1.3.6 纖維膜對風味物質負載效果

采用氣相色譜－質譜檢測，稱取0.1 g 纖維膜，研磨均勻后，置于15 mL 頂空萃取瓶中，加入1 μL 2 －甲基－3 －庚酮內標液、體積分數10% NaCl、0.4 g Na2SO4，立即用聚四氟乙烯／硅橡膠隔墊密封，將65 μm PDMS／DVB纖維萃取頭50 ℃平衡20 min，推出萃取頭吸附50 min，于氣相色譜－質譜聯用儀進樣口解析5 min后測試。

測試條件：色譜柱為DB－5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）石英毛細管柱，載氣為He，流速1 mL／min，進樣口溫度250 ℃。升溫程序：初始溫度50 ℃，保持2 min，以10 ℃／min 升到200 ℃，保持1 min，再以2℃／min升到250 ℃，保持2 min；不分流進樣。質譜條件：接口溫度250 ℃；離子源溫度230 ℃；電子能量70 eV；質量掃描范圍30 ～450 amu，無溶劑延遲。

定性及定量分析：使用儀器自帶軟件對峰進行矯正與對齊，經NIST14 比對，以保留指數進行篩選［22］，風味成分含量計算見式（1），以纖維膜風味成分含量表示纖維膜對風味成分的負載效果，含量越高表示負載效果越好。

式中：C為纖維膜中風味成分含量／μg／g；Ci為2 －甲基－3 －庚酮質量／μg；S 為纖維膜風味成分離子峰面積；Si為2 －甲基－3 －庚酮離子峰面積；m為纖維膜質量／g。

1.4 統計分析

每組實驗重復3 次，采用IBM SPSS Statistics 26軟件對數據進行方差分析（ANOVA）和多重比較（P ＜0.05），利用Origin Pro9 與ChemDraw 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯、玉米、山藥淀粉的顆粒形貌

由圖2 可見，PS、YS 顆粒較大，呈卵圓形，都具有清晰的生長環；CS 呈不規則形。測量發現，PS 顆粒長軸長度為（45.35 ±4.28）μm，YS 為（31.22 ±2.51）μm，CS為（8.76 ±2.36）μm。

圖2 3 種淀粉的光學顯微鏡圖（×400 倍）

2.2 馬鈴薯、玉米、山藥淀粉中直鏈淀粉含量

由表2 可見，CS直鏈淀粉含量最高，YS的最低。

表2 3 種淀粉直鏈淀粉含量

2.3 PVP－淀粉－FS纖維膜的結構表征

2.3.1 纖維膜掃描電鏡結果分析

由圖3 可看出，PVP－淀粉纖維膜具有良好的形貌，表面光滑無珠節點，纖維直徑較大。PVP 纖維膜的纖維平均直徑為（560.3 ±95.4）nm。隨淀粉加入纖維膜直徑變大，PS －PVP 纖維直徑為（2 324.5 ±643.3）nm，大于CS、YS 與PVP 形成的纖維直徑，二者分別為（2 316.0 ±502.7）nm和（2 277.5 ±503.4）nm，結果與劉福紅［23］一致，可能是在PVP／淀粉共混體系中，等量的PS 紡絲液黏度略大于YS 和CS 的，靜電紡絲過程中較難被電場力拉伸細化因此形成的纖維直徑略粗［24］。此外，在PVP －淀粉中加入4 種風味物質后，3 種PVP －淀粉－FS 纖維膜的纖維直徑均出現明顯變化，CS、PS 與PVP、風味物質的纖維直徑顯著下降，但YS 的直徑顯著增加，這說明淀粉種類會影響PVP－淀粉－風味成分的纖維直徑［14］。

圖3 PVP－淀粉－FS纖維膜的掃描電鏡圖（×1 000）

2.3.2 纖維膜紅外掃描結果分析

淀粉紅外特征波段常在2 900 ～3 000、1 100 ～1 150、1 100 ～900 cm－1，分別對應C—H 鍵拉伸運動、C—O、C—C、C—O—H 鍵拉伸運動、C—O—H 彎曲運動［25］，淀粉纖維膜紅外圖譜中均具有以上淀粉分子的特征波段。PVP 紅外圖譜中（圖4），3 420 cm－1吸收峰較寬，為N—H 伸縮振動及吸收水分子的O—H伸縮振動，2 950、1 642、1 281、1 421 cm－1的吸收峰分別為C—H 伸縮振動、C ═O 伸縮振動、N—H彎曲振動、CH2振動鍵［26］，這與Karbownik等［27］報道的PVP纖維膜結構吸收峰相似。

圖4 PVP－淀粉－FS纖維膜的紅外掃描圖譜

淀粉－PVP 纖維膜紅外圖譜中，均出現了淀粉和PVP分子的特征波段，且3 420 cm－1峰向低頻遷移，但數值不大，可能是淀粉分子羥基與PVP羰基間形成了氫鍵［28］。風味物質、淀粉和PVP 纖維膜1 647 cm－1峰強度增大，而1 647 cm－1強吸收峰為H—O—H 伸縮振動峰［29］，說明淀粉分子、PVP 與風味物質之間形成了氫鍵［15］，此現象在PVP ＋PS ＋FS 和PVP ＋YS ＋FS 纖維膜中較明顯。

2.3.3 纖維膜X－射線衍射結果分析

由表3、圖5 可看出，PS、CS、YS 為典型的B 型、A型和C型結晶。當PVP與淀粉電紡時，淀粉晶體結構均會改變，纖維膜中保留了PVP 典型的X －射線的特征峰，但增加了32.2°左右的微弱衍射峰；風味物質不會影響淀粉－PVP 纖維膜X －射線衍射峰的位置，但均會使纖維膜結晶度增加，說明風味物質促使PVP－淀粉纖維膜形成了有序結構。

圖5 PVP－淀粉－FS纖維膜的X射線衍射圖

表3 PVP－淀粉－FS纖維膜的X－射線衍射

2.3.4 纖維膜差示掃描量熱結果分析

如表4 和圖6 所示，PVP 纖維膜起始、峰值和終止溫度分別為28.0、78.5、118.6 ℃，這與Aghamohamadi等［32］報道的相似；加入PS 與YS 后纖維膜峰值溫度降低，加入CS 后纖維膜峰值糊化溫度升高。加入風味物質后，PVP ＋PS ＋FS 峰值溫度與PVP ＋PS的相差不大，而PVP ＋CS ＋FS、PVP ＋YS ＋FS 峰值溫度與PVP ＋CS、PVP ＋YS的相差較大，但所有纖維膜峰值溫度都低于PVP 的，且焓變值均降低。可能是淀粉、風味物質破壞了PVP結晶結構，使其熱解峰值溫度和熱解所需能量均下降，這與王聞宇等［33］研究結果一致，但與2.3.3結晶度分析有差異，可能是因為影響DSC峰值溫度的因素除結晶度外，淀粉顆粒大小、直鏈淀粉含量、支鏈淀粉的鏈長等均有影響［34］。

表4 PVP－淀粉－FS纖維膜的熱特性參數

2.3.5 纖維膜接觸角分析

接觸角大小可評價淀粉與風味物質纖維膜的潤濕性能，由表5 可看出，水滴下的瞬間，纖維膜表面迅速溶解，說明此膜具有很高的親水性，這是由淀粉與PVP中大量羥基導致的［35］。與PVP纖維膜相比，PVP－淀粉、PVP－淀粉－FS 接觸角差異不大，均呈較強親水性。但PVP ＋YS ＋FS 接觸角與其他纖維膜差異明顯，3 s 內親水效果差于其他纖維膜，可能是由于YS 中直鏈、支鏈淀粉比例不同于PS 和CS［36］。此外隨接觸時間增加，接觸角逐漸減小，說明纖維膜逐漸溶于水中［37］，但PVP ＋YS ＋FS 在3 s內的水溶性較PVP ＋YS 略差一些，說明風味物質對PVP－YS 纖維膜造成了影響。此外PVP －YS －FS纖維膜與玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的有顯著差異。

2.4 纖維膜對風味成分的負載效果

不同纖維膜GC－MS測定的離子流圖見圖7，通過數據庫比對，發現纖維膜中均負載了4 種風味物質，但不同纖維膜中每種風味物質峰面積有差異。由表6可看出3種淀粉對鏈式揮發性成分負載效果優于雜環化合物的，針對雜環化合物，PS －PVP －FS 效果優于CS和YS的，本結果與Cevallos等［38］報道的客體分子極性、分子大小會影響負載效果的結果一致。針對鏈狀揮發性成分，PVP－YS －FS負載效果優于其他2種淀粉，尤其是E －2 －癸烯醛；但對（E，E）－2，4－庚二烯醛和壬醛而言，PS、CS 纖維膜效果相當，但PVP－YS－FS對整體風味物質負載效果最好。

圖7 PVP－淀粉－FS纖維膜的GC－MS總離子流圖

表6 PVP－淀粉－FS纖維膜風味成分質量分數／μg／g

3 結論

對3 種淀粉與PVP、風味物質形成的纖維膜結構進行了表征，并比較了這些纖維膜對不同風味成分的負載效果。通過實驗發現，天然淀粉與PVP 在質量比1∶5、4 種風味物質各50 mg、10 mL無水乙醇時，利用靜電紡絲技術可成功制備具有良好纖維形貌的PVP－淀粉－FS纖維膜。通過結構表征發現，3 種纖維膜纖維直徑為（2 277.5 ±503. 4）～（2 324. 5 ±643.3）nm，淀粉、PVP 與風味物質間可能以H 鍵形式結合，從而使纖維膜的有序性增加，PVP－PS －FS、PVP － CS － FS、PVP － YS － FS 結晶度分別為61.0%、62.8%和56.7%，峰值溫度分別為74. 9、72.5、74.1 ℃，3 s 時接觸角分別為（17.7 ±0.3）°、（9.2 ±0.0）°和（114.7 ±0.0）°。整體風味負載效果PVP－ YS － FS ＞PVP － CS － FS ＞PVP － PS － FS，PVP－YS － FS 風味物質負載最高可達8 925. 8 μg／g。