纳米淀粉基皮克林乳液的研究进展

阮少龙，周建伟，高 德，徐恩波，叶兴乾，刘东红

乳液是两种互不相溶液体短时平衡稳定存在的多相体系，其中一相以液滴形式均匀分散在另一相中，从而表现为悬浮液特征，一般可分为水包油型（O/W）和油包水型（W/O）。作为一种在热力学上依赖时间而变化的亚稳态体系，乳液具有自发分层的趋势，需通过添加合适的外源试剂来增强其稳定性[1-2]。早在20世纪初，Ramsden 和Pickering 就相继提出可以采用添加微米级或纳米级固体颗粒的形式来强化乳液，即通过颗粒吸附于油水界面，从而促使乳液稳定，后来人们将这种类型的乳液命名为Pickering 乳液（皮克林乳液）[3-5]。因固体颗粒具有较高的自由能，故相比于由小分子表面活性剂起稳定作用的传统乳液，皮克林乳液可通过固体颗粒在油水界面形成强有力的物理屏障，避免发生液滴聚结和奥氏熟化，从而具有更好的稳定性[6]。在食品与医药领域，皮克林乳液已广泛应用于功能性营养物质的包埋和递送[7-9]。

基于健康和绿色生活理念导向，采用食品级固体颗粒稳定皮克林乳液的策略日益受到关注，皮克林乳液固体颗粒的相关研究热点已逐渐从无机态（二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙等微粒）转向有机态（碳水化合物、蛋白质、脂类及其衍生物）[10]。淀粉是自然界来源仅次于纤维素的天然高分子聚合物，广泛存在于各种谷物中，具有可生物降解、可再生、成本低、无毒害、生物相容性好等优点。纳米淀粉是以天然淀粉为原料，采用酸解、超声、研磨、纳米沉淀、螺杆挤压等物理化学方法对天然淀粉进行尺度解聚、转化和功能改性后制得的粒径在1～1 000 nm 的纳米级淀粉晶粒[11]，包括纳米淀粉晶（Starch nanocrystal，SNC）和纳米淀粉颗粒（Starch nanoparticle，SNP）[12]。不同植物来源的天然淀粉在结构和性质上存在差异，经物理、化学方法改性后可以制得具有特殊功能特性的纳米淀粉[13]。本文综述纳米淀粉的制备方法及其皮克林乳液的稳定机制，介绍纳米淀粉基皮克林乳液在食品领域的应用。

1 纳米淀粉的加工与制备

1.1 基于淀粉粒径尺寸减小的制备策略

1.1.1 酸水解纳米淀粉 酸水解纳米淀粉是指在酸（HCl，H2SO4）作用下淀粉发生水解反应，从而形成纳米级结构。淀粉支链的纳米晶薄片聚合层具有极强的抗酸性，故酸水解主要作用于淀粉颗粒的无定型区，其产物为SNC[14]。该过程分为两步（图1）：无定形区的快速水解和结晶区的缓慢水解。其反应机制则有两种理论释义：一是结晶区中糖苷键水解依赖于葡萄糖分子的构象变化（椅式到半椅式），而结晶区的致密空间结构限制了有效构象转变；二是由于高度有序的结晶区比无定型区更难水解，氢离子H+无法轻易进入并攻击结晶区[15]。

图1 酸水解生成SNC 的结构变化机理示意图Fig.1 Schematic diagram of the structural change mechanism of forming SNC through acid hydrolysis

酸解法作为一种制备SNC 的传统方法，反应时间较长、产率低，故常与其它改性方式（超声、湿热、酶处理等）联用。Dai 等[16]在水解生蜡质玉米淀粉前先进行湿热处理，破坏淀粉颗粒的致密表面，从而制备出高度结晶的SNC。结果表明，当酸解温度为99.2 ℃、处理时间1.8 h 与水分含量18.2%时，玉米淀粉的结晶度可高达42.44%，且淀粉表面出现许多空洞和裂缝，使得酸水解更加容易进行。经过湿热处理的淀粉酸水解4 d 后产率约为26.7%（未经湿热处理水解5 d 的对照仅为15.7%）。Gonçalves 等[17]对比酸水解和超声改性的南洋杉种子淀粉，发现超声淀粉更接近天然状态，而酸水解淀粉的溶解度、吸湿性和透明度则显著增加。Hao 等[18]采用酶解辅助酸水解制备蜡质土豆淀粉，对比发现葡萄糖淀粉酶预处理可以明显缩短酸解时间，增加淀粉结晶度（从33.0%升高到50.8%），其粒径分布在50～100 nm。

1.1.2 超声纳米淀粉 超声波作用于淀粉溶液时会发生空化并促进微泡形成，其破裂所释放能量会造成强力冲击从而诱生瞬时高温高压态，促使淀粉颗粒结构和化学键的破坏，生成纳米级尺度的淀粉[19]。Haaj 等[20]以蜡质玉米淀粉为原料，在无添加任何化学试剂的前提下，采用单纯的高强度超声处理（20 kHz，75 min）制备了粒径约为40 nm的SNP，并将其用于皮克林乳液的制备（室温下仍能保持稳定6 个月）。经研究，超声法结合酸解、氧化、湿热等处理淀粉效果更显著。Shabana 等[21]分别以超声和酸解辅助超声处理马铃薯淀粉，结果表明单纯超声处理后的淀粉粒径约为80 nm，而酸解辅助超声SNP 约为40 nm。Sun 等[22]以蜡质玉米淀粉为原料，采用超声氧化循环法制备的SNP粒径在20～60 nm。

1.1.3 沉淀生长纳米淀粉 沉淀法（Precipitation）是基于淀粉溶液中沉淀剂的引入，诱导淀粉溶解度降低，从而使得淀粉颗粒过饱和析出，形态发生转变。如图2所示，该过程一般分为4 步：过饱和、成核、生长、聚结[23]。沉淀法工艺相对简单可控，通过调节淀粉溶液和沉淀剂（如乙醇）的比例、淀粉浓度、反应温度和搅拌速率制备出目标SNP[24]。与传统酸水解相比，沉淀法更加环保、高效。Saari 等[25]将8 mg/mL 的淀粉溶液以1∶1 的比例和乙醇混合，制备出粒径100～200 nm SNP，其稳定的乳液不易絮凝、液滴尺寸为10～30 μm。王然[26]以乙醇作为沉淀剂，首次将醇沉法和OSA 改性相结合制备纳米淀粉酯。通过研究纳米淀粉酯添加量、pH值和离子强度对皮克林乳液稳定性的影响，发现当添加量2%、体系pH 6 和KCl 浓度为0.005 mol/L 时乳液分散相液滴最小、体系最稳定。

图2 沉淀生长纳米淀粉机制示意图Fig.2 Schematic diagram of generation of nanostarch through precipitation

1.1.4 介质研磨纳米淀粉 介质研磨法是通过介质对淀粉颗粒进行挤压、碰撞、剪切和摩擦使其粉碎，导致晶体结构遭到破坏并生成纳米级淀粉。其性质与淀粉种类、磨珠种类和大小、转速、时间、淀粉浓度等均有一定关系[19]。Patel 等[27]以玉米淀粉为原料，通过介质研磨法成功制备出粒径100～800 nm SNP。结果表明，研磨时间和淀粉颗粒稳定性呈正相关，研磨时长90 min 所制得的SNP 在室温下贮藏7 d 后粒径没有发生明显变化。Lu 等[28]以普通玉米淀粉为原料，通过介质研磨法制得SNP（研磨25 h 后的纳米淀粉颗粒粒径约为700 nm），所制皮克林乳液液滴尺寸100～900 μm，随着淀粉溶液浓度和研磨时间的增加，乳液液滴尺寸下降。

1.1.5 螺杆挤压纳米淀粉 螺杆挤压（Screw extrusion） 是将具有多组螺杆单元配置与宽幅调控操作参数的挤压机作为功能反应器，促使淀粉物料经过螺杆剪切、混合与重组，同时在高热高压环境下对淀粉进行输送、反应、挤出以达到功能改性目的[29-30]。挤压过程中，淀粉直链和支链的分子内或分子间氢键遭到破坏，造成淀粉超分子聚合体结构破碎、糊化、熔融，其分子质量降低并生成微纳米淀粉。螺杆挤压法制备SNP 通常会引入交联剂促使螺杆做功增加，扭矩和机械能升高，物料受剪切作用相对增强，从而导致SNP 粒径减小。Song等[31]采用螺杆挤压交联法制备SNP，发现在100℃，不添加乙二醛的条件下制备的SNP 粒径约为300 nm，而在75 ℃、添加2%的乙二醛时其粒径约为160 nm，说明乙二醛对SNP 粒径的减小效果显著。陈启杰等[32]使用双螺杆挤压机制备玉米纳米淀粉也有类似发现，随着乙二醛添加量从0%增加到2%，SNP 粒径从1 356.8 nm 降至225.8 nm。

1.2 基于淀粉基团改性的制备策略

天然淀粉是亲水性大分子，其表面含有许多羟基（-OH），难以在油/水界面定向吸附而形成稳定乳液。辛烯基琥珀酸酐（Octenyl succinic anhydride，OSA）可与淀粉进行酯化反应，增加淀粉的疏水性，生成具有双亲性的OSA 淀粉酯[33]，经GB 2760-2014《国家食品安全标准食品添加剂使用标准》认证，OSA 淀粉酯具有稳定皮克林乳液的功能，是良好的食品级固体颗粒添加剂[26]。OSA 淀粉酯取代度（Degree of substitution，DS）一般需限定在3%以内，此时便可作为一种可外源食品添加成分[34]。

钱鑫等[35]制备出经过OSA 改性的不同取代度（DS 0.75%～2.67%）的蜡质玉米淀粉（OSA-WS）并用于稳定皮克林乳液，结果表明OSA 在未改变淀粉晶型及未破坏淀粉聚合结构的前提下成功接枝到淀粉链基团上，随着OSA 质量分数增大，改性淀粉的DS 也随之升高。通过OSA-WS 起乳化作用的皮克林乳液的稳定性和DS 呈正相关，当DS为2.67%时所制备的皮克林乳液的液滴尺寸最小，贮藏90 d 后液滴尺寸仍然小于40 μm，稳定性最佳。Li 等[36]发现通过粒径1.4 μm OSA 藜麦淀粉作稳定剂的皮克林乳液，其液滴尺寸在9～70 μm之间，且贮藏7 d 后液滴没有明显的尺寸变化。

2 纳米淀粉颗粒对皮克林乳液的稳定与调控

淀粉颗粒稳定皮克林乳液的综合效应取决于润湿度、自由能和淀粉颗粒表面电荷、尺寸、浓度及改性程度等因素。润湿度（Wettability）是指球状颗粒在水/油界面三相接触角的角度，三相接触角类似于表面活性剂的亲水亲油平衡值（Hydrophile-lipophile balance，HLB）[37]，可作为衡量颗粒双亲性的一项重要指标（如图3）。淀粉颗粒的双亲性与淀粉的种类与来源、颗粒形状、两相的性质和改性程度也有一定关系。当颗粒的疏水性或亲油性较强时，处于油相中的体积较大，三相接触角＞90°，反之则＜90°，理论上当三相角=90°时，颗粒稳定乳液的效果最佳，而具有强亲水或疏水性的粒子无法形成稳定的皮克林乳液[38]。由于淀粉颗粒形状各异，三相接触角无法真实反映出SNC 等不规则几何构型颗粒的双亲性。

图3 三相接触角示意图Fig.3 Three-phase contact angle diagram

纳米淀粉基皮克林乳液的稳定机制在于颗粒在油水界面的定向吸附并形成物理能障，因而纳米淀粉颗粒在油水界面的吸附行为会直接影响乳液的稳定与功能特性。皮克林乳液作为热力学不稳定体系，油水相具有自发分离的倾向性，该过程需要克服一定的自由能，因此通常将颗粒脱离油水界面所需要的能量（E）定义为皮克林乳液的自由能（Free energy）[39]。自由能的大小不仅取决于纳米淀粉颗粒的性质，也与油水界面的状态密不可分，通常可以用以下方程表示：

其中R、γow、θ 分别表示颗粒半径、油/水界面张力、三相接触角。这表明其它参数不变的情况下，当θ=90°时自由能最高。研究表明，三相接触角偏离0°或180°的度数决定颗粒自身热力学低于其自由能的程度，故从能量角度考虑，纳米淀粉粒子在油水界面的吸附可视为不可逆吸附[40]。

一般用于稳定皮克林乳液的颗粒粒径远小于乳液液滴，但后者尺寸会随着颗粒粒径的降低而减小[37]。根据Eq（1），理论上纳米淀粉颗粒粒径越小，其自由能越低，易脱离界面发生自团聚而失稳。然而，Ge 等[41]以马铃薯、木薯和玉米淀粉为原料制备SNP（粒径50～700 nm），发现相比于粒径过大或过小的SNP（三相接触角不同程度偏离90°），粒径分布在100～220 nm 间的SNP 皮克林乳液（三相接触角接近90°）具有更好的稳定性。因此，SNP 的粒径尺寸极大地影响其在油水界面的吸附性，对于不同乳液体系的最适SNP 粒径分布也未有统一标准。

在淀粉尺寸调控的基础上，适当改性也可以修饰其表面甚至内部的理化性质[42-43]。Wang 等[44]分别以3%和20%的NaOH 作为催化剂，制备出取代度相同的OSA 改性大米淀粉（OS-RS）。结果表明，OS-RS 3（3% NaOH 催化）表面拥有较多疏水基团，在油水界面形成致密结构，具有较好的贮藏稳定性。而OS-RS 20（20% NaOH 催化）的颗粒内部结构遭到更强烈的破坏，使得更多OSA 基团进入颗粒内部而均匀分布，从而形成更加紧密的具有物理冲击抗性的耐剪切液滴网状结构。

除此之外，淀粉颗粒表面的带电状况也直接影响其在油水界面的稳定性。通常当表面电位（Zeta 电位）的绝对值＞30 mV 时，颗粒之间的静电斥力较大，可以保持静电稳定状态；若表面电位绝对值＜15mV 时，则易发生聚结或絮凝[45]。然而，颗粒稳定性并不完全与表面电荷大小呈正相关，Ridel 等[46]发现当二氧化硅颗粒间静电斥力太大时会阻碍颗粒在界面的吸附，进而降低乳液稳定性。同时，颗粒表面电荷还受pH 值、离子强度和黏度等环境因素影响[47]。此外，淀粉颗粒浓度对乳液的微观结构和流变性质也影响较大[48]。研究表明，低浓度淀粉在液滴表面吸附率不高，无法在油水界面形成致密排列，导致液滴相互聚结、表面不能充分包裹，形成大尺寸液滴，而颗粒浓度的升高则会降低液滴尺寸，这种现象被称为“有限聚结”（Limited coalescence）[49-50]。Tsabet 等[51]发现淀粉浓度升高会形成更小且更稳定的乳液液滴，然而稳定效率（即液滴表面实际颗粒覆盖率和理论最大覆盖率的比值）却有所下降。当增大淀粉颗粒浓度直至在油水界面吸附过饱和后，多余的淀粉颗粒可在油水界面多层吸附或在分散相中形成三维凝胶网状结构，增强液滴的抗聚结能力和乳液稳定性。

3 纳米淀粉基皮克林乳液在食品领域的应用

3.1 生物活性物质载体

消费者对具有健康益生作用的功能活性物质的需求日渐增长，例如各种酚类化合物、抗氧化剂、益生菌、维生素和多不饱和脂肪酸等[52]。然而，大多数生物活性分子的理化稳定性差，易在食品加工或体内消化过程中遭受破坏。因此，物理包埋作为封装生物活性成分的最常用策略之一，可以有效保护其在抵达人体的目标吸收位点前失效[53-55]。

近年来，除多糖、蛋白质或脂类等包埋载体外，乳液用于生物活性成分的包埋和递送逐渐受重视并显现优势。纳米淀粉颗粒具有独特的纳米效应和较好的生物相容性，可以在油水界面形成刚性多孔结构即物理缓冲带[56-57]，因而表现出优良的生物适用性和稳定性。许多研究表明，纳米淀粉基皮克林乳液可开发成为多功能生物活性物质载体，其稳定和包埋机制如图4所示。Marefati 等[58]使用经OSA 改性的藜麦淀粉基皮克林乳液作为包埋姜黄素的载体，模拟其在人体内的消化吸收代谢，结果表明姜黄素在肠道内的吸收率高达86.3%。Ahmad 等[59]将碱浸法提取出的七叶树、菱角、莲花茎淀粉颗粒用于儿茶素的包埋，发现七叶树和莲花茎淀粉的包埋率较高（分别为57.09%和55.00%）。通过适当的理化改性可制备出具有不同稳定性或消化性的淀粉颗粒，这使得纳米淀粉基皮克林乳液具有极大的应用潜能[60]。

图4 纳米淀粉基皮克林乳液包埋功能活性物质示意图Fig.4 Diagram of nanostarch-based Pickering emulsion embedded with bioactive compound

3.2 油脂抗氧化剂和食品添加剂

乳液的加工和贮藏中，油脂氧化所导致的腐败变质会影响食品的外观和口感[61]。乳液中油脂的氧化主要发生在油水界面，而纳米淀粉基皮克林乳液的油水界面具有微淀粉颗粒排列组成的高强度物理屏障，阻隔氧气侵入，且某些颗粒还具有吸附、清除自由基的功效，能极大增强油脂的抗氧化性[62]。目前纳米淀粉基皮克林乳液对油脂抗氧化性的研究仍相对较少但前景广阔。

纳米淀粉基皮克林乳液具有独特的质构和流变特性，将其作为食品配方添加剂的研究已屡见不鲜。Yano 等[63]发现通过纳米淀粉基皮克林乳液制备的无麸质大米面包具有较好的比容，口感更佳，这可能是由于纳米淀粉基皮克林乳液对发酵过程中的气泡具有稳定作用，进而有助于面团的溶胀。Chivero 等[64]分别以大豆可溶性多糖、阿拉伯胶和OSA-SNP 作为乳化剂稳定皮克林乳液，所得乳液的假塑性可使其用于制备模拟蛋黄酱口感的产品。通过与蛋白质和多糖等食品级成分进行复合，可将纳米淀粉基皮克林乳液开发成多功能的食品辅料配方。

4 展望

纳米淀粉基皮克林乳液的原料来源丰富，且具有良好的生物相容性、生物可降解性和稳定性。制备纳米淀粉包括水解、沉淀、超声、螺杆挤压等方法，辅以OSA 等协同改性可制得功能优良的皮克林乳液稳定剂。目前，纳米淀粉的化学改性方法较为单一，将OSA 改性与交联、氧化、醚化等进行多元结合具有重要意义。纳米淀粉基皮克林乳液的稳定机制十分复杂，淀粉颗粒的理化性质、体系中的pH 值、离子强度和油水体积比等因素都能影响产品性质。具有不同功能特性的纳米淀粉基皮克林乳液可应用于生物活性物质的包埋递送、油脂抗氧化等，亦可作为食品配方添加剂。此外，将纳米淀粉与纤维、蛋白等食品级成分进行复配是未来潜在的研究趋势。