二氢杨梅素-高直链玉米淀粉复合颗粒Pickering乳液凝胶的多尺度稳定机理

背景介绍

二氢杨梅素（DMY）是一种黄酮类化合物，是藤茶叶的主要活性成分，2013年被批准为中国新资源食品。最新研究表明，DMY具有多种促进健康的功能，如抗氧化、抗菌、抗病毒、抗动脉硬化和抗癌活性等。此外，它已经实现了商业批量生产，并在美国作为营养补充剂(胶囊)应用。

一些物质由于其自身的特性而具有较低的生物利用度，其本身具备的各种功能特性和营养价值无法被充分利用。例如用传统方法制备的淀粉基Pickering乳液凝胶对环境不友好，最终产品的安全性也需要验证，因此实际应用受到了限制。

在本研究中，我们发现DMY-高直链淀粉(HCS)复合颗粒在室温一步高速剪切下可以诱导乳液凝胶的形成。这一发现不仅有利于淀粉基Pickering乳液凝胶的开发，而且为黄酮类化合物提供了新的应用领域。然而，其潜在机制尚不清楚。我们推测其机理是基于复合颗粒制备过程中形成的DMY-直链淀粉主客体超分子。

研究方法

本研究通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、x射线衍射(XRD)、固体13C核磁共振(NMR)等手段对复合粒子的物理化学性质进行了系统的研究，以阐明复合粒子的乳化性能。最后，采用动力学模拟方法研究了DMY-直链淀粉超分子配合物的形成和乳化行为。

结果与分析

26h后将制备凝胶的试剂瓶倒置，直接观察凝胶状态，c、w、i、φ分别代表复合颗粒中DMY含量、乳状液中复合颗粒含量、离子强度和油相质量分数。w = 2%， i = 0， φ = 50%时，c≥10%时可形成乳液凝胶(图1A)。当w为4%，其他条件不变时，在c≥2.5%时形成乳液凝胶(图1B)。这说明c和w具有显著的协同效应。

观察HCS、不同DMY含量(0%、2.5%、5%、10%、20%)的复合颗粒和DMY的SEM图像可知，HCS表现为球形颗粒、不规则球形多面体颗粒和表面光滑的细长颗粒，DMY以矩形晶体形式存在，这些复合颗粒中，没有HCS和DMY的原始形态。可以推断，制备过程中，DMY与HCS之间存在相互作用。

HCS与不同DMY含量(0%、2.5%、5%、10%、20%)的复合颗粒以及DMY的FT-IR谱图显示没有DMY在1450 ~ 40000px^-1之间的特征带，表明在DMY-直链淀粉复合物形成过程中，DMY芳香环可能会进入HCS的疏水腔。

x射线衍射是确定配合物形成的有力手段，研究显示，在c = 2.5、5、10和20%处形成的复合粒子的XRD谱图在20.3处有一个主峰，对应v型，表明复合物的形成。

固体13C核磁共振谱结果显示，与纯DMY的频谱相比，复合颗粒中DMY信号明显展宽，这表明DMY分子处于更无序、更无定形的环境中，这为复合物的形成提供了权威证据。

基于上述乳状凝胶和复合颗粒的实验结果，我们推测DMY提高HCS颗粒乳化能力的机理如下:在制备复合颗粒的过程中，DMY与一些直链淀粉分子通过非共价相互作用在HCS颗粒表面形成超分子复合物。由于DMY中苯环的疏水性，HCS颗粒的表面亲水性降低，增强了其乳化能力。因此，DMY/直链淀粉复合物的形成对乳状凝胶的形成至关重要。通过DMY-直链淀粉复合物在水中的自组装模拟发现DMY和直链淀粉的相对位置保持不变，这有力地证明了该复合物是稳定的。二氢杨梅素可以自发快速地通过非共价相互作用进入直链淀粉螺旋结构，类似于黄酮类化合物与环糊精的相互作用。此结果与之前关于直链淀粉和其他客体分子复合物的报道一致。

研究复合颗粒中DMY含量(c)、乳状液中复合颗粒含量(w)、离子强度(i)、油相质量分数(φ)对26 h后乳状液凝胶形成的影响。w=2%，i=0，φ=50%时，c≥10%时可形成乳液凝胶(图1A)。当w为4%，其他条件不变时，在c≥2.5%时形成乳液凝胶(图1B)。这说明c和w具有显著的协同效应。当w为2%和4%时，离子强度似乎对乳状液凝胶的形成没有影响(图1I和1J)。

共聚焦激光扫描显微术可以从选定的深度提供亚微米分辨率的乳状液的聚焦图像。图2为c=10%，w=4%，i =0，φ=50%条件下复合颗粒稳定乳液凝胶的CLSM图像。黑色区域为未染色的水相，红色区域和蓝色区域分别代表尼罗河蓝A和尼罗河红染色的复合颗粒和油相。油相液滴被复合颗粒包围，证实了Pickering乳状液凝胶的性质为水包油型。复合粒子不仅停留在油/水界面，而且还停留在水相中。

c、w、i对φ=50%时乳液凝胶流变性能的影响如图3所示，所有样品的G’、G”值一开始保持不变，后迅速下降(图3 A1-A3)。频率扫描(0.1-10hz)结果如图3B1-B3所示，所有样品的G′值均高于相应的G”值，表现出典型Pickering乳液凝胶的流变性能。当w=3%时，c=10%和20%时样品的G’值接近(图3B1)。w=4%时，c=20%样品的G’值明显高于c=10%的(图3B2),这可能是由于加强DMY晶体对凝胶结构的影响。此外，改变i值 (0-400 mM)，i的增加对凝胶结构的增强略有好处(图3B3)。图3C1-C3显示了剪切速率对表观粘度的影响。所有样品均表现出典型的剪切变薄流变特性。

颗粒的形状和大小对颗粒在油水界面的自发聚集和乳化性能有显著影响。观察不同DMY含量(0%、2.5%、5%、10%、20%)下复合颗粒和DMY的SEM图像。HCS表现为球形颗粒、不规则球形多面体颗粒和表面光滑的细长颗粒，而DMY以矩形晶体形式存在。c=0%和2.5%的复合颗粒均为大的不规则片状，而c≥5%的复合颗粒呈现突触结构，有利于颗粒间的致密搭接。这些复合颗粒缺乏HCS和DMY的原始形态。可以推断，在制备过程中，DMY与HCS之间存在相互作用。

经过实验推测DMY提高HCS颗粒乳化能力的机理如下:在复合颗粒制备过程中，DMY与一些直链淀粉分子通过非共价作用在HCS颗粒表面形成超分子复合物。由于DMY中苯环的疏水性，HCS颗粒的表面亲水性降低，增强了其乳化能力。因此，DMY-直链淀粉复合物的形成对乳液凝胶的形成至关重要。由于仪器的限制，很难在分子和动态水平上研究这个复合物。因此，采用分子动力在整个模拟过程中，质心距离变化不大，说明DMY与直链淀粉没有分离，且DMY与直链淀粉的相对位置保持不变，这有力地证实了复合物的稳定性。DMY-直链淀粉复合物的模拟研究表明二氢杨梅素可以通过非共价相互作用自发快速进入直链淀粉螺旋，类似于黄酮类化合物与环糊精的相互作用。

图1 制备后放置26h的乳液凝胶外观

图2 复合颗粒在c = 10%，w = 4%，i = 0，φ = 50%条件下稳定乳液凝胶的CLSM图像

结论

本研究在实验和理论计算的基础上，建立了“分子相互作用-颗粒特性-乳液凝胶特性”多尺度关系来解释相关稳定机理，促进淀粉基Pickering乳液凝胶的开发，为食品类黄酮的应用开辟新领域。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030881462100666X

供稿人：

职兰懿