濕熱預(yù)處理對(duì)酸解淀粉納米晶制備的影響

邢俊杰 李 棟 楊 震 彭 偉 郭曉娜 朱科學(xué)

(江南大學(xué)食品學(xué)院1，無(wú)錫 214122) (中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院2，北京 100083)

淀粉納米晶(starch nanocrystal，SNC)以其特有的剛性結(jié)晶結(jié)構(gòu)可作為填充物添加到可降解復(fù)合材料中，用于改善或增加其機(jī)械特性[1-3]。酸水解法能將淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)水解，以保留剛性的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，是目前制備淀粉納米晶最主要的方法之一[4, 5]。

淀粉納米晶的酸解制備過(guò)程中受到很多因素的影響[6]，如酸解溫度、酸的類型、酸的濃度和酸解時(shí)間等[1, 7, 8]。常溫條件下酸解淀粉納米晶的方法制備時(shí)間長(zhǎng)、得率低，并且對(duì)淀粉類型要求苛刻。為了縮短生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，有必要在酸解制備前對(duì)淀粉進(jìn)行一些預(yù)處理[9]。采用機(jī)械的或化學(xué)的方法進(jìn)行復(fù)合可以充分發(fā)揮兩種手段的優(yōu)勢(shì)，如高壓均質(zhì)[10]和超聲處理[11, 12]；生物酶預(yù)處理也是制備納米淀粉重要途徑[13, 14]。但是，前兩種方法對(duì)晶體結(jié)構(gòu)都有不同程度的破壞，淀粉納米顆粒幾乎全部是無(wú)定形的成分[10]，且耗能較高；而酶處理雖然是一種產(chǎn)量高，環(huán)境友好的方法，但處理成本較高，原淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)損失嚴(yán)重，生產(chǎn)出來(lái)的納米淀粉結(jié)構(gòu)差別很大，這限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。

濕熱處理是一種重要的物理改性方法[15]，其操作簡(jiǎn)單，成本較低且免除使用化學(xué)試劑，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。對(duì)淀粉進(jìn)行濕熱預(yù)處理，可以促使直鏈-直鏈、支鏈-直鏈、支鏈-支鏈分子內(nèi)/間產(chǎn)生相互作用，進(jìn)而強(qiáng)化淀粉顆粒結(jié)構(gòu)尤其是結(jié)晶結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，濕熱處理淀粉也因此可以表現(xiàn)出一定的抗酸解性[16, 17]。先前的研究發(fā)現(xiàn)濕熱處理淀粉的糊化呈現(xiàn)為多個(gè)階段：第一階段：無(wú)定形區(qū)不可逆溶脹吸水階段(<65 ℃)；第二階段：晶體結(jié)構(gòu)解體伴隨吸水階段(71～72 ℃)；第三階段：結(jié)晶結(jié)構(gòu)完全解體后體系自吸水溶脹階段(>80 ℃)[18, 19]。這使得將濕熱預(yù)處理作為一種處理手段在較高溫度下酸解制備淀粉納米晶成為可能，而在高溫酸解淀粉時(shí)需同時(shí)考慮淀粉糊化和酸解兩種作用的影響，為了最大限度保留淀粉的晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)水解無(wú)定形結(jié)構(gòu)，本研究以濕熱預(yù)處理淀粉為原料，在溫度處于第一、二階段之間對(duì)其進(jìn)行酸解，選定酸解溫度區(qū)間為65～71 ℃，研究其對(duì)淀粉納米晶制備的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

玉米淀粉；硫酸、氫氧化鈉、去離子水，分析純。

1.2 主要儀器

T25數(shù)顯型高剪切分散機(jī)，XD-2型X射線衍射儀，AR2000ex流變儀，Q10差示掃描量熱儀(DSC)，LGJ-18真空冷凍干燥機(jī)，Nano ZS動(dòng)態(tài)光散射激光粒度儀，JSM-6500F掃描電子顯微鏡。

1.3 濕熱處理淀粉制備

首先將60 g淀粉樣品的含水率調(diào)節(jié)到30%(濕基)，具體過(guò)程為：測(cè)定樣品含水率并記錄，計(jì)算所需加水量，將計(jì)算量的去離子水以噴灑的方式加入到淀粉樣品，混勻后即得30%濕基含水量的淀粉樣品。將樣品密封于杜蘭玻璃容器中，室溫平衡24 h，然后置于120 ℃的通風(fēng)烘箱中分別反應(yīng)30 min。反應(yīng)結(jié)束后，將樣品迅速冷卻至室溫，并將一部分濕熱處理淀粉在40 ℃下風(fēng)干，粉碎，過(guò)80目篩。最后，將濕熱處理淀粉樣品用密封袋包裝并保存于干燥器中，隨后進(jìn)行淀粉納米晶的酸解制備過(guò)程。

1.4 方法

1.4.1 淀粉納米晶的制備

取10 g原玉米淀粉和濕熱處理淀粉分別加入到80 mL，3 mol/L的H2SO4中制成淀粉懸濁液，然后分別置于不同溫度(65～71 ℃)的水浴鍋內(nèi)進(jìn)行酸解，酸解不同的時(shí)間(5～120 min)后取出淀粉樣品，為提高酸堿中和效率，在樣品冷卻后首先采用離心機(jī)在6 000×g下離心15 min，棄掉上清液，將上述離心后的沉淀物用去離子水重懸后，用40 g/L的NaOH溶液中和(pH等于7.0)。再次，將中和后的樣品用6 000×g離心15 min，此步驟重復(fù)四次后得到酸解后的濕態(tài)淀粉納米晶。濕態(tài)的淀粉納米晶樣品一部分用于粒度檢測(cè)，另一部分凍干后進(jìn)行稱重，然后用研缽進(jìn)行研磨，過(guò)80目篩，密封袋密封并保存于干燥器中待用。反應(yīng)期間持續(xù)攪拌樣品以達(dá)到均勻水解的目的。水解率由公式計(jì)算而得：

水解率(DH)=(m1-m2)/m1×100%

(1)

式中：m1為樣品的初始干質(zhì)量，m2為酸解后淀粉凍干后的質(zhì)量。

1.4.2 納米激光粒度研究

通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射激光粒度儀(Nano ZS)對(duì)淀粉納米晶的粒徑及粒徑分布進(jìn)行檢測(cè)。

首先取0.05 g離心后的酸解淀粉固形物，分散到30 mL的去離子水中，用高速剪切儀在13 000 r/min下處理5 min，然后立即進(jìn)行粒度測(cè)量：取1.5 mL樣品加入到方形透明玻璃比色皿中，置于動(dòng)態(tài)光散射激光粒度儀中進(jìn)行粒度和粒度分布的測(cè)量，得到平均粒徑(Z-average)和粒徑分布圖(PSD)。儀器測(cè)定開(kāi)始前需要先平衡2 min，溫度設(shè)定為25 ℃，每個(gè)樣品重復(fù)3次以上。

1.4.3 結(jié)晶特性研究

通過(guò)X-射線衍射儀(XD-2)測(cè)量干燥后淀粉樣品的相對(duì)結(jié)晶度。測(cè)定條件：鎳過(guò)濾Cu-Kα靶(λ=0.1540 6)，管壓36 kV，管流20 mA，掃描范圍10～40°，掃描速率1°/min，取值間隔0.02°。相對(duì)結(jié)晶度通過(guò)MDI Jade 5軟件計(jì)算。

1.4.4 熱特性研究

通過(guò)差示掃描量熱儀(Q10)測(cè)量淀粉納米晶的熱穩(wěn)定性。在40 μL鋁鍋內(nèi)稱取淀粉樣品(3～4 mg，干樣)，用微型注射器加水至淀粉與水分比例為1 mg/10 mg。完全密封盛有淀粉-水混合物的鋁鍋，室溫平衡24 h，以10 ℃/min的升溫速率從20 ℃加熱到150 ℃?？折釄遄鳛閰⒈取?/p>

1.4.5 顯微形態(tài)研究

通過(guò)JSM-6500F型號(hào)掃描電子顯微鏡對(duì)酸解淀粉樣品的微觀形貌進(jìn)行觀察。用雙面膠將淀粉樣品固定在鋁制樣品臺(tái)上，首先在真空狀態(tài)下噴金處理，在掃描電鏡下觀察。加速電壓為10 kV，調(diào)整放大倍數(shù)500～2 000不等。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，數(shù)據(jù)結(jié)果均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。使用Origin 8.6軟件進(jìn)行畫圖，使用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，通過(guò)鄧肯多重檢驗(yàn)法對(duì)同組數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析，置信水平為0.95(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕熱處理淀粉的酸解特性

濕熱處理淀粉在不同溫度下的酸水解得率如圖1，幾乎所有的濕熱淀粉在1 h時(shí)間內(nèi)水解率都達(dá)到了90%以上，且溫度越高，水解速率越大。原淀粉在69 ℃酸解30 min的水解率為95%，而相同條件下濕熱處理淀粉的水解率為88.4%，較之原淀粉，濕熱預(yù)處理淀粉具有一定的抗酸性，因此水解速率更低。通常來(lái)講，在較低溫度下淀粉的酸解呈現(xiàn)出一個(gè)二級(jí)水解動(dòng)力學(xué)模型，快速水解階段酸主要水解無(wú)定形區(qū)；第二階段慢速水解階段酸則同時(shí)攻擊無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)[4]。圖1顯示原淀粉在較高溫度下(69 ℃)40 min幾乎水解完全，水解表現(xiàn)為一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，主要是由于原淀粉在69 ℃發(fā)生了部分糊化作用，更有利于淀粉分子的水解。而這與Hernandez等[20]的研究結(jié)果一致，研究發(fā)現(xiàn)糯玉米在較高溫度時(shí)(57.73 ℃)酸解時(shí)表現(xiàn)出一級(jí)動(dòng)力學(xué)酸解過(guò)程，且在此溫度下的淀粉水解速率比40 ℃的快100倍。

淀粉納米晶或納米淀粉微球通常在較低溫度下酸解制備而得(4～40 ℃)[7, 8, 12]，但速率很低，且制備的淀粉納米晶糊化溫度較低，使用的溫度范圍也有局限性[21]；而在稍高于糊化溫度進(jìn)行酸解，可以增加淀粉顆粒的溶脹程度以及進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)的氫離子移動(dòng)性和活性，并最終增加淀粉的水解速率[20]。Liu等[21]在中等溫度條件(50 ℃)下利用糯玉米淀粉制備納米淀粉微球，得到的納米淀粉樣品較之原淀粉具有更高的糊化溫度，因此具有很好的耐熱性。這種方法制備出納米淀粉微球在淀粉復(fù)合薄膜領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)過(guò)濕熱處理后，淀粉的熱穩(wěn)定性和抗酸性增加，在加熱過(guò)程中會(huì)在溫度尺度上推遲糊化晶體結(jié)構(gòu)的解體過(guò)程。因此，對(duì)濕熱處理淀粉在較高溫度(65～71 ℃)下進(jìn)行酸解，可以增加酸解速率，縮短酸解時(shí)間，也就最大效率地保留淀粉的晶體結(jié)構(gòu)。

注：Native為原淀粉，HMT為濕熱處理；65、67、69、70、71為不同的酸解溫度。圖1 濕熱預(yù)處理淀粉的酸解水解率變化過(guò)程

2.2 高溫酸解對(duì)玉米淀粉粒徑大小和粒徑分布圖的影響

圖2表明原淀粉和濕熱處理淀粉在69 ℃酸解15 min后顆粒的平均粒徑已經(jīng)降為納米級(jí)，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，顆粒粒徑逐漸減小，在相同的溫度條件下酸解相同時(shí)間，濕熱處理淀粉酸解后的顆粒平均粒徑要小于原淀粉。原淀粉在酸解30 min后的粒徑為630 nm；濕熱處理淀粉酸解25、30、40 min的粒徑分別減小為345、303、268 nm，這表明在69 ℃酸解時(shí)，對(duì)時(shí)間的控制將會(huì)對(duì)最終樣品的尺寸產(chǎn)生重要影響。

圖2 淀粉樣品在69 ℃酸解后的平均粒徑變化

圖3 淀粉樣品在69 ℃酸解5～40 min的粒徑分布圖

圖3為原淀粉和濕熱處理淀粉在69 ℃酸解不同時(shí)間的粒徑分布圖。原淀粉在酸解5～15 min后仍為單峰分布，而濕熱處理淀粉在酸解10 min之后的粒徑分布已經(jīng)變?yōu)殡p峰分布，這也表明二者之間的酸解特性有顯著差異。隨著酸解時(shí)間的增加至20 min，原淀粉和濕熱處理淀粉顆粒的粒徑都變成了雙峰分布，這主要是由于酸解生成的納米級(jí)尺寸為不規(guī)則形狀[22]，且通常表現(xiàn)為橫向和縱向尺寸不統(tǒng)一，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量時(shí)在粒徑分布圖上反映為雙峰分布。

2.3 高溫酸解對(duì)玉米淀粉XRD圖譜和相對(duì)結(jié)晶度的影響

圖4a顯示濕熱處理沒(méi)有改變玉米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)類型，淀粉樣品都顯示為A型結(jié)晶圖譜，但是原淀粉酸解后樣品的圖譜在15°、17°、18°和23°衍射角的特征峰幾乎消失，呈彌散狀，表明69 ℃酸解對(duì)原淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重[23]。但是，濕熱處理淀粉在相同條件下酸解后衍射特征峰幾乎不受影響，表明其晶體結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的耐酸性。圖4b反映了原淀粉和濕熱處理淀粉在酸解過(guò)程中相對(duì)結(jié)晶度的變化。原淀粉酸解過(guò)程相對(duì)結(jié)晶度的變化通常表現(xiàn)為先升高后降低[20, 24]。在較69 ℃度下酸解原淀粉，淀粉同時(shí)發(fā)生糊化和酸解，淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)溶脹會(huì)加速酸解過(guò)程，同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)也會(huì)遭到一定程度的破壞[25]，而強(qiáng)酸的存在更會(huì)加速晶體結(jié)構(gòu)的水解；較之原淀粉，濕熱處理淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)得到重組和強(qiáng)化，具有更強(qiáng)的抗酸性和耐熱性[15]。濕熱處理淀粉在69 ℃酸解過(guò)程中，濕熱處理淀粉的無(wú)定形區(qū)逐漸被水解，結(jié)晶結(jié)構(gòu)得到保留，酸解15 min后的相對(duì)結(jié)晶度開(kāi)始逐漸升高，酸解30 min后樣品的相對(duì)結(jié)晶度增加到43%。表明相對(duì)結(jié)晶度可以作為酸解淀粉納米晶過(guò)程一個(gè)良好的指標(biāo)參數(shù)，為制備具有最高結(jié)晶度的淀粉顆粒提供參考[24]。

圖4 淀粉樣品在69 ℃酸解30 min后的X射線衍射圖 和酸解不同時(shí)間的相對(duì)結(jié)晶度變化圖

2.4 高溫酸解對(duì)玉米淀粉DSC熱穩(wěn)定性的影響

原淀粉、濕熱處理淀粉以及69 ℃酸解淀粉的熱譜圖如圖5所示。原淀粉在69 ℃高溫酸解30 min后的DSC曲線上幾乎沒(méi)有任何吸熱峰，表明淀粉的晶體結(jié)構(gòu)在69 ℃高溫酸解中遭到破壞。原淀粉在69 ℃高溫條件酸解下會(huì)發(fā)生糊化和酸解，淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)同時(shí)受到破壞使得糊化焓值降低，在DSC上反映為吸熱峰面積的減小或吸熱峰消失[20, 25]。而濕熱處理淀粉的峰值溫度Tp為79.36 ℃，高于原淀粉的71.26 ℃，再次表明濕熱處理淀粉具有更高的熱穩(wěn)定性。濕熱處理淀粉經(jīng)過(guò)酸解后制備出的淀粉納米晶在DSC熱譜圖中也有吸熱峰的形成，且峰值溫度為71.87 ℃，大于高溫酸解溫度69 ℃，證明即使在69 ℃條件下高溫酸解30 min，濕熱處理淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)依然得到了保留。因此，在較高溫下(69 ℃)制備而得淀粉納米晶具有一定的耐熱性[21, 24]。

圖5 淀粉樣品在69 ℃酸解30 min的DSC熱譜圖

2.5 高溫酸解對(duì)玉米淀粉顯微結(jié)構(gòu)的影響

從圖6中可以看出，濕熱處理淀粉在69 ℃酸解5 min后，部分淀粉顆粒雖然形狀得到保持，但是顆粒表面有凹陷現(xiàn)象。有研究發(fā)現(xiàn)常溫情況下酸解24 h就有淀粉納米晶產(chǎn)生[26]。而本文在69 ℃溫度下極大地縮短了納米結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生時(shí)間，酸解15 min就已經(jīng)有納米級(jí)淀粉結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。圖6A中，淀粉酸解5 min淀粉顆粒呈現(xiàn)出生長(zhǎng)環(huán)結(jié)構(gòu)[4]，且淀粉顆粒內(nèi)部空間已經(jīng)被酸解，外部結(jié)晶片層在逐漸的發(fā)生剝離。隨著酸解時(shí)間的延長(zhǎng)至15～30 min，淀粉顆粒有碎片化趨勢(shì)，且形狀不規(guī)則。同時(shí)，淀粉納米晶在干燥過(guò)程中通常也會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象[27, 28]，通過(guò)對(duì)比原淀粉和濕熱處理淀粉69 ℃高溫酸解30 min后的納米結(jié)構(gòu)可以看出(圖6B、圖6C)，原淀粉制備得到的淀粉納米結(jié)構(gòu)比濕熱處理制備的淀粉納米晶團(tuán)聚現(xiàn)象更嚴(yán)重，且有凝膠發(fā)生，這表明原淀粉在69 ℃高溫酸解過(guò)程中會(huì)發(fā)生糊化作用，這也是原淀粉的相對(duì)結(jié)晶度隨著69 ℃高溫酸解時(shí)間延長(zhǎng)不斷降低的原因。濕熱處理淀粉酸解時(shí)，69 ℃高溫可以極大加速淀粉顆粒無(wú)定形區(qū)的水解，即加速第一階段的酸解，同時(shí)由于濕熱預(yù)處理處理可以增強(qiáng)淀粉分子結(jié)構(gòu)的特性而延緩或者推遲第二階段的酸解，進(jìn)而保留晶體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在69 ℃溫度下制備得到的淀粉納米晶本身具有耐熱的優(yōu)良特性，雖然產(chǎn)率較低，但并不妨礙其作為納米復(fù)合物的理想增強(qiáng)材料，且整個(gè)酸解過(guò)程反應(yīng)時(shí)間較短。

濕熱處理可以作為一種預(yù)處理方式用于改進(jìn)酸解制備納米級(jí)淀粉顆粒的效率，主要基于兩點(diǎn)：一是基于濕熱處理的多階段糊化理論，可以將淀粉的糊化過(guò)程控制在發(fā)生第一階段的無(wú)定形區(qū)溶脹而結(jié)晶結(jié)構(gòu)不受影響；二是69 ℃溫度酸解時(shí)酸解速率極大，而濕熱處理淀粉具有較高的抗酸性和耐熱性，使得無(wú)定形區(qū)快速水解的同時(shí)，可以最大程度地保留原淀粉中的剛性結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

注：A、B分別為濕熱處理淀粉酸解5、30 min淀粉結(jié)構(gòu), C為原淀粉酸解30 min的淀粉結(jié)構(gòu)圖6 玉米淀粉及濕熱處理淀粉69 ℃酸解不同時(shí)間的掃描電鏡圖像

3 結(jié)論

研究濕熱預(yù)處理對(duì)酸解淀粉納米晶制備的影響，結(jié)果表明69 ℃高溫對(duì)淀粉的酸解過(guò)程影響很大，原淀粉在69 ℃酸解時(shí)同時(shí)發(fā)生糊化和水解作用，原淀粉在69 ℃酸解30 min幾乎水解完全，其X射線衍射圖譜特征峰消失，其相對(duì)結(jié)晶度在酸解后期階段隨著酸解時(shí)間的延長(zhǎng)而降低；濕熱處理淀粉69 ℃酸解15 min就有納米結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，且X衍射圖譜幾乎不受影響，濕熱處理淀粉69 ℃酸解15～30 min后為制備納米級(jí)淀粉材料提供了有利的條件。本文表明濕熱處理可以作為一種預(yù)處理手段用來(lái)制備酸解淀粉納米晶，且產(chǎn)生的淀粉納米晶具有一定的耐熱穩(wěn)定性，但需要指出的是，濕熱處理淀粉在69 ℃條件下制備SNC的產(chǎn)率較低，在應(yīng)用時(shí)仍存在一定的局限性，未來(lái)仍需在SNC酸解效率和產(chǎn)率之間進(jìn)行平衡。