辛烯基琥珀酸淀粉酯纳米颗粒稳定Pickering乳液及其乳化性分析

韩墨，于化鹏，彭羽，吴修利

（长春大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130022）

乳液是由油相、水相和乳化剂构成的热不稳定体系，乳化剂因具有乳化、稳定、增容等作用，在稳定乳液中具有重要的作用[1]。Pickering乳液是把传统乳化剂替换为固体颗粒稳定乳液体系的一种新型乳液[2-3]。因具有界面稳定性高、抗奥氏熟化等特殊性能被广泛应用在医药、食品和化妆品等领域[4-6]。

目前多糖和蛋白质常被作为食品级颗粒来稳定乳液体系，为使乳液更加稳定，通常采用改性方式提高天然颗粒的两相润湿性[7]。淀粉是一种含有较多羟基、亲水性较强的多糖，经辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）改性后引入辛烯基而具有一定的两亲性。陆兰芳等[8]将OSA对小米淀粉进行改性，采用辛烯基琥珀酸小米淀粉酯制备Pickering乳液，比较了淀粉酯的取代度、颗粒浓度、油相比等因素对Pickering乳液乳化性的影响。钱鑫等[9]将蜡质玉米淀粉经OSA改性制备稳定的Pickering乳液，并对辅酶Q10进行包埋，发现经包埋辅酶Q10的Pickering乳液更有利于辅酶Q10的透皮运输。

纳米颗粒具有不同于微观粒子和宏观物质的性质，因其具有安全无毒、可生物降解、生物相容性好等优良性质被广泛应用于食品、药品、化妆品、生物及化工等领域[10]。纳米颗粒可代替有害表面活性剂来稳定乳液，Li等[11]以水为水相、石蜡为油相，研究发现仅用质量分数为0.02%的淀粉纳米颗粒即可稳定乳液，乳液在两个月后没有出现油滴聚集现象。近年来，双亲纳米颗粒及其稳定乳液时所形成的界面体系受到广泛关注[12]。

本研究以辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯纳米颗粒为原料，以提高Pickering乳液的稳定性，探讨淀粉酯取代度、淀粉酯纳米颗粒浓度、油水体积比等因素对乳液稳定性的影响，为Pickering乳液的制备提供一种简易、可行的方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米淀粉：吉林中粮生化能源销售有限公司；辛烯基琥珀酸酐：上海瑞永生物科技有限公司；金龙鱼玉米油：嘉里粮油（天津）有限公司；95%乙醇：吉林省新天龙实业股份有限公司；无水Na2CO3、盐酸、氢氧化钠、硝酸银：北京化工厂；本试验所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

JSM-6510LA型扫描电子显微镜：日本岛津公司；CKX53型倒置显微镜：日本奥林巴斯株式会社；JJ-1BA型搅拌器、GF-1型高速剪切机：常州润华电器有限公司；Mastersizer 2000粒度分析仪：英国马尔文公司。

1.3 方法

1.3.1 辛烯基琥珀酸淀粉酯制备及取代度（degree of substitution，DS）检测

将一定质量的无水Na2CO3溶解在2 mL去离子水中，与20.0 g玉米淀粉混合均匀后过40目筛，静置10 min。加入经95%乙醇稀释后的辛烯基琥珀酸酐并混匀，过40目筛后放置烘烤箱内，在一定温度下反应相应时间，反应结束后取出，待冷却至室温（25℃）时过100目筛。反复洗涤并烘干，过100目筛即得样品[13]。

称取烘干至恒重的样品5.0 g，置于250 mL烧杯内，用5 mL 95%乙醇润湿后加入25 mL盐酸-乙醇溶液，磁力搅拌30 min后加入100 mL 95%乙醇溶液，继续磁力搅拌10 min，抽滤。用95%乙醇淋洗滤渣去除Cl-并液淋洗布氏漏斗，将滤渣与洗液转移至500 mL烧杯中，加去离子水至300 mL，沸水浴10 min并持续搅拌。趁热用0.1 mol/L NaOH滴定至溶液变为淡粉色（以酚酞为指示剂），滴定时所消耗的NaOH体积记为V[13]。辛烯基琥珀酸淀粉酯DS计算公式如下。

式中：C为 NaOH浓度，mol/L；V为滴定消耗NaOH体积，mL；W为样品质量，g；162.4为葡萄糖单位的相对分子质量；210为辛烯基琥珀酸酐的相对分子质量。

1.3.2 辛烯基琥珀酸淀粉酯纳米颗粒制备

参考白霞[15]方法并做适当修改。将3%辛烯基琥珀酸淀粉酯 （DS 分别为 0、4.026 2×10-3、4.830 0×10-3、5.4596×10-3、6.1416×10-3）悬浊液置于沸水浴中，60 r/min搅拌1 h后冷却至室温（25℃）并滴加至5倍体积的95%乙醇中，200 r/min持续搅拌20 min，3 500 r/min离心5 min，弃上清液，95%乙醇清洗沉淀两遍，冻干，得辛烯基琥珀酸淀粉酯纳米颗粒（简称淀粉酯纳米颗粒）。

1.3.3 扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）分析

测试前将样品50℃烘干至恒重，少量样品固定在导电胶上，真空镀金处理后置于扫描电子显微镜样品室中，对样品进行观察并拍照[16]。

1.3.4 Pickering乳液制备

将一定量淀粉酯纳米颗粒（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%）分散于10 mL去离子水中，用高速剪切机以15 000 r/min处理30 s，配成一定浓度的淀粉酯纳米颗粒分散液，然后按一定油水体积比加入玉米油（1∶5、2 ∶5、3 ∶5、4 ∶5、5 ∶5），再次用高速剪切机对混合物以20 000 r/min处理，分两次进行，每次20 s，间隔1 min，即得Pickering乳液[13]。

1.3.5 Pickering乳液乳化指数的测定

参考陆兰芳等[8]方法并做适当修改。将乳液转移至10 mL拇指瓶中，于25℃环境下静置不同时间后对样品乳液进行观察。乳化指数（emulsion index，EI）计算公式如下。

式中：He为乳液乳化层高度，mm；H为乳液总高度，mm。

1.3.6 Pickering乳液光学显微镜检测

乳液静置1 d后，取20 μL乳液样品滴在载玻片上，采用倒置显微镜观察乳液结构并拍照（目镜10×，物镜 20×）。

1.3.7 Pickering乳液乳滴粒径的测定

样品用去离子水稀释到质量浓度为1×10-4g/mL。测试参数：温度为25℃，水折射率为1.330，在0.1 μm～20 000 μm 粒径范围内测定[6]。

1.4 数据统计与分析

本研究试验均重复测定3次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 淀粉酯纳米颗粒形貌分析

辛烯基琥珀酸淀粉酯及淀粉酯纳米颗粒扫描电镜图及不同乳化剂稳定的Pickering乳液直观形态图见图1。

图1 淀粉酯和淀粉酯纳米颗粒扫描电镜图及不同乳化剂稳定的Pickering乳液直观形态图Fig.1 SEM of starch este，starch ester nanoparticles and morphology of Pickering emulsion stabilized from different emulsifiers

由图1可知，淀粉酯形态特征和玉米原淀粉一样多为圆形和多角形，无明显变化，粒径范围4μm～22μm，而纳米颗粒呈球形和不规则粒子团聚形态，淀粉酯纳米颗粒粒径介于40 nm～202 nm之间。图1C为玉米淀粉及DS为6.141 6×10-3的淀粉酯非纳米化和纳米化稳定的Pickering乳液直观形态图，从图1C可知以淀粉酯纳米颗粒做为乳化剂稳定的乳液乳化性最佳，这是因为在同等浓度下的乳液中含有更多小尺寸的淀粉酯纳米颗粒，包裹在油滴表面从而阻隔油滴间相互聚集，形成液滴粒径更小、稳定性更好的乳液。

2.2 不同因素对乳液稳定性影响

2.2.1 取代度对乳液稳定性影响

选取颗粒浓度为1%，油水体积比为5∶5，按照1.3.4方法制备乳液，不同取代度淀粉酯纳米颗粒稳定的乳液静置1 d后平均粒径（Dav）及静置不同时间乳化指数如表1所示。

由表1可知，不同取代度淀粉酯纳米颗粒稳定的Pickering乳液静置一段时间后乳化指数均出现一定程度的降低。原淀粉纳米颗粒制备的乳液静置7 d后乳化指数下降到26.32%，经改性后的淀粉酯纳米颗粒稳定的乳液乳化指数均有一定程度上升，并随着取代度增大而增大。乳液粒径随着淀粉酯纳米颗粒取代度的增大而减小。Wang等[17]在研究OSA改性玉米淀粉和马铃薯淀粉球稳定Pickering乳液时，也得到类似结果，并表明OSA改性后淀粉球制备Pickering乳液更加稳定。

表1 不同取代度淀粉酯纳米颗粒对Pickering乳液乳化指数及粒径的影响Table 1 Effect of the substitution degree of starch ester nanoparticles on emulsion index and particle size of Pickering emulsion

取代度对Pickering乳液稳定性影响直观形态图见图2。

图2 取代度对Pickering乳液稳定性影响直观形态图Fig.2 Effect of morphology of emulsion stabilized from substitution degree

从图2样品1可以看出原淀粉纳米颗粒虽也可以稳定乳液，但乳化效果不好，放置7 d后油相大量析出。样品2～5可以看出，淀粉酯纳米颗粒稳定乳液的程度随取代度的增加而增加，这是因为随淀粉酯化程度增加，淀粉酯纳米颗粒两亲性增强，更利于稳定乳液。图中乳液下层为水层，Shao等[18]认为这种现象并不是相分离，而是因为乳液体系中没有足够的淀粉酯纳米颗粒来稳定油水界面，少量乳液液滴被稳定，多余的水相在重力作用下与乳液分层，并在研究芋头淀粉稳定Pickering乳液对茶多酚包埋时也发现类似现象。

图3为不同取代度淀粉酯纳米颗粒稳定Pickering乳液的光学显微镜图。

图3 不同取代度淀粉酯纳米颗粒稳定Pickering乳液的光学显微镜图Fig.3 Optical microscopic images of Pickering emulsionss stabilized with different substitution degree

从图3可以看出乳液液滴完整，呈规则的圆球状[6]，液滴大小随着取代度的增加而减小，这一现象与粒径检测结果一致。原淀粉颗粒不能很好地稳定油水界面，随着改性程度的增强，吸附在油滴表面的淀粉酯颗粒数量增多[19]，这是因为OSA疏水基团的引入会增强淀粉酯颗粒的疏水性和表面润湿性，使其聚集在水油界面的能力增强，阻止油滴间的相互聚集从而更好地稳定乳液。本研究与吴媛莉等[20]以OSA籽粒苋淀粉酯稳定Pickering乳液研究中不同取代度对稳定性影响趋势相同。

2.2.2 油水体积比对乳液稳定性影响

选取淀粉酯纳米颗粒取代度6.141 6×10-3，颗粒浓度为1%纳米颗粒制备乳液，不同油水体积比对乳液乳化指数、粒径的影响见表2，静置7 d后乳液直观形态图如图4所示。

表2 不同油水体积比对Pickering乳液乳化指数、粒径的影响Table 2 Effect of oil-water volume ratio on emulsion index and particle size of Pickering emulsion

图4 油水体积比对Pickering乳液稳定性影响直观形态图Fig.4 Effect of morphology of emulsion stabilized from oil-water volume ratio

从表2可以看出，随着静置时间的延长，相同油水体积比乳液乳化指数均有一定程度下降，随着油水体积比的增大，相同静置时间条件下乳化指数增加，乳液粒径变化趋势与之相同。从图4可以看出乳液乳化层高度随油水体积比的增大而增高，乳液静置7 d后仍表现出良好的稳定性。

图5为不同油水体积比稳定的Pickering乳液光学显微镜图。

图5 不同油水体积比稳定Pickering乳液光学显微镜图Fig.5 Optical microscopic images of Pickering emulsionss stabilized with different oil-water volume ratio

由图5可知，乳液液滴的大小随着油水体积比的增加而增大。这是因为油水体积比的增加，使过饱和的淀粉酯纳米颗粒得到更充分的利用，淀粉酯纳米颗粒会附着更多的油相来形成稳定的乳液[20]，导致乳液乳化指数增大；单位界面膜上的淀粉酯纳米颗粒浓度会因为乳液体系中油水体积比的增加而减小，从而比表面积降低。体系在高速剪切条件下通过增大液滴体积来完成乳化作用[2]，即乳液粒径变大，Song等[21]在以OSA改性大米淀粉酯为乳化剂制备Pickering乳液研究中也观察到乳液粒径变大现象。

2.2.3 颗粒浓度对乳液稳定性影响

衡量乳液稳定性的重要参数之一是颗粒浓度，选取淀粉酯纳米颗粒取代度6.141 6×10-3，油水体积比5∶5，改变淀粉酯纳米颗粒浓度制备乳液，乳液乳化指数、粒径值和静置7 d后乳液直观形态图如表3、图6所示。

表3 不同颗粒浓度对Pickering乳液乳化指数、粒径的影响Table 3 Effect of granule concentration on emulsion index and particle size of Pickering emulsion

从图6可以看出，随着淀粉酯纳米颗粒浓度从1.0%增加到3.0%，乳液乳化层体积增大。从表3可以看出乳液乳化指数随着颗粒浓度的增加而增大，乳液粒径呈相反趋势。这是由于淀粉酯纳米颗粒浓度的增加会引起水相黏度的增加，增大了淀粉酯纳米颗粒疏水基团与油滴间的作用力。此外，乳液液滴的有效密度会因为淀粉酯纳米颗粒在油滴表面的吸附而增加，从而减小了乳液液滴与连续相的密度差[22]。但乳化层体积不变，导致乳液液滴粒径减小，而后趋于稳定。ESTRADA-FERNÁNDEZ等[23]以OSA菊芋淀粉为乳化剂稳定Pickering乳液时也发现同样规律。

图6 颗粒浓度对Pickering乳液稳定性影响直观形态图Fig.6 Effect of morphology of emulsion stabilized from granule concentration

图7为不同颗粒浓度稳定的Pickering乳液光学显微镜图。

图7 不同颗粒浓度稳定Pickering乳液光学显微镜图Fig.7 Optical microscopic images of Pickering emulsionss stabilized with different particle concentration

由图7可以看出，随着淀粉酯纳米颗粒浓度的增加，乳液液滴减小，尺寸更加均匀，图6显示乳化层体积随着颗粒浓度的增加而增大，乳液更加稳定。颗粒浓度的增大可以为体系中更多的淀粉酯纳米颗粒附着在油水界面提供可能，从而导致界面张力降低，乳化更容易进行，所以乳化指数增大；更多的淀粉酯纳米颗粒在油滴表面附着导致被包裹的油滴表面积增加，在乳化同比例油相时乳液粒径逐渐减小[24]，这一结果与粒径检测结果一致。

3 结论

采用辛烯基琥珀酸淀粉酯纳米颗粒为乳化剂制备Pickering乳液，相较于原淀粉、原淀粉纳米颗粒、辛烯基琥破酸淀粉酯，淀粉酯纳米颗粒制备的Pickering乳液稳定性最佳。Pickering乳液的稳定性受淀粉酯纳米颗粒取代度、油水体积比和颗粒浓度的影响。乳液乳化指数随着淀粉酯纳米颗粒取代度的增大而增大，乳液粒径呈相反变化趋势。当体系油水体积比从1∶5增加至5∶5时，乳液乳化指数与乳液粒径均随之增大。当颗粒浓度从1.0%增大到3.0%时，乳液乳化指数呈上升趋势，乳液粒径与之相反。微观结构显示乳液液滴完整，呈规则的球形，且乳液液滴大小与乳液粒径变化趋势一致。当淀粉酯纳米颗粒取代度为6.141 6×10-3、油水体积比为1∶1、颗粒浓度为3%时能够制备出乳化性较好的Pickering乳液。