淀粉微球气凝胶的制备及吸附性能与形态研究

谢 静，黄靓澳，曹雅琪，刘 睿，鲁 群，丁士勇

(华中农业大学食品科学技术学院，武汉 430070)

气凝胶具有质量轻、比表面积高、生物相容性好等特点，对其定义尚不明确，普遍认为气凝胶是利用干燥手段使气体代替三维网络中的液体，得到吸附力高、密度低、孔隙率高的固体材料，可运用于热绝缘材料、载体材料、填料以及过滤器中，是近年研究热点之一[1,2]。有机气凝胶是气凝胶中重要组成部分，目前的研究分布在以多糖为原材料制备的气凝胶，纤维素、果胶、壳聚糖等都有报道[3]，以多糖为原料制备的气凝胶也被证明具有生物降解性好、药物负载力强等优点。

淀粉是一种低成本、来源广的气凝胶制备原料，可通过糊化回生形成凝胶网络结构。木薯广泛生长于热带及亚热带地区，木薯淀粉具有适当直支比，无异味且冻融稳定性好，黏度高且稳定，是淀粉基气凝胶制备的优良原料[4]。淀粉基气凝胶具有孔隙多、比表面积高、生物相容性好、降解性好等特点，Garcia-Gonzalez等[5]利用乳液-凝胶法制备微球粒径在215～1 226 μm范围内玉米淀粉微球气凝胶。Ubeyitogullari等[6]利用超临界CO2制备干燥技术制备小麦淀粉块状气凝胶，并优化气凝胶比表面积可达59.7 m2/g，为淀粉基气凝胶的开发利用提供方向。

淀粉基气凝胶的研究多集中在块状气凝胶，而淀粉微球气凝胶的制备更为复杂[7]，微球气凝胶在食品药品中的应用更为广泛，具有研究前景[8]。淀粉微球气凝胶制备工艺可分为乳液法、喷雾法两大类[9,10]，其中乳液法制备淀粉微球气凝胶更易降解及均匀[11]，本研究在进行淀粉微球气凝胶制备时采用的是乳液-凝胶法[12]。加工参数及干燥方法等，对淀粉微球气凝胶的制备、特性影响很大[13]。为探究加工参数对淀粉微球气凝胶的吸附能力影响，本研究以其对亚甲基蓝的吸附力作为评价指标[14]，分析微球气凝胶制备参数，以响应面法优化工艺，以推动淀粉微球气凝胶的高效制备及功能提升。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

木薯淀粉(食品级)、大豆油(精炼一级)、亚甲基蓝(生物染色剂)、无水乙醇(分析级)、失水山梨醇油酸酯(司班80，化学纯)。

SHJ-4AB磁力搅拌水浴锅，TD-5A离心机，LGJ-18冷冻干燥机，SHZ-82恒温振荡器，UV-1800紫外分光光度计，APA2000激光颗粒度分布仪，JSM-6390LV生物扫描电子显微镜。

1.2 淀粉微球气凝胶制备工艺流程

依据Garcia-Gonzalez等[5]玉米淀粉微球气凝胶制备及实验条件对工艺流程进行简化，图1为制备流程图，包括淀粉的糊化、乳化、回生、乙醇洗涤、冷冻干燥5个步骤。

图1 淀粉微球气凝胶制备流程图

利用乳液-凝胶法制备淀粉微球气凝胶，第1阶段为乳液形成，首先需进行淀粉乳液的调配，将淀粉和水在磁力搅拌水浴锅(30 ℃、500 r/min)中搅拌10 min，形成淀粉分散液[14]。其次是油乳比的调配，在磁力搅拌水浴锅中将乳化剂和油在60 ℃、1 400 r/min条件搅拌5 min,使乳化剂在油中分散均匀，将淀粉分散液缓慢倒入，形成油包水体系[15,16]。第2阶段为淀粉糊化、回生，加热乳化体系，使淀粉糊化。回生是将糊化淀粉放在冰箱(4 ℃)中冷藏 24 h，淀粉在回生时会伴随着结构重组和部分重结晶，形成凝胶网络结构[17]。第3阶段为洗涤及溶剂交换，待回生结束后，利用高速离心机(5 500 r/min,18 min)进行油乳分离，再通过五步溶剂交换法对其进行洗涤及溶剂交换[18]，五步溶剂交换法是利用30%、50%、70%、100%乙醇中各浸泡1 h,再在100%乙醇溶剂中浸泡24 h,让凝胶中的水分脱去，使其在干燥后组织结构更加明显[19]。第4阶段为干燥阶段，干燥手段会对气凝胶的形态产生影响[20]，本研究在进行气凝胶干燥时采用冷冻干燥(0.2 MPa,48 h)。

1.3 淀粉微球气凝胶制备工艺单因素实验

探讨乳液质量分数(5%、7.5%、10%、12.5%、15%)、加热温度(55、70、85、100、121 ℃)、加热时间(30、60、90、120、150 min)及油乳比[5](1∶1、2∶1、3∶1)对微球气凝胶吸附能力的影响。称取一定含量的淀粉，调配成不同浓度的淀粉乳液，混匀，称取一定量的花生油，加入乳化剂(司班80)3%混合，控制不同的加热温度及糊化时间，乳液形成之后，冷却至室温，冰箱(4 ℃)冷藏24 h，离心(5 500 r/min，15 min)，取出颗粒，浸泡在无水乙醇中进行清洗及溶剂交换，反复5次，待结束后冷冻干燥(0.2 MPa,48 h)，利用研钵进行研磨，过100目筛，得淀粉微球气凝胶。

1.4 响应面优化淀粉微球吸附性能

在单因素实验基础上，按照 Box-Behnken 设计原理，选择加热时间(30、60、90 min)、加热温度(70、85、100 ℃)、淀粉乳质量分数(5%、10%、15%)为自变量，以淀粉微球气凝胶对亚甲基蓝的吸附量为响应值，利用 Design-Expert 8.0.5 软件进行响应曲面分析优化制备条件。

1.5 淀粉微球气凝胶亚甲基蓝吸附实验

亚甲基蓝标准曲线的绘制：配制浓度为0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006 mg/mL的亚甲基蓝溶液。在紫外分光光度计664 nm波长下测其吸光值，并以浓度为横坐标，吸光值为纵坐标绘制标准曲线[21,22]。根据紫外分光光度计测量结果，得到拟合曲线y=167.53x-0.018 6(R2=0.999 4)。

淀粉微球气凝胶吸附力测定：取25 mL 0.004 mg/mL亚甲基蓝于锥形瓶中，加入0.03 g淀粉微球气凝胶样品，进行振荡24 h，利用0.45 μm的微孔滤膜进行过滤，取滤液测吸光值。吸光值计算公式为：

式中：q为吸附量/mg/g;C原为未吸附前亚甲基蓝质量浓度/mg/mL;C吸为吸附后亚甲基蓝质量浓度/mg/mL；V为亚甲基蓝体积/mL;M为淀粉微球气凝胶的质量/g。

1.6 粒度分布测量

利用APA2000激光颗粒度分布仪进行粒度分布测量，利用液体进样法测定粒径，称量0.2 g样品放入离心管中，加入5 mL无水乙醇进行分散，将其加入样品池中进样测量，样品池搅拌速度为2 000 r/min，测定淀粉样品折射率为1.52。

1.7 扫描电镜分析

利用JSM-6390LV生物扫描电子显微镜对其进行形态表征，取适量样品在样品盘上，并在20 mA下进行离子溅射喷金，喷金时间5 min，在15 kV下进行不同倍数的淀粉微球气凝胶形态观察。

1.8 数据统计及分析

每组实验重复3次，结果用“平均值±标准差”表示，利用IBM SPSS Statistics 26进行单因素实验结果的显著性分析，利用Origin2018 64Bit进行单因素绘图。Design-Expert 10软件设计组合实验及绘制响应面图形，并利用软件中Box-Behnken 组合对响应面实验数据进行方差分析(ANOVA)。

2 实验结果与分析

2.1 单因素实验结果及分析

将加热温度设定为100 ℃、油乳比设定为1∶1、淀粉乳质量分数设定为15%，考察不同加热时间下淀粉微球气凝胶对亚甲基蓝吸附能力的影响，结果见图2。不同加热时间对淀粉微球气凝胶吸附亚甲基蓝的能力呈先上升后下降的趋势，淀粉微球气凝胶对亚甲基蓝的吸附能力显著高于原木薯淀粉。淀粉糊化回生后其结晶度及组织形态都发生变化，导致其比表面积、凝沉性、组织结构等发生变化[23]，从而影响吸附能力。随着时间延长，直链淀粉会溶出，在回生时影响凝胶形成[24]，从而影响其吸附性能。因此选择30、60、90 min作为响应面优化时间。

注：TS为原木薯淀粉；P<0.05。

将加热时间设定为90 min、油乳比设定为1∶1、淀粉乳质量分数设定为15%，考察不同加热时间下淀粉微球气凝胶对亚甲基蓝吸附能力的影响。由图2可见，不同加热温度对淀粉基气凝胶的吸附量有影响，淀粉微球气凝胶吸附力变化可以概括为3个阶段，这3个阶段同淀粉在不同加热温度下呈现的形态、结构变化相联系[25]：55 ℃下淀粉微球气凝胶吸附力和原淀粉相比没有显著性差异，由于加热温度并没有达到淀粉糊化温度，淀粉未发生淀粉溶出，组织结构及性能的改变，使其吸附力没有显著性变化。随着温度的升高，淀粉发生明显的吸水膨胀，使淀粉微球气凝胶组织结构松软，比表面积增大，吸附力发生显著提升。100 ℃及以上为淀粉崩解阶段，淀粉出现崩解，直链淀粉溶出，支链淀粉断裂，晶体结构发生明显改变，影响凝胶结构的形成，使气凝胶吸附力呈现下降趋势，但是高温条件下吸附力呈平缓趋势。根据吸附力测试结果，选用70、85、100 ℃作为响应面优化值。

将加热时间设定为90 min、油乳比设定为1∶1、加热温度设定为100 ℃，考察不同淀粉乳浓度下淀粉微球气凝胶对亚甲基蓝吸附能力的影响。图2表明，不同淀粉乳浓度制备淀粉微球气凝胶的吸附能力存在差异性，随着淀粉乳浓度的增加其吸附力呈下降趋势，淀粉乳浓度影响黏度，黏度增加使其在油相中的分布受到影响，影响回生阶段凝胶结构的形成[26]，从而使其吸附性能受到影响。考虑淀粉应用得率，在进行响应面分析时选取5%、10%、15%作为响应面优化值。

将加热时间设定为90 min、淀粉乳质量分数设定为15%、控制加热温度为100 ℃，考察不同油乳比下淀粉微球气凝胶对亚甲基蓝吸附能力的影响。如图2所示，不同油乳比条件下制备的淀粉微球气凝胶，对亚甲基蓝的吸附能力没有显著性差异。过量油会使淀粉乳在油相中分布均匀，但该比例下的油相不会对淀粉微球气凝胶的形态产生实质性变化[27]，对吸附力也没有影响。该因素不做为响应面优化指标，考虑经济效益及实验的可行性，因此选用1∶1的油乳比作为实验参数。

2.2 响应面实验优化

2.2.1 响应面优化结果及分析

表1 响应面实验方案及结果

表2 回归模型方差分析

通过三维响应面图和二维等高线图分析显示，各因素之间存在一定的交互关系，从等高线图中可见其椭圆程度和疏密程度，与模型回归中的方差分析一致。

由响应面软件分析可得出淀粉微球气凝胶的最佳预测工艺为：淀粉乳质量分数14.819%、加热温度为85.268 ℃、加热时间为89.837 min、吸附量为0.945 mg/g。考虑实验的可操作性，调整最优工艺为淀粉乳质量分数15%、加热温度85 ℃、加热时间90 min。

2.2.2 验证性实验

根据响应面的最优工艺进行3次平行验证实验，设定淀粉乳质量分数15%、加热温度为85 ℃、加热时间为90 min，经过其对亚甲基蓝吸附能力的测定，得出其吸附量为(0.928±0.008)mg/g，与吸附量预测值0.945 mg/g接近，符合预测结果，验证该实验的稳定性。

2.3 粒度测量结果分析

如图3所示，加热时间对淀粉微球气凝胶粒度分布没有显著性影响。加热温度对淀粉微球气凝胶的粒度分布存在显著影响，加热温度达到淀粉糊化的不同阶段时：吸水膨胀阶段、崩解阶段，同黄婷[28]研究木薯淀粉糊化过程中颗粒变化一致。淀粉微球气凝胶的颗粒分布不同。淀粉乳浓度显著影响微球气凝胶粒度分布，可能的原因是：淀粉乳浓度影响了糊化体系的黏度，进而影响其在油相中分散，使其粒度分布发生变化，但变化未呈现明显规律性，有待进一步研究。

注：TS为原木薯淀粉。

2.4 加热温度对淀粉颗粒形态的影响

由于加热温度对吸附力以及粒度分布影响显著，因此对不同加热温度制备的淀粉微球气凝胶样品进行微观形态表征，如图4扫描电镜图所示，可以发现随着温度的升高，淀粉微球气凝胶的形态出现明显变化，100 ℃时，气凝胶珊瑚状表面形成，多孔、粒径达到最大，温度继续升高，表面及粒径稳定。从图4D(d)、图4E(e)、图4F(f)中显示：气凝胶表面出现凸起，推测可能原因是直链淀粉溶出[29]。当温度持续升高，气凝胶呈现珊瑚状，表面出现明显孔隙，形态发生改变。

注：A:TS-800×(TS:原木薯淀粉);B:55 ℃-800×；C:70 ℃-800×;D:85 ℃-800×;E:100 ℃-300×；F:121 ℃-300×；a:TS-5 000×;b: 55 ℃-5 000×; c:70 ℃-5 000×;d:85 ℃-5 000×;e:100 ℃-3 000×；f:121 ℃-3 000×。

3 结论

研究加热温度、加热时间、淀粉乳浓度、油乳比对淀粉微球气凝胶吸附能力的影响，结果表明淀粉微球气凝胶吸附力显著高于原淀粉，且加热时间、加热温度及淀粉乳含量对微球吸附力影响最大，通过进行响应面优化，可以得出其最优工艺为淀粉乳质量分数15%、加热温度为85 ℃、加热时间为90 min，吸附量为(0.928±0.008)mg/g，较原淀粉相比增长69.8%。不同加热温度以及乳液含量所制备的微球气凝胶粒径存在差异性，结合生物扫描电镜分析结果可以发现，温度对淀粉微球气凝胶的粒径影响最大，当温度达到100 ℃时，淀粉微球气凝胶珊瑚状表面形成，粒径稳定，吸附性能发生明显改变。