木薯双醛淀粉的理化性质

戴昊，张淑芬

大连理工大学精细化工国家重点实验室（大连 116024）

双醛淀粉是原淀粉经高碘酸盐氧化得到的改性淀粉，高碘酸盐与淀粉反应，可选择性氧化淀粉葡萄糖单元C2、C3上的邻位羟基，转变为两个醛基[1]。双醛淀粉中含有大量活泼的醛基，具有低毒，可生物降解的优良特性，在化工生产中具有广泛的应用。双醛淀粉可作为纺织业中的上浆剂[2]，制革业的鞣革制[3]以及木材胶粘剂[4]。在医疗和环保领域，双醛淀粉可用于固定化酶[5]、交联胶原蛋白制备组织支架材料[6]以及重金属离子吸附[7]。

木薯淀粉是一种重要的工业原料，提取自木薯，该作物种植广泛，是世界三大薯类作物之一。利用高碘酸盐氧化木薯淀粉制备双醛淀粉的方法已有大量的报道[8-10]，但对木薯双醛淀粉结构和性质的研究相对较少，只有低氧化度双醛淀粉性质的报道[11]。随着双醛淀粉中醛基含量的增加，其亲水性下降[12]，糊化温度升高[13]，溶液不稳定，易形成凝胶状沉淀[14]。为了更好地利用木薯双醛淀粉，需要对高氧化度木薯双醛淀粉的结构和性质进行全面的研究。

以木薯淀粉为原料，高碘酸钠为氧化剂，制备了从低氧化度到高氧化度的一系列双醛淀粉[15]，以GPC、XRD、偏光显微镜、SEM等手段研究了双醛淀粉分子量分布、结晶性、表面形貌等结构特征，并对双醛淀粉溶液的稳定性进行了研究，为高氧化度木薯双醛淀粉的应用提供理论和数据参考。

1 试验部分

1.1 试剂、设备与仪器

试剂：木薯淀粉（食品级），崇左市群力淀粉有限责任公司；高碘酸钠（AR，99%），上海阿拉丁试剂有限公司；氢氧化钠，浓硫酸，分析纯，溶液均以去离子水配制。

设备与仪器：低温冷冻干燥机（FD-1型），北京博医康实验仪器有限公司；双目透射偏光显微镜（59XB型），上海光学仪器六厂；傅里叶变换显微红外光谱仪（iN10型），美国Thermo Fisher公司；X射线衍射仪（D/Max 2400型），日本理学株式会社；钨灯丝扫描电镜（Quanta 450型），美国FEI公司；高效液相色谱仪（Agilent 1200 series），美国Agilent公司；水溶性凝胶色谱柱（Ultrahydrogel 250，Ultrahydrogel 1000，Ultrahydrogel linear），美国Waters公司；示差折光检测器（G1362A），美国Agilent公司；差示扫描量热仪（DSC204型），德国耐驰公司；紫外可见分光光度计（Angilent 8453型），美国Agilent公司。

1.2 方法

1.2.1 氧化淀粉的制备

向三口烧瓶中加入3 g干燥的木薯淀粉和30 mL去离子水，搅拌均匀，称取一定质量的高碘酸钠，加入到淀粉浆中，滴加盐酸或氢氧化钠溶液（1 mol/L）保持体系pH为3.0，在40 ℃下反应2 h，反应避光。反应完成后，离心分离出固体产物。将产物在去离子水中重新分散，离心，重复3～5次，直到淀粉-碘化钾试纸检测离心液中无碘酸盐存在，溶液呈中性。产物冷冻干燥24 h，称重。

1.2.2 氧化淀粉醛基含量测定

使用“碱消耗法”[16]测定双醛淀粉中醛基含量，称取0.2 g氧化淀粉于100 mL锥形瓶中，加少量去离子水溶胀，10 min后加10 mL 0.2 mol/L氢氧化钠溶液，70℃水浴加热2 min，在流动的冷水中冲洗冷却1 min，加10 mL 0.2 mol/L硫酸溶液，得到浅黄色溶液，滴加3滴酚酞指示剂，使用0.2 mol/L氢氧化钠溶液滴定至终点。双醛摩尔分数计算公式为：

式中：C1、C2分别为NaOH与H2SO4溶液浓度，mol/L，V1、V2分别为消耗的NaOH与H2SO4溶液体积，mL，m为称取的氧化淀粉的质量，g，161为双醛淀粉重复单元的平均分子质量。

1.2.3 红外光谱测试

使用溴化钾压片法制备样品，对木薯淀粉和双醛淀粉进行红外光谱测试。

1.2.4 凝胶渗透色谱

使用凝聚渗透色谱测定原淀粉和氧化淀粉分子量分布。称取50 mg样品，沸水浴中加热溶解，配制成质量分数为0.5%的溶液，经220 nm水性膜过滤，进样量为20 μL，仪器测试时流动相为超纯水，流速0.5 mL/min。

1.2.5 X射线粉末衍射测试

使用X射线衍射仪测试木薯淀粉和氧化淀粉的结晶情况，X射线源为铜靶，管压45 kV，电流200 mA，扫描速度10°/min，步宽0.02°，测试角度范围为5°～50°。

1.2.6 偏光显微镜观察

称取一定质量的木薯淀粉和双醛淀粉，配制成质量浓度为2%的悬浊液，取1滴滴加在载玻片上，盖上盖玻片。室温下，使用偏光显微镜在普通光和偏振光下观察淀粉颗粒，目镜放大倍数为10倍，物镜放大倍数为25倍。

1.2.7 扫描电镜测试

将木薯淀粉和双醛淀粉用导电胶固定在金属样品台上，表面喷金处理后，在扫描电镜下观察样品形貌，电子束加速电压为25 kV。

1.2.8 差示扫描量热测试

称取5 mg样品放入铝制坩埚中，加10 mg水，密封，室温放置1 h。差示扫描量热测试温度范围为20～12 0 ℃，升温速率为10 ℃/min。

1.2.9 氧化淀粉溶液稳定性

称取一定质量双醛淀粉，加水配制成质量分数为1%，3%，5%，7%和10%的悬浮液，沸水浴加热30 min完全溶解，冷却至25 ℃保存，使用紫外可见光光谱测量溶液在650 nm处透光率随时间的变化。

2 结果与讨论

2.1 氧化淀粉醛基含量与红外表征

高碘酸钠氧化淀粉反应方程式为：

在40 ℃，pH 3.0，反应时间2 h条件下，通过控制高碘酸钠用量制备了不同氧化度的双醛淀粉，醛基含量如表1所示。

表1 氧化淀粉醛基含量与高碘酸钠用量关系表

随高碘酸钠用量的增加，双醛淀粉的醛基含量增加，制备的双醛淀粉醛基含量分别为5%（DAS-5），10%（DAS-10），19%（DAS-19），39%（DAS-39），53%（DAS-53），74%（DAS-74）和85%（DAS-85）。对DAS-85进行红外表征，图1中双醛淀粉在1 735 cm-1处出现新的振动峰，为醛基的伸缩振动峰，说明淀粉已被氧化。

2.2 双醛淀粉分子量分布

GPC测定结果显示，木薯淀粉分子量高达107。氧化后，双醛淀粉分子量下降较大，DAS-5分子量分布在100～105之间，重均分子量为9 300，多分散指数为7.4。DAS-10与DAS-19的重均分子量分别为4 300和2 960，多分散指数为4.8和4.6。随醛基含量的增加，双醛淀粉分子量进一步减少。该结果是由于氧化过程中葡萄糖环上C2，C3键断开，六元环结构被破坏，糖苷键稳定性下降，同时C2，C3上醛基的出现使相邻的糖苷键易发生反应，引起分子断链[17]。

图1 氧化淀粉DAS-85红外光谱图

图2 木薯淀粉和不同氧化度双醛淀粉分子量分布图

2.3 双醛淀粉结晶性

图3 为木薯淀粉与不同氧化度双醛淀粉的XRD图。木薯淀粉在15°，17°，18°和23°出现衍射峰，为A型结晶结构[18]。随氧化度的升高，衍射特征峰减弱。醛基含量高于39%时，双醛淀粉为无定型结构。

图3 木薯淀粉和不同氧化度双醛淀粉X射线衍射图

使用偏光显微镜观察木薯淀粉和双醛淀粉，普通光下呈球形颗粒状，偏振光下淀粉颗粒内部出现黑色十字，被分成4个小的亮区域，如图4（a）所示。该现象是由于淀粉颗粒中结晶区和非结晶区呈环状交替存在，其密度和折射率存在差别，偏振光通过时产生黑十字消光图象[18]。DAS-5、DAS-10、DAS-19偏振光下可观察到偏光十字，DAS-39视野中无偏光十字，DAS-53和DAS-85视野完全变黑。由XRD结果和偏光显微照片可推测出，氧化反应首先发生在易渗透的非晶区，然后在结晶区反应，使淀粉颗粒失去结晶结构。

图4 木薯淀粉和双醛淀粉显微照片

2.4 双醛淀粉形貌

SEM图显示木薯淀粉为颗粒状（图5（a）），表面光滑，带有一定棱角，DAS-10与原淀粉形貌无明显差异。图5（c）中，DAS-19双醛淀粉表面轻微破损，出现凹陷。DAS-39颗粒变得不完整，凹陷增多。双醛淀粉DAS-53颗粒明显变形，颗粒间有粘连现象，可能是醛基和羟基发生了缩醛反应。图5（f）中，DAS-85颗粒塌陷，完全变形。该现象说明高碘酸钠氧化会逐步破坏淀粉的颗粒结构，与XRD结果一致。

图5 木薯淀粉和双醛淀粉扫描电镜图

2.5 双醛淀粉糊化特性

使用DSC测试了淀粉的糊化性质，如表2所示。木薯淀粉糊化温度范围是59.1～73.6 ℃，DAS-5与DAS-10糊化温度范围分别为62.3～72.4 ℃和63.2～71.7℃。氧化度升高，淀粉糊化峰值温度上升，木薯淀粉为65.6 ℃，DAS-10为69.4 ℃，该结果是由于双醛淀粉中醛基和羟基存在缩醛交联反应，糊化时需要更多的能量。淀粉糊化焓值随醛基含量增加而减小，由于糊化焓与结晶度呈正比，因此该结果与淀粉结晶度下降有关[10]。未测出更高氧化度双醛淀粉的糊化特性，可能是高醛基含量淀粉糊化焓小，DSC曲线上糊化吸热峰不明显，未能识别。

表2 氧化淀粉DSC测试结果

2.6 双醛淀粉溶液稳定性

将不同醛基含量的双醛淀粉在水中加热溶解，配制成质量浓度为10%的溶液，室温保存，测定了溶液在650 nm处的透光率变化。溶液在开始时透光率均高于95%，DAS-5、DAS-10、DAS-19、DAS-39溶液，48 h后透光率仍高于90%。DAS-53溶液存放12 h后透光率降为88%，此时溶液中有少量透明膜状沉淀。DAS-85溶液在6 h时透光率为90%，有透明膜状沉淀出现。随时间增加，DAS-53与DAS-85溶液透光率下降，48 h后透光率分别为63%和60%。双醛淀粉溶液中出现沉淀是由于醛基与羟基发生缩醛或半缩醛反应，引起分子间交联形成沉淀，该反应在高醛基含量的双醛淀粉溶液中更容易发生，因此双醛淀粉溶液稳定性随醛基含量的增加而下降。

图6 不同醛基含量的双醛淀粉溶液650 nm透光率变化图

3 结论

试验中研究了氧化度对木薯双醛淀粉结构和性质的影响，随着氧化程度的增加，双醛淀粉分子量降低，DAS-5重均分子量为9 300。高碘酸钠氧化反应首先在淀粉非结晶区发生，然后破坏结晶区，醛基含量高于39%时，木薯淀粉完全失去结晶结构，双醛淀粉颗粒表面粗糙，结构塌陷。随着醛基含量增加，双醛淀粉分子内和分子间的缩醛反应增多，糊化峰值温度增加，糊化焓降低。由于缩醛反应的存在，高氧化度双醛淀粉溶液稳定性降低，室温放置会逐渐产生沉淀。此试验结果不仅适用于木薯双醛淀粉，对于其他种类淀粉制备的双醛淀粉同样适用。双醛淀粉分子量低，溶液黏度很小，有利于实际应用。由于醛基和羟基会发生缩醛反应，双醛淀粉溶液会逐渐产生膜状沉淀，在实际应用时不宜长久放置。