直鏈淀粉含量對玉米淀粉-茶多酚乳液凝膠穩定性質的影響

王 然

（長春職業技術學院食品與生物學院，吉林 長春 130033）

乳液凝膠是一種軟凝膠，其凝膠基質網絡結構能固定油相，屬于結構化乳液[1]。乳液凝膠具有半固體的結構特性，能負載生物活性成分，并提高疏水性活性成分的生物利用度，因此，在食品加工中具有廣泛的應用前景。根據乳液凝膠與脂肪口感相似的特點，許多研究報道了采用乳液凝膠模擬脂肪開發代脂食品或低脂食品[2-3]；也有研究人員根據乳液凝膠具有乳液和凝膠的雙重特性，開發了能同時負載親水性和疏水性活性成分的控釋材料[4-5]。目前，通常采用兩步法制備乳液凝膠。首先，制備水包油乳液，一般需要使用乳化劑，乳化劑具有界面活性，能夠快速吸附到油-水界面上形成界面膜，發揮阻礙油滴聚結并維持乳液穩定的作用。常用的乳化劑包括小分子表面活性劑、兩親性大分子和膠體顆粒[6]。然后，將乳液的連續相進行凝膠處理，一般需要使用凝膠劑[7-9]，凝膠劑能促使乳液連續相形成三維網絡凝膠結構，發揮固定油滴并抑制油滴遷移的作用，進而保持乳液凝膠穩定，常用的凝膠劑為蛋白質、多糖等生物大分子[10-11]。

天然淀粉具有來源廣泛、綠色、無毒、易于改性等特點，是制備乳化劑和凝膠劑的主要原料[12-13]。淀粉主要來源于種子、根莖以及塊莖類的糧食作物，如玉米、稻谷、馬鈴薯等，其中，玉米種植廣泛，是淀粉的重要來源[14]。玉米淀粉主要包括高直鏈玉米淀粉（high amylose maize starch，HM）、普通玉米淀粉（common maize starch，CM）和蠟質玉米淀粉（waxy maize starch，WM）3 種[15]。玉米淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉構成，HM中約含有55%～85%的直鏈淀粉，CM中約含有20%～30%的直鏈淀粉，而WM幾乎全部由支鏈淀粉組成[16]。茶多酚（tea polyphenols，TP）是從茶葉中提取的天然多酚化合物[17]。近年來，采用TP改變淀粉理化特性、乳化性并延緩淀粉消化性的研究引起了廣泛關注。萬芊[18]研究了不同直鏈含量玉米淀粉與多酚反應，發現多酚與淀粉能發生氫鍵相互作用，對不同直鏈含量玉米淀粉的結構、理化性質和消化性均具有明顯影響。Pan Junxian等[19]報道了TP與小麥淀粉能夠通過氫鍵等非共價作用結合，改變淀粉的凝膠性并抑制淀粉老化。Zhu Fan[20]報道了將TP與木薯淀粉結合能抑制消化酶對淀粉的水解，對延緩淀粉消化具有明顯效果。然而，將TP與不同直鏈含量的玉米淀粉進行非共價結合作為乳化劑和凝膠劑用于制備食品級乳液凝膠的研究還鮮見報道。

本實驗采用不同直鏈含量的玉米淀粉與TP結合用于構建食品級乳液凝膠，并研究不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的微觀結構、流變性質及其穩定乳液凝膠的性質，旨在為構建食品級淀粉基乳液凝膠和生物活性物質遞送載體提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

HM（直鏈淀粉質量分數63.41%）上海源葉生物科技股份有限公司；CM（直鏈淀粉質量分數28.75%）、WM（直鏈淀粉質量分數≤1%）中糧生物科技股份有限公司；TP 杭州禾田生物技術有限公司；大豆油山東魯花集團有限公司；尼羅藍 美國西格瑪奧德里奇貿易有限公司；尼羅紅 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；實驗所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

Gemini冷凍掃描電子顯微鏡（cryo-scanning electron microscope，cryo-SEM）德國蔡司集團；MCR702流變儀 安東帕（上海）商貿有限公司；FA25高剪切分散乳化機 上海弗魯克科技發展有限公司；Nexus670傅里葉變換紅外光譜儀 美國熱電集團尼高力儀器公司；UVmini-1240紫外-可見分光光度計 島津儀器（蘇州）有限公司；FV3000激光共聚焦熒光顯微鏡（laser confocal fluorescence microscope，CLSM）奧林巴斯（中國）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的制備

參考Farrag等[21]方法稍作修改。將HM、CM和WM分別加入純凈水中，通過攪拌形成質量分數2%的淀粉懸浮液，然后將3 種玉米淀粉懸浮液分別置于沸水浴中，勻速攪拌40 min。停止加熱，待3 種玉米淀粉懸浮液溫度降至95 ℃后，分別加入基于淀粉質量8%的TP，并在95 ℃條件下勻速攪拌20 min。反應結束后，將混合液置于磁力攪拌器上，將無水乙醇逐滴加入混合液（無水乙醇與混合液的體積比為3∶4），完成滴加后繼續攪拌10 min，得到3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠，分別回收上清液，記錄上清液體積。

1.3.2 不同直鏈含量玉米淀粉凝膠中TP保留量和保留率的測定

參考Li Songnan等[4]方法，略有修改。繪制TP濃度-吸光度標準曲線，采用紫外-可見分光光度計在274 nm波長處檢測上清液（1.3.1節）的吸光度，根據標準曲線方程分別計算3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠中TP的保留量。玉米淀粉凝膠中TP的保留量和保留率計算如式（1）、（2）所示：

式中：Q為玉米淀粉凝膠中TP的保留量/（mg/g）；m1為TP最初添加量/mg；C1為上清液中TP的質量濃度/（mg/mL）；V1為上清液的體積/mL；m2為玉米淀粉的最初添加量/mg；R為TP的保留率/%。

1.3.3 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的微觀結構觀察

參考Zhao Xia等[22]方法，挑取不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠樣品置于涂有導電膠的銅槽上，再將銅槽置于液氮雪泥中，在-210 ℃冷凍30 s。將載有不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠樣品的銅槽置于低溫制備室，在-90 ℃凍干處理10 min，然后用小刀在凍干的不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠樣品表面切出剖面。經過噴金處理后，采用cryo-SEM分析凝膠樣品的微觀結構。

1.3.4 流變學特性的測定

采用配置平行夾具的流變儀（夾具直徑2.5 cm，間隙0.1 cm）對樣品的流變性進行檢測。在0.1～100 s-1剪切速率范圍內，對樣品的黏度進行檢測；在0.1～100 rad/s角頻率范圍內，對樣品的彈性模量G′、黏性模量G″和耗損角正切tanδ（G″/G′）進行檢測。每個樣品至少檢測3 次，測量結果取平均值。

1.3.5 傅里葉變換紅外光譜測定

將凍干的3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠研磨成粉末，然后再分別與KBr（質量比1∶75）混合，研磨均勻后，壓制成透明圓片（直徑0.5 cm，厚度0.1 cm），采用紅外光譜儀在4 000～400 cm-1波長范圍內對3 種樣品進行光譜掃描，分辨率為4 cm-1，經32 次掃描獲得不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠紅外光譜圖。

1.3.6 乳液凝膠的制備

將不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠（質量分數4%）置于油脂體積分數為60%的油-水混合物中，采用高速剪切乳化機對混合物進行乳化處理，剪切速率為19 000 r/min，時間為3 min，制得不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定的乳液凝膠。將乳液凝膠置于20 mL透明玻璃瓶中，采用數碼相機記錄乳液凝膠樣品在貯藏過程中的表觀形貌。

1.3.7 CLSM觀察

參考Ge Shengju等[23]方法，分別將尼羅藍和尼羅紅混合液（質量濃度0.01 mg/mL）加入3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定的乳液凝膠中進行染色處理，采用CLSM觀察乳液凝膠的微觀形貌，尼羅藍發射波長為488 nm，尼羅紅發射波長為633 nm，觀察乳液凝膠中不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠和油滴的分布情況，并對不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定的乳液凝膠的微觀形貌進行拍照。

1.3.8 cryo-SEM觀察

將10 μL不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定的乳液凝膠分別置于涂有導電膠的銅槽上，其余操作步驟和參數與不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠微觀結構觀察方法相同（1.3.3節）。

1.3.9 乳化指數的測定

參考Zhang Liang等[24]的方法，對不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定的乳液凝膠的乳化指數進行檢測，采用乳化指數評價不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定的乳液凝膠在25 ℃條件下貯藏30 d的物理穩定性和乳化性能。不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定的乳液凝膠的乳化指數計算如式（3）所示：

式中：H1為乳液凝膠中乳化相的高度/cm；H2為乳液凝膠的高度/cm。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的性質

2.1.1 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠中TP的保留情況分析

如圖1所示，不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠中TP的保留量和保留率與直鏈淀粉含量呈反比，隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠中TP的保留量從66.33 mg/g增加至77.91 mg/g，TP保留率從82.81%增加至96.88%，說明直鏈淀粉分子和支鏈淀粉分子與TP的結合效率不同。TP主要由表兒茶素、表沒食子兒茶素、表沒食子酸酯和表沒食子兒茶素沒食子酸酯等單體構成[25]，因為兒茶素分子中芳香環結構不易進入玉米直鏈淀粉分子形成的螺旋空腔，因此，不易形成玉米淀粉/TP包容型復合結構。研究表明，TP與淀粉分子之間的羥基能通過氫鍵等非共價相互作用連接在一起[26]。與玉米直鏈淀粉分子相比，具有簇狀分枝結構的玉米支鏈淀粉分子與TP單體通過氫鍵相互作用結合的效率更高，因此，隨著直鏈淀粉含量的減少，淀粉凝膠中保留的TP反而呈現增加的趨勢。

圖1 不同直鏈含量玉米淀粉凝膠中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 微觀結構

如圖2所示，玉米淀粉-TP凝膠樣品中較大的孔洞是凝膠經凍干處理而導致水分升華后形成，不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的質地明顯不同；隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠的質地愈加粗糙，凝膠樣品中孔洞的尺寸減小，孔洞的數量增加。這可能是因為不同直鏈含量玉米淀粉的分子結構不同，其與TP相互作用形成復合結構的類型不同；直鏈淀粉分子的長鏈可卷曲成左手單螺旋結構，螺旋內部則形成疏水空腔，具有較小極性端的客體容易進入螺旋空腔，與直鏈淀粉形成包容型復合物[27]；分子構型尺寸較大的多酚結構可能不會進入玉米淀粉螺旋內腔，此時多酚結構與玉米淀粉分子通過非共價相互作用形成非包容型復合結構。有研究表明，TP能與玉米淀粉分子發生氫鍵相互作用，在玉米淀粉分子中形成空間位阻效應，阻礙了玉米淀粉形成分子間氫鍵和分子內氫鍵，影響了玉米淀粉分子的構型[28]。此外，如圖1所示，不同直鏈含量玉米淀粉中TP的保留量不同。研究表明，TP與玉米淀粉之間形成的氫鍵消耗了玉米淀粉-TP凝膠表面的羥基[13]，致使不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的親、疏水性不同。以上因素都會對不同直鏈含量的玉米淀粉-TP凝膠的微觀結構產生影響。

2.1.3 淀粉-TP凝膠的流變學特性

如圖3a所示，隨著直鏈淀粉含量的增加，玉米淀粉-TP凝膠的黏度逐漸下降；此外，隨著剪切速率從0.1 s-1增加至100 s-1，3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的黏度均發生明顯下降，這是因為在剪切應力下，3 種玉米淀粉-TP凝膠的網絡結構均發生解體，所以其黏度均表現為降低。如圖3b所示，隨著直鏈淀粉含量的增加，不同直鏈含量的玉米淀粉-TP凝膠的G′增加，表明HM-TP凝膠的彈性最大，CM-TP凝膠和WM-TP凝膠次之；此外，隨著角頻率增加，3 種玉米淀粉-TP凝膠G′的變化較小，說明3 種凝膠樣品的頻率依賴性較小，彈性較好。如圖3c所示，隨著直鏈淀粉含量的增加，不同直鏈含量的玉米淀粉-TP凝膠的G″減小，表明WM-TP凝膠和CM-TP凝膠的黏度較大，HM-TP凝膠次之。tanδ越大表明凝膠體系的流動性越強，反之凝膠體系的彈性越強。如圖3d所示，根據tanδ隨頻率的變化可以看出，WM-TP凝膠和CM-TP凝膠表現出較高的黏性特征，而HM-TP凝膠則表現出較高的彈性特征。這可能是因為不同直鏈含量玉米淀粉與TP形成的凝膠網絡結構不同，所以3 種玉米淀粉-TP凝膠呈現出的黏彈特性具有差異。

圖3 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的流變性Fig.3 Rheological properties of starch-TP hydrogels with different amylose contents

2.1.4 紅外光譜分析

如圖4所示，通過不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠在特定波數范圍內形成吸收峰強度的比值分析淀粉分子與TP相互作用的空間構型[29]，在波數1 047 cm-1和1 022 cm-1處吸收峰的強度反映了形成的短程有序結構淀粉分子和無定形結構淀粉分子的數量[30]。在本研究中，1 047 cm-1與1 022 cm-1處峰強度的比值（1 047/1 022值）反映了不同直鏈含量玉米淀粉分子與TP相互作用形成的有序性結構，研究發現，不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的1 047/1 022值有所不同，1 047/1 022值與直鏈淀粉含量不是簡單的線性關系。與CM相比，WM與TP形成凝膠的1 047/1 022值增大，這可能是因為WM與TP的羥基通過氫鍵相互作用形成有序結構的分子數量增加。Liu Bo等[29]采用紅外光譜研究WM與咖啡酸的相互作用，發現添加咖啡酸使WM分子的1 047/1 022值增加，說明形成了WM-咖啡酸復合物，這與本研究結果相符。與WM相比，HM與TP形成凝膠的1 047/1 022值相對較大，這可能是因為直鏈玉米淀粉分子不僅能與TP形成有序結構，其自身還能排列形成有序的結構，所以HM與TP形成的凝膠1 047/1 022值相對較高。

圖4 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra of starch-TP hydrogels with different amylose contents

2.2 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定乳液凝膠的微觀結構

采用CLSM觀察乳液凝膠中不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠和油滴的分布情況，如圖5所示，隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠（熒光標記為紅色）穩定的乳液凝膠中油滴（熒光標記為綠色）的尺寸減小，并且形狀趨于圓形，說明隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠穩定乳液凝膠的能力增強。采用cryo-SEM分析不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠形成的網絡基質與油滴之間的相互作用，與HM-TP凝膠相比，CM-TP凝膠和WM-TP凝膠穩定乳液凝膠中的基質網絡明顯細密，并且WM-TP凝膠在乳液凝膠中形成了有序的基質網絡，增強了網絡結構的穩定性，有助于形成穩定的乳液凝膠。

2.3 乳液凝膠的流變學特性

如圖6a所示，隨著直鏈淀粉含量的增加，玉米淀粉-TP凝膠的黏度逐漸下降；此外，隨著剪切速率從0.1 s-1增加至100 s-1，3 種不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定乳液凝膠的黏度均明顯降低，說明不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定的乳液凝膠均為假塑性流體，具有剪切稀釋性。如圖6b、c所示，隨著直鏈淀粉含量的增加，玉米淀粉-TP凝膠穩定乳液凝膠的G′和G″均降低，說明WM-TP凝膠穩定乳液凝膠的黏彈性最大，而HM-TP凝膠穩定乳液凝膠的黏彈性則最小。如圖6d所示，3 種玉米淀粉-TP凝膠穩定乳液凝膠的tanδ接近1，并且WM-TP凝膠＞CM-TP凝膠＞HM-TP凝膠，說明3 種玉米淀粉-TP凝膠穩定的乳液凝膠均形成了網絡結構，其中由WM-TP凝膠穩定乳液凝膠形成的網絡結構黏彈性最好，這與cryo-SEM觀察結果相符。

圖6 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定乳液凝膠的流變性Fig.6 Rheological properties of emulsion gels stabilized by starch-TP hydrogels with different amylose contents

2.4 乳液凝膠的乳化指數

如圖7所示，貯藏時間為1 d時，隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠穩定乳液凝膠的乳化指數從65.20%增加至83.33%，對照樣品為未添加TP的蠟質玉米淀粉凝膠穩定的乳液凝膠。貯藏30 d后，所有乳液凝膠樣品的乳化指數均有所下降，HM-TP凝膠穩定乳液凝膠的乳化指數降至48.35%，WM-TP凝膠穩定乳液凝膠的乳化指數降至64.47%。貯藏前后WM-TP凝膠穩定乳液凝膠的乳化指數均為最高。然而在貯藏30 d后，對照樣品發生油-水分離，乳液凝膠失去穩定性，乳化指數為0，這說明添加TP能夠賦予玉米淀粉凝膠乳化性，有助于增強乳液凝膠的穩定性，其中，WM與TP形成的凝膠更適合用于穩定乳液凝膠。

圖7 不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定乳液凝膠的乳化指數和表觀形貌Fig.7 Emulsification index and appearance of emulsion gels stabilized by starch-TP hydrogels with different amylose contents

3 結論

采用TP分別與HM、CM和WM進行相互作用，研究不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠及其穩定的乳液凝膠的性質，結果發現隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠的質地愈加粗糙，玉米淀粉-TP凝膠的黏度增加、G?減小、G″增加，說明不同直鏈含量玉米淀粉分子與TP進行相互作用形成的空間結構不同。隨著直鏈淀粉含量的減少，玉米淀粉-TP凝膠穩定乳液凝膠中的油滴尺寸明顯減小，玉米淀粉-TP凝膠在油滴周圍形成結構緊密的網絡基質，能夠阻礙油滴遷移，從而發揮穩定乳液凝膠的作用。經過長期貯藏，不同直鏈含量玉米淀粉-TP凝膠穩定的乳液凝膠均未發生油-水分離現象，說明乳液凝膠具有良好的物理穩定。本研究表明玉米淀粉-TP凝膠可以作為乳化劑和凝膠劑用于穩定食品級乳液凝膠，可為食品工業開發玉米淀粉基生物活性物質遞送載體提供理論借鑒。