水醇淀粉凝膠的形成及多孔淀粉的制備

劉土松，謝新玲，秦祖贈，張友全，朱勇，藍(lán)藝靈

（廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西石化資源加工及過程強化技術(shù)重點實驗室，廣西南寧530004）

多孔淀粉是一種新型多孔天然高分子材料，可用作吸附載體，因其具有顆粒密度小、比表面積大、吸附性能好、安全無毒等優(yōu)良特性，已經(jīng)引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究興趣[1-6]。已有研究成果表明，采用超聲波、酸水解、酶水解等方法處理淀粉顆粒，可以獲得具有吸附特性的多孔淀粉[7-9]。然而，酸水解法和超聲波法僅在淀粉顆粒表面產(chǎn)生少量裂縫或凹坑，酶水解法雖然能形成多孔貫穿顆粒，但比表面積和孔容依然有限，吸附性能不太理想。利用溶膠-凝膠法聯(lián)合超臨界干燥技術(shù)制備多孔淀粉[10-14]，能有效提高多孔淀粉的比表面積和孔容，可以克服以上所述方法的一些不足，從而受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Starbird 等[15]在120℃、0.1～0.2MPa糊化淀粉制得淀粉溶膠，經(jīng)冷藏獲得淀粉水凝膠，乙腈處理后再經(jīng)超臨界CO2干燥制得多孔淀粉，其比表面積可達(dá)55m2/g，但部分淀粉分子糖苷鍵在高溫加壓時易裂解，淀粉分子骨架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，凝膠微孔結(jié)構(gòu)坍塌比較嚴(yán)重，而且乙腈有毒、易揮發(fā)；Martins等[16]在80℃糊化淀粉，冷卻至室溫后與海藻酸鈉混合，經(jīng)4.5～5.5MPa 壓縮形成凝膠，再經(jīng)乙醇飽和后使用超臨界CO2干燥制得多孔淀粉，比表面積高達(dá)180m2/g 以上，但高壓會促使凝膠骨架中的溶劑被擠出，儲存溶劑空間體積縮小，導(dǎo)致孔道分布不均勻；Jadhav 等[17]則用70℃乙醇?xì)怏w置換淀粉水凝膠，再經(jīng)超臨界CO2干燥，多孔淀粉孔道坍塌小，但多數(shù)孔道分布在表面，孔道相互貫穿程度低。因此，尋找一種無毒的、低溫常壓的有效方法優(yōu)化凝膠結(jié)構(gòu)，減小淀粉分子骨架崩塌程度，改善多孔淀粉的孔結(jié)構(gòu)十分重要。為解決淀粉水凝膠在置換及超臨界后期處理過程中凝膠骨架結(jié)構(gòu)收縮程度大、坍塌嚴(yán)重的問題[18-19]，本文采用水和乙醇為混合介質(zhì)，首先制備淀粉水醇溶膠，再利用溶膠-凝膠法及超臨界技術(shù)干燥制備多孔淀粉，分別考察水醇比、糊化時間、固含量、冷藏時間、醇置換量、置換時間等對凝膠體積收縮率、質(zhì)量損失率等的影響，利用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、比表面積及孔徑分布測試儀表征多孔淀粉的形貌及孔結(jié)構(gòu)特征，并測試樣品的吸油性能，研究水醇淀粉凝膠的形成機理以及凝膠多孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵影響因素。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉，食品級，廣西那坡縣金源淀粉有限公司；二氧化碳（≥99.99%），南寧空分氣體有限公司；超臨界萃取反應(yīng)系統(tǒng)，SFT-100XW 型，美國SFT 公司；比表面積及孔徑分布測試儀，Tristarll3020型，美國麥克公司；掃描電子顯微鏡，Hitachi S-4800型，日本日立公司；X射線衍射儀，Smartlab型，日本理學(xué)公司。

1.2 水醇凝膠及多孔淀粉制備

稱量20.0g（干基）木薯淀粉，在體積比為(13∶1)～(19∶1)的去離子水和乙醇的混合溶劑中配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%～19%的淀粉乳，將淀粉乳置于連接有冷凝裝置的三口瓶中，攪拌條件下升溫至75℃糊化30～120min，獲得淀粉水醇溶膠。然后將水醇溶膠密閉在100mL 具塞量筒內(nèi)，冷卻至室溫，置于4℃醫(yī)用冰箱中冷藏2～6天，獲得水醇淀粉凝膠，經(jīng)無水乙醇置換，在60℃、12MPa 的條件下經(jīng)超臨界CO2萃取干燥6h，獲得多孔淀粉。

1.3 體積收縮率和質(zhì)量損失率測定

凝膠的體積收縮率參照文獻(xiàn)[20]所述石油蠟體積收縮率測定法測定，同時測定凝膠的質(zhì)量損失率，結(jié)果平行測定3 次，凝膠體積收率按式(1)和式(2)計算，質(zhì)量損失率按式(3)和式(4)計算。

式中，S1為冷藏形成凝膠后的體積收縮率；S2為凝膠置換后的體積收縮率；W1為冷藏形成凝膠后的質(zhì)量損失率；W2為凝膠置換后的凝膠質(zhì)量損失率；v1為溶膠體積，mL；v2為凝膠體積，mL；v3為置換前凝膠體積，mL；v4為置換后凝膠體積，mL；m1為冷藏前溶膠質(zhì)量，g；m2為冷藏后凝膠質(zhì)量，g；m3為醇置換前凝膠質(zhì)量，g；m4為置換后凝膠質(zhì)量，g。

1.4 樣品表征

N2-吸附脫附分析：先將樣品預(yù)先在105℃真空脫水脫氣2h，接著在采用比表面及孔徑分布測試儀在液氮溫度（77.35K）下測定吸附等溫線，通過BET方程計算比表面積，孔徑及孔徑分布由BHJ法分析計算[21]。

掃描電子顯微鏡分析：在日本日立公司Hitachi S-4800型掃描電子顯微鏡上拍照。

X 射線衍射分析：在日本理學(xué)公司Smartlab 型上進(jìn)行，掃描范圍2～80°，掃描步長為0.01°，掃描速度為10.0°/min。

1.5 吸油率測定

稱取0.50g（準(zhǔn)至0.001mg）多孔淀粉樣品加入盛有50mL 大豆油的100mL 燒杯中，常溫靜置吸附1h，然后將樣品和吸附液一并加入已知質(zhì)量的離心管中，在低速離心機中于4000r/min 離心30min 后棄去上層豆油，重復(fù)3次。吸油率按式(5)計算。

式中，m0為多孔淀粉樣品質(zhì)量，g；m5為吸油后多孔淀粉樣品總質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 水醇介質(zhì)及凝膠后處理方式對凝膠結(jié)構(gòu)的影響

表1 和圖1 是水介質(zhì)、水醇介質(zhì)及后處理方式對凝膠結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果。

圖1 醇置換后的水凝膠和水醇凝膠樣品

從表1發(fā)現(xiàn)，淀粉溶膠經(jīng)冷藏、醇置換、超臨界CO2干燥，所用介質(zhì)和后處理方式不同，實驗結(jié)果會有比較大的差異。凝膠形成過程中，水凝膠的體積和質(zhì)量幾乎無損失，水醇凝膠則有13.5%體積和13.8%質(zhì)量的損失；凝膠置換過程中，水凝膠的體積收縮率和質(zhì)量損失率卻遠(yuǎn)高于水醇凝膠的42.1%和41.9%。圖1 也顯示，經(jīng)醇置換后，水凝膠收縮成團(tuán)，水醇凝膠卻保持原有形狀。另外，未經(jīng)過乙醇置換，由于凝膠中水含量高（＞65%，質(zhì)量比），其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為30℃，水凝膠和水醇凝膠在干燥升溫過程中均會熔化，干燥成品則為無孔道的堅硬塊狀物質(zhì)；當(dāng)經(jīng)過乙醇置換，水凝膠收縮坍塌程度高，干燥成品依然比較堅硬，而水醇凝膠的體積收縮程度則比較低，干燥成品為手碾即碎的塊狀產(chǎn)品，比表面積和孔容遠(yuǎn)高于水凝膠干燥產(chǎn)品，其中，超臨界CO2干燥的成品較好，比表面積和孔容是普通干燥的3～4倍。以上說明，以水和乙醇混合溶劑制備水醇溶膠，再經(jīng)冷藏、醇置換、超臨界CO2干燥，能夠順利制備具有較大比表面積、孔容的多孔淀粉成品。同時，由于超臨界CO2干燥的特性，水醇凝膠中的淀粉分子骨架在干燥過程中坍塌程度低，基本能維持干燥前淀粉水醇凝膠中的骨架形態(tài)?？梢灶A(yù)見，在水醇凝膠形成和置換過程中，凝膠的體積收縮程度和質(zhì)量損失程度會是決定成品多孔結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)。

表1 水介質(zhì)與水醇介質(zhì)及凝膠后處理方式的比較結(jié)果

2.2 水醇比對凝膠結(jié)構(gòu)的影響

在固含量13%、冷藏時間5 天、糊化時間30min、醇置換用量15mL/g（相對于水醇凝膠質(zhì)量，下同）、置換時間70min時，考察水醇比（體積比）對凝膠形成及置換過程的影響，結(jié)果如圖2 所示。從圖2(a)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水醇比低于16∶1，凝膠體積收縮率和質(zhì)量損失率較大（＞6.0%）；當(dāng)水醇比高于19∶1，凝膠體積收縮率較小且基本維持不變（約為2.0%），質(zhì)量損失率幾乎為0。與此相反，從圖2(b)發(fā)現(xiàn)，在置換過程中，水醇比=(13∶1)～(19∶1)，凝膠體積收縮率=40%～47%，質(zhì)量損失率=40%～51%；水醇比≥22∶1，凝膠體積收縮率和質(zhì)量損失率上升至62%以上。由此說明，在凝膠形成和置換過程中，水醇比對凝膠的穩(wěn)定性有不同的影響。乙醇分子的極性小于水分子，乙醇分子與淀粉分子形成的氫鍵明顯弱于水分子；同時，乙醇分子空間位阻卻大于水分子，相同葡萄糖環(huán)單元內(nèi)，淀粉分子與溶劑分子形成氫鍵的數(shù)量也會減少。因此，在凝膠形成過程中，乙醇分子會削弱水分子與淀粉分子的結(jié)合程度[22]，水醇比低時，乙醇含量高，凝膠對水分子的束縛作用減弱，水分子易逸出，凝膠穩(wěn)定性降低，凝膠收縮程度高。然而，在置換過程中，水醇比低時，水分子向外擴(kuò)散的濃度差減小，置換推動力降低，水分逸出量減小，凝膠穩(wěn)定性增大，凝膠收縮程度小。因此，調(diào)整合適的水醇比（如13∶1），可以兼顧凝膠形成和置換過程中均能保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖2 水醇比對凝膠形成過程和置換過程的影響

2.3 固含量對凝膠結(jié)構(gòu)的影響

在水醇比19∶1、冷藏時間5 天、糊化時間30min、醇置換用量15mL/g、置換時間70min 時，考察固含量對凝膠形成過程和置換過程的影響，結(jié)果如圖3 所示。從圖3(a)知道，固含量改變并未引起太多的體積和質(zhì)量改變，體積收縮率僅為2.4%～2.7%，質(zhì)量損失率也僅在0.6%～1.3%之間。然而，從圖3(b)發(fā)現(xiàn)，固含量對置換過程的影響比較顯著，固含量低至7%時，體積收縮率和質(zhì)量損失率分別高達(dá)72%和66%，固含量增大，體積收縮率和質(zhì)量損失率快速降低，固含量≥16%的體積收縮率和質(zhì)量損失率均穩(wěn)定在45%左右。這些結(jié)果表明，固含量對置換過程中的凝膠穩(wěn)定性有比較大的影響。固含量較低時，由淀粉分子形成的凝膠骨架數(shù)目少，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)稀疏，凝膠強度低，凝膠持水能力減弱[23]，以致凝膠置換過程中游離水容易從凝膠中浸出，凝膠體積收縮和質(zhì)量損失增大；隨著固含量增大，凝膠中淀粉分子骨架密度增大，淀粉分子相互之間的作用增強，網(wǎng)絡(luò)骨架穩(wěn)定性提高，凝膠強度逐步增大，置換過程中水分子不易浸出，凝膠體積收縮和質(zhì)量損失程度變低并趨于穩(wěn)定。

圖3 固含量對凝膠形成過程和置換過程的影響

2.4 糊化時間對凝膠結(jié)構(gòu)的影響

在水醇比19∶1、冷藏時間5天、固含量13%、醇置換用量15mL/g、置換時間70min時，考察糊化時間對凝膠形成過程及置換過程的影響，結(jié)果如圖4所示。圖4(a)可知，淀粉糊化從30min到120min，溶膠形成凝膠體積收縮率在2.2%左右，質(zhì)量損失率小于0.2%，說明淀粉糊化時間對溶膠冷藏形成凝膠的過程影響較小。圖4(b)顯示，凝膠經(jīng)乙醇置換后，體積收縮率和質(zhì)量損失率分別在46.9%～60%和52%～63.9%之間，糊化時間延長，體積收縮率和質(zhì)量損失率稍有增加。Builders 等[24]指出，淀粉糊化時間過長會破壞淀粉分子的部分糖苷鍵，部分淀粉分子變短，凝膠穩(wěn)定性稍有降低，凝膠體積收縮和質(zhì)量損失有所增大。因此，適當(dāng)縮短糊化時間，有利于維持淀粉凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖4 糊化時間對凝膠形成過程和置換過程的影響

2.5 冷藏時間對凝膠結(jié)構(gòu)的影響

在水醇比19∶1、糊化時間30min、固含量13%、醇置換用量15mL/g、置換時間70min時，考察冷藏時間對凝膠形成過程及置換過程的影響，結(jié)果如圖5所示。圖5(a)顯示，冷藏時間由2天延長至5 天，溶膠轉(zhuǎn)變凝膠后的體積收縮率在2.1%～2.5%之間，質(zhì)量損失率不超過0.2%，然而，在6 天時，體積收縮率稍微增大至3.7%，質(zhì)量損失率增大至0.9%。圖5(a)所示，冷藏時間延長，凝膠置換過程體積收縮率和質(zhì)量損失率總體有所下降。Mahsa等[25]研究曾表明，冷藏時間越長，淀粉分子纏繞越緊密，溶劑占凝膠空間體積會減小。然而，冷藏時間增加，有利于形成穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在凝膠置換過程中，凝膠體積收縮率和質(zhì)量損失率變小。

圖5 冷藏時間對凝膠形成過程和置換過程的影響

2.6 乙醇置換用量及置換時間對凝膠結(jié)構(gòu)的影響

在水醇比19∶1、糊化時間30min、固含量13%、冷藏時間5 天、置換時間70min 時，考察醇置換量對凝膠醇置換過程的影響，結(jié)果如圖6(a)所示。從圖6(a)知道，當(dāng)乙醇用量從5mL/g至25mL/g，凝膠體積收縮率為46%～48%，質(zhì)量損失率為50%～52%，幾乎一半的水溶劑從凝膠中逸出。凝膠中水分子在置換過程中逸出的難易取決于骨架對水分子的束縛力和凝膠內(nèi)外水分子的濃度差，隨著乙醇置換用量的增大，相同置換時間內(nèi)，濃度差的縮減程度會變小，理應(yīng)會有更多的水分子被置換，但從圖6(a)結(jié)果顯示，當(dāng)乙醇置換用量從5mL/g 增大至25mL/g，凝膠體積和質(zhì)量變化并不明顯，說明當(dāng)置換達(dá)到一定程度之后，網(wǎng)絡(luò)骨架對水分子的束縛力占有比較大的優(yōu)勢。

圖6 乙醇置換用量及置換時間對置換過程的影響

在水醇比19∶1、糊化時間30min、固含量13%、冷藏時間5 天、醇置換量5mL/g 時，考察置換時間對凝膠置換過程的影響，結(jié)果如圖6(b)所示。從圖6(b)發(fā)現(xiàn)，在0～10min 期間，體積收縮率和質(zhì)量損失率均迅速上升至37%，而10～30min 期間，體積收縮率緩慢上升至47%，質(zhì)量損失率緩慢上升至49%，在30～90min 內(nèi)，體積收縮率無明顯變化，質(zhì)量損失率變化甚微。置換之初，凝膠內(nèi)外水分子的濃度差大，能促進(jìn)水分子快速逸出，骨架結(jié)構(gòu)收縮程度大，凝膠質(zhì)量損失率迅速增大，隨著置換繼續(xù)，濃度差變低逼近于零，水分子向外擴(kuò)散逐漸趨向動態(tài)平衡，凝膠結(jié)構(gòu)基本維持不變。

2.7 多孔淀粉樣品SEM分析

圖7為不同固含量凝膠所獲多孔淀粉樣品的電鏡圖。圖7 顯示，固含量由7%至19%，木薯多孔淀粉的骨架為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[19,26]。但固含量低于13%，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)多為稀疏樹枝狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔孔徑較大，網(wǎng)孔分布不均勻，而等于或高于13%，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為密集纖維狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔孔徑小，且分布較均勻。這說明，固含量低的淀粉凝膠在置換過程中收縮不均勻，局部網(wǎng)絡(luò)骨架發(fā)生坍塌，收縮程度高，網(wǎng)孔分布不均；固含量高的淀粉凝膠則相對比較穩(wěn)定，置換過程收縮比較均勻，網(wǎng)孔分布比較均勻。

圖7 不同固含量制備的多孔淀粉樣品掃描電鏡圖

2.8 多孔淀粉樣品N2吸附脫附分析

圖8 和表2 為不同固含量凝膠所獲多孔淀粉樣品的N2-吸附脫附分析測試結(jié)果。圖8(a)顯示，樣品的吸附等溫線圖均為V 形，為多分子層吸附[27]。對圖8(b)的數(shù)據(jù)積分累加后發(fā)現(xiàn)，孔徑＜50nm約占79%，說明凝膠大多數(shù)網(wǎng)孔為介孔。表2顯示，固含量從7%增大至13%，比表面積和孔容積增大、平均孔徑減小至25.6nm，固含量增大至19%，比表面積和孔容積則降低，平均孔徑基本維持在25.0nm；固含量為13%的樣品比表面積和孔容積分別達(dá)到最大值122m2/g 和0.68cm3/g，比表面積高于由水凝膠經(jīng)超臨界CO2干燥所獲多孔淀粉的比表面積（119m2/g）[28]和采用冷凍干燥所獲多孔淀粉的比表面積（96m2/g）[29]。從表2 還發(fā)現(xiàn)，凝膠在置換過程的收縮程度對多孔淀粉孔結(jié)構(gòu)也有比較大的影響。凝膠固含量較低時，骨架淀粉分子排列稀疏且不穩(wěn)定，置換過程收縮程度大，超臨界干燥過程也會發(fā)生部分收縮或坍塌，導(dǎo)致多孔淀粉產(chǎn)品的孔容和比表面積減小；固含量過高時，淀粉凝膠穩(wěn)定性增強、收縮程度低，由于在溶膠經(jīng)冷卻和冷藏形成凝膠過程中，過多淀粉分子因沉降使得骨架中淀粉分子占用過多，網(wǎng)孔孔徑變化不大，網(wǎng)孔數(shù)目卻會減小，導(dǎo)致比表面積和孔容降低。因此，合適固含量的凝膠，其骨架稀疏程度恰當(dāng)且比較穩(wěn)定，可得到孔容和比表面積較大的多孔淀粉產(chǎn)品。

圖8 多孔淀粉樣品吸附等溫線和孔徑分布圖

2.9 多孔淀粉樣品XRD分析

圖9 不同固含量多孔淀粉樣品和干燥前凝膠及原淀粉的XRD圖譜

表2 多孔淀粉樣品N2物理吸附結(jié)果

圖9為原淀粉和不同固含量凝膠所獲多孔淀粉樣品的XRD 分析結(jié)果。木薯淀粉主要在14.8°、17.1°、17.8°、22.8°出現(xiàn)特征衍射峰，為α 型晶體[30]，其結(jié)晶度為35.06%。有研究表明，淀粉徹底糊化之后，淀粉顆粒中的結(jié)晶結(jié)構(gòu)會被破壞而呈現(xiàn)非晶態(tài)的彌散分布特征[31]。然而，從圖9發(fā)現(xiàn)，淀粉糊化后經(jīng)冷藏所獲水醇凝膠及再經(jīng)置換、超臨界干燥所獲多孔淀粉，在17.8°出現(xiàn)了細(xì)小特征衍射峰，樣品的結(jié)晶度在4.44%～6.86%之間，這說明在水醇凝膠形成、置換及超臨界干燥過程中，凝膠骨架內(nèi)的部分淀粉分子通過氫鍵或范德華力定向致密排列，重新形成具有少量結(jié)晶結(jié)構(gòu)的凝膠體，從而利于維持凝膠三維網(wǎng)絡(luò)骨架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.10 多孔淀粉樣品吸油分析

表3為原淀粉、不同固含量凝膠所獲多孔淀粉樣品吸油率的比較結(jié)果。

表3 原淀粉、多孔淀粉吸油率的實驗結(jié)果

從表3得知，多孔淀粉樣品的吸油率是原淀粉的6～10 倍，由固含量13%凝膠所獲多孔淀粉的吸油率最大可達(dá)457%，高于采用酶解法、乳液交聯(lián)法等所獲多孔淀粉產(chǎn)品80.41%[32]、 145%[33]、146%[34]的吸油率，雖然不及聚苯乙烯等非淀粉類多孔材料的吸油率[35]，但在食品應(yīng)用領(lǐng)域，本法產(chǎn)品與同類產(chǎn)品比較，具有良好的吸油性能。從表3還發(fā)現(xiàn)，固含量從7%至19%變化時，吸油率呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，與表2所示的比表面積變化規(guī)律一致，說明樣品比表面積越大，越有利于吸油。

3 結(jié)論

以水和乙醇混合溶劑為介質(zhì)，通過溶膠-凝膠法及超臨界二氧化碳干燥技術(shù)，可順利制備孔徑為介孔的多孔淀粉。水醇比、固含量、糊化時間、冷藏時間等對凝膠形成及置換過程中的凝膠穩(wěn)定性有重要影響，其中水醇比和固含量是關(guān)鍵影響因素，當(dāng)水醇比為19∶1、固含量為13%、糊化時間為30min、冷藏時間為5 天時，凝膠的體積收縮率和質(zhì)量損失率較小，能形成具有穩(wěn)定三維網(wǎng)絡(luò)骨架的水醇淀粉凝膠，且在乙醇置換和超臨界干燥過程中也能保持良好的骨架穩(wěn)定性，多孔淀粉的比表面積和平均孔徑分別為122m2/g、25.6nm，對大豆油的吸附率可達(dá)457%。多孔淀粉的SEM 和BET 分析表明，調(diào)整合適的固含量，可以改善凝膠網(wǎng)骨架的網(wǎng)孔密度，從而獲得比表面積大、孔徑分布均勻的多孔淀粉產(chǎn)品。XRD 分析結(jié)果說明，水醇淀粉凝膠在形成、置換及超臨界干燥過程中，淀粉分子能形成具有一定結(jié)晶結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架，有利于維持水醇淀粉凝膠的骨架穩(wěn)定性。