能量缓释淀粉微球的初步制备研究

游 栋，缪 铭，江 波

( 江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122)

谷类是中国人的传统主食，其中含有丰富的淀粉，经过消化后为人体提供充足的能量。Englyst 根据淀粉在人体内的消化情况将淀粉分为三类:易消化淀粉(ready digestible starch，RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch，SDS)、抗性淀粉(resistant starch，RS)［1］。RDS 指那些能在口腔和小肠中被快速消化吸收的淀粉(＜20min);SDS 指那些能在小肠中被完全消化吸收但速度较慢的淀粉(20～120min);RS 指在人体小肠内无法消化吸收，通常在大肠内被微生物分解利用的淀粉(＞120min)。人体在饭时会大量摄入RDS，造成血糖急剧升高，正常人可自动血糖调节平衡，对于糖尿病、心血管疾病和肥胖病人群却存在困难。摄入SDS 能保持餐后血糖的缓慢增加并在很长一段时间维持血糖水平稳定，不会造成血糖急剧变化，这对上述特殊人群的病情调节和控制是十分有利的［2］。大部分的天然谷物淀粉属于理想的SDS，但一经蒸煮，淀粉中的SDS 含量下降，RDS含量大量上升［3］，这样SDS 的功能性作用被破坏了，进而降低SDS 的应用价值。Fardet 等［4-5］通过对意大利面的研究，发现包裹在淀粉表面的蛋白质空间网络结构可能阻碍淀粉酶与淀粉的接触，抑制蒸煮面条中的淀粉的水解，从而达到淀粉慢消化的效果。因此为以淀粉为芯材制备淀粉微球使其慢消化的研究提供了理论基础。国内外也有学者通过该这种物理作用方式得到耐蒸煮的SDS。Venkatachalam 等［6］采用锐孔法制得SDS 含量达到51.3%淀粉微球，但其粒径过于偏大，达到2000μm 左右，不利于应用于实际。徐晖等［7］通过喷雾干燥制得SDS 含量为20.8%的淀粉微球，但其方法安全性上有所欠缺。本研究通过前期实验的摸索，最后得到一种生产上较为安全的、制备的淀粉微球粒径也与原淀粉相近的方法。同时研究了制备工艺中各参数对淀粉微球形态和慢消化性的影响规律，获得更高含量的慢消化淀粉含量。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

α-淀粉酶(30U/mg) 美国Sigma 公司;糖化酶(11000U/g) 无锡Genencor Bio-Product 公司。

IKA 高速分散机 上海人和科学仪器有限公司;IKA MS digital 旋涡混匀器 上海普林斯顿生物科技发展有限公司;T-9300H 型激光粒度分布仪 丹东百特仪器有限公司;Quanta-200 型电子扫描显微镜 荷兰FEI 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 能量缓释淀粉微球的制备 采用乳化离子交联法［8-10］初步制备能量缓释淀粉微球:配制50mL 一定浓度的海藻酸钠溶液，将2.5g 淀粉与适量碳酸钙粉末混匀后加入其中搅拌混匀;配制含有适量司盘-80的300mL 植物油，在13000r/min 高速分散下将海藻酸钠溶液缓慢滴加至油中，搅拌乳化20min制得油包水(W/O)乳液(体系保持在30～40℃的水浴环境中)，后在500r/min 涡旋搅拌下缓慢滴加稍过量乙酸来释放出钙离子，交联固化10min，静置一段时间，反复抽滤去油并用水和乙醇洗涤，分离得海藻酸钙微球。

1.2.2 能量缓释淀粉微球的制备条件的优化 实验采用单因素固定变量法考察海藻酸钠浓度、碳酸钙含量、乳化剂浓度对能量缓释淀粉微球形态、粒径、包埋率及微球消化率的影响。按表1 中各因素的水平，分别制备能量缓释淀粉微球。

表1 单因素实验水平表Table 1 The experiments of single factor

1.2.3 形貌分析 用导电双面胶将淀粉微球固定在金属样品平台上，利用高真空镀机对试样表面铂装饰，置于SEM 中以5kV 电子束观察，离子溅射后进行扫描拍摄。

不同海藻酸钠浓度下的电镜图采用倍数为:×1200;不同碳酸钙含量下的电镜图采用倍数为:×600;不同乳化剂含量下的电镜图采用倍数为:×600。

1.2.4 粒径分布 采用T-9300H 型激光粒度分布仪对产品的粒径进行分析。将均匀的分散于水中的淀粉微球缓慢倒入仪器进水槽中，在其遮光率读数升为30%左右时，测量粒径。

1.2.5 淀粉微球包埋率的测定 包埋率是评价微球的主要衡量参数。本实验采用测定微球的包埋率的方法来确定制备微球的工艺条件。计算公式如下:

包埋率(%)=M/M0×100

式中:M 为微球中实际的淀粉质量;M0为投入的淀粉质量。M 根据国标中食品中淀粉的测定［11］来测定。

1.2.6 能量缓释淀粉微球的消化性质研究 消化性能的测定:根据本实验室条件，对Englyst 法［1］进行了一些改进得到新方法:取淀粉样品0.8g 置于50mL 锥形瓶中，加入20mL pH5.2 的醋酸钠缓冲液糊化，在糊化体系中加入2mL 混酶，在37℃水浴中以160r/min振荡反应20、120min 后，取0.5mL 上清液，并加入20mL 体积分数66%乙醇灭酶处理，离心取上清液，然后采用3，5-二硝基水杨酸法在540nm 比色测定葡萄糖含量。

混酶配制:取3g α-淀粉酶(30U/mg)加入10mL pH5.2 醋酸钠缓冲液，溶解后4℃离心，取上清液，加入1mL 糖化酶(11000U/mL)，配成混酶。

具体计算公式如下:

SDS(%)=(G120-G20)×0.9/W ×100

SDS 提高率(%)=A-B

式中:G20-淀粉被酶水解20min 后产生的葡萄糖量(mg);G120-淀粉被酶水解120min 后产生的葡萄糖量(mg);W-总淀粉量(mg);A-能量缓释淀粉中的SDS 含量，%;B-原淀粉中的SDS 含量，%。

2 结果与讨论

2.1 海藻酸钠浓度对制备淀粉微球的影响

海藻酸是由α-(1，4)L-甘露糖醛(G)与β-(1，4)D-古罗糖醛酸通过糖苷键随机排列组成的高聚物。其可以与二价金属离子络合形成水凝胶，如钙离子与钡离子等［12］。因此海藻酸钙可以用来包埋非水溶性的固体在内，例如淀粉。图1 是不同浓度海藻酸钠制备的淀粉微球的扫描电镜图，具体形貌描述见表2。

表2 海藻酸钠浓度对微球形态的影响Table 2 Effect of the sodium alginate concentration on the morphology of the microspheres

如图1 和表2 所示，当海藻酸钠浓度低于1.2%时，微球成囊效果一般。当海藻酸钠浓度高于1.2%时，微球形态良好;且随着其浓度的增加，微球的粒径也趋于增大，这是由于浓度低的海藻酸钠容易被分散成较小的液滴而形成小颗粒，反之亦然。

图1 不同海藻酸钠浓度下的淀粉微球Fig.1 Starch microspheres of different sodium alginate concentrations

图2 所示为海藻酸钠浓度对包埋率、SDS 提高率的影响曲线。结果表明:随着海藻酸钠浓度的增加，微球的包埋率变大;而淀粉微球的SDS 提高率呈现先上升后下降趋势，在1.4%浓度下达到最大SDS 提高率。这说明过大或过小的浓度都不能达到最好的SDS 提高率，低浓度时，由于形成的膜较薄，易被破坏，对淀粉未起到良好的保护作用;但在浓度高下，过厚的壁膜会导致淀粉中SDS 含量的减少甚至消失，这样SDS 提高率反而会出现暂时升高的现象;若是浓度继续升高，就会出现不能消化的状态。综合微球形态、包埋率、SDS 提高率，确定最佳海藻酸钠浓度范围为1.4%～1.6%。

图2 海藻酸钠浓度对包埋率、SDS 提高率的影响曲线Fig.2 The influence of different concentrations of sodium alginate on encapsulation ratio of starch and SDS increase rate

2.2 钙离子浓度对制备淀粉微球的影响

图3 为不同碳酸钙含量制备的淀粉微球的扫描电镜图，具体描述见表3。

由图3 和表3 可以看出，碳酸钙含量小于2.0%时，制备的淀粉微球成囊效果不完整，这是由于Ca2+含量太低不能充分与海藻酸钠G 段的-COO-结合使液滴表面固化［13］;当碳酸钙含量大于2.0%，微球形态都良好。

图3 不同碳酸钙含量下的淀粉微球Fig.3 Starch microspheres in different content of calcium carbonate

图4 所示为碳酸钙含量对包埋率、SDS 提高率的影响曲线。结果表明，随着Ca2+浓度增加，包埋率先变大后减小，原因是Ca2+含量的增加，使微球交联密集，这样减少了芯材的损失，但超过一定的范围后，交联密集反而使得包埋率降低。SDS 提高率也呈现先增大后减小趋势，这是由于Ca2+与海藻酸钠交联形成网状结构，将芯材包裹在其中，Ca2+含量影响微球的强度和网状结构孔隙大小，含量低时形成较柔软的凝胶，含量高时形成坚硬的凝胶［14］。当Ca2+含量低时，微球的强度低，淀粉颗粒易被糊化破坏;当Ca2+含量高时，微球不能被消化。综合考虑微球形态、包埋率、SDS 提高率，确定2.0%～2.5%的碳酸钙含量为最佳含量范围。

表3 碳酸钙含量对微球形态的影响Table 3 Effect of the content of calcium carbonate on the morphology of the microspheres

2.3 乳化剂用量对制备淀粉微球的影响

司盘-80 是一种良好的油包水乳化剂，同时在国标食品添加剂使用卫生标准［15］中明确规定:用作乳化剂，司盘-80 在面包、糕点、饼干、冰激凌、调制乳、固体饮料添加限量为3‰;在豆类制品中添加限量为1.6‰;在月饼中限量为1.5‰。因此本实验选用0、0.5‰、1.0‰、1.5‰四个梯度来比较获取最佳添加值。图5 是不同含量司盘-80 制备的淀粉微球的扫描电镜图，具体形貌描述见表4。

图4 碳酸钙含量对包埋率、SDS 提高率的影响曲线Fig.4 Profile of the influenee of differente content of calcium carbonate to encapsulation ratio of starch and SDS increase rate

图5 不同乳化剂含量下的淀粉微球Fig.5 Starch microspheres in different content of emulsifier

表4 乳化剂含量对微球形态的影响Table 4 Effect of emulsifier content on microsphere morphology

由图5 和表4 可以看出:未加入乳化剂司盘-80制备的能量缓释淀粉微球呈现不规则块状形状，少量淀粉颗粒裸露在外，说明不加司盘-80 会影响微球颗粒的造型，加入一定添加量后，微球形貌良好，但随着司盘-80 含量的增加，微球的粒径减小。

图6 为乳化剂含量对包埋率、SDS 提高率的影响曲线。结果表明:在限量范围内，随着司盘-80 的含量增加，包埋率和SDS 提高率都是先上升后下降。呈现这一趋势的原因可能是未添加乳化剂时，淀粉微球不好成型，液滴在强烈的机械搅拌剪切力下包埋率不高，容易形成不规则的形状而导致淀粉微球出现团聚现象。随着添加乳化剂量的增大，易导致两相层间的乳化剂层增厚，使得分散的小液滴之间不易碰撞聚集成大液滴，团聚现象也在减小，微球粒径减小，当乳化剂的添加量减小到某个极值时形成的液滴(极值粒径)恰好包埋住所有的淀粉;而液滴大小低于这个极值粒径时，由于粒径减小而比表面积增大，微球内水滴的转移破裂可以降低包埋率;SDS 提高率增加的可能原因是添加乳化剂后淀粉微球更容易成型，多个淀粉球聚集起来形成一个大圆球形状，被包含在球形内的淀粉颗粒消化性能降低。在乳化剂含量超过1.0‰后，SDS 提高率降低，这可能是由于微球的粒径随着乳化剂含量的增加而减小，包埋率随之降低，而导致微球对淀粉的保护不够，而被酶水解造成的。综合考虑微球形态、包埋率、SDS提高率，确定1.0‰为最佳司盘-80 添加量。

图6 乳化剂含量对包埋率、SDS 提高率的影响曲线Fig.6 Profile of the influence of different content of emulsifier on encapsulation ratio of starch and SDS increase rate

3 结论

实验采用乳化离子交联法初步制备能量缓释淀粉微球。结果表明:随着海藻酸钠的浓度的增加，微球包埋率增大而SDS 提高率呈现出先增后减的趋势;随着碳酸钙含量的增加，微球的包埋率和SDS 提高率都是先增大后减小;乳化剂的加入有利于微球颗粒的良好成型，但是随着添加量的增加，微球的包埋率和SDS 提高率都是先增大后减小。最佳条件为:海藻酸钠的浓度范围为1.4%～1.6%，碳酸钙含量范围为2.0%～2.5%，加入1.0‰司盘-80 作为乳化剂，能得到形态完整，球形度良好的，粒径在100 ～140μm，包埋率在80%以上的淀粉微球，其SDS 提高率达到7%以上。

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