辛烯基琥珀酸淀粉酯分子結(jié)構(gòu)差異對其Pickering乳液釋放性能的作用機(jī)制

梁世濠，譚可宜，劉泳琪，周蘇斌，黃靄珺，司徒文貝

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642）

活性功能因子因?qū)C(jī)體有明顯的調(diào)節(jié)和保護(hù)作用而被大眾所喜愛，但由于加工儲(chǔ)藏過程水分、壓力以及人體消化道pH值、消化酶的影響，活性功能因子需要一定的載體材料進(jìn)行保護(hù)，才能確保其生理作用的發(fā)揮[1]。Pickering乳液是以超細(xì)粒子作為乳化劑而得的乳狀液，粒子吸附于油水界面可穩(wěn)定界面層，在功能因子保護(hù)與遞送方面有重要作用，是一種新型的包載體系[2]。組成Pickering乳液的膠體粒子極為重要，目前天然多糖、大豆蛋白、小麥蛋白、納米纖維素等常用作Pickering乳液的制備材料[3-6]。

在淀粉基載體材料中，改性淀粉、淀粉/脂復(fù)合物、淀粉/多糖復(fù)合物、淀粉納米晶等均可用于Pickering乳液的制備[2，7-9]。玉米淀粉、小米淀粉、芋頭淀粉、藜麥淀粉等也曾被選用，進(jìn)行酯化改性，制得Pickering乳液[10-13]。辛烯基琥珀酸淀粉酯（octenyl succinic anhydride starch，OSA-St）由于辛烯基琥珀酸基團(tuán)的引入，而帶有一定的電荷，能在溶液中形成膠束，常用作微膠囊壁材、乳化穩(wěn)定劑等[14]。有研究發(fā)現(xiàn)，辛烯基琥珀酸淀粉酯的乳化性隨著酯化取代度的提高而不斷增大，進(jìn)而影響其作為微膠囊壁材的乳化性能[15]。李志坤[7]曾利用不同晶型的原淀粉，制備OSA-St及其Pickering乳液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的馬鈴薯淀粉制得的OSA-St乳化性能更好，形成的Pickering乳液更穩(wěn)定。由此可見，受原淀粉結(jié)構(gòu)的影響，改性淀粉的結(jié)構(gòu)性能也會(huì)有所差別，進(jìn)而影響其Pickering乳液的包載、遞送性能。但從淀粉的鏈結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)到其聚集體結(jié)構(gòu)有多種的變化可能，以此為基礎(chǔ)，全面探討淀粉基Pickering乳液的研究較少。

針對原淀粉分子結(jié)構(gòu)差異對淀粉基Pickering乳液性能的影響，本文選用支叉結(jié)構(gòu)有差異的蠟質(zhì)玉米淀粉和普通玉米淀粉，配合高溫降解手段，分別制備OSA-St及其Pickering乳液，利用現(xiàn)代分析儀器，研究淀粉基載體材料分子結(jié)構(gòu)，探討材料微觀結(jié)構(gòu)對Pickering乳液性能、控釋行為的作用機(jī)制，為穩(wěn)定的Pickering乳液制備及其釋放性能調(diào)控提供參考，也為合理利用淀粉基載體材料提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）（分析純）：廣州化學(xué)試劑廠；普通玉米淀粉、蠟質(zhì)玉米淀粉：河北古松農(nóng)副產(chǎn)品有限公司；玉米油：嘉里糧油（中國）有限公司；α-淀粉酶（12 U/mg）、胃蛋白酶（3 000 U/g）、胰蛋白酶（4 000 U/g）、糖化酶（100 U/mg）：廣東皖冬生物科技有限公司；其它試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

ME204/02紅外水分測定儀：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；MCR502流變儀：奧地利安東帕公司；Scientz-D超聲波細(xì)胞破碎儀：寧波新芝生物科技有限公司；Vertex 70傅里葉紅外光譜儀：美國布魯克公司；DV2T黏度計(jì)：美國博勒飛公司；ZS90納米粒度及Zeta電位分析儀：英國馬爾文儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 OSA-St的合成與降解

稱取8.0 g淀粉（干基）溶于200 mL蒸餾水，控制溫度35℃，用2%氫氧化鈉調(diào)節(jié)淀粉乳pH值至9.0，分別滴加 0.7、1.4、2.1、2.8、3.5、5.0、6.5 g 和 8.0 g OSA，并立即計(jì)時(shí)，反應(yīng)過程中持續(xù)滴加2%氫氧化鈉，維持反應(yīng)體系pH值為9.0，反應(yīng)4 h后加入冰醋酸調(diào)節(jié)反應(yīng)體系pH值至7.0，結(jié)束反應(yīng)。淀粉乳液用布氏漏斗抽濾，獲得濾餅，并水洗3次，45℃烘干12 h，粉碎過100目篩，備用。用酸堿滴定法測定OSA-St的取代度（degree of substitution，DS）[15]，取代度計(jì)算公式如下。

式中：0.162為葡萄糖殘基的摩爾質(zhì)量，g/mmol；0.21為辛烯基琥珀酸酐的摩爾質(zhì)量，g/mmol；A為每克辛烯基琥珀酸淀粉酯消耗0.1 mol/L氫氧化鈉的物質(zhì)的量，mmol；c為氫氧化鈉的濃度，0.1 mol/L；V 為消耗0.1 mol/L氫氧化鈉的體積，mL；w為辛烯基琥珀酸淀粉酯樣品的質(zhì)量，g。

根據(jù)原淀粉來源不同，蠟質(zhì)玉米淀粉（Waxy）和普通玉米淀粉（Corn）制得的辛烯基琥珀酸淀粉酯，分別命名為OSA-Waxy和OSA-Corn。當(dāng)辛烯基琥珀酸淀粉酯DS分別為0.01、0.02、0.03時(shí)，對應(yīng)的淀粉樣品分別命名為 OSA-Waxy-0.01、OSA-Waxy-0.02、OSA-Waxy-0.03 和 OSA-Corn-0.01、OSA-Corn-0.02、OSA-Corn-0.03。

稱取適量OSA-St在150℃下進(jìn)行熱降解2 h，得到高溫降解的淀粉樣品[15]，根據(jù)原淀粉不同，分別命名為OSA-Waxy-HD和OSA-Corn-HD。當(dāng)?shù)矸蹣悠稤S為0.01、0.02、0.03時(shí)，具體的淀粉樣品命名為OSAWaxy-1-HD、OSA-Waxy-2-HD、OSA-Waxy-3-HD 和OSA-Corn-1-HD、OSA-Corn-2-HD、OSA-Corn-3-HD。未經(jīng)任何處理的原淀粉，按淀粉來源分別命名為Native-Waxy和 Native-Corn。

1.3.2 OSA-St的結(jié)構(gòu)性能測定

1.3.2.1 OSA-St的鏈結(jié)構(gòu)測定

上述制備的淀粉樣品，其鏈結(jié)構(gòu)運(yùn)用傅里葉紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR）進(jìn)行測定。試驗(yàn)采用溴化鉀壓片法測定。將樣品與一定量溴化鉀混合、研磨、壓片，以空氣為背景，掃描范圍為 4 000 cm-1～ 600 cm-1，分辨率為 4 cm-1，掃描 16 次，所得譜圖進(jìn)行基線校正處理。

1.3.2.2 OSA-St的黏度測定

對于上述制備的淀粉樣品黏度進(jìn)行測定，將OSA-St配制成一定濃度的淀粉乳，經(jīng)沸水浴糊化30min后，在25℃下，利用黏度計(jì)，在轉(zhuǎn)速30 r/min下測定其黏度。

1.3.3 淀粉基Pickering乳液的制備與性質(zhì)測定

稱取0.002 g OSA-St溶于2 mL蒸餾水中，加入105 μL玉米油，并用超聲波細(xì)胞破碎儀超聲2 min，使乳液均勻、無沉淀，制成Pickering乳液。將制得的Pickering乳液用去離子水稀釋至濃度為1%，分散均勻后測定粒徑及Zeta電位。

1.3.4 淀粉基Pickering乳液的消化性能測定

參考余振宇[12]的方法，制備口腔消化模擬液（simulated saliva fluid，SSF）、胃消化模擬液（simulated gastric fluid，SGF）和小腸消化模擬液（simulated intestinal fluid，SIF）。取4 mL乳液樣品于離心管，加入4 mL SSF，混合、調(diào)節(jié)混合液pH值為6.8，加入0.5 mL溶有α-淀粉酶（11.6 mg/mL）的溶液，37℃、100 r/min振蕩10 min，以模擬口腔消化。取10 mL經(jīng)過模擬口腔消化10 min后的消化液，調(diào)整pH值至1.5，加入5 mL SGF及胃蛋白酶溶液（64 mg/mL），37℃、100 r/min振蕩 1 h，以模擬胃液消化。乳液樣品經(jīng)過模擬胃液消化后，調(diào)節(jié)pH值至7.0，加入15 mL SIF及0.5 mL含有胰蛋白酶（66 mg/mL）和糖化酶（42 mg/mL）的溶液，37℃、100 r/min條件下振蕩，以模擬小腸消化[12]。在消化過程 10、40、70 min 和 120 min，滴入 0.2 mol/L NaOH 溶液，維持溶液pH值為7.0，以滴定消耗的NaOH溶液體積，按下列公式計(jì)算乳液游離脂肪酸（free fatty acids，F(xiàn)FA）釋放率。

式中：Vt為時(shí)間t所消耗的NaOH溶液體積，mL；C為NaOH濃度，0.1 mol/L；M油脂為油脂的平均分子質(zhì)量，g/mol；M乳液為乳液中油脂質(zhì)量，g。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 21.0軟件分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)差異性采用單因素方差分析處理，p＜0.05表示具有顯著差異，試驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 OSA-St的合成與表征

不同酸酐用量對OSA-St取代度的影響見圖1。

由圖1可知，在合成過程中，OSA-St的DS隨著OSA添加量的增加呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)辛烯基琥珀酸酐用量從0.7 g增加6.5 g，淀粉OSA-Waxy的DS從0.004逐漸增至0.064，淀粉OSA-Corn的DS從0.006逐漸增至0.042。

因?yàn)樾料┗晁狒昧康脑黾邮沟矸鄯肿优cOSA之間的結(jié)合增加，促進(jìn)酯化取代反應(yīng)的進(jìn)行，淀粉分子上更多的羥基被取代，從而使DS增大[14]。另外，淀粉OSA-Corn的DS值在OSA添加量為3.5 g時(shí)達(dá)最大值，淀粉OSA-Waxy的DS在OSA添加量為6.5 g時(shí)達(dá)最大值。這是由于蠟質(zhì)玉米淀粉的支鏈含量高，可提供更多的參與酯化反應(yīng)的作用位點(diǎn)[15]。

對淀粉樣品的鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，不同辛烯基琥珀酸淀粉酯的FTIR見圖2。

由圖2可知，蠟質(zhì)玉米淀粉和普通玉米淀粉均在波數(shù)為3 500 cm-1處有特征吸收峰，這是由葡萄糖基上O-H的伸縮振動(dòng)和C-H的伸縮振動(dòng)生成的；此外，原淀粉顆粒在波長1 750 cm-1處有特征吸收峰，分析這是由淀粉中殘存的結(jié)合水導(dǎo)致；原淀粉顆粒在波數(shù)為929 cm-1和1 157 cm-1處均有特征吸收峰，分析是由C-O的伸縮振動(dòng)導(dǎo)致的[14]。

與原淀粉相比，OSA-Waxy和OSA-Corn在1727cm-1和1 574cm-1處均出現(xiàn)了新的特征峰，分析1 574 cm-1處特征峰的出現(xiàn)是由于RCOO-的不對稱伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，1 727 cm-1處特征峰的出現(xiàn)是由位于酯羰基C＝O的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，表明OSA基團(tuán)與淀粉發(fā)生了酯化反應(yīng)。且隨著DS的升高，C＝O的伸縮振動(dòng)峰的峰強(qiáng)升高。

2.2 高溫降解對OSA-St分子結(jié)構(gòu)的影響

高溫降解對OSA-St分子結(jié)構(gòu)的影響見圖3。

由圖3可知，盡管淀粉原料有差異，但不同DS的OSA-St經(jīng)高溫降解處理后在1 724 cm-1處仍出現(xiàn)C＝O伸縮振動(dòng)吸收峰，并且此峰的強(qiáng)度隨著DS的提高而增強(qiáng)。同時(shí)，在1 637 cm-1和578 cm-1處分別出現(xiàn)了C＝C對稱伸縮振動(dòng)吸收峰和-CH2-CH2-的伸縮振動(dòng)吸收峰，且強(qiáng)度隨著DS的提高而增強(qiáng)。與高溫降解前相同DS的OSA-St紅外特征吸收峰相同，表明在淀粉分子鏈中引入的OSA基團(tuán)，不會(huì)在高溫降解過程中發(fā)生改變和脫落[14]。

淀粉作為乳液的載體材料，其尺寸結(jié)構(gòu)對乳液的性能有著重要影響。OSA基團(tuán)具有一定的空間位阻，可增大改性淀粉材料的分子移動(dòng)阻力，同時(shí)，高溫降解會(huì)使淀粉分子鏈發(fā)生斷裂，不同的鏈段長短，均會(huì)引起淀粉乳液的黏度改變。高溫降解前后OSA-St乳液的黏度變化見圖4。

由圖4A可知，與原淀粉相比，酯化改性使淀粉乳液黏度的增大，其中，淀粉OSA-Waxy的DS達(dá)0.02時(shí)，淀粉乳液黏度達(dá)最大值，OSA-St在堿性條件下合成，淀粉結(jié)晶區(qū)域被水解，更多的淀粉鏈段參與反應(yīng)，而OSA-St中引入長碳鏈基團(tuán)后，OSA基團(tuán)的空間位阻降低淀粉分子鏈段的移動(dòng)性，使淀粉乳液黏度增加。對于不同淀粉原料得到的OSA-St，由于蠟質(zhì)玉米淀粉中支鏈淀粉含量高，淀粉支叉結(jié)構(gòu)具有一定的空間體積，呈“簇狀”[14]，淀粉OSA-Waxy的黏度高于淀粉OSA-Corn。

而高溫降解后的OSA-St黏度均大幅度降低，需增大淀粉乳液的濃度以測定其黏度（圖4B）。高溫處理過程中，淀粉分子鏈斷裂，分子量急劇降低，形成的分子鏈較短，削弱了分子鏈間的氫鍵作用，淀粉分子鏈在乳液中游移的阻力降低，從而降低淀粉乳液的黏度[15]。高溫降解，淀粉分子鏈隨機(jī)斷裂，與支鏈淀粉含量相對較低的普通玉米淀粉相比，OSA-Waxy-HD仍保留有一定的支叉結(jié)構(gòu)，從而使OSA-Waxy-HD淀粉乳液的黏度較高[15]。DS在0.01～0.02時(shí)，OSA-Waxy-HD均高于淀粉OSA-Corn-HD，當(dāng)DS為0.03時(shí)，OSA-Corn-HD的黏度則高于OSA-Waxy-HD，這是由于DS增大，OSA-Corn-HD的淀粉分子鏈段受OSA基團(tuán)空間位阻的影響，分子鏈段移動(dòng)的阻力增加，因此，DS升高后，OSA-Corn-HD的黏度高于OSA-Waxy-HD。

2.3 淀粉基Pickering乳液的粒徑、表面帶電情況

淀粉基Pickering乳液的粒徑、表面帶電情況見圖5。

由圖5A可知，兩種淀粉基的Pickering乳液粒徑隨著DS的增加而逐漸減小，OSA-Corn-HD Pickering乳液的變化較為明顯。當(dāng)?shù)矸埘サ腄S分別在0.01、0.02和0.03時(shí)，OSA-Waxy-HD Pickering乳液粒徑分別為 268.7、262.6、248.5 nm，而 OSA-Corn-HD Pickering乳液粒徑分別為436.9、298.1、290.1 nm。

在改性過程中，淀粉分子引入帶長碳鏈的OSA基團(tuán)可形成疏水界面，隨著DS的增加，淀粉顆粒表面疏水性增強(qiáng)，淀粉顆粒陷入油滴中的體積增加，增大淀粉顆粒與油滴的接觸面積，從而穩(wěn)定Pickering乳液液滴所需的顆粒更少，因此Pickering乳液液滴的粒徑更小[16]。由圖5B可知，OSA-Waxy-HD和OSA-Corn-HD的Pickering乳液均帶負(fù)電，且隨著DS提高，表面電荷增大。當(dāng)?shù)矸埘サ腄S分別在0.01、0.02和0.03時(shí)，OSA-Waxy-HD Pickering乳液電位分別為-26.6、-29.4、-33.4 mV，而OSA-Corn-HD Pickering乳液電位分別為-26.9、-31.6、-36.0 mV。這與OSA-St在堿性條件下合成含帶負(fù)電的烯基基團(tuán)，致使淀粉基Pickering乳液帶負(fù)電有關(guān)[17]。

2.4 淀粉基Pickering乳液的消化性能

乳液經(jīng)過SSF和SGF后進(jìn)入SIF消化，在小腸階段消化、產(chǎn)生FFA。淀粉基Pickering乳液的消化性能見圖6。

由圖6可知，消化時(shí)間為10 min時(shí)，隨著DS的增加，OSA-Corn-1-HD、OSA-Corn-2-HD、OSA-Corn-3-HD的FFA釋放率分別為21.43%、25.71%、30.00%；OSA-Waxy-HD的FFA為21.43%，在消化初期（10min）FFA的釋放率迅速增加。消化時(shí)間為40 min和70 min時(shí)，同一取代度的OSA-Corn的FFA釋放率比OSA-Waxy快。在120min時(shí)，隨著DS提高，OSA-Corn-1-HD、OSACorn-2-HD、OSA-Corn-3-HD的FFA釋放率分別為42.86%、45.00%、47.14%；OSA-Waxy-1-HD的FFA釋放率為42.86%，其余兩組均為47.14%。

在模擬消化液中，淀粉基Pickering乳液的FFA釋放受各種消化酶影響。其中，Pickering乳液在模擬消化液中與消化酶接觸，相同條件下，隨著DS的提高，乳滴粒徑變小，更有利于酶的結(jié)合，從而促進(jìn)油脂的消化，乳液的FFA釋放量增加[18-19]。受淀粉基Pickering乳液表面的負(fù)電荷影響，隨著DS增加，乳液液滴之間靜電排斥更大而不易聚集，從而也增大了乳液液滴與酶的結(jié)合作用[20]。但是，淀粉基Pickering乳液的FFA釋放也與pH值變化有關(guān)。在消化過程中，淀粉基Pickering乳液在口腔中停留時(shí)間較短，淀粉材料雖受淀粉酶的作用，但淀粉基Pickering乳液仍保持原有的粒徑與形態(tài)。在胃液中由于高離子強(qiáng)度和低pH值，H+與帶負(fù)電荷的Pickering乳液間發(fā)生作用，引起Pickering乳液不穩(wěn)定。DS較小的淀粉基Pickering乳液容易因表面電荷情況改變而發(fā)生聚集，高DS的Pickeirng乳液因靜電排斥更大而更穩(wěn)定。在進(jìn)入模擬小腸液后，聚集的淀粉基Pickering乳液隨聚集程度增大，粒徑增大，比表面積減小，從而減緩了FFA的釋放量[21]。所以，此階段高DS的淀粉基Pickering乳液受前一階段的靜電排斥作用影響，比表面積較大而有利于胰脂肪酶的結(jié)合，進(jìn)而釋放更多FFA。

同時(shí)，受淀粉基材料的消化性能影響，不同的淀粉基Pickering乳液的控釋性能有所差異。在淀粉分子結(jié)構(gòu)中成功引入OSA基團(tuán)后，OSA基團(tuán)可形成一定空間位阻，阻礙淀粉酶與淀粉的結(jié)合，抑制淀粉酶對淀粉的降解，因此，隨著DS的增加，淀粉抗消化能力增強(qiáng)，有利于提高淀粉基Pickering乳液的穩(wěn)定性[22]。對比兩種淀粉原料，OSA-Waxy-HD的支鏈淀粉含量更高，淀粉酶對直鏈淀粉中α-1，4-糖苷鍵的水解速率要高于支鏈淀粉的α-1，6-糖苷鍵，受淀粉酶解速度的影響，OSA-Corn-HD Pickering乳液釋放FFA速度比OSAWaxy-HD Pickering 乳液更快[23]。

結(jié)合淀粉材料的結(jié)構(gòu)及淀粉基Pickering乳液性能的分析，選擇具有一定支叉結(jié)構(gòu)的淀粉基材料，有利于脂溶性功能因子高效生物利用。同時(shí)，在模擬消化過程中，可避免脂溶性成分的快速釋放與消化，為脂溶性功能因子胃腸道靶向控釋提供基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)功能因子的生物高效利用，探討OSA-St的分子結(jié)構(gòu)差異對其Pickering乳液性能的影響，本研究制備一系列的OSA-St，通過調(diào)整酸酐用量及高溫降解、調(diào)控淀粉材料的分子結(jié)構(gòu)，為淀粉基Pickering乳液的穩(wěn)定提供基礎(chǔ)。結(jié)果表明，隨著DS的增加，淀粉基Pickering乳液粒徑減小、表面負(fù)電荷增多。同時(shí)，受原淀粉分子結(jié)構(gòu)及性能影響，支叉結(jié)構(gòu)數(shù)量較多的OSA-Waxy-HD形成的Pickering乳液穩(wěn)定性不佳。另外，在乳液消化過程中，隨DS的增加，淀粉基Pickering乳液的帶電性提高，顆粒尺寸下降，可有效避免脂溶性成分在胃腸道的快速釋放，為脂溶性功能因子胃腸道靶向控釋提供基礎(chǔ)。