超高壓輔助制備醋酸酯淀粉結(jié)構(gòu)性質(zhì)研究

蒲華寅 - 馬 蕓 黃 萌 徐 垚 樊 凡 劉姝含 - 黃峻榕 -

(陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

醋酸酯淀粉又名乙酰化淀粉，是淀粉中羥基被醋酸(乙酸)或醋酸衍生物酯化而得到的一類重要的化學(xué)變性淀粉[1]。乙酰基的引入改變了淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，使其具有黏度高、透明度高、抗凝沉性強、貯存穩(wěn)定等特點，因而醋酸酯淀粉在食品[2]、紡織[3]、造紙[4]、醫(yī)藥[5]等領(lǐng)域均有應(yīng)用。常規(guī)醋酸酯淀粉的制備通常在弱堿性條件下使用乙酸酐或乙酸乙烯酯為酯化劑進行合成，也有研究采用機械活化方法提高反應(yīng)效率，但上述方法反應(yīng)溫度高、時間長、能耗高。近年來，超高壓、微波等高新技術(shù)不斷被引入到醋酸酯淀粉的制備過程中，從而極大地縮短了反應(yīng)時間，提高了反應(yīng)效率[6-7]。

超高壓技術(shù)作為一種重要的食品加工技術(shù)，具有綠色、高效等特點。相比于傳統(tǒng)熱加工，其作用溫度較低，且對食品成分影響較小，因而被譽為最有潛力和希望的食品加工技術(shù)[8-9]。有研究[10-11]認(rèn)為超高壓提供的能量以及形成的自由基可能在一定程度上有利于酯化反應(yīng)的發(fā)生。Kim等[12]也認(rèn)為超高壓提供的能量有利于酯化劑進入淀粉顆粒內(nèi)部，但超高壓處理同時易導(dǎo)致淀粉顆粒膨脹被抑制，故在酯化劑用量相同的情況下，400 MPa超高壓輔助制備的醋酸酯淀粉取代度較傳統(tǒng)方法低。然而，孟爽等[13]認(rèn)為在酯化劑用量較低時，傳統(tǒng)方法制備醋酸酯淀粉取代度反而更低。

綜上所述，淀粉顆粒在超高壓處理過程中自身顆粒結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，而這種變化可能是導(dǎo)致醋酸酯淀粉性質(zhì)差異的重要原因。已有研究[13]表明，NaCl的存在可以改變淀粉顆粒對超高壓的響應(yīng)，尤其是會影響淀粉的膨脹特性。因此，本研究選擇玉米淀粉為原料，通過超高壓輔助制備低取代度醋酸酯淀粉，研究在NaCl存在以及更高壓力處理條件下淀粉的結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化，為醋酸酯淀粉的高效合成提供理論依據(jù)，更有利于超高壓技術(shù)在變性淀粉合成中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

玉米淀粉：食品級，黃龍食品工業(yè)有限公司；

乙酸酐、氫氧化鈉、濃鹽酸、酚酞、氯化鈉、無水乙醇：分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

電子天平：BS323S型，賽多利斯化學(xué)儀器(北京)有限公司；

食品高壓保鮮處理設(shè)備：HPP.L3-600/0.6型，天津華泰森淼生物工程技術(shù)股份有限公司；

真空包裝機：DZ-5002S型，星火(中國)包裝機械有限公司；

快速黏度分析儀：TechMaster型，波通瑞華科學(xué)儀器(瑞典)公司；

偏光顯微鏡：BK5000型，西安中顯光電科技有限公司；

X-射線衍射儀：D/max2200PC型，日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 醋酸酯淀粉的超高壓輔助合成 稱取40.0 g玉米淀粉(干基)于250 mL燒杯中，加入0.0%(去離子水)，0.5%，1.0%，2.5%，5.0%濃度的NaCl溶液配制至200 g淀粉乳。利用1.0 mol/L的NaOH溶液調(diào)整pH值至8.0～8.5，加入0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%的乙酸酐混勻，再調(diào)整pH值至8.0～8.5并迅速裝入耐高壓聚乙烯袋中排氣密封。樣品在200，300，400，500，600 MPa下25 ℃保壓10 min。反應(yīng)結(jié)束后將淀粉乳轉(zhuǎn)入燒杯中，靜置沉淀后棄去上清液，利用無水乙醇洗滌6次，除去樣品中殘留的乙酸酐。3 000 r/min離心15 min后，于40 ℃干燥24 h后取出，粉碎過100目篩，分裝入50 mL離心管標(biāo)記并置入干燥器保存。合成的基本條件為：NaCl溶液濃度1.0%，加入2.0%的乙酸酐，壓力在400 MPa下。在測定其中一個因素對合成醋酸酯淀粉的影響時，其他因素保持在基本條件下不變。

1.2.2 取代度的測定 參考劉延奇等[14]的方法，準(zhǔn)確稱取5.0 g樣品(干基)于250 mL碘量瓶中，加入蒸餾水50 mL，滴2滴酚酞作為指示劑，用0.1 mol/L NaOH溶液調(diào)pH至粉紅色不消失，再用25 mL移液管吸取0.5 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液25 mL，加入碘量瓶中，塞上瓶塞，在溫度為25 ℃的水浴中震蕩30 min。取出后，用少量蒸餾水將瓶塞及內(nèi)壁上的樣品沖洗入樣品溶液，用0.5 mol/L HCl 標(biāo)準(zhǔn)溶液對樣品進行滴定，滴定至粉紅色完全消失。準(zhǔn)確稱5.0 g(干基)原淀粉重復(fù)上述步驟，進行空白試驗。

(1)

(2)

式中：

A——乙?；矸勖總€乙?；咸烟菃卧泻械囊阴；|(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

V1——樣品消耗鹽酸體積，mL；

V2——空白樣消耗鹽酸體積，mL；

C——鹽酸溶液的物質(zhì)的量濃度，mol/L；

m——樣品質(zhì)量，g；

DS——乙酰化淀粉取代度。

1.2.3 淀粉顆粒形態(tài)觀察 將合成的醋酸酯淀粉及原淀粉用水分散形成淀粉乳，取適量淀粉乳滴在載玻片上，蓋上蓋玻片后，用光學(xué)顯微鏡進行觀察并拍攝淀粉的顆粒形態(tài)照片，放大倍數(shù)為400倍。通過對不同條件處理的樣品進行比較，觀察淀粉結(jié)構(gòu)變化。

1.2.4 淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)測定 將預(yù)先平衡水分的樣品平鋪于樣品池中，放入X-射線衍射儀中進行測定，采用波長為0.154 2 nm的單色Cu-Kα射線，測定條件為：管壓40 kV，管流40 mA，掃描區(qū)域2θ= 4 °～60 °，步長為0.02 °，掃描速率為10 °/min。采用Jade6.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析[15]。

RC=B/A×100%，

(3)

式中：

A——圖譜經(jīng)過平滑后計算譜線與基線之間的面積；

B——描出微晶分割線并扣除，獲得譜線與分割線間的面積；

RC——淀粉的相對結(jié)晶度。

1.2.5 黏度測定 用快速黏度分析儀測定醋酸酯淀粉和原淀粉的黏度，稱取樣品1.4 g(干基)，加蒸餾水至28 g，配制質(zhì)量濃度為5 g/100 g的淀粉懸浮液進行測定，試驗采用升溫降溫循環(huán)程序：50 ℃保溫1 min，以12 ℃/min 升溫至95 ℃，保溫5 min；再以12 ℃/min 冷卻到50 ℃，保溫 2 min。轉(zhuǎn)子起始轉(zhuǎn)速960 r/min攪拌10 s，隨后轉(zhuǎn)速設(shè)置為160 r/min。由分析軟件獲得淀粉在糊化過程中的黏度變化曲線，通過該曲線獲得淀粉糊化特征參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 超高壓輔助制備條件對醋酸酯淀粉取代度的影響

2.1.1 NaCl濃度對醋酸酯淀粉取代度的影響 乙酸酐添加量2.0%，處理壓力400 MPa時，NaCl溶液濃度與醋酸酯淀粉取代度的關(guān)系見圖1(a)。由圖1(a)可知，NaCl溶液濃度對于醋酸酯淀粉取代度的影響比較明顯。隨著NaCl溶液濃度的增加，醋酸酯淀粉取代度先增加后減少，在NaCl溶液濃度為1.0%時，醋酸酯淀粉的取代度達(dá)到最大值(0.090)。前人[14]研究表明，NaCl添加能有效抑制淀粉顆粒膨脹，降低淀粉的糊化作用。當(dāng)NaCl濃度較低時，淀粉顆粒膨脹的抑制可能是取代度增加的原因，但超過一定濃度之后，顆粒膨脹的進一步抑制反而不利于醋酸酐與淀粉分子的接觸，從而不利于取代度的增加。

2.1.2 乙酸酐添加量對醋酸酯淀粉取代度的影響 NaCl溶液濃度1.0%，處理壓力400 MPa時，乙酸酐添加量與醋酸酯淀粉取代度的關(guān)系見圖1(b)。由圖1(b)可知，隨乙酸酐添加量的增加，醋酸酯淀粉取代度呈先增加后減小的趨勢。當(dāng)乙酸酐添加量為2.0%時，醋酸酯淀粉的取代度達(dá)到了最大值。在乙酸酐添加量>2.0%時，取代度并未增加，可能是由于乙酸酐含量過多，促進了副反應(yīng)的發(fā)生，從而導(dǎo)致取代度降低[16]。

圖1 超高壓輔助制備條件對醋酸酯淀粉取代度的影響

Figure 1 Effect of degree of substitution of acetylated starch under ultra high pressure (UHP)

2.1.3 超高壓處理壓力對醋酸酯淀粉取代度的影響 當(dāng)NaCl溶液濃度1.0%，乙酸酐添加量為2.0%時，不同超高壓處理壓力對取代度的影響見圖1(c)。由圖1(c)可知，隨著處理壓力的上升，醋酸酯淀粉取代度逐漸增加，但當(dāng)壓力超過400 MPa 時，醋酸酯淀粉取代度反而降低。在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時，超高壓能導(dǎo)致淀粉顆粒膨脹進而產(chǎn)生糊化效果[17]。隨著壓力增加，淀粉顆粒的膨脹有利于乙酸酐與淀粉分子接觸，淀粉顆粒過度膨脹，分子溶出，反而不利于乙?；磻?yīng)的進行。值得注意的是，600 MPa壓力條件下所制備的醋酸酯淀粉取代度較500 MPa的更高，這可能與更高壓力處理時淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化相關(guān)，具體原因有待進一步研究。

2.2 超高壓輔助制備條件對醋酸酯淀粉顆粒形態(tài)及結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響

為了了解醋酸酯淀粉制備過程中淀粉顆粒結(jié)構(gòu)變化，采用光學(xué)顯微鏡對淀粉的顆粒形態(tài)進行觀察，見圖2。由圖2可知，玉米原淀粉顆粒相對較小，主要以多邊形或圓形存在。當(dāng)處理壓力為400 MPa時，無論改變NaCl溶液濃度(0%～5.0%，乙酸酐添加量固定為2.0%)還是乙酸酐添加量(0.5%～4.0%，NaCl濃度固定為1.0%)，超高壓輔助酯化反應(yīng)并未對玉米淀粉的顆粒形態(tài)造成明顯的影響(未顯示)。而當(dāng)壓力低于400 MPa時，玉米淀粉顆粒形貌與原淀粉也較一致，未出現(xiàn)顆粒膨脹現(xiàn)象。當(dāng)壓力達(dá)到500 MPa之后，極個別醋酸酯淀粉的顆粒呈現(xiàn)一定程度的膨脹，出現(xiàn)輕微糊化現(xiàn)象。而在類似超高壓條件下(500 MPa，10 min)，玉米淀粉糊化現(xiàn)象較為明顯[17]。這種差異的原因可能與超高壓處理過程中NaCl對淀粉顆粒膨脹的抑制作用有關(guān)，與劉延奇等[18]的研究結(jié)論相一致。在600 MPa的處理壓力下，可觀察到大部分淀粉顆粒已經(jīng)遭到嚴(yán)重的破壞，只有個別的顆粒還能看到完整的顆粒形態(tài)，表明此時淀粉顆粒完全糊化。

由圖2可知，在超高壓輔助合成醋酸酯淀粉的過程中，超高壓處理壓力較NaCl溶液濃度和乙酸酐添加量對淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的影響更為明顯，因此，進一步利用X-射線衍射(XRD)技術(shù)研究了不同處理壓力對淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響，見圖3。由圖3可知，玉米淀粉具有典型的A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在2θ為15°及23°處有衍射單峰，而在2θ=17°附近具有衍射雙峰。當(dāng)處理壓力低于500 MPa時，晶體的衍射圖樣沒有發(fā)生明顯變化，特征衍射峰仍然存在，表明當(dāng)壓力低于500 MPa 時，超高壓酯化處理并未明顯破壞淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，也未形成新的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。而當(dāng)處理壓力達(dá)到600 MPa時，樣品的X-射線衍射圖發(fā)生了明顯改變，僅在2θ=20°附近呈現(xiàn)V型特征峰，表明此時淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)由雙螺旋A型向單螺旋V型轉(zhuǎn)化。

圖2 超高壓處理壓力對醋酸酯淀粉顆粒形貌的影響Figure 2 Effect of pressure on morphology of acetylated starch granules

進一步對相對結(jié)晶度(RC)計算發(fā)現(xiàn)(表1)，當(dāng)處理壓力低于400 MPa時，RC隨著壓力的增大呈上升趨勢，分析認(rèn)為可能存在韌化現(xiàn)象，可能與NaCl的存在有關(guān)[19]。壓力超過400 MPa后，RC呈下降趨勢，表明此時結(jié)晶結(jié)構(gòu)開始遭到破壞，當(dāng)壓力達(dá)到600 MPa時，RC為7.2，與淀粉完全糊化結(jié)論相一致。

表1表明，當(dāng)處理壓力達(dá)到600 MPa時，樣品發(fā)生糊化，玉米淀粉分子充分吸水溶脹，因而此時為淀粉分子在顆粒結(jié)

圖3 不同超高壓壓力處理前后醋酸酯淀粉X-射線衍射圖

Figure 3 X-ray diffraction patterns of acetylated starch under different pressure before and after treatment

表1 不同壓力條件對醋酸酯淀粉的相對結(jié)晶度的影響

構(gòu)遭到破壞的條件下進行的乙?；磻?yīng)，但是反應(yīng)過后，得到的醋酸酯淀粉取代度并沒有因為與玉米淀粉分子的充分接觸而達(dá)到最大，推測淀粉的糊化作用并不利于乙酰化反應(yīng)效率的提升。與之相反，當(dāng)?shù)矸廴砸灶w粒狀態(tài)存在，且相對結(jié)晶度RC較大時對應(yīng)醋酸酯淀粉取代度反而最大。

2.3 超高壓條件對醋酸酯淀粉糊化特性的影響

工業(yè)中應(yīng)用的變性淀粉主要以淀粉糊形式使用，因此淀粉的糊化特性，尤其是糊化過程中的黏度特征成為影響淀粉應(yīng)用的重要參數(shù)。為了探討不同取代度淀粉的糊化特性，利用快速黏度分析儀對超高壓酯化前后淀粉的黏度進行了測定。由圖4可知，當(dāng)處理壓力為400 MPa時，改變NaCl溶液濃度或乙酸酐添加量，醋酸酯淀粉RVA曲線較原淀粉曲線差異不大，形狀基本一致(未顯示)，而不同處理壓力所合成的醋酸酯淀粉中，僅處理壓力達(dá)到600 MPa時，曲線明顯降低，其余曲線形狀變化并不大。

圖4 不同超高壓壓力處理前后醋酸酯淀粉RVA圖

Figure 4 Rapid visco analyser patterns of acetylated starch under different pressure before and after treatment

由RVA特征參數(shù)(表2～4)可知，本試驗研究所涉及的醋酸酯淀粉其峰值黏度、谷值黏度、衰減值、最終黏度均較原淀粉低，表明醋酸酯淀粉抗剪切能力提高。由表2可知，隨著淀粉乳中NaCl濃度的增加，醋酸酯淀粉峰值黏度、谷值黏度、衰減值、最終黏度和回生值都呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，峰值時間和糊化溫度則呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當(dāng)NaCl濃度為1.0%時，醋酸酯淀粉取代度最高，且黏度也最大。

表2 NaCl濃度對醋酸酯淀粉黏度特征參數(shù)的影響

表3 乙酸酐添加量對醋酸酯淀粉黏度特征參數(shù)的影響

表4 壓力對醋酸酯淀粉黏度特征參數(shù)的影響?

? ——表示沒有測定結(jié)果。

由表3可知，隨著乙酸酐添加量的增加，醋酸酯淀粉的回生值呈現(xiàn)上升的趨勢，峰值黏度、最終黏度、谷值黏度和衰減值先增大后減小，而糊化溫度則先減小后增大。在乙酸酐添加量為2.0%時，醋酸酯淀粉的峰值黏度、谷值黏度和最終黏度達(dá)到最大值。

由表4可知，隨著處理壓力的增加，糊化溫度呈現(xiàn)增加的趨勢，回生值呈現(xiàn)降低的趨勢，而峰值黏度、衰減值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。Kim等[9]研究表明，由于醋酸酯化更有利于淀粉分子水合和膨脹，因此與淀粉膨脹特性相關(guān)的峰值黏度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，且在400 MPa處理條件時達(dá)到最大值，這與此時較高的取代度相關(guān)，但由于超高壓作用對淀粉結(jié)構(gòu)的破壞，因而醋酸酯淀粉峰值黏度均低于原淀粉。

3 結(jié)論

利用超高壓輔助合成玉米醋酸酯淀粉的過程中，添加適量的NaCl可以有效抑制淀粉顆粒的膨脹，提高醋酸酯淀粉的取代度。增加處理壓力，醋酸酯淀粉相對結(jié)晶度及取代度增加，可能發(fā)生韌化作用，但過高的壓力導(dǎo)致淀粉糊化，顆粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，相對結(jié)晶度下降，結(jié)晶結(jié)構(gòu)由A型向V型轉(zhuǎn)換，醋酸酯淀粉取代度反而下降。醋酸酯化后，淀粉衰減值明顯降低，表明醋酸酯淀粉糊具有較好的抗剪切性。當(dāng)NaCl溶液濃度為1.0%，乙酸酐添加量為2.0%，壓力為400 MPa 時，所制備的醋酸酯淀粉取代度最大(為0.090)，且表現(xiàn)出較高的峰值黏度(為400.00 cP)。

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