不同压力预处理对小麦醋酸酯淀粉制备的影响及产物结构表征

王　丽，秦利娟，宋贤良，叶盛英（华南农业大学食品学院，广东广州510642）

不同压力预处理对小麦醋酸酯淀粉制备的影响及产物结构表征

王丽，秦利娟，宋贤良，叶盛英
（华南农业大学食品学院，广东广州510642）

为探究不同预处理压力对淀粉酯化反应的影响效果，将小麦淀粉乳（40%）分别在0、20、40、60和80 MPa下处理后以醋酸酐进行酯化反应。通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），偏光显微镜（PLM），X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）对小麦醋酸酯淀粉进行形貌和结构分析。结果表明：经过醋酸酐作用后，淀粉分子中引入酯羰基。高压均质预处理使小麦淀粉酯化程度显著提高，与未均质处理相比，取代度增幅达47.70%。醋酸酯淀粉在40 MPa下取得最大取代度0.096。偏光十字图显示随着压力增大，淀粉颗粒脐点处发生爆裂且裂缝沿脐点向外扩大。当均质压力达到80 MPa时，部分淀粉颗粒的双折射现象几乎消失。高压均质和低酯化反应都未改变小麦淀粉的A晶型，但压力迫使淀粉颗粒结晶结构破坏。醋酸酯淀粉保持了原小麦淀粉颗粒形貌，但在20 MPa下的淀粉颗粒出现剪切微变形和机械折叠。在80 MPa下，淀粉颗粒表面出现严重的机械损伤和断裂，一些大颗粒淀粉瓦解且相互之间有粘连，是取代度降低的原因之一。

醋酸酯淀粉，高压均质，结构，形貌

淀粉是自然界中来源广泛，资源丰富，价格低廉的第二大天然高分子物质［1］。通过化学法制备的酯化淀粉极大拓展了淀粉的应用空间，包括醋酸酯淀粉［2］、辛烯基琥珀酸淀粉酯［3］、无机酸淀粉酯和其他类型脂肪酸淀粉酯［4］等。而醋酸酯淀粉是食品行业中使用最为普遍的变性淀粉。目前，研究者们通过不同的预处理方法合成醋酸酯淀粉，主要有酸预处理［5］、氧化预处理［6］和交联预处理［7］等。与这些预处理方法不同，高压均质预处理是一种非热处理而使淀粉乳中淀粉颗粒发生糊化的物理方法。超高压技术对淀粉的应用发现：高压均质机产生强烈的机械剪切、撞击、空穴和湍流蜗旋作用可促使淀粉颗粒破碎，淀粉形貌、结构和性质也相应改变。一般认为，高压均质产生的物理机械力可使淀粉颗粒破碎，释放出结构相对简单的直链淀粉；另一方面，这些机械力还会促使反应相中的反应物彼此混合均匀，提高淀粉有关化学反应的反应效率。例如，孟爽等［8-9］应用超高压技术制备了相对高复合率的玉米淀粉-硬脂酸复合物和玉米淀粉-棕榈酸复合物。此外，高压均质作用对淀粉其他方面性质的影响也吸引了众多研究者们的注意。邱爽等［10］探讨了高压均质作用对小麦淀粉热力学和导电性能的影响，表明不同压强处理的淀粉电导率/温度曲线斜率与损伤淀粉含量之间有良好的线性相关性。Bao Wang等［11］研究了高压均质处理对玉米淀粉结构和热力学性质的影响，证明玉米淀粉糊化温度会随均质压力增加而下降，部分淀粉颗粒在较高压力作用下发生糊化，结晶结构消失等。

就目前而言，关于醋酸酯淀粉的研究已相对成熟，高压均质作用对淀粉的影响研究也日益增多。然而，将高压均质技术运用在醋酸酯淀粉的合成中还未见报道，高压均质预处理对醋酸酯淀粉的制备产生的影响也就不得而知。高压均质预处理小麦醋酸酯淀粉的制备及结构表征更是无人探究。

基于以上研究现状，本文选用小麦淀粉原料，探究高压均质预处理对小麦醋酸酯的制备及结构形貌、结构的影响作用，旨在探索醋酸酯淀粉制备的新途径，并为小麦变性淀粉的研究及工业应用提供充实广阔的理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

小麦淀粉购于广州市卜蜂莲花商场；醋酸酐、95%乙醇、无水乙醇、盐酸、氢氧化钠等均为分析纯。

HJ-4多头磁力加热搅拌器国华仪器有限公司；AH100D高压均质机ATS Engineering Inc；HH-4数显恒温水浴锅常州澳华仪器有限公司；SHZ-D循环水式真空泵巩义市予华仪器有限公司；101-1A电热鼓风干燥箱天津市泰斯特仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1不同压力预处理下小麦醋酸酯淀粉的制备准确称取40.000 g小麦淀粉于250 mL烧杯中，加入60 mL蒸馏水并磁力搅拌15 min，配制成浓度为40%的淀粉乳。采用高压均质机分别在0、20、40、60和80 MPa下对淀粉乳处理30 s后，向不同压力处理后的淀粉乳中分别逐滴加入质量分数为6%的醋酸酐（以淀粉干基质量计）。然后将其置于35℃恒温水浴锅中并不断机械搅拌反应90 min。反应过程中滴加0.5 mol/L NaOH溶液使体系pH维持在8.0～8.4。反应结束后，用盐酸调节溶液pH至4.5～6.5，然后通过循环水式真空泵抽滤产物并用蒸馏水洗涤5至6次。之后在50℃下鼓风干燥10 h，再用玛瑙研钵研碎大块粉体并过80目筛后得到小麦醋酸酯淀粉。

1.2.2取代度的测定参考文献［12］中的方法测定淀粉取代度。准确称取2 g绝干醋酸酯淀粉于250 mL锥形瓶中并加20 mL蒸馏水，充分摇匀后，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至微红色终点（酚酞作指示剂）。然后滴加0.5 mol/L NaOH溶液10 mL到锥形瓶中并持续搅拌60 min。皂化结束后用0.5 mol/L盐酸溶液滴定溶液至红色消失，记录所用0.5 mol/L盐酸溶液体积为V1（mL）；以小麦原淀粉作空白实验，所用0.5 mol/L盐酸溶液体积为V2（mL）。

乙酰基质量分数：WAC（%）=（V2-V1）×c×0.043× 100/m

取代度：DS=162×WAC/（4300-42×WAC）

式中：c为盐酸溶液的浓度（mol/L），m为样品质量（g）。

1.2.3红外光谱分析分别称取1 mg样品和150 mg KBr，使用玛瑙研钵将其研磨成均匀粉末后制成透明薄片，放入样品架上，置于红外光谱仪内进行全波段扫描。

1.2.4扫描电镜测定将样品用导电双面胶固定在金属样品中上，用离子溅射仪对样品进行真空喷金后，将样品置于扫描电子显微镜中，加速电压40 kV，观察并拍摄具有代表性的淀粉颗粒形貌。

1.2.5偏光显微镜测试取少量淀粉置于载玻片上，滴一滴水分散并盖上盖玻片，将其放入显微镜样品台，观察并拍摄淀粉颗粒形貌及偏光十字。

1.2.6X-射线衍射分析将绝干淀粉样品放入带有凹槽的玻璃板上，填满并压实凹槽且要保证样品与整个玻璃板水平。采用步进扫描法对样品进行扫描测定得到X-射线衍射图谱。操作条件为：2θ=40～600，步长0.020，扫描速率120/min，积分时间2 s，铜靶，石墨单色器，管流管压为40 mA、40 kV。

1.2.7数据分析处理实验数据均为重复3次的结果，采用Origin 8.0作图并用SPSS进行差异显著性分析。

2　结果与分析

2.1不同预处理压力的小麦醋酸酯淀粉的取代度测定

2.1.1小麦酯化淀粉取代度的测定对不同预处理压力下所得小麦酯化淀粉的取代度进行测定，得到如表1所示结果。

表1　不同预处理压力下小麦酯化淀粉的取代度Table 1　The degree of substitution of wheat starch acetates under different pressure

2.1.2差异显著性分析利用SPSS 19.0软件对不同压力因素进行方差分析（结果如表2），由表2可知，压力对取代度的影响差异显著（p＜0.05），说明不同预处理压力对酯化淀粉的取代度有较明显的作用。

表2　方差分析结果Table 2　Variance analysis results

利用高压均质机工作时产生的机械力对小麦淀粉颗粒产生物理破碎作用，由表1知，与未经压力处理（即0 MPa下）相比，压力预处理过的小麦醋酸酯淀粉取代度明显提高。当均质压力为40 MPa时，醋酸酯淀粉取得最大取代度0.096，与0 MPa下相比增幅达47.70%。这表明压力预处理能显著提高小麦淀粉的酯化程度。一方面，高压均质机产生的剧烈剪切力，撞击力和空穴作用使吸水膨胀的小麦淀粉颗粒破碎，淀粉结构变得脆弱。在酯化反应时，醋酸酐分子能够轻而易举进攻到淀粉分子内部，酯化变得更加容易。另外，高压均质时产生的强烈高频振荡也会促使淀粉颗粒在淀粉乳中均匀分散，醋酸酐与淀粉颗粒的接触更为充分。酯化反应面积增大，取代度得到提升。当压力超过40 MPa时，小麦醋酸酯淀粉取代度有所下降。这可能是高压作为一种能量供给水分子和淀粉分子，通过水合作用使淀粉糊化［1］。高压均质预处理的淀粉乳温度升高，过高的温度可使淀粉发生糊化，与酯化剂的作用力减弱。除此外，过高的压力可能造成淀粉乳的乳化［3］。淀粉颗粒彼此粘连聚集在一起使得酯化面积减小。

2.2红外光谱分析

如图1所示小麦原淀粉红外图谱中，出现在3392 cm-1附近处宽而强的吸收峰是分子间氢键缔合的O-H伸缩振动引起的，2930 cm-1附近较尖锐峰是-CH2-的不对称伸缩振动特征吸收峰，1645 cm-1处的吸收峰为烯醇式的C-O振动吸收峰。与原淀粉相比，在压力预处理（20和40 MPa下）过的小麦醋酸酯淀粉的谱图上出现了两个新的特征吸收峰，分别是1728～1729 cm-1处C=0的伸缩振动吸收峰和1248～1250 cm-1处C-O-C的伸缩振动吸收峰。这是-COCH3基团的特征峰，表明小麦醋酸酯淀粉的生成。高压均质机产生的一系列物理机械力促使更多的醋酸酐和淀粉中的-OH发生酯化反应，淀粉中的-OH基团数目减少，对应于3500～3200 cm-1，2930 cm-1以及1645 cm-1处吸收峰强度的减弱。

图1　小麦原淀粉和醋酸酯淀粉颗粒的红外波谱图Fig.1　Infrared spectrogram of native wheat starch and acetylated starch granules

图2　小麦原淀粉和醋酸酯淀粉颗粒的电镜扫描图（×5000）Fig.2　SEM images of native wheat starch and acetylated starch granules（×5000）

2.3颗粒形貌采用SEM观察酯化反应前后小麦淀粉颗粒形貌的变化，如图2。小麦原淀粉颗粒呈现出圆形和椭圆形，粒径不均一，且表面较为完整，与徐洋［6］的观测结果一致。图2（b，c，d）展示了不同压力预处理对小麦醋酸酯淀粉制备的影响效果，由于吸水膨胀，淀粉颗粒较原淀粉粒径有所增大。在20 MPa下的小麦酯化淀粉保持了小麦原淀粉的颗粒形貌，但此时的颗粒明显出现了剪切微变形，这是高压均质机产生的剪切力和撞击力的作用结果。高压均质处理对淀粉颗粒的影响还表现为淀粉损伤［9］。随着压力的升高，在40 MPa下部分颗粒出现断裂损伤的块片并产生了小颗粒淀粉，淀粉结构变得疏松，这为酯化反应提供了良好的必要条件。在较高压力下，抗压能力稍强的淀粉也抵御不了外在的机械破坏力，完整的淀粉结构逐渐遭受严重破坏。图3（d）显示出在高均质压力80 MPa作用下，醋酸酯淀粉颗粒彼此粘连成一整片并未分散开。有效酯化反应面积减小正是较高压力预处理后小麦淀粉取代度下降的原因之一。这种情况在Bao Wang［11］的研究中也同样出现。

2.4结晶结构分析

图3　小麦原淀粉和醋酸酯淀粉颗粒的偏光十字图（×400）Fig.3　Polarization diagrams of native wheat starch and acetylated starch granules（×400）

淀粉具有独特的双折射特性，图3（a）展示出的小麦原淀粉偏光十字完整明显，（b）为仅40 MPa压力处理30 s后所得淀粉，其中部分淀粉的双折射现象出现模糊的一片。这说明高压均质处理产生的物理机械力已经一定程度破坏淀粉的结晶结构。图3（c，d 和e）为不同压力对小麦醋酸酯淀粉的偏光十字影响效果。随着压力的增大，淀粉颗粒脐点处发生爆裂从而使“脐点变大”，且部分淀粉出现裂缝沿脐点向外扩大的现象。从图3（d）可看出，当压力为80 MPa时部分淀粉的双折射模糊且不完整。在高压均质预处理过程中，压力作为一种强大的能量施加给淀粉分子，淀粉晶体结构承受不住这种破坏便会“被迫”受损。在剪切力，撞击力以及空穴作用下，淀粉颗粒受到活化，淀粉链间氢键断裂，结晶结构受到破坏。随着压力的增加，淀粉结晶区和非结晶区的差异性减弱，表现为淀粉双折射现象就不再明显。

2.5X-射线衍射

图4　小麦原淀粉和醋酸酯淀粉颗粒的X-射线衍射图Fig.4　X-ray diffraclion pattern of native wheat starch and acetylated starch granules

从偏光十字图看出在高压均质预处理后，小麦醋酸酯淀粉结晶结构受到破坏，但淀粉的晶型是否改变还没有定论，有必要对淀粉进行如图4所示的晶型分析。原淀粉和醋酸酯淀粉之间没有峰位移动，也没有新的衍射峰出现。醋酸酯淀粉在15°、17°、18°、23°四处皆有明显的尖峰衍射，这表明其仍属A型晶体结构［9］。高压均质预处理没有改变小麦淀粉晶型，与钟秋平等［12］的研究结果相同。A型淀粉支链淀粉的支点不仅分布在无定形区，也分布在结晶区［5］，不容易被外在高压均质机产生的机械力破坏。另一个原因是均质压力不够大，时间也不够充裕，没能彻底改变小麦淀粉晶型。不同淀粉晶粒抗压能力不同，当压力增加时抗压能力最强的晶体最后被破坏，表现为峰值强度随压力增加逐渐减弱。除此外，由于小麦醋酸酯淀粉的酯化程度较低，酯化剂对晶型的影响较小，这也是淀粉晶型没有发生改变的原因之一。

3　结论

经过醋酸酐作用后，淀粉分子中引入酯羰基。高压均质预处理使小麦淀粉酯化程度显著提高，与未均质处理相比，取代度增幅达47.70%。醋酸酯淀粉在40 MPa下取得最大取代度0.096。从偏光十字图看，随压力增大，淀粉颗粒脐点处发生爆裂且裂缝沿脐点向外扩大。当均质压力达到80 MPa时，部分淀粉颗粒的双折射现象几乎消失。高压均质和低酯化反应都未改变小麦淀粉的A晶型，但高压使淀粉颗粒结晶结构破坏。醋酸酯淀粉保持了原小麦淀粉颗粒形貌，但在20 MPa下的淀粉颗粒出现剪切微变形和机械折叠。在80 MPa下，淀粉颗粒表面出现严重的机械损伤和断裂。但一些大颗粒淀粉瓦解且相互之间有粘连导致酯化面积下降，是取代度降低的原因之一。

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Effect of different pressure treatment on preparation of wheat starch acetate and their structure characterization

WANG Li，QIN Li-juan，SONG Xian-liang，YE Sheng-ying
（Food College，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

Wheat starch suspensions（40%）were high-pressure-homogenized at increasing pressures of 0，20，40，60，80 MPa，followed by esterification with acetic oxide，respectively.Then，FTIR，PLM，XRD and SEM were carried out on wheat starch acetates morphology and structure analysis.The results indicated that ester carbonyl was introduced into starch molecules after esterification.High pressure improved esterification degree of wheat starch significantly，and DS increased by 47.70%when compared with unhighpressured starch.The highest substitution degree of 0.096 was achieved at 40 MPa.From polarization diagram，the umbilical point of starch particles burst and the crack expand outward from the umbilical point with the increasing pressure. Birefringence almost disappeared when it arrived at 80 MPa.A type crystal structure of wheat starch couldn’t be transformed by high-pressure homogenization and low esterification，however，the pressure tended to disrupt granule crystallinity structure.Starch acetate particle hold the samed morphology with native wheat starch，but microshear deformation and mechanical folding developed on starch granules of 20 MPa.Under the 80 MPa，starch granule surface appeared serious mechanical damage and crack，and some of the relatively large starch granular disintegrated even adhered with each other，which was one of reasons why the substitution reduced.

starch acetate；high pressure homogenization；structure；morphology

TS231

A

1002-0306（2016）04-0128-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.04.016

2015－09－10

王丽（1991-），女，在读硕士研究生，主要从事食品加工方面的研究，E-mail：jingshuili0717@163.com。

宋贤良（1969-），男，博士，副教授，主要从事食品加工，农产品加工与贮藏等方面的研究，E-mail：songxl2000@163.com。

国家自然科学基金资助项目（31371855）；广州市科技项目（2014J4100150）。