乙酰化木薯淀粉的制备、表征及流变性能分析

王创新，丁 玲，张 继,3, ，曹 余

（1.西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃省特色植物有效成分制品工程技术研究中心，甘肃兰州 730070；3.西北师范大学新农村发展研究院，甘肃兰州 730070；4.甘肃丰收农业科技有限公司，甘肃天水 741020）

木薯淀粉（Cassava Starch，CS）是木薯经过淀粉提取后脱水干燥而成，因其具有良好的安全性和应用性，在食品加工中被广泛应用。乙酰化木薯淀粉（Acetylated Cassava Starch，ACS）是指用醋酸或醋酸乙烯等在碱性条件下对CS 进行酯化而得到的一类变性淀粉，是化学变性淀粉的重要品种之一，可有效提高食品的冻融稳定性、粘度、储存稳定性等[1-3]。

CS 资源丰富，现有研究以CS 为原料制备ACS，改善了CS 颗粒内乙酰化反应和乙酰化基团非均匀分布的状况，进行了取代度、热稳定性和形态结构的对比分析，为其在涂料和食品包装的应用提供了参考[4-5]；不同取代度的ACS 形态学特性和流变学性能与CS 相比，ACS 的特性使其能够用于生物活性分子的封装，为其在生产生物活性包装和生产可生物降解包装的应用提供了理论基础[6]。此外，水溶液胶体的流变学特性在液体流、泵送、消毒、蒸发、干燥措施等食品加工和食品包装方面具有重要的技术指导意义[7]。

目前关于ACS 的报道较多集中对ACS 的取代度、结构表征研究、对食品品质的影响或探究其制备工艺，而对其流变性能研究的不够多也不够深入。因此，本文通过红外光谱、X-射线衍射、热重分析对CS 和新制备的ACS 进行了结构表征，并对其流动性、触变性及动态粘弹性等流变性能进行了较全面的测定，为其在食品加工、药品制造等方面更广泛的应用提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

木薯淀粉 甘肃丰收农业科技有限公司；醋酸酐、盐酸 成都市科隆化学品有限公司；氢氧化钠成都金山化学试剂有限公司；乙醇 国药集团化学试剂有限公司；蒸馏水 实验室自制；试剂均为分析纯。

Nicolet is10 红外光谱仪 美国Thermo 公司；D/Max-2550PC 型 X-射线衍射仪 日本RIGAKU公司；TG209F1 型热重分析仪 德国NETZSCH 公司；MCR301 型流变仪 奥地利安东帕有限公司；JD500-3 型电子天平 沈阳龙腾电子产品有限公司；JRA-6 型数显磁力搅拌水浴锅 金坛市杰瑞尔电器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 乙酰化木薯淀粉的制备 使用Wurzburg[8]的制备方法，制备DS 为0.08 的ACS。将50 g CS 和112.5 mL 的蒸馏水用磁力搅拌器进行混合，用3%的NaOH 溶液将pH 保持在8.0～8.5。加入3 g 醋酸酐不断搅拌，反应温度25 ℃，反应时间2 h，反应中加入3% NaOH 溶液，控制乳液pH 保持在8.2～8.4之间。反应结束后，用0.5 mol·L-1HCl 调整pH 至4.5。反应物先用乙醇冲洗1 次，再用蒸馏水冲洗3 次，冷冻干燥48 h 备用，用于ACS 结构表征的测定。

1.2.2 乙酰化木薯淀粉糊液的配制 用蒸馏水将ACS 分别配制成100 mL 的2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%的乳液，在25 ℃水浴锅中恒温磁力搅拌2 h，转速150 r/min，95 ℃糊化后去泡备用，用于ACS 流变性能的测定。

1.2.3 红外光谱（FTIR）分析 FTIR 分析采用傅里叶变换红外光谱仪，通过KBr 压片法，将CS 和ACS 分别与KBr 以1:100 比例充分混合、研磨、压片后置于红外光谱仪上测试，扫描波数范围为500～4000 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.2.4 X-射线衍射（XRD）分析 XRD 分析采用X 射线衍射仪，镍过滤铜Kα辐射（θ=1.5406 A），电压为45 kV，灯丝电流为35 mA。XRD 运行在5°≤2θ≤80°上进行，扫描速度为5°/min。

1.2.5 热重分析（TGA） 使用同步热分析仪测量样品的热稳定性，将样品放入仪器中，在氮气气氛下测试，温度范围为30～700 ℃，升温速率为10 ℃/min。

1.2.6 流变性能测定

1.2.6.1 流动性能 使用平板PP50，板间距2 mm，在25 ℃条件下，测试ACS 糊液的粘度随剪切速率的变化趋势，剪切速率范围：0.01～100 s-1[9]。不同浓度ACS 糊液的Cross 模型拟合参数数据，对应的数据由公式（1）计算得到。

式中，η为任何特定剪切率下的粘度；η0和η∞代表零剪切力和无限剪切力时的表观粘度（Pa·s）；α为时间常数，为剪切速率；d 为速率指数。

1.2.6.2 触变性能 使用平板PP50，在旋转模式下进行三段参数设定。第一阶段：剪切速率以恒定增速（3.12 s-1）从0 s-1升高到100 s-1；第二阶段：在剪切速率为0 s-1下保持50 s；第三阶段：以恒定减速（3.12 s-1）从100 s-1降低到0 s-1[10]。不同浓度ACS糊液的触变环面积数据，对应的触变环面积可由公式（2）计算得到。

式中： γ1和γ2为剪切速率，s-1；k1、 k2为正向流动指数，Pa/s；n1 和n2 分别为流动幂指数。

1.2.6.3 动态粘弹性 通过应变扫描确定ACS 的线性粘弹性范围，即在25 ℃条件下给样品以恒定的频率（1 Hz）施加一个范围（0.05%～100%）的正弦形变（应变），依据储能模量的变化来确定其线性粘弹性范围。振荡频率扫描：在ACS 的线性粘弹性范围内，施加不同频率的正弦形变（ω：100～0.1 rad/s，strain 1%），从而得到不同温度和不同浓度条件下ACS 溶液的储能模量（G'）和损耗模量（G''）随频率变化的关系[11]。

1.2.6.4 模量与复合粘度 采用振荡模式进行参数设定，温度范围为4～80 ℃，2 ℃/min，角频率为1 Hz，应变为1%[12]。

1.3 数据处理

实验数据通过流变仪自带软件获取，本实验所有测试均重复3 次取平均值，以保证数据的可靠性，用Origin 2018 软件对所有数据进行处理并作图。

2 结果与分析

2.1 CS 和ACS 的结构表征

2.1.1 CS 和ACS 的FTIR 分析 CS 和ACS 红外光谱如图1 所示。通过对比可以看出，在3385 cm-1左右处出现的是淀粉中游离的-OH 的伸缩振动吸收峰，2932 cm-1处出现淀粉-CH2伸缩振动吸收峰，在1371、1423 cm-1处出现淀粉-OH 的弯曲振动吸收峰；相较于CS，ACS 在1730 cm-1处出现了新的吸收特征峰，为明显的酯键的特征吸收峰，由此说明醋酸酐与CS 发生了反应，成功合成了ACS，这与文献[13-15]研究结果基本一致。

图1 CS 和ACS 红外光谱图Fig.1 Infrared spectra of CS and ACS

2.1.2 CS 和ACS 的X-射线衍射（XRD）分析 CS和ACS 的X-射线衍射曲线如图2 所示。CS 的XRD曲线由尖峰衍射特征和弥散特征两部分组成，分别对应淀粉的结晶区与无定型区，属于典型的多晶体系的衍射曲线。从图2 中可看出，CS 和ACS 均在15.0°、17.0°、18.0°、23.0°附近有明显的衍射峰，表明两者均为典型的A 型结晶结构，说明乙酰化并没有改变CS 的晶体结构类型，其晶型仍保持A 型。根据Lemos 等[16]、林丽菁等[17]的研究，这可能是因为取代主要发生在非结晶区，对结晶区虽然也有一定破坏，但不足以使其晶型发生改变。

图2 CS 和ACS X 射线衍射曲线Fig.2 X-ray diffraction curves of CS and ACS

2.2 CS 和ACS 的热重（TGA）分析

CS 和ACS 的TGA 曲线如图3 所示。从图3中可以看出，CS 和ACS 均出现了不同程度的质量损失。ACS 自50 ℃起持续失重，前期失重速率不高，可能是由于ACS 中水分蒸发所致，在275～325 ℃时失重速率急剧升高，在325 ℃时ACS 失重80%，CS 失重70%，可能是由于淀粉结构中糖苷单元的分解，其中的氢键和化学键断裂所致。当温度超过600 ℃时，TG 曲线趋于平缓，ACS 失重90%，CS 失重80%，表明高温条件下样品大量分解，可能是由于淀粉中糖苷键的断裂和碳水化合物链的脱水所致。TGA 曲线中CS 相对ACS 质量损失较低，表明其晶体结构更为稳定，说明CS 经乙酰化处理后，其热稳定性降低，文献[18-19]也得到了类似的结果。

图3 CS 和ACS 的TGA 曲线Fig.3 TGA curves of CS and ACS

2.3 ACS 的流变性分析

2.3.1 ACS 的流动性 不同浓度ACS 糊液的剪切速率与粘度关系曲线如图4 所示。在低剪切速率可以明显观察到剪切变稀行为，并且随着剪切速率的增大，不同浓度的ACS 糊液的粘度都呈明显的下降趋势，说明ACS 糊液是一种典型的假塑性流体。ACS糊液粘度的下降可能是因为淀粉中的多糖在高剪切速率下易受到更大的剪切力，粘度逐渐变小，这也表明多糖长链的缠结结构在高剪切速率的影响下发生重新排列[9]。在剪切速率相同的情况下，高浓度ACS 糊液的粘度越高，随着剪切速度的增大，促进了多糖分子链的解缠结，多糖分子之间的交联网状结构逐渐被破坏，因此其粘度下降速率相对更快。

图4 不同浓度的ACS 糊液的粘度特性曲线Fig.4 Viscosity characteristic curves at different ACS concentrations

这种剪切变稀的流动特性可以用Cross 模型来描述。Cross 模型因为可以较为准确的描述出聚合物在较大范围内的流变行为，该模型已经被成功地用于描述黄原胶等多种食品溶液的剪切稀化行为[18]。因此，本文利用这种模型对ACS 溶液的流动曲线进行参数拟合。在0.01～100 s-1的剪切率范围内测量了质量浓度为2.5%、5.0%、7.5%、10.0%和12.5%（w/v）的ACS 糊液的剪切流动性。流动性的特征可以使用Cross 模型准确地描述，表1 为不同浓度ACS 糊液的Cross 模型拟合参数数据，对应的数据由公式（1）计算得到。

表1 不同浓度ACS 糊液Cross 模型拟合参数Table 1 Cross model-fitting parameters at different ACS concentrations

表1 为Cross 模型被用来拟合ACS 糊液在不同浓度和下的相关剪切流动行为数据。其结果显示，该模型的回归系数（R2）和相对偏差误差（RE）分别较高和较低，表明Cross 模型拟合可以用来描述ACS糊液的流变性。松弛时间α与临界剪切率（γCrit）有关，α=1/γCrit。γCrit标志着ACS 糊液的剪切变稀的开始。结果表明，随着ACS 浓度的增加，剪切变稀的开始转移到较低的剪切率上。速率指数（d）反映了ACS 剪切稀化区的粘度对剪切速率的依赖性。从图4 和表1 可以看出，η、η0、η∞、α及d 随着ACS浓度的增加而呈上升趋势。当ACS 溶液浓度从2.5%～12.5%（w/v）增加时，η0从344.66 Pa·s 增加到6399.4 Pa·s，α从17.46 增加到33.629，d 从0.58476上升到0.74825。这些数据表明，随着ACS 糊液的浓度增加，剪切稀化行为开始转向较低的剪切率。在高浓度的ACS 中，单链的移动受到限制，由于聚合物链缠结程度的相应增加而受到限制。因此，该系统的结构稳定性得到了加强，这导致了ACS 糊液中变形、分子链纠缠的破坏以及剪切变薄的行为所需时间均得到增加[10]。因此，ACS 糊液的剪切稀化行为有利于食品加工中食品的混合、泵送和装瓶等[19]。

2.3.2 ACS 的触变性 表2 为不同浓度ACS 糊液的触变环面积数据，对应的触变环面积可由公式（2）计算得到[20]。

表2 不同浓度ACS 糊液的触变环面积Table 2 Thixotropic ring area at different ACS concentrations

从表2 可以看出，ACS 糊液均有一定的触变性。低浓度的ACS 糊液（2.5%）的触变环面积相对较小，因此，可以认为其对时间依赖性较小。而较高浓度的溶液体系（5.0%～12.5%），其触变环面积随着溶液浓度的增大而急剧增大，因此触变性也随之增强，相应地，对时间的依赖性也就越大，这种现象可能与淀粉多糖的聚合物分子链之间的缠结及解缠结有关[9]。

2.3.3 ACS 的动态粘弹性 储能模量（G'）和损耗模量（G''）以及复合粘度（η*）对频率依赖性可被用来描述ACS 溶液的粘弹性行为。不同浓度的ACS 糊液的G'、G"与频率（ω）的关系见图5a。在整个测试范围内ACS 溶液的G'＞G"，聚合物溶液主要以弹性固体的形式存在，这与Khurshida 等[14]、Villanueva 等[21]报道的一致。此外，本研究发现不同浓度ACS 的G'和G"都随着ACS 浓度的增加而增加；但是，G´的增加趋势更为明显，这表明在较高浓度下有更多的CSA 分子参与非共价连接，形成了一个更强的ACS三维网络[21-24]。

图5 不同浓度ACS 糊液的动态粘弹性曲线Fig.5 Dynamic viscoelasticity curves at different ACS concentrations

不同浓度的ACS 的η*与频率（ω）的关系见图5b，ACS 溶液的η*值也随着ω的增加而减小，而且这种减少在较高浓度下更为明显。根据Tunick 等[25]的研究，在频率扫描测试过程中，ACS 的分子间或分子内的相互作用可能被破坏或重组，导致ACS 的分子结构发生变化，并最终影响其流变特性。而在高频率的情况下，聚合物的分子间或分子内键可能发生断裂，且不能在短时间内恢复重组，这可能导致长链聚合物的永久解离，从而降低ACS 的η*，这可能是由于ACS 的不规则网络构象造成的[19,26-27]。

2.3.4 ACS 的模量与复合粘度 不同浓度的ACS溶液的G'、G"与温度之间的关系见图6a。在升温扫描过程中，ACS 的G'、G''变化趋势相似。在5～45 ℃范围内G'和G''基本稳定；但后来随着温度的升高而增加，然后趋于平缓。G'和G''的增加可能是因为在升温过程中，淀粉颗粒吸水膨胀，体积增大，直链淀粉从淀粉颗粒中溶出，进而与淀粉颗粒相互缠绕形成网络结构[25]。ACS 溶液曲线上的G'和G"（2.5%～12.5%，w/v）的交叉点在75、73、57、52 和47 ℃。图6a 可以看出，ACS 糊液的弹性比粘性大，因为溶液始终表现出类似于固体的状态（G'＞G"），表明ACS 为高弹性的凝胶结构。图中可以观察到ACS 糊液模量的变化表现出很好的浓度依赖性，G´和G''交点的出现很大程度上依赖于ACS 糊液的浓度，ACS 糊液浓度越高，交点出现的越早。

图6 不同浓度ACS 糊液模量与复合粘度曲线图Fig.6 Modulus of ACS at different concentrations versus composite viscosity

不同浓度ACS 的η*与温度之间的关系见图6b。图6b 可以看出，在最初的加热过程中（0～40 ℃），ACS 的η*随着加热的进行而缓慢下降，但后来随着温度的升高而增加。η*最初下降，这种下降可能是由于刚开始随着温度的升高，糊液中分子热运动加剧，分子之间解缠能力提高，网络结构被破坏，糊液弹性下降。此外，随着温度的进一步升高，η*急剧上升，可能是因为随着温度的升高，分子热运动进一步加剧，分子链之间存在了大量的纠缠物，并且多糖缠结物随着浓度的增加而增加，导致糊液的弹性增加[28-30]，ACS 糊液表现出一种固体凝胶般的弹性特性。

3 结论

本研究中，结构表征结果表明ACS 在1730 cm-1处出现了乙酰基团特征吸收峰，表明ACS 制备成功，乙酰化反应并未改变其晶型，但是降低了其热稳定性。流变学结果表明ACS 是一种假塑性流体，有剪切变稀行为，其流动曲线符合Cross 模型；其触变性随溶液浓度的增大而增大，并表现出良好的弹性固体行为。与以往研究相比，本研究对所制备的ACS 进行了较为全面的表征分析，综上所述，因ACS所具备的良好流变特性，能作为优良的增稠剂、乳化稳定剂、胶凝剂、粘结剂等，可广泛应用于焙烤制品，速冻水饺、方便面生产等食品工业生产中。因此，本研究为进一步拓展其在食品工业中的应用提供了一定的理论参考。此外，关于不同取代度ACS 的结构及流变学行为之间的相关关系有待进一步研究。