交聯(lián)微孔淀粉的制備及其性能研究

沈曉亮，錢 程，王繼虎 *，安敏芳，唐忠鋒

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，上海 201620；2.中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800）

微孔淀粉是在一定的條件下，通過不同的方法處理原淀粉后得到的一種多孔狀結(jié)構(gòu)淀粉，具有較強(qiáng)的吸附能力，可以用作藥物、香精香料等材料的載體[1]。目前，制備微孔淀粉的方法主要有物理法、機(jī)械法和生化法[2]，其中生化法中的酸水解法[3-5]和酶水解法[6-8]應(yīng)用最為廣泛。微孔淀粉由于孔洞較多，部分物理機(jī)械性能會(huì)有所下降。

為了提高微孔淀粉的穩(wěn)定性能，可以對(duì)微孔淀粉進(jìn)行交聯(lián)處理。交聯(lián)淀粉指淀粉在堿性條件下，利用交聯(lián)劑和淀粉表面的羥基進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使得淀粉大分子之間形成交聯(lián)鍵，從而提高原淀粉的剪切穩(wěn)定性、顆粒穩(wěn)定性、黏度穩(wěn)定性、耐酸堿性、凍融穩(wěn)定性，增加糊化的溫度。將原淀粉經(jīng)過先微孔化后交聯(lián)或者先交聯(lián)后微孔化兩步處理后，可以得到交聯(lián)微孔淀粉[9-10]。

交聯(lián)微孔淀粉作為一種高效、無毒、安全吸附劑被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、化工等行業(yè)[11-12]。本實(shí)驗(yàn)以三氯氧磷（POCl3）為交聯(lián)劑，木薯淀粉為原淀粉，復(fù)合酶條件下，采用一次交聯(lián)微孔法和兩次交聯(lián)微孔法，制備了交聯(lián)微孔淀粉，考察了其性能。目的是尋找更加高效的工藝，提高交聯(lián)微孔淀粉的穩(wěn)定性能，增加吸附性能，可以擴(kuò)大交聯(lián)微孔淀粉的使用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木薯淀粉（食品級(jí)）：上海大浩淀粉有限公司；糖化酶（酶活力≥4 000 U/g）、α-淀粉酶（酶活力≥4 000 U/g）：上?？笊锛夹g(shù)有限公司；氯化鈉、無水乙酸鈉、無水硫酸鈉、氫氧化鈉、冰醋酸、鹽酸、三氯氧磷（分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；金龍食用調(diào)和油：市售。

1.2 儀器與設(shè)備

JB200-D型強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)：上海標(biāo)本模型廠；W-O 201型恒溫油水浴鍋、DHG-9025A型鼓風(fēng)干燥箱、SHZ-D III型循環(huán)水真空泵：上海大研儀器有限公司；QF-101S集熱式磁力攪拌器：河南省鞏義市英峪儀器廠；GL21M高速冷凍離心機(jī)：長(zhǎng)沙湘智離心機(jī)儀器有限公司；Tranpferpette-S型移液槍：德國(guó)Brand公司；X’Pert PRO型X射線衍射儀：日本Rigaku公司；S-3400N型掃描電鏡分析儀：日本Hitachi公司。

1.3 方法

1.3.1 交聯(lián)淀粉的制備

原淀粉在110 ℃烘箱中烘2 h，得到干淀粉。取200 g干淀粉，置于1 000 mL燒杯中，加入一定量的蒸餾水，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的淀粉乳，45 ℃水浴鍋中預(yù)熱10 min，同時(shí)攪拌。用12 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH=11，同時(shí)添加干淀粉質(zhì)量2.5%的無水Na2SO4和干淀粉質(zhì)量5%的NaCl。緩慢加入一定量的交聯(lián)劑POCl3，保持體系pH=11。交聯(lián)反應(yīng)一定時(shí)間后，用1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)pH=6.7，終止反應(yīng)。將懸浮液離心，蒸餾水多次洗滌抽濾后，烘干得到交聯(lián)淀粉。

1.3.2 交聯(lián)微孔淀粉的制備

稱取100 g上述交聯(lián)淀粉，置于1 000 mL燒杯中，加入的醋酸鈉緩沖液（pH 5）500 mL，于50 ℃的水浴鍋中預(yù)熱20 min，同時(shí)攪拌。用緩沖液配成復(fù)合酶液（α-淀粉酶和糖化酶，比例1∶3），轉(zhuǎn)移到淀粉懸浮液中，并用1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)pH=5.0，微孔反應(yīng)一定時(shí)間后終止反應(yīng)。將懸浮液洗滌抽濾多次后，將所得淀粉置于干烘箱中干燥至質(zhì)量恒定，即得一次法交聯(lián)微孔淀粉。

兩次法是將一次交聯(lián)微孔淀粉重復(fù)1.3.1和1.3.2的步驟。一次法交聯(lián)微孔：交聯(lián)時(shí)間2 h，微孔時(shí)間4 h。兩次法交聯(lián)微孔：第一次交聯(lián)時(shí)間1 h，微孔時(shí)間2 h；第二次交聯(lián)時(shí)間1 h，微孔時(shí)間2 h。交聯(lián)劑用量分別為0.1 μL/g、0.2 μL/g、0.4 μL/g、0.6 μL/g、0.8 μL/g。其中兩次交聯(lián)法的POCl3用量與比例見表1。

表1 POCl3的用量與交聯(lián)微孔次數(shù)Table 1 Dosage of POCl3and crosslinked microporous number

1.3.3 交聯(lián)微孔淀粉的性能測(cè)定

（1）吸水率和吸油率的測(cè)定

稱取10 g的交聯(lián)微孔淀粉，25 ℃下與過量的油（水）混合攪拌30 min后，采用G2砂芯漏斗抽濾，直至沒有油（水）滴滴下。根據(jù)淀粉吸油（水）前后質(zhì)量，計(jì)算微孔淀粉的吸油（水）率。吸水率與吸油率的計(jì)算公式如下：

式中：Q表示吸油（水）率，%；W0表示干基交聯(lián)微孔淀粉的質(zhì)量，g；W1表示干基交聯(lián)微孔淀粉吸油（水）后的質(zhì)量，g。

（2）交聯(lián)微孔淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的測(cè)定

采用X’Pert PRO型X射線衍射儀分析原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉的晶型結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)晶度。測(cè)試條件：電壓40 kV，電流40 mA，掃描速度5°/min，測(cè)試角5～50°。

（3）交聯(lián)微孔淀粉的形貌表征

采用S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉的表面形貌。測(cè)試條件：用導(dǎo)電雙面膠將淀粉粉末固定在金屬樣品平臺(tái)上，在真空中噴涂鈀金后，置于電子掃描顯微鏡中以15 kV電子束觀察。

（4）結(jié)晶度的測(cè)定方法

依照參考文獻(xiàn)[13-16]，通過MDI Jade 軟件處理XRD圖譜，計(jì)算淀粉的結(jié)晶度（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 交聯(lián)微孔淀粉的吸附性能

不同添加量的POCl3，采用一次法和兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉進(jìn)行吸水率、吸油率測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

圖1 POCl3添加量對(duì)交聯(lián)微孔淀粉的吸水率(A)和吸油率(B)的影響Fig.1 Effect of POCl3addition on water absorption rate (A) and oil absorption rate (B) of crosslinked microporous starch

由圖1可知，隨著交聯(lián)劑用量的增加，交聯(lián)微孔淀粉的吸水率和吸油率呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)POCl3的用量為0.4 μL/g時(shí)，交聯(lián)微孔淀粉的吸水率和吸油率最大。兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉的吸水率和吸油率明顯高于一次法，當(dāng)POCl3的用量為0.4 μL/g時(shí)，兩次法交聯(lián)微孔淀粉的吸水率和吸油率比一次法分別增加了9.22%和10.43%。當(dāng)交聯(lián)劑添加量較低時(shí)，淀粉交聯(lián)度不高，硬度低，易于微孔，但孔洞容易塌陷，吸附能力低。當(dāng)交聯(lián)劑加入量高時(shí)，淀粉交聯(lián)度高，硬度高，不易微孔，從而限制了微孔淀粉的吸附能力。采用兩次法制備交聯(lián)微孔，是在一次法的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一次交聯(lián)微孔處理，兩種方法的交聯(lián)劑用量和交聯(lián)微孔總時(shí)間相等。采用兩次法的優(yōu)點(diǎn)在于第一次交聯(lián)時(shí)，加入部分交聯(lián)劑，使得淀粉交聯(lián)度不至于過高，進(jìn)行微孔就比較容易，微孔時(shí)間是總微孔時(shí)間的一半，孔洞不易塌陷。綜合可知，兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉吸附能力得到了很大提升。

2.2 交聯(lián)微孔淀粉的結(jié)晶性能

采用X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）考察原淀粉、一次法和兩次法制備性能最佳的交聯(lián)微孔淀粉的晶型結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉XRD圖Fig.2 XRD patterns of natural and crosslinked microporous starch

由圖2可知，原淀粉、一次法和兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉2θ分別在18.17°、17.94°和17.82°出現(xiàn)最強(qiáng)的峰，在23.21°、22.93°和22.89°出現(xiàn)中等強(qiáng)度的峰，在15.23°、14.96°和15.00°出現(xiàn)最弱的峰。原淀粉屬于典型的A型圖譜，制備的交聯(lián)微孔淀粉仍保留了典型的A型圖譜特征，只是峰的強(qiáng)度和位置發(fā)生了偏移。

通過MDI Jade 軟件處理XRD圖譜，計(jì)算淀粉的結(jié)晶度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

交聯(lián)微孔淀粉制備過程中的交聯(lián)處理使淀粉的結(jié)晶度上升，但微孔處理使淀粉部分被分解，淀粉分子鏈變短，變得更雜亂，從而使結(jié)晶度下降。從表2可知，交聯(lián)微孔淀粉的結(jié)晶度均比原淀粉的結(jié)晶度低，兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉結(jié)晶度下降的程度明顯高于一次法，主要原因是兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉的微孔程度要比一次法的高。

表2 原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉的結(jié)晶度Table 2 Crystallinity of natural and crosslinked microporous starch

2.3 交聯(lián)微孔淀粉的表面形貌

采用SEM觀察原淀粉、一次法和兩次法制備性能最佳的交聯(lián)微孔淀粉的表面形貌，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉的SEMFig.3 SEM images of natural and crosslinked microporous starch

由圖3可見，原淀粉顆粒呈圓形，顆粒表面相對(duì)平滑。與原淀粉相比，交聯(lián)微孔淀粉形貌發(fā)生了明顯的變化，表面出現(xiàn)了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)出現(xiàn)部分塌陷，形成淺坑狀。與一次法相比，經(jīng)過兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉，表面蜂窩較多，塌陷明顯，說明交聯(lián)微孔化程度高。

3 結(jié)論

和原淀粉相比，交聯(lián)微孔淀粉的吸附能力得到了提高，兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉吸附能力明顯高于一次法。與一次法相比，當(dāng)POCl3用量為0.4 μL/g時(shí)，二次法的吸水率和吸油率的增幅分別為9.22%和10.43%。與原淀粉相比，交聯(lián)微孔淀粉結(jié)晶度下降，兩次法制備的交聯(lián)微孔結(jié)晶度比一次法進(jìn)一步降低。交聯(lián)微孔法淀粉表面有較孔洞，存在少量塌陷，其中兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉比一次法的微孔化程度高。

[1]周 瓊.微孔淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的吸附熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究[J].食品工業(yè)科技，2012，33（21）：142-145.

[2]許麗娜，董海洲，張緒霞，等.多孔淀粉制備及開發(fā)前景[J].糧食與油脂，2007，130（2）：18-20.

[3]BAI Y J,SHI,Y C.Structure and preparation of octenyl succinic esters of granular starch,microporous starch and soluble maltodextrin[J].Carbohyd Polym,2011,83(2):520-527.

[4]林海濤，唐忠鋒，陳有雙，等.酸法制備木薯微孔淀粉的結(jié)構(gòu)研究[J].中國(guó)釀造，2009，28（3）：112-114.

[5]FU X T,JIA F,LI W B,et al.Preparation and electrochemical performance of microporous carbon microspheres obtained from potato starch[J].Acta Phys-Chim Sin,2012,28(8):1906-1912.

[6]陳有雙，唐忠鋒，陳曉偉.雙酶協(xié)同水解制備木薯微孔淀粉的結(jié)構(gòu)研究[J].中國(guó)釀造，2010，29（10）：104-106.

[7]黃時(shí)海，曹喜秀，何鑫平，等.發(fā)酵法制備馬鈴薯微孔淀粉技術(shù)研究[J].中國(guó)釀造，2011，30（7）：26-29.

[8]WU Y,DU X F,GE H H,et al.Preparation of microporous starch by glucoamylase and ultrasound[J].Starch,2011,63(4):217-225.

[9]吳思蕓，王繼虎，張燕萍，等.交聯(lián)木薯微孔淀粉的制備及其性能研究[J].食品工業(yè)科技，2013，34（1）：238-242.

[10]周 瓊，張 濤，劉 雄，等.交聯(lián)微孔淀粉基本性質(zhì)的研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2005，131（18）：19-22.

[11]楊圣崠，侯聚敏，張 琳，等.酶法制備微孔淀粉的研究進(jìn)展[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，37（4）：77-80.

[12]唐忠鋒，凌新龍，謝清若，等.酶法制備微孔淀粉的研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào)，2007（7）：41-44.

[13]陳翠蘭，張本山，陳福泉.淀粉結(jié)晶度計(jì)算的新方法[J].食品科學(xué)，2011，32（9）：68-71.

[14]徐 斌，滿建民，韋存虛.粉末X 射線衍射圖譜計(jì)算植物淀粉結(jié)晶度方法的探討[J].植物學(xué)報(bào)，2012，47（3）：278-285.

[15]張本山，張友全，楊連生，等.淀粉多晶體系結(jié)晶度測(cè)定方法研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，29（5）：55-58.

[16]陳福泉，張本山，黃 強(qiáng)，等.X 射線衍射測(cè)定淀粉顆粒結(jié)晶度的研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)科技，2010，225（1）：432-435.