超聲波和酯化復(fù)合處理馬鈴薯淀粉的性質(zhì)分析

孫秋月，王若樺，吳非

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

天然馬鈴薯淀粉（natural potato starch，NPS）是一種產(chǎn)量豐富、價(jià)格低廉的天然資源，與其它淀粉相比，馬鈴薯淀粉的直鏈淀粉相對(duì)分子量更高，具有糊化溫度較低、黏度增加快等優(yōu)點(diǎn)。但馬鈴薯淀粉顆粒作為乳化劑，其粒徑大、疏水性較差，因此需要與辛烯基琥珀酸酐（ocentyl succinic anhydride，OSA）反應(yīng)，以獲得具有兩親性的固體顆粒[1]。OSA 改性手段于1965 年由美國(guó)Caldwell 等發(fā)明[2]，應(yīng)用范圍廣且需求量大，成為了變性淀粉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。鐘敏賢[3]首次分離出純度較高的馬鈴薯直鏈淀粉與支鏈淀粉，分別以之為原料，制備辛烯基琥珀酸馬鈴薯淀粉酯及其酶解樣品，應(yīng)用于微膠囊壁材中。彭曄[4]采用酶解回生法制備納米級(jí)芋頭淀粉顆粒，由于其穩(wěn)定性較好可用于替代潤(rùn)膚霜配方中的單硬脂酸甘油酯。

隨著需求的不斷增加，OSA 酯化反應(yīng)的水相法弊端逐漸顯露，因此可以采用超聲波[5]、球磨[6]、擠壓[7]等不同的物理法對(duì)淀粉進(jìn)行前處理，提高酯化反應(yīng)的反應(yīng)效率。其中，以超聲波處理最為常見(jiàn)[8]，超聲處理可使淀粉顆粒的形貌發(fā)生不同程度的變化，Zhang 等[9]的研究結(jié)果表明，超聲波的空化效應(yīng)誘導(dǎo)淀粉顆粒產(chǎn)生裂縫和空隙，進(jìn)而提高淀粉的反應(yīng)效率。因此本文選擇超聲波這一物理法進(jìn)行前處理，探究超聲波處理對(duì)馬鈴薯酯化淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)及功能的影響，以期為馬鈴薯淀粉作為乳化劑的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉（優(yōu)級(jí)品）：哈爾濱華濤淀粉制品有限公司；2-辛烯基琥珀酸酐：上海麥克林生化科技有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、無(wú)水乙醇、硝酸銀、酚酞（均為分析純）：北京新光化工試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（JY92-IIN）：寧波新芝生物科技股份有限公司；鼓風(fēng)干燥箱（DHG-92440A）：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；精密酸度計(jì)（PHS-3C）：上海精密科學(xué)儀器有限公司；水浴恒溫磁力攪拌器（HSJ-4）：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；激光粒度儀（S3500）：美國(guó)麥克奇儀器有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolet is50）：賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司；Panalytical 臺(tái)式X 射線衍射儀：帕納科公司；鎢燈絲掃描電子顯微鏡（S-3400N）：日本日立公司；視頻接觸角測(cè)量?jī)x（OCA20）：德國(guó)DATA PHYSICS 公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 超聲波酯化淀粉的制備

取少量馬鈴薯淀粉，配制成一定濃度的淀粉乳，參考Liu 等[10]的方法稍作修改，采用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)進(jìn)行超聲處理，超聲功率分別是250、300、350、400 W和500 W，超聲時(shí)間為15 min。取少量超聲馬鈴薯淀粉，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的淀粉溶液，迅速攪拌成勻漿，置于恒溫水浴鍋中繼續(xù)攪拌。待乳液溫度達(dá)到35 ℃時(shí)，用3%氫氧化鈉溶液使pH 值保持在8.5，堿化20 min 后，將用無(wú)水乙醇稀釋3 倍的3%OSA（以淀粉干基計(jì)）緩慢滴入，并在2 h 內(nèi)完成加入，在反應(yīng)過(guò)程中需要持續(xù)地用恒溫磁力攪拌器攪拌，使pH 值保持在8.5，反應(yīng)4 h 后，用濃度為3%的鹽酸溶液對(duì)反應(yīng)體系進(jìn)行中和，使pH 值達(dá)到6.5 左右，立即終止酯化反應(yīng)。完成反應(yīng)后，用70%乙醇溶液進(jìn)行3 次抽濾洗滌，再用蒸餾水進(jìn)行3 次離心洗滌，每次以4 000 r/min 洗滌3 min，然后于40 ℃烘箱中干燥過(guò)夜、研磨至均勻無(wú)結(jié)塊，再將其粉碎過(guò)篩稱重，即得OSA 馬鈴薯淀粉。將水相法和不同超聲功率輔助制備的OSA 淀粉分別命名為OPS、UOPS-250 W、UOPS-300 W、UOPS-350 W、UOPS-400 W、UOPS-500 W。

1.3.2 超聲馬鈴薯淀粉酯取代度和反應(yīng)效率的測(cè)定

取代度（degree of substitution，DS）的測(cè)定參照Z(yǔ)ainal Abiddin 等[11]的方法，并根據(jù)實(shí)際情況作改進(jìn)。稱取1.50 g 樣品將其置于燒杯中，取50 mL 95%的乙醇倒入燒杯中，磁力攪拌10 min 后加入2 mol/L 的鹽酸-乙醇溶液15 mL，再攪拌30 min。將得到的樣品用90%乙醇進(jìn)行抽濾，直至沒(méi)有氯離子。將樣品倒入三角瓶后用蒸餾水進(jìn)行溶解，經(jīng)過(guò)沸水浴30 min 后，向溶液中加入2 滴酚酞，趁熱用濃度為0.1 mol/L 的NaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，至溶液顏色為粉色。用對(duì)應(yīng)的未改性的淀粉按上述方法進(jìn)行測(cè)定作為空白對(duì)照組。取代度（X）通過(guò)以下公式計(jì)算。

式中：A 為消耗的0.1 mol/L 氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；M 為滴定用NaOH 溶液的物質(zhì)的量，mol/L；W 為改性淀粉的質(zhì)量，g。

反應(yīng)效率（reaction efficiency，RE，%）通過(guò)以下公式計(jì)算。

式中：Y 為理論取代度；W1為OSA 的質(zhì)量，g；W2為辛烯基琥珀酸淀粉酯的質(zhì)量，g。

1.3.3 顆粒粒徑的測(cè)定

采用激光粒度儀測(cè)定超聲酯化馬鈴薯淀粉顆粒的顆粒大小及分布。將去離子水加入超聲輔助制備的馬鈴薯淀粉酯中，配制成懸浮液，濃度為1%，放入激光粒度儀中，在20 ℃條件下，檢測(cè)淀粉酯的粒度分布，設(shè)置分散液與顆粒的折射指數(shù)分別為1.33 和1.53，去離子水為分散介質(zhì)。

1.3.4 顆粒分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定

利用傅里變換葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometry，F(xiàn)TIR）采集超聲酯化馬鈴薯淀粉的紅外吸收峰，識(shí)別改性淀粉中存在的特征官能團(tuán)。傅里葉變換紅外光譜儀的相關(guān)參數(shù)為分辨率4 cm-1，掃描范圍400～4 000 cm-1，進(jìn)行32 次掃描。取0.1 mg 樣品，加入適量的干燥溴化鉀粉末進(jìn)行壓片。

1.3.5 顆粒晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定

使用X-射線衍射儀測(cè)定超聲酯化馬鈴薯淀粉的晶體特性。在特征射線為CuKα 的測(cè)定條件下，發(fā)散狹峰和防發(fā)散狹峰均為1°，步長(zhǎng)為0.02°，接受狹峰為0.16 mm。其中電壓40 kV，燈絲電流100 mA，掃描速度4°/min，衍射角（2θ）范圍5°～40°。

1.3.6 顆粒微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定

用掃描電子顯微鏡對(duì)NPS、OPS、UOPS 的形貌進(jìn)行觀察。通過(guò)導(dǎo)電膠將一定量干燥的樣品均勻地分散到樣品臺(tái)上，輕輕吹去浮樣，進(jìn)行噴金處理，通過(guò)掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）在2 000 倍的放大倍數(shù)加速電壓5 kV 的條件下觀察淀粉顆粒形貌。

1.3.7 顆粒疏水性的測(cè)定

通過(guò)壓片機(jī)將適量的粉末樣品壓成平整圓片，直徑和厚度分別為12 mm 和2 mm，使用光學(xué)接觸角測(cè)量顆粒接觸角，測(cè)定方法為坐滴法，通過(guò)精密微注射器將一滴油（2 滋L）滴在圓片的表面，待油滴平衡后，立即記錄液滴的圖像，并對(duì)液滴的輪廓進(jìn)行數(shù)值求解。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)均進(jìn)行3 次重復(fù)取平均值，采用SPSS 22.0 軟件對(duì)多組間數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，以Duncan 檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性差異分析，P＜0.05 被認(rèn)為差異顯著，采用Origin 2018 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 取代度和反應(yīng)效率

取代度（DS）和反應(yīng)效率（RE）是反映淀粉化學(xué)活性的指標(biāo)[12]，并且取代度是影響OSA 淀粉乳化性質(zhì)最關(guān)鍵的因素之一。表1 是反映超聲功率OPS 和UOPS顆粒取代度及反應(yīng)效率隨超聲功率變化的情況。

表1 OPS 和UOPS 顆粒的取代度與反應(yīng)效率Table 1 The DS and RE of OPS and UOPS

由表1 可知，OPS 的DS 和RE 分別為15.9×103和60.81%，與水相法相比，超聲波輔助能顯著提高酯化反應(yīng)DS 和RE（P＜0.05），這與Chen 等[13]的研究結(jié)果相一致。在理論上UOPS 顆粒的取代度及反應(yīng)效率應(yīng)隨著超聲功率的增加而增大[14]，但由表中可得，超聲功率為300、400 W 和500 W 的取代度與理論取代度有一定的偏差，這與王寶珊等[15]的研究結(jié)果一致，可能是由于300 W 和400～600 W 超聲波處理淀粉顆粒分別處于聚集階段和團(tuán)聚階段，由于具有緊密的結(jié)構(gòu)，反應(yīng)較難進(jìn)行，因此取代度及反應(yīng)效率較小。而當(dāng)超聲功率為350 W 時(shí)，反應(yīng)效率提高了30%～35%，這是由于超聲波作用下出現(xiàn)的空化作用，在瞬間形成高溫高壓的環(huán)境，將淀粉顆粒中的氣體排出，從而使結(jié)構(gòu)變得松散，對(duì)水分子和辛烯基琥珀酸酐油滴進(jìn)入到內(nèi)孔中有益，可以提高反應(yīng)速率[16]。

2.2 顆粒的粒徑分布

圖1 為NPS、OPS 和UOPS 顆粒的粒徑分布圖。

圖1 NPS、OPS、UOPS 顆粒的粒徑分布Fig.1 Size distribution of NPS，OPS and UOPS particles

由圖1 可以看出，NPS、OPS 及UOPS 顆粒粒徑主要分布在13.0～100.3 滋m 范圍內(nèi)，呈單峰分布。OPS、UOPS 與NPS 顆粒相比平均粒徑略有減小，并且經(jīng)過(guò)超聲處理后OSA 馬鈴薯淀粉顆粒的粒徑存在較小變化，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是超聲波處理并不會(huì)顯著改變淀粉的平均粒徑，但會(huì)提高淀粉顆粒大小的均一性，結(jié)論與Falsafi 等[17]結(jié)果相一致。其中UOPS 顆粒粒徑?jīng)]有隨著功率的增加而減小，其原因可能是在超聲功率為300～350 W 作用下屬于聚集階段，顆粒結(jié)構(gòu)緊密，顆粒的粒徑較小；當(dāng)超聲功率為250 W，由于在超聲波的影響下淀粉粒子的形貌發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致了內(nèi)部的松散和粒度增加；功率增加到400～500 W 時(shí)淀粉顆粒形貌嚴(yán)重破壞，表面處于激活狀態(tài)易團(tuán)聚，使顆粒粒徑整體增加[18]。平均粒徑的結(jié)論與取代度及反應(yīng)效率的結(jié)論相一致。

2.3 顆粒的分子結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，圖2 是NPS、OPS 和UOPS 顆粒的紅外光譜圖。

圖2 NPS、OPS 及UOPS 顆粒的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of NPS，OPS and UOPS particles

由圖2 可知，在約3 400 cm-1處，是由于O—H 鍵伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生的典型吸收峰，在2 930 cm-1和1 650 cm-1處出現(xiàn)了由C—H 的伸縮振動(dòng)和吸附水而形成的特征峰，4 個(gè)特征峰分別位于1 162、1 082、1 028 cm-1和931 cm-1處，這4 個(gè)特征峰為C—O 的伸縮振動(dòng)吸收峰[19]。在1 643 cm-1處出現(xiàn)的特征峰可能是由于水和淀粉內(nèi)部結(jié)合所產(chǎn)生[20]。與NPS 相比，OPS 和UOPS在3 400 cm-1處對(duì)應(yīng)的O—H 特征峰強(qiáng)度減弱，在1 726 cm-1和1 572 cm-1附近有兩個(gè)新峰出現(xiàn)，證明OPS 和UOPS 檢測(cè)到酯羰基鍵的存在，說(shuō)明經(jīng)過(guò)酯化反應(yīng)后的淀粉引入了新的基團(tuán)，表明OSA 與NPS 成功發(fā)生了酯化反應(yīng)[21]。綜上所述，NPS 和OPS、UOPS 除了出現(xiàn)了新峰之外，傅里葉紅外光譜圖基本無(wú)差異，這說(shuō)明酯化反應(yīng)除引入了辛烯基琥珀酸基團(tuán)外，未引入其他物質(zhì)，并且隨著改性淀粉取代度的提高，兩處的新峰越明顯，因此超聲功率為350 W 時(shí)，新峰的兩個(gè)新條帶更顯著。

2.4 顆粒的晶體結(jié)構(gòu)

X-射線衍射分析是分析與鑒定淀粉顆粒結(jié)晶性質(zhì)的一種手段。圖3 是NPS、OPS 和UOPS 顆粒的X-射線衍射譜圖。

圖3 NPS、OPS、UOPS 顆粒的X-射線衍射譜圖Fig.3 XRD profiles of NPS，OPS and UOPS particles

由圖3 可知，曲線中均出現(xiàn)了尖峰衍射峰和彌散衍射峰，證明樣品中都含有結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)兩種結(jié)構(gòu)。NPS、OPS 和UOPS 顆粒在5.6°、17.3°、22.2°、24.0°（2θ）處有4 個(gè)重要的特征峰，為典型的B 型結(jié)晶淀粉，并且OPS 和UOPS 顆粒的衍射峰與NPS 顆粒幾乎一致，說(shuō)明酯化反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉分子無(wú)定形區(qū)的羥基上，不會(huì)改變淀粉顆粒的晶型結(jié)構(gòu)[22]。與NPS 相比，OPS、UOPS 的結(jié)晶度均有一定程度的減小，這是由于OSA 與淀粉分子發(fā)生酯鍵作用，少量OSA 進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，破壞了淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)的有序性[23]。并且結(jié)晶度與取代度呈負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)榈矸劢Y(jié)晶程度越高，即淀粉的分子結(jié)構(gòu)越致密，酯化反應(yīng)就越困難。值得注意的是，當(dāng)超聲功率達(dá)到300 W 時(shí)，其結(jié)晶性有明顯的變化，這與淀粉分子的重新排列和聚合有關(guān)[9]。此結(jié)論與粒徑表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果相一致。

2.5 顆粒的微觀結(jié)構(gòu)

由于UOPS-350 W 顆粒的紅外光譜圖中顯示馬鈴薯淀粉與辛烯基琥珀酸酐成功發(fā)生酯化反應(yīng)，馬鈴薯經(jīng)過(guò)超聲波輔助酯化后晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化，并且其取代度及反應(yīng)效率最高，顆粒粒徑較小，因此選擇此功率下制備的顆粒進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，對(duì)比NPS、OPS 及UOPS-350 W3 種顆粒在微觀結(jié)構(gòu)和濕潤(rùn)性上的區(qū)別。圖4 為NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的SEM 圖像。

圖4 NPS、OPS 和UOPS-350 W 的掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron microscope of NPS，OPS and UOPS-350 W

由圖4 可知，NPS 表面光滑，呈卵圓形，少數(shù)為圓形，無(wú)明顯氣孔[24]。OPS 和UOPS-350 W 在OSA 的修飾下，其大小及形態(tài)沒(méi)有明顯改變，且結(jié)晶結(jié)構(gòu)基本保持完好，但顆粒表面出現(xiàn)明顯腐蝕、破損和凸起，有肉眼可見(jiàn)的淀粉碎片。這種現(xiàn)象與Simsek 等[25]的研究結(jié)果一致，可能歸因于在堿性溶液中，直鏈淀粉從顆粒中溶出，在淀粉粒子表面與OSA 發(fā)生酯化反應(yīng)而生成聚合物，從而沒(méi)有進(jìn)入淀粉結(jié)晶區(qū)域，這與XRD 分析結(jié)論相符。經(jīng)過(guò)UOPS-350 W 形態(tài)變化明顯，表面變得更加粗糙，出現(xiàn)了更多的孔洞和凹陷，可能因?yàn)槌暡ㄌ幚硭a(chǎn)生的空化作用使淀粉顆粒產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破損現(xiàn)象有關(guān)[26]。由于超聲波的作用，增加了OSA 油滴與淀粉顆粒接觸面積，進(jìn)而使得顆粒的反應(yīng)取代度高。

2.6 顆粒的疏水性

固體顆粒的濕潤(rùn)性是影響Pickering 乳液形成和穩(wěn)定的因素，一般通過(guò)三相接觸角進(jìn)行表征。通常當(dāng)接觸角小于90°時(shí)，顆粒具有親水性，接觸角的數(shù)值越接近90°，顆粒在油水界面處可能會(huì)表現(xiàn)出最強(qiáng)的吸收能力，因而具有更高的乳化穩(wěn)定性[27]。圖5 是反映NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的接觸角大小的圖像。

圖5 NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的接觸角Fig.5 Contact angles of NPS，OPS and UOPS-350 W particles

由圖中5 可知，NPS 的接觸角為39.9°，說(shuō)明天然淀粉本身是具有一定濕潤(rùn)性的，因此可通過(guò)吸附在油水界面形成界面膜，進(jìn)而穩(wěn)定乳液[28]。而OPS 和UOPS-350 W 淀粉顆粒的接觸角分別為56.4°和63.2°，說(shuō)明通過(guò)OSA 改性后的淀粉顆粒的接觸角均明顯高于NPS 顆粒，這是由于辛烯基琥珀酸殘基基團(tuán)引入到馬鈴薯淀粉中的數(shù)量增加，疏水基團(tuán)被引入到淀粉中，使淀粉親水性減小，因此辛烯基琥珀酸淀粉酯顆粒具有兩親性和界面性[29]。就OPS 與UOPS-350 W 顆粒而言，由于超聲波處理，UOPS-350 W 顆粒對(duì)油相的潤(rùn)濕性也有所增加，進(jìn)而UOPS-350 W 顆粒具有較好的乳化性，有利于應(yīng)用到乳液的制備過(guò)程。

3 結(jié)論

超聲波處理提高酯化反應(yīng)的反應(yīng)效率，使經(jīng)過(guò)超聲和酯化反應(yīng)處理的馬鈴薯淀粉的粒徑發(fā)生改變，由于UOPS-350 W 顆粒具有較小的平均粒徑和更好的分散性，說(shuō)明超聲波處理和酯化反應(yīng)同時(shí)作用于馬鈴薯淀粉，使其具備較好的兩親性，得到乳化性能較好的馬鈴薯淀粉顆粒；對(duì)比NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的掃描電子顯微鏡的圖像，顯示超聲波處理不會(huì)改變UOPS 顆粒尺寸和形態(tài)，而會(huì)使淀粉產(chǎn)生較大的孔洞和凹陷，增加OSA 油滴與馬鈴薯淀粉的接觸面積，明顯提高反應(yīng)效率，在超聲波處理的情況下，酯化反應(yīng)取代度和反應(yīng)效率有所提高；紅外光譜結(jié)果表明，與NPS相比，改性淀粉在1 726 cm-1和1 572 cm-1附近有兩個(gè)新峰出現(xiàn)，證明酯化反應(yīng)成功進(jìn)行；X-射線衍射結(jié)果顯示，在淀粉無(wú)定形區(qū)內(nèi)進(jìn)行的酯化不會(huì)對(duì)其結(jié)晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何影響；測(cè)定UOPS-350 W 顆粒的三相接觸角的數(shù)值為63.2°，說(shuō)明超聲功率為350 W 時(shí)，該顆粒具有較好的潤(rùn)濕性，可以應(yīng)用到穩(wěn)定乳液的領(lǐng)域中，為今后馬鈴薯淀粉在乳液發(fā)展領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。