鄭 芬 龔 慧 宋曉燕 張 劍 任紅濤
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,鄭州 450002)
Pickering乳狀液是納米或微米級固體顆粒穩(wěn)定的乳狀液[1],固體顆粒稱為顆粒乳化劑。常用于穩(wěn)定Pickering乳狀液的固體顆粒有黏土、二氧化硅、氧化鋁和鈦氧化物等,但由于安全方面的原因,這些顆粒乳化劑在食品領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制[2]。糖類、蛋白類和脂質(zhì)類等兼具食用性的材料逐漸成為顆粒乳化劑研究的熱點(diǎn)[3, 4],其中,淀粉因其來源廣、價格低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[5-7]。
淀粉在自然界中分布廣泛,但不同植物來源的淀粉顆粒大小存在差異。大米淀粉的粒徑為3~8 μm,莧菜籽淀粉的粒徑為1~3 μm,屬于自然界發(fā)現(xiàn)的較小的淀粉顆粒[8]。淀粉顆粒大小對Pickering乳化液的穩(wěn)定性有重要影響。Li等[9]以大米、糯玉米、小麥和馬鈴薯淀粉為顆粒乳化劑穩(wěn)定Pickering乳狀液,結(jié)果表明,大米淀粉的乳化效果最佳,馬鈴薯淀粉的效果最差。Li等[10]研究了淀粉球晶、大米、糯玉米、糯馬鈴薯淀粉改性后的乳化性能,結(jié)果表明,較小的顆粒具有更好的乳化能力。Marefati等[11, 12]用辛烯基琥珀酸酐對大米、藜麥和莧菜籽淀粉進(jìn)行了改性,并研究了不同改性水平和淀粉濃度對乳狀液穩(wěn)定性的影響。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)辛烯基琥珀酸酐疏水化修飾的大米淀粉作為顆粒乳化劑,對Pickering乳狀液具有較好的穩(wěn)定作用,且可以抑制乳狀液中脂質(zhì)的氧化[13, 14]。
研究以顆粒小而粒度均勻的大米淀粉和莧菜籽淀粉為原料,制備辛烯基琥珀酸酐(octenyl succinic anhydride,OSA)疏水化修飾的淀粉微粒,構(gòu)筑Pickering乳狀液,通過對乳相體積、液滴粒徑分布、微觀結(jié)構(gòu)及流變學(xué)特性的研究來比較2種淀粉對乳狀液的穩(wěn)定效果,為其在食品及相關(guān)工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。
莧菜籽;岡優(yōu)188大米;葵花籽油;溴化鉀為色譜純;尼羅紅、尼羅藍(lán);其他化學(xué)試劑均為分析純。
TD5A臺式大容量離心機(jī),IKA T18 ULTRA-TURRA?高速分散機(jī),Nexus 670傅里葉紅外光譜儀,JSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡,DHR-1流變儀,RISE-2008激光粒度分析儀,F(xiàn)V1200激光掃描共聚焦顯微鏡。
1.3.1 淀粉的提取
莧菜籽淀粉的提取參考Villarreal等[15]的方法并略作修改。分別將粉碎后的大米和莧菜籽與NaOH溶液(0.5%)按1∶2.5混合,過膠體磨2次,然后將物料分裝于錐形瓶中,在35 ℃水浴搖床振搖16 h,振蕩結(jié)束后在4 000 r/min離心10 min并棄去上清液,刮去沉淀物中雜質(zhì)。剩余白色沉淀物分散于自來水中,用3% HCl調(diào)pH為6.5,離心、刮去雜質(zhì),重復(fù)水洗、離心2次,40 ℃烘箱中干燥24 h得到淀粉。
1.3.2 疏水化改性淀粉的制備
參考Song等[16]的方法并略作修改。準(zhǔn)確稱取60 g淀粉(干基)分散于140 mL蒸餾水中,反應(yīng)溫度35 ℃,用3%的NaOH溶液調(diào)節(jié)體系維持在pH 8.5。然后逐滴加入用無水乙醇稀釋的辛烯基琥珀酸酐(淀粉干基的5%),2 h內(nèi)加完,繼續(xù)反應(yīng)3 h。反應(yīng)結(jié)束后用3% HCl調(diào)至pH 6.5,離心棄上清液,沉淀物分別用蒸餾水和70%乙醇離心洗滌2次,40 ℃烘箱中干燥24 h得到OS-淀粉。
1.3.3 取代度的測定
取代度(Degree of substitution, DS)的測定采用滴定法。參考Song等[13]方法進(jìn)行測定,計算公式為:
式中:A為消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積/mL;M為NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度/mol/L;W為樣品的質(zhì)量/g。
1.3.4 傅里葉紅外光譜的測定
將淀粉樣品與KBr混合研磨并壓片,在400~4 000 cm-1波長范圍內(nèi)掃描。
1.3.5 粒徑的測定
采用激光粒度分析儀測定淀粉微粒和乳狀液的粒徑。以蒸餾水為介質(zhì),攪拌速率為900 r/min,循環(huán)泵速率為1 500 r/min。
1.3.6 掃描電鏡觀察淀粉的形態(tài)
將樣品均勻分散固定于導(dǎo)電膠上并進(jìn)行噴金處理,在2 000倍下觀察淀粉結(jié)構(gòu)并拍照。
1.3.7 乳狀液的制備
準(zhǔn)確稱取不同質(zhì)量的淀粉并分散于蒸餾水中,加入33%(相對于整個體系)葵花籽油,用高速分散器以11 000 r/min分散2.0 min,分別得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%的改性大米淀粉和改性莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液。制備不同油相濃度乳狀液時,固定淀粉加入量,分別加入25%、33%、50%、67%、75%的葵花籽油,用高速分散器以11 000 r/min分散2.0 min。
1.3.8 乳狀液穩(wěn)定性的表征
參考Song等[14]的方法并略作修改。將乳狀液分裝于25 mL帶刻度試管中,分別在6 h和1、7、14 d觀察乳狀液中析出水的體積,在4個月時拍照記錄乳狀液穩(wěn)定情況。
1.3.9 乳狀液微觀結(jié)構(gòu)觀察
采用激光共聚焦顯微鏡觀察乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)。取一滴乳狀液于帶凹槽的載玻片上,滴加混合染料并蓋上蓋玻片,然后在488、633 nm的激發(fā)波長下掃描采集圖像?;旌先玖嫌僧惐既芙獾哪崃_紅(0.01%)和超純水溶解的尼羅藍(lán)(0.01%)進(jìn)行等體積混合而得到。
1.3.10 乳狀液流變特性的測定
采用流變儀進(jìn)行測定,測定項(xiàng)目包括靜態(tài)流動掃描和動態(tài)振蕩掃描,靜態(tài)流動掃描的剪切速率為0.01 ~ 1 001/s。動態(tài)振蕩掃描實(shí)驗(yàn)之前,先對乳狀液樣品進(jìn)行振蕩振幅掃描以確定線性黏彈區(qū)。實(shí)驗(yàn)參數(shù):頻率為1.0 Hz、振幅應(yīng)變?yōu)?.01%~10%。振蕩頻率掃描時設(shè)置振幅應(yīng)變?yōu)?.1%,頻率為10.0~0.01 Hz,從高頻率向低頻率掃描。進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)均設(shè)定環(huán)境溫度為25 ℃,使用的平板夾具直徑為40 mm,平板間距設(shè)置為1 000 μm,樣品裝載后靜止2.0 min,待樣品回復(fù)后再進(jìn)行測試。
1.3.11 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)平行測定3次,采用Origin 2018作圖;用SPSS19.0軟件Duncan′s多重比較進(jìn)行方差分析,顯著性水平為P<0.05。
由表1知,大米改性淀粉和莧菜籽改性淀粉的取代度分別為0.024和0.026。大米原淀粉粒徑范圍為3.70~11.89 μm,改性之后粒徑變化不大。與大米淀粉比較,莧菜籽淀粉具有較小的D10、D50、D90和Dav,其粒徑范圍為0.83 ~ 2.21 μm,改性之后粒徑為1.17~7.72 μm,略有增加,這是因?yàn)镺SA疏水化改性主要發(fā)生在淀粉顆粒表面,莧菜籽淀粉由于顆粒較小,改性之后易于聚集。
表1 大米淀粉和莧菜籽淀粉的粒徑分布
圖1 原淀粉和改性淀粉的紅外光譜圖
由圖2知,OS-莧菜籽淀粉比OS-大米淀粉顆粒小,與表1結(jié)果一致。疏水化改性之后,淀粉顆粒表面光滑,個別淀粉表面出現(xiàn)孔洞,但顆粒完整,淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)沒有被破壞。這是由于辛烯基琥珀酸酐在水中溶解性較低,酯化反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉顆粒表面,而不破壞淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)[17]。因此,疏水化改性之后的淀粉可以作為顆粒乳化劑。
圖2 淀粉的掃描電鏡圖
不同淀粉濃度對乳狀液穩(wěn)定性的影響見表2,隨著OS-大米淀粉和OS-莧菜籽淀粉濃度的增加,乳狀液穩(wěn)定性增強(qiáng),在淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時,OS-大米淀粉不足以穩(wěn)定乳狀液,有油滴析出,因?yàn)轶w系中油不能完全被淀粉包裹。而OS-莧菜籽淀粉在0.5%~4.0%范圍內(nèi)均能穩(wěn)定乳狀液,并且顯示出比大米改性淀粉更好的乳化能力。由表3知,隨著淀粉濃度的增加,乳狀液液滴粒徑減小,且OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液的平均粒徑變化幅度比OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的粒徑大。
表2 不同淀粉濃度對Pickering乳狀液穩(wěn)定性的影響
表3 不同淀粉濃度對Pickering乳狀液液滴粒徑的影響
不同油濃度對乳狀液穩(wěn)定性的影響見表 4,隨油相濃度的增加,乳狀液中析水體積減少;油相濃度相同的乳狀液,在放置相同時間后,OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液均比OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液析出的水量少。由表5可知,當(dāng)油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%、33%時,OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液和OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的Dav變化范圍為77.77~83.01 μm;油相濃度繼續(xù)增加時,OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液粒徑顯著增加,但OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的粒徑變化不大??赡芤?yàn)榍{菜籽改性淀粉顆粒較小,乳狀液的穩(wěn)定性更好[18]。
表4 不同油濃度對Pickering乳狀液穩(wěn)定性的影響
表5 不同油濃度對Pickering乳狀液液滴粒徑的影響
為4.0%疏水化改性淀粉微粒穩(wěn)定的乳狀液的微觀結(jié)構(gòu),淀粉微粒吸附于油水界面,阻止油滴的聚集,并且由于OS-莧菜籽淀粉具有較小的顆粒,比OS-大米淀粉吸附層更均勻和致密。從微觀上解釋了大米改性淀粉和莧菜籽改性淀粉穩(wěn)定的乳狀液性能存在的差異。
圖3 乳狀液CLSM微觀結(jié)構(gòu)圖
由圖4可見,隨著剪切速率在0.01~100 1/s范圍的增加,2種改性淀粉穩(wěn)定的乳狀液的黏度先迅速減少,然后趨于平穩(wěn),表現(xiàn)出剪切稀化行為,這表明淀粉微粒穩(wěn)定的Pickering乳狀液屬于假塑性流體[13,19]。乳狀液中液滴的大小、連續(xù)相黏度及組成等都將影響乳狀液的流變學(xué)特性,OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液比OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液的黏度大,這可能是由于同體積乳狀液中,OS-莧菜籽淀粉比OS-大米淀粉的數(shù)目更多,故黏度更大。
注:淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.0%,油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%。圖4 乳狀液的靜態(tài)剪切流變圖
由圖5可見,在0.01~10 Hz范圍內(nèi)改變振蕩頻率,OS-大米淀粉和OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)均不變,表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的G′比OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液的高,這是由于OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液液滴的包裹率更高,故其抗形變的能力更強(qiáng)。OS-大米淀粉和OS-莧菜淀粉穩(wěn)定的乳狀液的Tan δ值(Tan δ= G″/ G′)均小于1,這說明2種改性淀粉乳狀液體系均表現(xiàn)有類似膠體的行為[13]。OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的Tan δ值比OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液的Tan δ值更低,這可能與2種淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)及乳狀液液滴的大小有關(guān)。
注:淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.0%,油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%。圖5 乳狀液的振蕩頻率掃描圖
比較了辛烯基琥珀酸酐疏水化改性大米淀粉和莧菜籽淀粉微粒穩(wěn)定的Pickering乳狀液的性質(zhì)。在相同制備條件下,改性莧菜籽淀粉穩(wěn)定的Pickering乳狀液具有更好的穩(wěn)定性。疏水化改性淀粉微粒均勻包裹于油滴表面,阻止油滴的聚集,穩(wěn)定乳狀液體系。2種淀粉微粒穩(wěn)定的Pickering乳狀液均表現(xiàn)出剪切稀化行為,且剪切過程中改性莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的黏度比改性大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液的大。2種淀粉微粒穩(wěn)定的乳狀液的Tan δ值均小于1,表現(xiàn)有類似膠體的行為,且改性莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的G′更高、Tan δ更小。