羧甲基化反應(yīng)對大米淀粉性質(zhì)影響的研究

彭　麗，劉忠義，包　浩，喬麗娟，陳　婷

（湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭411105）

羧甲基化反應(yīng)對大米淀粉性質(zhì)影響的研究

彭麗，劉忠義*，包浩，喬麗娟，陳婷

（湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭411105）

以大米淀粉為原料，氯乙酸為醚化劑采用異丙醇溶劑法制備了不同取代度的羧甲基淀粉（DS 0.34～0.72），并對其理化性質(zhì)如凍融穩(wěn)定性、透明度、凝沉性、溶解度、膨脹度、糊化特性及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。紅外圖譜結(jié)果表明，秈米淀粉分子上引入了羧甲基基團(tuán)。通過掃描電鏡（SEM）分析了羧甲基化對淀粉顆粒的形貌影響，其結(jié)果表明，羧甲基化對淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)造成了破壞，其結(jié)構(gòu)破壞程度與取代度有關(guān)。羧甲基淀粉由于引入了羧甲基基團(tuán)，凝沉性減弱，改性后的淀粉具有較好的凍融穩(wěn)定性、較高的透明度、膨脹度和溶解度，且都隨著取代度的增加而增加。此外，相對于原淀粉，羧甲基大米淀粉糊化溫度明顯降低，粘度升高。

羧甲基淀粉，理化性質(zhì)，大米淀粉，顆粒結(jié)構(gòu)

羧甲基淀粉是淀粉在堿性條件下與一氯乙酸作用的陰離子淀粉醚，為溶于冷水的聚電解質(zhì)。羧甲基淀粉是一種重要的變性淀粉，由于結(jié)構(gòu)中引入帶負(fù)電荷的官能團(tuán)（CH2COO2-），使得其具有羧基的離子交換、絮凝和吸附等性質(zhì)，也擁有低溫易糊化、透明度高、流動(dòng)性好等特點(diǎn)［1］。因此，被廣泛地應(yīng)用在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，在食品中應(yīng)用的主要是中低取代度的羧甲基淀粉。

羧甲基淀粉的研究始于1924年，隨后引起很多研究者的關(guān)注并取得了較大的發(fā)展，對羧甲基馬鈴薯淀粉、羧甲基玉米淀粉等已有報(bào)道［2-3］。但我國羧甲基淀粉的研究還處在初級階段，對大米淀粉的羧甲基改性研究報(bào)道較少。大米是中國的主要農(nóng)產(chǎn)品，碎米是大米加工所產(chǎn)生的副產(chǎn)物，營養(yǎng)成分與大米基本相同，價(jià)格卻比大米低很多，但一直以來其主要被用為家畜飼料，綜合利用程度低，迫切需要開發(fā)其深加工技術(shù)。大米淀粉是碎米的主要成分，其具有顆粒細(xì)小、低過敏性等一系列獨(dú)特性能［4］，因此，很有必要研究其羧甲基改性，以改善其相應(yīng)的性能，可以更廣泛地應(yīng)用于食品等行業(yè)以改善食品品質(zhì)。制備羧甲基淀粉的方法主要有三種，其中有機(jī)溶劑法應(yīng)用最廣，具有反應(yīng)均勻，產(chǎn)品質(zhì)量較好等優(yōu)點(diǎn)，適合生產(chǎn)高品質(zhì)的羧甲基淀粉。

本文選用大米淀粉為對象，采用溶劑法，研究不同取代度的羧甲基化淀粉的合成及其性質(zhì)，從而對羧甲基大米淀粉的研究提供一定的依據(jù)。同時(shí)也有助于碎米的深度開發(fā)，為碎米的利用提供新途徑。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

大米淀粉一級品，云南普洱永吉生物技術(shù)有限責(zé)任公司提供；95%乙醇、無水乙醇、氫氧化鈉、氯乙酸、鹽酸、氯化銨、氨水、乙二胺四乙酸二鈉、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、無水硫酸銅、1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚（PAN） 均為分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

UV-2802SH紫外可見分光光度上海尤尼柯儀器有限公司；RVA-4快速黏度分析儀澳大利亞Newportscientific公司；JSM-5900 LV掃描電子顯微鏡日本電子公司；Nicolet 380傅立葉紅外光譜儀 美國熱電集團(tuán)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1羧甲基大米淀粉的制備按摩爾比為2.02∶0.02∶1將大米淀粉、NaOH和CTAB加入裝有冷凝管的三口燒瓶中，用含水量為4m L/100m L異丙醇溶液（體積相對于淀粉干基質(zhì)量的12.5倍）溶解，在50℃的水浴下充分?jǐn)嚢?.5h使淀粉堿化后，在60℃下分別加入摩爾質(zhì)量相對于淀粉干基的0.69、0.86、1.03、1.20、1.37的氯乙酸醚化反應(yīng)3h。待反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，調(diào)節(jié)pH，抽濾，將濾渣用95%乙醇漂洗干凈，干燥至恒重，篩分即可［5］。

1.2.2取代度（DS）的測定參見文獻(xiàn)［6］。

其中，V1，V2：試樣以及空白時(shí)消耗的EDTA的體積（m L）；C1：EDTA標(biāo)準(zhǔn)液的濃度（mol/L）；B：乙酸鈉基含量（%）；W：試樣質(zhì)量（g）。

1.2.3紅外光譜通過紅外光譜儀頻率測定其紅外光譜圖，范圍為400～4000cm-1，樣品測量前需摻混KBr粉末并壓成片劑。

1.2.4形態(tài)觀察將干燥樣品進(jìn)行噴金處理，通過掃描電鏡分析淀粉顆粒。

1.2.5凍融穩(wěn)定性參見文獻(xiàn)［7］，凍融穩(wěn)定性的評判指標(biāo)為析水率。

1.2.6淀粉糊的透明度參見文獻(xiàn)［7］，以其透光率來表示。

1.2.7凝沉性的測定參見文獻(xiàn)［8］，通常用上清液體積分?jǐn)?shù)來表示。

1.2.8溶解度和膨脹度參見文獻(xiàn)［3］。

1.2.9糊化特性參見文獻(xiàn)［3］。

2　結(jié)果與討論

2.1大米羧甲基淀粉制備條件

取代度不同的羧甲基淀粉的特性不同，因此可以根據(jù)食品的特性和加工要求，生產(chǎn)具有合適取代度的羧甲基大米淀粉。通過改變一氯乙酸的添加量，得到一系列不同取代度的羧甲基淀粉，具體條件列于表1。

表1　羧甲基大米淀粉的制備條件Table 1　Preparation conditions of carboxymethyl rice starch

由表1可知，隨著一氯乙酸用量的增加，取代度提高，這是由于反應(yīng)體系中一氯乙酸的添加量越多，與淀粉分子的有效碰撞次數(shù)增多，有助于醚化反應(yīng)向目標(biāo)產(chǎn)物方向移動(dòng)。反應(yīng)效率在50%左右，隨著氯乙酸的增加，呈現(xiàn)增大趨勢，在MCA/AGU為0.86時(shí)反應(yīng)效率稍有降低，這可能是由于反應(yīng)效率不僅與一氯乙酸有關(guān)，同時(shí)也受到其他因素的共同影響。

2.2紅外光譜的分析

圖1為大米淀粉與幾組具有代表性的羧甲基大米淀粉的紅外光譜圖。

圖1　原淀粉和羧甲基大米淀粉的紅外圖譜Fig.1　FT-IR spectroscopy of native rice starch and CMS注：A：原淀粉；B：DS=0.34；C：DS=0.72。

從圖1可以看出，秈米淀粉在3390、2931cm-1出現(xiàn)了較強(qiáng)的吸收峰，分別為-OH和C-H的伸縮振動(dòng)吸收特征峰［8］；在1155、1078、1019cm-1出現(xiàn)的吸收峰為C-O伸縮振動(dòng)脫水葡萄單元的吸收特征峰。此外，575、764、861cm-1處為-CH2的搖擺振動(dòng)吸收特征峰；與原淀粉相比，羧甲基淀粉-OH和C-H的特征峰明顯減弱，且在1610、1420、1325cm-1出現(xiàn)了-COO-的特征峰，證明了淀粉中的-OH被羧甲基基團(tuán)所取代［9］。而且，新的吸收峰的吸收強(qiáng)度隨著DS的增加而增強(qiáng)。這些證明了原淀粉已轉(zhuǎn)化為羧甲基淀粉。在羧甲基玉米淀粉［10］和羧甲基馬鈴薯淀粉［11］也出現(xiàn)過類似的結(jié)果。

2.3羧甲基淀粉形態(tài)觀察

掃描電鏡是觀察物質(zhì)形態(tài)的主要方法。從圖2（a）可以看出，原淀粉顆粒表面光滑，呈多邊形并且有清晰的邊緣，直徑大約為1～5μm。從圖2（b）中看出，淀粉顆粒開始聚集在一起，并且邊界變得模糊。從圖2（c）可以看出，淀粉顆粒已經(jīng)大片的集聚在一起，形態(tài)不規(guī)整，表面磨損嚴(yán)重且有孔洞。這說明反應(yīng)程度越大，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)侵蝕越嚴(yán)重。羧甲基化的淀粉顆粒扭曲變形，許多小顆粒集聚成團(tuán)，顆粒表面變得粗糙不平整，并且出現(xiàn)孔洞。這可能是堿性環(huán)境與熱處理共同作用的結(jié)果［5］。

圖2　大米淀粉與羧甲基淀粉的電鏡照片F(xiàn)ig.2　SEM images of native and carboxymethyl rice starch

2.4凍融穩(wěn)定性

由表2可以看出，大米淀粉經(jīng)過羧甲基化后，凍融穩(wěn)定性明顯提高，這是由于引入的羧甲基基團(tuán)，一方面是其具有親水性能與水分子更好的結(jié)合，另一方面又能與淀粉分子中的羥基形成氫鍵，阻礙淀粉分子間的氫鍵形成，空間位阻增大，使淀粉糊在冷凍條件下不易發(fā)生凝沉，增加了淀粉分子的親水性和極性［12］。從表2中還可看出，取代度對凍融穩(wěn)定性的影響較大，差異顯著。并且，隨著取代度的增加，引入的親水基團(tuán)增多，其凍融穩(wěn)定性增強(qiáng)。冷凍食品要求其具有良好的凍融穩(wěn)定性，因此羧甲基大米淀粉的凍融穩(wěn)定性的提高，適宜作為添加劑用于冷凍食品中。

表2　大米淀粉與羧甲基淀粉的凍融穩(wěn)定性Table 2　The freeze-thaw stability of native and carboxymethyl rice starch

表3　大米淀粉與羧甲基淀粉的透光率（%）Table 3　The transparency of native and carboxymethyl rice starch（%）

2.5淀粉糊的透光率

透光率是淀粉理化性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。

由表3可以看出，羧甲基化后的淀粉糊透光率顯著提高，主要是由于羧甲基化使得淀粉分子上引入的陰離子，使得其內(nèi)部因同性電荷的排斥作用而發(fā)生膨脹，并且其親水性基團(tuán)阻礙了淀粉分子間的結(jié)合。另外，新基團(tuán)的引入對淀粉分子的結(jié)構(gòu)造成了一定的影響。取代度對透光率影響較大，差異較顯著，呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢［13］。另外透光率隨放置時(shí)間的延長也呈下降趨勢。制備得到的羧甲基大米淀粉的透光率低于羧甲基馬鈴薯淀粉［2］，卻高于市售的羧甲基玉米淀粉［3］，這可能和淀粉來源和性質(zhì)的不同有關(guān)。果凍、飲料等要求產(chǎn)品具有良好的外觀，羧甲基大米淀粉其透光率較高，可用于果凍、飲料等食品加工。

2.6凝沉性

凝沉性通常用上清液體積分?jǐn)?shù)來表示，體積分?jǐn)?shù)越大，凝沉值就越小，抗凝沉性就越強(qiáng)。

從圖3中可以看出淀粉糊的凝沉值隨著時(shí)間的推移而逐漸增大，這是由于直鏈淀粉分子之間以氫鍵結(jié)合，從而使淀粉形成沉淀析出。羧甲基淀粉由于引入親水性的羧甲基基團(tuán)，使得其與水分子的結(jié)合能力增強(qiáng)，形成的膠體更穩(wěn)定，其淀粉糊的抗凝沉性就越好［14］，取代度越高，抗凝沉性整體提高，此結(jié)果與凍融穩(wěn)定性的研究相一致。羧甲基大米淀粉具有較好的抗凝沉性，可作為穩(wěn)定劑應(yīng)用于酸奶、果醬等食品加工。

2.7溶解度和膨脹度

由圖4可知，羧甲基化的淀粉溶解度均比原淀粉大，這是由于引入的羧甲基基團(tuán)空間位阻較大，使淀粉中一部分不溶性大分子降解成可溶性小分子，極性增強(qiáng)，溶解度提高。羧甲基基團(tuán)屬于親水性基團(tuán)，容易吸水膨脹，膨脹度增大［15］。取代度越高，引入的羧甲基越多，膨脹度和溶解度越大，這與羧甲基木薯淀粉的變化趨勢一致［16］。羧甲基大米淀粉，膨脹度大，溶解度高，冷水可溶，用于冰淇淋的制作。

圖3　大米淀粉與羧甲基淀粉的凝沉性Fig.3　The retrogradation ofnative and carboxymethyl rice starch

圖4　大米淀粉與羧甲基淀粉的溶解度（A）和膨脹度（B）Fig.4　The solubility（A）and swelling（B）of native and carboxymethyl rice starch

2.8糊化特性

糊化特性是淀粉的重要理化性質(zhì)之一，取一組羧甲基淀粉（DS=0.54）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從表4和圖5可以看出，羧甲基化處理后的改性淀粉，其糊化溫度明顯降低，峰值黏度和崩解度高于原淀粉，回升值下降。這是由于原淀粉發(fā)生了羧甲基反應(yīng)，對直鏈淀粉分子的結(jié)構(gòu)造成了破壞，使直鏈淀粉含量降低，因此羧甲基淀粉的回升值變低，表明羧甲基淀粉抗老化性有所提高。同時(shí)由于羧甲基基團(tuán)的親水性，使得淀粉更易吸水，在較低溫度下時(shí)即可使淀粉分子的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，羧甲基淀粉更易糊化，糊化溫度降低，崩解度變高。被破壞的分子受到分子間作用力及氫鍵的影響，直鏈淀粉與支鏈分子，或者支鏈淀粉之間形成了更大且穩(wěn)定的分子，使得平均分子量變大，淀粉糊的峰值黏度大大提高［17］。羧甲基大米淀粉具有低溫易糊化，且粘度較高的特點(diǎn)，可作增稠劑用在面類食品的生產(chǎn)中以提高面筋強(qiáng)度。

圖5　大米淀粉與羧甲基淀粉的RVA曲線Fig.5　RVA cure of native and carboxymethyl rice starch注：A：羧甲基淀粉；B：原淀粉；C：溫度。

表4　大米淀粉與羧甲基淀粉的黏度特征Table 4　The viscosity properties of native and carboxymethyl rice starch

3　結(jié)論

一氯乙酸對羧甲基淀粉制備的取代度以及反應(yīng)效率具有較大的影響，控制其他條件不變，改變一氯乙酸的含量，制備得到不同取代度的羧甲基淀粉，對其進(jìn)行了性質(zhì)的研究。大米淀粉經(jīng)過羧甲基化后，凍融穩(wěn)定性、淀粉糊透明度、抗凝沉性、膨脹度和溶解度都明顯提高，羧甲基淀粉的取代度對其理化性質(zhì)以及顆粒形態(tài)具有一定的影響。取代度越大，其性能增強(qiáng)。相比于原淀粉，低溫易糊化、粘度也較高。SEM分析結(jié)果表明，羧甲基反應(yīng)嚴(yán)重破壞了淀粉顆粒的形貌。

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Study on the effect of carboxymethylation on properties of rice starch

PENG Li，LIU Zhong-yi*，BAO Hao，QIAO Li-juan，CHEN Ting
（Collage of Chemical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China）

Using rice starch as a raw material，and chloroethanoic acid as ethrifying agent，the carboxymethyl rice starch of different substitution deg ree（DS=0.34~0.74）was p repared w ith isop ropanol solvent method. The p roperties of the carboxymethyl starch，such as solubility，turgidity，transparency，freeze-thaw stability，retrogradation，gelatinization characteristic and partic le structure，were investigated.The results of IR spectra showed that carboxymethyl carboxymethyl g roups were introducted into rice starch molecules.The im pact of carboxymethylation on the morphology of starch was analyzed by SEM.The results of scanning electron m icroscope indicated that carboxymethylation damaged the structure of starch granule and the extent of damage was related w ith DS.The results showed that retrog radation p roperty of the carboxymethyl rice starch decreased due to the introducing of hyd rophilic carboxymethylgroups.Compared w ith raw starch，the mod ified starch had better freeze-thaw stability，higher transparency，turgid ity and solubility，and all these p roperties increased w ith the increase in carboxymethyl substitution degree.Besides，the gelatinization tem perature significantly reduced and viscosity increased.

carboxymethylstarch；physicochem icalp roperties；rice starch；partic le struc ture

TS235.1

A

1002-0306（2015）06-0138-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.06.023

2014-06-23

彭麗（1990-），女，碩士研究生，研究方向：化學(xué)變性淀粉。

劉忠義（1964-），男，博士，教授，研究方向：生物、制藥與食品工程。

國家農(nóng)轉(zhuǎn)資金（2013D2002007）。