水-离子液体混合溶液对玉米淀粉溶解的影响

项丰娟，王书军*，秦仁炳

（1.天津科技大学食品营养与安全国家重点实验室，天津 300457；2.天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457）

淀粉是自然界中广泛存在的、可再生的、生物可降解的和生物相容性的生物大分子，因此淀粉在食品和食品工业领域有着不可或缺的作用。由于在淀粉颗粒中存在有序的微晶结构，因此淀粉作为生产原料用于食品工业和适合不同的应用和制造生物降解材料方面起决定性作用[1-2]。在淀粉分子侧链的羟基之间存在氢键相互作用，故淀粉在普通的有机溶剂中不溶，极大地限制了淀粉在工业上的应用，因此开发新型的、有效的、绿色的、环境友好的溶剂或增塑剂，应用于可将原淀粉颗粒转化为具有理想的最终需要的特性的多功能产品，迫在眉睫[2-3]。

离子液体是一种熔点一般不超过100℃的室温熔融盐[4]。由有机阳离子和有机或无机阴离子组成，具有一般有机溶剂不具备的优良特点，成为传统有机溶剂的潜在替代品[5-6]。而且离子液体具有可设计性，根据产品的结构特性以及工业生产的特殊需要，通过改变或修饰离子液体阴阳离子的结构和种类，可以设计合成出具有不同阴阳离子的结构和相应的物理化学性质的离子液体。目前应用于淀粉研究的离子液体主要有1-烯丙基-3-甲基氯盐（1-allyl-3-methylimidazolium chloride，AMIMCl）[7-8]、1-乙基-3 甲基醋酸盐（1-ethyl-3-methylimidazoliumacetate，EMIMOAc）[9-12]、1-丁基-3-甲基溴盐（1-butyl-3-methylimidazolium bromide，BMIMBr）[13]、1-丁基-3-甲基氯盐（1-butyl-3-methylimidazolium chloride，BMIMCl）[14]、1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐（1-hexadecyl-3-methylimidazolium bromide，C16MIMBr）[15]和 1-辛基-3-甲基咪唑醋酸盐[1-octyl-3-methylimidazolium acetate，（Omim）Ac][16-17]。本文采用一种新型离子液体（1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸盐）作为溶剂，探究1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸盐对玉米淀粉溶解的影响。研究结果对进一步了解淀粉类溶解机制，更好地促进淀粉在食品工业应用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米淀粉、烯丙基氯、N-乙烯基咪唑：美国Sigma公司；乙酸钾、乙腈、无水乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯：国药集团化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。

BT25S分析天平（精确至0.1 mg）、BL610分析天平（精确至1 mg）：美国Sartotius公司；IS 50傅立叶变换红外光谱仪：美国赛默飞世尔尼高力公司；D8 Advance广角X射线衍射仪：德国布鲁克公司；100目核磁共振仪：浙江上虞市华康化验仪器公司；DM4000正置热台显微镜：德国Leica公司；OMH100热重分析仪：美国赛默飞世尔公司；RE-3000C旋转蒸发仪：上海亚荣生化仪器厂；LX-9075A真空干燥箱：力雄仪器；DSC200 F3差示扫描量热仪：德国NETZCH公司。

1.2 试验方法

1.2.1 1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸盐的制备

在氮气的保护下，把N-乙烯基咪唑（47.1g，0.5mol）、烯丙基氯（46.0 g，0.6 mol）和120 mL乙腈添加至一个三口的圆底烧瓶，然后于70℃条件下油浴24 h，同时油浴过程并伴随着机械搅拌和冷凝水循环。反应结束后用旋转蒸发除去过量的烯丙基氯，用乙酸乙酯萃取未反应的N-乙烯基咪唑。在真空干燥箱里干燥48 h得到具有黏性的琥珀色离子液体。然后将得到的1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯盐（51.2 g，0.3 mol），乙酸钾（73.5 g，0.75 mol）和100 mL异丙醇加入到圆底烧瓶中，于25℃条件下，机械搅拌36 h，充分反应后抽滤除去过量的乙酸钾和反应生成的氯化钾，然后旋转蒸发除去过量的异丙醇，再用丙酮复溶，取丙酮相，旋转蒸发除去多余的丙酮，在真空干燥箱里干燥48 h得到具有黏性的琥珀色离子液体（1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸盐）备用。

1.2.2 偏光显微镜观察

将水和离子液体（ionic liquid，IL）配成一定摩尔比例的混合溶液（8∶1、6∶1、4∶1、2∶1、1∶1 和纯离子液体），然后与玉米淀粉按照3∶1（质量比）的比例混合，并立即搅拌均匀。吸取混合溶液少许，滴在玻璃片上，盖上盖玻片，在偏光暗场下观察玉米淀粉的偏光十字，每隔10 min拍取一次照片，直至偏光十字消失。

1.2.3 水-离子液体混合液处理玉米淀粉后的热力学特性

准确称取原淀粉（3.0 mg），放入铝坩锅。在差示扫描量热仪（differential scanning calorimetry，DSC）测量中，混合溶液（水+离子液体）∶淀粉为 3∶1（质量比）。轻轻摇动，以确保混合溶液与淀粉充分混匀，密封，在25℃静置40 min，DSC仪器检测。以10℃/min的速度从20℃加热到120℃。用空坩埚作对照。吹扫氮气流速设为50 mL/min，保护氮气流速设为100 mL/min。

1.2.4 广角X-射线衍射

玉米淀粉在不同摩尔比的水和IL混合溶液中25℃溶解，将溶解得到的淀粉用无水乙醇洗涤，从水和IL的混合溶液中洗涤出淀粉。然后干燥，研磨过筛。在饱和的氯化钠溶液条件平衡7 d[18]。测定玉米淀粉样品在不同摩尔比的水和离子液体的混合溶液中的晶体结构，采用广角X-射线衍射仪以铜靶作为射线源并设置其工作电压和工作电流为40 kV和40 mA。具体参数为：扫描范围 4°～40°（2θ），扫描速度为 2°/min，步长值为0.02°，所得衍射图谱使用TOPAS 5.0软件分析。

1.2.5 电子扫描显微镜

将冷冻干燥的样品固定在导电胶上，喷金，将样品放置在样品室中，在5 kV的电压下，用扫描电子显微镜观察淀粉颗粒的微观结构。

1.3 数据处理

所有的分析都至少做3个平行处理。数据结果的表示方法为平均值±标准偏差。运用SPSS 17.0统计分析软件程序，采用Duncan’s多重比较进行方差分析，p<0.05说明平均值之间的显著差异。所有的图均用Origin 8.0制作。

2 结果与讨论

2.1 玉米淀粉的溶解与再生

水和离子液体的混合溶液与玉米淀粉按照3∶1（质量比）混合，25℃静置60 min，玉米淀粉溶解情况见图1。

图1 a显示玉米淀粉与水和离子液体的混合溶液刚开始混合的状态，在玻璃瓶的底部都会有淀粉下沉的现象。随着静置时间的延长，淀粉在不同摩尔比的水和IL混合溶液中的呈现不同的溶解现象。其中静置60 min后，可以观察到水和离子液体的摩尔比为4∶1时（图1 b），淀粉与水和离子液体的混合溶液形成均一的混合溶液，而且没有沉淀出现。而其余的比例，都有白色沉淀，即未溶解的淀粉颗粒。说明在水和IL的摩尔比为4∶1时，可以充分溶解普通玉米淀粉。

图1 玉米淀粉静置在不同摩尔比的水和IL混合溶液Fig.1 Mixed solution of maize starch statically placed in different proportions of water and IL

另外采用偏光显微镜观察了水和IL的摩尔比为4∶1混合溶液对玉米淀粉的溶解情况，试验现象如图2所示。

图2 玉米淀粉静置在水和IL摩尔比为4∶1混合溶液偏光图Fig.2 Light diagram of maize starch statically placed in molar ratio of water to ionic liquid at 4∶1 mixture polarized

由图2可知，随静置时间的逐渐增加，玉米淀粉的“马耳他”十字逐渐减弱，直至完全变暗（图2g），说明玉米淀粉的晶体结构遭到破坏，淀粉被完全溶解，与前面溶解现象相一致。

2.2 处理后的玉米淀粉DSC热力学特性

水和离子液体不同摩尔比的混合溶液，与玉米淀粉按照 3∶1（质量比）混合，静置 60 min，普通玉米淀粉在DSC上的热转变趋势如图3所示。

图3 玉米淀粉在水和离子液体混合溶液中静置60 min的DSC图Fig.3 DSC thermograms of maize starch statically placed 60 min in water and IL mixtures

图3结果表明，随着水和IL摩尔比例的下降（从8∶1到6∶1），玉米淀粉在DSC上呈现单纯的小的吸热峰，且吸热峰的出现逐渐向高温度移动，并逐渐减小。随着水和IL摩尔比继续下降到4∶1，DSC上没有出现吸热峰或者放热峰。随着水和IL摩尔比例进一步下降（从2∶1到纯IL），开始逐渐出现越来越明显的放热峰。

玉米淀粉在不同摩尔比的水和离子液体混合溶液中的DSC相转变参数见表1。

表1 不同摩尔比的水和IL混合液中玉米淀粉的DSC结果Table 1 DSC results of maize starch in various mole ratios of water and IL mixtures

表1的结果表明，当水和IL摩尔比由8∶1逐渐下降到6∶1，玉米淀粉单一凝胶化吸热峰逐渐转移到更高的相转变温度（To：57.1℃～78.5℃；Tp：63.5℃～91.7℃；Tc：70.0℃～104.5℃）。然而随着水和IL摩尔比的进一步下降，在水和IL的摩尔比为4∶1时，在DSC的相转变图上没有峰出现，即没有淀粉晶体熔融峰的出现。随着水和IL摩尔比的进一步下降，玉米淀粉单一凝胶化放热峰逐渐转移到更高的相转变温度（To：46.8℃～72.7 ℃；Tp：56.8 ℃～94.5℃；Tc：66.3℃～112.2℃）。因此水和IL的摩尔比为4∶1的混合溶液对玉米淀粉溶解的影响最大，使淀粉完全溶解。

2.3 再生玉米淀粉的晶体变化

玉米淀粉在不同摩尔比的水和IL混合溶液中25℃溶解，溶解再生后的淀粉晶体变化情况见图4。

图4 不同摩尔比的水和离子液体溶解后的玉米淀粉XRD图谱Fig.4 XRD patterns of maize starch dissolved in water and IL mixtures

由图4可以观察到淀粉在水和IL不同摩尔比的混合溶液处理后的再生玉米淀粉的XRD的晶体衍射峰各不相同，其中水和IL摩尔比为4∶1的混合溶液溶解后的淀粉晶体结构被完全破坏，观察不到A型淀粉的特征峰且衍射峰的强度最低，其它摩尔比的水和IL的混合溶液（例如 8∶1、6∶1、2∶1、1∶1 及纯 IL）溶解处理的淀粉，均能看到明显的A型淀粉的特征峰。说明水和IL摩尔比为4∶1时，对淀粉的晶体结构破坏最严重，对淀粉的溶解性最好，这样的类似结论之前文献也有报道[19]。说明离子液体对淀粉的溶解，需要加入一定量的水，改变离子液体的原有性质[20-24]，使得水和离子液体的混合溶液更适合于常温溶解淀粉。这一结果与DSC和偏光显微镜的结果一致。

2.4 再生玉米淀粉的微观结构

玉米淀粉在不同摩尔比的水和IL混合溶液中25℃溶解后，再生淀粉的微观结构变化情况见图5。

图5 不同摩尔比的水和离子液体溶解后的玉米淀粉SEM图谱Fig.5 SEM patterns of maize starch dissolved in water and IL mixtures

与原淀粉相比，可以观察到用不同摩尔比的水和IL混合溶液处理后的淀粉，再生玉米淀粉的微观结构都有一定程度的吸水膨胀，变形。其中水和IL摩尔比为8∶1和6∶1对淀粉的颗粒结构破坏程度最小，而水和IL摩尔比为2∶1、1∶1及纯IL对淀粉的溶解比较明显，可以看到淀粉颗粒已经发生了显著的膨胀与变形。而水和IL摩尔比为4∶1溶解的淀粉，颗粒结构被完全破坏，出现了挤压、凹陷和变形。结果表明水和IL摩尔比为4∶1的混合溶液对淀粉的颗粒结构破坏最严重，即水和IL摩尔比为4∶1的混合溶液对淀粉的溶解性最好。这一结果与DSC和XRD的结果一致。与之前的研究也有类似的结果[18]。

3 结论

研究25℃条件下玉米淀粉在不同摩尔比的水和离子液体的混合溶液中的溶解性能。研究结果表明：水和离子液体摩尔比为 8∶1、6∶1、4∶1、2∶1、1∶1 及纯 IL 的混合溶液对玉米淀粉的溶解产生不同的影响。相对于其他的水和离子液体摩尔比的混合溶液（8∶1、6∶1、2∶1、1∶1及纯IL）而言，水和离子液体摩尔比为4∶1的混合溶液对玉米淀粉的溶解效果最好。通过偏光显微镜和扫描电镜可以观察到淀粉在水和离子液体摩尔比为4∶1的混合溶液中溶解后的颗粒结构严重挤压，变形，且淀粉颗粒的“马耳他”十字消失，通过XRD可以观察到淀粉的晶体结构破坏最严重，衍射峰的强度显著降低，典型的A型淀粉的特征峰消失，通过DSC的结果可以看出，静置60 min，水和离子液体摩尔比为4∶1处理的淀粉DSC峰没有吸热峰或者放热峰出现，说明处理后的淀粉完全溶解。因此水和离子液体摩尔比为4∶1的混合溶液对淀粉的溶解效果最好，研究结果对淀粉在食品工业的应用起到一定的促进和理论支持。