芋頭淀粉納米顆粒的 制備及其表征

彭 曄,余振宇,鄭 志,姜紹通

(合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,合肥工業(yè)大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品加工研究院，安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥 230009)

近年來,納米材料因其粒徑小、比表面積大、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)成為人們研究的熱點(diǎn)。淀粉納米顆粒是由天然淀粉經(jīng)過物理、化學(xué)或生物的方法處理后得到的粒度在納米量級(jí)的微粒,其廣泛的來源、良好的生物降解性和相容性、可再生性和納米效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),在新型材料研發(fā)、制藥、食品加工、污水處理等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

制備淀粉納米顆粒的方法有很多,主要有酸水解法、沉淀法、機(jī)械法、微乳液法和細(xì)乳液法[1]。酸水解法[2]是通過無機(jī)酸水解淀粉的無定形區(qū)來制備淀粉納米顆粒的,反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),且反應(yīng)在酸的體系中進(jìn)行,污染環(huán)境。沉淀法[3]制備淀粉納米顆粒是向完全溶解的淀粉溶液中滴加沉淀劑,析出納米級(jí)的淀粉微粒,得到的淀粉納米顆粒的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和大小難以控制。球磨法[4]、超聲法[5]、高壓均質(zhì)法[6]等機(jī)械方法是在機(jī)械力的作用下將淀粉顆粒破碎到納米量級(jí),對(duì)設(shè)備要求高,能耗較大。微乳液法[7]制備淀粉納米顆粒的關(guān)鍵在油水相體積比、淀粉乳濃度、攪拌速度,大量乳化劑的使用使其成本偏高。細(xì)乳液法[8]是向分散體系輸入很高的能量,克服乳液的內(nèi)聚能和表面能,使分散相成亞微米級(jí)的微粒。綜上所述,這些方法制備的淀粉納米顆粒雖然粒度都達(dá)到了納米級(jí)別,但存在制備時(shí)間長(zhǎng)、污染環(huán)境、產(chǎn)率過低、能耗較大等缺陷。酶解回生法[9]制備淀粉納米顆粒是一種簡(jiǎn)單、綠色、產(chǎn)量高的新方法:將淀粉經(jīng)普魯蘭酶水解淀粉分支點(diǎn)中的α-1,6糖苷鍵,脫去支鏈得到直鏈淀粉,在低溫條件下回生重結(jié)晶得到淀粉納米顆粒。鞏敏[10]對(duì)黃米淀粉進(jìn)行改性,研究了不同回生時(shí)間對(duì)黃米淀粉納米顆粒的影響。代蕾[11]研究了淀粉乳濃度對(duì)芋頭淀粉納米顆粒的影響,但不同酶解時(shí)間對(duì)芋頭淀粉納米顆粒的影響卻未曾報(bào)道。

本文以芋頭淀粉為原料經(jīng)普魯蘭酶脫支不同時(shí)間(4、6、8和10 h),并在4 ℃回生24 h制備芋頭淀粉納米顆粒。利用Zeta電位儀、FTIR、DSC、XRD、SEM等現(xiàn)代分析技術(shù)對(duì)淀粉的結(jié)構(gòu)特征和形貌特征進(jìn)行了研究,分析了不同的酶解時(shí)間的淀粉納米顆粒和原淀粉的性質(zhì)差異,為芋頭淀粉納米顆粒的制備和應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

芋頭 合肥新都會(huì)家樂福超市;堿性蛋白酶(200000 U/g) 北京索萊寶科技有限公司;普魯蘭酶(400 PUN/毫升) 諾維信(中國(guó))生物技術(shù)有限公司;氫氧化鈉、鹽酸、檸檬酸、磷酸氫二鈉等 均為分析純。

FK-A組織搗碎機(jī) 金壇市城西崢嶸實(shí)驗(yàn)儀器廠;JMS-50C膠體磨 廊坊市廊通機(jī)械有限公司;CR22GⅡ超速冷凍離心機(jī) 日本Hitachi公司;FD-1A-50型冷凍干燥機(jī) 北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;SU8020場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 日立(Hitachi)公司;Nano-ZS90 Zeta電位儀 英國(guó)Malvern公司;Nicolet 67傅里葉紅外光譜儀 美國(guó)Thermo Nicolet公司;Q200差示掃描量熱儀 美國(guó)TA公司;D/MAX2500V型X射線衍射儀 日本理學(xué)制造。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 芋頭淀粉的提取 取新鮮芋頭500 g去皮洗凈切絲,加入4倍體積的蒸餾水,打漿過3次膠體磨,將芋頭漿置于41 ℃恒溫水浴鍋中,用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為10.0,加入0.9%的堿性蛋白酶,反應(yīng)137 min后,過濾2次,收集濾液。反應(yīng)過程中用0.1 mol/L鹽酸和0.1 mol/L氫氧化鈉維持pH在10左右。將收集的濾液3000 r/min離心15 min,將離心得到的沉淀用蒸餾水洗滌,然后用0.1 mol/L鹽酸中和至pH為7,再次3000 r/min離心15 min洗滌2次。將淀粉勻漿置于-60 ℃冷凍干燥機(jī)中干燥24 h,即得芋頭淀粉[12]。

1.2.2 淀粉納米顆粒的制備 稱取10 g芋頭淀粉,以 pH=5.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液為溶劑,配制10%的芋頭淀粉漿(m/v),沸水浴加熱30 min且不斷攪拌,充分糊化淀粉。淀粉溶液冷卻至室溫后,加入普魯蘭酶溶液,添加量為4 PUN/g淀粉,然后58 ℃條件下分別酶解脫支4、6、8和10 h,反應(yīng)結(jié)束后100 ℃滅酶30 min,再以3000 r/min離心15 min除去沉淀。將上清液置于4 ℃冰箱中放置24 h,通過脫支的淀粉短直鏈的回生來制備芋頭淀粉納米顆粒。酶解回生得到的淀粉納米顆粒用蒸餾水洗滌至中性,然后-60 ℃冷凍干燥24 h,即可得到不同的酶解時(shí)間下制備的淀粉納米顆粒[13]。

1.2.3 粒徑測(cè)定 芋頭原淀粉和淀粉納米顆粒的平均粒徑和粒徑分布通過Zeta電位儀測(cè)定,散射光的強(qiáng)度在入射光束的90°處被檢測(cè)到,測(cè)量樣品用去離子水稀釋,樣品的濃度為0.01%(m/V),在25 ℃進(jìn)行分析,分散劑和樣品的折光度分別為1.33和1.6。利用Zeta電位儀配備的軟件得到了粒徑分布圖,粒徑大小比例為與探測(cè)器觀察到的光強(qiáng)度的函數(shù)[14]。

1.2.4 傅里葉紅外吸收光譜分析 采用 KBr 壓片法。具體過程為:在紅外燈的照射下,取1～2 mg干燥樣品,與干燥的KBr粉末混合,置于瑪瑙研缽中充分研磨,將研磨好的混合物粉末放入壓模中,在15～20 kPa的壓力下壓制成透明薄片,然后將壓片放入紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試,在4000～400 cm-1波長(zhǎng)范圍內(nèi),掃描32次取平均值[15]。

1.2.5 差示掃描量熱儀分析 用電子天平稱取3 mg淀粉到坩堝中,加入9 μL蒸餾水混合均勻,將坩堝密封,在室溫下平衡2 h,以空坩堝作為對(duì)照,通氮?dú)?50 mL/min),掃描溫度范圍25～120 ℃,掃描速度為5 ℃/min。利用TA通用分析軟件計(jì)算起始溫度(TO),峰值溫度(TP)、終止溫度(TC),糊化焓變(ΔH)[16]。

1.2.6 X射線衍射分析 采用X射線衍射分析儀測(cè)定。測(cè)定條件為:Cu Kα輻射,管壓40 kV,管流30 mA,掃描速度4 °/min,掃描范圍2Y:4～40°,步長(zhǎng)0.028,接受狹縫0.2 mm,通過軟件MDI Jade 5.0計(jì)算結(jié)晶度[17]。

1.2.7 掃描電鏡觀察 將雙面膠粘在載物板上,用牙簽取適量樣品于雙面膠上,并吹去未粘住的粉末,然后在真空鍍金30 min,將鍍好金膜的淀粉樣品用掃描電子顯微鏡觀察,加速電壓為5 kV,拍攝具有代表性的不同放大倍數(shù)下的淀粉顆粒形貌,用來反映原淀粉以及淀粉納米顆粒的形貌學(xué)變化情況[18]。

1.2.8 數(shù)據(jù)分析 每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn),采用Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析,采用t檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析,顯著性水平p<0.05有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒徑分布

圖1是芋頭原淀粉和不同酶解時(shí)間制備的淀粉納米顆粒的平均粒徑圖和粒徑分布圖。由平均粒徑圖(A)可以看出,淀粉納米顆粒的平均粒徑會(huì)隨著酶解時(shí)間的增大先減小后增大,且均遠(yuǎn)小于芋頭原淀粉的粒徑,酶解4、6、8和10 h制備的淀粉納米顆粒的平均粒徑分別為354.7、235.4、274.6和400.9 nm。粒徑分布圖(B)中不同酶解時(shí)間的淀粉納米顆粒都只有一個(gè)峰,而且可以看出酶解6 h的粒徑分布圖主要在低粒徑區(qū)域,主要分布在190～250 nm;酶解4 h和8 h的粒徑分布圖較酶解6 h向高粒徑方向移動(dòng),主要分布在295～395 nm和255～295 nm;酶解10 h的分布圖集中在較高粒徑區(qū),主要分布在295～450 nm。而芋頭原淀粉的粒徑分布在1000～2500 nm,芋頭淀粉納米顆粒顯著減小。根據(jù)Fredrikssona[19]的研究,酶解脫支時(shí)間的不同使淀粉分子中的直鏈和支鏈的比例也不一樣,進(jìn)而影響雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成與結(jié)晶,也就造成了不同酶解時(shí)間制備的淀粉納米顆粒粒徑的差異。

圖1 芋頭原淀粉和淀粉納米顆粒的平均粒徑圖(A)和粒徑分布圖(B)Fig.1 Mean size(A)and particle size distribution(B)of taro starch and starch nanoparticles

2.2 傅里葉紅外吸收光譜分析

圖2是芋頭原淀粉和淀粉納米顆粒的紅外吸收光譜圖。在波長(zhǎng)3000～3800 cm-1的范圍內(nèi)有很強(qiáng)的伸縮振動(dòng)峰,這是O-H的特征峰,酶解回生得到的淀粉納米顆粒在此處的吸收峰都向低波數(shù)方向移動(dòng),分別從原淀粉的3410 cm-1移動(dòng)到3394,3375,3340和3363 cm-1,說明酶解回生增強(qiáng)了分子間的相互作用力[20]。在2838 cm-1處是C-H的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰,峰的減弱表明α-1,6-糖苷鍵被普魯蘭酶水解了,增加了亞甲基的數(shù)量[21]。820 cm-1到1280 cm-1是紅外吸收光譜的指紋區(qū)[22],這個(gè)區(qū)域的吸收峰主要是由高度耦合的C-O和C-C伸縮振動(dòng)峰引起的。在960 cm-1處的峰是α-1,4-糖苷鍵中C-O-C的振動(dòng)吸收峰,酶解回生得到的淀粉納米顆粒中C-O-C基團(tuán)的吸收峰分別從原淀粉的960 cm-1移動(dòng)到951,945,943和937 cm-1,這說明分子鏈間的氫鍵作用力有所增強(qiáng)。

圖2 芋頭原淀粉和淀粉納米顆粒的傅里葉紅外光譜圖Fig.2 Fourier infrared spectrogram of taro starch and starch nanoparticles

2.3 熱特性分析

圖3和表1展示的是芋頭原淀粉和淀粉納米顆粒的熱特性。從圖3可以看出芋頭原淀粉有一個(gè)明顯的峰,而芋頭淀粉納米顆粒則都是一個(gè)平緩的峰,并且芋頭淀粉納米顆粒的糊化溫度明顯低于芋頭原淀粉。表1列出了芋頭原淀粉和芋頭淀粉納米顆粒的起始糊化溫度(To)、峰值糊化溫度(Tp)、終止糊化溫度(Tc)、糊化溫度范圍(Tc-To)和吸熱焓(ΔH)。芋頭淀粉納米顆粒的To,Tp,Tc值與原淀粉相比明顯降低,這說明酶解回生破壞了淀粉的結(jié)晶區(qū)和無定型區(qū)的雙螺旋結(jié)構(gòu)[23]。而糊化溫度范圍(Tc-To)相對(duì)于原淀粉增大,較寬的糊化溫度范圍表明酶解回生可能影響到了結(jié)晶區(qū)的糊化和無定形區(qū)的改變[24]。芋頭原淀粉的ΔH為13.19 J/g,酶解4、6、8和10 h的淀粉納米顆粒ΔH分別為5.31、6.79、5.99和6.46 J/g,ΔH可以反映出雙螺旋的含量和結(jié)晶的有序性[25],與原淀粉相比淀粉納米顆粒的ΔH都降低了,表明淀粉納米顆粒的雙螺旋含量和結(jié)晶有序性降低;隨著酶解時(shí)間的增大,ΔH越來越大,說明雙螺旋含量增加并且結(jié)晶有序性提高。

表1 芋頭原淀粉和淀粉納米顆粒的熱特性分析Table 1 Thermal properties of taro starch and starch nanoparticles

圖3 芋頭原淀粉和淀粉納米顆粒的熱特性曲線圖Fig.3 Thermal characteristics of taro starch and starch nanoparticles

2.4 X衍射分析

圖4是芋頭原淀粉和淀粉納米顆粒的X射線衍射圖。根據(jù)X射線衍射峰的強(qiáng)度可以判斷固體顆粒的晶體結(jié)構(gòu),芋頭原淀粉在衍射角2θ為15.04°、17.2°、18°、22.9°附近時(shí)有強(qiáng)衍射峰,表明芋頭淀粉的晶型為A型[26]。酶解不同時(shí)間的芋頭淀粉納米顆粒在衍射角2θ為17.23°和22.67°有強(qiáng)衍射峰,屬于V型淀粉晶體結(jié)構(gòu)[27],這表明芋頭原淀粉在制備淀粉納米顆粒的過程中晶型被破壞,產(chǎn)生了新的晶體結(jié)構(gòu)。酶解4、6、8和10 h在4 ℃回生制備的淀粉納米顆粒的結(jié)晶度分別為29.58%、21.02%、20.44%和16.14%,相對(duì)于芋頭原淀粉(35.7%)都有所降低,淀粉的重結(jié)晶是一個(gè)復(fù)雜的過程,結(jié)晶尺寸、支鏈淀粉的長(zhǎng)度和含量、雙螺旋相互作用以及雙螺旋結(jié)構(gòu)在結(jié)晶域中的取向等因素都會(huì)影響結(jié)晶度的差異[28]。酶解脫支時(shí)間不同,支鏈淀粉含量不同,淀粉的組成和性質(zhì)就不同,進(jìn)而造成了結(jié)晶度的不同。

圖4 芋頭原淀粉和淀粉納米顆粒的X射線衍射圖Fig.4 X ray diffractogram of taro starch and starch nanoparticles

2.5 淀粉納米顆粒的形貌特征

圖5是芋頭原淀粉和淀粉納米顆粒的掃描電鏡圖。從圖中可以看出芋頭原淀粉顆粒為多面體或近球形,表面結(jié)構(gòu)光滑,完整,無裂痕,粒徑大約在1～2 μm左右。用酶解回生法制備的芋頭淀粉納米顆粒為多邊形或球形,粒徑在200～400 nm左右,顆粒粒徑明顯比原淀粉小,比表面積顯著增大,對(duì)于與其他物料混合使用配比方面有了很大提升。由于在4 ℃這種低溫條件下回生,酶解得到的短直鏈淀粉分子熱運(yùn)動(dòng)慢,短直鏈淀粉分子在納米顆粒晶核表面堆疊速度慢,且堆疊不定向,形成的顆粒容易黏連,造成了一定的聚集現(xiàn)象[29]。

圖5 芋頭原淀粉(A)和淀粉納米顆粒(B)的掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron micrograph of taro starch(A)and starch nanoparticles(B)

3 結(jié)論

本文用普魯蘭酶將芋頭淀粉酶解脫支不同時(shí)間,在4 ℃低溫條件下回生制備淀粉納米顆粒。酶解4、6、8和10 h后回生得到的淀粉納米顆粒的平均粒徑分別為354.7、235.4、274.6和400.9 nm,粒徑較芋頭原淀粉明顯減小。傅里葉紅外光譜顯示芋頭淀粉納米顆粒沒有出現(xiàn)新的特征峰,但分子間作用力和氫鍵作用都有所增強(qiáng)。與芋頭原淀粉比較,淀粉納米顆粒的To,Tp,Tc,ΔH值降低,糊化溫度范圍(Tc-To)增大,表明淀粉納米顆粒的無定形區(qū)、雙螺旋含量和結(jié)晶有序性都發(fā)生了變化。所有淀粉納米顆粒的晶型由A型變?yōu)閂型,相對(duì)結(jié)晶度明顯降低。芋頭淀粉納米顆粒的顆粒形貌為多邊形或球形,比表面積增大,對(duì)于與其他物料混合使用配比方面有了很大提升。

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