木薯纳米淀粉Pickering乳液的制备及其稳定性研究.pdf

第53卷第2 期2024年2 月木薯纳米淀粉Pickering乳液的制备及其稳定性研究杨剪秋，毕会敏，范方宇（西南林业大学生命科学学院，云南昆明6 50 2 2 4）摘要：以木薯纳米淀粉稳定Pickering乳液,以乳析指数、贮藏稳定性、粒径分布及流变特性作为指标,考察纳米淀粉添加量、离子强度、温度、pH对乳液性质的影响。结果表明，纳米淀粉添加量7.5%时,乳液综合性质最佳，液滴大小分布较均匀，室温贮藏30 d无分层现象，粒径最小，为115.30 nm；表观黏度、储能模量、损耗模量最大，表现为凝胶特性。此条件下，乳液具有较强的盐离子抵抗力，最适贮藏温度为2 5 7 0、pH为2.0 0 6.0 0。关键词：木薯淀粉；纳米淀粉；Pickering乳液；稳定性中图分类号:TQ 658.2;TS 235.22文献标识码A文章编号：16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 2 8 7-0 6Preparation of Pickering emulsion with cassavastarch nanoparticles and its stability studiesYANG Jian-qiu,BI Hui-min,FAN Fang-yu(College of Life Science,Southwest Forestry University,Kunming 650224,China)Abstract:Pickering emulsion stabilized by cassava starch nanoparticles,the creaming index,storage sta-bility,grain size distribution and rheological properties as index.The influence of starch nanoparticle,ionsstrength,temperature and pH on emulsion properties were investigated.The results showed that at 7.5%of starch nanoparticles,the comprehensive properties of emulsion were better than that of control samples.The droplet size distribution of emulsion was relatively uniform,and there was no layering phenomenon af-ter 30 d of stored at room temperature.The smallest droplet size of emulsion was 115.30 nm,while the e-mulsion viscosity,storage and loss modulus reached the peak,and the emulsion appeared gelatinous.Inthis condition,emulsion exhibited strong resistance to salt ions,and the optimal storage temperature andpH were 25 70 ,2.0 0 6.0 0,r e s p e c t i v e l y.Key words:cassava starch;starch nanoparticles;Pickering emulsion;stabilityPickering乳液是一种以固体颗粒稳定的乳液体系,因其优异的稳定性和可控性，常作为运输载体，应用于食品、化妆品等领域 13。木薯淀粉在自然界中产量大，较高的支链淀粉含量，使其缓释性、溶解性及溶胀性良好 4-7 。但天然木薯淀粉亲水性较强,难以与疏水物质相容，稳定Pickering乳液 s小粒径颗粒能快速吸附在两相界面,形成高强度物理屏障，赋予乳液高度稳定性，故常通过减小尺寸等手段增强天然淀粉的双亲性及乳化能力 9-0 1本研究以沉淀法制备的木薯纳米淀粉为固体颗粒乳化剂，稳定Pickering乳液，并对其在不同环境中的稳定性进行分析，旨在为食品级固体颗粒乳化剂的开发提供参考。1实验部分1.1试剂与仪器木薯淀粉、调和油均为食品级；无水乙醇、氯化钠、盐酸、氢氧化钠均为分析纯。XINYI-IID超声波细胞粉碎机;FD5-3冷冻干燥机;FJ200-SH实验室数显高速分散均质机;Zetasizer收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 6 修改稿日期：2 0 2 3-0 7-11基金项目：国家自然科学基金（317 6 0 47 0）；云南省教育厅科学研究基金项目（2 0 2 3Y0788）；云南省兴滇英才支持计划 青年人才专项资助（Y NW R-Q NBJ-2 0 18-0 46）；生物学质量工程项目（50 3190 10 6）作者简介：杨剪秋（1996），女，四川乐山人，在读硕士研究生，师从范方宇教授。电话：152 8 1956 196,E-mail：42 2 2 6 7 2 8 9 q q.c o m应用化工Applied Chemical IndustryNanoZS90型激光粒度仪；HR20Discovery混合型流变仪；SK2009光学显微镜。1.2实验方法1.2.1木薯纳米淀粉的制备采用沉淀法制备木薯纳米淀粉 8 。称取10.0 0 g木薯淀粉与2 0 0 mL去离子水混合，10 0 r/min,100恒温搅拌1h至淀粉完全糊化，冷却至室温。455W超声15min，100r/min磁力搅拌15min,缓慢匀速注人12 0 mL无水乙醇。混合液8 0 0 0 r/min离心10 min,沉淀加20 mL无水乙醇,离心洗涤3次。冷冻干燥,得木薯纳米淀粉(SNP)。1.2.2?O/W 型Pickering乳液的制备以SNP(添加量7.50%）为乳化剂，将其与去离子水混匀，50水浴2 min。加人体积分数50%的调和油为油相,14 0 0 0 r/min均质3min得Pickering乳液。1.3性能测试1.3.1显微观察光学显微镜观察Pickering乳液的显微形态。分别吸取1L SNP添加量6.0 0%，6.50%，7.0 0%，7.50%，8.0 0%的乳液，用2 倍蒸馏Vol.53 No.2Feb.2024288水稀释后，置于载玻片，缓慢盖上盖玻片，防止气泡产生，固定于载物台，10 0 倍物镜下油浸观察，放大倍数1 0 0 0。1.3.2粒径及粒径分布测定纳米激光粒度仪在温度2 5条件下测定Pickering乳液的粒径及分布,新鲜制备的乳液在储藏48 h后测定。1.3.3乳析指数及贮藏稳定性测定将新鲜制备的淀粉乳液避光、室温贮藏，15,30 d后观察乳液变化情况，拍照记录。同时测量液体总高度、乳析层高度。采用公式(1)计算乳析指数：h乳析层10 0乳析指数(%）H总式中，h乳析层为乳析层高度，cm;H总为液体总高度,cm。1.3.4流变特性测定1.3.4.1静态流变测定设置测试温度2 5、剪切速率0.0 1 10 0 0 s-1,考察相应剪切速率下，不同SNP添加量Pickering乳液表观黏度与应力的变化趋势。1.3.4.2动态流变测定设置测试温度2 5、振荡频率0.0 110 0 Hz,考察相应振荡频率下,不同SNP添加量Pickering乳液储能模量（G）和损耗模量(G)的变化趋势。1.4数据处理采用SPSS25.0进行数据处理，Origin2018软件绘图,ANOVA分析数据差异显著性（P0.05），数据均为3次重复实验取平均值。2结果与讨论2.1显微形态Pickering乳液的显微形态见图1。a0dC10um图1SNP添加量对乳液显微形态的影响Fig.1Effects of content of SNPon micro-morphology of emulsionA.6.00%;B.6.50%;C.7.00%;D.7.50%;E.8.00%由图1可知，不同SNP添加量下,Pickering乳液液滴均呈规则圆形。SNP添加量6.0 0%，6.50%,由于SNP的添加量较低,不足以在界面形成致密的保护层，相邻液滴通过共用固体颗粒吸附层,以维持界面平衡,避免体系失稳 3。因此,此时液滴分布不均匀，有较大液滴存在，同时出现桥连絮凝现象。随SNP添加量的增加，液滴尺寸逐渐减小，当添加量为7.0 0%7.50%，尺寸变化不明显，应用化工液滴分布趋于均匀。8.0 0%时,尺寸有增大趋势,因为两相界面存在过量SNP,受水分子吸引游离于界面,发生Ostwald熟化,乳液稳定性降低的同时发生絮凝。2.2粒径及粒径分布Pickering乳液的粒径在乳液失稳后会显著增大，因此可用于评价乳液的稳定性 3。SNP添加量对乳液粒径及粒径分布的影响见图2。400a350300(1)u250买2 0 01501006.00B25206%15510500图2 SNP添加量对乳液粒径（A）及粒径分布(B)的影响Fig.2Effects of content of SNP on particle size andparticle size distribution of emulsion由图2 A可知，随SNP添加量的增加,Pickeringb乳液粒径呈先减小后增大的趋势，SNP添加量7.50%时，达到最小，为115.30 nm，相较于6.0 0%的乳液显著减小2 57.55nm（P 0.0 5）；添加量增加到8.0 0%后，粒径显著增大到18 2.2 5nm（P0.05）。SNP添加量较少时,不足以稳定油、水界e面,液滴间易发生碰撞 12 。随 SNP的增多,更多的固体颗粒可用于稳定界面，在乳化剂的作用下，形10um10um第53卷bC-de：1成尺寸较小的液滴 13。通常两相体积比一定的情况下，乳液分散相的液滴尺寸越小，两相界面面积越大，液滴比表面积相应增大，随固体颗粒乳化剂添加量的增加,其稳定的界面范围增大,乳液更稳定 14。但添加量过高（8.0 0%），多余的SNP聚集，颗粒间相互作用加剧，乳液体系的布朗运动增强，造成液滴聚结，粒径增大。同时过量SNP还会导致乳液液滴构象不稳定，大量亲水基团暴露，破坏界面的稳定性。由图2 B可知，SNP的添加量6.00%8.00%,乳液粒径分布曲线呈现双峰,0 70nm出峰频度较低。随着SNP的添加量从6.00%增加至7.50%，曲线向小粒径方向平移，6.50SNP添加量/%6.00%+6.50%+7.00%7.50%8.00%5001000粒径/nm7.007.5015008.002000第2 期7.50%8.00%向大粒径方向平移。表明乳液粒径大小分布趋于均匀，SNP添加量7.50%时，粒径最小。上述结果证明 SNP能稳定界面的平衡,同时通过整体粒径及粒径分布来看，SNP添加量7.0 0%，7.50%，8.0 0%的乳液具有更好的乳化效果。2.3乳析指数及贮藏稳定性乳析指数是反映Pickering乳液功能特性的重要指标，通过乳析指数的大小可以判断固体颗粒稳定油、水界面的能力和乳液的稳定性 15。图3为SNP添加量对乳液乳析指数及贮藏稳定性的影响。1h15d6.00%.509Fig.3 Effects of content of SNP on creamingindex and storage stability of emulsion由图3可知，油相体积分数50%，SNP添加量6.00%8.00%时,乳液均呈白色液状。SNP添加量6.0 0%,乳液放置15d，下层形成明显的水层,乳析指数为16.0 0%;30 d后,乳析指数上升不显著，为18.0 0%。SNP添加量6.50%时，乳液放置30 d发生轻微分层，乳析指数为3.0 0%。添加量7.0 0%8.00%时，乳液放置30 d仍未出现明显分层，乳液体系中相邻液滴间与 SNP彼此靠近、相互制约、相互作用形成了具有一定强度的三维网络结构,表现出半固态凝胶特性。乳液贮藏稳定性与乳液粒径呈现负相关,粒径越小，液滴分散性越好,乳液体系的物化稳定性越强 3。刘灿灿等 12 也发现在改性槟榔芋淀粉稳定Pickering乳液中，随着淀粉颗粒浓度从1mg/mL增加到30 mg/mL乳液粒径减小的同时稳定性得到显著提升。添加量的增多，,使得更多SNP吸附于界面,提高了乳液的空间位阻,液滴间静电斥力增强，沉淀速率减缓,有助于形成稳定的乳液体系 16 。此外，随着SNP添加量增加,SNP在界面排列更紧密,界面膜的黏弹性与机械强度增大，张力下降，对液滴的保护作用增强 17 。添加量较低时（6.0 0%6.50%），颗粒在液滴表面的覆盖杨剪秋等：木薯纳米淀粉Pickering乳液的制备及其稳定性研究30d.00%7.50%8.00%6.00%6.50%7.00%7.50%8.00%6.00%6.50%7.00%7.50%8.00%乳板县乳层图3 SSNP添加量对乳液乳析指数及贮藏稳定性的影响289速率大于40 0 s-后，表观黏度基本保持不变,乳液体系保持相对稳定，表现为牛顿流体特征，此时乳液分离与絮凝的速度相同 2 0 。由图4A、B可知，当SNP添加量为6.0 0%7.50%，随着添加量的增加乳液的表观黏度和应力值增大；7.50%时，表观黏度和应力值均最大；增大到8.0 0%后，表观黏度和应力值减小。范方宇等在研究改性纳米SiO，壳聚糖乳液的性质时也得到类似变化规律 ,当吸附于界面的SNP达到饱和后,继续添加的 SNP将游离于乳液体系，形成类三维网络结构，使乳液流动受阻,因此,表观黏度和应力值增大有利于乳液的稳定；但SNP添加过量（8.0 0%），颗粒间会发生聚集，部分油相未得到充分乳化，导致乳液的稳态结构被破坏。0.8A0.60.20.0L100B6.00%+6.50%80F7.00%+7.50%8.00%540F20F00C10010Bd/uD6.00%6.50%+7.00%7.50%+8.00%0200剪切速率/s-1200400剪切速率/s1400600600800100080010006.00%G06.00%G+6.50%G一-0-6.50%G面积较小，不能形成完整的保护膜，导致乳液稳定G0.1性降低 18 。结果表明,SNP能够作为固体颗粒乳化0.01剂吸附于油、水界面,并提供稳定Pickering乳液和防止液滴聚集的有效屏障。在SNP添加量7.0 0%，7.50%，8.0 0%时，乳液具有长时间稳定性。2.4流变特性图4为SNP添加量对乳液流变特性的影响。由图4A可知，不同SNP添加量的乳液，剪切速率0 10 0 s-时,表观黏度随剪切速率的增加而急剧下降；剪切速率10 0 40 0 s-时，表观黏度下降缓慢,呈剪切稀化行为，属假塑形流体，表明此时液滴间分子重排的速度小于其结构瓦解的速度 19;剪切7.00%G-0-7.00%G7.50%G0-7.50%G8.00%G08.00%G0.00110.11频率/Hz图4SSNP添加量对乳液流变特性的影响Fig.4Effects of content of SNP on rheologicalproperties of emulsionA.黏度;B.应力;C.G和GPickering乳液的强度和密度一般可以通过乳化剂在两相界面的扩张模量来表示 2 1。储能模量（G ）、损耗模量（G)分别代表乳液网络结构的弹性行为与黏性行为 2 。由图4C可知，不同SNP添加10100290量的乳液,在整个扫描频率内，G、G 随振动频率的增大而增加。当SNP添加量为6.0 0%，G始终小于G,乳液表现液体特征。SNP添加量为6.50%时，初始频率增大阶段,G大于 G,乳液处于凝胶状，随振动频率增大,G与G相交,为凝胶点,交点后,G小于G,乳液体系属黏性行为为主导的液体状态。表明随振荡频率增大，液滴的不规则运动加剧，分子与液滴间的非共价相互作用被削弱，破坏了乳液的凝胶网络 19。SNP添加量为7.0 0%时，低振荡频率阶段,G小于G,乳液体系表现液体特性,以黏性行为为主导,交点后,G大于 G,乳液处于凝胶结构状态,主要发生弹性形变。SNP添加量7.50%8.00%时,G始终大于G,乳液属凝胶网络结构，表现为固体特性，以弹性行为为主导。SNP添加量6.50%8.0 0%乳液内部均存在凝胶状结构，保证乳液稳定性 2 2 ,说明SNP具有一定的表面活性,能吸附于界面,形成较强的弹性凝胶网络结构，凝胶结构可作为乳液体系中的分散相，提升乳液黏弹性，参与维护体系的稳定 2 0 。随SNP添加量的增加，G和G呈先增大后减小的趋势，当添加量为7.50%,G和G均达到最大值。一方面，随SNP添加量的增大（6.0 0%7.50%），液滴尺寸减小，小尺寸液滴聚集更紧密；另一方面,SNP增多使两相界面膜增厚，抵抗形变的能力增强；添加量增加到8.00%,乳液表观黏度下降，不利于凝胶网络的形成 2 3综上所述，SNP添加量7.50%时，乳液表观黏度和应力值最大，黏弹性最强，因而非牛顿流体特征最明显,趋于形成高强度的凝胶基质，有利于液滴分散稳定性的增强。选择7.50%为Pickering乳液的SNP添加量。2.5环境条件对 Pickering乳液稳定性的影响2.5.1离子强度油相体积分数50%、SNP添加量7.50%，在水相中加人NaCl,制备Pickering乳液，观察乳液外观并测定粒径及分布，结果见图5。30F25F20%/源151050图5离子强度对乳液粒径分布及外观的影响Fig.5Effects of ions strength on particle sizedistribution and appearance of emulsion由图5可知，盐离子浓度50 2 50 mmol/L，随浓度的增大，粒径略微上升趋势，分别为319.7 5，415.45,409.95,448.8,451.4nm，均大于未添加盐应用化工离子的乳液粒径（115.30 nm）；不同离子强度下，新鲜制备的乳液外观无明显区别，未出现分层现象。Na+通过静电斥力屏蔽了乳液体系中固体颗粒所带负电荷，颗粒间的静电作用降低，易发生聚集、沉淀,不利于其在界面的吸附,乳液中形成的类三维网络结构发生改变 2 4,导致乳液粒径增大。黄耀成发现 2 5,在多糖-蛋白复合物稳定的乳液中,盐离子浓度从2 5 mmol/L增加至7 5 mmol/L,乳液粒径无明显变化,与本研究结果类似。可能是水相中适当添加盐离子，可起平衡渗透压，避免水分迁移的作用,从而稳定液滴尺寸。随着离子强度的增加,乳液的粒径分布未改变，均为单峰分布，与不添加盐离子的乳液相比,液滴分布更均匀。Mezzenga等也报道了添加盐离子可达到平衡乳液体系渗透压及拉普拉斯压强的目的 2 6 ,有利于SNP对内部油滴的包裹,并形成尺寸分布稳定的液滴。结果表明,该乳液在不同盐离子浓度下均呈现良好稳定性，对盐离子具有较好的抵抗力。2.5.2温度油相体积分数50%、SNP添加量7.50%，制备Pickering乳液。取10 mL新鲜制备的乳液分别于2 5,40,55,6 0,7 0,8 5水浴锅中恒温加热1h,观察乳液外观并测定粒径及分布。30未加热252540557020F852540乳析层50图6 加热处理对乳液粒径分布及外观的影响Fig.6Effects of heating temperature on particlesize distribution and appearance of emulsion由图6 可知,与未加热Pickering乳液相比,加0 mmol50 mmol100 mmol150mmol200 mmol250mmol5010015020025001000粒径/nm第53卷557001.000粒径/nm热后的乳液粒径有所上升,粒径分布均呈单峰。2 570，乳液粒径分别为330.40,350.90,36 3.7 0，476.70nm，此时乳液轻微分层；增加到8 5时，乳液粒径明显增大至8 0 0.8 0 nm，乳液粒径分布范围宽,分层明显。温度的升高,增大了乳液粒径。原因为高温减弱了SNP间氢键相互作用,加剧了疏水相互作用,诱导液滴聚集，乳液粒径增大 2 7 。此外，2000温度越高，分子热运动越剧烈，乳液中形成的网络结构受热膨胀,在挤压作用下,乳液发生油水分离；同时高温作用，使体系中大量氢键被破坏，水相凝胶网络受损，水滴逸出,形成水层 2 5。过高温度（8 5）会破坏液滴，导致乳液体系失稳,形成较宽的粒径分布曲线。结果表明，该乳液对高温较敏852000第2 期感，相较而言,2 57 0 的条件下，有利于维护乳液结构的完整，使其具有较好稳定性。2.5.3pH不同pH下,SNP表面润湿度和带电量会发生变化,影响SNP颗粒间排列的紧密度与颗粒表面静电斥力，改变SNP对Pickering乳液的稳定能力 2 8 。油相体积分数50%、SNP添加量7.50%，用0.1 mol/L HCl 和 0.1 mol/L NaOH分别调整水相pH制备Pickering乳液，观察乳液外观并测定粒径及分布,见图7。35F3025F6820151050-5图7 pH对乳液粒径分布及外观的影响Fig.7Effects of pH on particle size distributionand appearance of emulsion由图7 可知,pH2.0010.00的乳液粒径分布均呈单峰;2.0 0,4.0 0,6.0 0 pH条件下,乳液粒径较小，分别为7 7 5.7 5,8 42.2 5,6 0 9.8 5nm，乳液发生轻微分层；高pH（8.0 0,10.0 0）下，乳液粒径明显增大，分别为9 6 1.6 5,1159.9 5nm，乳液发生明显分层。可能是当pH为2.0 0 6.0 0 时，一方面SNP静电排斥力增强，颗粒分散性增强，聚集作用被抑制；另一方面SNP中大量亲水羟基链共价结合于分子表面,形成了坚实的空间位阻效应,使乳液界面膜具有较强机械强度，改善乳液稳定性的同时具有较小粒径 2 9。pH8.0010.00的碱性环境中,SNP羧基质子化能力增强，负电荷大量减少，表面排斥力较弱,疏水相互作用相对较强，分子间易发生疏水聚集、絮凝 3。结果表明,该乳液宜存放于pH 为2.006.00的酸性环境。2.6乳液稳定机制与传统乳液（表面活性剂稳定的乳液）相比，Pickering乳液以固体颗粒代替传统乳化剂稳定整个乳液体系的连续性与分散相。固体颗粒解析能较高，颗粒的吸附作用几乎不可逆，能有效地防止液滴聚集和Ostwald 熟化，使乳液在生物活性物质的负载和递送中具有较好稳定性 2 。由图8 可知，SNP由于其特殊的界面效应和小尺寸效应,能稳定吸附于油、水界面,并快速形成有力的物理屏障,达到长时间稳定乳液的目的 30 。因此，采用SNP为固体颗粒乳化剂稳定Pickering乳液，并将其应用于食品、药品、化妆品等行业具有可行性。杨剪秋等：木薯纳米淀粉Pickering乳液的制备及其稳定性研究表面活性剂油水B2.004.006.008.0010.002.004.006.008.0010.00乳析层1000粒径/nm291A固体颗粒(SNP)油水图8 乳液稳定机制示意图Fig.8 Diagram of emulsion stabilization mechanismA.O/W型传统乳液;B.O/W型Pickering乳液3结论（1)木薯纳米淀粉Pickering乳液的乳析指数、2.000贮藏稳定性、粒径、粒径分布及流变特性受SNP添加量的影响。SNP添加量6.0 0%7.50%时，随添加量的增大，乳液液滴分布趋于均匀，粒径减小,乳析层高度逐渐降低，乳析指数减小，乳液表观黏度、G、G 得到提升。SNP添加量增加至8.0 0%时,乳液粒径增大,表观黏度、G、G 减小。在SNP添加量7.50%的制备条件下,所形成的乳液综合性能最好。此时乳液液滴形状规则,呈球状，分布较均匀；粒径最小为115.30 nm；表观黏度、G和G达到最大值，呈典型凝胶状。(2）不同离子强度、加热温度、pH对乳液粒径分布影响不大，均呈单峰。通过添加盐离子和加热处理，乳液粒径显著上升。盐离子浓度50 250mmol/L乳液未出现分层，加热温度2 5 7 0、pH2.006.00乳液出现轻微分层，说明乳液可在上述条件下进行贮藏。使用SNP为稳定材料,形成包裹油滴的食品级Pickering乳液，可用于食品、药品等行业，起到保护营养物质、提升货架期的作用。参考文献：1杨惠，黄富宁，朱丽娜，等.0/W型Pickering乳液的制备及其吸收紫外线性能研究 J.应用化工,2 0 2 1,50(1):83-86.2 陈诚.Pickering乳液在日用化工中应用研究进展 J.应用化工,2 0 17,46(10）;2 0 19-2 0 2 2.3 余振宇.OSA改性芋头淀粉基Pickering乳液运载体系稳定机制及其特性研究D.合肥：合肥工业大学,2 0 2 0.4 HO K W,OOI C W,MWANGI W W,et al.Comparison ofself-aggregated chitosan particles prepared 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