辛烯基琥珀酸麥芽糊精酯的精制及乳化性質(zhì)

黃立新 杜鵬 尹壽偉 農(nóng)立忠 張元超，

(1.華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州華糖食品有限公司，廣東 廣州 510760)

辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSAS)是淀粉與辛烯基琥珀酸酐(OSA)在堿性條件下經(jīng)酯化反應(yīng)制得的一類淀粉衍生物。淀粉分子在反應(yīng)中引入了親水性的羧基和疏水性的烯基長鏈基團(tuán)，表現(xiàn)出了良好的表面活性[1]。近年來，OSAS憑借較低廉的價格和優(yōu)異的乳化作用廣受歡迎，成為了變性淀粉領(lǐng)域中研究、開發(fā)與生產(chǎn)的熱點。Lin等[2]研究表明，在OSA改性玉米淀粉形成的穩(wěn)定化乳液中，β-胡蘿卜素的生物有效性顯著提高。Yu等[3]將OSA改性的蠟質(zhì)玉米淀粉用于姜黃素的包埋，發(fā)現(xiàn)姜黃素在水中的溶解度提高了約1 670倍。但是，OSAS在一些應(yīng)用中也存在缺點。首先，天然淀粉的顆粒特性使得OSAS冷水不溶，一般需要經(jīng)過糊化才能用于食品加工系統(tǒng)，嚴(yán)重影響了其表面活性[4]。第二，OSAS的臨界聚集濃度(CAC)隨淀粉分子量的升高而增大，意味著需要提高OSAS的用量來實現(xiàn)與目標(biāo)分子的相互作用，將導(dǎo)致乳液體系黏度變大，影響所應(yīng)用食品系統(tǒng)的質(zhì)構(gòu)，特別是低黏度食品的質(zhì)構(gòu)會發(fā)生重大變化[5]。第三，未降解的OSAS溶液黏度較高，做不到“高濃低黏”，噴霧干燥較難，不太適用于微膠囊等用途[6]。

麥芽糊精是淀粉的酶解產(chǎn)物，水溶性高，在高濃度下表現(xiàn)出非牛頓流體的性質(zhì)，具有一定的乳化性、較好的粘附性和成膜性[7]。其相對分子質(zhì)量遠(yuǎn)低于天然淀粉，也容易被OSA修飾[8]。麥芽糊精與OSA反應(yīng)制得的辛烯基琥珀酸麥芽糊精酯，具有冷水可溶、高濃低黏等特點[5]。辛烯基琥珀酸麥芽糊精酯(OSDE)可采用乙醇的有機(jī)溶劑體系進(jìn)行制備，也可采用水相法來制備[9]。在反應(yīng)過程中，體系pH不斷下降，需要流加堿保持微堿性。反應(yīng)結(jié)束后，體系除OSDE產(chǎn)物外還含有OSA水解物、氯化鈉等各種水溶性雜質(zhì)，需經(jīng)過精制純化、過濾、沉淀洗滌、干燥等工藝步驟，才能得到高純度的OSDE產(chǎn)物。制備的OSDE產(chǎn)物取代度越高，OSA用量越大，體系中加入的堿越多，雜質(zhì)也越多，純化就顯得尤為重要。本研究采用乙醇沉淀洗滌法、離子交換法、膜分離法等3種方法精制OSDE粗產(chǎn)物，比較探尋最好的精制方法，得到高品質(zhì)OSDE制品；以掃描電鏡(SEM)和紅外光譜(FT-IR)表征純化OSDE產(chǎn)物形貌和基團(tuán)變化，并與常用于食品微膠囊壁材的阿拉伯膠比較，測定其流變與乳化性質(zhì)，為OSDE和其他淀粉酯類物質(zhì)的精制及OSDE作為昂貴的阿拉伯膠的替代品提供了積極的指導(dǎo)作用。

1 實驗材料、方法

1.1 材料與試劑

麥芽糊精(DE值12.3)，廣州雙橋股份有限公司生產(chǎn)；OSA(分析純)，杭州中香化學(xué)有限公司生產(chǎn)；阿拉伯膠(食品級)，英國AGRISALES有限公司生產(chǎn)；001×7(732)強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂、201×7(717)強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂，杭州爭光樹脂有限公司生產(chǎn)；Z型層析柱，上海精科實業(yè)有限公司生產(chǎn)；氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇、硝酸銀、酚酞等化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PHS- 3C型精密pH計，上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；DDS- 307A型電導(dǎo)率儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；AD- 4715型快速水分測定儀，日本島津公司生產(chǎn)；Ro-UF4010型實驗用膜分離裝置，上海亞東核級樹脂有限公司生產(chǎn)；WAY- 2W型阿貝折光儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；S3700型掃描電子顯微鏡，日本日立公司生產(chǎn)；NICOLET6700型傅里葉紅外光譜儀，美國THERMO NICOLET公司生產(chǎn)；RS600型哈克旋轉(zhuǎn)流變儀，德國HAAKE公司生產(chǎn)；FA25型實驗室高剪切分散乳化機(jī)，上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)；OLYMPUS-BH2型多功能光學(xué)顯微鏡，日本OLYMPUS公司生產(chǎn)。

1.3 方法

1.3.1 辛烯基琥珀酸糊精酯的制備

麥芽糊精用去離子水配成30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的溶液，35 ℃下水浴，用2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaOH溶液調(diào)節(jié)體系pH至8.5～9.0，再加入3倍乙醇稀釋的相對麥芽糊精干重1%～9%的OSA，反應(yīng)過程中不時流加適量的堿液保持體系的pH，制備不同取代度的OSDE。當(dāng)體系pH值穩(wěn)定不變后，用1 mol/L的鹽酸將體系調(diào)至pH為6.5～7.0，即得OSDE粗品溶液。粗品溶液經(jīng)不同方法的純化處理后，得到OSDE樣品。

1.3.2 乙醇沉淀洗滌

將OSDE粗品溶液100 mL倒入約450 mL的無水乙醇中，過濾，再用80%(體積分?jǐn)?shù))的乙醇溶液洗滌5次，45 ℃下烘干，粉碎過100目篩，得到白色粉末狀的OSDE樣品。

1.3.3 膜分離純化

采用Ro-UF4010型實驗用膜分離裝置，選用裝置自帶納濾膜(截留相對分子質(zhì)量為400～600)，鈉濾組件裝置工作壓力為0.4～0.6 MPa。將粗品溶液100 mL稀釋15倍(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2%)作為通入液，濃縮流出液仍回流到進(jìn)樣瓶中與產(chǎn)物溶液混合，以循環(huán)過膜純化。純化過程中定時用pH計和電導(dǎo)率儀測定滲透液、濃縮液的電導(dǎo)率，以監(jiān)測其純化脫鹽效果。純化完成后，將濃縮液通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器濃縮后，進(jìn)行冷凍干燥，得到白色片狀的OSDE樣品。

1.3.4 離子交換純化

732型、717型離子交換樹脂進(jìn)行預(yù)處理，分別轉(zhuǎn)至H+型和OH-型。量取170 mL處理過的732型陽離子交換樹脂，采用濕法上柱裝入Φ 2.6×40 cm的層析柱，量取210 mL處理過的717型陰離子交換樹脂，裝入Φ 2.6×50 cm的層析柱，用恒流泵使產(chǎn)物溶液先通過陽離子柱，再通過陰離子柱。取粗溶液100 mL進(jìn)入層析柱后用蒸餾水洗脫，控制流速為5.5 mL/min，用阿貝折光儀檢測陽離子柱和陰離子柱流出液折光度，當(dāng)陰離子柱折光度大于5%時開始收集流出液，當(dāng)折光度小于5%時停止收集。收集過程中定時用pH計和電導(dǎo)率儀測定流出液的電導(dǎo)率，以監(jiān)測其純化脫鹽效果。將收集液通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器濃縮后，進(jìn)行冷凍干燥，得到白色片狀的OSDE樣品。

1.3.5 灰分含量和取代度的測定

采用箱式電阻爐900 ℃灼燒法測定灰分含量。

采用滴定法測定樣品的取代度。樣品經(jīng)離子交換法純化后，其酸度值就是反應(yīng)產(chǎn)物酸根離子的含量，因此無需進(jìn)行酸洗，直接用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定即可得到反應(yīng)產(chǎn)物的取代度。準(zhǔn)確稱取2.0 g(干基)離子交換純化樣品于250 mL三角瓶中，并加入約100 mL蒸餾水，沸水浴20 min，加入2滴酚酞指示劑，趁熱用0.01 mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液呈粉紅色。樣品取代度計算公式為：DS=0.162 4A/(1-0.210A)。式中，DS表示取代度，A表示每克樣品所耗用0.01 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的物質(zhì)的量。

1.3.6 掃描電鏡分析

將待測樣品在50 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥24 h，在鋁制的樣品臺上貼一層雙面膠，將樣品粉末撒在雙面膠上，用洗耳球吹去未粘上的粉末。噴金，上樣，掃描并拍攝具有代表性的樣品的微觀形態(tài)形貌。

1.3.7 紅外光譜

取約100 mg干燥的溴化鉀置于瑪瑙研缽研磨至粉末狀，再取約1 mg 樣品和粉末充分混合，繼續(xù)研磨2～5 min。取適量混合物壓成薄片，在400～4 000 cm-1范圍下進(jìn)行紅外光譜掃描。

1.3.8 流變特性

參考顧宏新等[10]的方法并略作改動。準(zhǔn)確稱取麥芽糊精、阿拉伯膠和精制的OSDE用蒸餾水配制成20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的乳液，在沸水浴中加熱30 min并持續(xù)攪拌，冷卻，用哈克流變儀測定它們在25 ℃時表觀黏度隨剪切速率的變化。

1.3.9 乳液乳化穩(wěn)定性、流變性和顯微形態(tài)

乳液制備：配制40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的麥芽糊精、阿拉伯膠、DS0.0144和DS0.0416的OSDE溶液，攪拌后在沸水浴中加熱分散15 min，按7：3的比例稱取相應(yīng)質(zhì)量的大豆油趁熱倒入乳液中，10 000 r/min均質(zhì)3 min，得到水包油型的乳狀液。

乳化穩(wěn)定性：制得上述乳狀液后，立即以 1 min 為間隔連續(xù)讀數(shù)10次測定體系的電導(dǎo)率值隨時間的變化，以測定時間為橫坐標(biāo)，相對電導(dǎo)率(G0-Gi)/G0為縱坐標(biāo)作圖(其中G0為起始時間溶液的電導(dǎo)率；Gi為i時間溶液的電導(dǎo)率)，其斜率即為乳化穩(wěn)定性參數(shù)[11]。

流變性：取阿拉伯膠、DS0.0416的OSDE配制的上述乳液，用哈克流變儀測定它們在25 ℃時表觀黏度隨剪切速率的變化等性質(zhì)。

乳液形態(tài)：取少許阿拉伯膠、DS0.0416的OSDE乳狀液于載玻片上，蓋上蓋玻片，用光學(xué)顯微鏡觀察拍攝乳液的微觀形態(tài)。將阿拉伯膠、DS0.0416的OSDE乳狀液進(jìn)行凍干處理，得到微膠囊樣品，按第1.3.6節(jié)的方法進(jìn)行SEM觀測分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有實驗結(jié)果均重復(fù)測定3次，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。使用Origin 2018對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 精制純化效果的比較

OSDE粗品以及用第1.3節(jié)中的3種方法進(jìn)行精制純化的產(chǎn)物，其OSDE干固物的回收率都接近100%，它們的水分灰分含量和電導(dǎo)率見表1。結(jié)果表明，離子交換純化效果最佳，其灰分含量和電導(dǎo)率均降低最多，灰分下降了94%，電導(dǎo)率下降了93%。膜分離純化效果次之，去除了53%的灰分，電導(dǎo)率下降了56%。

表1 3種方法純化OSDE的效果Table 1 Effects of OSDE purification by three methods

酯化反應(yīng)后生成的OSDE具有羧基基團(tuán)，反應(yīng)體系pH用酸中和至6.5～7.0時，OSDE中的羧基基團(tuán)還將結(jié)合一部分鈉離子或者其他可能的金屬離子。由于80%(體積分?jǐn)?shù))的乙醇溶液為中性溶液，且氯化鈉等鹽在乙醇溶液中的溶解度也會減小，因此達(dá)不到完全去除其中鈉或鹽的效果。其次，被無水乙醇絮凝析出的OSDE固體產(chǎn)物具有較高的粘結(jié)性，不易過濾，故乙醇沉淀洗滌純化法的產(chǎn)物灰分含量和電導(dǎo)率最高，與未處理的樣品比較接近。

離子交換法純化前的溶液、陽離子柱的流出液、以及通過陽離子柱再通過陰離子柱的流出液的固形物含量、灰分、電導(dǎo)率和pH值見表2。由表2可見，通過陽離子柱的樣液的電導(dǎo)率與純化前的樣品溶液相等，但其灰分含量卻下降了92.8%，pH值下降到(1.20±0.03)；而陽-陰柱流出液的灰分下降了93.1%，和陽柱流出液的灰分相近，電導(dǎo)率則比純化前的溶液降低了90%，pH值為(3.00±0.02)。結(jié)果表明樣品通過陽離子交換柱后，除去了其中大部分的灰分，主要是Na+；再通過陰離子交換柱，主要除去的樣液中含量較少的Cl-，以及極少量可能殘留的OSA酸根離子。因此，純化后的流出液主要成分為OSDE及其電離產(chǎn)物，且產(chǎn)物純度極高，其酸度值能準(zhǔn)確反應(yīng)產(chǎn)物酸根離子的含量。所以，OSDE粗產(chǎn)物經(jīng)離子交換純化后，測定取代度時無需進(jìn)行酸洗，直接用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，即可得到反應(yīng)產(chǎn)物的取代度。

表2 OSDE粗液離子交換的純化效果Table 2 Effects of OSDE purification by the method of ion-exchange

2.2 掃描電鏡

麥芽糊精和OSDE樣品的掃描電鏡照片如圖1所示。由圖可見，麥芽糊精顆粒形態(tài)不一，粒徑范圍較大，除個別顆粒呈現(xiàn)規(guī)則的球形外，其余多數(shù)顆粒表面均存在凹陷和褶皺現(xiàn)象，棱角分明，表面粗糙，這是由于顆粒在干燥和冷卻過程中產(chǎn)生了皺縮。冷凍干燥的OSDE呈不規(guī)則片層狀，棱角尖銳，表面較光滑，略有溝狀或點狀的區(qū)域，為經(jīng)過冷凍干燥后重新形成的新微觀片層結(jié)構(gòu)。

(a)麥芽糊精(×500)

(b)OSDE(×1 000)圖1 麥芽糊精和OSDE樣品的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM micrographs of maltodextrin and OSDE

2.3 紅外光譜

圖2 麥芽糊精和OSDE的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of maltodextrin and OSDE

2.4 流變性

不同剪切速率下麥芽糊精、OSDE(DS0.0144)、OSDE(DS0.0416)和阿拉伯膠的表觀黏度見圖3，結(jié)果表明它們的流變學(xué)的特性基本相同或相似。依據(jù)Ostwald-Dewaele方程的對數(shù)形式lnηα=lnκ+(n-1)lnγ(其中ηα、γ分別表示表觀黏度和剪切速率)，分別計算得到其相應(yīng)的稠度系數(shù)κ和粘性指數(shù)n，結(jié)果見表3。其中r2表示線性相關(guān)系數(shù)。

圖3 不同糊液的流變特性Fig.3 Rheological properties of different solutions

由表3可見：4種分散液的n值均小于1，說明這些溶液均表現(xiàn)出非牛頓流體流變性質(zhì)；OSDE的稠度系數(shù)κ和粘性指數(shù)n都高于麥芽糊精，表明酯化后其增黏能力增強(qiáng)，剪切變稀性質(zhì)減弱。隨著取代度的增加，稠度系數(shù)κ和粘性指數(shù)n均增大，這表明其增黏能力隨取代度的增加而增大，剪切變稀性質(zhì)隨取代度的增加而減弱。剪切稀化現(xiàn)象主要是因為：施加剪切力后，處于糊化舒展?fàn)顟B(tài)下的分子鏈被卷入流動，由于分子鏈比較長，又存在許多支鏈，因此分子之間相互纏繞在一起，這種纏繞成為流動的主要阻力，從而使表觀黏度提高；而隨著剪切速率的增大，劇烈的剪切作用使分子間作用力減弱，相互纏繞的分子在剪切作用下定向排列，聚集程度下降，從而導(dǎo)致糊液的表觀黏度下降。酯化后的麥芽糊精由于分子鏈進(jìn)一步加長，所以在不同剪切速率下均表現(xiàn)出比麥芽糊精更高的表觀黏度。隨著取代度的上升，OSDE相對分子質(zhì)量進(jìn)一步增大，所以表現(xiàn)出更強(qiáng)的增黏能力與更弱的剪切變稀性質(zhì)[13]。阿拉伯膠的稠度系數(shù)κ和粘性指數(shù)n均大于本實驗的酯化產(chǎn)品，說明其黏度大于其他糊液的黏度，剪切變稀的性質(zhì)比酯化產(chǎn)品差。

表3 不同糊液的稠度系數(shù)κ和粘性指數(shù)nTable 3 Consistency coefficient κ and viscosity index n of different solutions

2.5 乳液的乳化穩(wěn)定性

乳化穩(wěn)定性參數(shù)表示短時間內(nèi)乳狀液體系電導(dǎo)率的下降率，可反映乳狀液穩(wěn)定性，該數(shù)值越低，表明電導(dǎo)率變化小，水油分層慢，乳狀液越穩(wěn)定。阿拉伯膠、OSDE(DS0.0416)、OSDE(DS0.0144)的乳化穩(wěn)定性參數(shù)分別為(0.009 4±0.000 4)、(0.010 3±0.000 5)、(0.011 5±0.000 3)。麥芽糊精溶液與大豆油的混合物經(jīng)過均質(zhì)后立刻分層，幾乎沒有乳化能力。乳化穩(wěn)定性的順序由高到低為：阿拉伯膠、OSDE(DS0.0416)、OSDE(DS0.0144)、麥芽糊精。OSDE同時含有親水和親油的基團(tuán)，在攪拌剪切作用下可形成穩(wěn)定的乳狀液。乳化穩(wěn)定性隨取代度的增大而增強(qiáng)，取代度增大使麥芽糊精上親油性基團(tuán)增多，與油相分子作用力增強(qiáng)，更易形成一層堅韌致密的薄膜，使乳狀液的穩(wěn)定性增加[2]。阿拉伯膠的乳化穩(wěn)定性最高，阿拉伯膠結(jié)構(gòu)上帶有部分蛋白物質(zhì)及結(jié)構(gòu)外側(cè)的鼠李糖，使之具有良好的親水親油性，在各試驗品中的乳化穩(wěn)定性比OSDE(DS0.0144)稍好一些。

2.6 乳液的流變特性

大豆油/ OSDE(DS0.0416)、大豆油/阿拉伯膠乳狀液的流變性質(zhì)如圖4所示。由圖可見，兩種乳狀液的表觀黏度均隨剪切速率的增加而迅速降低，符合典型的假塑性流體規(guī)律。在相同的剪切速率下，阿拉伯膠的黏度稍大，但兩者的差別很小。

圖4 大豆油的OSDE和阿拉伯膠的乳液的流變特性Fig.4 Rheological properties of soybean oil emulsions of OSDE and gum arabic

2.7 乳液顯微形態(tài)

大豆油/ OSDE(DS0.0416)、大豆油/阿拉伯膠乳狀液的微觀形態(tài)如圖5所示。由圖可見，OSDE制備的乳狀液液滴主要呈圓形，均較小，整體分散性良好，OSDE結(jié)構(gòu)降低了空氣/水界面張力，有利于小油滴的形成[14]。阿拉伯膠乳液液滴粒徑最小，分布均勻，與OSDE配制的乳狀液有著相似的微觀形貌，未見明顯本質(zhì)差異。乳液內(nèi)存在少量的較大的油滴顆粒，可能是體系黏度較大且高速剪切機(jī)的剪切分散不均勻所致[15]。

(a)DS0.0416(×500)

(b)阿拉伯膠(×500)圖5 不同乳狀液的光學(xué)顯微照片F(xiàn)ig.5 Micrographs of different emulsion

2.8 大豆油微膠囊化產(chǎn)物的微觀形態(tài)

圖6為OSDE(DS0.0416)壁材制備的冷凍干燥微膠囊化大豆油產(chǎn)物的微觀照片。與圖1(b)凍干的OSDE純品相比，OSDE(DS0.0416)壁材制備的樣品整體表現(xiàn)為多片層結(jié)構(gòu)，片層表面和內(nèi)部有許多孔洞和凹陷，呈現(xiàn)多孔的海綿狀。

圖6 OSDE(DS0.0416)微膠囊化大豆油產(chǎn)物的掃描電鏡照片(×1 000)Fig.6 SEM photomicrographs of OSDE(DS0.0416)micro-encapsulated soybean oil(×1 000)

3 結(jié)論