感應電場加速玉米淀粉酸解及理化特性研究

周宇益 ， 楊 哪 ， 金亞美 ， 李丹丹， 徐學明 ，2，3， 謝正軍 *，2，3， 童群義

（1.江南大學 食品學院，江蘇 無錫214122；2.食品科學與技術國家重點實驗室，江南大學，江蘇 無錫214122；3.江南大學 協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫 214122）

淀粉作為一種天然的高分子化合物具有來源廣泛，可降解等優(yōu)點[1-2]，同時，它也是食品、生物和醫(yī)藥工業(yè)的一種重要原料。關于淀粉水解的方法主要以物理法、化學法和生物酶法為主，為了提高淀粉水解效率，研究人員采用了各種新的輔助水解技術，包括微波[3]輔助酸解、超聲波[4-5]輔助酸解、脈沖電場[6]輔助酸解。周美等[7]人采用微波手段輔助檸檬酸與馬鈴薯淀粉水解合成檸檬酸淀粉酯，并發(fā)現(xiàn)當pH 值為 3.48、微波時間 7 min、功率 640 W 時，即可制得吸水率為760.83%的檸檬酸淀粉酯。葉文峰等[8]人以新鮮腳板薯為主要原料，采用超聲波及酸處理粗淀粉制備抗性淀粉，加入質量分數(shù)1.5%的2 mol/L鹽酸，在超聲溫度為 80℃、超聲時間為40 min，制備的抗性淀粉得率為 25.3%。曾新安等[9]人以木薯淀粉為原料，乙酸酐添加量為質量分數(shù)6%，電場強度為 4 kV/cm，有效處理時間為 9 ms，樣品取代度由 0.084提高至0.110，說明脈沖電場處理可以促進酯化應的進行，提高了酯化反應效率。Hamit K?ksel等[10]采用了酸和熱結合的方法研究抗性淀粉（RS），發(fā)現(xiàn)酸解和蒸汽壓力滅菌使得RS的質量分數(shù)從13.6%增加到16.7%。

目前，現(xiàn)有的電場加工技術都使用了通電的電極且直接與料液接觸，在長時間加工過程中容易造成電極表面的腐蝕和重金屬泄露，進而造成料液的污染。利用安培環(huán)路定律，Pryor[11]采用單相變壓器系統(tǒng)對海水的電導率進行了仿真檢測，表明當含有自由離子的溶液作為變壓器的次級線圈時，在初級線圈施加交變電壓后，同樣可在溶液中得到交變的感應電壓和感應電流，其感應電流與海水阻抗成反比；根據(jù)此原理Jin Yamei等[12]搭建了單相變壓器試驗系統(tǒng)，并以鹽漬黃瓜汁液作為次級線圈，同樣發(fā)現(xiàn)當施加交變電壓激勵初級線圈后，黃瓜汁液中有明顯的離子傳導加劇現(xiàn)象，從而造成固形物的快速凝聚結團，同時終端電壓也可被檢測。Yang Na等[13]利用感應電場輔助提取橘皮果膠，發(fā)現(xiàn)利用酸溶液作為次級線圈時，當增加激勵電壓時，果膠的提取得率也相應提高，但頻率過高會使初級線圈的阻抗增加，對果膠提取反而不利，次級線圈溶液阻抗低更有利于提取。

玉米是世界主要的糧食作物之一，來源廣泛。酸解玉米淀粉產(chǎn)物，如還原糖在發(fā)酵、化工、能源和食品領域都有廣泛的應用。作者將玉米淀粉和鹽酸溶液作為變壓器的次級線圈，初級線圈施加交流電壓后，在次級線圈中得到交變感應電壓，加速體系中的自由離子傳導作用，從而對淀粉分子表面以及內(nèi)部結構造成一定程度的影響。采用搭建的感應電場流體系統(tǒng)對玉米淀粉進行輔助酸水解，同時以常規(guī)的酸法熱處理作為對照，考察電場頻率，酸溶液濃度和淀粉乳濃度對淀粉性質的影響，該方法可以避免使用通電的電極和極板，從而不會有極板表面的離子極化現(xiàn)象發(fā)生，區(qū)別于現(xiàn)在各類的電場加工技術。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料 玉米淀粉：無錫閔農(nóng)公司產(chǎn)品；水分質量分數(shù)12.5%，直鏈支鏈淀粉質量比為26∶74；鹽酸（AR）：上海國藥試劑有限公司產(chǎn)品。

1.1.2 試驗儀器 感應電場流體系統(tǒng)：自建（專利申請?zhí)?01510584007.7）；臺式低速離心機：無錫瑞江分析儀器有限公司產(chǎn)品；V-1800紫外分光光度計：上海美譜達儀器有限公司產(chǎn)品；X-DSC7000差示掃描量熱儀：日本精工電子納米科技有限公司產(chǎn)品；DAWN HELEOSⅡ多角度激光光散射凝膠色譜系統(tǒng)：美國懷雅特技術公司產(chǎn)品。

1.1.3 試驗裝置及原理 系統(tǒng)如圖1所示，包括變頻電源；恒溫循環(huán)水??；蠕動泵；感應電動勢系統(tǒng)；磁力攪拌水浴鍋。

反應溶液置于磁力攪拌水浴的試劑瓶中，進樣時，反應溶液由蠕動泵泵入反應腔體中，充滿反應腔體（次級線圈支撐物）直到重新流入反應樣品瓶中，保證溶液形成回路且無任何氣泡。工作時，采用變頻電源施加不同頻率 （50～700 Hz）和不同電壓（0～150 V）的信號到初級線圈（NP=65），于是在硅鋼鐵芯中得交變的磁通量，并在鐵芯另一側纏繞的次級線圈（玻璃彈簧，NS=23）導體（鹽酸-玉米淀粉料液）中得到交變的感應電場，由于體系中含有大量的帶電離子如H+和Cl-，從而對玻璃彈簧中的玉米淀粉進行處理，以達到輔助玉米淀粉水解的目的。流動樣品的玻璃彈簧外側具有夾套層，可讓不同溫度的循環(huán)水通過以達到控制體系溫度的目的。

圖1 系統(tǒng)布局示意圖Fig.1 Layout of instrumental system

由于反應腔體中的樣品受到交變電場的作用，造成體系中的帶電離子如H+發(fā)生定向遷移。感應電動勢系統(tǒng)是基于變壓器體系的裝置，其中UP為初級線圈激勵電壓（V），EP為初級線圈感應電壓（V），ES為初級線圈感應電壓（V），US為初級線圈激勵電壓（V），NP為初級線圈匝數(shù)，NS為次級線圈匝數(shù)，根據(jù)單相變壓器特性，它們之間的關系為式（1）

反應體系的輸入功率為式（2）

式中：P為輸出功率，W；ZP為初級線圈阻抗，Ω。

這時的系統(tǒng)，次級線圈中的鹽酸-玉米淀粉體系存在阻抗即作為“電源”的內(nèi)阻ZS，由于溶液不存在感抗XL，且次級線圈中的溶液沒有聯(lián)通即沒有形成閉合的回路狀態(tài)，所以感應電壓作為“源動力”全部施加在玻璃彈簧中的玉米淀粉-鹽酸溶液中。

1.2 試驗方法

1.2.1 感應電場處理 稱取一定量的玉米淀粉與鹽酸溶液配成淀粉乳，混勻。將燒杯中混合好的淀粉乳泵入反應腔體中，流動的反應溶液在體系中形成回路，然后在不同的條件下進行玉米淀粉的電場輔助水解，其中激勵電壓150 V（激勵電流都為1 A，正弦波），溫度為 50 ℃，電場頻率 400、550、700 Hz，鹽酸濃度為0.15，0.5，1.5 mol/L，淀粉乳質量濃度為8、16、24 g/dL，泵轉速為 45 r/min，每隔一定反應時間取4 mL的混合液，時間到后將溶液冷卻到室溫，用1.0 mol/L的NaOH調節(jié)pH到7.0，淀粉離心后，上清液留待分析時測用，淀粉沉淀洗滌后至于40℃烘箱烘干，粉碎，過80目篩，于4℃冰箱保存。相同條件下，采用相同條件下不施加交變感應電場的樣品作為對照。

1.2.2 還原糖的測定 采用DNS法[14]（3，5-二硝基水楊酸比色法）測得處理過程中的還原糖質量濃度的變化。取1.0 mL待測液測定，根據(jù)樣品吸光度值查標準曲線或由回歸方程求出所取試液中還原糖質量濃度（g/L）。

1.2.3 玉米淀粉的熱特性測定（DSC） 稱取1 g淀粉與2 mL水，置于普通鋁盤中，攪拌均勻制成共混溶液，密封，靜置24 h后，用于DSC測試。DSC測試前，使用金屬銦和鋅的熔融溫度和熔融焓對儀器進行溫度和焓值標定。試驗中采用的升溫區(qū)間為20～90℃，升溫速率為 10℃/min。試驗過程中的載氣為氮氣，流速為 10 mL/min。每個樣品均進行3次平行測試并取平均值[15]。

1.2.4 玉米淀粉相對分子質量測定 稱取20 mg淀粉樣品，溶解在5 mL二甲亞砜（DMSO）中，沸水浴1 h至溶液透明，于室溫下繼續(xù)攪拌12 h。對于相對分子質量分布的測定，取1 mL溶液，加入6 mL無水乙醇進行沉淀，4000g離心10 min，向沉淀中加入4 mL煮沸的流動相，沸水浴30 min，間或振蕩以保證完全溶解。將上述溶液趁熱經(jīng)0.45 μm的尼龍微孔膜過濾，注入多角度激光凝膠色譜（GPC）進行分析。選用Shodex OHpak SB-806 HQ色譜柱和OHpak SB-804 HQ色譜柱串聯(lián)，流動相0.1 mol/L NaNO3溶液并含有質量分數(shù)0.02%疊氮化鈉，流量0.6 mL/min，柱溫 50℃，分析時間為 60 min[16]。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 各組實驗數(shù)據(jù)均重復3次，用SPSS 22.0進行分析，Origin 9.0作圖。

2 結果與討論

2.1 感應電動勢輔助玉米淀粉酸解的還原糖質量濃度

2.1.1 電壓頻率對酸解玉米淀粉還原糖的影響將40 g玉米淀粉與0.15 mol/L的鹽酸配成8 g/dL的淀粉乳，在50℃、150 V的條件下，分別與400、550、700 Hz的激勵電壓的感應電場復合方式處理玉米淀粉，并與不加感應電場的同條件酸解方式進行對比，每6 h取一次樣，反應60 h，圖2顯示次級線圈在不同頻率下對玉米淀粉酸解還原糖濃度的影響，可以發(fā)現(xiàn)，隨著頻率的增強，淀粉酸解產(chǎn)生的還原糖的質量濃度也隨之增加，施加感應電場狀態(tài)下的淀粉在酸解60 h后得到的還原糖質量濃度，比不施加感應電場的對照樣分別提高52.07%，65.75%和75.04%。這是可能是因為當體系頻率增大時，體系的有效輸出功率也相應增大，使得玉米淀粉顆粒表面的致密結構進一步破壞，在交變電場力的作用下帶電離子更易進入到顆粒內(nèi)部，使其分解為小分子單糖、多糖等。

圖2 電場頻率對酸解玉米淀粉還原糖的影響Fig.2 Effects of electric field frequency on reducing sugar content of acid hydrolyzed corn starch

然而，就整體上來說，低頻段頻率的提高對其水解得到還原糖質量濃度的增加并不顯著，且低頻段過高的頻率會產(chǎn)生較大的噪音，因此后續(xù)將采用400 Hz作為實驗的頻率條件。

2.1.2 酸濃度對酸解玉米淀粉還原糖的影響 將40 g玉米淀粉分別與0.15、0.5、1.5 mol/L的鹽酸配成8 g/dL的淀粉乳，在50℃條件下，利用45 r/min蠕動泵與400 Hz，150 V激勵電壓的感應電場復合方式處理玉米淀粉，并與相同條件下不加感應電場的酸解方式性對比，圖3所示即為不同的鹽酸濃度對感應電場輔助玉米淀粉酸解的影響，可以發(fā)現(xiàn)，隨著酸濃度的增加，還原糖的質量濃度也有顯著的提高。相同條件下，1.5 mol/L的鹽酸反應產(chǎn)生的還原糖質量濃度相較于0.15 mol/L和0.5 mol/L的分別提高了3958.45%，359.08%。然而，0.15 mol/L和0.5 mol/L的樣品比相應的對照分別提高了52.07%和42.38%，相較于1.5 mol/L只提高的17.17%，效果顯然更加明顯。當酸濃度增加時，整個酸解淀粉體系中的自由離子H+、Cl-的濃度隨之增加，在相同的交變電場作用下，系統(tǒng)的輸入功率提高，離子傳導進一步增強，帶電離子的增多加速了玉米淀粉的酸解，離子對于淀粉的非結晶區(qū)作用增強，使淀粉分子的直支鏈斷裂情況更加明顯，能量相對低的、非結晶區(qū)受到破壞，變得更加均一、穩(wěn)定，淀粉的酸解更加完全，更容易生成小分子糖等。然而，在50℃的條件下，酸濃度的增大，使得自由離子的熱運動也更加明顯，感應電場的輔助作用能力并不明顯，樣品與空白對照的差異性也相對較小，因此，在后續(xù)的實驗中將主要采用0.15 mol/L以及0.5 mol/L的鹽酸濃度。

圖3 酸濃度對酸解玉米淀粉還原糖的影響Fig.3 Effects of acidic concentration on reducing sugar content of acid hydrolyzed corn starch

2.1.3 淀粉乳質量濃度對酸解玉米淀粉還原糖的影響 將0.5 mol/L分別與 40、80、120 g玉米淀粉配成8、16、24 g/dL的淀粉乳，在50℃條件下，利用45 r/min蠕動泵與400 Hz，150 V激勵電壓的感應電場復合方式處理玉米淀粉，并與相同條件下不加感應電場的酸解方式性對比，圖4所示即為不同的淀粉乳質量濃度對感應電場輔助玉米淀粉酸解的影響，可以發(fā)現(xiàn)，質量濃度增加使得還原糖質量濃度也相應增加，但增加的幅度并非成倍增加，而是逐漸降低的，分別為42.38%，38.50%和17.39%。推測可能是當體系自由離子數(shù)量一致時，當?shù)矸廴榈臐舛仍黾?，淀粉分子與H+、Cl-等帶電離子之間的距離縮短，交變電場不會顯著影響酸溶液中的自由離子對于淀粉非結晶區(qū)的作用，致使水解產(chǎn)生的還原糖含量的增幅也隨之減小。因此，在低濃度的環(huán)境下，交變電場能加速帶電離子與淀粉分子之間的碰撞，破壞淀粉的非結晶區(qū)，提高淀粉的水解程度，增加淀粉的還原糖質量濃度。

圖4 淀粉乳質量濃度對酸解玉米淀粉還原糖的影響Fig.4 Effects of starch suspension concentration on reducing sugar content of acid hydrolyzed corn starch

2.2 玉米淀粉的熱特性分析（DSC）

采用DSC研究了不同頻率電壓下的感應電場對酸解玉米淀粉的熱特性影響。淀粉的糊化溫度和焓值與其顆粒大小、微觀結構、結晶區(qū)域和鏈支比等相關。

不同頻率感應電場影響下的酸解玉米淀粉的熱力學特征值變化不顯著（P＞0.05），T0/Tp由原淀粉的 68.52/72.30分別變?yōu)?68.11/75.71、67.83/75.55、68.64/75.75、68.64/75.81，但隨著電壓頻率的增加，其糊化焓值略有下降。結果見表1。

表1 玉米淀粉在不同頻率感應電場影響下的DSC熱流參數(shù)值Table1 DSC measurements for gelatinization properties of acidic hydrolysis corn starches subjected to different electric field frequency and the native corn starch

隨著時間的改變，玉米淀粉的To、Tp、Tc、R和ΔH都有改變，相較于原淀粉的熱量變化，酸解處理導致糊化峰值溫度升高，Tp從原淀粉的72.30℃變化為對照組的73.21～75.71℃和施加感應電場的72.70～75.55℃，ΔH從原淀粉的14.21 J/g變化為對照組的14.18～18.80 J/g和施加感應電場樣品的12.59～14.57 J/g，在整個反應過程中，每個時間段施加感應電場的樣品的糊化溫度，糊化焓值均小于相應的對照組。結果見表2。

表2 玉米淀粉在不同感應電場處理時間下的DSC熱流參數(shù)值Table2 DSC measurements for gelatinization properties of different alternating electric field treating time of acid corn starches and the native corn starch

所有的樣品較原淀粉，其糊化峰值溫度均有提高，這是因為玉米淀粉經(jīng)酸解后造成玉米淀粉分子聚合度減小，增加了分子間相互形成氫鍵的能力，淀粉分子的有序性和結晶性增加，使得淀粉的糊化溫度上升，但水解過程采用的鹽酸濃度相對較低，使得其糊化溫度略微升高。同時，酸解處理后形成的晶體具有多相性，使得溫度的相變范圍變寬，然而，增加物理攪拌方式處理的玉米淀粉分子間的氫鍵形成的能力減弱，同時可能破壞了部分結晶區(qū)，能輕微的降低糊化溫度，且其糊化焓也有所降低，可以發(fā)現(xiàn)體系受到感應電場的作用后能更顯著的降低其氫鍵作用力，說明玉米淀粉的結晶區(qū)外層的支鏈淀粉被破壞，在DSC加熱階段，水分更容易進入淀粉的結晶區(qū)域與淀粉分子發(fā)生反應，導致糊化溫度和焓值降低。

2.3 酸解玉米淀粉的相對分子質量

通過GPC測得玉米淀粉的重均相對分子質量（Mw） 為 5.443e+7， 數(shù)均相對分子質量 （Mn）為4.448e+7。經(jīng)過單純的酸解30 h后，玉米淀粉的Mw下降到1.049e+6，Mn則為4.031e+5，而經(jīng)過感應電場輔助處理的酸解淀粉其Mw急劇下降到7.619e+5，Mn也下降到2.715e+5，施加感應電場的處理方法使得酸解玉米淀粉的相對分子質量有較為明顯的下降，淀粉水解的更為充分，隨著反應時間的進一步延長，樣品間的Mw，Mn的差異逐漸減小。

從表3和表4中可以發(fā)現(xiàn)，改變體系的電場頻率所呈現(xiàn)的趨勢基本相同。感應電場的施加使得酸解淀粉的Mw和Mn都有明顯的下降，淀粉有明顯的降解，并且隨著頻率的升高，淀粉的相對分子質量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。多分散性系數(shù)PI（Mw/Mn）可以表征淀粉的多分散性程度，當PI越接近1，表明淀粉體系相對分子質量分布窄，分子尺寸越均一，相對分子質量的差異越大，則Mw/Mn的比值越大，表中可以發(fā)現(xiàn)，隨著電場頻率的增加，其多分散性程度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，淀粉體系中的分子尺寸更加均一。

表3 原淀粉和不同頻率感應電場處理下的酸解玉米淀粉的相對分子質量特征值Table3 Molecular characteristics of acid hydrolysis corn starchessubjected to differentelectric field frequency and the native corn starch

表4 原淀粉和不同時間感應電場處理下的酸解玉米淀粉的相對分子質量特征值Table4 Molecular characteristics of acidic hydrolysis corn starches subjected to different electric field frequency and the native corn starch

酸解處理過程中，當反應15 h以后，玉米淀粉的相對分子質量有明顯減小，這可能主要是因為鹽酸在15 h內(nèi)能更深入的擴散至淀粉顆粒內(nèi)部，并且開始降解支鏈淀粉，從而導致淀粉平均相對分子質量急劇下降。所以感應電場輔助處理的酸解玉米其平均相對分子質量降低程度更加明顯，且30 h幾乎能實現(xiàn)與普通酸解處理30 h達到相似的平均相對分子質量水平。這也說明感應電場能加速淀粉的酸解過程。

3 結 語

利用基于單相變壓器結構的試驗系統(tǒng)將淀粉乳酸溶液作為次級線圈，通過改變體系的電場頻率、酸溶液濃度、淀粉乳質量濃度等條件，對感應電場輔助酸解處理的玉米淀粉進行分析，發(fā)現(xiàn)感應電場頻率的變化對酸解處理玉米淀粉的理化影響不顯著。此外，酸濃度和淀粉乳質量濃度增大，使得溶液中帶電離子的熱運動也更加明顯，交變感應電場的施加并不會顯著影響酸溶液中的帶電離子對于淀粉非結晶區(qū)的作用，致使水解產(chǎn)生的還原糖含量的增幅也隨之減小。在適宜的酸濃度和淀粉乳條件下，交變電場加速自由離子與淀粉分子之間的碰撞，破壞淀粉的非結晶區(qū)，提高淀粉的水解程度，增加淀粉的還原糖質量濃度。

通過DSC和相對分子質量分析可知，經(jīng)過感應電場酸解處理，能夠加速淀粉的水解，其相對分子質量降低的更快，淀粉顆粒被破壞，并且相較于不施加感應電場的對照樣，其糊化溫度和焓值也有所減小。