直链淀粉含量对玉米淀粉-茶多酚乳液凝胶稳定性质的影响

王 然

（长春职业技术学院食品与生物学院，吉林 长春 130033）

乳液凝胶是一种软凝胶，其凝胶基质网络结构能固定油相，属于结构化乳液[1]。乳液凝胶具有半固体的结构特性，能负载生物活性成分，并提高疏水性活性成分的生物利用度，因此，在食品加工中具有广泛的应用前景。根据乳液凝胶与脂肪口感相似的特点，许多研究报道了采用乳液凝胶模拟脂肪开发代脂食品或低脂食品[2-3]；也有研究人员根据乳液凝胶具有乳液和凝胶的双重特性，开发了能同时负载亲水性和疏水性活性成分的控释材料[4-5]。目前，通常采用两步法制备乳液凝胶。首先，制备水包油乳液，一般需要使用乳化剂，乳化剂具有界面活性，能够快速吸附到油-水界面上形成界面膜，发挥阻碍油滴聚结并维持乳液稳定的作用。常用的乳化剂包括小分子表面活性剂、两亲性大分子和胶体颗粒[6]。然后，将乳液的连续相进行凝胶处理，一般需要使用凝胶剂[7-9]，凝胶剂能促使乳液连续相形成三维网络凝胶结构，发挥固定油滴并抑制油滴迁移的作用，进而保持乳液凝胶稳定，常用的凝胶剂为蛋白质、多糖等生物大分子[10-11]。

天然淀粉具有来源广泛、绿色、无毒、易于改性等特点，是制备乳化剂和凝胶剂的主要原料[12-13]。淀粉主要来源于种子、根茎以及块茎类的粮食作物，如玉米、稻谷、马铃薯等，其中，玉米种植广泛，是淀粉的重要来源[14]。玉米淀粉主要包括高直链玉米淀粉（high amylose maize starch，HM）、普通玉米淀粉（common maize starch，CM）和蜡质玉米淀粉（waxy maize starch，WM）3 种[15]。玉米淀粉由直链淀粉和支链淀粉构成，HM中约含有55%～85%的直链淀粉，CM中约含有20%～30%的直链淀粉，而WM几乎全部由支链淀粉组成[16]。茶多酚（tea polyphenols，TP）是从茶叶中提取的天然多酚化合物[17]。近年来，采用TP改变淀粉理化特性、乳化性并延缓淀粉消化性的研究引起了广泛关注。万芊[18]研究了不同直链含量玉米淀粉与多酚反应，发现多酚与淀粉能发生氢键相互作用，对不同直链含量玉米淀粉的结构、理化性质和消化性均具有明显影响。Pan Junxian等[19]报道了TP与小麦淀粉能够通过氢键等非共价作用结合，改变淀粉的凝胶性并抑制淀粉老化。Zhu Fan[20]报道了将TP与木薯淀粉结合能抑制消化酶对淀粉的水解，对延缓淀粉消化具有明显效果。然而，将TP与不同直链含量的玉米淀粉进行非共价结合作为乳化剂和凝胶剂用于制备食品级乳液凝胶的研究还鲜见报道。

本实验采用不同直链含量的玉米淀粉与TP结合用于构建食品级乳液凝胶，并研究不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶的微观结构、流变性质及其稳定乳液凝胶的性质，旨在为构建食品级淀粉基乳液凝胶和生物活性物质递送载体提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

HM（直链淀粉质量分数63.41%）上海源叶生物科技股份有限公司；CM（直链淀粉质量分数28.75%）、WM（直链淀粉质量分数≤1%）中粮生物科技股份有限公司；TP 杭州禾田生物技术有限公司；大豆油山东鲁花集团有限公司；尼罗蓝 美国西格玛奥德里奇贸易有限公司；尼罗红 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；实验所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

Gemini冷冻扫描电子显微镜（cryo-scanning electron microscope，cryo-SEM）德国蔡司集团；MCR702流变仪 安东帕（上海）商贸有限公司；FA25高剪切分散乳化机 上海弗鲁克科技发展有限公司；Nexus670傅里叶变换红外光谱仪 美国热电集团尼高力仪器公司；UVmini-1240紫外-可见分光光度计 岛津仪器（苏州）有限公司；FV3000激光共聚焦荧光显微镜（laser confocal fluorescence microscope，CLSM）奥林巴斯（中国）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶的制备

参考Farrag等[21]方法稍作修改。将HM、CM和WM分别加入纯净水中，通过搅拌形成质量分数2%的淀粉悬浮液，然后将3 种玉米淀粉悬浮液分别置于沸水浴中，匀速搅拌40 min。停止加热，待3 种玉米淀粉悬浮液温度降至95 ℃后，分别加入基于淀粉质量8%的TP，并在95 ℃条件下匀速搅拌20 min。反应结束后，将混合液置于磁力搅拌器上，将无水乙醇逐滴加入混合液（无水乙醇与混合液的体积比为3∶4），完成滴加后继续搅拌10 min，得到3 种不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶，分别回收上清液，记录上清液体积。

1.3.2 不同直链含量玉米淀粉凝胶中TP保留量和保留率的测定

参考Li Songnan等[4]方法，略有修改。绘制TP浓度-吸光度标准曲线，采用紫外-可见分光光度计在274 nm波长处检测上清液（1.3.1节）的吸光度，根据标准曲线方程分别计算3 种不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶中TP的保留量。玉米淀粉凝胶中TP的保留量和保留率计算如式（1）、（2）所示：

式中：Q为玉米淀粉凝胶中TP的保留量/（mg/g）；m1为TP最初添加量/mg；C1为上清液中TP的质量浓度/（mg/mL）；V1为上清液的体积/mL；m2为玉米淀粉的最初添加量/mg；R为TP的保留率/%。

1.3.3 不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶的微观结构观察

参考Zhao Xia等[22]方法，挑取不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶样品置于涂有导电胶的铜槽上，再将铜槽置于液氮雪泥中，在-210 ℃冷冻30 s。将载有不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶样品的铜槽置于低温制备室，在-90 ℃冻干处理10 min，然后用小刀在冻干的不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶样品表面切出剖面。经过喷金处理后，采用cryo-SEM分析凝胶样品的微观结构。

1.3.4 流变学特性的测定

采用配置平行夹具的流变仪（夹具直径2.5 cm，间隙0.1 cm）对样品的流变性进行检测。在0.1～100 s-1剪切速率范围内，对样品的黏度进行检测；在0.1～100 rad/s角频率范围内，对样品的弹性模量G′、黏性模量G″和耗损角正切tanδ（G″/G′）进行检测。每个样品至少检测3 次，测量结果取平均值。

1.3.5 傅里叶变换红外光谱测定

将冻干的3 种不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶研磨成粉末，然后再分别与KBr（质量比1∶75）混合，研磨均匀后，压制成透明圆片（直径0.5 cm，厚度0.1 cm），采用红外光谱仪在4 000～400 cm-1波长范围内对3 种样品进行光谱扫描，分辨率为4 cm-1，经32 次扫描获得不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶红外光谱图。

1.3.6 乳液凝胶的制备

将不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶（质量分数4%）置于油脂体积分数为60%的油-水混合物中，采用高速剪切乳化机对混合物进行乳化处理，剪切速率为19 000 r/min，时间为3 min，制得不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定的乳液凝胶。将乳液凝胶置于20 mL透明玻璃瓶中，采用数码相机记录乳液凝胶样品在贮藏过程中的表观形貌。

1.3.7 CLSM观察

参考Ge Shengju等[23]方法，分别将尼罗蓝和尼罗红混合液（质量浓度0.01 mg/mL）加入3 种不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定的乳液凝胶中进行染色处理，采用CLSM观察乳液凝胶的微观形貌，尼罗蓝发射波长为488 nm，尼罗红发射波长为633 nm，观察乳液凝胶中不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶和油滴的分布情况，并对不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定的乳液凝胶的微观形貌进行拍照。

1.3.8 cryo-SEM观察

将10 μL不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定的乳液凝胶分别置于涂有导电胶的铜槽上，其余操作步骤和参数与不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶微观结构观察方法相同（1.3.3节）。

1.3.9 乳化指数的测定

参考Zhang Liang等[24]的方法，对不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定的乳液凝胶的乳化指数进行检测，采用乳化指数评价不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定的乳液凝胶在25 ℃条件下贮藏30 d的物理稳定性和乳化性能。不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定的乳液凝胶的乳化指数计算如式（3）所示：

式中：H1为乳液凝胶中乳化相的高度/cm；H2为乳液凝胶的高度/cm。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶的性质

2.1.1 不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶中TP的保留情况分析

如图1所示，不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶中TP的保留量和保留率与直链淀粉含量呈反比，随着直链淀粉含量的减少，玉米淀粉-TP凝胶中TP的保留量从66.33 mg/g增加至77.91 mg/g，TP保留率从82.81%增加至96.88%，说明直链淀粉分子和支链淀粉分子与TP的结合效率不同。TP主要由表儿茶素、表没食子儿茶素、表没食子酸酯和表没食子儿茶素没食子酸酯等单体构成[25]，因为儿茶素分子中芳香环结构不易进入玉米直链淀粉分子形成的螺旋空腔，因此，不易形成玉米淀粉/TP包容型复合结构。研究表明，TP与淀粉分子之间的羟基能通过氢键等非共价相互作用连接在一起[26]。与玉米直链淀粉分子相比，具有簇状分枝结构的玉米支链淀粉分子与TP单体通过氢键相互作用结合的效率更高，因此，随着直链淀粉含量的减少，淀粉凝胶中保留的TP反而呈现增加的趋势。

图1 不同直链含量玉米淀粉凝胶中TP的保留量和保留率Fig.1 Amount of retained TP in starch hydrogels with different amylose contents

2.1.2 微观结构

如图2所示，玉米淀粉-TP凝胶样品中较大的孔洞是凝胶经冻干处理而导致水分升华后形成，不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶的质地明显不同；随着直链淀粉含量的减少，玉米淀粉-TP凝胶的质地愈加粗糙，凝胶样品中孔洞的尺寸减小，孔洞的数量增加。这可能是因为不同直链含量玉米淀粉的分子结构不同，其与TP相互作用形成复合结构的类型不同；直链淀粉分子的长链可卷曲成左手单螺旋结构，螺旋内部则形成疏水空腔，具有较小极性端的客体容易进入螺旋空腔，与直链淀粉形成包容型复合物[27]；分子构型尺寸较大的多酚结构可能不会进入玉米淀粉螺旋内腔，此时多酚结构与玉米淀粉分子通过非共价相互作用形成非包容型复合结构。有研究表明，TP能与玉米淀粉分子发生氢键相互作用，在玉米淀粉分子中形成空间位阻效应，阻碍了玉米淀粉形成分子间氢键和分子内氢键，影响了玉米淀粉分子的构型[28]。此外，如图1所示，不同直链含量玉米淀粉中TP的保留量不同。研究表明，TP与玉米淀粉之间形成的氢键消耗了玉米淀粉-TP凝胶表面的羟基[13]，致使不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶的亲、疏水性不同。以上因素都会对不同直链含量的玉米淀粉-TP凝胶的微观结构产生影响。

2.1.3 淀粉-TP凝胶的流变学特性

如图3a所示，随着直链淀粉含量的增加，玉米淀粉-TP凝胶的黏度逐渐下降；此外，随着剪切速率从0.1 s-1增加至100 s-1，3 种不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶的黏度均发生明显下降，这是因为在剪切应力下，3 种玉米淀粉-TP凝胶的网络结构均发生解体，所以其黏度均表现为降低。如图3b所示，随着直链淀粉含量的增加，不同直链含量的玉米淀粉-TP凝胶的G′增加，表明HM-TP凝胶的弹性最大，CM-TP凝胶和WM-TP凝胶次之；此外，随着角频率增加，3 种玉米淀粉-TP凝胶G′的变化较小，说明3 种凝胶样品的频率依赖性较小，弹性较好。如图3c所示，随着直链淀粉含量的增加，不同直链含量的玉米淀粉-TP凝胶的G″减小，表明WM-TP凝胶和CM-TP凝胶的黏度较大，HM-TP凝胶次之。tanδ越大表明凝胶体系的流动性越强，反之凝胶体系的弹性越强。如图3d所示，根据tanδ随频率的变化可以看出，WM-TP凝胶和CM-TP凝胶表现出较高的黏性特征，而HM-TP凝胶则表现出较高的弹性特征。这可能是因为不同直链含量玉米淀粉与TP形成的凝胶网络结构不同，所以3 种玉米淀粉-TP凝胶呈现出的黏弹特性具有差异。

图3 不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶的流变性Fig.3 Rheological properties of starch-TP hydrogels with different amylose contents

2.1.4 红外光谱分析

如图4所示，通过不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶在特定波数范围内形成吸收峰强度的比值分析淀粉分子与TP相互作用的空间构型[29]，在波数1 047 cm-1和1 022 cm-1处吸收峰的强度反映了形成的短程有序结构淀粉分子和无定形结构淀粉分子的数量[30]。在本研究中，1 047 cm-1与1 022 cm-1处峰强度的比值（1 047/1 022值）反映了不同直链含量玉米淀粉分子与TP相互作用形成的有序性结构，研究发现，不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶的1 047/1 022值有所不同，1 047/1 022值与直链淀粉含量不是简单的线性关系。与CM相比，WM与TP形成凝胶的1 047/1 022值增大，这可能是因为WM与TP的羟基通过氢键相互作用形成有序结构的分子数量增加。Liu Bo等[29]采用红外光谱研究WM与咖啡酸的相互作用，发现添加咖啡酸使WM分子的1 047/1 022值增加，说明形成了WM-咖啡酸复合物，这与本研究结果相符。与WM相比，HM与TP形成凝胶的1 047/1 022值相对较大，这可能是因为直链玉米淀粉分子不仅能与TP形成有序结构，其自身还能排列形成有序的结构，所以HM与TP形成的凝胶1 047/1 022值相对较高。

图4 不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶的红外光谱图Fig.4 Infrared spectra of starch-TP hydrogels with different amylose contents

2.2 不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定乳液凝胶的微观结构

采用CLSM观察乳液凝胶中不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶和油滴的分布情况，如图5所示，随着直链淀粉含量的减少，玉米淀粉-TP凝胶（荧光标记为红色）稳定的乳液凝胶中油滴（荧光标记为绿色）的尺寸减小，并且形状趋于圆形，说明随着直链淀粉含量的减少，玉米淀粉-TP凝胶稳定乳液凝胶的能力增强。采用cryo-SEM分析不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶形成的网络基质与油滴之间的相互作用，与HM-TP凝胶相比，CM-TP凝胶和WM-TP凝胶稳定乳液凝胶中的基质网络明显细密，并且WM-TP凝胶在乳液凝胶中形成了有序的基质网络，增强了网络结构的稳定性，有助于形成稳定的乳液凝胶。

2.3 乳液凝胶的流变学特性

如图6a所示，随着直链淀粉含量的增加，玉米淀粉-TP凝胶的黏度逐渐下降；此外，随着剪切速率从0.1 s-1增加至100 s-1，3 种不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定乳液凝胶的黏度均明显降低，说明不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定的乳液凝胶均为假塑性流体，具有剪切稀释性。如图6b、c所示，随着直链淀粉含量的增加，玉米淀粉-TP凝胶稳定乳液凝胶的G′和G″均降低，说明WM-TP凝胶稳定乳液凝胶的黏弹性最大，而HM-TP凝胶稳定乳液凝胶的黏弹性则最小。如图6d所示，3 种玉米淀粉-TP凝胶稳定乳液凝胶的tanδ接近1，并且WM-TP凝胶＞CM-TP凝胶＞HM-TP凝胶，说明3 种玉米淀粉-TP凝胶稳定的乳液凝胶均形成了网络结构，其中由WM-TP凝胶稳定乳液凝胶形成的网络结构黏弹性最好，这与cryo-SEM观察结果相符。

图6 不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定乳液凝胶的流变性Fig.6 Rheological properties of emulsion gels stabilized by starch-TP hydrogels with different amylose contents

2.4 乳液凝胶的乳化指数

如图7所示，贮藏时间为1 d时，随着直链淀粉含量的减少，玉米淀粉-TP凝胶稳定乳液凝胶的乳化指数从65.20%增加至83.33%，对照样品为未添加TP的蜡质玉米淀粉凝胶稳定的乳液凝胶。贮藏30 d后，所有乳液凝胶样品的乳化指数均有所下降，HM-TP凝胶稳定乳液凝胶的乳化指数降至48.35%，WM-TP凝胶稳定乳液凝胶的乳化指数降至64.47%。贮藏前后WM-TP凝胶稳定乳液凝胶的乳化指数均为最高。然而在贮藏30 d后，对照样品发生油-水分离，乳液凝胶失去稳定性，乳化指数为0，这说明添加TP能够赋予玉米淀粉凝胶乳化性，有助于增强乳液凝胶的稳定性，其中，WM与TP形成的凝胶更适合用于稳定乳液凝胶。

图7 不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定乳液凝胶的乳化指数和表观形貌Fig.7 Emulsification index and appearance of emulsion gels stabilized by starch-TP hydrogels with different amylose contents

3 结论

采用TP分别与HM、CM和WM进行相互作用，研究不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶及其稳定的乳液凝胶的性质，结果发现随着直链淀粉含量的减少，玉米淀粉-TP凝胶的质地愈加粗糙，玉米淀粉-TP凝胶的黏度增加、Gʹ减小、G″增加，说明不同直链含量玉米淀粉分子与TP进行相互作用形成的空间结构不同。随着直链淀粉含量的减少，玉米淀粉-TP凝胶稳定乳液凝胶中的油滴尺寸明显减小，玉米淀粉-TP凝胶在油滴周围形成结构紧密的网络基质，能够阻碍油滴迁移，从而发挥稳定乳液凝胶的作用。经过长期贮藏，不同直链含量玉米淀粉-TP凝胶稳定的乳液凝胶均未发生油-水分离现象，说明乳液凝胶具有良好的物理稳定。本研究表明玉米淀粉-TP凝胶可以作为乳化剂和凝胶剂用于稳定食品级乳液凝胶，可为食品工业开发玉米淀粉基生物活性物质递送载体提供理论借鉴。