乙酰化羟丙基复合改性玉米淀粉物化特性研究

赵 凯 雷 鸣 刘丽艳 李 君 刘 宁 杨春华 陈凤莲

(食品科学与工程省级重点实验室；哈尔滨商业大学，哈尔滨 150076)

淀粉作为一种可再生资源，广泛应用于食品工业，起到增稠、胶体稳定、凝胶形成等作用[1]。但是原淀粉自身存在一定的品质缺陷，如凝胶及糊的稳定性差；溶解、分散性差；糊及凝胶的透光率低；易老化等。食品工业的很多应用中需要对原淀粉进行改性处理，以改善其加工性能，提高糊及凝胶的稳定性；改善糊的透明性及凝胶光泽；引入疏水基团以提高乳化性；延缓老化等[2]。醚化及酯化处理是淀粉改性常用方法，其目的是在原淀粉中引入乙酰基、羟丙基等具有空间位阻作用的基团，改进淀粉的加工性能及后期的储藏稳定性[3,4]。

有关羟丙基淀粉及乙酰化(醋酸酯)淀粉的制备及性质，国内外已有大量文献报道[5,6]。但是，关于乙酰化羟丙基复合改性淀粉的制备及相关性质研究，国内外相关报道较少。目前主要集中于制备工艺优化、改善食品加工性能、改性次序确定等方面[7-10]。Granza等[11]研究了乙酰化羟丙基复合改性对菜豆(Carioca bean)淀粉性质的影响，表明复合改性能提高原淀粉的冻融稳定性，凝胶性也较原淀粉有所改善。对于不同改性程度对淀粉颗粒、糊及热焓性质的影响方面则缺乏深入研究。

本研究以来源最为广泛的玉米淀粉为原料制备不同取代度的乙酰化羟丙基复合改性淀粉，采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪和差示扫描量热仪(DSC)对淀粉的物化特性进行研究。通过对乙酰化羟丙基淀粉颗粒形貌、结晶结构、糊的性质以及热焓特性等的研究，为乙酰化羟丙基复合改性淀粉的制备和应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米淀粉；羟丙基淀粉、乙酰化淀粉、乙酰化羟丙基淀粉：实验室自制；水合茚三酮、亚硫酸氢钠、无水硫酸钠、氢氧化钠、环氧丙烷、乙酸酐、盐酸、酚酞、浓硫酸、无水乙醇等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

DSC4000差示扫描量热仪；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器；TDL-5-A离心机；DHG-9420A电热恒温鼓风干燥箱；FW80-I高速万能粉碎机；722E 型可见分光光度计；S-3400N 扫描电子显微镜。

1.3 方法

1.3.1 乙酰化淀粉、羟丙基淀粉及乙酰化羟丙基复合改性淀粉的制备[10]

1.3.1.1 羟丙基淀粉的制备

将40%浓度的淀粉乳置于三口瓶中，加入一定量的Na2SO4和NaOH溶液，混合、密闭、充入氮气，排出空气，在水浴加热条件下，加入一定量的环氧丙烷，将三口瓶的瓶口密封，搅拌、反应一段时间，所得产品用2 mol /L的H2SO4滴定至中性，离心、水洗、干燥、粉碎，即得成品。

1.3.1.2 乙酰化淀粉的制备

将40%浓度的淀粉乳在25 ℃下搅拌1 h，然后用3%的NaOH调整pH=8.0，逐滴加入乙酸酐，同时用3%的NaOH将pH保持在8.0～8.4 范围内，反应一段时间后，用0.5 mol /L的HCl将pH调至6.5，离心、洗涤(用去离子水洗涤2次，95%的乙醇洗涤1次)，然后将其放入40 ℃的烘箱中干燥、粉碎、即得成品。

1.3.1.3 乙酰化羟丙基复合改性淀粉的制备

按1.3.1.1制备羟丙基淀粉，以羟丙基淀粉为原料，对其进行乙酰化改性，具体操作同1.3.1.1和1.3.1.2。

1.3.2 乙酰化羟丙基淀粉的红外光谱分析

将淀粉样品与干燥的溴化钾混合压片进行红外扫描，以观察淀粉样品的分子基团变化，扫描范围在4 000～450 cm-1。

1.3.3 乙酰化羟丙基淀粉的结晶特性

将样品在100%相对湿度平衡24 h，然后采用X射线衍射仪对淀粉的结晶特性进行分析。特征射线Cu靶，管压40 kV，电流100 mA，测量角度2θ=2°～40°，步长0.02°，扫描速度4(°)/min[12]。

1.3.4 淀粉糊透明度的测定

将淀粉配成1%(m/V)的淀粉乳，取50 mL淀粉乳放入100 mL烧杯中，置于沸水浴中加热搅拌30 min，并保持原有体积。然后冷却至室温，用1 cm比色皿在620 nm波长下测定糊的透光率，以蒸馏水作为空白[13]。

1.3.5 淀粉糊凝沉稳定性的测定

将淀粉配成1%(m/V)的淀粉乳，置于沸水浴中加热搅拌30 min，冷却至室温，移入量筒中，在室温下静置，每隔一定时间记录上层清液或下方沉淀物的体积。用清液体积占糊总体积的百分比来表示糊的凝沉性质[14]。

1.3.6 淀粉糊冻融稳定性的测定

将样品加蒸馏水配成6%(m/V)的淀粉乳，在沸水浴中加热30 min，冷却至室温，然后置于-20～-15 ℃的冰箱中冷冻，24 h后取出，自然解冻，重复5次，在3 000 r/min离心20 min，弃去上清液，称取沉淀物质量，计算析水率[15]。

1.3.7 乙酰化羟丙基淀粉的热焓特性

将玉米淀粉与蒸馏水按1∶2(m/m)比例置于DSC铝盘中，密封、室温平衡2 h。以空皿为参比，采用10 ℃/min的升温速率，从20 ℃升温到110 ℃，测定糊化起始温度(To)，糊化峰值温度(Tp)，糊化完成温度(Tc)以及糊化焓(ΔH)。每个样品均测试3次，取平均值。

1.3.8 统计分析

利用SPSS13.0对实验数据进行相关性分析，采用Origin 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 乙酰化羟丙基淀粉的颗粒形貌

图1为原淀粉及改性淀粉颗粒的表面形貌电镜图。由图1a可以看出，玉米原淀粉颗粒呈现多角形，表面光滑，棱角分明，颗粒表面没有腐蚀和损伤的现象，这表明淀粉表面的结晶结构完整。与原淀粉相比，淀粉经过羟丙基改性后(图1b～图1d)，淀粉颗粒大小变化不大，但颗粒表面发生了非常明显的变化，部分的颗粒表面变得粗糙，棱角模糊，出现不同程度的凹陷和褶皱，取代度越大，此现象越明显，并且与较小的颗粒相比，大颗粒的变化更明显。这与Singh等[16]的报道一致。由图1e～图1g可以看出，淀粉经乙酰化改性后，颗粒表面也发生了改变，虽然这种变化不如羟丙基化显著，随着乙酰化作用的增强，颗粒表面的棱角变小，由多角形逐渐趋向圆形；部分颗粒开始融化，变形，这主要是由于淀粉经乙酰化作用后，淀粉颗粒中引入了亲水性的基团，使淀粉分子的氢键增加，从而导致淀粉颗粒发生融化[17]，这与Raina等[18]的研究结果一致，大米淀粉经过乙酰化作用后淀粉颗粒变粗糙，呈现聚集状。边缘失去了原有的清晰感，部分颗粒发生破碎和空洞。与上述两种单一改性相比较，图1h～图1j的变化更为显著，在羟丙基化的基础上对其进行乙酰化的复合改性淀粉，颗粒表面变得粗糙，棱角模糊，出现不同程度的凹陷和褶皱，颗粒开始融化，变形。其为乙酰化和羟丙基化共同作用的结果，并且取代度越大，此现象越明显。

2.2 乙酰化羟丙基淀粉的红外光谱分析

原淀粉的基本组成单元是脱水葡萄糖，主要特征基团是C2和C3所连接的仲醇羟基，C6连接的伯醇羟基以及D-吡喃环结构，这些结构特征在红外光谱图中具有特征性红外吸收峰位置。

注：DS代表取代度；MS代表摩尔取代度。图1 淀粉改性前后的颗粒形貌

图2 原淀粉及乙酰化羟丙基复合改性淀粉红外光谱图

2.3 乙酰化羟丙基淀粉的结晶特性

淀粉的X射线衍射图谱分为A、B、C和V型，每一种类型都有明显特征峰，A型对应的衍射图谱在2θ角为15.3°、17.1°、18.2°和23.5°处有较强的衍射峰，B型在2θ角为5.59°、17.2°、22.2°和24.0°处有较强的衍射峰，C型在2θ角为5.73°、15.3°、17.3°、18.3°和23.5°处有较强的衍射峰，V型在2θ角为7.36°、13.1°和20.1°处有较强的衍射峰。X射线衍射法除了可以鉴定原淀粉的不同外，还可以用来鉴定淀粉是否经过物理、化学变化及颗粒晶体被破坏的程度。淀粉改性前后X射线衍射图谱如图3所示。

注：NCS代表玉米原淀粉，MS及DS分别代表羟丙基化改性及乙酰化改性后所得淀粉的取代度和摩尔取代度，括号内数值为结晶度。图3 原淀粉及改性淀粉X射线衍射图谱

由图3可知，玉米原淀粉在15.10°、17.10°、17.98°、23.10°处有明显的特征峰出现，属于典型的A型结构。从图3可以看出淀粉经过乙酰化改性、羟丙基改性及复合改性后，X射线衍射图谱并没有发生明显的变化。玉米淀粉的结晶度为19.46%，与原淀粉相比，淀粉经过单一及复合改性后，结晶度有所降低，并且随着取代度的升高加剧，说明酯化及醚化反应主要发生在颗粒的不定形区，取代度提高后，部分结晶区也会发生反应。综上所述，淀粉经过单一的乙酰化、羟丙基化改性以及乙酰化羟丙基复合改性后，X射线衍射图谱均未发生明显的变化，结合扫描电子显微镜观察结果淀粉经过改性后其颗粒表面发生了一些变化，这说明乙酰化、羟丙基化单一改性以及乙酰化羟丙基复合改性作用主要发生在淀粉颗粒的无定形区，但总体上并没有破坏淀粉颗粒的结晶结构。

2.4 复合改性程度对糊透明度的影响

淀粉糊的透明度是食品加工过程中的一个重要影响因素。淀粉糊的透明度与淀粉原料中脂质含量以及淀粉改性后接入的基团有关。淀粉糊透明度的高低常用透光率来表示，图4为改性对淀粉糊透光率的影响。

图4 改性对淀粉糊透光率的影响

由图4可知，淀粉经乙酰化羟丙基复合改性后，糊的透光率均比原淀粉高。当羟丙基化程度一定时，随着乙酸酐用量的增加，复合改性淀粉糊的透明度也随着提高，当乙酸酐用量一定时，随着羟丙基化程度的增加，糊的透明度随之提高。同时复合改性程度越高，糊的透明度越高。这主要是因为在淀粉分子中接入羟丙基和乙酰基基团后，由于基团的空间位阻作用，阻碍直链淀粉及支链淀粉分子链间的缔合，从而提高淀粉糊的透明度。从图4可以看出随着改性程度的提高，糊的透光率也逐渐增加，且复合改性优于单一改性。

2.5 复合改性程度对糊凝沉稳定性的影响

淀粉乳受热，颗粒溶胀吸收水分破裂，淀粉分子完全分散于水中而糊化。淀粉糊放置一定的时间后会逐渐变混浊、分层沉淀，出现上清液、下方沉淀物的现象，这就是淀粉的凝沉现象[20]。常用淀粉糊在存放过程中上清液的体积百分数(凝沉体积比)来衡量淀粉的凝沉性大小。图5为原淀粉与不同改性程度的乙酰化羟丙基淀粉糊的凝沉稳定性。

由图5可以看出，随着放置时间的延长，原淀粉及改性淀粉糊的上清液体积都在增加，达到一定程度后稳定。原淀粉在最初的几个小时内迅速凝沉，达到稳定状态，并且上清液的体积很大，说明原淀粉的凝沉性强，凝沉稳定性差。而经过乙酰化和羟丙基化复合改性的淀粉的凝沉性则明显减弱，糊稳定性较好，并且随着复合取代度的增加，上清液的体积越来越少，凝沉性越来越弱，即凝沉稳定性越来越好。这主要是因为经羟丙基化和乙酰化复合改性处理后，由于淀粉链间的空间位阻增大，淀粉的亲水性增强，淀粉不容易凝沉，稳定性提高。可见羟丙基化和乙酰化均可以提高淀粉的凝沉稳定性。

图5 改性对淀粉糊凝沉性的影响

2.6 复合改性程度对糊冻融稳定性的影响

淀粉糊经过反复冻融和低速离心后，其淀粉糊析水率的大小可以反映淀粉抗老化能力的强弱。由图6可知玉米原淀粉的析水率最高，冻融稳定性最差。随着羟丙基化和乙酰化程度的增加，淀粉的析水率逐渐降低，冻融稳定性逐渐增强；随着复合取代度的增加，淀粉的析水率降低更为明显，淀粉冻融稳定性逐渐增强，这是因为淀粉糊经低温冷冻，由于凝沉作用，淀粉分子间又经过氢键结合成不溶的结晶结构，胶体结构被严重破坏，析出游离水。在淀粉中引入羟丙基和乙酰基后，由于羟丙基与乙酰基都是亲水基团，可以起到保水作用，提高了乙酰化羟丙基淀粉的冻融稳定性。同时羟丙基和乙酰基基团可与直链淀粉的脱水葡萄糖羟基形成分子内氢键，使淀粉分子的胶体结构不易被破坏，同时由于羟丙基和乙酰基的存在，也会造成支链淀粉分支部分的空间障碍，阻碍了淀粉分子间氢键的形成，使其不易重新排列和缔合，使水分不易析出，增强了淀粉的冻融稳定性。

冻融循环注：1为原淀粉，2～4表示MS分别为0.03、0.07、0.11,a-c依次表示一次、两次及三次冻融循环。图6 改性对淀粉冻融稳定性的影响

2.7 乙酰化羟丙基淀粉的热焓特性

淀粉的DSC分析可看作淀粉在过量水分条件下的糊化过程，在此过程中，相变的起始温度可以看作是糊化的开始温度，而相变的终止温度可以看作是糊化的终了温度，相变过程的焓值可以看作是糊化过程所需能量[21]，即在相变过程中双螺旋结构的解聚和熔融所需要的能量[22，23]。由表1可知，玉米原淀粉的相变起始温度为64.40 ℃，经过羟丙基改性后，淀粉相变的起始温度降低，并且随着取代度的升高逐渐下降。与单一改性和原淀粉相比，淀粉经过乙酰化羟丙基复合改性后，淀粉相变的起始温度降低的更显著，随着复合取代度的升高，相变的起始温度也随之降低。这主要是因为淀粉经过羟丙基改性后，在分子内引入了亲水性的羟丙基基团，其有利于与水分的结合，同时由于羟丙基基团的引入，增大了淀粉分子间的空间位阻，增大了直链淀粉分子之间的空隙，有利于水分子的进入，从而使淀粉的糊化变得容易，即相变的起始温度降低。同理，淀粉经过乙酰化羟丙基复合改性后，由于羟丙基和乙酰基基团的引入，使淀粉相变的起始温度降低。淀粉经过羟丙基改性后，焓值明显降低，并且取代度越高，下降越明显。与单一改性和原淀粉相比，淀粉经过乙酰化羟丙基复合改性后，焓值显著下降。这说明淀粉经过单一改性和复合改性后，由于羟丙基和乙酰基基团的引入，使淀粉颗粒的部分双螺旋结构被破坏，所以发生相转变时用于解开双螺旋所需的能量低。并且随着改性程度的增大，破坏作用增强，所需的能量降低。同时由于羟丙基和乙酰基基团的存在，阻碍了淀粉分子间的氢键的缔合作用，从而使糊化的过程变得容易，焓值下降。上述实验结果说明羟丙基改性和乙酰化羟丙基复合改性主要发生在淀粉的无定形区，但提高取代程度，部分结晶区亦会参与反应过程，这与XRD部分结晶度随取代度增高而降低的结论一致。

表1 原淀粉及改性淀粉的热焓特性

注：To：起始温度；Tp：峰值温度；Tc：完成温度；ΔH：糊化焓；数据表示为平均值±标准差(n=3)。

3 结论

不同取代度的乙酰化淀粉、羟丙基淀粉及乙酰化羟丙基复合改性淀粉与原淀粉性质存在较大差异。SEM结果表明，与原淀粉相比，乙酰化羟丙基复合改性淀粉颗粒表面变得粗糙，棱角模糊，出现不同程度的凹陷、褶皱、变形，这是乙酰化和羟丙基化共同作用的结果，并且取代度越大，此现象越明显；红外光谱分析结果表明，淀粉经过乙酰化羟丙基复合改性处理后，在淀粉分子上引入了新的化学基团；XRD结果可以看出，乙酰化、羟丙基化单一改性以及乙酰化羟丙基复合改性作用主要发生在淀粉颗粒的无定形区，改性后的淀粉仍为A型结晶结构；从糊的性质分析可以看出，乙酰化羟丙基复合改性淀粉糊的透明度、凝沉稳定性以及糊的冻融稳定性均随着复合改性程度的增加而提高；DSC分析结果显示，随着DS及MS的增加，改性淀粉的To、Tp、Tc 及ΔH均降低，说明乙酰化、羟丙基化改性增加空间位阻，部分破环双螺旋结构，改性后淀粉更易糊化。