涂 连，吕春秋，王捷，梁钦梅，钟伟华，林莹,

（1.广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁 530004；2.南宁海关技术中心，广西南宁 530021）

由固体颗粒乳化剂稳定的乳液被称为Pickering乳液，与传统表面活性剂相比，固体颗粒乳化剂具有分散性好、吸附能力强等优点。由于淀粉具有生物可再生、可降解、低致敏性及安全性高等特点，淀粉基颗粒乳化剂广泛应用于食品级Pickering 乳液体系。

研究表明，淀粉的颗粒大小和湿润性会影响其乳化能力。一般天然淀粉的粒径大小为1～100 μm，小颗粒淀粉（<10 μm）是研究天然乳化剂乳化机理的良好模型。Timgren 等、Li 等发现天然淀粉颗粒尺寸与其乳化能力呈一定反相关，平均粒径在2～5.5 μm 的藜麦、大米淀粉表现出良好的乳化能力。淀粉颗粒的湿润性用其在油/水界面的三相接触角（）表示，一般天然淀粉颗粒的<90°，作为乳化剂可制备O/W 型乳液。除上述影响因素外，乳液体系的稳定性还受乳化剂的分子量、表面电荷、持油持水率等因素影响。徐亚峰认为酶处理辛烯基琥珀酸酯化改性（OSA 改性）淀粉的乳液稳定性随其分子量减小而增加。固体颗粒乳化剂表面电荷量可以影响颗粒在油水界面的有效吸附从而影响乳化稳定性，持油率和持水率的增加可以促进苹果渣颗粒稳定的Pickering 乳液的稳定性。由此可知，淀粉颗粒能否构建稳定Pickering 乳液受其理化特性及乳液体系等多方面因素的影响。

芋头（（L.）Schott）是一种隶属于天南星科的根茎作物，其淀粉颗粒较小，在构建Pickering 乳液方面有一定的研究。彭晔采用酶解法结合酯化改性制得OSA 改性芋头淀粉颗粒，其稳定的Pickering 乳液乳滴粒径分布在8.7～16.92 μm，能作为乳化剂应用于润肤霜中。余振宇制备的OSA 改性芋头淀粉可用于包埋和运载姜黄素。张琳琳等发现热改性莱阳芋头淀粉在质量浓度62.5 mg/mL、油相分数60%、分散强度14000 r/min和分散4 min 条件下能形成的稳定乳液。这些研究部分缺少与天然淀粉乳化性的对比，且不同品种的芋头淀粉食品加工特性和功能性质不同。

世界上已知的芋头大约有100 个属和1500 种，广泛种植在热带和亚热带地区。产于广西桂林市荔浦县的荔浦芋，又名槟榔芋，是经过野生芋长期自然选择和人工选育而形成的一个优良品种。与多子芋、多头芋相比，荔浦芋属大魁芋，其个头大、产量高、营养物质丰富，淀粉干基含量超过70%。一般芋头淀粉粒径大小为2.6～5.19 μm，而荔浦芋淀粉颗粒较小（约2.29 μm），在稳定Pickering 乳液方面具有较大潜力，但目前未见将荔浦芋淀粉应用于食品乳液体系的相关报道。此外，荔浦芋作为广西的特色农产品，其应用局限于作为肉制品辅料或制作油炸食品等初级加工。因此，本研究以荔浦芋淀粉为研究对象，通过对天然荔浦芋淀粉及其稳定化Pickering 乳液的理化性质进行表征，探究荔浦芋淀粉作为Pickering 乳液稳定剂的可行性，以期为Pickering 乳液稳定剂的研发提供潜在的淀粉来源和食品级荔浦芋淀粉基乳液稳定剂的开发提供理论依据。

本研究通过激光粒度分布分析、扫描电镜观察和分子量分布测定对芋头淀粉的颗粒特性进行表征，且测定其持油率、持水率、三相接触角和Zeta 电位，然后对芋头淀粉作为单一乳化剂构建的Pickering 乳液的理化性质进行表征。粳米、玉米、小麦是禾谷类植物，山药与芋头均属于薯类或块茎植物。禾谷类、薯类植物淀粉有不同的颗粒特性及加工特性，粳米、玉米、小麦和山药淀粉是食品加工的主要商用淀粉，其开发程度远大于芋头淀粉。所以为了更能体现荔浦芋淀粉在构建Pickering 乳液体系方面比现有的主要商用淀粉具有更大的应用潜力，本文将对荔浦芋淀粉与以上四种淀粉进行比较。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

荔浦芋头、铁棍山药 于秋末采购自广西大学西菜市场，其淀粉由实验室自制；粳米淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉 无锡金农生物科技有限公司；高峰淀粉酶（10 万U/g）上海源叶生物科技有限公司；氢氧化钠 成都市金山化学试剂有限公司；盐酸成都市科龙化工试剂厂；石油醚 茂名市雄大化工有限公司；葡聚糖标准品 美国Sigma 公司；液体石蜡重庆市川东化工有限公司；其他试剂 均为国产分析纯；实验用水 均为二级水。

Bettersize2600 激光粒度分析仪 丹东百特仪器有限公司；Phenom 扫描电子显微镜（配有喷金设备）上海复纳科学仪器有限公司；AIIIANCE 型凝胶渗透色谱仪及配套示差折光检测器 美国Waters公司；NANO ZS90 型Zeta 电位分析仪 英国马尔文仪器公司；Dataphysics OCA20 型接触角测量仪德国Dataphysics 公司；T25 型数显分散均质机 德国IKA 公司；Leica DM1000 LED 光学显微镜 德国Leica 公司；HAAKE-MARS 型流变仪 美国赛默飞世尔科技公司。

1.2 实验方法

1.2.1 芋头、粳米、玉米、小麦和山药淀粉的常规成分测定 淀粉含量：淀粉酶水解法（GB 5009.9-2016）；蛋白质含量：凯氏定氮法（GB 5009.5-2016），蛋白质换算系数N 取6.25；脂肪含量：索氏抽提法（GB 5009.6-2016）；水分含量：直接干燥法（GB 5009.3-2016）。

1.2.2 芋头、粳米、玉米、小麦和山药淀粉的粒径分布 用蒸馏水配制浓度为125 mg/mL 淀粉悬浮液，摇匀待测。采用激光粒度分析仪对样品粒度进行测定，设置水折射率为1.330，遮光率为12%。

1.2.3 芋头、粳米、玉米、小麦和山药淀粉的扫描电镜观察 将导电胶贴于电镜样品台，取1～2 mg 待测淀粉样品于导电胶上，用氮气吹扫松散多余的淀粉样品，采用离子溅射法在样品表面喷金，于扫描电镜聚焦观察。

1.2.4 芋头、粳米、玉米、小麦和山药淀粉的分子量测定 采用高效凝胶排阻色谱（GPC）测定淀粉样品的分子量。样品处理：超纯水配制的1 mg/mL 淀粉悬浮液于沸水浴30 min，冷却后过0.45 μL 滤膜于2.5 mL 进样瓶。色谱条件：色谱柱Ohpak SB-806 HQ 型尺寸排阻色谱，示差折光检测器和色谱柱的温度分别为30、60 ℃，上样量50 μL，流动相为超纯水，流速0.6 mL/min。五个不同分子量的葡聚糖标品用相同的色谱条件上样，利用系统自带软件分析被测淀粉样品的分子量。

1.2.5 芋头、粳米、玉米、小麦和山药淀粉的持油率与持水率的测定 参照Nawaz 等方法并稍作修改。称取淀粉样品1 g，加入10 mL 蒸馏水或液体石蜡。于室温200 r/min 振荡30 min，5439×g 离心10 min后将游离的水或液体石蜡除去，称取离心管底物的质量，计算淀粉的持油率和持水率。

1.2.6 芋头、粳米、玉米、小麦和山药淀粉的三相接触角测试 每个淀粉样品的三相接触角由接触角测量仪进行测量。淀粉样品被真空压片机压成片剂后浸入液体石蜡中5 s 后取出，用滤纸将片剂表面过量的油拭去。高精度注射器系统将2 μL 超纯水轻轻滴到片剂表面上，安装在OCA 20 上的高速摄像机以每秒10 帧的速度记录水滴形状的演变。OCA 20 软件将水滴的轮廓数据自动拟合到LaPlace-Young 方程，获得淀粉样品的接触角。

1.2.7 芋头、粳米、玉米、小麦和山药淀粉的Zeta 电位测定 参照王仙纷方法并稍作修改。用超纯水配制0.1 mg/mL 的淀粉悬浮液，于高剪切分散乳化均质机均质1 min，转速为15000 r/min，随后于600 W超声1 min，将所得分散液进行电位测定。

1.2.8 Pickering 乳液的理化性质表征

1.2.8.1 乳液的制备 参照Li 等方法并稍作修改。准确称取200 mg 的淀粉样品和10 mL 蒸馏水于25 mL 的烧杯中，获得浓度为20 mg/mL 淀粉悬浮液，设置分散均质机转速为10000 r/min，对悬浮液分散30 s 后加入10 mL 液体石蜡，在同样转速下均质4 min，获得乳液。

1.2.8.2 乳液的储藏稳定性 将制备好的乳液转移至30 mL 的玻璃瓶，25 ℃条件下储藏，观察不同时间段乳液的变化情况并拍摄照片。

1.2.8.3 乳液的微观形态 采用光学显微镜观察乳液的形态。取适量乳液于载玻片后，盖上盖玻片，于显微镜放大20 倍进行观察和测试。

1.2.8.4 乳滴粒径 采用激光粒度分析仪对储藏不同时间的淀粉基Pickering 乳液进行测试。具体操作步骤如下：设置蒸馏水的折光系数为1.330，将乳液体系混匀后，用胶头滴管逐滴滴加到分析仪的蒸馏水分散容器中，待遮光率达到12%时进行测试。

1.2.8.5 乳液的流变学特性 采用流变仪对乳液的静态流变和动态流变特性进行测定。静态流变扫描时剪切速率为0.01～100 s。动态振荡扫描时振幅应变为0.1%，频率为0.01～10 Hz。上述实验设定环境温度为25 ℃，使用的平板夹具直径为60 mm，平板间距设置为1 mm，样品装载并静置2.0 min 后进行测试。

1.3 数据处理

所有实验重复进行3 次，结果为3 次测量的平均值，数据采用平均值±标准差的形式，采用SPSS 22.0 统计分析软件进行数据的差异性分析（ANOVA），显著性差异采用95%的置信区间，采用Origin 2018绘制图形。

2 结果与分析

2.1 淀粉的基本组成

由表1 可知，不同淀粉样品的蛋白质、脂肪含量较低，其淀粉含量均较高。其中，山药淀粉中蛋白质含量显著（<0.05）大于其它淀粉样品，主要是由于山药本身含有大量的黏蛋白，在稀碱提取时，部分蛋白质易与淀粉发生共价键结合。

表1 不同淀粉样品的基本组成Table 1 Basic composition of different starch samples

2.2 粒径分布和颗粒形态

粒径分布和颗粒形态是表征淀粉颗粒表观特性的重要方式，通过激光粒度分布分析、扫描电镜观察了解不同淀粉样品的粒径分布和颗粒形态。

如图1 所示，粒径分布显示芋头淀粉的粒径大小均匀，分布跨度最小，且平均粒径远小于其它淀粉样品的平均粒径，为2.29 μm，其次是粳米淀粉，平均粒径为5.40 μm，玉米、小麦和山药淀粉的平均粒径较大，分别为14.98、17.00 和20.02 μm，这与文献报道一致。芋头淀粉相对于其他淀粉颗粒粒径较小，更适合作为乳液的稳定剂。

图1 不同淀粉样品的粒径分布图Fig.1 Particle size distribution of different starch samples

如图2 所示，芋头和大米淀粉呈不规则多边形，芋头淀粉颗粒表面光滑，粳米淀粉颗粒的表面粗糙。玉米、小麦和山药淀粉的表面均较为光滑，呈球形、扁球形和杆状。而且，可以观察到在SEM 图谱中，淀粉颗粒非单独分散，而是以聚集态呈现。聚集现象可能是由于淀粉颗粒的高比表面积造成的，随着颗粒尺寸减小，比表面积增加，小尺寸的淀粉颗粒间更易发生聚集。所以，小颗粒的芋头和粳米淀粉比较大颗粒的玉米、小麦和山药淀粉的聚集现象更突出。

图2 不同淀粉样品的扫描电镜图Fig.2 Scanning electron micrographs of different starch samples

2.3 分子量分布

采用凝胶渗透色谱测定不同淀粉的分子量，结果如表2 所示，芋头淀粉的重均（M）、数均（M）摩尔质量分别为2.94×10、2.71×10g/mol，显著（<0.05）小于其它淀粉样品。M与M的比值是摩尔质量的分布系数（PDI），其大小反映淀粉分子量的分布情况。芋头淀粉的PDI 最小，说明芋头淀粉的分子大小较均匀。

表2 不同淀粉样品的分子量分布Table 2 Molecular weight distribution of different starch samples

徐亚峰认为小分子的OSA 淀粉颗粒扩散率较高，能够更快地移动到油滴的表面，进而表现出更优的乳化性能。但也有研究认为在有较高浓度OSA淀粉颗粒参与的Pickering 乳液体系中，大分子OSA淀粉颗粒制备的乳液黏度较大，能够阻止乳液分层、絮凝与聚结，使乳液具有较好的稳定性。不同研究结果表明，淀粉颗粒分子量对其乳化能力的影响与其在乳液体系的浓度有关，且OSA 改性淀粉颗粒与天然淀粉颗粒的理化性质有异，所以天然淀粉颗粒分子量对其乳化性的影响有待进一步探究。

2.4 持油、持水率

淀粉的持水性或持油性是淀粉颗粒在重力作用下吸附水或油的特性，是淀粉在食品加工中的重要特性。不同淀粉样品的持油持水率如表3 所示，可以看出，淀粉样品的持油率普遍高于对应淀粉样品的持水率，这与范静的结果一致。这可能是由于淀粉分子羟基间氢键的作用，分子内的直链和支链淀粉相互结合缠绕，形成较大的颗粒和束状结构，颗粒表面坚实致密不利于与水分子的结合，而淀粉颗粒对油的吸附属于非选择性物理吸附，淀粉颗粒对油的吸附能力与其结构特性、比表面积等有关。

表3 不同淀粉样品的持油、持水率Table 3 Oil and water holding capacity of different starch samples

芋头淀粉的持油率与粳米、玉米、小麦淀粉的持油率无显著（>0.05）差异，而显著（<0.05）大于山药淀粉的持油率，且其持水率显著（<0.05）高于其它几种淀粉的持水率。Lu 等认为较小粒径的纤维颗粒表现出较大比表面积，可以截留更多的水和油，从而增加持油率和持水率。不同超微处理秋葵的试验结果也显示较小颗粒秋葵粉末的持油性和持水性更好，此外淀粉的双螺旋结构含量与其持油性呈一定正相关。所以在本研究中，芋头淀粉表现出更优的持油性和持水性，其主要可能是因为颗粒最小，其次芋头淀粉的分子量分布较均匀，其双螺旋结构含量可能更高。蛋白质基颗粒乳化剂的持油性和持水性是评价其乳化能力的重要参数，同样适用于纤维素基颗粒乳化剂。所以芋头淀粉较高的持油率和持水率可能在一定程度上有助于其乳液稳定。

2.5 三相接触角测试

淀粉颗粒的三相接触角（θ）反映淀粉的疏水性，一般天然淀粉的θ 小于90°，具有较强亲水性。如图3 所示，所有淀粉样品的θ 均小于90°，与之前报道的天然淀粉具有较强亲水性的研究一致。其中，粳米淀粉的θ 最小，芋头、粳米和玉米淀粉的θ 无显著（>0.05）差异，山药淀粉的θ 最大。这说明粳米淀粉的亲水性最强，山药淀粉比其他淀粉具有更强的疏水性。

图3 不同淀粉样品的接触角Fig.3 Contact angles of different starch samples

2.6 Zeta 电位测定

Pickering 乳液是热力学不稳定体系，有自发油水分离倾向。通常认为颗粒乳化剂间由粒子带相同电荷所引起的静电作用力起到了重要的稳定作用，可以用Zeta 电位来表征粒子的带电荷能力。如表4所示，不同来源淀粉的Zeta 电位差异不大，分布在−25.43～−29.13 mV，与其它文献报道的淀粉一样带负电荷。研究表明，淀粉颗粒的带电情况与淀粉种类、浓度有关，同时受环境的pH、离子浓度和黏度等因素影响。一般认为，Zeta 电位在−20±5 mV的粒子被认为是适度带电并易于聚集的，当乳液的电位绝对值大于30 mV 时，乳液的静电作用可以抵抗乳滴间的聚集，更利于乳液稳定。

表4 不同淀粉样品的Zeta 电位分析Table 4 Zeta potential analysis of different starch samples

2.7 乳液的储藏稳定性

在Pickering 乳液体系的食品生产中，乳液储藏稳定性指标可以更直观地评价颗粒乳化剂的乳化能力。图4 呈现了不同淀粉基Pickering 乳液储藏1和30 d 后的乳液表观。储藏1 d 的淀粉基Pickering乳液中，粳米、玉米、小麦和山药淀粉稳定的Pickering乳液发生不同程度油析，其中玉米淀粉无法构建Pickering 乳液。芋头淀粉稳定的Pickering 乳液有大量的白色乳液层，且未发生油析。储藏30 d 后，粳米、小麦和山药淀粉稳定的Pickering 乳液的油析更加明显，显示了其较差的乳化能力。而芋头淀粉稳定的Pickering 乳液却依然保持稳定，未见明显的油析。

图4 不同淀粉基Pickering 乳液储藏1 和30 d 后的照片Fig.4 Photographs of different starch-based Pickering emulsions stored for 1 and 30 d

在淀粉颗粒较大（>10 μm）且大小相近的情况下，与小麦、山药淀粉相比，玉米淀粉无法构建Pickering 乳液。其原因可能是玉米淀粉湿润性（=37.23°）较小而不能有效吸附在油水界面，且玉米淀粉颗粒表面粗糙对其乳化能力有负面影响。淀粉颗粒的湿润性和颗粒形貌会对影响其乳化能力，但淀粉颗粒的粒径大小对其乳液稳定性的影响更大，所以较小颗粒的芋头淀粉具有较强的乳液稳定性。

小颗粒芋头淀粉的比表面积大，易于集聚，促使乳滴与颗粒间、颗粒与颗粒间形成架桥网络结构，同时颗粒的聚集可能使乳滴间的静电斥力增加，以及较高的持油持水率也更有利于乳液稳定。以上结果说明，在Pickering 乳液体系中，乳液稳定性受多种因素共同影响，而天然淀粉颗粒的粒径大小是影响其乳液稳定性的主要因素。

2.8 乳液的微观形态和乳滴粒径

玉米淀粉无法构建Pickering 乳液，所以在后续的实验中不进一步研究。采用光学显微镜对新鲜制备的芋头、粳米、小麦和山药淀粉基Pickering 乳液的微观结构进行了观察，并用激光粒度分析仪测定储藏不同时间乳液的乳滴粒径。

如图5 所示，不同淀粉基Pickering 乳液能够观察到圆形乳滴，并且可以清晰地看到乳液的周围分布着淀粉颗粒，表明淀粉作为乳化剂制备的乳液为O/W 型乳液。其中芋头淀粉基Pickering 乳液的乳滴密集堆积程度较大，乳滴粒径最小。

图5 不同淀粉基Pickering 乳液的光学照片Fig.5 Optical photograph of different starch-based Pickering emulsions

如表5 所示，静置1 d 的粳米、小麦、山药淀粉基乳液的乳滴粒径较大，且在储藏30 d 后显著（<0.05）增大，分布在164.42～265.11 μm。在30 d 储藏内的芋头淀粉基Pickering 乳液的乳滴粒径较小，分布在34.64～52.20 μm，小于余振宇制备的天然莱阳芋头淀粉基乳液的乳滴粒径（>100 μm），且比经热改性芋头淀粉制备的乳液的乳滴粒径（35～140 μm）还小，表明荔浦芋淀粉非常适合做Pickering 乳液体系的稳定剂。

表5 不同淀粉基Pickering 乳液的乳滴粒径Table 5 Droplet size of different starch-based Pickering emulsion

在Pickering 乳液体系中，乳滴粒径大小与颗粒乳化剂种类、浓度及油水体积分数和储藏条件等有关。乳滴粒径是检测乳液稳定性的重要工具，从动力学的角度分析，聚集速度相同的情况下，乳滴粒径越小，乳液分层所需要的时间越长，乳液越稳定。在相同均质条件下，芋头淀粉基Pickering 乳液的乳滴粒径最小，表明其在储藏过程中抗絮凝和聚集的能力较强，乳液较稳定。

2.9 乳液的流变学特性

乳液的流变特性对其应用和加工具有重要的指导意义，因此，本文利用流变学测量研究了不同淀粉基乳液的剪切变化情况和黏弹特性。

如图6A 所示，芋头、粳米和山药淀粉的乳液样品表现出剪切稀化现象，这种剪切稀释的假塑性流体现象与很多Pickering 乳液的流变现象一致。其中，山药淀粉基乳液的表观黏度最大，这可能是由于山药淀粉的湿润性较强（=85.27°），能够吸附在油/水界面形成结构较稳定的界面膜，且分子量较大，从而呈现出较高的黏度。芋头、粳米淀粉基乳液的剪切黏度较小且其对剪切速率的依赖性变小，说明芋头、粳米淀粉制备的乳液的网络结构硬度、黏度均较小。而小麦淀粉制备的乳液的流变学特性结果显示其乳液黏度随剪切速率的增大而呈现无规律的变化，出现这种现象的原因可能是在剪切作用下，流体非稳定乳液，受油滴的干扰较大而引起分子形变并伴随着流体力学相互作用的变化而表现出无规律黏度变化。

图6B 显示了不同淀粉乳液样品的储能模量（G'）和损耗模量（G''）的变化。在整个频率范围内，乳液样品的G'和G''值均较小（0～5 Pa），表明乳液体系具有较弱的机械强度。不同淀粉乳液样品的G'值大于相应的G''值，表明乳液体系主要受弹性主导，而G'和G''值的大小差异可能与淀粉颗粒在油水界面的有效吸附和堆积有关。其中，山药淀粉基乳液的G'值在整个频率范围内最大（0.7～4.5 Pa），可能是由于其较强的湿润性促使其更稳定地吸附在油水界面。虽然芋头淀粉基乳液的稳定性最好，且乳液外观图（图4）显示其水层的淀粉颗粒体积占比最小，但G'值却小于山药淀粉基乳液的G'值，可能是因为芋头淀粉的分子量较小，其乳液的黏弹性也较小。粳米、小麦淀粉的黏弹性较小可能是因为其湿润性较小且乳液稳定性较差，淀粉颗粒在油水界面的有效吸附量较小。不同淀粉乳液样品流变学特性显示，乳液流变学特性与淀粉的理化特性及其乳液稳定性有关。

图6 不同淀粉基Pickering 乳液的动态流变（A）和粘弹特性（B）Fig.6 Flow behavior (A) and viscoelastic properties (B) of different starch-based Pickering emulsions

3 结论

荔浦芋富含淀粉，是一种非常具有开发利用价值的广西地方特色农产品。本文以荔浦芋淀粉作为研究对象，以粳米、玉米、小麦和山药淀粉作为对照，先分别从淀粉粒径分布、颗粒形态、分子量、持油率、持水率、三相接触角和Zeta 电位对其乳化能力进行评估，然后进一步将其应用于Pickering 乳液体系，并表征了其乳液储藏稳定性、乳液微观形态、乳滴粒径分布和乳液流变学特性。结果表明，荔浦芋淀粉具有比其它四种淀粉更小和均一的粒径和分子量、更高的持油率和持水率，其=36.60°、Zeta 电位为−25.63 mV。在荔浦芋淀粉水分散液质量浓度20 mg/mL、油相分数50%、分散强度10000 r/min和分散4 min 条件下能制备稳定的Pickering 乳液，且其在30 d 储藏期内具有较小的乳滴粒径（34.64～52.20 μm）。此结果证实了荔浦芋淀粉可以有效稳定Pickering 乳液，有望作为Pickering 乳液体系的稳定剂或乳化剂应用到汤汁、酱料、乳制品等食品中，为新型芋头产品的研发提供理论依据。