水-離子液體混合溶液對(duì)玉米淀粉溶解的影響

項(xiàng)豐娟，王書軍*，秦仁炳

（1.天津科技大學(xué)食品營(yíng)養(yǎng)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457；2.天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

淀粉是自然界中廣泛存在的、可再生的、生物可降解的和生物相容性的生物大分子，因此淀粉在食品和食品工業(yè)領(lǐng)域有著不可或缺的作用。由于在淀粉顆粒中存在有序的微晶結(jié)構(gòu)，因此淀粉作為生產(chǎn)原料用于食品工業(yè)和適合不同的應(yīng)用和制造生物降解材料方面起決定性作用[1-2]。在淀粉分子側(cè)鏈的羥基之間存在氫鍵相互作用，故淀粉在普通的有機(jī)溶劑中不溶，極大地限制了淀粉在工業(yè)上的應(yīng)用，因此開發(fā)新型的、有效的、綠色的、環(huán)境友好的溶劑或增塑劑，應(yīng)用于可將原淀粉顆粒轉(zhuǎn)化為具有理想的最終需要的特性的多功能產(chǎn)品，迫在眉睫[2-3]。

離子液體是一種熔點(diǎn)一般不超過(guò)100℃的室溫熔融鹽[4]。由有機(jī)陽(yáng)離子和有機(jī)或無(wú)機(jī)陰離子組成，具有一般有機(jī)溶劑不具備的優(yōu)良特點(diǎn)，成為傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的潛在替代品[5-6]。而且離子液體具有可設(shè)計(jì)性，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性以及工業(yè)生產(chǎn)的特殊需要，通過(guò)改變或修飾離子液體陰陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)和種類，可以設(shè)計(jì)合成出具有不同陰陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的物理化學(xué)性質(zhì)的離子液體。目前應(yīng)用于淀粉研究的離子液體主要有1-烯丙基-3-甲基氯鹽（1-allyl-3-methylimidazolium chloride，AMIMCl）[7-8]、1-乙基-3 甲基醋酸鹽（1-ethyl-3-methylimidazoliumacetate，EMIMOAc）[9-12]、1-丁基-3-甲基溴鹽（1-butyl-3-methylimidazolium bromide，BMIMBr）[13]、1-丁基-3-甲基氯鹽（1-butyl-3-methylimidazolium chloride，BMIMCl）[14]、1-十六烷基-3-甲基咪唑溴鹽（1-hexadecyl-3-methylimidazolium bromide，C16MIMBr）[15]和 1-辛基-3-甲基咪唑醋酸鹽[1-octyl-3-methylimidazolium acetate，（Omim）Ac][16-17]。本文采用一種新型離子液體（1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸鹽）作為溶劑，探究1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸鹽對(duì)玉米淀粉溶解的影響。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步了解淀粉類溶解機(jī)制，更好地促進(jìn)淀粉在食品工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉、烯丙基氯、N-乙烯基咪唑：美國(guó)Sigma公司；乙酸鉀、乙腈、無(wú)水乙醇、異丙醇、丙酮、乙酸乙酯：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

BT25S分析天平（精確至0.1 mg）、BL610分析天平（精確至1 mg）：美國(guó)Sartotius公司；IS 50傅立葉變換紅外光譜儀：美國(guó)賽默飛世爾尼高力公司；D8 Advance廣角X射線衍射儀：德國(guó)布魯克公司；100目核磁共振儀：浙江上虞市華康化驗(yàn)儀器公司；DM4000正置熱臺(tái)顯微鏡：德國(guó)Leica公司；OMH100熱重分析儀：美國(guó)賽默飛世爾公司；RE-3000C旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠；LX-9075A真空干燥箱：力雄儀器；DSC200 F3差示掃描量熱儀：德國(guó)NETZCH公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸鹽的制備

在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，把N-乙烯基咪唑（47.1g，0.5mol）、烯丙基氯（46.0 g，0.6 mol）和120 mL乙腈添加至一個(gè)三口的圓底燒瓶，然后于70℃條件下油浴24 h，同時(shí)油浴過(guò)程并伴隨著機(jī)械攪拌和冷凝水循環(huán)。反應(yīng)結(jié)束后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去過(guò)量的烯丙基氯，用乙酸乙酯萃取未反應(yīng)的N-乙烯基咪唑。在真空干燥箱里干燥48 h得到具有黏性的琥珀色離子液體。然后將得到的1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯鹽（51.2 g，0.3 mol），乙酸鉀（73.5 g，0.75 mol）和100 mL異丙醇加入到圓底燒瓶中，于25℃條件下，機(jī)械攪拌36 h，充分反應(yīng)后抽濾除去過(guò)量的乙酸鉀和反應(yīng)生成的氯化鉀，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去過(guò)量的異丙醇，再用丙酮復(fù)溶，取丙酮相，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去多余的丙酮，在真空干燥箱里干燥48 h得到具有黏性的琥珀色離子液體（1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸鹽）備用。

1.2.2 偏光顯微鏡觀察

將水和離子液體（ionic liquid，IL）配成一定摩爾比例的混合溶液（8∶1、6∶1、4∶1、2∶1、1∶1 和純離子液體），然后與玉米淀粉按照3∶1（質(zhì)量比）的比例混合，并立即攪拌均勻。吸取混合溶液少許，滴在玻璃片上，蓋上蓋玻片，在偏光暗場(chǎng)下觀察玉米淀粉的偏光十字，每隔10 min拍取一次照片，直至偏光十字消失。

1.2.3 水-離子液體混合液處理玉米淀粉后的熱力學(xué)特性

準(zhǔn)確稱取原淀粉（3.0 mg），放入鋁坩鍋。在差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry，DSC）測(cè)量中，混合溶液（水+離子液體）∶淀粉為 3∶1（質(zhì)量比）。輕輕搖動(dòng)，以確?；旌先芤号c淀粉充分混勻，密封，在25℃靜置40 min，DSC儀器檢測(cè)。以10℃/min的速度從20℃加熱到120℃。用空坩堝作對(duì)照。吹掃氮?dú)饬魉僭O(shè)為50 mL/min，保護(hù)氮?dú)饬魉僭O(shè)為100 mL/min。

1.2.4 廣角X-射線衍射

玉米淀粉在不同摩爾比的水和IL混合溶液中25℃溶解，將溶解得到的淀粉用無(wú)水乙醇洗滌，從水和IL的混合溶液中洗滌出淀粉。然后干燥，研磨過(guò)篩。在飽和的氯化鈉溶液條件平衡7 d[18]。測(cè)定玉米淀粉樣品在不同摩爾比的水和離子液體的混合溶液中的晶體結(jié)構(gòu)，采用廣角X-射線衍射儀以銅靶作為射線源并設(shè)置其工作電壓和工作電流為40 kV和40 mA。具體參數(shù)為：掃描范圍 4°～40°（2θ），掃描速度為 2°/min，步長(zhǎng)值為0.02°，所得衍射圖譜使用TOPAS 5.0軟件分析。

1.2.5 電子掃描顯微鏡

將冷凍干燥的樣品固定在導(dǎo)電膠上，噴金，將樣品放置在樣品室中，在5 kV的電壓下，用掃描電子顯微鏡觀察淀粉顆粒的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有的分析都至少做3個(gè)平行處理。數(shù)據(jù)結(jié)果的表示方法為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。運(yùn)用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件程序，采用Duncan’s多重比較進(jìn)行方差分析，p<0.05說(shuō)明平均值之間的顯著差異。所有的圖均用Origin 8.0制作。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米淀粉的溶解與再生

水和離子液體的混合溶液與玉米淀粉按照3∶1（質(zhì)量比）混合，25℃靜置60 min，玉米淀粉溶解情況見圖1。

圖1 a顯示玉米淀粉與水和離子液體的混合溶液剛開始混合的狀態(tài)，在玻璃瓶的底部都會(huì)有淀粉下沉的現(xiàn)象。隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉在不同摩爾比的水和IL混合溶液中的呈現(xiàn)不同的溶解現(xiàn)象。其中靜置60 min后，可以觀察到水和離子液體的摩爾比為4∶1時(shí)（圖1 b），淀粉與水和離子液體的混合溶液形成均一的混合溶液，而且沒(méi)有沉淀出現(xiàn)。而其余的比例，都有白色沉淀，即未溶解的淀粉顆粒。說(shuō)明在水和IL的摩爾比為4∶1時(shí)，可以充分溶解普通玉米淀粉。

圖1 玉米淀粉靜置在不同摩爾比的水和IL混合溶液Fig.1 Mixed solution of maize starch statically placed in different proportions of water and IL

另外采用偏光顯微鏡觀察了水和IL的摩爾比為4∶1混合溶液對(duì)玉米淀粉的溶解情況，試驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示。

圖2 玉米淀粉靜置在水和IL摩爾比為4∶1混合溶液偏光圖Fig.2 Light diagram of maize starch statically placed in molar ratio of water to ionic liquid at 4∶1 mixture polarized

由圖2可知，隨靜置時(shí)間的逐漸增加，玉米淀粉的“馬耳他”十字逐漸減弱，直至完全變暗（圖2g），說(shuō)明玉米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞，淀粉被完全溶解，與前面溶解現(xiàn)象相一致。

2.2 處理后的玉米淀粉DSC熱力學(xué)特性

水和離子液體不同摩爾比的混合溶液，與玉米淀粉按照 3∶1（質(zhì)量比）混合，靜置 60 min，普通玉米淀粉在DSC上的熱轉(zhuǎn)變趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 玉米淀粉在水和離子液體混合溶液中靜置60 min的DSC圖Fig.3 DSC thermograms of maize starch statically placed 60 min in water and IL mixtures

圖3結(jié)果表明，隨著水和IL摩爾比例的下降（從8∶1到6∶1），玉米淀粉在DSC上呈現(xiàn)單純的小的吸熱峰，且吸熱峰的出現(xiàn)逐漸向高溫度移動(dòng)，并逐漸減小。隨著水和IL摩爾比繼續(xù)下降到4∶1，DSC上沒(méi)有出現(xiàn)吸熱峰或者放熱峰。隨著水和IL摩爾比例進(jìn)一步下降（從2∶1到純IL），開始逐漸出現(xiàn)越來(lái)越明顯的放熱峰。

玉米淀粉在不同摩爾比的水和離子液體混合溶液中的DSC相轉(zhuǎn)變參數(shù)見表1。

表1 不同摩爾比的水和IL混合液中玉米淀粉的DSC結(jié)果Table 1 DSC results of maize starch in various mole ratios of water and IL mixtures

表1的結(jié)果表明，當(dāng)水和IL摩爾比由8∶1逐漸下降到6∶1，玉米淀粉單一凝膠化吸熱峰逐漸轉(zhuǎn)移到更高的相轉(zhuǎn)變溫度（To：57.1℃～78.5℃；Tp：63.5℃～91.7℃；Tc：70.0℃～104.5℃）。然而隨著水和IL摩爾比的進(jìn)一步下降，在水和IL的摩爾比為4∶1時(shí)，在DSC的相轉(zhuǎn)變圖上沒(méi)有峰出現(xiàn)，即沒(méi)有淀粉晶體熔融峰的出現(xiàn)。隨著水和IL摩爾比的進(jìn)一步下降，玉米淀粉單一凝膠化放熱峰逐漸轉(zhuǎn)移到更高的相轉(zhuǎn)變溫度（To：46.8℃～72.7 ℃；Tp：56.8 ℃～94.5℃；Tc：66.3℃～112.2℃）。因此水和IL的摩爾比為4∶1的混合溶液對(duì)玉米淀粉溶解的影響最大，使淀粉完全溶解。

2.3 再生玉米淀粉的晶體變化

玉米淀粉在不同摩爾比的水和IL混合溶液中25℃溶解，溶解再生后的淀粉晶體變化情況見圖4。

圖4 不同摩爾比的水和離子液體溶解后的玉米淀粉XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of maize starch dissolved in water and IL mixtures

由圖4可以觀察到淀粉在水和IL不同摩爾比的混合溶液處理后的再生玉米淀粉的XRD的晶體衍射峰各不相同，其中水和IL摩爾比為4∶1的混合溶液溶解后的淀粉晶體結(jié)構(gòu)被完全破壞，觀察不到A型淀粉的特征峰且衍射峰的強(qiáng)度最低，其它摩爾比的水和IL的混合溶液（例如 8∶1、6∶1、2∶1、1∶1 及純 IL）溶解處理的淀粉，均能看到明顯的A型淀粉的特征峰。說(shuō)明水和IL摩爾比為4∶1時(shí)，對(duì)淀粉的晶體結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重，對(duì)淀粉的溶解性最好，這樣的類似結(jié)論之前文獻(xiàn)也有報(bào)道[19]。說(shuō)明離子液體對(duì)淀粉的溶解，需要加入一定量的水，改變離子液體的原有性質(zhì)[20-24]，使得水和離子液體的混合溶液更適合于常溫溶解淀粉。這一結(jié)果與DSC和偏光顯微鏡的結(jié)果一致。

2.4 再生玉米淀粉的微觀結(jié)構(gòu)

玉米淀粉在不同摩爾比的水和IL混合溶液中25℃溶解后，再生淀粉的微觀結(jié)構(gòu)變化情況見圖5。

圖5 不同摩爾比的水和離子液體溶解后的玉米淀粉SEM圖譜Fig.5 SEM patterns of maize starch dissolved in water and IL mixtures

與原淀粉相比，可以觀察到用不同摩爾比的水和IL混合溶液處理后的淀粉，再生玉米淀粉的微觀結(jié)構(gòu)都有一定程度的吸水膨脹，變形。其中水和IL摩爾比為8∶1和6∶1對(duì)淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)破壞程度最小，而水和IL摩爾比為2∶1、1∶1及純IL對(duì)淀粉的溶解比較明顯，可以看到淀粉顆粒已經(jīng)發(fā)生了顯著的膨脹與變形。而水和IL摩爾比為4∶1溶解的淀粉，顆粒結(jié)構(gòu)被完全破壞，出現(xiàn)了擠壓、凹陷和變形。結(jié)果表明水和IL摩爾比為4∶1的混合溶液對(duì)淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重，即水和IL摩爾比為4∶1的混合溶液對(duì)淀粉的溶解性最好。這一結(jié)果與DSC和XRD的結(jié)果一致。與之前的研究也有類似的結(jié)果[18]。

3 結(jié)論

研究25℃條件下玉米淀粉在不同摩爾比的水和離子液體的混合溶液中的溶解性能。研究結(jié)果表明：水和離子液體摩爾比為 8∶1、6∶1、4∶1、2∶1、1∶1 及純 IL 的混合溶液對(duì)玉米淀粉的溶解產(chǎn)生不同的影響。相對(duì)于其他的水和離子液體摩爾比的混合溶液（8∶1、6∶1、2∶1、1∶1及純IL）而言，水和離子液體摩爾比為4∶1的混合溶液對(duì)玉米淀粉的溶解效果最好。通過(guò)偏光顯微鏡和掃描電鏡可以觀察到淀粉在水和離子液體摩爾比為4∶1的混合溶液中溶解后的顆粒結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?cái)D壓，變形，且淀粉顆粒的“馬耳他”十字消失，通過(guò)XRD可以觀察到淀粉的晶體結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重，衍射峰的強(qiáng)度顯著降低，典型的A型淀粉的特征峰消失，通過(guò)DSC的結(jié)果可以看出，靜置60 min，水和離子液體摩爾比為4∶1處理的淀粉DSC峰沒(méi)有吸熱峰或者放熱峰出現(xiàn)，說(shuō)明處理后的淀粉完全溶解。因此水和離子液體摩爾比為4∶1的混合溶液對(duì)淀粉的溶解效果最好，研究結(jié)果對(duì)淀粉在食品工業(yè)的應(yīng)用起到一定的促進(jìn)和理論支持。