超聲波輔助制備醋酸酯多孔淀粉

楊俊美，馬曉軍

（江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122）

多孔淀粉是由淀粉經(jīng)酶解或其他方式在其顆料表面及內部形成蜂窩狀孔洞的中空淀粉顆粒[1]，研究開發(fā)多孔淀粉主要是用來吸附[2]和包埋物質[3]。為了改善包埋和吸附性能，甚至開發(fā)特異性吸附的多孔淀粉[4]，需要在多孔淀粉上引入其他基團來達到效果。醋酸酯化是淀粉改性中常用的方法[5]，但多次實驗發(fā)現(xiàn)，多孔淀粉與一般淀粉相比，酯化反應難得多，取代度很低。這可能是因為在制備多孔淀粉時，利用淀粉酶的水解成孔主要發(fā)生在淀粉顆粒的無定形區(qū)，從而減少了淀粉顆粒上能發(fā)生酯化反應的位點。針對這個問題，通過對多種手段的探索，發(fā)現(xiàn)利用超聲波處理是一種有效的解決途徑。本實驗研究了超聲處理[6]對制備醋酸酯多孔淀粉的影響，以及對醋酸酯多孔淀粉吸油率的影響；并運用了紅外光譜儀、掃描電鏡、X-射線衍射等研究手段對超聲酯化多孔淀粉的結構進行表征。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

玉米淀粉：山東恒仁工貿有限公司；大豆油：金龍魚大豆油；糖化酶（酶活100 000 U/g）：阿拉丁；α-淀粉酶（酶活 4 600 U/g）：麥考林；檸檬酸、乙酸酐、磷酸氫二鈉、氫氧化鈉、鹽酸等均為分析純試劑：國藥集團化學試劑有限公司。

DKZ-450B型電熱恒溫振蕩水槽：上海森信實驗儀器有限公司；721E型可見分光光度計：上海第三分析儀器廠；循環(huán)水式多用真空泵SHZ-IIIB：臨海市譚氏真空設備有限公司；750T型西廚多功能粉碎機：鉑歐五金廠；JY92-IIN超聲波細胞粉碎機：寧波新芝生物科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 醋酸酯多孔淀粉的制備 參考Philips等[7]制備醋酸酯淀粉的方法，進行一定的改良來制備醋酸酯多孔淀粉。稱取一定量的多孔淀粉[8]置于50 mL的錐形瓶中，加入一定比例的去離子水，用3%的NaOH調pH至一定值，將一定濃度的醋酸和醋酸酐勻速滴入淀粉乳中，然后放在一定條件下的超聲波反應器中反應。反應完成后用0.5 mol/L的鹽酸中和至pH 6.5，過濾，去離子水洗滌3次，50℃電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥、粉碎，得到醋酸酯多孔淀粉。

1.2.2 醋酸酯多孔淀粉取代度的測定 醋酸酯的取代度（DS）可以用酯化產物中的酯基（-COCH3）含量來表示。采用滴定法測定酯化產物中的酯基（-COCH3）的含量[9]。稱取2.0 g的醋酸酯多孔淀粉加入250 mL的錐形瓶中，然后量取40 mL的去離子水加入錐形瓶中，最后加入3滴1%酚酞指示劑，混勻攪拌30 min，然后用0.05 mol/L的NaOH溶液滴定至呈微紅色，加入10 mL 0.5 mol/L的NaOH標準溶液，在磁力攪拌器上振蕩60 min進行皂化反應。皂化反應結束后，用0.5 mol/L左右的HCl標準溶液滴定過量的堿至紅色消失且30 s內不變色，消耗HCl的體積記為V1。用多孔淀粉做空白實驗，采用以上相同的步驟進行測定，消耗0.5 mol/L的HCl標準溶液的體積記為V0，每個樣品進行3次平行實驗[10]。

式中：V1為醋酸酯多孔淀粉消耗HCl標準溶液的體積，V0為多孔淀粉消耗HCl標準溶液的體積，N為HCl標準溶液的摩爾濃度，43為?；哪栙|量，A為乙酰基含量，DS為脫水糖環(huán)中-OH被-COCH3取代的數(shù)目即取代度。

1.2.3 醋酸酯多孔淀粉吸油率的測定 稱取2.0 g左右的樣品置于50 mlL燒杯中，加入色拉油10mL，使用磁力攪拌器攪拌30 min，讓色拉油充分吸收，然后將淀粉放置于砂芯漏斗中真空抽濾直到無油滴滴下為止，按照式（1）計算吸油率A，進行3次平行實驗[11]。

式中：W為抽濾前砂芯漏斗的質量，W0為抽濾后砂芯漏斗的質量。

1.2.4 超聲處理 1）超聲功率對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響。稱取一定量的多孔淀粉，加入一定比例的去離子水，將淀粉質量分數(shù)調為20%，加入淀粉質量分數(shù)10%的醋酸酐和醋酸的混合液（醋酸∶醋酸酐體積比=1∶3），用 3%的 NaOH 調節(jié)pH至8.0，然后將淀粉乳溶液放置到超聲粉碎機中， 分別調節(jié)超聲功率為 0，100，200，300，400 和500 W，溫度為30℃，反應時間為120 min。反應完成后，按1.2.2和1.2.3節(jié)的方法分別測不同超聲功率下醋酸酯多孔淀粉的取代度和吸油率。

2）超聲反應時間對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響。稱取一定量的淀粉，加入一定比例的去離子水，將淀粉質量分數(shù)調為20%，加入淀粉質量分數(shù)10%的醋酸酐和醋酸的混合液（醋酸與醋酸酐體積比=1∶3），用3%的NaOH調節(jié)pH至 8.0，然后將淀粉乳溶液放置到超聲粉碎機中，設置超聲功率為200 W，溫度為30℃，分別調節(jié)超聲時間為60，90，120，150 和 180 min。反應完成后，按 1.2.2 和1.2.3節(jié)的方法分別測不同超聲功率下醋酸酯多孔淀粉的取代度和吸油率。

1.2.5 醋酸酯多孔淀粉紅外光譜分析 稱量少量樣品，加入KBr細粉末，然后進行研磨，取少量研磨后的粉末干燥一定時間后進行壓片，將制得的透明玻片采用紅外線光譜儀進行掃描，掃描范圍為400～4 000 cm-1，然后根據(jù)掃描出的紅外光譜圖對樣品進行分析。

1.2.6 醋酸酯多孔淀粉的掃描電鏡觀察 使用掃描電子顯微鏡來觀察不同多孔淀粉的形貌。在真空條件下將樣品用四氧化鋨氣體固定，然后沾取少量的待測樣品均勻涂抹在導電的雙面膠布上，將其放置于離子濺射儀中進行鍍金處理20 min，然后取出樣品置于掃描電鏡下進行觀察，電子槍加速電壓為5.0 kV[12]。

1.2.7 醋酸酯多孔淀粉X衍射分析 將樣品進行粉碎后用X-射線衍射儀進行結晶性能的測定，X-射線衍射測定條件為特征射線CuKα，測定管壓為40 kV，電流 20 mA，測定區(qū)域（2θ）為 5.00～70.00°，步寬 0.02°，掃描速度 10 （°）/min。 用 JADE 6.0 軟件進行分析和計算相對結晶度[13]。

2 結果與討論

2.1 超聲功率對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響

在不同的超聲功率下，探究超聲功率對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響，結果如圖1所示。

圖1 超聲功率對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響Fig.1 Effecton ultrasonicpoweron DS and oil absorption ratio

由圖1可以看出，隨著超聲功率的增加取代度先增大后減小，在200 W時，取代度達到最大值，為0.055 9。這是因為隨著超聲功率的增加，超聲對淀粉的作用增強，由于超聲處理之后淀粉表面的結晶結構變得松散，結晶度下降，使醋酸和醋酸酐分子能滲透到淀粉顆粒內部，使得反應的取代度增加，隨著超聲功率的增加，淀粉與反應物的接觸面變大，使得反應的程度變大[14]，但當超聲功率繼續(xù)增大，酯化反應易發(fā)生副反應[15]，取代度在達到最大值后下降。從圖1還可以看出，隨著超聲功率的不斷增大，醋酸酯多孔淀粉的吸油率也是先上升后下降，這和取代度的變化高度一致，說明接入乙?；鶊F能顯著提高多孔淀粉的吸油率。

2.2 超聲反應時間對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響

在不同的超聲反應時間下，探究超聲反應時間對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響，結果如圖2所示。

圖2 超聲反應時間對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響Fig.2 Effect on ultrasonic respose time on DS and oil absorption ratio

由圖2可以看出，隨著超聲時間的增加取代度先增大后減小，在150 min時，取代度達到最大值。這是因為隨著超聲時間的增加，超聲對淀粉的作用增加，由于超聲處理之后淀粉表面的結晶結構變得松散，結晶度下降，使醋酸和醋酸酐分子能滲透到淀粉顆粒內部，使得反應的取代度增加，隨著超聲時間的增加，淀粉與反應物的接觸面變大，使得反應的程度變大[16]，但當超聲時間繼續(xù)增大，酯化反應易發(fā)生副反應[17]，取代度在達到最大值后下降。從圖2還可以看出，隨著超聲時間的增加，多孔淀粉的吸油率也是先上升后下降。這和取代度的趨勢基本一致。這也是因為隨著取代度的增加，淀粉的乙?；鶊F-COCH3在不斷的增加，這使得淀粉的吸油率也不斷地增加，兩者變化規(guī)律一致。

2.3 淀粉顆粒的紅外光譜分析

由圖3可以看出，多孔淀粉的光譜圖上在3 410 cm-1處出現(xiàn)-OH振動形成的吸收峰，1 646 cm-1處出現(xiàn)淀粉所吸收的水分子的兩個-OH剪切所形成的吸收峰，在2 934 cm-1處出現(xiàn)C-H振動拉伸形成的特征峰。通過酯化反應后，在1 733，1 371和1 238 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰，這是醋酸酯的特征吸收峰[18]。這些吸收峰說明了淀粉確實進行了醋酸酯化反應[13]。

圖3 多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉（DS=0.055 9）的紅外光譜圖Fig.3 SEM of porous starch and acetate porous starch

2.4 淀粉顆粒的掃描電鏡圖

用SEM觀察多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉的形貌，結果如圖4所示。

圖4 多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉（DS=0.055 9）的SEM圖Fig.4 SEM of porous starch and acetate porous starch

由圖4（a）可以看出，多孔淀粉表面有很多大小不一的孔向顆粒內部延伸，形成蜂窩狀的中孔顆粒[19]。由圖4（b）可以看出醋酸酯化后的多孔淀粉依然保持了多孔淀粉的基本形貌，但是顆粒表面變得粗糙。說明在此超聲條件下超聲酯化反應未破壞多孔淀粉原有的蜂窩狀孔洞。

2.5 淀粉顆粒的X衍射分析

由圖5可以看出，多孔淀粉在15.3，17.2和23°均有較強的衍射峰，說明玉米多孔淀粉呈A型結構[20]。酯化后的多孔淀粉仍然呈A型結構，說明酯化反應未改變淀粉的晶型結構[21]。但通過計算，多孔淀粉的相對結晶度從19.37%變?yōu)?6.25%，下降了16.10%，這是因為超聲波處理，使淀粉的結構變得松散，淀粉的結晶區(qū)被破壞，所以醋酸酯多孔淀粉和多孔淀粉相比，相對結晶度減小。

圖5 多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉（DS=0.055 9）的X衍射圖Fig.5 XRD of porous starch and acetate porous starch

3 結 語

超聲波輔助處理對多孔淀粉的醋酸酯化反應作用明顯，在超聲功率為200 W，超聲時間為150 min時取代度和吸油率能分別達到0.055 9和89.1%，跟未經(jīng)過超聲的醋酸酯化多孔淀粉相比，取代度提高了64.4%，吸油率提高了13.9%，在超聲功率為200 W，超聲時間為150 min條件下酯化后多孔淀粉的蜂窩狀孔洞未被破壞，相對結晶度與多孔淀粉相比，下降16.1%。