交聯(lián)微孔木薯淀粉的制備及其性能研究

吳思蕓，王繼虎，* ，張燕萍，于丹鳳，邵思盼，李冬亮，賀正果，唐忠鋒

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海 201620;2.廣西工學(xué)院生物與化學(xué)工程系，廣西柳州 545006)

微孔淀粉是一種變性淀粉，作為一種高效、無(wú)毒和安全的吸附劑被廣泛地應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品、農(nóng)業(yè)等行業(yè)。Whistler［1］用玉米原淀粉經(jīng)酶水解后得到微孔淀粉，首次發(fā)表有關(guān)微孔淀粉吸附性能和應(yīng)用方面的初步研究。日本人長(zhǎng)谷川信弘［2］首次提出了較為明確的微孔淀粉的定義。目前制備微孔淀粉的主要方法有［3－8］:物理法、機(jī)械法和生物法。其中酶法制備微孔淀粉的效果最佳。然而，微孔淀粉在制備過程中，大量的淀粉分子鏈?zhǔn)艿狡茐模Y(jié)構(gòu)脆弱，穩(wěn)定性較差，在較高溫度或較高pH下，比原淀粉更易被糊化，且在吸水之后冷凍的情況下，其顆粒就很容易破裂、崩解，使其喪失吸附性能。因而交聯(lián)微孔淀粉成為研究的熱點(diǎn)［9－12］。常用的方法是先將淀粉微孔后再進(jìn)行交聯(lián)，存在的問題是在制備微孔淀粉的過程中其結(jié)構(gòu)易受到破壞，達(dá)不到很好的交聯(lián)效果。新的研究方法是淀粉先交聯(lián)處理后，再進(jìn)行酶解制得交聯(lián)微孔淀粉。與先微孔后交聯(lián)淀粉比較，其吸水和吸油能力得到提高，可更好地應(yīng)用于生產(chǎn)中。本文以木薯淀粉為原料，三氯氧磷為交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，而后采用α－淀粉酶與糖化酶的復(fù)合酶進(jìn)行反應(yīng)，制備出交聯(lián)微孔淀粉并考察其性能。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉(食品級(jí)) 上海綠苑淀粉有限公司;α－淀粉酶(酶活力≥4000U/g)、糖化酶(酶活力≥4000U/g) 上?？笊锛夹g(shù)有限公司;氫氧化鈉、無(wú)水乙酸鈉、乙酸、鹽酸、三氯氧磷(分析純) 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;金龍魚食用油(食品級(jí)) 市購(gòu)。

HH－YS型恒溫油水浴鍋 鞏義市英峪予華儀器廠;RW20型攪拌器 德國(guó)IKA集團(tuán);DHG－9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;800B型臺(tái)式離心機(jī) 上海精密儀器儀表有限公司;BR705404型移液槍 德國(guó)BRAND公司;X’Pert PRO型X射線衍射儀 日本Rigaku公司;S－3400N型掃描電鏡分析儀 日本Hitachi公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 交聯(lián)淀粉制備 參照文獻(xiàn)［12］制備交聯(lián)淀粉，具體步驟如下:準(zhǔn)確稱取100g木薯淀粉(干基)，加入到500mL三口燒瓶中，加入250mL的水，45℃下預(yù)熱20min，同時(shí)用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌，而后緩慢加入少量的 NaCl(占干淀粉質(zhì)量0.5%)和一定量的POCl3。用1mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)淀粉乳液pH，并維持乳液pH為11。反應(yīng)4h后，用1mol/L的鹽酸將乳液pH調(diào)至6～7，乳液再經(jīng)過濾、洗滌干燥、粉碎得交聯(lián)木薯淀粉。

1.2.2 交聯(lián)微孔淀粉制備 配制一定質(zhì)量濃度(10%、20%、30%、40%)的交聯(lián)淀粉乳，加入到500mL三口燒瓶中，緩慢添加醋酸鈉緩沖溶液，調(diào)節(jié)溶液的 pH，置于一定溫度的恒溫水浴鍋中預(yù)熱20min，同時(shí)用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌。精確稱取定量的復(fù)合酶 m(糖化酶)∶m(α－淀粉酶)=3∶1，用醋酸鈉緩沖溶液10mL配成酶液，移入燒瓶中，酶解一定時(shí)間后，停止反應(yīng)。懸浮液經(jīng)抽濾、蒸餾水洗滌、干燥、粉碎后得到交聯(lián)木薯微孔淀粉。

1.2.3 吸水率與吸油率的測(cè)定 精確稱取質(zhì)量為m1的交聯(lián)微孔淀粉重量于250mL燒杯中，加入100mL蒸餾水，常溫下混合攪拌30min，采用G2砂芯漏斗抽濾至無(wú)液滴，取出交聯(lián)微孔淀粉后稱重，質(zhì)量為m2，根據(jù)前后重量差計(jì)算吸水率S1。

精確稱取重量為m3的交聯(lián)微孔淀粉于100mL燒杯中，加入體積為V1的色拉油，常溫下混合攪拌30min，而后采用離心機(jī)3000r/min離心25min，取出上層色拉油，量取其體積為V2，根據(jù)前后體積差計(jì)算吸油能力S2。

1.2.4 掃描電鏡分析(SEM) 采用S－3400型掃描電子顯微鏡觀察原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉的粒徑大小以及表面形貌。測(cè)試條件:用導(dǎo)電雙面膠將淀粉粉末固定在金屬樣品平臺(tái)上，在真空中噴涂鈀金后，置于電子掃描顯微鏡中以20kV電子束觀察。

1.2.5 熱失重分析(TGA) 采用PT－1000型TGA對(duì)原淀粉和微孔淀粉的試樣進(jìn)行熱失重分析，以了解其耐熱性能的變化。測(cè)試條件:氮?dú)獗Ｗo(hù)，升溫速率 20℃ /min，升溫范圍:20～600℃。

1.2.6 X射線衍射分析(XRD) 采用X’Pert PRO型X射線衍射儀分析原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉的晶型結(jié)構(gòu)。X射線衍射儀(XRD)測(cè)試條件:電壓40kV，電流40mA，掃描速度 5°/min，測(cè)試角5～50°。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)淀粉乳濃度對(duì)交聯(lián)微孔淀粉的影響

圖1 淀粉乳濃度對(duì)交聯(lián)微孔淀粉性能影響Fig.1 The influence of starch milk content on the property of crosslinked microporous starch

交聯(lián)淀粉乳濃度對(duì)交聯(lián)微孔淀粉性能的影響如圖1所示。酶解條件:交聯(lián)淀粉乳濃度變量(10%、20%、30%和40%)，交聯(lián)劑用量40μL/g(占干淀粉重量)，緩沖液 pH5.0，酶解溫度50℃，復(fù)合酶用量2.0%(占干淀粉重量)，酶解時(shí)間12h。由圖1可以看出，隨著交聯(lián)淀粉乳濃度的上升，交聯(lián)微孔淀粉吸水率和吸油能力先上升后下降。當(dāng)交聯(lián)淀粉乳的濃度較低時(shí)，酶與淀粉作用的活性點(diǎn)較少，因而吸水率和吸油率較低，當(dāng)交聯(lián)淀粉乳濃度為30%時(shí)，酶和淀粉的配比較佳，交聯(lián)微孔淀粉吸水率和吸油能力最高，進(jìn)一步增加交聯(lián)淀粉乳的濃度，由于酶的用量一定，多過的淀粉不能有效和酶作用，反而稀釋了酶的有效濃度，造成吸水率和吸油能力略有下降。

2.2 交聯(lián)劑用量對(duì)交聯(lián)微孔淀粉的影響

交聯(lián)劑用量對(duì)交聯(lián)微孔淀粉性能的影響如圖2所示。酶解條件:交聯(lián)劑用量變量(20、40、80、150、300μL/g)(占干淀粉重量)，交聯(lián)淀粉乳濃度30%，緩沖液pH4.5，酶解溫度50℃，復(fù)合酶用量2.0%(占干淀粉重量)，酶解時(shí)間12h。

圖2 交聯(lián)劑用量對(duì)交聯(lián)微孔淀粉性能影響Fig.2 The influence of crosslinking agent content on the property of crosslinked microporous starch

由圖2可以看出交聯(lián)劑用量對(duì)吸水率和吸油率影響較大。隨著交聯(lián)劑用量的上升，微孔淀粉吸水率和吸油能力先上升后下降。在交聯(lián)劑用量為80μL時(shí)吸水率和吸油能力達(dá)到最大值。交聯(lián)劑用量較少時(shí)，微孔淀粉交聯(lián)程度較低，隨著交聯(lián)劑用量增加，交聯(lián)程度逐步上升，達(dá)到一定濃度后，再進(jìn)一步增加并不能有效提高交聯(lián)程度。

2.3 酶用量的對(duì)交聯(lián)微孔淀粉的影響

復(fù)合酶用量對(duì)交聯(lián)微孔淀粉的性能影響如圖3所示。酶解條件:復(fù)合酶用量變量(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%)(占干淀粉重量)，交聯(lián)淀粉乳濃度30%，交聯(lián)劑用量80μL/g(占干淀粉重量)，緩沖液pH4.5，酶解溫度45℃，酶解時(shí)間8h。

由圖3可以看出，在復(fù)合酶用量為1.0%～2.0%范圍內(nèi)，吸水率和吸油能力一直呈上升的趨勢(shì)，復(fù)合酶用量超過2.0%后反而略有下降。當(dāng)復(fù)合酶的濃度較低時(shí)，酶與淀粉作用的活性點(diǎn)較少，因而吸水率和吸油能力較低，當(dāng)復(fù)合酶用量達(dá)到2.0%時(shí)，酶和淀粉的配比最佳，交聯(lián)微孔淀粉吸水率和吸油能力最高。復(fù)合酶用量進(jìn)一步增加，由于淀粉乳的濃度一定，過多酶反而會(huì)影響交聯(lián)淀粉的微孔化。

圖3 復(fù)合酶用量對(duì)交聯(lián)微孔淀粉性能影響Fig.3 The influence of composite enzyme content on the property of crosslinked microporous starch

2.4 緩沖液pH對(duì)交聯(lián)微孔淀粉的影響

緩沖液pH對(duì)交聯(lián)微孔淀粉的性能影響如圖4所示。酶解條件:緩沖液pH變量(4.0、4.5、5.0、5.5)，交聯(lián)淀粉乳濃度30%，交聯(lián)劑用量80μL/g(占干淀粉重量)，酶解溫度50℃，復(fù)合酶用量2.0%(占干淀粉重量)，酶解時(shí)間16h。

圖4 緩沖液pH對(duì)交聯(lián)微孔淀粉性能影響Fig.4 The influence of pH on the property of crosslinked microporous starch

由圖4可知，當(dāng)緩沖液pH為4.5，吸水率和吸油能力均達(dá)到最大值。酶需要在一定的酸度條件下才能發(fā)揮最大的活力，過低或過高的pH都會(huì)減弱酶的活性。

2.5 酶解溫度對(duì)交聯(lián)微孔淀粉的影響

酶解溫度對(duì)交聯(lián)微孔淀粉的性能影響如圖5所示。酶解條件:酶解溫度變量(30、40、50、60℃)，交聯(lián)淀粉乳濃度30%，交聯(lián)劑用量80μL/g(占干淀粉重量)，緩沖液 pH4.5，酶解溫度50℃，復(fù)合酶用量2.0%(占干淀粉重量)，酶解時(shí)間8h。

由圖5可以看出，隨著酶解溫度的上升，交聯(lián)微孔淀粉吸水率和吸油能力先上升后下降。反應(yīng)溫度較低時(shí)，復(fù)合酶的活力較低，不利于交聯(lián)淀粉的微孔化，溫度上升到50℃時(shí)，復(fù)合酶具有最大活性。酶解溫度繼續(xù)增加，酶的活力下降，影響了微孔化的程度。同時(shí)淀粉趨向于糊化，淀粉的結(jié)構(gòu)容易被破壞。

圖5 酶解溫度對(duì)交聯(lián)微孔淀粉性能影響Fig.5 The influence of reaction temperature on the property of crosslinked microporous starch

2.6 酶解時(shí)間對(duì)交聯(lián)微孔淀粉的影響

酶解時(shí)間對(duì)交聯(lián)微孔淀粉的性能影響如圖6所示。酶解條件:酶解時(shí)間變量(8、12、16、20h)，交聯(lián)淀粉乳濃度30%，交聯(lián)劑用量80μL/g(占干淀粉重量)，緩沖液 pH4.5，復(fù)合酶用量1.5%(占干淀粉重量)，酶解溫度50℃。

圖6 酶解時(shí)間對(duì)交聯(lián)微孔淀粉性能影響Fig.6 The influence of reaction time on the property of crosslinked microporous starch

由圖6可以看出，交聯(lián)微孔淀粉的吸水率和吸油能力的變化基本相同。在酶解時(shí)間為8～12h范圍內(nèi)，吸水率和吸油能力變化平緩。而酶解時(shí)間超過12h之后呈快速下降的趨勢(shì)。其原因主要是隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉過度水解，使部分淀粉顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，失去了微孔化的能力，導(dǎo)致吸水率和吸油能力的下降。

2.7 掃描電鏡分析(SEM)

原淀粉、交聯(lián)微孔淀粉的掃描電鏡照片如圖7、圖8所示。

圖7 原淀粉SEM圖Fig.7 SEM images of natural starch

由圖7可見原淀粉顆粒呈不規(guī)則橢球形，顆粒表面相對(duì)平滑。與原淀粉相比，經(jīng)過復(fù)合酶處理后，圖8中的交聯(lián)微孔淀粉顆粒形貌大部分發(fā)生了明顯的變化，一部分顆粒表面出現(xiàn)了孔狀結(jié)構(gòu)，微孔孔徑都為2μm左右，另外一部分顆粒表面出現(xiàn)塌陷，形成淺坑狀。

圖8 交聯(lián)微孔淀粉SEM圖Fig.8 SEM images of crosslinked microporous starch

2.8 熱失重分析(TGA)

原淀粉、交聯(lián)微孔淀粉的熱失重曲線如圖9所示。

從圖9可以看出，原淀粉樣品熱失重過程大致分為三個(gè)階段:在分解初期，熱失重變化不大，在100℃時(shí)失去約15%的重量，這是淀粉中水分的脫出;在300～350℃溫度范圍內(nèi)，樣品大量失重，這是淀粉中無(wú)定形區(qū)的分解，分解溫度約為331℃，350℃時(shí)樣品還剩約20%;350℃之后失重幅度變小，直至完全失重，這是由于淀粉隨著溫度的增加，水分和淀粉的無(wú)定形區(qū)消失，留下來(lái)的為淀粉的結(jié)晶區(qū)，其分解溫度較高，約為510℃。

圖9 原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉TGA圖Fig.9 TGA curves of natural and crosslinked microporous starch

交聯(lián)微孔淀粉樣品失重過程基本上也分為三個(gè)階段，與原淀粉基本相同，但分解溫度有非常大的變化，如表1所示。

表1 原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉TGA分解溫度Table1 Decomposition temperature of natural starch and crosslinked microporous starch

從表1中可以看出，原淀粉樣品失重5%時(shí)的分解溫度為101.60℃，最大分解溫度為331.65℃。而交聯(lián)微孔淀粉失重5%時(shí)的溫度為276.99℃，最大分解溫度為391.19℃。交聯(lián)后的微孔淀粉與原淀粉相比，失重5%時(shí)的溫度，最大分解溫度，結(jié)晶區(qū)分解溫度有非常大的提升，這說(shuō)明了交聯(lián)微孔淀粉的熱穩(wěn)定性得到明顯的增加。

2.9 X射線衍射分析(XRD)

原淀粉、交聯(lián)微孔淀粉的X射線衍射如圖10所示。

根據(jù)晶型可將淀粉分為A、B、C類，從圖10可以看到，原淀粉分別在2θ約為17.12°和17.81°處出現(xiàn)最強(qiáng)的峰，在2θ約為14.94°和22.80°處出現(xiàn)中等強(qiáng)度的單峰，在2θ角約為20.01°和26.45°處出現(xiàn)了低強(qiáng)度的單峰，屬典型A型結(jié)構(gòu)。

圖10 原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉XRD圖Fig.10 XRD patterns of natural and crosslinked microporous starch

衍射峰的高度和寬度取決于結(jié)晶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和大小，峰越高、越窄，意味著結(jié)晶越大或結(jié)晶區(qū)域越完整。由圖10可以看出，原淀粉的X射線衍射譜圖由尖峰衍射特征和彌散衍射特征兩部分組成，是典型的多晶體系的衍射曲線。四個(gè)強(qiáng)度較高的峰說(shuō)明木薯淀粉結(jié)構(gòu)是由結(jié)晶結(jié)構(gòu)和無(wú)定型結(jié)構(gòu)兩部分組成的。對(duì)比原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉的XRD圖譜，從峰面積來(lái)看，交聯(lián)微孔淀粉的結(jié)晶峰變得更高更窄，峰面積也相應(yīng)增大，這說(shuō)明結(jié)晶度增大，結(jié)晶區(qū)域更完整。

3 結(jié)論

3.1 采用先交聯(lián)后微孔化的方法制備了木薯交聯(lián)微孔淀粉，較佳工藝條件為:淀粉乳液質(zhì)量濃度30%，交聯(lián)劑用量80μL，緩沖液pH4.5，復(fù)合酶用量2.0%，酶解溫度50℃，酶解時(shí)間12h。

3.2 木薯原淀粉經(jīng)交聯(lián)、酶解微孔化后，其顆粒有較多孔，并存在塌陷現(xiàn)象;交聯(lián)微孔淀粉的熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于木薯原淀粉;交聯(lián)微孔淀粉X射線衍射峰強(qiáng)度、峰面積增大，結(jié)晶度提高。

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