超声辅助制备辛烯基琥珀酸淀粉酯及其对品质的影响

王宝珊 张玉杰 代养勇 季 飞 丁秀臻 侯汉学 王文涛 张 慧 李向阳

(山东农业大学食品科学与工程学院；山东省粮食加工技术工程技术研究中心1，泰安 271018) (山东省聊城市茌平区农业农村局2，聊城 252100)

代养勇，男，1975年出生，副教授，粮油加工

淀粉是一种天然的多晶体系，其紧密的结晶区使水分、反应物等物质很难进入到颗粒内部，限制了反应效率和产物品质[1]。因此，探索如何适当改变淀粉颗粒结构和性能来提高淀粉的反应活性及品质具有重要的研究意义。近年来将超声波技术应用于变性淀粉的研究成为热点。Pamela等[2]在超声频率24 kHz条件下处理玉米淀粉16 min，结果发现抗性淀粉质量分数由2.1%提高到4.0%，快速消化淀粉质量分数从42.9%增大到60%。Sit等[3]研究发现淀粉经超声处理后其溶胀性、糊化性和质构性均有显著的提高。Shabana等[4]超声处理马铃薯淀粉15 min后，再进行酸水解45 min制备了马铃薯纳米淀粉颗粒，发现其粒径从1 596 nm减小到了80 nm。其作用机制都归结为超声波对物料产生的“空化效应”。超声波的“空化效应”主要会产生三种机械力效应：局部超高压、高速射流和高频振动[5]。因此，超声对淀粉化学活性及品质的作用机制有望借鉴机械力化学的理论解释。

机械力化学是将机械力的能量转化为化学能的过程，它能够使一些在常温常压下不能发生的反应或不能实现的途径变为可能[6]。在机械力作用下，物质会发生一系列的物理和化学变化，其作用过程通常分为3个阶段：受力阶段、聚集阶段和团聚阶段[7]。

低取代度(0.010～0.045)的辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSAS)在食品工业中应用较为广泛[8]。但常规方法所制得的OSAS水溶特性等性能较差，如何提高低取代度OSAS的品质成为当前的技术难点。本研究通过超声辅助制备低取代度OSAS，研究超声处理对OSAS品质的影响；并通过XRD、FTIR、DSC等手段研究不同超声功率的处理对木薯原淀粉结构及理化性质的影响，借鉴机械力化学相关理论分析超声对OSAS品质的影响机制。

1 材料与方法

1.1 材料

木薯淀粉；APTS(8-氨基芘基-1,3,6三磺酸三钠盐)、氰基硼氢化钠、辛烯基琥珀酸酐：分析纯。

1.2 仪器

KQ-600DB超声波清洗机；RVA-ERITM黏度分析仪；Nicolet is5傅立叶变换红外光谱仪；D8 ADVANCE型X射线衍射仪；QUANTA FEG250扫描电子显微镜；TA-60热重分析仪；200PC差示量热扫描仪；UV-2100型紫外可见分光光度计。

1.3 方法

1.3.1 超声辅助制备低取代度OSAS

根据Chen等[9]方法，略作修改来超声辅助制备OSAS。称取木薯原淀粉(100 g，干基)配制成35%(w/w)的淀粉乳，用1 mol/L的NaOH溶液调pH至8.0，碱化20 min。将淀粉乳放入超声波清洗槽中，分别在超声功率为0、100、300、400、600 W条件下处理20 min，超声频率为20 kHz，温度控制在35 ℃，期间缓慢滴加无水乙醇稀释3倍的辛烯基琥珀酸酐(OSA)溶液，OSA的加入量为淀粉干基的3%，每个样品反应总时间为6 h。反应结束后，用1 mol/L的HCl溶液将其pH调至6.5，用去离子水和95%乙醇洗涤，过滤。最后将样品于45 ℃烘箱中干燥，粉碎，过100目筛得到OSAS。

1.3.2 超声处理木薯原淀粉

制备等量相同浓度的淀粉乳，搅拌均匀后置于超声清洗槽中，将其分别在超声功率为0、100、300、400、600 W条件下处理20 min，超声频率为20 kHz，温度维持在35 ℃。将处理后的淀粉乳置于45 ℃烘箱中干燥，粉碎，过100目筛得到超声改性木薯淀粉。

1.3.3 超声辅助制备OSAS品质的测定

1.3.3.1 取代度(DS)和反应效率(RE)测定

称取1.50 g样品于100 mL烧杯中，加入50 mL 95%的乙醇溶液，磁力搅拌10 min，随后加入15 mL 2 mol/L盐酸-乙醇溶液，继续搅拌30 min。将样品倒入布氏漏斗，用90%乙醇抽滤洗涤至无氯离子(用0.1 mol/L硝酸银溶液检验)。再将样品移入250 mL三角瓶并加入100 mL蒸馏水，沸水浴30 min，加2滴酚酞，趁热用0.1 mol/L NaOH标准溶液滴至粉色，未改性的淀粉作空白对照[10]。

式中：0.162为葡萄糖残基的摩尔质量/kg/mol；0.210为辛烯基琥珀酰基的摩尔质量/kg/mol；A为耗用0.1 mol/L NaOH标准溶液的体积/mL；W为OSAS样品干基质量/g；M为NaOH标准溶液的浓度/mol/L。

式中：理论取代度为假设全部OSA都与淀粉反应时的取代度。

1.3.3.2 水溶指数(S)和膨胀度(SP)测定

配制一定浓度的淀粉溶液，在85 ℃下糊化30 min后，冷却至室温。在3 000 r/min条件下进行离心30 min，将上层清液倾出于已经恒重的烧杯中，放入105 ℃烘箱中烘干至恒重。计算公式如下[11]：

式中：A为上清液烘干恒重后的质量/g；W为绝干样品质量/g；P为离心后沉淀物质量/g。

1.3.3.3 糊化特性测定

RVA测定程序：50 ℃保持1 min；3.7 min后上升至95 ℃，95 ℃保持2.5 min；3.8 min后下降至50 ℃，50 ℃保持2 min。起始10 s内搅拌器转速为960 r/min，之后保持转速160 r/min。

1.3.4 超声处理后木薯原淀粉结构及性质的测定

1.3.4.1 结晶结构测定(XRD)

测试条件：特征射线CuKα，管压为40 kV，电流为100 mA，扫描速率为4°/min，测量角度2θ=5°～40°，步长为0.02°，发散狭峰为1°，防发散狭峰为1°，接受狭峰为0.16 mm[12]。

1.3.4.2 分子结构测定(FTIR)

称取1.00 mg淀粉样品和150.00 mg溴化钾粉末于玛堪研钵中，将两者研磨均匀后，装入压片模具中抽真空压制成簿片。FTIR测定条件：波长范围为400～4 000 cm-1，扫描次数为32，分辨率为4 cm-1。

1.3.4.3 糊特性测定(DSC)

称取5.00 mg淀粉样品于铝制密封坩埚中，加入15 μL去离子水，4 ℃平衡12 h。以10 ℃/min的升温速率从20 ℃升温至100 ℃，记录升温过程的DSC曲线。

1.3.4.4 颗粒形貌测定(SEM)

将样品进行干燥，用导电双面胶将其固定在金属样品台上，然后进行喷金处理，在2 000倍SEM下观察。

1.3.4.5 淀粉-碘复合物吸收光谱测定

根据Sujka等[13]方法在可见波长(400～800 nm)下进行淀粉-碘复合物的吸光度测定。

表1 不同超声功率处理对OSAS品质的影响

注：同一列中不同字母表示差异显著(P<0.05)。括号内的值为木薯原淀粉在同一超声处理功率下的S、SP和糊化特性。

1.3.4.6 热稳定性测定

测试条件：升温速率10 ℃/min，温度范围25～600 ℃，N2作为保护气[14]。

1.3.5 数据处理

采用SPSS22.0、PeakFit4.12、Origin8.5和Excel软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 超声处理对OSAS品质的影响

取代度和反应效率能够反映出淀粉的化学活性[15]。与木薯原淀粉相比，超声辅助制备的OSAS的取代度和反应效率显著提高(表1)，可见超声处理有利于OSA和水分子进入淀粉颗粒内部，增加淀粉颗粒与OSA的接触面积和机率，提高反应效率。

由表1可看出，未经超声处理(0 W)制备的OSAS取代度虽已达到0.014 3，但其溶解度、膨胀度和黏度特性与原淀粉相比提高并不显著。经超声功率为100 W和400～600 W的处理后，OSAS的溶解度、膨胀度和黏度特性显著提高，糊化温度显著降低，说明超声处理使淀粉颗粒结构疏松，水分子更容易与淀粉颗粒接触，Monroy等[16]也报道超声处理使淀粉颗粒表面形成空穴，提供通道，有利于水分子向颗粒内部的扩散。OSAS的取代度越高，说明OSA与淀粉颗粒的反应程度越高，淀粉链上的OSA基团越多，OSA长链引入到淀粉分子后，使淀粉分子之间的氢键作用力减弱[17]，所以淀粉分子在较低的温度下就可以糊化，即OSAS的糊化温度降低，糊化黏度增大。而300 W超声处理后，OSAS的反应活性和反应效率有所降低。

2.2 不同超声功率处理对木薯原淀粉结构及性质的影响

2.2.1 不同超声功率处理对木薯原淀粉结晶结构的影响

100 W超声处理后，木薯淀粉结晶度由30.7%下降至25.8%。当超声功率为300 W时，结晶度显著升高至28.2%(见图1)，可能由于此阶段超声处理使淀粉分子发生了重排，促进了亚微晶的晶体化[18]，淀粉颗粒内部结构变得有序。随着功率的增大，淀粉颗粒结构受到严重破坏，淀粉分子被降解[19]；Jambrak等[20]研究发现超声处理促进了水分子向淀粉颗粒内部的扩散，特别是向非晶相的扩散。换言之，淀粉颗粒的破坏和水分子的扩散导致了晶体结构的断裂。因此，经过400～600 W超声处理后，淀粉颗粒的结晶度显著降低。

图1 不同超声功率处理木薯淀粉的X-衍射图谱

2.2.2 不同超声功率处理对木薯原淀粉分子结构和糊化特性的影响

1 300～800 cm-1为红外光谱的指纹区，其吸收峰对应于C-O和C-C伸缩振动，其中一些振动对聚合物的变化和淀粉的水化反应很敏感[21]。例如，在1 047 cm-1和1 022 cm-1处的吸收峰分别代表淀粉颗粒中的结晶区和无定型区，995 cm-1处的吸收峰对含水量很敏感[22]。1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值代表晶体区域的有序程度，995 cm-1/1 022 cm-1的比值代表晶体内部双螺旋结构的组织状态[23]。据报道糊化温度(To、Tp和Tc)反映了晶体结构的有序性，糊化焓(ΔH)主要反映了在糊化过程中解离双螺旋结构所需的能量[24]。因此，利用FTIR和DSC来研究淀粉分子的有序结构和糊化特性之间的关系具有重要意义。

100 W超声处理后，1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值下降，995 cm-1/1 022 cm-1的比值增加，表明结晶区的有序性降低，双螺旋结构变得疏松，因此，淀粉颗粒在糊化时吸收的能量较少，易于糊化。当超声功率为300 W时，1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值增加，表明淀粉颗粒结晶区的有序性增加，同时，995 cm-1/1 022 cm-1的比值降低，表明淀粉颗粒的含水量较低，晶体内部的双螺旋结构的组织性较好。因此淀粉颗粒需要更多的能量来破坏双螺旋结构，导致该阶段的To、Tp、Tc和ΔH增加(表2)。400～600 W超声处理后，1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值下降，995 cm-1/1 022 cm-1的比值增加，表明超声处理严重破坏了淀粉的有序结晶结构，淀粉颗粒结构疏松，增加了淀粉颗粒与水分子的接触面积[25]。因此，To、Tp、Tc和ΔH显著降低，打破双螺旋结构所需的能量减少。

2.2.3 不同超声处理功率对木薯原淀粉颗粒形貌的影响

由图3a可看出，木薯原淀粉颗粒表面较光滑，无碎片和孔洞。100 W超声处理后，淀粉颗粒表面变粗糙，并出现一些凹陷，说明超声处理对淀粉颗粒产生了一定的机械力作用。300 W超声处理后，淀粉颗粒表面产生凸起，并且黏附碎屑，可能是内部淀粉分子发生聚集所致。当超声功率为400～600 W时，淀粉颗粒严重变形，表面黏附的碎片增多，主要由于较高功率的超声处理使淀粉分子的内能增加，较大的应力和应变作用使颗粒形貌严重发生形变，导致颗粒结构严重受损。Zuo等[26]通过超声波产生的高剪切力和微射流两种空化现象解释了淀粉颗粒的损伤和破碎。

注：a为归一化后4 000～700 cm-1区域的红外光谱图；b-f为二阶求导后1 200～800 cm-1区域的红外光谱图。b为木薯原淀粉；c、d、e、f分别为超声100、300、400、600 W处理。图2 不同超声功率处理木薯淀粉的红外光谱图

表2 不同超声功率处理对木薯淀粉红外和糊化特性的影响

超声功率/W1 047 cm-1/1 022 cm-1995 cm-1/1 022 cm-1ΔΗ/J·g-1Tp/℃To/℃Tc/℃01.01 ± 0.01a0.86 ± 0.00d10.28 ± 0.98a70.0± 0.31a60.5± 0.14a78.4± 0.06a1000.91 ± 0.01c1.16 ± 0.02c8.78 ± 0.53c68.8 ± 0.19b59.1 ± 0.09b77.1 ± 0.07b3000.98 ± 0.00b1.11 ± 0.01cd9.98 ± 0.31b69.9 ± 0.20a59.8 ± 0.10a78.0 ± 0.05a4000.85 ± 0.01d1.27 ± 0.01b8.23 ± 0.66cd68.7 ± 0.11b58.7 ± 0.12bc76.8 ± 0.10c6000.77 ± 0.01e1.35 ± 0.00a7.93 ± 0.76d67.9 ± 0.10c57.9 ± 0.07c75.9 ± 0.08d

注：同一列中不同字母表示差异显著(P<0.05)。To，起始温度；Tp，峰值温度；Tc，最终温度。

图3 不同超声处理功率木薯淀粉的扫描电镜图(×2 000)

2.2.4 不同超声处理功率对木薯原淀粉的淀粉-碘复合物吸收光谱的影响

通过淀粉与碘形成的紫外最大吸光度值初步推断超声波处理对淀粉分子的降解能力。A680/A545的比值可表征直链淀粉和分支结构分子的比例，比值越大，表明直链淀粉含量越高。由图4可看出，淀粉与碘形成复合物的吸光度随超声功率强度的增大而增大，说明不同功率的超声处理后，淀粉的组分含量发生了改变。从表3得知，木薯原淀粉的特征吸收波长λmax在608 nm左右，经600 W超声处理后其λmax增大至637 nm左右，A680/A545比值也增大，变化趋势与λmax一致。这是由于超声波的机械剪切作用和空化效应使部分长链发生降解，支链淀粉分子中的糖苷键被降解，增进了淀粉分子与碘分子的结合，这与罗志刚等[27]研究结果一致。Liu等[28]研究也表明高功率超声处理增加了直链淀粉含量。

图4 不同超声处理功率木薯淀粉的淀粉-碘复合物吸收光谱

表3 不同超声处理功率木薯淀粉颗粒的最大吸收波长及A680/A545比值

超声功率/W特征吸收波长λmax /nmA680/A54506081.331006211.493006161.454006271.656006371.82

注：同一列中不同字母表示差异显著(P<0.05)。

2.2.5 不同超声处理功率对木薯原淀粉热稳定性的影响

从图5可看出，木薯淀粉的热分解主要有两个阶段：第一阶段(T ≤ 150 ℃)质量损失主要是水分蒸发所致；第二阶段(250 ≤T≤ 350 ℃)主要与糖类有机物热解逸散有关[29]。100 W超声处理后，木薯淀粉颗粒的热解逸散温度有所降低(图5A)，失重速率增大(图5B)，可见超声处理降低了淀粉颗粒的热稳定性。当超声功率为300 W时，失重速率在两个阶段显著降到最低，这是由于该阶段颗粒结构紧密，结晶度和热稳定性升高，导致淀粉热解速率降低。当超声功率增大到400～600 W时，由于颗粒结晶结构破坏严重，无序化程度提高，热稳定性下降，淀粉分子容易热解，所以热解逸散温度降低，失重速率显著增大。

图5 不同超声处理功率木薯淀粉的TGA图和DTG图

通过以上对木薯原淀粉结构及性质的实验数据分析可看出，超声处理对木薯淀粉颗粒产生了显著的机械力化学效应。根据机械力化学相关理论，300 W超声处理与机械力化学效应的聚集阶段对应，100 W和400～600 W超声处理分别与受力阶段和团聚阶段对应。

2.3 超声处理对OSAS品质的影响机制

淀粉颗粒具有较厚的外壳和紧密的结晶结构，在正常情况下，水分和试剂很难进入到淀粉颗粒内部。OSA是油性物质，加入到淀粉乳液中会以油滴状悬浮于上面，不能与淀粉颗粒完全地接触。所以，OSA基团在淀粉颗粒中分布不均匀，反应部位仅限于淀粉颗粒的表面[30]，反应效率也不高。

超声波能够对淀粉颗粒和OSA起到作用。超声波空化效应瞬间产生的高温高压环境，排除了淀粉颗粒内部的空气，使结构变疏松，有利于水分子和试剂进入内部孔道，提高了反应效率。此外，超声处理对淀粉颗粒产生的显著机械力可促进淀粉分子产生大量的自由基[31]，以及晶体位错的增加和移动，使淀粉颗粒的活性位点增多，有利于OSA和淀粉分子的均相反应。超声波作用于OSA时，超声波产生的机械剪切力和空化作用，能够打破和分散漂浮于乳液上面的OSA液滴，从而有利于与淀粉颗粒的接触[32]。超声处理使OSA液滴变小也进一步提高了液滴在淀粉乳液中的溶解性，较小的液滴更容易进入淀粉颗粒内部[33]，使反应不仅局限于淀粉颗粒表面，提高了反应活性和反应效率。所以，超声处理可显著提高OSAS的品质。

但300 W超声处理后淀粉颗粒处于聚集阶段，颗粒内部发生了聚集和重排，使其结构紧密，水分和OSA不易进入颗粒内部，限制了淀粉颗粒的膨胀，导致反应效率、溶解度、膨胀度和黏度降低。同时由于聚集和团聚效应，填充在中央腔和孔道的淀粉链取代基不能被测定[34]，导致在300 W和400～600 W条件下测定的结果比实际值偏低。

3 结论

木薯淀粉经超声处理后其结晶结构和颗粒形貌受到破坏，糊化温度和热稳定性显著降低，直链淀粉含量显著增加。超声处理对淀粉颗粒产生了显著的机械力化学效应，其作用的三个阶段具有不同的影响机制。超声100 W和400～600 W处理后，OSAS的反应效率和品质显著提高，而超声功率为300 W时，其品质发生了不同的变化。