《食品科学》：合肥工业大学袁传勋研究员等：N-乙酰化程度对壳聚糖稳定Pickering乳液乳化性能的影响

Pickering乳液是指由有机或无机固体颗粒替代传统表面活性剂稳定两种不相混溶液组成的体系，相对于传统乳液，Pickering乳液具有无表面活性剂、环境友好、低毒性和稳定性强等明显优势。来源于天然材料的多糖颗粒因具有独特的生物活性和低毒性、可降解的特性，被作为乳化剂广泛用于制备Pickering乳液。

甲壳素是仅次于纤维素的第二大天然高分子聚合物。壳聚糖（CS）是一种天然存在的阳离子多糖，是由甲壳素碱性水解将

N

-乙酰基-

D

-氨基葡萄糖转化为

D

-氨基葡萄糖，并且

N

-乙酰基含量降低到约50%以下的产物。而乙酰度（DA）是CS利用的关键因素之一，DA决定了CS上

N

-乙酰-

D

-氨基葡萄糖单元的物质的量比，是决定CS物化性能和生物性质的重要因子。

山茶油是中国南方部分省份常见的优质食用油，富含不饱和脂肪酸、多酚、植物甾醇、茶皂素、角鲨烯等功能成分，使其在食品、化妆品和医药领域具有广阔的应用前景，素有“东方橄榄油”的美誉。然而，其疏水性和油腻的味道对食品领域的加工和利用造成了不利影响，因此本研究选择山茶油作为乳液油相进行乳化以提高其生物利用度。

综上，合肥工业大学食品与生物工程学院的吴军、施兆娟、袁传勋*等利用CS分子内氨基良好的化学反应性和乙酰化可赋予其优良的理化性能和生物性质。研究以不同

N

-乙酰化系列的CS为固体颗粒，使用山茶油作为油相制备水包油（O/W）型Pickering乳液，并系统探究体系的结构性质、粒径分布、乳化特性及贮藏稳定性。研究旨在确定最佳的

N

-乙酰化程度，以制备具有优异乳化性能的CS，从而获得稳定性更高、粒径分布更均匀的Pickering乳液。通过了解

N

-乙酰化程度对Pickering乳液乳化性的影响，以期为开发基于CS的乳液体系提供新视角。

1 FT-IR分析

在3 300 ～3 500 cm -1 范围的特征峰由O—H的伸缩振动和N—H 的伸缩振动重叠引起；—CH在2 850～2 940 cm -1 范围出现一个弱的吸收峰；987～1 130 cm -1 吸收谱则由多糖糖环产生，这些为CS的主要特征峰 。如图1所示，未发生取代基反应CS谱图在1 600 cm -1 处具有明显的氨基特征谱峰，同时乙酰氨基的特征峰仅在1 670 cm -1 （酰胺I带）出现一个较小的突起。与CS组相比，N-CS的谱图在1 700～1 300 cm -1 范围内存在一些吸收变化。N-CS分别在1 670（C＝O）、1 520（N—H）、1 350 cm -1 （C—N）出现了3 个酰胺谱峰 ；不同的CS在1 670 cm -1 （酰胺I带）有非常明显的吸收峰出现，而且其强度随着DA增加而逐步增大，同时1 600 cm -1 处的氨基吸收也有所减小。此外，位于3 300～3 500 cm -1 区域的峰值随着DA增加由深变浅，证明氢键作用有所减弱。另外，发生在甲醇介质中的乙酰化反应过程中，1 700～1 725 cm -1 波数之间也未发现与—COO—相对应的吸收带。因此，该方法制备的样品乙酰基只取代在C2位的氨基上，没有在C3和C6位上发生羟基的乙酰基取代，合成产物仅为

N

-乙酰化壳聚糖。

2 XRD分析

CS属于单斜晶系，具有两种晶体形态，分别为晶型I（2

在10°左右）和晶型II（2

在20°左右）。如图2所示，CS仅在19.45°有一个显著的衍射峰，表明CS原料中只有一种晶形（晶型II）存在，CS经

N

-乙酰化后该衍射峰的强度逐渐降低，当DA增加至26%时半峰宽度也增加（3.87～4.73）（表2），表明乙酰基的引入降低了结构的有序性。同时N-CS分子在11°左右出现晶型I，这表明伴随着CS的

N

-乙酰化，CS链构象由晶型II转变为晶型I。

由表2可知，CS原料结构较为规整、结晶度很高（55.41%）。随着乙酰氨基的增加，结晶度不断降低，证明原有的规整结构遭到了破坏；当DA为32%时，结晶度降至41.42%，但随着更多的

N

-乙酰基引入CS分子链中，结晶度开始由减转增，即高取代度的N-CS（DA为50%）具有更高的结晶度（51.73%）。产生这一结果的原因可能是乙酰化过程去除了CS链中的无定形成分，新增的乙酰氨基葡萄糖单元开始形成有序的结构（晶型I），致使结晶度开始增加，Sukmawan等也报道了类似的现象。并且Lim等在研究中指出CS链由于结晶面积的增加而变得具有刚性，这也为酰基锚定进入油相提供了空间。综上，CS的

N

-乙酰化过程不仅是化学取代的过程，同时也伴随着物理结构的转变。

3 SEM分析

如图3所示，原料CS结构致密，呈规则颗粒且表面光滑平整，而乙酰化的CS结构呈不规则状，表面出现部分断裂的致密堆积团簇。并且随着

N

-乙酰化程度的增加，CS表面的褶皱和裂纹数量增加。这种乙酰化修饰给多糖形貌所带来的影响与Adebowale等的研究一致。可能的原因是CS的分子内和分子间氢键遭到严重破坏，导致致密的结构变得松散，其中氢键作用的减弱与FT-IR所观察到的结果一致。这可能也是导致具有高DA的CS水解速率更高的原因之一，再次证实了

N

-乙酰化破坏了CS颗粒的晶体结构。

4 接触角分析

颗粒与界面的接触角是影响乳液稳定性、流变性和结构的重要指标，三相接触角可描述颗粒润湿性和界面活性。有研究表明，当接触角接近90°时界面张力最低，乳液的稳定性最大。CS分子的过度亲水性限制了其作为Pickering乳液稳定剂的使用。如图4所示，与未改性的CS（58.11°）相比，N-CS接触角逐渐增大（62.32°～85.75°），因此

N

-乙酰化改性可以赋予CS更高的疏水性，这可能是由于亲水性氨基被疏水性乙酰基团取代而降低其亲水性。并且随着取代度的提高

N

-乙酰化壳聚糖的接触角逐渐增大，虽然仍然小于90°，属于亲水范围，但相较于原料CS已有了明显的提升。表明乙酰化改性增强了CS的两亲性和表面活性。

5 Pickering乳液粒径分布与Zeta电位分析

高乙酰化CS由于大量氨基被乙酰基取代，更倾向于形成疏水相互作用，而低乙酰化CS保留了较多的氨基，在酸性条件下有较强的质子化能力。图5A为未改性CS和不同改性N-CS（质量分数为1.5%）稳定新鲜O/W乳液的液滴尺寸分布。如图5B所示，由未改性CS稳定乳液的液滴尺寸分布覆盖了较宽的尺寸范围（0.5～80 μm），其平均液滴尺寸为32.65 μm。相比之下，N-CS稳定乳液的液滴尺寸分布向较低的范围移动，这证实了乙酰化改性对提高CS乳化能力的有效性。可能的原因是引入的疏水基团降低了界面张力，进而加速分子在界面上的吸附，从而导致较小液滴的快速形成。PDI可以用于评估颗粒尺寸分布的均匀程度。如图5B所示，所制备的乳液PDI均在0.3～0.5之间，表明所制备的乳液颗粒尺寸均有宽泛的分布，这也与图5A一致。随着DA从17%变化到32%，乳液的平均液滴尺寸达到最小，为12.71 μm。而当DA增加到50%时，平均液滴尺寸变大。这可能是因为具有最高乙酰化的N-CS有更多的氨基被取代，在酸性条件下产生的静电排斥作用不足以维持乳液液滴的均匀分散，使液滴聚集，因此影响了乳化过程并形成更大的液滴。

乳液的Zeta电位可以评估静电排斥维持乳液稳定性的效果。如图5C所示，由CS、N1-CS、N2-CS、N3-CS、N4-CS和N5-CS稳定的乳液Zeta电位分别为56.27、50.33、33.26、41.23、37.06 mV和28.10 mV。CS在酸性条件下C2位上氨基发生质子化而带正电荷，因此当氨基被乙酰基取代后能够发生质子化的氨基减少，因此所制备的乳液Zeta电位总体呈下降趋势。虽然乙酰化修饰部分消除了氨基，但DA由26%进一步提高至32%、43%时N-CS制备的乳液显示出更高的绝对电势（

P

＜0.05）。可能的解释是疏水性的增加有助于加速乳化剂的吸附，使更多的乳化剂负载在界面层上，最终导致乳液具有更高的绝对电位。

6 Pickering乳液界面层微观结构分析

如图6所示，油相为山茶油，用尼罗红染色，油相液滴周围轮廓清晰可见，即水相（未染色区域）在液滴表面形成致密的包覆层，证实了所制备的乳液类型为O/W型。不同DA CS稳定乳液液滴的大小分布有明显差异，原料CS稳定的乳液液滴最大，并且少部分液滴存在聚结现象，这是因为在乳化过程中CS大分子迁移并吸附到油-水界面上，疏水性乙酰基锚定到油相中，亲水性片段则锚定到水相中。对于原料CS，最低的DA提供了最弱的疏水相互作用，导致最大液滴的形成，而少部分的聚集是因为在乳化过程中CS在油-水界面的吸附量有限，导致对油滴的保护不足。相较于高度脱乙酰化的CS，N1-CS、N2-CS、N3-CS、N4-CS所稳定的乳状液液滴更小、更加均一。这与Wang Chenglei等报道的结果一致，不同的是，相较于将疏水性的植物甾醇与CS通过静电作用络合，通过引入乙酰基改变CS的

N

-乙酰-

D

-氨基葡萄糖单元物质的量比，所产生的液滴尺寸更小。而N5-CS稳定乳液的絮凝现象最严重，产生的差异可归因于它们具有不同的液滴之间排斥相互作用。相比于原料CS，N-CS稳定乳液中的液滴更小且分散均匀，这些观察结果与液滴尺寸测量结果一致。

7 Pickering乳液光学显微镜分析

如图7所示，未改性CS稳定的乳液液滴较大且不均一，而随着乙酰化程度的增加，产生平均粒径更小的乳液液滴，且液滴分布也趋向均一，没有任何液滴絮凝。但过高的取代度会使乳液液滴在分布上有明显的液滴聚集现象，这也与CLSM观察到的结果一致。液滴尺寸的变化可能是因为接枝的乙酰基会加速分子在界面上的吸附，从而导致更小液滴的快速形成。而液滴分布的趋势则由乳液的电势引起，高的电势能够提供更多的静电斥力稳定乳液，也导致液滴间的分布更加均匀。而由中取代度CS所稳定的乳液液滴粒径最小，分布更均匀，这可能是CS疏水改性所带来的界面活性与质子化所形成的静电斥力之间存在平衡，这种平衡会使颗粒在油-水界面处发生不可逆的吸附，起到防止油滴碰撞和聚结的作用，从而提升聚集颗粒稳定乳液液滴的能力。因此在合适的取代度以及电势的共同作用下，液滴呈现出小尺寸且分布均匀的状态。

8 Pickering乳液的EAI与ESI分析

如图8所示，随着乙酰化程度的增大，由CS稳定乳液的EAI从25.1 m2/g上升，直至DA为32%时乳液EAI达到最大值，为39.5 m2/g；后虽略有下降，但修饰后的N-CS稳定的乳液仍具有更高的EAI。ESI的变化与EAI具有一致性，N-CS稳定的乳液相较CS稳定乳液ESI均有不同程度的提高，并在DA为32%时乳液ESI达到最大值（65.5 min）。结合上述颗粒特性分析结果，CS接枝乙酰基EAI与ESI的提高主要归因于疏水基团的引入带来更好的表面润湿性和更小的乳液粒径，以及与CS分子链上电荷密度的共同作用。一方面，乙酰基修饰减小了壳聚糖基Pickering乳液的粒径。有研究表明，乳液的稳定性对乳液粒径具有一定程度的依赖性，通常情况下，乳液的稳定性随液滴粒径的减小而增加。因此较小的乳液液滴更有利于乳液的稳定。另一方面，接触角分析结果证明，疏水改性处理可赋予CS更好的两亲性能，有利于提高乳液的物理稳定性。此外，低乙酰化CS的氨基含量较多，在酸性条件下发生质子化后CS分子链上带更多的负电荷，提供更多的静电斥力，分子链呈更为刚性的延伸结构，这使得有限的疏水位点更难渗入油相中形成稳定的O/W液滴，并且带正电荷的CS也容易与带负电荷的油相互作用。随着侧链氨基逐渐被乙酰基取代，质子化提供的静电相互作用减弱，CS分子链形成柔性的紧密结构，并且疏水性乙酰基团提供了可以更容易渗透到油相中的疏水位点，而位于水相中的亲水氨基基团可以提高空间稳定性，这使得相应的乳液具有更高的EAI和ESI。

9 Pickering乳液CI分析

应用于食品的乳液需要在长期贮存条件下稳定，因此Pickering乳液的配方通常包含水相和油相成分，以及各种确保液滴稳定的有机或无机固体颗粒，有利于提高产品的稳定性和持久性。贮藏稳定性能够评估不同成分之间的相容性和相互作用。在贮藏过程中乳液CI可以评估乳液的贮藏稳定性。如图9所示，在室温条件下乳液CI随着贮存时间的延长而逐渐增加，CI越高说明相分离越明显，乳液稳定性越差。DA的增加可以有效提高乳液的贮藏稳定性。未改性以及低取代度的乳液样品在前5 d观察到分层，这是由于高亲水性的CS自聚集颗粒无法有效吸附在油-水界面，因此不足以均质和稳定多余的油滴。有研究表明，高电荷密度带来的强烈静电排斥作用也会使颗粒难以吸附在油-水界面上。而中高取代度的乳液样品在5 d内保持高度稳定，第10天才开始出现乳析分层。贮藏30 d时CS稳定乳液的CI提高到55.8%，而由N-CS稳定的乳液在贮藏过程中CI均出现了不同程度下降。这可能是由于氨基被乙酰基取代后质子化能力减弱，绝对电位降低，导致空间位阻较低，因此CS颗粒很容易吸附在油-水界面处。然而贮藏稳定性并没有随着

N

-乙酰化的程度增加而递增。当DA达到32%时CI降到最低值，为11.3%，随着DA的进一步增大CI逐渐升高，这表明乳液开始表现出不稳定的结构，可能是因为高取代度颗粒易聚集降低了它们在油-水界面的密度，使得水包油体系的不稳定性增加。不同的贮藏稳定性可归因于CS的DA和液滴之间相互排斥作用存在差异。

结论

本研究利用乙酸酐调控CS的DA获得不同的N-CS，并对乙酰化修饰引起的乳化性和乳液稳定性变化进行分析。结果表明，随着DA的增加CS两相接触角从58.11°增加至85.75°，非极性部分的增强赋予CS更好的乳化性能，所制备的O/W乳液电位绝对值减小，液滴尺寸分布向较低的尺寸范围移动，同时表现出更好的贮藏稳定性。当DA增加至32%时，得益于疏水作用的提升与Zeta电位提供空间电阻的共同作用，CS具备最大的EAI（39.56 m2/g）和ESI（65.54 min），所稳定的Pickering乳液平均液滴尺寸降至最小（12.71 μm）、乳液稳定性增加、CI明显下降；随着DA的进一步升高，由于缺乏足够的空间电阻，颗粒发生聚集，导致乳化性能和乳液稳定性能减弱。综上所述，乙酰化CS具有不同的乳化稳定机制。在乳化过程中，低DA的CS具有较高的绝对电位，能够维持乳液稳定，但过度的亲水性会限制CS的乳化性能，并且强烈的静电排斥也会使胶体颗粒难以吸附在油-水界面上。所产生的乳液液滴较大，乳化活性与ESI较低，并且短时间的贮藏会产生分层。而中等DA的

N

-乙酰化壳聚糖疏水改性所带来的界面活性与质子化所形成的静电斥力之间存在平衡，这种平衡在

N

-乙酰化壳聚糖大分子疏水性乙酰基锚定到油相中，亲水性碳水化合物片段进入水相的同时，提供的静电斥力能够防止油滴碰撞和聚结。这种具有两亲性CS产生的水包油乳液更加稳定，并且具有更好的乳化表现，但

N

-乙酰化程度过高会使氨基质子化能力降低，导致不能产生足够的静电斥力维持乳液的稳定。

作者简介

通信作者：

袁传勋，合肥工业大学食品科学与工程系/农产品生物化工教育部工程研究中心研究员、博导。

研究领域：

1.天然活性物质研发；

2.功能油脂/活性因子研究；

3.保健品、药品及化妆品开发

荣誉奖项：

1.省政府津贴享受者；

2.安徽省学术和技术带头人；

3.安徽省六个一批双百拔尖人才；

4.教育部技术发明奖一等奖；

5.教育部技术发明奖二等奖；

6.安徽省科学技术二等奖。

第一作者：

吴军，硕士研究生，研究方向为食品工程。

本文《

N

- 乙酰化程度对壳聚糖稳定Pickering乳液乳化性能的影响 》来源于《食品科学》2024年45卷第24期36-44页，作者：吴军，施兆娟，袁传勋*，王兴婷，金日生。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240519-129。点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑：刘芯；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

长按或微信扫码进行注册

会议招商招展

联系人：杨红；电话：010-83152138；手机：13522179918（微信同号）

为进一步深入探讨食品产业在当前复杂多变环境下的高质量发展路径，并着重关注食品科学、营养安全保障的基础研究与关键技术研发，贯彻落实“大食物观”和“健康中国2030”国家战略，北京食品科学研究院和中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志，将与国际谷物科技协会（ICC）、湖南省食品科学技术学会、湖南省农业科学院农产品加工研究所、湖南农业大学、中南林业科技大学、长沙理工大学、湘潭大学、湖南中医药大学、湖南农业大学长沙现代食品创新研究院共同举办“第十二届食品科学国际年会”。本届年会将于2025年8月9-10日在中国 湖南 长沙召开。

长按或微信扫码进行注册

会议招商招展

联系人：杨红；电话：010-83152138；手机：13522179918（微信同号）