不同盐对木薯淀粉结构的影响

樊艳叶，林日辉，杨慧，周丽红，曾艺君，黄彩梅，刘悦

1(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，广西 南宁， 530008)2(非粮生物质酶解国家重点实验室，广西 南宁， 530000) 3(广西民族大学 相思湖学院，广西 南宁， 530008)

本课题组以体积分数90%乙醇作为溶剂，利用不同浓度的碱溶液处理木薯淀粉时，淀粉的溶胀解体问题得到有效抑制，在维持木薯淀粉颗粒原有形貌的条件下有效降低了其结晶度[10]。为进一步了解盐处理对木薯淀粉结构的影响，本文利用LiCl、LiNO3、CaCl2和Ca(NO3)2的90%乙醇溶液处理木薯淀粉，并对处理淀粉的结构进行表征,以及对其直链淀粉含量进行检测，为后续进一步探索高效、低污染的淀粉改性新方法提供思路和依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂仪器

木薯淀粉(食品级)，广西岑溪市三角淀粉有限责任公司。

Ca(NO3)2、LiNO3,成都艾科达化学试剂有限公司；无水CaCl2,天津博迪化工股份有限公司；LiCl、8-氨基芘-1，3，6-三磺酸三钠盐(荧光级)、氰基硼氢化钠、KI,阿拉丁试剂(上海)有限公司；无水乙醇、KBr,成都市科隆化学品有限公司；直链淀粉标准品、支链淀粉标准品,美国Sigma-Aldrich公司；二甲基亚砜,天津市大茂化学试剂厂；I2,成都金山化学试剂有限公司。除特别标明外，其余试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

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；30 mL平盖式反应釜,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；SUPRA 55 Sapphire型场发射扫描电子显微镜,德国卡尔蔡司公司；MiniFlex600型X射线衍射仪,日本理学公司；85-2数显恒温磁力搅拌器,上海皓庄仪器有限公司；UV2300II型紫外可见分光光度计,上海天美科学仪器有限公司；Leica TCS SP8型激光共聚焦显微镜,德国徕卡微系统有限公司；MAGNA-1R550型傅里叶变换红外光谱仪,美国赛默飞世尔科技公司；TGA/DSC 3+型同步热分析仪,瑞士梅特勒-托利多。

1.3 实验方法

1.3.1 盐/醇溶液处理木薯淀粉

准确称取1 g木薯淀粉置于反应釜中，加入15 mL 90%乙醇盐溶液(LiCl与LiNO3摩尔浓度分别为0.30 mol/L，CaCl2与Ca(NO3)2摩尔浓度分别为0.15 mol/L)，于120 ℃电热鼓风干燥箱中反应4 h。待反应结束后，冷却至室温，真空抽滤取滤饼，用体积分数95%乙醇洗涤3次，置于电热鼓风干燥箱中(35±1)℃，过夜，烘干得处理淀粉样品备用，每个反应条件设置3个平行。

用导电胶将处理前后的木薯淀粉样品固定到金属样品台上，在真空状态下喷铂处理后，在2.00 kV的加速电压下放大2 000倍，观察样品的颗粒形貌[11]。

1.3.3 激光共聚焦显微观察

参照张奎亮等[12]的方法。取10 mg处理前后的木薯淀粉样品分别与新鲜配制的15 μL 10 mmol/L APTS醋酸溶液及15 μL 1 mol/L氰基硼氢化钠混合，于30 ℃反应15 h，用1 mL去离子水清洗5次，将淀粉颗粒悬浮于100 μL 50%甘油与水的混合液中，取1滴悬浮液进行激光共聚焦显微观察并拍照。所用荧光激发波长为488 nm。

1.3.4 X-射线衍射分析

实验条件：Cu(kα)射线，Ni片滤波，电压40 kV，电流15 mA，扫描范围2θ为4～60°，扫描速率为8 (°)/min，扫描步长为0.02 °。利用MDI Jade 6.0软件参照FROST等[13]的方法计算淀粉样品的相对结晶度。

1.3.5 傅里叶变换红外光谱分析

利用KBr压片法将处理前后的木薯淀粉样品分别与KBr研磨压片，然后在扫描分辨率为4 cm-1、扫描次数为32次以及扫描波数范围为400～4 000 cm-1的测试条件下进行红外光谱测定[14]。

甜瓜(Cucumis melo.L)是上海市重要水果之一。近年来,工厂化育苗成为主要育苗形式之一,与传统的育苗方式相比,工厂化育苗土地利用率高,用种量减少,育苗周期短,适于机械化操作,人为控制环境,不受外界条件干扰,病虫害轻、省工省力,可规模生产,苗壮且成苗率高。甜瓜是喜温作物,温度对植物根系水分吸收以及体内水分转移有着重要影响[1-3]。甜瓜生产过程中,夏季工厂化育苗常因温度过高,导致幼苗下胚轴徒长,易形成高脚苗,影响穴盘苗质量[4],且严重影响花芽分化。低温胁迫易造成幼苗生理伤害,影响正常生长发育。因而,温度过高与过低是甜瓜种苗生产中面临的突出问题。

1.3.6 直链淀粉含量分析

参照黄祖强[15]的方法，对处理前后木薯淀粉中直链淀粉的含量进行测定。分别配制质量浓度为0.023 5 mg/mL的直链和支链淀粉标准溶液，移取直链淀粉标准溶液0、1、3、5、7、9、10 mL到7支试管中，再分别移取相应体积的支链淀粉标准溶液到上述试管中配制成总体积为10 mL的直/支链淀粉标准混合液，各加入20 μL 20 g/L的碘液，混匀，用紫外可见分光光度计测定混合溶液在600 nm处的吸光度。以混合溶液中直链淀粉的质量X(mg)为横坐标，吸光度Y为纵坐标，绘制标准曲线，得回归方程：

Y=2.485 1X+0.046 9(R2=0.999 5)

(1)

称取200.0 mg的淀粉样品，加入少量的体积分数90%二甲基亚砜(DMSO)，加热搅拌溶解后定容至50 mL。移取2 mL溶液，用去离子水定容至250 mL，混匀。取10 mL样品溶液，加20 μL的20 g/L碘液，混匀后用紫外可见分光光度计测定样品溶液在600 nm处的吸光度。按公式(1)计算直链淀粉的质量m1，按公式(2)计算样品中直链淀粉的百分含量(ω，%)：

(2)

式中：m，淀粉样品的质量，mg。

1.3.7 热重分析

称取处理前后的木薯淀粉样品质量1～5 mg，在温度范围为35～600 ℃，升温速率10 ℃/min，N2为保护气以及保护气流量为30 mL/min的条件下进行样品TGA的测定[16]。

1.4 数据处理

每个处理重复3次，采用 Origin 9.0 统计软件以及Excel对相应的实验数据进行处理，并利用SPSS 24软件对数据进行邓肯式显著性差异分析(P<0.05)。所有数据均表示为平均值±标准偏差。

2 结果与讨论

2.1 盐/醇溶液处理对淀粉颗粒表面形貌以及内部结构的影响

不同盐/醇溶液处理前后木薯淀粉的颗粒表面形貌以及内部结构如图1所示。由图1可知，原木薯淀粉是具有截头末端的不规则半圆形；而经过不同盐/醇溶液处理后，所有木薯淀粉的颗粒表面形貌与原淀粉基本保持一致，未发生明显变化。这与KURAKAKE等[17]报道的在120 ℃下利用含水量为0～30%的醇水溶液处理淀粉仍可维持其颗粒完整性的结果相类似，而与ZHOU等[18]报道的在70 ℃下盐使马铃薯淀粉颗粒形状发生变化以及轮廓变得不清晰的现象有差异。根据范聪聪等[19]的报道可推测,出现以上结果的原因可能是高浓度乙醇具有抑制淀粉膨胀的作用，因而低浓度的盐尚不足以破坏淀粉的颗粒完整性。

a-原木薯淀粉;b-LiNO3处理淀粉;c-LiCl处理淀粉;d-Ca(NO3)2处理淀粉；e-CaCl2处理淀粉图1 不同盐/醇溶液处理的木薯淀粉的SEM(×2 000)图Fig.1 The SEM (×2 000) images of cassava starchtreated with different salt/alcohol solutions

由图2-a可知，原木薯淀粉的内部有1个黑点，即为淀粉的脐点，而在脐点处可观察到有空腔，空腔四周有轻微的裂缝。而经过不同盐/醇溶液处理后(图2-b～2-e)，木薯淀粉颗粒内部的裂缝出现不同程度的扩大，有的甚至横跨整个淀粉颗粒。这与陈佩[20]报道的酸渗入淀粉颗粒内部发生作用，从而导致裂缝变多变宽的结果相类似。说明不同的盐离子进入到淀粉颗粒内部并对淀粉分子链产生作用。

2.2 盐/醇溶液处理对淀粉X-射线衍射的影响

木薯淀粉经不同盐/醇溶液处理前后的X射线衍射如图3所示。原木薯淀粉在2θ值为15、17、18以及23°附近出现4个强的衍射吸收峰，表明其晶型为典型的A型[21]。经过不同盐/醇溶液处理后的木薯淀粉样品的衍射吸收峰的位置和个数没有发生明显变化，说明其晶型未发生变化。但处理样品的衍射吸收峰的强度降低，并且其降低的顺序为LiNO3、LiCl、Ca(NO3)2到CaCl2。说明不同的盐/醇处理使淀粉的结晶结构减少，从而导致其相对结晶度由原来的22.03%逐渐降低至15.86%。通过对Ca(NO3)2与CaCl2、LiNO3与LiCl、Ca(NO3)2与LiNO3、CaCl2与LiCl的相对结晶度进行对比分析可知，离子对淀粉的去结晶化作用的强弱程度有所差异，其中Ca2+的作用强于Li+，Cl-的作用强于NO3-。根据扫描电子显微镜以及激光共聚焦显微镜观察到的离子对淀粉颗粒的完整性没有产生明显影响，而是破坏其内部结构的结果可推测，离子进入到淀粉颗粒内部，并与淀粉的分子链相互作用，从而打破淀粉分子链的有序排列，使得淀粉原有的晶体结构减少。

a-原木薯淀粉;b-LiNO3处理淀粉;c-LiCl处理淀粉;d-Ca(NO3)2处理淀粉;e-CaCl2处理淀粉图2 不同盐/醇溶液处理的木薯淀粉的CLSM(×630)图Fig.2 The CLSM(×630) images of cassava starch treatedwith different salt/alcohol solutions

图3 不同盐/醇溶液处理的木薯淀粉的XRD图Fig.3 X-ray diffraction patterns for cassava starch treatedwith different salt/alcohol solutions注：图中不同上标小写字母表示差异显著(下同)

2.3 盐/醇溶液处理对淀粉红外光谱的影响

图4为经不同盐/醇处理前后木薯淀粉的红外光谱图。由图4可知，原木薯淀粉中波数为3 424 cm-1和1 645 cm-1分别归属于—OH的伸缩振动以及无定形区H—O—H的弯曲振动。与原淀粉相比，经过不同盐处理的样品的红外光谱的这2个峰均向低波数方向移动。说明盐的存在影响淀粉分子中的基团振动，其原因可能是盐离子与水分子产生静电作用，降低了水分子的活性[22]，从而削弱了淀粉链与水分子之间相互作用的强度，使得1 645 cm-1处的峰向低波数方向移动，而随着淀粉链与水分子之间的相互作用强度的减弱，使得淀粉分子上的—OH形成的氢键强度降低，从而导致3 424 cm-1处的峰也向低波数方向移动[23]。与原木薯淀粉相比，经过LiNO3和Ca(NO3)2处理的样品在1 381 cm-1处出现强的吸收峰，此峰归属于—NO2的对称伸缩振动[24]，其来源于样品中残留的硝酸根离子，说明盐/醇处理没有使淀粉产生新的分子基团。

a-原木薯淀粉;b-LiNO3;c-LiCl;d-Ca(NO3)2;e-CaCl2图4 不同盐/醇溶液处理的木薯淀粉的FTIR图Fig.4 FTIR spectra of cassava starch treated with differentsalt/alcohol solutions

2.4 盐/醇溶液处理对淀粉中直链淀粉含量的影响

不同盐/醇溶液处理前后木薯淀粉的直链淀粉含量如图5所示。

图5 不同盐/醇溶液处理的木薯淀粉的AMFig.5 The amylose content of cassava starch treated withdifferent salt/alcohol solutions

由图5可知，除了硝酸锂处理样品的直链淀粉含量比原淀粉稍高外，其他处理样品均低于原淀粉，并且按LiCl、Ca(NO3)2到CaCl2的顺序降低。根据KIM等[25]的报道，直链淀粉含量实际上主要由直链淀粉和支链淀粉的部分长链(B链)2部分组成。UTHUMPOMN等[26]和OTHMAN等[27]的研究表明淀粉中直链淀粉含量下降主要是因为直链淀粉发生降解。而结合前面的结果分析推测，本实验中直链淀粉含量发生变化的可能原因有2种，一是因为离子与淀粉分子链发生作用，使得直链淀粉与碘结合的能力发生变化，由于不同离子的作用强度以及方式不同，从而显示出不同的结果；二是盐处理使直链淀粉发生降解。然而对于具体的作用机理目前尚未清楚，有待进一步研究。此外，通过对Ca(NO3)2与CaCl2、LiNO3与LiCl、Ca(NO3)2与LiNO3、CaCl2与LiCl的直链淀粉含量进行对比分析可知，Ca2+的作用强于Li+，Cl-的作用强于NO3-。

2.5 盐/醇溶液处理对淀粉热特性的影响

图6为经不同盐/醇溶液处理前后木薯淀粉的TG和DTG曲线。由TG曲线可知，原木薯淀粉的失重主要分为两个阶段，第1阶段在120 ℃之前，该阶段主要是淀粉中吸附水散失所致；第2阶段从270 ℃开始，此阶段主要是淀粉受热发生降解。此外，原木薯淀粉的TG曲线在120～270 ℃间为水平状，说明此区间没有表现出明显的淀粉热失重。由DTG曲线可知，原木薯淀粉的最大分解速率在319.4 ℃，说明第2阶段是淀粉失重的最重要阶段。这与KAEWTATIP等报道的原木薯淀粉热失重的情况一致[28]。

a-原木薯淀粉；b-LiNO3处理淀粉；c-LiCl处理淀粉；d-Ca(NO3)2处理淀粉；e-CaCl2处理淀粉图6 不同盐/醇溶液处理的木薯淀粉的TG和DTG曲线Fig.6 The TG and DTG curves of cassava starch treated with different salt/alcohol solutions

由图6可知，与原淀粉相比，经过不同盐/醇溶液处理后，木薯淀粉的TG和DTG曲线发生明显变化。4个处理样品的TG曲线的第2阶段的降解温度均提前，而且失重百分数均比原淀粉的高，其中原木薯淀粉的失重百分数为15.12%，LiNO3处理的为24.51%，LiCl的为31.41%，Ca(NO3)2的为25.50%，CaCl2的为35.63%。其次，4个处理样品的DTG曲线的最大分解速率均小于原木薯淀粉，其降低顺序为LiNO3、LiCl、Ca(NO3)2到CaCl2。以上结果说明盐/醇处理可明显降低木薯淀粉的热稳定性。

通过对Ca(NO3)2与CaCl2、LiNO3与LiCl、Ca(NO3)2与LiNO3、CaCl2与LiCl的最大分解速率进行对比分析可知，离子对淀粉的热稳定性的影响程度有所差异，其中Ca2+的作用强于锂离子，Cl-的作用强于NO3-。处理淀粉热稳定性降低主要是因为整个淀粉颗粒内部结构变得较为松散，因此对热不稳定。淀粉热特性分析的结果证实了离子可进入淀粉颗粒内部并作用于淀粉分子链及其中的水分子，削弱了淀粉链与水分子间的作用，从而使得淀粉分子链间原有的有序排列被破坏，从而减少淀粉的晶体结构。

3 结论

本文利用LiNO3、LiCl、Ca(NO3)2和CaCl2的体积分数90%乙醇溶液在120 ℃下处理木薯淀粉4 h，得出以下结论：不同盐对木薯淀粉颗粒外部的影响较小，其主要作用发生在颗粒内部。不同盐处理并未使淀粉分子形成新的官能团，而是影响淀粉内的分子链排列，从而导致其相对结晶度发生明显变化(P<0.05)，且造成直链淀粉含量发生变化。此外，不同盐及其离子对木薯淀粉的作用强弱顺序为CaCl2>Ca(NO3)2>LiCl>LiNO3，Ca2+>Li+，Cl->NO3-。本文目前只了解不同盐对木薯淀粉结构的影响，但其影响机理还有待进一步研究。