薏米淀粉纳米颗粒的制备及理化特性_曾木花.pdf

食品化学 食品科学 2023,Vol.44,No.04 139薏米淀粉纳米颗粒的制备及理化特性曾木花，黄敏丽，陈雯净，贾 茹，廖 珺，姚诗涵，李 进，郑宝东，郭泽镔*（福建农林大学食品科学学院，福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室，福建 福州 350002）摘 要：以薏米淀粉为原料，采用3 种不同纳米淀粉法体系（碱溶体系、水-乙醇体系、二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）-乙醇体系）制备薏米淀粉纳米颗粒。通过颗粒特性、分子特性、结晶特性和热特性等对比研究3 种不同薏米淀粉纳米颗粒的结构和理化特性。结果表明：碱溶体系制备的纳米颗粒具有最高的纳米颗粒占比（85.65%），碱溶体系和水-乙醇体系制备的纳米颗粒呈现A型结晶结构，而DMSO-乙醇体系制备的纳米颗粒的晶型结构由A型转变成无定形结构。通过对比分析可知，在45 条件下碱溶体系制备的薏米淀粉纳米颗粒拥有最小的粒径（348 nm）、最高的多分散系数，较高的有序度、相对结晶度和热稳定性，是制备薏米淀粉纳米颗粒的最佳纳米沉淀法体系。该研究为制备淀粉纳米颗粒及其结构特性研究以及拓展薏米淀粉的应用提供一定理论依据。关键词：薏米；纳米淀粉；碱溶体系；水-乙醇体系；DMSO-乙醇体系；结构特性Preparation and Physicochemical Properties of Coix Seed Starch NanoparticlesZENG Muhua,HUANG Minli,CHEN Wenjing,JIA Ru,LIAO Jun,YAO Shihan,LI Jin,ZHENG Baodong,GUO Zebin*(Fujian Provincial Key Laboratory of Quality Science and Processing Technology in Special Starch,College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China)Abstract:In this study,coix seed starch nanoparticles were prepared by nano-precipitation method using three different systems(alkali solution,water-ethanol system and dimethyl sulfoxide(DMSO)-ethanol system).The structures and physicochemical properties of the three nanoparticles were investigated by analysis of their particle characteristics,molecular characteristics,crystallization characteristics and thermal characteristics.The results showed that the nanoparticles prepared using alkaline solution had the highest proportion of nanoparticles(85.65%).Both the nanoparticles prepared using alkaline solution and water-ethanol system had an A-type crystalline structure,while the crystalline structure of the nanoparticles prepared using DMSO-ethanol system changed from A-type to amorphous.The nanoparticles prepared using alkali solution at 45 had the smallest particle size(348 nm),the highest polydispersity,higher degree of order,relative crystallinity and thermal stability,indicating that alkali solution was the most suitable to prepare coix seed starch nanoparticles.This study may provide a theoretical basis for the preparation of starch nanoparticles and the study of their structural properties as well as the expansion of the application of coix seed starch.Keywords:coix seed;starch nanoparticle;alkali solution;water-ethanol system;dimethyl sulfoxide-ethanol system;structural propertiesDOI:10.7506/spkx1002-6630-20220408-097中图分类号：TS235.1 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2023）04-0139-07引文格式：曾木花,黄敏丽,陈雯净,等.薏米淀粉纳米颗粒的制备及理化特性J.食品科学,2023,44(4):139-145.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220408-097.http:/ZENG Muhua,HUANG Minli,CHEN Wenjing,et al.Preparation and physicochemical properties of coix seed starch nanoparticlesJ.Food Science,2023,44(4):139-145.(in Chinese with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220408-097.http:/收稿日期：2022-04-08基金项目：福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才专项（闽委人才20215号）第一作者简介：曾木花（1997）（ORCID:0000-0003-3167-8132），女，硕士研究生，研究方向为食品化学与营养。E-mail:*通信作者简介：郭泽镔（1986）（ORCID:0000-0003-3003-4423），男，教授，博士，研究方向为食品加工技术、食品营养与化学。E-mail:140 2023,Vol.44,No.04 食品科学 食品化学我国淀粉资源丰富，对淀粉基材料的开发、研究以及应用具有良好的物质基础，但天然淀粉水溶性差、易老化、耐机械性差、糊透明度低等不足限制了其应用范围1。改性淀粉通过改变天然淀粉的理化性质或引入新官能团，弥补其固有特性的不足2，使其性能更符合在食品领域的应用要求，具有更实际的应用价值和更广阔的发展前景3-4。淀粉纳米颗粒，又称纳米级改性淀粉，是指天然淀粉通过加工获得的特征尺度至少在一个维度上为纳米量级（11 000 nm）的改性淀粉，由于小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应而表现出独特的生物安全性、相容性和降解性等良好特性5，在新型食品乳液、食品涂膜包装材料、食品活性成分递释等方面有着巨大的应用潜力6。目前，纳米淀粉的制备方法主要包括机械法、细乳液法和纳米沉淀法等7。机械法包括超微粉碎法、高压均质法等，但制备的纳米颗粒设备能耗大、粒径不均匀、存在污染物等缺点，在实际工业生产中受到一定的限制8。细乳液法需与产生高能量的乳化技术如髙压均质乳化等结合使用，不能自发形成9。纳米沉淀法又称溶剂交换法，是通过生物高分子在溶剂和非溶剂的置换过程中发生界面沉积，得到淀粉纳米颗粒的方法10。纳米沉淀法与其他方法相比，具有设备简单、动力消耗少、重复性好等优势，可构建小尺寸的淀粉纳米颗粒11-13。薏米，又名薏苡仁、薏仁、薏苡米等，俗称“药王米”，具有较高的营养成分和药理功能，在福建、陕西、辽宁等省产量较多14。研究发现，薏米中淀粉含量超过60%，是高淀粉质农产品15。将微米级的淀粉颗粒降解过渡至纳米级别，在丰富变性淀粉种类的同时拓展了淀粉的应用范围，具有重要的理论与现实价值，同时为产品品质优化以及开发功能性产品提供一定 理论依据。基于此，以薏米淀粉为原料，采用3 种不同体系的纳米沉淀法（碱溶体系、水-乙醇体系、二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）-乙醇体系）制备纳米尺寸的薏米淀粉纳米颗粒，通过对其颗粒特性、分子特性、结晶特性以及热特性进行系统研究，旨在筛选出制备薏米淀粉纳米颗粒的最优体系，探讨不同体系纳米沉淀法对薏米淀粉纳米颗粒理化特性的影响，以期为薏米淀粉的开发与应用提供理论依据，为构建一种可控、有效的淀粉纳米颗粒制备方法提供新思路。1 材料与方法1.1 材料与试剂薏米 福建浦城县官乡路信源薏米专业合作社；二甲基亚砜 上海麦克林生化科技有限公司；脲（尿素）、氢氧化钠 西陇科学股份有限公司；其他试剂均为分析纯。1.2 仪器与设备FDU-1200冷冻干燥机 上海爱朗仪器有限公司；DJG-9053A电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒有限公司；HX-PB1058破壁料理机 佛山市海迅电器有限公司；HJ-4多头磁力加热搅拌器 常州国华电器有限公司；L550离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；DW-86W420J医用低温保存箱 青岛海尔生物医疗股份有限公司；JSM-6360LV扫描电镜 日本JEOL公司；Mastersizer 3000激光粒度分析仪、TDA305max凝胶渗透色谱仪 英国Malvern公司；Bruker AXS傅里叶红外光谱仪、Tensor 27 X射线衍射仪 德国Bruker公司；214差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）仪 德国Netzsch公司。1.3 方法1.3.1 薏米淀粉的提取参考包辰等16方法并稍加修改。新鲜薏米，与蒸馏水按料液比1 3（g/mL）混合，放入破壁料理机中打浆，浆液经120 目食品级尼龙过滤布后于25 条件下静置24 h；倒掉悬浮液，蒸馏水清洗白色沉淀后静置24 h，重复上述步骤清洗3 次白色沉淀后，加入50%乙醇溶液洗涤3 次，于烘箱45 干燥16 h，磨粉过80 目筛后得到薏米淀粉，于干燥器中保存。1.3.2 薏米淀粉纳米颗粒的制备碱溶体系纳米沉淀法制备薏米淀粉纳米颗粒（记为A-SNPs）：按照Chin等17的方法制备，并对过程稍加修改。制备氢氧化钠（0.8%）和尿素（1%）溶液混合溶液100 mL，将2 g薏米淀粉分散在100 mL碱性/尿素溶液中，并将分散液分别加热到35、45、55 保持8 h。然后将薏米淀粉溶液迅速冷却至室温，过滤并去除可能存在的大颗粒。将乙醇逐滴滴加到淀粉溶液中进行磁力搅拌，NaOH/尿素与乙醇的体积比为14，在室温下磁力搅拌18 h，静置12 h。收集淀粉纳米颗粒，并用无水乙醇洗涤3 次，以除去尿素和NaOH，然后进行离心（4 000 r/min，10 min）之后将淀粉纳米颗粒分散液经冷冻干燥后获得薏米淀粉纳米颗粒。水-乙醇体系纳米沉淀法制备薏米淀粉纳米颗粒（记为W-SNPs）：按照Hebeish等18的方法制备，并对过程稍加修改。将2 g薏米淀粉分散在100 mL蒸馏水中，并将分散液分别加热到3、45、55 保持8 h。冷却至室温后进行磁力搅拌，将乙醇逐滴滴加到淀粉溶液中，其中水与乙醇的体积