脉冲电场对淀粉锌络合物制备及结构的影响*

陈山 谢政 洪静 曾新安 韩忠,3†

(1.广西大学 糖业工程技术研究中心， 广西 南宁 530004； 2.华南理工大学 食品科学与工程学院， 广东 广州 510640;3.华南理工大学 广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室， 广东 广州 510640)

脉冲电场对淀粉锌络合物制备及结构的影响*

陈山1，2,3谢政1，2洪静2曾新安2韩忠2,3†

(1.广西大学 糖业工程技术研究中心， 广西 南宁 530004； 2.华南理工大学 食品科学与工程学院， 广东 广州 510640;3.华南理工大学 广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室， 广东 广州 510640)

以大米淀粉为原料，在不同脉冲电场强度(0.0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5 kV/cm)及不同脉冲波数(0、180、360、540、720、900)下与乙酸锌(0.001 mol/L)反应制备大米淀粉锌络合物.对大米淀粉锌络合物中的锌含量进行测定，得出制备大米淀粉锌的最佳条件如下：电场强度7.5 kV/cm，脉冲波个数360；此时样品中锌含量由468.24 mg/kg提高到738.62 mg/kg，说明脉冲电场能促进锌与淀粉的配合反应.文中还采用扫描电镜、红外光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射等方法对大米淀粉锌的表面光学特性及结构特性进行了研究，结果表明：乙酸锌与大米淀粉葡萄糖单元上的羟基发生了配合反应；随着电场强度和脉冲波数的增加，大米淀粉颗粒表面被破坏，相对结晶度降低，促进了配合反应，提高了配合量.

脉冲电场；大米淀粉；淀粉锌络合物；结构

糖和金属元素对生物体具有重要的生理作用，两者结合形成的络合物往往具有双重的保健功能，有很高的医用及药用价值，甚至还可以产生许多新的功能，应用于食品、医疗、化工等领域[1].淀粉是由α-葡萄糖经α-1，4和α-1，6糖苷键连接而成的多糖高分子化合物，其构成单元葡萄糖上的羟基反应性质类似于游离醇，容易发生酯化、醚化等取代反应；另外，其羟基上的氧原子也易与金属离子络合，形成淀粉-金属络合物.近年来，淀粉金属衍生物越来越受到人们的重视，在医疗上得到广泛的应用.如淀粉-Bi(Ⅲ)和淀粉-Bi(Ⅴ)络合物，在皮肤病治疗和放射性治疗对照中被用作辅助性物质[2]；淀粉铝衍生物用于治疗胃溃疡和皮肤病[3]；淀粉铜复合物有利于加速局部伤口愈合和作为头发生长刺激剂[4].锌是人和动物必需的重要微量元素之一，在基因的表达调控、细胞分化与繁殖、免疫、机体生长及新陈代谢等生命过程起着非常重要的作用，缺锌严重影响人体健康.目前市场上的一些补锌产品对肠胃有副作用，消化吸收率低，成本过高难以普及，不能达到人们对补锌产品的期望.以大米淀粉为原料与乙酸锌反应制备的淀粉锌络合物可作为锌营养强化剂，其成本低廉，易被人体消化吸收，安全性也较高，可作为新型补锌产品.目前关于淀粉与锌的络合作用的研究报道较少，锌与淀粉的络合能力相对较弱，络合量一般不高，锌的利用率低，相关工作有待进一步研究.

脉冲电场技术是一种新兴的食品非热加工技术，它具有处理时间短、温升小、能耗低、灭菌效果显著、能有效保护食品营养成分等特征，现已广泛地应用于食品的杀菌和钝酶.近年来，采用高强脉冲电场进行化学反应强化及大分子修饰的研究也越来越多.有研究表明，脉冲电场处理可提高蛋白质的溶解性、乳化性及起泡[5- 6]，改变氨基酸的极性和电负性、提高氨基酸螯合金属离子的效率[7]，降低玉米淀粉相对分子质量，破坏其结晶区[8]；可促进木薯淀粉与乙酸酐的酯化反应效率，提高木薯醋酸酯淀粉的取代度[9].笔者以大米淀粉为原料，研究脉冲电场对大米淀粉与锌的络合反应的影响，以期为制备淀粉-锌离子络合物开辟新的强化途径.

1 材料与方法

1.1 实验材料

大米购于广州市某超市，淀粉含量75.67%，蛋白质含量7.01%，水分含量13.36%，脂类含量1.13%，灰分0.32%；大米淀粉参考Yamamoto等[10]方法提取，淀粉含量89.42%，蛋白质含量0.87%，水分含量9.68%；乙酸锌，产自广州化学试剂厂，分析纯.

1.2 仪器与设备

SY-Z-500型脉冲电场，由华南理工大学脉冲电场课题组自制；高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；DDS-11A型数显电导率仪，上海雷磁创益仪器仪表有限公司；日立Z-2000型塞曼原子吸收分光光度仪，日本日立公司；VECTOR33型红外光谱仪(FT-IR)，德国Bruker公司；ESCALAB 250i型光电子能谱仪(XPS)，美国赛默飞世尔；XL-30型扫描电镜(SEM)，荷兰FEI公司；D/max2200X型射线衍射仪(XRD)，日本理学株式会社.

1.3 实验方法

1.3.1 大米淀粉锌络合物的制备

称取10.00 g(干基)大米淀粉于500 mL的烧杯中，加入0.001 mol/L的乙酸锌溶液200 mL，配制成大米淀粉悬浊液，测得其pH值为6.85，电导率为226 μS/cm.接着将淀粉悬浊液通过蠕动泵以100 mL/min的流量泵入脉冲电场处理室中，保持脉冲波数不变，脉宽为40 μs，脉冲电场强度为0.0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 kV/cm；同理，保持电场强度不变，脉冲波数为0、180、360、540、720、900，反应温度为 40 ℃.反应完成后，将淀粉悬浊液真空抽滤，用蒸馏水或无水乙醇洗涤至无游离锌，然后将产物置于 45 ℃烘箱中24 h，烘干后的样品放于干燥皿中，留待分析测试用.

1.3.2 络合物中锌含量的测定

称取大米淀粉锌络合物1.00 g左右，经HNO3-HClO4消解，用原子吸收分光光度法测定样品消解液的吸光度.

1.3.3 表面光学特性分析

用导电双面胶将少量已干燥的样品均匀地粘在样品台上，在真空条件下喷金，然后固定在载物台上并标号，再将样品放入样品室中，在显微镜下观察淀粉颗粒形貌，拍摄具有代表性的形貌照片．

1.3.4 红外光谱分析

称取约2 mg样品，在红外灯下，与干燥的KBr粉末一起研磨均匀后，装入模具抽真空压制成片;然后将压制的KBr压片装入样品架上，进行红外光谱全波段扫描，绘制红外光谱图.

1.3.5 X射线光电子能谱分析

将干燥好的样品均匀撒在铺有导电胶的铝箔上，盖上一片铝箔，用液压机压平，用剪刀剪成边长为 2 mm的正方形，揭开上层铝箔放入分析室.激发源为MgKa(光子能量为1 253.6 eV，线宽为0.7 eV)，功率为300 W，系统真空度优于1.0×108，在透过能为29.350 eV的条件下测试，分析结果图谱以Cls的结合能(285.0 eV)为基准进行校正.

1.3.6 X射线衍射分析

采用连续扫描法，扫描速率为 6 ℃/min，扫描范围为 4～45 °，步长为0.08，管压管流分别为 30 kV 和30 mA.相对结晶度为结晶区峰面积与总面积的比值.结晶区的划分法参考文献[11].

2 结果与讨论

2.1 大米淀粉锌络合物的制备

2.1.1 脉冲电场强度对大米淀粉锌络合物锌含量的影响

图1给出了乙酸锌浓度为0.001 mol/L、脉冲波数为360时不同电场强度处理下大米淀粉锌络合物锌含量的变化.从图1中可知，随着电场强度增大，淀粉锌络合物锌含量先增大后减小，在7.5 kV/cm处达到最大值(738.62 mg/kg)，当电场强度大于10 kV/cm时，锌含量趋于平衡.这是由于脉冲电场能促进化学反应进行，反应速率随着电场强度增大而增大，场强越大，反应活化能降低得越多[12- 13].当电场强度增大至7.5 kV/cm时，淀粉锌络合物锌含量迅速增大.一方面，因为脉冲电场处理降低了络合反应活化能，使得反应速率和配合量增加；另一方面，在高电位差并不断改变电场方向的作用下，离子运动加速，锌离子与配位基团的有效碰撞增加，提高了反应速率[14- 15]；当电场强度升到10 kV/cm时，锌含量降低到685.86 mg/kg，这可能是因为锌与大米淀粉的配合反应是一个平衡反应，反应体系中存在副反应，较高的电场强度对分解反应的促进作用大于合成反应的促进作用，从而导致锌含量达到最大值后下降；继续增加电场强度，锌含量变化不大，由扫描电镜图(见图3)可知，随着电场强度不断增大，更多的淀粉颗粒表面被破坏，分子之间的氢键断裂，锌离子与淀粉颗粒的接触面及其深入颗粒内部发生反应的几率增加，从而使整个反应体系达到平衡.

图1 电场强度对大米淀粉锌络合物锌含量的影响

Fig.1 Effect of PEF strength on Zn content of rice starch-Zn complex

2.1.2 脉冲波数对大米淀粉锌络合物锌含量的影响

根据不同电场强度下锌含量的的变化，电场强度选为5.0、7.5、10 kV/cm，乙酸锌浓度为 0.001 mol/L，探究脉冲波数对大米淀粉锌络合物锌含量的影响.由图2可知，随着反应脉冲波数的增多，各个场强处理中锌含量均是先增加后趋于平缓，脉冲波数为180时，锌含量急速增加，脉冲波数达到360时，再继续提高脉冲波数锌含量变化不大.延长脉冲处理时间，会造成耗能增加，成本增大，综合考虑采用脉冲波数为360.无电场处理条件下，淀粉与乙酸锌作用缓慢，延长反应时间能增加淀粉与锌的接触几率，一定程度上增加络合物中锌含量，但其制备耗时长，效果差；经电场处理后，锌离子在电场的作用下，在淀粉表面快速移动，与配位基团的碰撞次数增大，同时其反应活化能降低，淀粉与锌反应速率加快，使得淀粉锌的制备时间大大缩短.

图2 脉冲波数对大米淀粉锌络合物锌含量的影响

Fig.2 Effect of pulsed wave number on Zn content of rice starch-Zn complex

2.2 大米淀粉锌络合物颗粒的形态

由扫描电镜图(见图3)可知，大米淀粉颗粒均呈棱角分明的多面型，颗粒表面平整光滑.经脉冲电场处理后，在低电场(2.5 kV/cm)条件下，大米淀粉的形状和大小没有发生改变，在5.0 kV/cm时，淀粉颗粒表面开始出现凹坑和裂痕，继续增大电场强度时，淀粉颗粒表面出现更多的凹坑，研究表明，淀粉颗粒内外层结构并不相同，外层部分排列比较松散，内层部分排列紧密[16].在脉冲电场作用下，淀粉颗粒表面聚集大量离子，随着电压的升高，产生瞬间高压，淀粉颗粒表面被破坏[17- 20].大米淀粉颗粒经过脉冲电场处理后，表面结构被破坏，形成较多的孔洞和凹坑，增大了锌离子与淀粉颗粒的接触面积，即有效碰撞的概率增大了，淀粉锌络合物锌含量随之增大.

2.3 红外光谱分析

图4为大米原淀粉和脉冲波数为360时不同电场强度处理的大米淀粉锌络合物的红外光谱图.由图4可知，样品的红外图谱吸收峰基本结构相同，说明原淀粉、淀粉锌络合物的化学结构相同，电场处理未改变其化学结构.大米淀粉与乙酸锌作用主要影响羟基的伸缩振动.在 3 370.49 cm-1附近有宽而强的吸收峰，为氢键缔合的O—H伸缩振动.对比原淀粉，0 kV/cm电场处理的淀粉锌络合物由原淀粉的羟基伸缩振动3 370.49 cm-1红移至3 363.74 cm-1，说明锌与大米淀粉羟基相互作用，OH上的O原子将其一部分电子给了Zn，其电子云密度降低，O—H键力常数减弱，所以振动向低波数方向移动；而5.0、10.0、 15.0 kV/cm电场处理的淀粉锌络合物分别移动到3 371.79、3 376.28、3 379.17 cm-1.可能因为淀粉分子间形成的氢键使电子云密度平均化，伸缩振动频率向低波数方向移动；锌离子与羟基的配位和电场对淀粉颗粒表面分子的破坏，阻碍了淀粉分子间氢键的形成，使振动频率向高波数移动，且电场强度越高，破坏分子间的氢键越多，O—H伸缩振动向高波数移动越多.

图3 大米淀粉锌络合物的扫描电镜图

Fig.4 FT-IR patterns of rice starch-Zn complex with PEF treatment

2.4 X射线光电子能谱分析

图5-8分别是大米原淀粉和电场场强为7.5 kV/cm 时制备的大米淀粉锌络合物的XPS图，其中图6(a)、(b)、图7(a)、(b)是O和C的结合能分别在528～538 eV和280～295 eV经过高斯分析的高分辨图谱，图8是Zn的结合能在1 010～1 050 eV的高分辨图谱.

由图5 (a)和表1可知，大米淀粉表面主要成份是碳和氧，分别占总量的62.26%、36.86%， 其中C有3个不同的峰，分别代表淀粉分子中的—C—C—和—C—H，—C—O—以及—O—C—O—三种不同碳键的特征峰，依次为284.51、286.16、287.61 eV，O的特征峰位于532.64 eV.图6(b)淀粉锌络合物中的Ols中有两个不同的峰，分别位于532.69、533.57 eV，表明络合物中有两种不同的化学环境的O原子.一种氧原子的结合能为532.69 eV，与大米原淀粉中氧原子的结合能(532.64 eV)相近，另一种氧原子结合能(533.57 eV)较大米原淀粉中氧原子的结合能(532.64 eV)升高了0.93 eV.而其Zn2p结合能位于(1 021.74 eV、1 044.31 eV)，较MgKa激发下Zn元素的光电子峰结合能(1 022 eV、1 045 eV)有所降低.可能是淀粉分子上的氧原子的孤对电子部分转移到Zn原子上，氧原子上的负电荷减少，结合能升高，而Zn从氧原子上得到电子，Zn的负电荷增加，结合能降低.有文献报道，淀粉络合物的Ols峰位置和特性变化对于说明化合物结构变化非常重要[21]，因此可以认为淀粉与锌盐发生了配位反应， 并非纯粹的吸附.此外大米淀粉与乙酸锌反应会影响C原子的电子分布.由图7和表1可知，大米淀粉锌络合物中C的3种峰的结合能与大米原淀粉结合能相近，但大米原淀粉经过络合反应后，淀粉锌络合物的半峰宽、峰面积、元素相对含量均发生变化.可见大米淀粉与乙酸锌反应会影响C原子的电子分布.

图5 大米原淀粉与及其锌络合物的表面分析宽谱图

Fig.5 Wide spectra of rice starch and rice starch-Zn complex

表1 大米原淀粉与大米淀粉锌络合物的XPS图谱数据表

图6 大米原淀粉与大米淀粉锌络合物Ols高分辨图谱

Fig.6 Gaussian analysis of O1s peaks of rice starch and rice starch-Zn complex

图7 大米原淀粉与大米淀粉锌络合物Cls高分辨图谱

Fig.7 Gaussian analysis of C1s peaks of rice starch and rice starch-Zn complex

图8 大米淀粉锌络合物Zn2p高分辨图谱

Fig.8 Gaussian analysis of Zn2p peaks of rice starch-Zn complex

2.5 X射线衍射图谱分析

图9为大米淀粉和脉冲波数为360时不同电场强度处理的淀粉锌络合物的XRD衍射图.样品在15°、17°、18°、23°时均有出峰，是典型的A型淀粉，其峰强度随着电场强度增加而减弱，相对结晶度随着锌含量增大而减小，对比原淀粉的相对结晶度34.24%，电场强度为0、5、10、15 kV/cm时的相对结晶度依次减小为32.12%、30.08%、28.5%、26.8%.

产生上述结果的原因为：一方面，锌离子与淀粉分子中的羟基配位，限制了淀粉分子的活动能力，分子链间的氢键减弱，破坏了原淀粉结构的规整性，无定形区比例相对增加，但是淀粉晶型结构没有明显变化.另一方面，淀粉的结晶区域是连续的超分子螺旋结构的支链淀粉组成[22]，随着电场强度的增加，淀粉颗粒的外层被破坏，支链淀粉分子断裂，从而导致淀粉结晶区的破坏和相对结晶度的降低.

图9 大米原淀粉和PEF处理下大米淀粉锌络合物的XRD衍射图

Fig.9 XRD patterns of rice starch and rice starch-Zn complex with PEF treatment

3 结论

大米淀粉与乙酸锌溶液在不同电场条件处理下得到大米淀粉锌络合物，对其锌含量及其结构特性进行测定.结果表明，随着电场强度的增加，锌含量增加.通过红外光谱和X射线光电子能谱仪对淀粉锌络合物的结构分析，证实了锌离子与大米淀粉分子上羟基中的氧原子发生了配位反应，形成了络合物.扫描电镜和X射线衍射仪对络合物的形貌和结构的研究表明，淀粉颗粒表面出现比较多的凹坑和小洞，相对结晶度降低，结晶区被破坏.这说明脉冲电场处理后，有利于锌离子进入淀粉颗粒内部结晶区域与其淀粉分子发生反应，提高络合物中锌含量.

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Effects of Pulsed Electric Field on Preparation and Structure of Starch-Zn Complex

CHENShan1，2,3XIEZheng1，2HONGJing2ZENGXin-an2HANZhong2,3

(1. Center for Sugar Engineering and Technology Research, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China;2. School of Food Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong,China;3.Guangdong Province Key Laboratory for Green Processing of Natural Products and Product Sefety,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China)

At various pulse electric field (PEF) strength (0.0, 2.5, 5.0, 7.5, 10.0 and 12.5 kV/cm) and pulse wave number (0, 180, 360, 540, 720 and 900), rice starch-Zn complex was prepared via the reaction of rice starch with zinc acetate (0.001 mol/L), and the Zn content in the complex was determined, finding that, under the optimal conditions for preparing rice starch-Zn complex, namely a PEF strength of 7.5 kV/cm and a pulse wave number of 360, the zinc content of the sample increases from 468.24 mg/kg to 738.62 mg/kg, which means that PEF can promote the reaction of Zn with starch. Besides, the optical characteristics and structural properties of rice starch-Zn complex were investigated by means of SEM, IR, X-ray photoelectron spectrometry and XRD. The results show that zinc acetate reacts with the hydroxyl groups of glucose units on rice starch; and that, with the increase of PEF strength and pulse number, the surface of rice starch particle is damaged, the relative degree of cry-stallinity is decreased, the coordination reaction is promoted and the amount of rice starch-Zn complex is increased.

pulsed electric field; rice starch; starch-Zn complex; structure

2016- 05- 03

广州市科技计划项目(201610010104);国家自然科学基金资助项目(31301559,21376094) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China (31301559,21376094)

陈山(1968-)，男，教授，博士生导师，主要从事大分子物质定向控制技术与功能研究.E-mail:chen-shan@foxmail.com

†通信作者: 韩忠(1981-)，男，副研究员，主要从事食品绿色加工研究.E-mail：fezhonghan@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)03- 0125- 07

TS 235.1

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.03.018