乙?；臼淼矸鄣闹苽?、表征及流變性能分析

王創(chuàng)新，丁 玲，張 繼,3, ，曹 余

（1.西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省特色植物有效成分制品工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州 730070；3.西北師范大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，甘肅蘭州 730070；4.甘肅豐收農(nóng)業(yè)科技有限公司，甘肅天水 741020）

木薯淀粉（Cassava Starch，CS）是木薯經(jīng)過淀粉提取后脫水干燥而成，因其具有良好的安全性和應(yīng)用性，在食品加工中被廣泛應(yīng)用。乙?；臼淼矸郏ˋcetylated Cassava Starch，ACS）是指用醋酸或醋酸乙烯等在堿性條件下對(duì)CS 進(jìn)行酯化而得到的一類變性淀粉，是化學(xué)變性淀粉的重要品種之一，可有效提高食品的凍融穩(wěn)定性、粘度、儲(chǔ)存穩(wěn)定性等[1-3]。

CS 資源豐富，現(xiàn)有研究以CS 為原料制備ACS，改善了CS 顆粒內(nèi)乙酰化反應(yīng)和乙?；鶊F(tuán)非均勻分布的狀況，進(jìn)行了取代度、熱穩(wěn)定性和形態(tài)結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，為其在涂料和食品包裝的應(yīng)用提供了參考[4-5]；不同取代度的ACS 形態(tài)學(xué)特性和流變學(xué)性能與CS 相比，ACS 的特性使其能夠用于生物活性分子的封裝，為其在生產(chǎn)生物活性包裝和生產(chǎn)可生物降解包裝的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)[6]。此外，水溶液膠體的流變學(xué)特性在液體流、泵送、消毒、蒸發(fā)、干燥措施等食品加工和食品包裝方面具有重要的技術(shù)指導(dǎo)意義[7]。

目前關(guān)于ACS 的報(bào)道較多集中對(duì)ACS 的取代度、結(jié)構(gòu)表征研究、對(duì)食品品質(zhì)的影響或探究其制備工藝，而對(duì)其流變性能研究的不夠多也不夠深入。因此，本文通過紅外光譜、X-射線衍射、熱重分析對(duì)CS 和新制備的ACS 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，并對(duì)其流動(dòng)性、觸變性及動(dòng)態(tài)粘彈性等流變性能進(jìn)行了較全面的測(cè)定，為其在食品加工、藥品制造等方面更廣泛的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉 甘肅豐收農(nóng)業(yè)科技有限公司；醋酸酐、鹽酸 成都市科隆化學(xué)品有限公司；氫氧化鈉成都金山化學(xué)試劑有限公司；乙醇 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；蒸餾水 實(shí)驗(yàn)室自制；試劑均為分析純。

Nicolet is10 紅外光譜儀 美國(guó)Thermo 公司；D/Max-2550PC 型 X-射線衍射儀 日本RIGAKU公司；TG209F1 型熱重分析儀 德國(guó)NETZSCH 公司；MCR301 型流變儀 奧地利安東帕有限公司；JD500-3 型電子天平 沈陽(yáng)龍騰電子產(chǎn)品有限公司；JRA-6 型數(shù)顯磁力攪拌水浴鍋 金壇市杰瑞爾電器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乙酰化木薯淀粉的制備 使用Wurzburg[8]的制備方法，制備DS 為0.08 的ACS。將50 g CS 和112.5 mL 的蒸餾水用磁力攪拌器進(jìn)行混合，用3%的NaOH 溶液將pH 保持在8.0～8.5。加入3 g 醋酸酐不斷攪拌，反應(yīng)溫度25 ℃，反應(yīng)時(shí)間2 h，反應(yīng)中加入3% NaOH 溶液，控制乳液pH 保持在8.2～8.4之間。反應(yīng)結(jié)束后，用0.5 mol·L-1HCl 調(diào)整pH 至4.5。反應(yīng)物先用乙醇沖洗1 次，再用蒸餾水沖洗3 次，冷凍干燥48 h 備用，用于ACS 結(jié)構(gòu)表征的測(cè)定。

1.2.2 乙?；臼淼矸酆旱呐渲?用蒸餾水將ACS 分別配制成100 mL 的2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%的乳液，在25 ℃水浴鍋中恒溫磁力攪拌2 h，轉(zhuǎn)速150 r/min，95 ℃糊化后去泡備用，用于ACS 流變性能的測(cè)定。

1.2.3 紅外光譜（FTIR）分析 FTIR 分析采用傅里葉變換紅外光譜儀，通過KBr 壓片法，將CS 和ACS 分別與KBr 以1:100 比例充分混合、研磨、壓片后置于紅外光譜儀上測(cè)試，掃描波數(shù)范圍為500～4000 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.2.4 X-射線衍射（XRD）分析 XRD 分析采用X 射線衍射儀，鎳過濾銅Kα輻射（θ=1.5406 A），電壓為45 kV，燈絲電流為35 mA。XRD 運(yùn)行在5°≤2θ≤80°上進(jìn)行，掃描速度為5°/min。

1.2.5 熱重分析（TGA） 使用同步熱分析儀測(cè)量樣品的熱穩(wěn)定性，將樣品放入儀器中，在氮?dú)鈿夥障聹y(cè)試，溫度范圍為30～700 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.2.6 流變性能測(cè)定

1.2.6.1 流動(dòng)性能 使用平板PP50，板間距2 mm，在25 ℃條件下，測(cè)試ACS 糊液的粘度隨剪切速率的變化趨勢(shì)，剪切速率范圍：0.01～100 s-1[9]。不同濃度ACS 糊液的Cross 模型擬合參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)由公式（1）計(jì)算得到。

式中，η為任何特定剪切率下的粘度；η0和η∞代表零剪切力和無限剪切力時(shí)的表觀粘度（Pa·s）；α為時(shí)間常數(shù)，為剪切速率；d 為速率指數(shù)。

1.2.6.2 觸變性能 使用平板PP50，在旋轉(zhuǎn)模式下進(jìn)行三段參數(shù)設(shè)定。第一階段：剪切速率以恒定增速（3.12 s-1）從0 s-1升高到100 s-1；第二階段：在剪切速率為0 s-1下保持50 s；第三階段：以恒定減速（3.12 s-1）從100 s-1降低到0 s-1[10]。不同濃度ACS糊液的觸變環(huán)面積數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的觸變環(huán)面積可由公式（2）計(jì)算得到。

式中： γ1和γ2為剪切速率，s-1；k1、 k2為正向流動(dòng)指數(shù)，Pa/s；n1 和n2 分別為流動(dòng)冪指數(shù)。

1.2.6.3 動(dòng)態(tài)粘彈性 通過應(yīng)變掃描確定ACS 的線性粘彈性范圍，即在25 ℃條件下給樣品以恒定的頻率（1 Hz）施加一個(gè)范圍（0.05%～100%）的正弦形變（應(yīng)變），依據(jù)儲(chǔ)能模量的變化來確定其線性粘彈性范圍。振蕩頻率掃描：在ACS 的線性粘彈性范圍內(nèi)，施加不同頻率的正弦形變（ω：100～0.1 rad/s，strain 1%），從而得到不同溫度和不同濃度條件下ACS 溶液的儲(chǔ)能模量（G'）和損耗模量（G''）隨頻率變化的關(guān)系[11]。

1.2.6.4 模量與復(fù)合粘度 采用振蕩模式進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，溫度范圍為4～80 ℃，2 ℃/min，角頻率為1 Hz，應(yīng)變?yōu)?%[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過流變儀自帶軟件獲取，本實(shí)驗(yàn)所有測(cè)試均重復(fù)3 次取平均值，以保證數(shù)據(jù)的可靠性，用Origin 2018 軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CS 和ACS 的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 CS 和ACS 的FTIR 分析 CS 和ACS 紅外光譜如圖1 所示。通過對(duì)比可以看出，在3385 cm-1左右處出現(xiàn)的是淀粉中游離的-OH 的伸縮振動(dòng)吸收峰，2932 cm-1處出現(xiàn)淀粉-CH2伸縮振動(dòng)吸收峰，在1371、1423 cm-1處出現(xiàn)淀粉-OH 的彎曲振動(dòng)吸收峰；相較于CS，ACS 在1730 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收特征峰，為明顯的酯鍵的特征吸收峰，由此說明醋酸酐與CS 發(fā)生了反應(yīng)，成功合成了ACS，這與文獻(xiàn)[13-15]研究結(jié)果基本一致。

圖1 CS 和ACS 紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of CS and ACS

2.1.2 CS 和ACS 的X-射線衍射（XRD）分析 CS和ACS 的X-射線衍射曲線如圖2 所示。CS 的XRD曲線由尖峰衍射特征和彌散特征兩部分組成，分別對(duì)應(yīng)淀粉的結(jié)晶區(qū)與無定型區(qū)，屬于典型的多晶體系的衍射曲線。從圖2 中可看出，CS 和ACS 均在15.0°、17.0°、18.0°、23.0°附近有明顯的衍射峰，表明兩者均為典型的A 型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，說明乙?；]有改變CS 的晶體結(jié)構(gòu)類型，其晶型仍保持A 型。根據(jù)Lemos 等[16]、林麗菁等[17]的研究，這可能是因?yàn)槿〈饕l(fā)生在非結(jié)晶區(qū)，對(duì)結(jié)晶區(qū)雖然也有一定破壞，但不足以使其晶型發(fā)生改變。

圖2 CS 和ACS X 射線衍射曲線Fig.2 X-ray diffraction curves of CS and ACS

2.2 CS 和ACS 的熱重（TGA）分析

CS 和ACS 的TGA 曲線如圖3 所示。從圖3中可以看出，CS 和ACS 均出現(xiàn)了不同程度的質(zhì)量損失。ACS 自50 ℃起持續(xù)失重，前期失重速率不高，可能是由于ACS 中水分蒸發(fā)所致，在275～325 ℃時(shí)失重速率急劇升高，在325 ℃時(shí)ACS 失重80%，CS 失重70%，可能是由于淀粉結(jié)構(gòu)中糖苷單元的分解，其中的氫鍵和化學(xué)鍵斷裂所致。當(dāng)溫度超過600 ℃時(shí)，TG 曲線趨于平緩，ACS 失重90%，CS 失重80%，表明高溫條件下樣品大量分解，可能是由于淀粉中糖苷鍵的斷裂和碳水化合物鏈的脫水所致。TGA 曲線中CS 相對(duì)ACS 質(zhì)量損失較低，表明其晶體結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，說明CS 經(jīng)乙?；幚砗螅錈岱€(wěn)定性降低，文獻(xiàn)[18-19]也得到了類似的結(jié)果。

圖3 CS 和ACS 的TGA 曲線Fig.3 TGA curves of CS and ACS

2.3 ACS 的流變性分析

2.3.1 ACS 的流動(dòng)性 不同濃度ACS 糊液的剪切速率與粘度關(guān)系曲線如圖4 所示。在低剪切速率可以明顯觀察到剪切變稀行為，并且隨著剪切速率的增大，不同濃度的ACS 糊液的粘度都呈明顯的下降趨勢(shì)，說明ACS 糊液是一種典型的假塑性流體。ACS糊液粘度的下降可能是因?yàn)榈矸壑械亩嗵窃诟呒羟兴俾氏乱资艿礁蟮募羟辛?，粘度逐漸變小，這也表明多糖長(zhǎng)鏈的纏結(jié)結(jié)構(gòu)在高剪切速率的影響下發(fā)生重新排列[9]。在剪切速率相同的情況下，高濃度ACS 糊液的粘度越高，隨著剪切速度的增大，促進(jìn)了多糖分子鏈的解纏結(jié)，多糖分子之間的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，因此其粘度下降速率相對(duì)更快。

圖4 不同濃度的ACS 糊液的粘度特性曲線Fig.4 Viscosity characteristic curves at different ACS concentrations

這種剪切變稀的流動(dòng)特性可以用Cross 模型來描述。Cross 模型因?yàn)榭梢暂^為準(zhǔn)確的描述出聚合物在較大范圍內(nèi)的流變行為，該模型已經(jīng)被成功地用于描述黃原膠等多種食品溶液的剪切稀化行為[18]。因此，本文利用這種模型對(duì)ACS 溶液的流動(dòng)曲線進(jìn)行參數(shù)擬合。在0.01～100 s-1的剪切率范圍內(nèi)測(cè)量了質(zhì)量濃度為2.5%、5.0%、7.5%、10.0%和12.5%（w/v）的ACS 糊液的剪切流動(dòng)性。流動(dòng)性的特征可以使用Cross 模型準(zhǔn)確地描述，表1 為不同濃度ACS 糊液的Cross 模型擬合參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)由公式（1）計(jì)算得到。

表1 不同濃度ACS 糊液Cross 模型擬合參數(shù)Table 1 Cross model-fitting parameters at different ACS concentrations

表1 為Cross 模型被用來擬合ACS 糊液在不同濃度和下的相關(guān)剪切流動(dòng)行為數(shù)據(jù)。其結(jié)果顯示，該模型的回歸系數(shù)（R2）和相對(duì)偏差誤差（RE）分別較高和較低，表明Cross 模型擬合可以用來描述ACS糊液的流變性。松弛時(shí)間α與臨界剪切率（γCrit）有關(guān)，α=1/γCrit。γCrit標(biāo)志著ACS 糊液的剪切變稀的開始。結(jié)果表明，隨著ACS 濃度的增加，剪切變稀的開始轉(zhuǎn)移到較低的剪切率上。速率指數(shù)（d）反映了ACS 剪切稀化區(qū)的粘度對(duì)剪切速率的依賴性。從圖4 和表1 可以看出，η、η0、η∞、α及d 隨著ACS濃度的增加而呈上升趨勢(shì)。當(dāng)ACS 溶液濃度從2.5%～12.5%（w/v）增加時(shí)，η0從344.66 Pa·s 增加到6399.4 Pa·s，α從17.46 增加到33.629，d 從0.58476上升到0.74825。這些數(shù)據(jù)表明，隨著ACS 糊液的濃度增加，剪切稀化行為開始轉(zhuǎn)向較低的剪切率。在高濃度的ACS 中，單鏈的移動(dòng)受到限制，由于聚合物鏈纏結(jié)程度的相應(yīng)增加而受到限制。因此，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到了加強(qiáng)，這導(dǎo)致了ACS 糊液中變形、分子鏈糾纏的破壞以及剪切變薄的行為所需時(shí)間均得到增加[10]。因此，ACS 糊液的剪切稀化行為有利于食品加工中食品的混合、泵送和裝瓶等[19]。

2.3.2 ACS 的觸變性 表2 為不同濃度ACS 糊液的觸變環(huán)面積數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的觸變環(huán)面積可由公式（2）計(jì)算得到[20]。

表2 不同濃度ACS 糊液的觸變環(huán)面積Table 2 Thixotropic ring area at different ACS concentrations

從表2 可以看出，ACS 糊液均有一定的觸變性。低濃度的ACS 糊液（2.5%）的觸變環(huán)面積相對(duì)較小，因此，可以認(rèn)為其對(duì)時(shí)間依賴性較小。而較高濃度的溶液體系（5.0%～12.5%），其觸變環(huán)面積隨著溶液濃度的增大而急劇增大，因此觸變性也隨之增強(qiáng)，相應(yīng)地，對(duì)時(shí)間的依賴性也就越大，這種現(xiàn)象可能與淀粉多糖的聚合物分子鏈之間的纏結(jié)及解纏結(jié)有關(guān)[9]。

2.3.3 ACS 的動(dòng)態(tài)粘彈性 儲(chǔ)能模量（G'）和損耗模量（G''）以及復(fù)合粘度（η*）對(duì)頻率依賴性可被用來描述ACS 溶液的粘彈性行為。不同濃度的ACS 糊液的G'、G"與頻率（ω）的關(guān)系見圖5a。在整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)ACS 溶液的G'＞G"，聚合物溶液主要以彈性固體的形式存在，這與Khurshida 等[14]、Villanueva 等[21]報(bào)道的一致。此外，本研究發(fā)現(xiàn)不同濃度ACS 的G'和G"都隨著ACS 濃度的增加而增加；但是，G′的增加趨勢(shì)更為明顯，這表明在較高濃度下有更多的CSA 分子參與非共價(jià)連接，形成了一個(gè)更強(qiáng)的ACS三維網(wǎng)絡(luò)[21-24]。

圖5 不同濃度ACS 糊液的動(dòng)態(tài)粘彈性曲線Fig.5 Dynamic viscoelasticity curves at different ACS concentrations

不同濃度的ACS 的η*與頻率（ω）的關(guān)系見圖5b，ACS 溶液的η*值也隨著ω的增加而減小，而且這種減少在較高濃度下更為明顯。根據(jù)Tunick 等[25]的研究，在頻率掃描測(cè)試過程中，ACS 的分子間或分子內(nèi)的相互作用可能被破壞或重組，導(dǎo)致ACS 的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并最終影響其流變特性。而在高頻率的情況下，聚合物的分子間或分子內(nèi)鍵可能發(fā)生斷裂，且不能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)重組，這可能導(dǎo)致長(zhǎng)鏈聚合物的永久解離，從而降低ACS 的η*，這可能是由于ACS 的不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)構(gòu)象造成的[19,26-27]。

2.3.4 ACS 的模量與復(fù)合粘度 不同濃度的ACS溶液的G'、G"與溫度之間的關(guān)系見圖6a。在升溫掃描過程中，ACS 的G'、G''變化趨勢(shì)相似。在5～45 ℃范圍內(nèi)G'和G''基本穩(wěn)定；但后來隨著溫度的升高而增加，然后趨于平緩。G'和G''的增加可能是因?yàn)樵谏郎剡^程中，淀粉顆粒吸水膨脹，體積增大，直鏈淀粉從淀粉顆粒中溶出，進(jìn)而與淀粉顆粒相互纏繞形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[25]。ACS 溶液曲線上的G'和G"（2.5%～12.5%，w/v）的交叉點(diǎn)在75、73、57、52 和47 ℃。圖6a 可以看出，ACS 糊液的彈性比粘性大，因?yàn)槿芤菏冀K表現(xiàn)出類似于固體的狀態(tài)（G'＞G"），表明ACS 為高彈性的凝膠結(jié)構(gòu)。圖中可以觀察到ACS 糊液模量的變化表現(xiàn)出很好的濃度依賴性，G′和G''交點(diǎn)的出現(xiàn)很大程度上依賴于ACS 糊液的濃度，ACS 糊液濃度越高，交點(diǎn)出現(xiàn)的越早。

圖6 不同濃度ACS 糊液模量與復(fù)合粘度曲線圖Fig.6 Modulus of ACS at different concentrations versus composite viscosity

不同濃度ACS 的η*與溫度之間的關(guān)系見圖6b。圖6b 可以看出，在最初的加熱過程中（0～40 ℃），ACS 的η*隨著加熱的進(jìn)行而緩慢下降，但后來隨著溫度的升高而增加。η*最初下降，這種下降可能是由于剛開始隨著溫度的升高，糊液中分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子之間解纏能力提高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，糊液彈性下降。此外，隨著溫度的進(jìn)一步升高，η*急劇上升，可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加劇，分子鏈之間存在了大量的糾纏物，并且多糖纏結(jié)物隨著濃度的增加而增加，導(dǎo)致糊液的彈性增加[28-30]，ACS 糊液表現(xiàn)出一種固體凝膠般的彈性特性。

3 結(jié)論

本研究中，結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明ACS 在1730 cm-1處出現(xiàn)了乙?；鶊F(tuán)特征吸收峰，表明ACS 制備成功，乙酰化反應(yīng)并未改變其晶型，但是降低了其熱穩(wěn)定性。流變學(xué)結(jié)果表明ACS 是一種假塑性流體，有剪切變稀行為，其流動(dòng)曲線符合Cross 模型；其觸變性隨溶液濃度的增大而增大，并表現(xiàn)出良好的彈性固體行為。與以往研究相比，本研究對(duì)所制備的ACS 進(jìn)行了較為全面的表征分析，綜上所述，因ACS所具備的良好流變特性，能作為優(yōu)良的增稠劑、乳化穩(wěn)定劑、膠凝劑、粘結(jié)劑等，可廣泛應(yīng)用于焙烤制品，速凍水餃、方便面生產(chǎn)等食品工業(yè)生產(chǎn)中。因此，本研究為進(jìn)一步拓展其在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供了一定的理論參考。此外，關(guān)于不同取代度ACS 的結(jié)構(gòu)及流變學(xué)行為之間的相關(guān)關(guān)系有待進(jìn)一步研究。