V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的制備及表征

劉延奇 肖欣欣 李 紅 李學(xué)紅 楊留枝

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，鄭州 450002)

V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的制備及表征

劉延奇 肖欣欣 李 紅 李學(xué)紅 楊留枝

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，鄭州 450002)

以B型微晶淀粉作為原料，分別在水和醇作溶劑的情況下，與正己醇絡(luò)合制備得到V型復(fù)合物。應(yīng)用掃描電鏡(SEM)、X－射線衍射儀(XRD)、差式掃描量熱儀(DSC)、傅里葉紅外光譜儀等對(duì)兩種條件下得到的V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。應(yīng)用紅外光譜對(duì)水及醇溶劑法制備得到的V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物進(jìn)行測(cè)定，定性確定了V型復(fù)合物中正己醇配體的存在;進(jìn)一步應(yīng)用主成分分析方法(PCA)對(duì)紅外吸收光譜進(jìn)行分析。結(jié)果表明:水及醇溶劑法制備得到V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的水化物和無水形式晶體。水化物形式晶體顆粒間粘連較嚴(yán)重，無水形式晶體的顆粒直徑均為0.5～1 μm，二者的結(jié)晶度均達(dá)到70%以上。V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的水化物與無水形式晶體的熔化溫度幾乎相同，且其復(fù)合物中醇類配體的含量分別為9.79%和4.3%。

V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物 結(jié)晶結(jié)構(gòu) 制備

短鏈葡聚糖結(jié)晶化得到雙螺旋的B型微晶淀粉(短鏈直鏈淀粉)，它可以與一些無機(jī)或有機(jī)基團(tuán)進(jìn)行絡(luò)合，形成螺旋狀內(nèi)絡(luò)合物(V型結(jié)晶結(jié)構(gòu))。有研究表明，短鏈直鏈淀粉易于與配體絡(luò)合形成單螺旋的V型直鏈淀粉復(fù)合物［1］。由于分子內(nèi)氫鍵作用，直鏈淀粉能與一些配合物如碘、脂類、醇、表面活性劑等發(fā)生絡(luò)合，一般形成左旋的單螺旋結(jié)構(gòu)。V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物是容易穩(wěn)定獲得的六邊形晶體，每螺旋中含有6個(gè)葡萄糖殘基且單螺旋之間的間距較小。相對(duì)其他V型直鏈淀粉－醇類復(fù)合物，V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，更易對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量表征。而復(fù)合物的穩(wěn)定性、配體在復(fù)合物其中所占的比例等，則依具體的制備條件而有很大的差異［1］。

目前制備V型復(fù)合物的方法主要包括兩大類，一類是粗放的食品加工工藝方法，如蒸汽噴射蒸煮法［2］，擠壓蒸煮法［3］，微波法［4］，超聲法［5］;另一類是復(fù)合物的結(jié)晶化方法，包括溶劑法［6］，馬鈴薯磷酸化酶催化合成法［7］，冷凍法［8］等制備方法。本試驗(yàn)分別采用水和醇作溶劑的制備方法均屬于復(fù)合物的結(jié)晶化制備方法。通過對(duì)水溶劑法與醇溶劑法進(jìn)行比較，用以探索制備條件對(duì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)的影響且有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)V型直鏈淀粉－復(fù)合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

馬鈴薯淀粉:甘肅超星淀粉有限公司;乙醇、正己醇、二甲基亞砜(DMSO)均為分析純化學(xué)試劑。

SHC－II2型循環(huán)水式真空泵:鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;ZD－85型氣浴恒溫振蕩器:江蘇金壇市醫(yī)療儀器廠;LG10－24A型高速離心機(jī):北京醫(yī)用離心機(jī)廠;NETISCH－449C型差式掃描量熱分析儀:德國(guó)NETISCH公司;Philips XL－3型掃描電子顯微鏡:日本日立公司;BurkerD8型X－射線衍射儀:德國(guó)布魯克公司;FTS3000型紅外光譜掃描儀:美國(guó)BIORAO。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 B型微晶淀粉的制備

B型微晶淀粉參照文獻(xiàn)［9］中的方法制備。

1.2.2 V型直鏈淀粉－醇類復(fù)合物的制備(溶劑法)

1.2.2.1 水溶劑法

取B型微晶淀粉10.0 g溶解在預(yù)熱的25 mL DMSO中，隨后注入到175 mL去離子水中配置成5%淀粉溶液，90℃水浴下恒溫備用。取2.5 g正己醇配體溶解在預(yù)熱的20 mL 95%乙醇中，隨后逐滴加入到熱的淀粉溶液中?；旌虾蟮娜芤涸?0℃下靜置4 h，每0.5 h緩慢搖晃一次。隨后取出使其緩慢冷卻到室溫。靜置48 h后離心，棄去上清液，收集沉淀并在室溫下晾干即得V型復(fù)合物。

1.2.2.2 醇溶劑法

取B型微晶淀粉0.5 g溶解在10 mL DMSO中配制成5%淀粉溶液，90℃水浴恒溫45 min，隨后冷卻至72℃。將100 mL的正己醇預(yù)熱到72℃左后，逐滴加入到熱的淀粉溶液中?；旌虾蟮娜芤涸?2℃下靜置4 h，隨后取出使其緩慢冷卻到室溫。48 h后離心分離，棄去上清液，收集沉淀并在室溫下晾干即得V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物。

1.2.3 掃描電子顯微鏡分析(SEM)

觀測(cè)樣品之前，樣品利用噴涂?jī)x對(duì)其進(jìn)行鍍金處理，在操作電壓為20 kV時(shí)，使用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)樣品觀察拍照。

1.2.4 X－射線衍射法分析(X－RD)

取適量微晶淀粉粉末置于長(zhǎng)方形鋁片的孔中(孔大小為15 mm×20 mm，厚為115 mm)，隨后壓緊，用BurkerD8型X射線衍射儀測(cè)定，所用波長(zhǎng)為0.154 2 nm的單色Cu－Kα射線。

測(cè)試條件為:管壓3 kV，管流20 mA，掃描速度4°/min，掃描區(qū)域5°～35°，采樣步寬0.02°，掃描方式為連續(xù)，重復(fù)次數(shù)為1。

1.2.5 V型直鏈淀粉－醇類復(fù)合物的DSC分析

取約0.005 g干燥的V型復(fù)合物的樣品放入已稱好的樣品盤中，將樣品盤壓緊密封，放入DSC儀器中進(jìn)行測(cè)定。測(cè)試條件為:升溫速率1℃/min，掃描范圍35～130℃。

1.2.6 傅里葉紅外光譜(FT－IR)測(cè)試

取約1 mg干燥V型復(fù)合物于瑪瑙研缽中并加入約100 mg干燥的KBr，混合物在研缽中混合均勻，隨后將其放置到壓膜器進(jìn)行壓制，取出樣品薄片進(jìn)行紅外掃描。

1.2.7 紅外光譜定量分析數(shù)據(jù)處理

利用主成分分析方法(PCA)結(jié)合SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)樣品的紅外光譜進(jìn)行因子分析，確定主成分的個(gè)數(shù)并對(duì)其建立數(shù)學(xué)模型。利用主成分與紅外吸收曲線中振動(dòng)峰的相關(guān)性，結(jié)合DPS7.05統(tǒng)計(jì)軟件中主成分分析得出主成分的得分并將其轉(zhuǎn)換成配體含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的表觀分析

水及醇溶劑法均可以得到V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物，其晶體的掃描電鏡照片如圖1所示。水溶劑法制備得到晶體的表面淀粉顆粒粘連比較嚴(yán)重，醇溶劑法制備得到的復(fù)合物也有輕微粘連，但粘連的顆粒形狀比較明顯且大多呈現(xiàn)橢圓形狀，顆粒直徑約為0.5 ～1 μm。

由此可知，水分的存在對(duì)V型復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)有明顯的影響。V型晶體淀粉顆粒的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于B型微晶淀粉的顆粒直徑(5 μm)，這可能是由于短淀粉鏈的雙螺旋解離出直鏈淀粉且受到醇類的絡(luò)合和侵蝕造成的。

圖1 水及醇溶劑制備法得到的V型復(fù)合物的SEM照片(×4000倍)

2.2 V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的X－射線衍射圖譜分析

圖2是水及醇溶劑法所制備得到的V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的X－射線衍射圖譜。水溶劑法制備得到產(chǎn)物的 XRD 圖譜中在 2θ =7.68°、13.2°、20.12°處有較明顯的特征衍射峰。醇溶劑法制備得到產(chǎn)物的 XRD 圖譜中在 2θ =7.72°、13.4°、20.6°處有較明顯的特征衍射峰。無論是水溶劑法還是醇溶劑法制備得到固體粉末的XRD圖譜中的特征衍射峰均與J.A.Putseys等［1］研究表明的V型復(fù)合物XRD 圖譜中的特征衍射峰位置相接近。水及醇溶劑法制備得到的V型復(fù)合物分別與P.Le Bail等［10］研究表明Vh(水化物形式的六邊形晶體)和Va(無水形式的六邊形晶體)型晶體特征衍射峰的位置更為接近。水溶劑法制備得到V型復(fù)合物的XRD圖譜在2θ=15.32°處出現(xiàn)了較弱的A型微晶淀粉特征衍射峰。

圖2 V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的X－射線衍射圖譜

通過水和醇溶劑法制備得到V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物分別是水化物和無水形式晶體，其XRD圖譜分析見表1。無水形式較水化物形式晶體的特征衍射峰的角度偏大一些。除了第一個(gè)特征衍射峰外，無水形式與水化物形式晶體相比，前者的衍射峰強(qiáng)度、相對(duì)總面積和衍射峰面積均小于后者，但其相對(duì)結(jié)晶度卻呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，二者的結(jié)晶度均達(dá)到了70%以上。

表1 不同制備方法對(duì)V型復(fù)合物中各特征衍射峰的強(qiáng)度和相對(duì)結(jié)晶度的影響

2.3 V型直鏈淀粉－正己醇類復(fù)合物的DSC圖譜分析

利用水及醇溶劑法得到V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的差式掃描熱分析圖譜如圖3所示。在DSC圖譜中，醇溶劑法與水溶劑法制備得到晶體的吸熱峰寬度相比更為寬廣。通過水和醇溶劑法制備得到V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物分別是水化物和無水形式晶體。無水形式的晶胞體積較水化物形式晶體明顯小很多，這主要是醇溶劑法制備過程中沒有添加蒸餾水，室溫曬干得到晶體中只含有極少量的水分。同時(shí)，無水形式晶體螺旋中絡(luò)合配體的量與水化物形式晶體相比有所減少。因此，與水溶劑法制備相比醇溶劑法得到的晶體，其晶體結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性、遷移性偏差、螺旋結(jié)構(gòu)的伸展性不好，引起DSC圖譜中的吸熱峰更加寬廣。

水及醇溶劑法制備得到晶體的熔化溫度幾乎相同，其晶體的熔化溫度分別為70.7℃和69.36℃，變化的幅度僅為1.9%。引起醇溶劑法制備得到晶體熔化溫度偏低一點(diǎn)的原因，可能是由于其含有的水分很少，而水分子也是吸熱物質(zhì)。本試驗(yàn)條件下制備得到的V型復(fù)合物中，配體可能沒有真正的絡(luò)合進(jìn)入直鏈淀粉單螺旋腔內(nèi)，而是存在于單螺旋之間，從而導(dǎo)致制備得到的V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的熔化溫度低于100℃。

圖3 水及醇溶劑法制備得到V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的差式掃描熱分析圖譜

2.4 配體含量的定性定量分析

2.4.1 定性分析

B型、V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的水化物形式(水溶劑法)和無水形式(醇溶劑法)晶體的紅外吸收光譜如圖 4 所示，在 340 7、292 9、164 5、101 8、136 9、136 1 和1 000 ～1 300 cm－1處存在吸收峰，且對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)分別為—OH基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰、—CH2—基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰、—CHO基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰、C—O基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰、—CH3基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰、C—O—C的伸縮振動(dòng)峰。V型復(fù)合物水化物形式和無水形式晶體的紅外吸收曲線中各個(gè)振動(dòng)峰強(qiáng)度和尖銳程度均強(qiáng)于B型微晶淀粉。V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的水化物形式較無水形式晶體的各個(gè)振動(dòng)峰強(qiáng)度和尖銳程度均有所增強(qiáng)。

圖4 B型微晶淀粉和V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的紅外光譜

2.4.2 定量分析

利用主成分分析方法(PCA)對(duì)紅外吸收曲線進(jìn)行定量分析，分別對(duì)B型微晶淀粉、V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的水化物形式和無水形式晶體的紅外光譜中峰1、峰2、峰3和峰4(如圖4)這4個(gè)特征峰進(jìn)行主成分分析。經(jīng)Bartlett球形檢驗(yàn)，P值均為0.000 1＜0.05，達(dá)到顯著性差異，因此適合于因子分子。通過SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行因子分析，結(jié)果列于表2和表3中。

表2 B型微晶淀粉和V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物主成分分析的特征根和貢獻(xiàn)率

由表2中B型微晶淀粉、V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物水化物形式和無水形式晶體的紅外吸收?qǐng)D譜主成分分析看出，前兩個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率分別為 95.397%、97.414%和 99.191%，表明前兩個(gè)主成分已經(jīng)把B型微晶淀粉、V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物水化物形式和無水形式晶體紅外吸收曲線95%以上的信息反映出來。己醇配體的存在引起。因此，將V型復(fù)合物主成分b2或c2的得分分別減去B型微晶淀粉主成分a2的得分，即得到晶體中正己醇配體含量。

表4 紅外吸收曲線特征峰與主成分因子載荷關(guān)系的數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化操作，利用DSP7.05多元分析中主成分分析計(jì)算得出B型微晶淀粉、V直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物水化物形式和無水形式晶體的紅外吸收光譜中峰4的因子得分列于表5，可以看出無水形式晶體螺旋中絡(luò)合配體的量與水化物形式晶體相比有所減少。

表5 3種形式晶體的紅外曲線中主成分a2、b2和c2的因子得分和配體含量

表3 三種晶體紅外吸收曲線的因子載荷矩陣

由表3中各紅外曲線的因子載荷矩陣，建立紅外吸收曲線特征峰與主成分子因載荷關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果如表4所示。

B型微晶淀粉、V直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物水化物形式和無水形式晶體的紅外曲線中峰4代表的是C—O伸縮振動(dòng)峰(醇類的特征峰)，同時(shí)根據(jù)主成分分析方法(PCA)得出的主成分a2、b2和c2均代表紅外曲線中峰4。V型復(fù)合物晶體紅外吸收曲線比B型微晶淀粉晶體紅外曲線中超出的吸收強(qiáng)度即是正

3 結(jié)論

采用水及醇溶劑法均可制備得到V型直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物。水化物形式晶體顆粒間粘連較嚴(yán)重，無水復(fù)合物的顆粒直徑約為0.5～1 μm，二者的結(jié)晶度均達(dá)到70%以上。V直鏈淀粉－正己醇復(fù)合物的水化物與無水形式晶體的熔化溫度幾乎相同，且其復(fù)合物中醇類配體的含量分別為9.79%和4.3%。

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Preparation and Characterization of V－type Amylose－Hexanol Complex

Liu Yanqi Xiao Xinxin Li Hong Li Xuehong Yang Liuzhi
(School of Food and Biological Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，Henan 450002)

In this paper，B － type microcrystalline starch made a combination with hexanol in the case of water and alcohol as solvent respectively;V－type amylose－h(huán)exanol complexes were prepared.Obtained V －type amylosehexanol complexes were characterized with scanning electron microscopy，X － ray diffraction，differential scanning calorimeter，F(xiàn)ourier transform infrared spectrophotometer.Infrared spectrum of obtained V － type amylose － hexanol complexes were measured qualitatively to determine the certain alcohol in V－type complexes;further application of principal component analysis(PCA)for analysis of infrared absorption spectra.The results showed that using the preparation of water and alcohol solvents，obtained V －type amylose－h(huán)exanol complexes were hydrates and anhydrous crystal.Hydrate crystal's particles adhesion were serious，the particle diameter of anhydrous crystalline was 0.5 ～1 μm，and the crystallinity of both were above 70%.Hydrates and anhydrous crystal's melting temperature of V－type amylose － hexanol complexes were almost the same，obtained the ligand content of hydrates and anhydrous crystal of Vhexanol were 9.79%and 4.3%.

V －type amylose－h(huán)exanol complex，crystalline structure，preparation

TS236.9

A

1003－0174(2012)03－0024－05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21076201)，河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(102102110103)

2011－07－04

劉延奇，男，1964年出生，博士，教授，天然聚合物改性及應(yīng)用