木薯淀粉的可控去结晶化研究

樊艳叶,杨 慧,廖安平,刘 涛,周丽红,曾艺君,林日辉,*,廖 威

(1.广西民族大学化学化工学院,生物转化与过程反应重点实验室,广西南宁 530006;2.广西民族大学化学化工学院,广西多糖材料与改性重点实验室培育基地,广西南宁 530006;3.广西民族大学相思湖学院,广西南宁 530006;4.广西职业技术学院,广西南宁 530006)

木薯淀粉是三大薯类淀粉之一,与其它淀粉相比,其资源丰富、价格低廉、淀粉含量高,还具有粘度高、渗透力强及成膜性好等特性,被广泛应用于食品、化工、医学等领域[1]。然而,木薯淀粉存在耐高温、耐酸性差等缺点，限制了其在更多领域的应用,因此对木薯淀粉进行改性研究,具有重要的意义[2]。酯化改性是淀粉改性常用的一种方法,但由于淀粉存在以氢键为主要作用力的结晶区[3-4],导致原淀粉的酯化反应取代度较低[5-7]。李贺等[8]报道利用氢氧化钠/尿素混合水溶液对木薯淀粉进行活化预处理,能够破坏淀粉结晶区,降低淀粉结晶度，可以提高淀粉的反应活性,从而提高酯化反应取代度。目前关于淀粉去结晶化方法的报道比较多,Liu等[9]报道了在中等浓度的醇水两相溶剂中可加热制备非晶化淀粉;徐立宏等[10]利用醇碱液处理淀粉,获得完全非晶化淀粉。然而这些报道主要集中在如何直接获得完全非晶化的淀粉,而对于如何有效地控制淀粉去结晶化的程度的研究则相对较少。本文利用90%乙醇作为溶剂,采用高温醇碱法处理木薯淀粉,通过单因素试验探讨了不同碱浓度、温度、时间以及料液比对木薯淀粉去结晶化的影响,以探索木薯淀粉可控去结晶化的优化条件,为后续的木薯淀粉酯化改性工作研究,以及木薯淀粉去结晶过程和重结晶过程的机理研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

木薯淀粉 食品级,广西岑溪市三角淀粉有限责任公司;氢氧化钠 分析纯,成都金山化学试剂有限公司;无水乙醇 分析纯,成都市科隆化学品有限公司。

MiniFlex600型X射线衍射仪 日本理学公司;HJ-3型数显恒温磁力搅拌器 常州国华电器有限公司;AL104型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;SHB-III型循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司;反应釜 30 mL平盖式，西安仪创实验室仪器设备有限公司;WGLL-65BE型电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 可控去结晶化淀粉的制备 称取一定量木薯淀粉置于反应釜中,加入一定体积的醇碱液,将反应釜放到电热鼓风干燥箱中,开启电源,设置一定的温度与时间进行淀粉去结晶化反应。待反应结束后,冷却,真空抽滤取滤饼,用85%乙醇洗涤三次,再用无水乙醇洗涤两次,置于室温(30±1) ℃,自然晾干得去结晶淀粉供后续分析。每个反应条件设置3个平行,结晶度计算取平均值。

1.2.2 碱浓度对木薯淀粉去结晶化的影响 配置碱浓度为0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 mol/L的90%乙醇碱溶液,在温度为120 ℃,时间为4 h,料液比为1∶15 (g∶mL)的条件下进行木薯淀粉去结晶化处理,所得产品进行X-射线衍射分析。

1.2.3 处理温度对木薯淀粉去结晶化的影响 设置温度为110、120、130、140、150 ℃,在碱浓度为0.75 mol/L的90%乙醇碱溶液,时间为4 h,料液比为1∶15 (g∶mL)的条件下进行木薯淀粉去结晶化处理,所得产品进行X-射线衍射分析。

1.2.4 处理时间对木薯淀粉去结晶化的影响 设置时间为2、3、4、5、6 h,碱浓度为0.75 mol/L的90%乙醇碱溶液,温度为120 ℃,料液比为1∶15 (g∶mL)的条件下进行木薯淀粉去结晶化处理,所得产品进行X-射线衍射分析。

1.2.5 料液比对木薯淀粉去结晶化的影响 设置料液比为1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25,碱浓度为0.75 mol/L的90%乙醇碱溶液,温度为120 ℃,时间为4 h的条件下进行木薯淀粉去结晶化处理,所得产品进行X-射线衍射分析。

1.2.6 X-射线衍射分析 实验条件:Cu(ka)射线,Ni片滤波,电压40 kV,电流15 mA,扫描步长为0.02 °,扫描速率为8 °/min,扫描范围2θ为4～30 °[11]。采用 Origin 9.0 统计软件对衍射实验结果进行作图。利用MDI Jade 6.0 软件,计算可控去结晶化处理后的木薯淀粉的相对结晶度:

式中:Imax晶表示扣除背底的微晶区最大衍射强度;Imax总表示总的最大衍射强度。

1.3 数据处理

每个处理重复3次,所有实验结果表示为平均值±标准偏差。用Excel 2010进行显著性方差分析和线性相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同碱浓度对木薯淀粉的去结晶化的影响

碱浓度处理对木薯淀粉的影响的X射线衍射如图1。由图1可知,原木薯淀粉在15.08、17.16、17.83以及23.04 °附近出现四个强的衍射吸收峰,表明其晶体的结晶构型属于典型的A型[12-14]。与原木薯淀粉相比,去结晶化处理的木薯淀粉,其衍射吸收峰强度随着碱浓度的变化,表现出明显的规律性变化。当碱浓度为0.25 mol/L时,处理后的淀粉在2θ为14.98、17.10、17.86以及22.94 °处仍保留有四个衍射吸收峰,没有峰的消失或新峰的出现,说明该碱浓度下并没有改变淀粉的晶体结构类型,其晶型仍保持A型;当碱浓度为0.50、0.75 mol/L时,17.16 °处的衍射峰消失,其余三个衍射吸收峰的2θ角均随碱浓度的提高而下降，其中,碱浓度为0.75 mol/L,木薯淀粉的衍射吸收峰2θ为14.68、17.63和22.76 °,淀粉晶体结构被破坏,其晶型发生变化。当碱浓度为1.00 mol/L时,15.08和23.04 °处的衍射吸收峰消失,淀粉晶体结构破坏严重,丧失其原有晶型;进一步提高碱浓度至1.25 mol/L时,木薯淀粉的衍射吸收尖峰完全消失,整个衍射图呈现出平缓的拱形峰,其晶体结构已经完全遭到破坏,其晶型已经变为典型的无定形状态,此衍射图结果与孙丹丹等[15]报道的机械球磨制备非晶化木薯淀粉的相似。根据衍射图谱计算反应体系中碱浓度对木薯淀粉结晶度影响的结果见表1。可见,随着碱浓度的增大,木薯淀粉的衍射吸收峰的衍射强度不断减弱,总结晶度不断降低。上述结果表明,碱浓度可极显著影响木薯淀粉可控去结晶化(p<0.01),其对木薯淀粉的相对结晶度的影响具有很强的负相关性(r=-0.97),且可影响木薯淀粉晶型的变化程度。碱对淀粉的作用机制可以解释为淀粉是一种弱离子交换剂,当淀粉分子与碱作用时,淀粉分子上羟基基团的质子发生解离并在淀粉分子上留下负电荷,这些负电荷之间的相互排斥作用导致淀粉颗粒的膨胀,对邻近的淀粉分子微粒产生张力并趋向于使其扭曲,而进一步的溶胀导致双螺旋区域的解离以及晶体结构的破裂,结果使微晶结构被破坏[16]。

图1 不同碱浓度处理下木薯淀粉样品的X射线衍射图Fig.1 X-ray diffraction patterns of cassava starch samples treated with different alkali contents

碱浓度(mol/L)总累积衍射强度Imax总微晶区累积衍射强度Imax晶相对结晶度(%)原木薯淀粉910.00±2.00215.00±4.3623.63±0.490.25703.67±3.07144.33±2.8220.51±1.340.50639.33±4.14125.00±3.6119.55±0.030.75565.67±3.7272.33±2.2812.79±0.451.00493.00±2.1541.50±1.928.42±3.541.25437.33±2.310.000.00

2.2 不同温度处理木薯淀粉的X射线衍射分析

温度处理对木薯淀粉的影响的X射线衍射如图2。与原木薯淀粉相比,去结晶化处理的木薯淀粉,其衍射吸收峰强度随着温度的变化而变化,表现出与碱处理淀粉相似的变化规律。当温度为110、120及130 ℃时,17.16 °处的衍射吸收峰消失,其余三个衍射峰的2θ角与原木薯淀粉相比下降,其中,温度为110 ℃时,为14.92、17.63和22.97 °;温度为120 ℃时,为14.68、17.63和22.76 °;温度为130 ℃时,为14.88、17.59、22.90 °。淀粉的晶体结构被破坏,其晶型发生改变。温度为140、150 ℃时,15.08和23.04 °处的衍射吸收峰消失,淀粉的晶体结构破坏严重,其原有晶型丧失。根据衍射图谱计算反应体系中温度对木薯淀粉结晶度影响的结果见表2。可见,随着温度的增高,木薯淀粉的衍射吸收峰的衍射强度不断减弱,总结晶度不断降低。上述结果表明,温度也可极显著影响木薯淀粉的可控去结晶化(p<0.01),与碱浓度的影响相类似,处理温度对木薯淀粉相对结晶度的影响也具有很强的负相关性(r=-0.84),且影响其晶型的变化程度。温度对木薯淀粉的作用机制可以参照陈福泉等[17]的解释,即淀粉在醇水相中,低含量的水分(<30%)以及醇、水间形成氢键,造成水分活度低,进而抑制了水分子在淀粉内部对淀粉分子链之间氢键的破坏,而将温度增高到一定程度时,由于水分子运动加快,醇水之间的氢键断裂,水分活度增强,水分子在淀粉颗粒中破坏淀粉分子链之间的缔合状态,淀粉颗粒内部的结晶区和无定形区链分子之间的氢键断裂,使得淀粉颗粒内部结晶结构被破坏。温度越高,水分活度越强,对淀粉颗粒的破坏也越强烈。

图2 不同处理温度下木薯淀粉样品的X射线衍射图Fig.2 X-ray diffraction patterns of cassava starch samples treated with different temperatures

温度(℃)总累积衍射强度Imax总微晶区累积衍射强度Imax晶相对结晶度(%)原木薯淀粉910.00±2.00215.00±4.3623.63±0.49110649.00±4.55130.67±1.0120.13±1.22120565.67±3.7272.33±2.2812.79±0.45130554.33±3.6576.33±4.5013.77±0.97140491.33±2.5040.67±5.898.28±0.29150519.00±2.4431.00±3.005.97±1.65

2.3 不同时间处理木薯淀粉的X射线衍射分析

时间处理对木薯淀粉的影响的X射线衍射如图3。与原木薯淀粉相比,去结晶化处理的木薯淀粉,其衍射吸收峰强度表现出独特的变化规律。经过不同时间处理的木薯淀粉,17.16 °处的衍射吸收峰均消失,其余三个衍射吸收峰的2θ角均下降,但下降的幅度有所差异,具体表现为:时间为2 h时,木薯淀粉的衍射吸收峰在2θ为14.97、17.70和22.75 °;3 h时,为14.97、17.62和22.67 °;4 h时,为14.68、17.63和22.76 °;5 h时,为15.13、17.70和22.67 °;6 h时,为14.97、17.78和22.83 °。说明不同的处理时间,木薯淀粉的晶体结构受到破坏的程度相差不大,其晶型都保持在同一类型。根据衍射图谱计算反应体系中处理时间对木薯淀粉结晶度影响的结果见表3。可见,随着处理时间的延长,木薯淀粉的衍射吸收峰强度先减弱后增强,总结晶度先下降后上升。上述结果表明,时间对木薯淀粉可控去结晶化影响不显著(p>0.05),其对木薯淀粉结晶度的影响是非线性的(r=-0.02),且难以控制其晶型的变化程度。时间因素对木薯淀粉可控去结晶化的影响主要是随着时间的延长,高温体系中的水分子逐渐被活化至某一时间点完全被活化,淀粉的结晶区逐渐被破坏,因此结晶度下降。继续延长时间,已经没有可活化的水分子继续破坏淀粉结晶区,但体系一直处于高温状态,因此热能可使之前被破坏的结晶区淀粉链与无定形区的淀粉链处于非常活跃的状态,从而发生链淀粉与链淀粉之间的交互作用,使得分子链上的羟基相互作用形成氢键,产生新的双螺旋结构,形成新的结晶体,因而在X射线衍射图中显示为峰位加强,结晶度上升[17]。

图3 不同处理时间下木薯淀粉样品的X射线衍射图Fig.3 X-ray diffraction patterns of cassava starch samples treated at different time

2.4 不同料液比处理木薯淀粉的X射线衍射分析

料液比处理对木薯淀粉的影响的X射线衍射如图4。与原木薯淀粉相比,去结晶化处理的木薯淀粉,其衍射吸收峰强度的变化规律与时间处理的相类似。经过不同料液比处理的木薯淀粉,17.16 °的衍射吸收峰均消失,其余的三个衍射峰的2θ角均下降,但下降的幅度有所差异,具体表现为:料液比为1∶5 (g∶mL)时,为14.88、17.69和22.82 °;1∶10 (g∶mL)时,为14.81、17.62和22.75 °;1∶15 (g∶mL)时,为14.68、17.63和22.76 °;1∶20 (g∶mL)时,为14.64、17.62和22.75 °;1∶25 (g∶mL)时,为14.97、17.87和22.83 °。说明不同的料液比,木薯淀粉的晶体结构受到破坏的程度是相似的,其晶型都保持在同一类型。根据衍射图谱计算反应体系中料液比对木薯淀粉结晶度影响的结果见表4。可见,随着料液比的增大,木薯淀粉的衍射吸收峰强度先减弱后增强,总结晶度先下降后上升。上述结果表明,料液比可显著影响木薯淀粉可控去结晶化(p<0.05),其对木薯淀粉结晶度的影响是非线性的(r=0.14),但不能有效控制淀粉晶型的变化程度。料液比对木薯淀粉的影响主要是通过碱、水分及乙醇这三者对木薯淀粉形成的两种相反作用力的相互抗衡而起作用[18]。碱对木薯淀粉具有破坏作用,而在不改变热量使水分活化的前提下,低含量的水分则会与乙醇形成氢键,其对木薯淀粉具有保护作用。

料液比(g∶mL)总累积衍射强度Imax总微晶区累积衍射强度Imax晶相对结晶度(%)原木薯淀粉910.00±2.00215.00±4.3623.63±0.491∶5689.50±5.65129.00±3.9718.71±1.531∶10611.67±3.73112.00±2.0018.31±0.051∶15565.67±3.7272.33±2.2812.79±0.451∶20607.33±2.1495.00±1.0115.64±1.501∶25563.00±5.5296.00±3.8217.05±1.36

3 结论

利用高温醇碱法可制备可控去结晶化木薯淀粉。碱浓度及温度可极显著影响木薯淀粉的可控去结晶化(p<0.01),体系的碱浓度由0.25 mol/L增大到1.25 mol/L,可有效控制木薯淀粉的晶型由A型转变为无定形状态,其相对结晶度从23.63%逐渐降至0;处理温度由110 ℃增加到150 ℃,可有效控制木薯淀粉的晶型由A型转变为趋于无定形状态,其相对结晶度由23.63%降至5.97%。通过调节体系的处理时间(2～6 h)、料液比(1∶5～1∶25)均能够有效控制木薯淀粉的相对结晶度先降低后增高,但难于控制其晶型的变化。碱浓度、处理温度对木薯淀粉去结晶化过程中相对结晶度的影响具有很强的负相关性(r<-0.80),而处理时间和料液比的影响则是非线性的(r≈0)。