基于没食子酸介导芬顿辅助超声制备薏苡仁淀粉纳米颗粒的结构-性质关系及其作为Pickering纳米乳液稳定剂的潜力

《Food Chemistry: X》：Preparation of adlay ( Coix lacryma-jobi L.) starch nanoparticles by food-grade Fenton-assisted ultrasonication: structure–property relationships and potential as Pickering nanoemulsions stabilizers

　　

摘要：采用超声辅助无金属芬顿（Fenton）法，以没食子酸（GA）和H2O2为原料制备了薏苡仁（Coix lacryma-jobi L.）淀粉纳米颗粒（SNPs）。系统研究了GA浓度和超声时间对颗粒特性、胶体稳定性及结构性质的影响。采用35 mM GA和30 min超声处理（LCF-30）获得了数均初级粒径为70.5 nm、高多分散性（PDI 0.745 ± 0.035）以及强度加权Z均值为1107 ± 85 nm的产物。升高的PDI反映的是一个宽泛、异质性聚集体体系而非单分散悬浮液，体现了空化诱导机械破碎与自由基解聚之间的平衡。延长超声时间增加了表面电荷异质性，包括（?30 mV），这归因于局部氧化异质性和痕量基质杂质。X射线衍射（XRD）证实所有处理条件下均为A型结晶多晶型（结晶度指数27.6%–33.3%），而傅里叶变换红外光谱（FTIR）揭示了羰基的形成以及989 cm?1处C-O-C谱带的减少，证实了选择性糖苷键断裂。

研究背景与意义

基于乳液的递送系统因其能够封装、保护及递送亲脂性生物活性化合物而在功能食品、营养保健品和制药领域引起了广泛关注。传统乳液依赖低分子量表面活性剂（LMWSs）降低界面张力并阻止液滴聚结，然而此类乳液热力学不稳定，易发生奥斯特瓦尔德熟化、絮凝及相分离。此外，合成表面活性剂的广泛使用带来了潜在的生物相容性限制、胃肠道耐受性问题以及在清洁标签食品应用中的法规合规挑战。由固体有机或无机颗粒不可逆吸附于油水界面稳定的Pickering乳液可提供强大的空间位阻屏障防止液滴聚结。其中，Pickering纳米乳液（液滴直径<200 nm）兼具颗粒介导的界面稳定性、高光学透明度、高比表面积及增强的生物活性物质生物利用度。然而，Pickering纳米乳液在食品加工中的广泛应用仍受限于缺乏安全、可持续、经济高效且功能可调的固体颗粒稳定剂。

淀粉作为一种丰富且可生物降解的生物聚合物，是制备生物基纳米颗粒的理想前体。淀粉纳米颗粒（SNPs）具有高比表面积，并可经表面修饰获得适合Pickering稳定剂的两亲特性。薏苡仁（Coix lacryma-jobi L.）是一种原产于亚洲的谷物作物，其淀粉具有略高的直链淀粉含量及独特的A型多晶型，但在纳米材料领域鲜受关注，为开发当地未充分利用的农业副产品提供了可能。

传统SNP合成方法如酸水解耗时长（24–72小时）、产生大量矿物酸废物且颗粒尺寸均匀性有限。超声波处理利用声空化的物理和化学效应提高处理速率和传质速率，但单独超声可能导致多分散悬浮液。芬顿反应产生的羟基自由基（HO•）具有极高氧化电位，可非选择性裂解α-(1→4)和α-(1→6)糖苷键，实现解聚并扰乱淀粉的半结晶颗粒组织。天然多酚没食子酸（GA）可作为还原剂维持催化芬顿循环，且是传统芬顿介质的绿色替代品。将芬顿化学与超声辐照相结合，可提供一个双功能处理环境：芬顿产生的自由基切割糖苷键，而声空化提供机械力以解团聚淀粉簇、增强自由基传输并阻止早期颗粒聚集。然而，关于通过没食子酸介导的超声辅助无金属芬顿（UMFM）法合成的薏苡仁淀粉纳米颗粒的结构、胶体及表面性质演变，尚需系统的深入研究。

研究方法概述

研究人员从印度尼西亚西爪哇加鲁特的小农户处获取食品级薏苡仁原淀粉，通过碱浸法提取纯化。采用没食子酸（GA）介导的超声辅助无金属芬顿（UMFM）法合成SNPs，设置低浓度芬顿（LC-F: 35 mM GA）和高浓度芬顿（HC-F: 55 mM GA）两个浓度组，并在各浓度组下分别进行15、30和45分钟的探头式超声处理（20 kHz, 350 W名义功率）。利用动态光散射（DLS）和电泳光散射（ELS）测量颗粒的流体动力学直径、多分散性指数（PDI）及Zeta电位；采用冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）和高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）观察形态；通过X射线衍射（XRD）分析结晶结构和相对结晶度（CrI）；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征官能团变化及短程双螺旋有序度（R_1047/1022）。

研究结果

3.1 淀粉分离得率及颗粒特性

原淀粉得率为51.6%（干基），颗粒呈多边形至近球形，直径5–15 μm，表面可见自然孔隙和浅沟槽，为HO•自由基和H₂O₂进入颗粒内部提供了通道。

3.2 超声时间和芬顿试剂浓度对粒径及分布的影响

3.2.1 低浓度芬顿系统（LC-F: 35 mM GA）

所有样品的强度加权Z均值与数均中值粒径（D₅₀）之间存在显著差异，表明存在少量大聚集体对散射强度的巨大贡献。LC-F-15呈现双峰分布，包含粗颗粒和细颗粒组分。LC-F-30时，数均D₅₀约为70.5 nm，但Z均值仍高达1107 nm，PDI为0.745，证实存在超胶体聚集体。延长超声至45分钟（LC-F-45），分布转变为以414 nm为中心的单峰，表明发生了过超声引发的再聚集。

3.2.2 高浓度芬顿系统（HC-F: 55 mM GA）

所有HC-F样品的Z均值（566.7–1115 nm）和PDI（0.543–0.689）均指示高度多分散悬浮液。更高的GA和H₂O₂浓度产生更强的HO•通量，促进快速随机糖苷键断裂，产生更宽的链长片段谱。HC-F-30的数均D₅₀为106 nm，Z均值为566.7 nm，呈三峰分布。HC-F-45时Z均值升至1115 nm，数均D₅₀仍低于100 nm，高散射计数率反映了颗粒数量密度增加及在高氧化剂负荷下致密超胶体聚集体的广泛形成。

3.3 Zeta电位及胶体稳定性

LC-F系列SNPs的Zeta电位随超声时间延长而逐渐变得更负：?8.29 mV（LC-F-15）、?10.8 mV（LC-F-30）和?17.2 mV（LC-F-45）。这一趋势反映了比表面积增大暴露更多可电离基团以及HO•氧化产生末端羰基和羧基的共同作用。LC-F-30呈现单峰Zeta电位分布（?10.8 mV），表明颗粒群体表面电荷密度均匀。而LC-F-15和LC-F-45呈现三峰分布，包含正电位亚群（分别为+34.0 mV占8.2%，+18.5 mV占21.3%），归因于空间异质性氧化造成的电荷密度斑块差异及痕量阳离子杂质，这种正负电荷亚群共存会诱导静电异质凝聚。所有LC-F样品的Zeta电位绝对值均低于公认的胶体稳定阈值（|ζ| > 30 mV），因此胶体分散部分依赖于表面突出的寡糖链提供的空间水化力。

3.4 形态学分析

3.4.1 原淀粉颗粒

环境扫描电镜（SEM）显示原淀粉为多边形颗粒（5–15 μm），表面光滑。芬顿处理后（LC-F-30）整体球状骨架得以保持，但表面出现微孔和侵蚀坑，证实HO•选择性地渗透和蚀刻无定形生长环。

3.4.2 SNP形态（Cryo-SEM和TEM）

Cryo-SEM观察揭示了两条形态上依赖于芬顿试剂浓度但机制不同的路径。在LC-F系统中，随着超声时间延长，颗粒形态呈非单调变化：LC-F-15变形最严重（圆度0.823），粒径分布最宽；LC-F-30呈现中间状态，存在共存的亚结构群体；LC-F-45表现出最高圆度（0.885）、最小纹理变异系数和最窄粒径分布，表明在45分钟温和空化处理下实现了完全颗粒分化。在HC-F系统中，所有时间点均产生高度单分散的初级纳米颗粒（中位径16–29 nm；圆度0.842–0.899），符合爆发成核主导的动力学特征，但同时也导致更严重的颗粒间聚集。

透射电镜（TEM）分析验证了LC-F-30条件产生了最佳的整体形态特征：准球形至椭球形的初级颗粒（平均约50 nm），与DLS数均D₅₀（70.5 nm）吻合良好；表面光滑，无晶格条纹，证实为非晶/半结晶结构。LC-F-45的TEM显示初级颗粒尺寸为30–60 nm，但边缘呈纤维状或模糊状，与再聚集行为一致。HC-F-30呈现紧密堆积的聚集体，初级粒径约30–80 nm。HC-F-45产生最小的初级颗粒（10–30 nm），并附着于纤维状结构上。

3.5 X射线衍射及相对结晶度

原淀粉呈现典型的A型衍射图样，在2θ = 14.802°、16.962°、17.707°和22.799°处有四个特征峰。LC-F-15的结晶度指数（CrI）降至最低（27.6%），表明优先破坏了无定形区域及部分可及的结晶层外周。LC-F-30的CrI回升至33.3%，衍射图中出现了仅在LC-F-30中观察到的2θ = 38.4°次级反射，研究人员提出这可能反映了超声诱导的短暂重排过程。LC-F-45的CrI再次下降至28.9%，表明累积的空化能量超过了链段的重组潜力。谢乐公式计算表明，沿某些晶面的微晶尺寸超出了方法的检测限（~100 nm），表明CrI的变化主要源于无定形与结晶区比例的改变，而非微晶的完全解体。

3.6 傅里叶变换红外光谱及官能团分析

所有样品均保留了基本的多糖骨架吸收带。随着超声时间延长，O-H伸缩振动谱带（3000–3600 cm^-1）变宽，归因于结晶层内分子间氢键网络的破坏及游离表面羟基的暴露。在LC-F-30和LC-F-45中，于1720–1740 cm^-1处观察到属于醛基和羧基的C=O伸缩振动吸收，证实了氧化改性。C-O-C谱带（约989 cm^-1）强度的降低支持了糖苷键断裂。半定量结晶度指数R_1047/1022从原淀粉的1.25降至LC-F-45的0.82，与XRD结果一致。在HC-F系列中，羰基谱带强度更高且随处理时间增加而增强，同时C-O-C谱带衰减更为显著，表明更高浓度的芬顿试剂增强了氧化改性和糖苷键断裂程度。所有谱图中均未出现酯键或共价结合没食子酸的芳香环振动谱带，证明没食子酸仅作为自由基介体和可能的非共价表面修饰剂，而未发生共价酯化。

讨论与结论

本研究成功证明，通过以没食子酸为食品兼容芬顿介体、H₂O₂为氧化剂的芬顿辅助超声技术，可以从原生薏苡仁淀粉中有效合成具有系统可调理化特性的淀粉纳米颗粒。芬顿试剂浓度和超声时间是影响粒径分布、胶体稳定性、表面电荷异质性、晶体结构和表面化学特性的关键工艺变量。采用35 mM GA和30分钟超声处理（LCF-30）获得的SNPs，其数均初级粒径约为70.5 nm，PDI为0.745 ± 0.035，Z均值为1107 ± 85 nm，双峰平均Zeta电位为40.90 mV，表明具有一定的胶体稳定性。升高的PDI反映的是宽泛、异质性的聚集体体系，体现了空化诱导机械破碎与自由基解聚之间的平衡。延长超声时间（45分钟）使平均粒径降至61.3 nm，但同时伴随表面电荷异质性，归因于局部氧化异质性和痕量基质杂质。

FTIR光谱验证了处理≥30分钟的样品中存在羰基官能团（1720–1740 cm^-1），为芬顿介导的氧化改性提供了直接证据。XRD分析表明在所有处理条件下均保留了A型结晶多晶型，呈现出非线性的CrI变化模式，其中30分钟时的短暂升高可能反映了部分结构重排，但这一解释有待进一步验证。芬顿自由基化学与声空化的联合应用，使用了食品安全的天然来源试剂（没食子酸、H₂O₂），代表了一种可规模化、环境友好的SNP生产方法，符合食品和制药行业日益追求的清洁标签和循环经济标准。未来研究应考察淀粉植物来源和直链淀粉含量对SNP形成动力学及界面特性的影响，优化没食子酸:H₂O₂:Fe的比例以减少试剂用量，评估没食子酸改性SNPs的细胞毒性和生物可及性，并评价封装于SNP稳定的Pickering纳米乳液中亲脂性生物活性物质（如omega-3脂肪酸、姜黄素）的氧化稳定性和体外释放动力学。