预处理对氧化淀粉性质的影响

2018-08-10卢瑞蔺旺梅抗新新李祥

食品与发酵工业 2018年7期

卢瑞，蔺旺梅，抗新新，李祥

(陕西科技大学化学与化工学院，陕西西安,710021)

淀粉是一种价格低廉、可生物降解、对环境友好的天然可再生资源。在能源匮乏的当代，人们追求低碳环保，因此，以淀粉为原料的绿色化学品脱颖而出，其市场前景广阔[1]。但是淀粉存在水溶性差、降解困难等缺点，限制了其在工业生产上的进一步应用，通过改性制成的淀粉衍生物，可以提高淀粉的应用性能[2-6]。

在众多改性淀粉中，氧化淀粉由于在原淀粉的基础上引进了羧基和羰基[7]，且分子解聚，分子体积小，具有生物可降解性、成膜性好、黏度小、糊化温度低、老化程度低等优良特性[8-10]，被广泛应用在造纸、纺织、建筑、包装、废水处理、食品等领域[11]。然而氧化不均匀，氧化度低是淀粉氧化的瓶颈问题，这将直接影响产品的性能及应用。

淀粉颗粒是由复杂的结晶区和非结晶区组成，结构紧密的结晶区会限制氧化试剂向淀粉分子中渗透，从而导致淀粉的改性反应效率低[12]。预处理可以破坏淀粉的结晶结构，提高反应效率，强化氧化进程，从而优化氧化淀粉的性能，得到理想的结果。目前淀粉的预处理方法主要有物理法、化学法和生物降解法，如糊化、挤压、辐射、超声波、氧化、酸解和酶解等[13-14]。SHARIFFA等[15]在温热的条件下，用一定比例混合的真菌α-淀粉酶和糖化酶对木薯淀粉和甘薯淀粉进行酶降解，结果发现水解热处理法能有效地破坏淀粉的结晶结构，可促使氧化剂更易进入淀粉，提高氧化效率；HUANG等[16]采用机械处理法对木薯淀粉和玉米淀粉进行活化，从内部强化淀粉，提高了淀粉的氧化反应活性，改善了淀粉的氧化效果；HORNUNG等[17]通过过氧化氢结合紫外线辐射对淀粉颗粒进行处理，发现氧化淀粉黏度、结晶度、颜色参数均降低；王丽萍等[18]研究了超声对氧化淀粉性质的影响，发现随超声频率及时间的增大，氧化淀粉的结晶度、黏度、糊化温度下降，直链淀粉含量逐渐增加；谭义秋等[19]研究了机械活化预处理对木薯氧化淀粉理化性质的影响，发现随着机械活化时间的延长，氧化淀粉的溶解度、透明度、凝沉性增大，表观黏度、冻融稳定性减弱。

1894年，法国化学家FENTON首次发现有机物在H2O2与Fe组成的混合溶液中能被迅速氧化，当时很多已知的有机化合物如羧酸、醇、酯类均可被氧化。后人将这种混合溶液称为Fenton试剂或芬顿试剂。它是一种无污染的氧化剂，反应后分解为氧气和水，但其氧化效率低[20]。本文以马铃薯淀粉为原料，对其先进行预处理，以淀粉结晶度为评价指标，探究温度、时间、pH对淀粉结构的影响，再用芬顿试剂氧化得到氧化淀粉。旨在提高淀粉的氧化度，并探究了预处理对氧化淀粉性质的影响。证明氧化前对淀粉进行预处理的必要性。以期为氧化淀粉的进一步开发与应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

NaOH、HCl，均为分析纯，购于天津市河东区红岩试剂厂；马铃薯淀粉,购于固原红峰淀粉有限公司。

1.2 仪器与设备

PB-10 pH酸度计，北京塞多利斯仪器有限公司；HH-2恒温水浴锅，国华电器有限公司；101-1B电热鼓风干燥箱，上海-恒科学仪器有限公司；723N可见分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司；VECTOR-22傅立叶红外光谱仪，Bruker公司；NDJ-5S数字旋转黏度计，西安大福实验仪器有限公司；CS995差示扫描量热仪，无锡杰博电气科技有限公司；XRD-6100 X射线衍射仪，普析通用仪器有限责任公司；S-4800场发射扫描电子显微镜，日立公司。

1.3 实验方法

1.3.1 单因素实验

称取50 g淀粉，加150 mL蒸馏水调制成淀粉乳，在温度为30、40、50、60、70 ℃的条件下，调节体系pH为4、5、6、7、8、9、10搅拌反应1、2、3、4、5 h。再在50 ℃的温度下向淀粉乳中加入0.15 g FeSO4、20 mL H2O2进行氧化反应，期间保持体系的pH值为10，反应4 h后，抽滤，在60 ℃下烘干至恒重，研磨成粉。另取50 g淀粉不进行预处理直接按上述氧化条件得氧化淀粉作对比。以淀粉结晶度和淀粉保留率为评价指标，淀粉保留率按公式(1)计算：

(1)

式中：W，淀粉保留率，%；m，预处理后淀粉质量，g；M，预处理前淀粉质量，g。

1.3.2 验证实验

取3份50 g的淀粉，加150 mL蒸馏水调制成淀粉乳，在50 ℃下，调节体系pH值为10，搅拌反应3 h。后续氧化处理同上，测定淀粉的结晶度。

1.4 结构表征

扫描电镜分析：取少量待测样品用电子扫描显微镜拍照分析，研究淀粉颗粒的整体外观及表面形貌的变化。

X-射线衍射分析：取少量待测样品进行XRD分析，测样条件为：Cu-Ka射线，石墨单色器，扫描范围2θ=5～60°，研究淀粉颗粒结晶结构和结晶度的变化。

红外光谱分析：取少量待测样品用傅里叶变换红外光谱仪进行测试，分辨率为4 cm-1，扫描32次，扫描波数400～4 000 cm-1，研究淀粉颗粒的化学结构变化。

1.5 性能分析

差示扫描量热(DSC)分析：将待测样品配成30%的淀粉浆液，平衡时间2 h，用20 μL微量移液器移取(8.5±0.2)mg淀粉浆液置于铝碟中，在差示扫描量热仪上分析，升温范围40～100 ℃，升温速率10 ℃/min，环境为高纯氮，流量为30 mL/min，研究淀粉糊化特性变化[21]。

淀粉糊黏度测定：将10 g待测淀粉样品与200 mL蒸馏水混合均匀，加热使其充分糊化，再冷却至25 ℃，用NDJ-8S数字显示黏度计测定氧化淀粉糊的黏度[22]。室温下，将旋转黏度计的转子浸人淀粉糊中，采用NO.4转子以12 r/min的剪切速度转动，转子上端不应露出浆液面，下端不应碰到底，等待黏度示数稳定后，即可读数，得到黏度值。

淀粉糊溶解度的测定：参照文献[23]进行。

淀粉糊透明度的测定：将待测淀粉样品配成1%的淀粉乳液，取50 mL淀粉乳液于100 mL烧杯中，加热使其充分糊化并保温15 min，冷却至室温，以蒸馏水作空白，在波长620 nm处测透光率[24]，以透光率表示淀粉糊的透明度，透光率越高，糊的透明度越高。

淀粉糊冻融稳定性测定：参照文献[25]进行。

淀粉糊霉变性测定：将待测淀粉样品配制为10%的淀粉乳，在95 ℃水浴中加热，完全糊化后，冷却到室温，放置称量皿中，观察霉点开始出现的时间[26]。

羧基含量测定：参照文献[27]进行。

2 结果与分析

2.1 预处理条件对淀粉结晶度的影响

2.1.1 单因素实验

2.1.1.1 pH值对淀粉结晶度的影响

由图1可以看出pH对淀粉结晶度影响显著，在酸性条件下，pH越小，结晶度越大，究其原因，可能是随着pH变小，一方面体系提供质子的能力增强，有利于氢键的形成，淀粉分子链之间的氢键作用增强，另一方面酸先攻击非结晶区，非结晶区淀粉链的分离允许部分链重排，形成更完美的结晶结构，结晶度就会增大[28]。在碱性条件下，结晶度逐渐降低，这是因为维持淀粉晶型稳定的氢键遭到破坏。碱渗入淀粉颗粒的无定型区和晶格之间，破坏淀粉分子间的氢键，使得淀粉的结晶度降低[29]。由于碱性过强，会产生难处理的废碱液污染，所以综合考虑，pH值为10较好。

图1 pH值对淀粉结晶度的影响Fig.1 Effect of pH value on crystallinity of starch

2.1.1.2 温度对淀粉结晶度的影响

由图2看出，淀粉经过加热处理后其结晶度均比原淀粉(20.62)小，淀粉的结晶度先随温度的升高而降低，50 ℃时结晶度最小。究其原因，主要是断开淀粉分子之间的氢键要吸收能量，体系温度升高，淀粉所获得的能量增加，使得淀粉中更多的氢键被打开，结晶度降低。温度超过50 ℃后，结晶度虽还在降低，但温度过高导致淀粉逐渐糊化，体系黏度开始增大，不利于反应继续进行。所以预处理温度50～60 ℃最合适。

图2 温度对淀粉结晶度的影响Fig.2 Effect of temperature on crystallinity of starch

2.1.1.3 时间对淀粉结晶度的影响

由图3可以看出，随着加热时间的增加，淀粉的结晶度逐渐减小，可能是预处理使得淀粉致密的表面结构和晶体结构受到破坏，产生晶格缺陷，结晶度下降。3 h后淀粉的晶体结构逐渐趋向于非晶化，所以结晶度变化不明显。综合考虑，3 h为淀粉预处理的最佳反应时间。

图3 时间对淀粉结晶度的影响Fig.3 Effect of time on crystallinity of starch

2.1.2 验证性实验

以单因素筛选的实验条件进行3次平行实验，测定淀粉结晶度的平均值为6.19，比单因素各实验结果低，说明该单因素筛选的条件较好。

2.2 结构表征

2.2.1 扫描电镜表征淀粉的形貌

通过SEM图可以看出，原淀粉(图4-a)颗粒为椭圆或圆形，表面光滑没有裂纹；预处理后的淀粉(图4-b)仍保持椭圆或圆形的形貌，但是表面粗糙、规整度差且表面低洼不平；氧化降解淀粉颗粒表面(图4-c)粗糙不平，部分淀粉颗粒表面出现凹陷或被腐蚀的痕迹，这可能是淀粉无定形区分子被氧化成水溶物而流失造成的疏松结构；预处理氧化淀粉颗粒(图4-d)的侵蚀由表面逐渐向内部穿透，颗粒有明显的破损裂纹，出现破面。

a-原淀粉；b-预处理淀粉；c-氧化淀粉；d-预处理氧化淀粉图4 淀粉的SEM图Fig.4 SEM images of starch

2.2.2 XRD表征淀粉的结晶结构

图5-a原淀粉在17°、22°处有较强的衍射峰，预处理淀粉(图5-b)、氧化淀粉(图5-c)、预处理后氧化淀粉(图5-d)和原淀粉特征谱线基本保持一致，说明其晶型相同，并且可推测，淀粉氧化的过程主要发生在淀粉的无定形区[30]。预处理淀粉、氧化淀粉和预处理氧化淀粉在17°、22°处衍射峰强度都有所降低，这是因为预处理和氧化作用破坏了淀粉原有的结晶结构，使得分子间作用力减小，淀粉规整性降低，产生晶格缺陷，结晶度降低，且预处理可以加强氧化的效果[31]。

a-原淀粉；b-预处理淀粉；c-氧化淀粉；d-预处理氧化淀粉图5 淀粉X射线衍射图Fig.5 XRD patters of starch

2.2.3 红外表征淀粉的结构

淀粉的红外谱图如图6所示，1 650 cm-1归属于典型的淀粉衍生物吸收峰[32]，1 370 cm-1附近处的吸收为淀粉亚甲基的C—H弯曲振动，1 158 cm-1，1 087 cm-1附近处的吸收峰为葡萄糖环C—O—C键的伸缩振动。1 000 cm-1附近吸收峰对应淀粉聚集态结构中的有序结构；900 cm-1附近是淀粉非晶区的特征峰，1 000 cm-1附近的吸收峰较大，而在900 cm-1附近的吸收峰很小，说明原淀粉结晶度很大[33]。图6-b和图6-c在1 000 cm-1和900 cm-1附近的峰减小，说明预处理和氧化改变了淀粉的结晶结构，减弱了淀粉分子间的氢键作用。由图6-a和图6-b可知，淀粉预处理前后，没有出现新的特征吸收峰，说明没有新的基团产生。而从图6-c和图6-d可以看出，在原淀粉图谱中的1 645 cm-1的水的弯曲振动峰移动到1 604 cm-1处，1 604 cm-1处是羧基的反对称伸缩振动吸收峰，归属羧基的特征吸收峰，说明淀粉经过氧化后，引入了羧基[34]。且该吸收峰逐渐加强，表明体系中羧基含量增加。推测预处理氧化淀粉的氧化程度高。

a-原淀粉；b-预处理淀粉；c-氧化淀粉；d-预处理氧化淀粉图6 淀粉红外光谱图Fig.6 IR spectrum of starch

2.3 性能分析

2.3.1 差示扫描量热(DSC)分析

在DSC测试过程中，淀粉外部形态经历了从颗粒态到糊化态的转变，从图7可看出，淀粉糊化峰向前推移，糊化温度逐渐降低，这是因为预处理和氧化反应打断淀粉链之间的氢键缔合，破坏淀粉致密的结晶结构，糊化容易进行，糊化温度降低。

a-原淀粉；b-预处理淀粉；c-氧化淀粉；d-预处理氧化淀粉图7 淀粉的DSC曲线Fig.7 DSC curves of starch

2.3.2 淀粉糊黏度测定

从表1可知，原淀粉糊黏度最大，预处理氧化淀粉糊黏度最小。淀粉在氧化过程中，淀粉结晶结构受到破坏，直链淀粉和部分支链淀粉断裂成较短的淀粉链并游离出来，分子质量变小，聚合度变小，则溶解度增大，黏度下降。且淀粉氧化程度越深，分子降解程度越大，淀粉糊黏度就越小[35]。则根据表中数据可知预处理氧化淀粉的氧化程度更深。

表1 淀粉糊的黏度Table 1 Viscosity of starch paste

2.3.3 淀粉糊溶解度的测定

由表2可知，原淀粉溶解度很小，只有0.72%，而预处理氧化淀粉溶解度最大。原因是淀粉被氧化后，在一定程度上破坏淀粉结晶构型，减小了氢键结合力，使分子降解，分子质量降低，这样游离水就更容易地渗入到淀粉分子内部[36]，同时淀粉氧化后生成亲水性基团羧基，方便了水对淀粉的渗透，预处理会增强氧化淀粉的氧化程度，使得羧基含量增大，水与淀粉结合容易，溶解度增大。

表2 淀粉糊的溶解度Table 2 Solubility of starch paste

2.3.4 淀粉糊透光率的测定

淀粉糊透光率变化如表3所示。在测试条件下，原淀粉透光率为86.9%，淀粉被氧化后，其糊液透光率增大，且透光率随氧化淀粉羧基含量的增大而增大[37]。原因是淀粉分子中引入羧基后，其空间排斥效应和静电效应阻碍了淀粉链相互凝聚成晶体的趋势，而且氧化提高了淀粉与水的结合力，使得淀粉分子充分地分散在水中，对光的反射和折射能力减弱，透明度就会增强[38]。即淀粉溶解度越大，其糊液透明度也越大。这与 2.3.3研究结果相一致。