預(yù)處理方式對(duì)淀粉酯化效果的影響*

楊小玲，王 珊

(咸陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)712000)

預(yù)處理方式對(duì)淀粉酯化效果的影響*

楊小玲，王 珊

(咸陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)712000)

采用酶進(jìn)行先活化再催化的雙效作用，將玉米淀粉酶解預(yù)處理，然后在有機(jī)溶劑及酶催化條件下制備硬脂酸淀粉酯。用IR、DSC、SEM及X-ray衍射對(duì)硬脂酸淀粉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果表明，酶解對(duì)淀粉改性效果最明顯，酶解預(yù)處理后淀粉顆粒表面粗糙，并出現(xiàn)微孔，其衍射峰強(qiáng)度較原淀粉低，但晶型未變；活化后的淀粉酯化取代度提高最顯著，且酶解預(yù)處理90min的取代度，其值為0.1174，高于酶解40min的取代度，DS為0.0179。

淀粉；酶解；取代度；結(jié)晶性

前言

為了擴(kuò)大天然淀粉應(yīng)用領(lǐng)域，需要對(duì)其進(jìn)行改性。通常用化學(xué)或物理改性來(lái)優(yōu)化某方面性能甚至形成新的特性，如糊化溫度降低，疏水性、凝沉穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及凍融穩(wěn)定性提高等。天然玉米淀粉是一種多晶高聚物,顆粒內(nèi)部主要是非晶區(qū)域；外層主要為結(jié)晶區(qū)域，主要是由淀粉分子通過(guò)氫鍵連接，非常牢固，約占顆粒體積的39%，屬于A型淀粉，水及化學(xué)試劑不易進(jìn)入結(jié)晶區(qū)內(nèi)[1-4]。因此，研究如何改變淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高淀粉的化學(xué)活性和產(chǎn)物的取代度顯得尤為重要。淀粉預(yù)處理的研究方法主要分為生物降解、化學(xué)降解、輻射降解、熱降解及微波降解等[5]。

長(zhǎng)鏈脂肪酸淀粉酯是變性淀粉種類(lèi)之一，由于其結(jié)構(gòu)中既有親水基（-OH）又有長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷≧CH2-）而表現(xiàn)出特殊的熱塑性、疏水性、乳化性和可生物降解性，因此日益受到重視。但是單純的物理或化學(xué)方法亦有其不足，如取代度不高、且伴有副產(chǎn)物產(chǎn)生、收率低、反應(yīng)條件苛刻等。

本文采用酶進(jìn)行先活化再催化的雙效作用，即將玉米淀粉預(yù)處理，然后在有機(jī)溶劑及酶催化條件下制備硬脂酸淀粉酯。以取代度為衡量指標(biāo)，考察未處理原玉米淀粉和預(yù)處理活化淀粉的酯化效果，利用IR、SEM及X-ray衍射（XRD）對(duì)活化及酯化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

玉米淀粉，市售，食品級(jí)；硬脂酸，天津市津北精細(xì)化學(xué)有限公司，分析純；胰酶，西安化學(xué)試劑廠(chǎng)，分析純；鹽酸，洛陽(yáng)市化學(xué)試劑廠(chǎng)，分析純；氫氧化鈉，汕頭市西隴化工有限公司，分析純；尿素，天津科儀實(shí)驗(yàn)試劑發(fā)展有限公司，分析純；二丁基二月桂酸錫，上海浦化工有限公司，分析純；無(wú)水乙醇、異丙醇、鹽酸，均為洛陽(yáng)市化學(xué)試劑廠(chǎng)，分析純。

IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司；MiniFlex600型X射線(xiàn)粉末衍射儀，日本理學(xué)株式會(huì)社；Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡，荷蘭Philips-FEI公司。

1.2 淀粉預(yù)處理

（1）胰酶水解：稱(chēng)取30g玉米淀粉，用胰酶濃度10%的pH值為6.8的磷酸鹽緩沖液溶解配成濃度為40%的玉米淀粉乳，在50℃下活化40min，離心，用乙醇、水洗滌，再次離心，產(chǎn)品于45℃干燥備用。

（2）酸水解：稱(chēng)取30g玉米淀粉，用2.5%的鹽酸溶液配置成濃度為30%的玉米淀粉乳液，在50℃下活化1h，離心，用乙醇、水反復(fù)洗滌離心，產(chǎn)品在45℃下干燥。

（3）堿水解：稱(chēng)取30g玉米淀粉，用pH值為8.5的NaOH/尿素堿液溶解成濃度為30%的玉米淀粉乳液，在50℃下活化1h，洗滌、離心，產(chǎn)品于45℃干燥備用。

1.3 硬脂酸淀粉酯的合成

準(zhǔn)確稱(chēng)量10.0g玉米淀粉，硬脂酸20.0g，胰酶1.0g，溶于165mL的異丙醇中，70℃攪拌反應(yīng)48h后，用熱的無(wú)水乙醇將沉淀產(chǎn)物洗滌3次，離心，干燥備用。

1.4 紅外測(cè)試

將樣品用KBr壓片，在500～4500cm-1范圍的紅外光譜掃描，掃描20次，繪出紅外光譜圖。

1.5 電鏡掃描

將樣品噴金后，采用荷蘭Philips-FEI公司生產(chǎn)的Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電壓為20 kV，觀(guān)察并拍攝淀粉顆粒形貌。

1.6 DSC曲線(xiàn)測(cè)定

采用美國(guó)TA公司Q100差示掃描量熱儀（DSC）對(duì)玉米淀粉、酶解淀粉及硬脂酸淀粉進(jìn)行測(cè)量，氮?dú)獗Ｗo(hù)，升溫速率為20.00℃/min，溫度在20～200℃。

1.7 X-ray衍射測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)采用的是日本理學(xué)株式會(huì)社生產(chǎn)的MiniFlex600型X射線(xiàn)衍射儀，對(duì)玉米淀粉、酶解淀粉、酯化淀粉進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件：CuKα輻射，管壓40kV，電流30mA，掃描速度8°/min，掃描角度范圍10～50°，采樣寬度0.02°。

1.8 取代度測(cè)定[6]

準(zhǔn)確稱(chēng)量淀粉樣品4.0 g，加入50mL蒸餾水，充分溶解后再加入20mL0.25mol/L的標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液，用磁力攪拌器攪拌1h。然后加入兩滴酚酞指示劑，用0.1mol/L的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至粉紅色剛好消失，記錄耗用鹽酸的體積v1，同時(shí)，做一組空白實(shí)驗(yàn)，記錄滴定消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積v0，通過(guò)公式（1）和（2）計(jì)算淀粉酯取代度DS.

式中：A為硬脂酸酸取代基質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m為樣品質(zhì)量，g；c為HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度（0.1mol/L）；267為硬脂酸取代基相對(duì)分子質(zhì)量；162為淀粉相對(duì)分子質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉活化方法的選擇

對(duì)淀粉進(jìn)行預(yù)處理的目的是提高淀粉反應(yīng)活性，選取三種活化方式：酸解、堿解和酶解（表1）。

表1 活化方式對(duì)硬脂酸淀粉酯收率及取代度的影響Table 1 The effect of activation methods on the yield and DS of stearic starch ester

從表1中可見(jiàn)，三種活化方式處理淀粉質(zhì)量均有損失；酯化淀粉取代度均高于原淀粉酯化；酸解后得到的活化收率最高，但酯化收率卻最低；酶解活化收率低，酯化收率最高，酯化產(chǎn)物的取代度亦最高。三種方式活化的結(jié)果均使淀粉結(jié)構(gòu)中的部分氫鍵破壞，淀粉溶解度增大，因此，活化后淀粉質(zhì)量有損失。酸解主要發(fā)生在非晶態(tài)的無(wú)定形區(qū)，結(jié)晶區(qū)比例相對(duì)增大[7,8]。NaOH/尿素預(yù)處理后，淀粉結(jié)構(gòu)中的部分氫鍵遭到破壞，降低了淀粉的結(jié)晶度。在NaOH/尿素堿溶液中，淀粉具有弱離子交換能力，其結(jié)構(gòu)中的羥基因失去質(zhì)子而帶負(fù)電荷，負(fù)電荷間的排斥作用，導(dǎo)致淀粉顆粒膨脹，及相鄰微晶間出現(xiàn)張力作用，最終微晶結(jié)構(gòu)遭到破壞，淀粉的溶解度增大[9,10]。

胰淀粉酶是由胰腺分泌的一種水解酶，屬于α-淀粉酶的一種，作用于可溶性淀粉、直鏈淀粉、糖原等α-1,4-葡聚糖，水解α-1,4-糖苷鍵的酶。酶對(duì)淀粉的酶解作用是從淀粉顆粒表面開(kāi)始，先生成多孔淀粉，隨著水解向顆粒內(nèi)滲入，顆粒破裂成碎片。酶解后淀粉顆粒表面形成孔洞，比表面積遠(yuǎn)大于原淀粉，反應(yīng)活性增大，酯化效率提高。由于胰淀粉酶能對(duì)淀粉進(jìn)行有效降解，之后進(jìn)行酯化改性，可獲得取代度較高的淀粉酯。因此，選取胰淀粉酶活化淀粉進(jìn)行后續(xù)研究。

2.2 酯化淀粉結(jié)果表征

X射線(xiàn)衍射（XRD）是研究結(jié)晶特性的最直接和最有效的方法。晶粒越大，衍射峰越高，半峰寬越小。淀粉分子中包含了結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)。其中尖峰衍射圖譜對(duì)應(yīng)的是結(jié)晶區(qū)，而彌散衍射圖譜對(duì)應(yīng)的則是無(wú)定形區(qū)。酶解預(yù)處理破壞淀粉顆粒表面結(jié)構(gòu)，深入顆粒內(nèi)部，因此酯化劑亦滲入顆粒內(nèi)部，促使淀粉的結(jié)晶度受到影響。XRD對(duì)玉米淀粉和酶解淀粉及酯化淀粉測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1：玉米淀粉、酶解淀粉及酯化淀粉XRD結(jié)構(gòu)相同，都由尖峰衍射特征和彌散衍射特征兩部分組成，是典型的多晶體系的衍射曲線(xiàn)，2 θ在15°、17°、18°、19°和23°附近有強(qiáng)的衍射峰,其中17°和18°附近的衍射峰為相連的雙峰，屬于A-型晶體。酶解淀粉及酯化淀粉的XRD圖譜的峰強(qiáng)度比原淀粉低，說(shuō)明經(jīng)過(guò)酶化處理后的淀粉結(jié)晶區(qū)受到一定程度的破壞，不定形區(qū)面積增大，衍射峰依然存在，只是結(jié)晶度下降[11]。可見(jiàn)，酶解作用并沒(méi)有破壞玉米淀粉的結(jié)晶特征，反應(yīng)主要是在淀粉的無(wú)定形區(qū)進(jìn)行。

圖1 玉米淀粉、酶解淀粉及酯化淀粉的SEM照片F(xiàn)ig.1 The X-ray diffraction patterns of corn starch,starch after enzymolysis and stearic starch

圖2 玉米淀粉、酶解淀粉及酯化淀粉的DSC曲線(xiàn)Fig.2 The DSC curves of corn starch,starch after enzymolysis and stearic starch

由圖2可以看出，淀粉經(jīng)酶水解后，糊化溫度較玉米原淀粉降低，糊化前后溫度范圍變窄。酶解淀粉與玉米原淀粉相比，由于酶解主要發(fā)生在淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)，結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)致密，酶在此區(qū)域水解能力很低，相對(duì)結(jié)晶度增大，未水解的結(jié)晶區(qū)形成彼此相連的“橋”形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即形成了微孔淀粉與SEM結(jié)果吻合。淀粉中的直連淀粉最先水解，分子鏈縮短，由于淀粉的吸熱潤(rùn)脹糊化是從無(wú)定形區(qū)開(kāi)始的，表現(xiàn)為糊化溫度降低。淀粉經(jīng)硬脂酸酯化，糊化溫度降低，糊化前后溫度范圍較玉米原淀粉的窄，這說(shuō)明淀粉酯化后引入的長(zhǎng)鏈脂肪酸阻礙了淀粉鏈之間氫鍵的形成，降低分子間的結(jié)合力，使淀粉顆粒結(jié)構(gòu)變的松弛，結(jié)晶區(qū)減少，淀粉顆粒原有的緊密結(jié)構(gòu)遭到破壞，淀粉顆粒更易糊化，糊化溫度降低，糊化過(guò)程變短。

圖3 玉米淀粉、酶解淀粉及硬脂酸淀粉的SEM照片F(xiàn)ig．3 The SEM photos of corn starch,starch after enzymolysis and stearic starch

圖3（a～d）四張SEM照片分別為玉米淀粉、胰酶活化淀粉（分別酶解40min、90min）以及硬脂酸酯化淀粉的SEM照片。玉米淀粉顆粒形狀不規(guī)則、表面光滑；酶解40min淀粉顆粒形狀基本未發(fā)生變化，但由于酶的作用淀粉表面出現(xiàn)很多微孔，酶解90min后孔隙更明顯，部分顆粒甚至遭到破壞瓦解；淀粉酯SEM照片顯示其顆粒形狀基本未變，由于酯化反應(yīng)引入了新的基團(tuán)，淀粉酯表面不光滑。

圖4 玉米淀粉、酶解淀粉及硬脂酸淀粉的紅外譜圖Fig．4 The IR spectra of corn starch,starch after enzymolysis and stearic starch

對(duì)照原玉米淀粉、酶解淀粉和硬脂酸淀粉圖譜，由圖4可知，玉米淀粉、酶解淀粉和硬脂酸淀粉均在3400cm-1處有一寬峰，為-O-H的伸縮振動(dòng)吸收峰，比較發(fā)現(xiàn)淀粉經(jīng)過(guò)酶解的-OH伸縮振動(dòng)峰加寬，而淀粉酯化后的吸收峰減弱；同時(shí)2918cm-1處為-C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰；與原淀粉的紅外譜圖相比,酶解淀粉在1153、1079cm-1處的C－O伸縮振動(dòng)峰銳化并向低波數(shù)移動(dòng)，1458cm-1處C－H面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰也發(fā)生變化，酶解圖譜中沒(méi)有新峰形成，分子結(jié)構(gòu)沒(méi)變，但酶解后原淀粉顆粒表面被侵蝕且形成微孔，部分官能團(tuán)空間結(jié)構(gòu)與振動(dòng)方式發(fā)生變化，因而出現(xiàn)吸收峰銳化或增寬現(xiàn)象；除此外，與玉米淀粉的紅外譜圖相比，硬脂酸淀粉的紅外譜圖出現(xiàn)了新的吸收峰：在2851cm-1處附近出現(xiàn)脂肪酸長(zhǎng)鏈的吸收峰，在1718cm-1附近出現(xiàn)吸收峰歸屬為酯羰基-C=O的吸收峰。以上結(jié)果說(shuō)明，酶解過(guò)程沒(méi)有形成新的官能團(tuán)，硬脂酸與淀粉酯化反應(yīng)形成了新的官能團(tuán)。

3 結(jié) 論

采用酶進(jìn)行先活化再催化的雙效作用，將玉米淀粉酶解預(yù)處理，然后在有機(jī)溶劑及酶催化條件下制備硬脂酸淀粉酯。三種預(yù)處理方式均改善了淀粉酯化反應(yīng)活性，其中，酶解玉米淀粉對(duì)酯化反應(yīng)的影響效果最顯著，酯化取代度最高，且酶解預(yù)處理90min的取代度高于酶解40min的取代度。掃描電鏡照片顯示，酶解淀粉及硬脂酸酶解淀粉顆粒在保持顆粒形態(tài)不變的基礎(chǔ)上，表面出現(xiàn)微孔，衍射圖像顯示其晶體結(jié)構(gòu)與玉米原淀粉一致，都為A型，但改性后的淀粉的衍射峰強(qiáng)度比原淀粉低。

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Effect of Pretreatment Methods on Starch Esterification

YANG Xiao-ling and WANG Shan
（College of Chemistry and Chemical Engineering,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,China）

The double effects of enzymolysis were applied both in the enzymolysis of starch pretreatment and in catalysis of esterification,on the basis of which to prepare stearic starch ester.The structures of stearic starch ester were characterized by IR,DSC,SEM and X-ray diffraction.The result showed that the enzymolysis had great effects on modification of starch.The surface of starch which was pretreated through enzymolysis was rough with pores and the diffraction peak was weaker than that of raw starch,but the crystal form was unchanged.The esterification of degree of substitution（DS）of activated starch was improved obviously,and after the enzymolysis pretreatment for 90mins,the DS was 0.1174 which was much higher that of for 40mins which was only 0.0179.

Starch;enzymolysis;degree of substitution;crystallinity

TQ925.1

A

1001-0017（2015）01-0035-04

2014-11-03 *基金項(xiàng)目：陜西省科技廳項(xiàng)目（編號(hào)：2014JQ2077）

楊小玲（1976-），女，陜西西安人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)樘烊桓叻肿痈男浴?/p>