超临界CO2处理对木薯淀粉结构和性质的影响

白俊，李习都，谢新玲，张友全（广西大学广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西 南宁530004）



超临界CO2处理对木薯淀粉结构和性质的影响

白俊，李习都，谢新玲，张友全
（广西大学广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西 南宁530004）

摘要：采用超临界二氧化碳萃取技术在不同条件下处理木薯淀粉，利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、布拉班德（Brabender）黏度仪等分析手段，考察超临界处理对木薯淀粉颗粒形貌、膨胀度、结晶结构以及淀粉糊黏度、凝沉性、冻融稳定性等的影响。结果表明，随超临界压力、温度、处理时间的变化，样品颗粒外貌无明显改变，但膨胀度降低，结晶度增大；淀粉糊的凝抗性增强，淀粉凝胶冻融稳定性却降低；Brabender黏度分析显示经超临界处理后的淀粉样品糊化温度小幅度升高，糊峰值黏度降低、热稳定性变化不明显。以上结果说明：木薯淀粉经超临界CO2处理，存在淀粉分子部分降解，直链淀粉与支链淀粉比例增大等现象，从而导致淀粉的微观结构及凝胶特性等发生改变。

关键词：木薯淀粉；超临界二氧化碳；黏度；凝胶；结晶度

2015-11-23收到初稿，2016-03-09收到修改稿。

联系人：张友全。第一作者：白俊（1990—），男，硕士研究生。

Received date: 2015-11-23.

Foundation item: supported by the Natural Science Foundation of Guangxi (2014 GXNSFAA118065).

引　言

超临界二氧化碳流体（SCF-CO2）是一种安全、洁净的理想介质，在高分子聚合加工及聚合反应中的应用已受到广泛关注[1-4]。在利用SCF-CO2处理淀粉方面，张黎明等[5]曾发现经SCF-CO2处理的玉米淀粉脂肪含量显著下降，对芦丁的吸附量是原淀粉的3倍；Francisco 等[6]研究了在不同压力下的SCF-CO2中处理木薯、小麦和马铃薯淀粉，发现淀粉凝胶化程度随压力升高而降低，但其X射线衍射图形并未改变；Braga等[7]则发现生姜和姜黄淀粉经SCF-CO2处理后颗粒形貌未发生改变，但淀粉结晶区的双螺旋结构发生了重排。从以上的文献报道中可以看出，这些研究是以淀粉颗粒性质变化为主，对经超临界处理后淀粉糊的理化性质研究甚少，而淀粉糊的理化特性对淀粉深加工及其应用功能的影响有着重要作用[8]。

本文以木薯淀粉为对象，采用SCF-CO2处理技术，考察超临界压力、温度、处理时间及原料水含量对木薯淀粉颗粒外貌、结晶结构、膨胀度及其淀粉糊的黏度、凝沉性、冻融稳定性等的影响，开展经SCF-CO2处理后的淀粉颗粒及淀粉糊的理化特性研究，为天然淀粉的改性开发安全、无污染、可清洁生产的绿色深加工工艺提供理论和技术支撑。

1　实验部分

1.1材料及仪器

木薯淀粉，工业级，广西明阳生化科技股份有限公司；二氧化碳，工业级（纯度99.99%），南宁空分气体有限公司；超临界液体萃取反应系统，SFT-100XW型，美国；布拉班德糊化黏度仪（Brabender），803203型，德国；X射线衍射仪（XRD），Smartlab型，日本理学公司；扫描电子显微镜(SEM)，Hitachi S-3400N型，日本日立公司；紫外-可见光分光光度计，UV-2501PC型，日本岛津仪器有限公司。

1.2SCF-CO2处理木薯淀粉

称取100 g木薯淀粉（干基）加入萃取釜，加盖密封，开启冷机调节低温恒温槽的温度为−5℃，待制冷温度稳定后打开二氧化碳储罐进CO2，置换萃取釜中的空气，检查气密性。启动搅拌，升温，当反应釜的温度达到设定值时，设置高压泵的二氧化碳流量为20 L·h−1，开启高压泵增压到设定压力进行超临界萃取操作，达到预定处理时间后，泄压至常压，降温至室温，打开釜盖，取出产品密封备用。

1.3扫描电子显微镜（SEM）分析

样品均匀地喷洒在样品台后喷金处理，利用扫描电子显微镜对样品进行形貌观察并拍照。

1.4X射线衍射仪分析

采用粉末法对样品进行X射线衍射仪分析，扫描角度为10°～70°；扫描速率为10 (°)·min−1。绘制X射线衍射图形，并计算结晶度。

1.5黏度测定

配制样品浓度为6%（质量）的淀粉乳，盛入布拉班德糊化黏度仪的150 ml黏度杯，调节升温/降温速率为7.5℃·min−1，升温至95℃后保温30 min，冷却到50℃并保温30 min，得到布拉班德黏度曲线并读取特征值。

1.6膨胀度测定

称取3.0 g（准确至0.1 mg）样品（干基）至250 ml锥形瓶中，加入适量的蒸馏水配制成2%（质量）的淀粉乳，放置在 30℃恒温水浴中搅拌30 min后，于4000 r·min−1下离心30 min，弃去上清液，称量剩余淀粉质量，按式（1）计算膨胀度。

式中，M2表示离心后沉积物质量，g；M表示绝干样品质量，g。

1.7凝沉性测定

配制样品浓度为1%（质量）的淀粉乳加入到250 ml锥形瓶中，磁力搅拌下加热到95℃并保温30min，冷却到室温。精确量取25 ml的样品糊液加入到具塞玻璃量筒中，静置，7昼夜后测定上清液的高度，计算出上清液体积，并按式（2）计算析水率（drainage rate，DR，%）。

式中，V1表示上清液体积，ml；V2表示样品糊液体积，ml。

1.8冻融稳定性测定

配制样品浓度为3%（质量）的淀粉乳，在95℃糊化30 min后冷却至室温，分别在3支10ml离心管中装入一定质量的糊液，并放入−10℃的低温恒温槽冷冻24 h制备凝胶，凝胶室温自然解冻完全后，将试样在4000 r·min−1的离心机中离心30 min，弃去上清液，重复冷冻、解冻、离心共3次，最后称取沉淀物质量。按式（3）计算凝胶析水率。

式中，M1表示冷冻前样品糊液的质量，g；M2表示解冻离心后沉淀物的质量，g。

1.9直链淀粉含量测定

精确称取0.04 g（准确至0.1 mg）淀粉干基样品，用少量90%二甲亚砜溶解并定容至10 ml，吸取2 ml溶液用水定容至250 ml，取10 ml按照文献[9]所述方法测定600 nm处的吸光度并计算样品直链淀粉质量分数。

2　结果与讨论

2.1扫描电子显微镜（SEM）分析

超临界CO2流体处理前后的木薯淀粉SEM照片如图1所示。由图1(b)、(c)、(d)可以看出，经超临界处理后样品外貌结构为球体、半球体及多角形，与图1(a)原淀粉比较，淀粉颗粒形态并未发生明显改变，这与张黎明等[5]在研究超临界二氧化碳流体处理玉米淀粉时得出的结论一致。

图1　超临界CO2流体处理前后木薯淀粉颗粒SEM照片Fig.1　Scanning electron micrographs of cassava starch granules and samples treated by SCF-CO2

2.2X射线衍射仪分析

采用X射线衍射仪分析木薯淀粉晶体结构时，木薯淀粉在衍射角度2θ分别为15°、17°、18°和23° 有4个特征峰，属于A型结晶性结构[10]。由图2可知，不同处理时间的木薯淀粉样品特征峰没有发生迁移，也没有产生新的特征峰，说明在超临界条件下，木薯淀粉的晶型结构不会发生改变，但是衍射角为17°和18°之间的双峰以及23°的特征峰强度明显加强。

通过软件自动峰拟合计算XRD波谱结晶度的方法[11-12]计算木薯淀粉在不同条件下经超临界CO2流体处理后的结晶度，计算结果如表1和表2所示。从表1和表2可知，经超临界处理后，木薯淀粉的结晶度均有所升高，并在5 h结晶度达到最高值为41.53%。以上数据表明SCF-CO2处理能改变木薯淀粉结晶结构并增大木薯淀粉结晶度。Braga等[7]曾指出超临界流体处理姜黄淀粉与生姜淀粉可使淀粉结晶区的双螺旋结构重新排列，从而改变淀粉的结晶结构。

2.3黏度分析

表3为样品的Brabender黏度分析结果。从表3看出，经超临界处理后样品的糊化温度比原淀粉均有小幅度升高，且含水量对其糊化温度影响较大，达到65.8℃。糊化温度是黏度开始增加的温度，其实质是在加热的作用下结晶区或非结晶区的淀粉分子间氢键缔合被破坏[13]。糊化温度升高说明经超临界处理后淀粉颗粒内部分子之间结合的紧密程度增大。CO2具有弱的Leiws酸性，会与水分子共同降解α-1,4糖苷键，可能导致支化度高、分布广的支链淀粉外链易于被剪切降解，支链平均长度减短，因此，峰值黏度会稍有降低。通过崩解值B-D，可以看出样品热黏稳定性变化甚微。

图2　不同时间下超临界CO2处理木薯淀粉XRD谱图Fig.2　XRD patterns of native starch and samples treated bySCF-CO2in different processing time

表2　原淀粉和不同条件下超临界二氧化碳流体处理后样品的结晶度Table 2　Crystallinity degree of native starch and samples treated by SCF-CO2in different conditions/%

表3　原淀粉和不同条件下超临界流体处理后样品的Brabender黏度特征值Table 3　Eigenvalue of Brabender viscosity of native starch and samples treated by SCF-CO2in different conditions

2.4膨胀度分析

淀粉颗粒中的无定形相具有亲水性，淀粉颗粒浸入水中会吸水进行有限可逆膨胀。高含量的直链淀粉分子以及较大量的或者较强的分子结合会降低淀粉的膨胀度[14]。

表4　原淀粉和不同时间下超临界流体处理后样品的膨胀度Table 4　Swelling degree of native starch and samples treated by SCF-CO2in different processing time

表5　原淀粉和不同温度下超临界流体处理后样品的膨胀度Table 5　Swelling degree of native starch and samples treated by SCF-CO2in different processing temperature

表6　原淀粉和不同压力下超临界流体处理后样品的膨胀度Table 6　Swelling degree of native starch and samples treated by SCF-CO2in different processing pressure

表7　原淀粉和不同含水量下超临界流体处理后样品的膨胀度Table 7　Swelling degree of native starch and samples treated by SCF-CO2in different water content

从表4～表7看出，经不同条件超临界处理后样品的膨胀度都低于原淀粉。表8的实验结果说明木薯淀粉经SCF-CO2处理过程中，支链淀粉分子会部分降解，导致直链淀粉含量增大、支链淀粉含量降低。Tester等[15]研究曾发现淀粉的膨胀主要是淀粉中支链淀粉的特性，直链淀粉起到稀释剂的作用，其含量增加不利于淀粉的膨胀。另外，木薯淀粉经SCF-CO2处理过程中，由于直链淀粉的增多，则可能发生了类似于罗志刚等[16]利用微波处理玉米淀粉时的直链淀粉和支链淀粉分子各自或相互之间的作用加强，淀粉颗粒内部结合度增加，导致淀粉膨胀度下降；同时淀粉结晶度的增大和淀粉微晶包裹结构的变化也会降低淀粉膨胀度。

表8　原淀粉和不同条件下超临界流体处理后样品的直链淀粉含量Table 8　Amylose content of native starch and samples treated by SCF-CO2in different conditions

2.5凝沉性分析

由表9可知，经不同条件超临界流体处理后样品凝沉性均小于原淀粉，凝抗性增强。淀粉糊的凝沉是淀粉分子从无序状态到有序重排的老化过程[17]。有文献指出支链淀粉分子的外链至少含有10个葡萄糖单位时才易于形成双螺旋结晶结构从而促进淀粉糊的老化，而具有6～9个葡萄糖单位的较短外链会阻碍淀粉糊的老化，并且还可在一定程度上抑制直链淀粉的结晶[18]。在超临界条件下分子间的迁移速率会加快，高度分支的支链外链易被破坏，支链的平均链长减短及更多短小外链淀粉生成。因此，超临界处理过程中可能导致的木薯淀粉支链分子外链适当缩短是样品糊液凝抗性增强的主要原因。另外，从表9还发现在21 MPa或淀粉含水量为30%的条件下，经超临界处理的样品比其他处理条件下的样品析水率明显增大，这是因为在21 MPa高压或30%高含水环境中淀粉分子降解程度加剧，生成较多短小直链淀粉，大量直链淀粉的凝沉结晶会加速淀粉糊的老化，同时也会较大程度地削弱支链淀粉对糊液老化的阻碍作用，结果糊液分层速度加快，凝抗性降低。

表9　样品糊静置第7天析水率Table 9　Drainage rate of pasting starch on the 7th day

表10　样品糊经3次冷冻解冻后析水率（± s，n =3）Table 10　Drainage rate of pasting starch after 3 times of freezing and thawing（± s, n =3）

表10　样品糊经3次冷冻解冻后析水率（± s，n =3）Table 10　Drainage rate of pasting starch after 3 times of freezing and thawing（± s, n =3）

① Compare with native starch, p＜0.01. ② Compare with native starch, p＜0.05.

Native starch　　Processing pressure 　 　Processing　temperature 　 　Processing time 　 　Water content DR/% 　p/MPa 　DR/% 　T/℃ 　DR/% 　t/h 　DR/% 　w/% 　DR/% 26.47±1.88 　 　9 　49.07±3.74①　 　35 　29.42±2.85 　 　1 　26.78±2.79 　 　14 　27.27±1.84 12 　50.64±3.69①　 　55 　27.27±1.84 　 　2 　27.30±2.84 　 　18 　40.72±2.56①15 　27.27±1.84 　 　75 　30.18±2.06 　 　3 　27.27±1.84 　 　22 　39.85±1.86①18 　31.61±2.69 　 　90 　33.66±2.79②　 　4 　32.41±1.93 　 　26 　51.03±2.86①21 　43.86±2.91①　 　110 　51.36±2.07①　 　5 　37.46±2.87①　 　30 　66.96±3.44①

2.6冻融稳定性分析

从表9和表10比较看出，原淀粉的糊液经冷冻处理形成的凝胶在解冻过程中析水率比自然静置的吸水率低，这是由于冻融处理使淀粉分子与分子之间相互作用增强，淀粉形成网状结构，而多次冻融循环处理过程中，凝胶淀粉网状结构被加强，形成“水笼”结构，水分被锁入“水笼”中，可析出的水分减少[19]。从表10可知，经超临界处理后的淀粉糊凝胶析水率增大，均高于原淀粉，并在高含水量情况下其差异性更为显著，这说明经超临界处理后的木薯淀粉糊在冷冻过程中不易形成稳定的网状结构或在解冻过程中形成的“水笼”结构易被破坏，导致析水率增大。产生这种现象的原因可能是在超临界条件下，样品高度分支的支链外链结构遭破坏，支链平均长度减小，直链淀粉增多，在多次冷冻过程中会生成冰晶并对凝胶产生类似剪切的作用[20]，促使凝胶网状结构受损，包裹水分子的“水笼”结构强度降低，解冻时水分易析出；同时，直链淀粉链状结构空间障碍小，易于老化，淀粉凝胶网状结构稳定性变差，也会导致冻融稳定性降低[21]。

3　结　论

超临界CO2流体处理不会影响淀粉团粒的表面形态，不改变淀粉颗粒的结晶类型，但会导致淀粉颗粒结晶度增大，糊化温度小幅度升高，膨胀度下降；超临界CO2流体处理木薯淀粉过程中，淀粉分子会部分降解，直链淀粉含量增大，支链淀粉含量降低；超临界处理木薯淀粉可增强淀粉糊的凝抗性，降低淀粉凝胶的冻融稳定性，但对淀粉糊的黏度影响程度较小。

符号说明

A——糊化起始温度，℃

B——峰值黏度，BU

B-D——崩解值，BU

D——95℃保温30 min黏度，BU

DR——析水率，%

M，M1，M2——分别为样品绝干质量、样品糊液质量、离心后沉淀物质量，g

PT——糊化终止温度，℃

p——超临界处理压力，MPa

T——超临界处理温度，℃

t——超临界处理时间，h

V1，V2——分别为上清液体积、样品糊液体积，ml

W——直链淀粉含量，%

w——淀粉含水量，%

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Effects of supercritical CO2treatment on structures and properties of cassava starch

BAI Jun, LI Xidu, XIE Xinling, ZHANG Youquan
(Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China)

Abstract:Cassava starch was extracted in different conditions with supercritical carbon dioxide. The morphological characteristics and the gelating properties of the treated starch, such as particle morphology, swelling degree, crystalline structure, viscosity, retrogradation and freeze-thaw stability, were evaluated and compared with native cassava starch by using scanning electron microscope, X-ray diffraction analyzer, Brabender visco-analyser or other methods. As a result, it showed that with the change of the pressure, temperature and time of the treatment, the morphology of the treated starch was not obviously changed, but the swelling degree decreased and the crystallinity increased. It also found that the anti-precipitability of the treated starch gel was strengthened and the freeze-thaw stability reduced. Meanwhile, Brabender viscosity analysis suggested that the gelation temperature of the treated starch could be slightly raised and the peak viscosity of the treated starch gel decreased, while the thermal stability little changed. All the results indicated that the cassava starch molecules could be partially degraded and the ratio of amylose to amylopectin would increase in the process of supercritical treatment, leading to the alteration of some microstructure characteristics and gelating properties of cassava starch. Key words: cassava starch; supercritical carbon dioxide; viscosity; gels; crystallinity

中图分类号：TS 235

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）06—2631—07

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151752

基金项目：广西自然科学基金项目（2014 GXNSFAA118065）。

Corresponding author:Prof. ZHANG Youquan, zyq1968@163.com