超聲預(yù)處理對(duì)濕法陽離子淀粉性質(zhì)的影響*

張慧，侯漢學(xué)，董海洲，劉晗，舒楊，李春雪

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安，271018)

我國的陽離子淀粉生產(chǎn)仍以傳統(tǒng)濕法為主，產(chǎn)品取代度、反應(yīng)效率較低，陽離子淀粉的性質(zhì)也在多個(gè)方面有所欠缺，在染色、絮凝、造紙、紡織行業(yè)中的應(yīng)用需要進(jìn)一步的改性以及交聯(lián)，這就造成目前濕法陽離子淀粉的應(yīng)用要增加復(fù)雜的工序，進(jìn)一步增加成本［1］。制約產(chǎn)品取代度和反應(yīng)效率的主要問題是淀粉結(jié)晶區(qū)分子排布緊密，滲透性差，水、酶以及化學(xué)試劑不易滲透進(jìn)入淀粉顆粒，導(dǎo)致醚化劑與淀粉的反應(yīng)速率較低。在傳統(tǒng)變性淀粉的生產(chǎn)中主要靠堿破壞淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)，在一定程度上有利于減少反應(yīng)過程中的擴(kuò)散阻力，但是過高的堿濃度會(huì)導(dǎo)致醚化劑分解的副反應(yīng)發(fā)生，降低反應(yīng)效率;且較高的堿濃度容易導(dǎo)致淀粉顆粒整體糊化，并且會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品中含有較多鹽、堿雜質(zhì)，難以洗滌［2］。

近年來，超聲技術(shù)逐漸應(yīng)用于淀粉領(lǐng)域。Zhu等［3］采用不同功率超聲處理馬鈴薯淀粉，隨著超聲功率的增加，淀粉顆粒逐漸由緊密結(jié)構(gòu)膨脹成體積更大更疏松的結(jié)構(gòu)，結(jié)晶區(qū)分子的有序度下降。Jambrak等［4］以高強(qiáng)度24kHz頻率超聲處理玉米淀粉后，改變了淀粉的結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)。超聲波通過機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)及自由基氧化反應(yīng)等作用，降低淀粉結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)的緊密性，起到破碎淀粉結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)具有操作簡單、環(huán)保、易控制、高效低能耗的特點(diǎn)［5］。

本實(shí)驗(yàn)將超聲技術(shù)與傳統(tǒng)濕法工藝相結(jié)合制備陽離子淀粉，研究超聲預(yù)處理過程對(duì)陽離子淀粉分子結(jié)構(gòu)及糊液性質(zhì)的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)原料

玉米淀粉，山東諸城興貿(mào)有限公司;Shodex Standard P-82普魯蘭多糖，昭和電工株式會(huì)社;醚化劑3氯-2羥丙基三甲基氯化銨(CHPTMA)、NaNO3、NaOH、冰醋酸、HCl、CuSO4、K2SO4、H3BO3、H2SO4、無水乙醇等均為分析純。

1.1.2 試驗(yàn)儀器

PHS-25型酸度計(jì)，上海偉業(yè)儀器廠;101A-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱，黃驊市凱豐儀器廠;KDN-04A凱氏定氮儀，上海新嘉電子有限公司;LC-20A液相色譜儀，日本島津;FS-250超聲波處理器，上海生析超聲儀器有限公司;SUPER-3RVA型快速黏度分析儀，澳大利亞NEWPORT科學(xué)儀器公司;DSC-200PC，德國耐馳公司。

1.2 陽離子淀粉制備方法

1.2.1 超聲預(yù)處理原淀粉

稱取30.0 g玉米淀粉于250 mL燒杯中，加入120 mL水，攪拌均勻混合成20%的淀粉乳，在一定功率的20 kHz頻率超聲波下作用一定時(shí)間，處理完后，用蒸餾水洗滌淀粉，抽濾，干燥，待后續(xù)制備用。

1.2.2 濕法制備陽離子淀粉

將30 g超聲處理的淀粉于250 mL燒杯中加水配成0.4 g/mL濃度的淀粉糊，攪拌均勻后加入4.75 g CHPTMA，3.25 g Na2SO4，轉(zhuǎn)入 250 mL 三頸燒瓶中。在一定溫度下緩慢攪拌，用NaOH調(diào)節(jié)pH值，反應(yīng)一段時(shí)間后，使用HCl調(diào)節(jié)pH至中性，將樣品取出、抽濾、洗滌，干燥，研磨得成品。

1.2.3 凝膠滲透高效液相色譜法測定分子量

色譜條件:色譜柱:TSK gel columns系列G5000，G3000(Tosohaas);流動(dòng)相:0.01 mol/L NaNO3溶液;柱溫:30℃;流速:0.4 mL/min;檢測器:RID-10A示差折光檢測器。

標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制:采用Shodex Standard P-82 Pullulan作為分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)品。選用重均分子質(zhì)量(MW)為 5 900，11 800，22 800，47 300，112 000，212 000，404 000，788 000的8個(gè)Pullulan標(biāo)準(zhǔn)品繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)準(zhǔn)品分別取50 mg，加5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%疊氮化鈉溶液配制成濃度0.1%的溶液，在室溫下靜置24 h，0.45 μm過濾，色譜測定。使用GPC軟件繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

樣品測定:將150 mg淀粉溶解于15 mL 90%二甲基亞砜中，在沸水浴中加熱1 h后，在25℃下攪拌24 h。加入無水乙醇，在3 000×g下離心10 min。沉淀加10 mL水在100℃加熱30 min，色譜測定。

1.2.4 DSC熱性質(zhì)測定

熱性質(zhì)用DSC-200PC測定。用耐馳坩堝稱取5 mg左右的淀粉樣品，加入15 μL重蒸水。用示差掃描量熱儀進(jìn)行測定，掃描溫度范圍為0～120℃，掃描速度5℃/min，得到熱性質(zhì)參數(shù)主要包括起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)、糊化焓變(ΔH)。

1.2.5 透光率的測定

稱取0.20 g淀粉樣品置于20 mL刻度試管內(nèi)，調(diào)節(jié)pH為6.5，用蒸餾水定容到20.0 mL，振蕩混勻成10 mg/mL的陽離子淀粉糊。沸水浴加熱半小時(shí)。冷卻至室溫，以蒸餾水為空白對(duì)照，波長650 nm下采用分光光度計(jì)測定透光率。

1.2.6 凝沉性的測定

稱取0.20 g淀粉樣品置于20 mL刻度試管內(nèi)，調(diào)節(jié)pH值為6.5，用蒸餾水定容到體積20.0 mL，振蕩混勻成10 mg/mL的陽離子淀粉糊。沸水浴加熱半小時(shí)，冷卻至室溫后，3 000×g的重力加速度下離心15 min，波長650 nm下測定吸光度;4℃冰箱內(nèi)使上清液靜置7 d，取出后回至室溫，在3 000×g的重力加速度下離心15 min，波長650 nm下測定吸光度。

1.2.7 溶解指數(shù)的測定

淀粉配成2%的淀粉糊，在高于糊化溫度加熱攪拌30 min，以3 000×g的重力加速度離心l5 min，將上清液用烘箱105℃烘干至恒重，稱量得到溶解淀粉質(zhì)量A，溶解指數(shù)計(jì)算:

式中:A，上清液恒重質(zhì)量，g;m，樣品干基質(zhì)量，g。

1.2.8 RVA測定黏度

以SUPER-3RVA型快速黏度分析儀測定糊化性質(zhì)，稱取2.5 g的淀粉，25 g蒸餾水在樣品中混勻，采用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行升溫。RVA曲線主要參數(shù)包括峰值黏度(peak viscosity)、谷值黏度(trough viscosity)、衰減值(breakdown)、最終黏度(final viscosity)、回凝值(setback)、糊化溫度(gelatinization temperature)。

1.2.9 凍融穩(wěn)定性測定

配制60 mg/mL的淀粉乳，沸水浴中加熱糊化30 min，再冷卻至室溫。取定量倒入離心管中，加蓋置于-18～-20℃冰箱內(nèi)冷卻，24 h后取出，室溫下自然解凍，然后在3 000×g條件下離心20 min，棄去上清液，稱取沉淀物質(zhì)量，計(jì)算析水率，每天重復(fù)測定析水率直到析水率穩(wěn)定不變。

式中:Y，析水率;M，淀粉糊質(zhì)量;m，沉淀物質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 陽離子淀粉樣品

通過濕法和超聲濕法2種工藝制備了取代度不同的8個(gè)陽離子淀粉樣品，樣品見表1，通過對(duì)2種工藝各4個(gè)相近取代度樣品的性質(zhì)分析，研究超聲預(yù)處理工藝陽離子淀粉與濕法陽離子淀粉性質(zhì)的差異以及優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 用于性質(zhì)研究的樣品Table 1 Starch for properties research

2.2 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉分子質(zhì)量分布的影響

以玉米淀粉作對(duì)照樣品，測定不同取代度的濕法及超聲濕法陽離子淀粉的分子質(zhì)量，研究超聲預(yù)處理對(duì)其分子質(zhì)量分布的影響。由表2可以看出，隨著取代度增大，支鏈部分所占比例逐漸減小，直鏈部分所占比例逐漸增加，且支鏈淀粉分子質(zhì)量降低，直鏈淀粉分子質(zhì)量增大，即支鏈淀粉逐漸轉(zhuǎn)化為直鏈淀粉及低分子質(zhì)量鏈段。

表2 超聲預(yù)處理對(duì)濕法陽離子淀粉分子量的影響Table 2 The effect of ultrasonic pretreatmen onmolecular weightof cationic starch

在相同取代度的情況下，超聲預(yù)處理的陽離子淀粉樣品的支鏈淀粉的重均分子質(zhì)量比濕法淀粉的降低了2.0%～2.3%，直鏈部分重均分子質(zhì)量增大。在用超聲波處理蠟質(zhì)大米淀粉［6］、小麥淀粉［7］、殼聚糖［8］等的研究中，也發(fā)現(xiàn)支鏈淀粉分子質(zhì)量降低。這可能是機(jī)械切斷化學(xué)鍵作用和自由基的氧化還原的共同作用引起的。介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在超聲波作用下產(chǎn)生高速度和加速度，對(duì)淀粉分子產(chǎn)生強(qiáng)機(jī)械作用和強(qiáng)剪切力，導(dǎo)致其化學(xué)鍵斷裂而降解，并且發(fā)生自由基增殖，其氧化還原作用產(chǎn)生連續(xù)的對(duì)分子鏈的破壞作用，造成支鏈淀粉鏈斷裂而轉(zhuǎn)化為低分子質(zhì)量鏈［9］。

表1顯示，相同取代度的超聲預(yù)處理，陽離子淀粉的支鏈分子質(zhì)量分散度小于普通濕法淀粉，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，減小幅度為4.3% ～11.6%。直鏈淀粉分散度沒有明顯變化趨勢。即超聲處理使得支鏈淀粉分子質(zhì)量分布更集中。直鏈淀粉及低分子重組分未發(fā)生明顯降解。這說明淀粉鏈越長或支鏈越多，超聲波對(duì)其影響越大，這與Jacobs［10］等人的研究結(jié)果一致。淀粉結(jié)晶區(qū)主要由大分子質(zhì)量的支鏈淀粉組成，支鏈淀粉分子的降解，可能會(huì)打破緊密的結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)，從而提高淀粉分子的反應(yīng)活性。

2.3 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉熱性質(zhì)的影響

由表3可知，陽離子淀粉凝膠化溫度隨著取代度提高而降低，較高取代度的超聲預(yù)處理陽離子淀粉凝膠化起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)都低于傳統(tǒng)濕法的陽離子淀粉，取代度0.034的超聲預(yù)處理陽離子淀粉(USCS3)，凝膠化溫度低于取代度為0.036的濕法陽離子淀粉(CS3)，說明超聲預(yù)處理陽離子淀粉的結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)緊密度比濕法陽離子淀粉要低，這可能是因?yàn)槌曌饔檬沟矸壑ф湶糠謹(jǐn)噫?、降解，?dǎo)致淀粉的結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)疏松，這種變化可能會(huì)促進(jìn)醚化反應(yīng)的進(jìn)行。

表3 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉熱性質(zhì)的影響Table 3 The effect of ultrasonic pretreatmen on thermal properties of cationic starch

2.4 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉黏度的影響

由表4可以看出，超聲預(yù)處理陽離子淀粉在較高的3個(gè)取代度梯度，峰值黏度和衰減值相對(duì)濕法陽離子淀粉較高，而回凝值反而較低。峰值黏度發(fā)生在溶脹和多聚體溢出導(dǎo)致黏度增加與破裂和多聚物重新排列導(dǎo)致黏度降低之間的平衡點(diǎn)，反映了淀粉的增稠能力。隨溫度降低，淀粉分子發(fā)生重聚和形成凝膠，而回凝值通常與凝膠脫水和液體滲透有關(guān)，高回凝值意味著持水性缺陷，易老化。而超聲預(yù)處理陽離子淀粉的峰值黏度較高，說明超聲預(yù)處理陽離子增稠能力較強(qiáng);回凝值較低，說明超聲預(yù)處理陽離子淀粉的持水性較好，不易老化［11］。

表4 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉黏度的影響Table 4 The effect of ultrasonic pretreatmen on the viscosity of cationic starch

2.5 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉透光率的影響

由圖1可知，2種工藝制得的陽離子淀粉透光率都隨取代度增加而增大，而超聲預(yù)處理陽離子淀粉透明度普遍大于濕法陽離子淀粉。影響陽離子淀粉溶液透光率的原因主要有淀粉顆粒溶脹程度和淀粉分子溶解性。溶脹淀粉顆粒直徑越大，淀粉分子溶解性越高，則透明度越高［12］。由于淀粉取代度越大，淀粉分子鏈上陽離子基團(tuán)越多，淀粉分子親水性越強(qiáng)，則淀粉的溶解度越高，所以陽離子淀粉透光率隨著取代度增加而呈增加趨勢;超聲波還能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)淀粉結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，顆粒表面受到破壞，淀粉溶脹直徑增大，在水溶液中分散性較好，從而使溶液有較低的折光、反光作用，因此超聲預(yù)處理陽離子淀粉透光率要大于濕法陽離子淀粉。

圖1 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉透光率的影響Fig.1 The effect ofultrasonic pretreatmen on transmittance of cationic starch

2.6 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉凝沉性的影響

從圖2可以看出，超聲預(yù)處理陽離子作用凝沉值低于濕法陽離子淀粉。這可能是因?yàn)槌曌饔迷谝欢ǔ潭壬掀茐牡矸垲w粒結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)，使結(jié)晶區(qū)的支鏈淀粉短鏈更多的發(fā)生陽離子化反應(yīng)，支鏈淀粉短鏈帶有更多的正電荷，排斥作用增強(qiáng)，締合作用減弱，所以超聲陽離子淀粉的凝沉性相對(duì)較低。

圖2 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉凝沉值的影響Fig.2 The effect ofultrasonic pretreatmen on retrogradation of cationic starch

2.7 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉溶解度的影響

原玉米淀粉幾乎不溶于水，由于陽離子淀粉在淀粉鏈上接入了陽離子基團(tuán)，使其可以在水溶液中帶有電荷，從而與水有較好的締合性，故陽離子淀粉可以有較好的溶解性，取代度是決定陽離子淀粉溶解度的重要因素。該試驗(yàn)考察了2種工藝陽離子淀粉的隨取代度不同而變化的溶解性質(zhì)。

由圖3可以看出，隨著取代度的增大，溶解指數(shù)逐漸增大，濕法陽離子淀粉在取代度達(dá)到0.046時(shí)，溶解指數(shù)達(dá)到97.25%，超聲預(yù)處理陽離子淀粉在取代度達(dá)到0.048時(shí)，溶解指數(shù)達(dá)到97.15%，而濕法陽離子淀粉與超聲預(yù)處理陽離子淀粉沒有明顯溶解性差異。一方面是隨著取代度增大，陽離子基團(tuán)的接入消弱了淀粉分子依靠氫鍵的有序聚合作用，淀粉顆粒的緊密結(jié)構(gòu)受到破壞，較易溶脹分散在水溶液中［13］;另一方面由于淀粉分子與季銨基結(jié)合后，淀粉分子帶有陽離子基團(tuán)，靜電斥力導(dǎo)致淀粉顆粒在溶液中傾向于分散，同時(shí)帶有電荷是淀粉水合性質(zhì)增強(qiáng)，因此，隨著醚化劑添加量的增加，取代度逐漸增大，溶解度也隨之增大。

圖3 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉溶解指數(shù)的影響Fig.3 The effect ofultrasonic pretreatmen onsolution index of cationic starch

2.8 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉凍融穩(wěn)定性的影響

從圖4可以看出，隨著取代度的提高，同樣冷凍時(shí)間陽離子淀粉的析水率降低，且析出同樣水量所需要的凍融循環(huán)時(shí)間增多，說明隨著取代度增大陽離子淀粉析水率降低，凍融穩(wěn)定性增強(qiáng)。隨著淀粉冷凍時(shí)間延長，凝膠淀粉分子間相互締合作用增強(qiáng)，淀粉分子鏈趨向平行形成膠束，水分子從中洗出，所以隨冷凍時(shí)間延長析水率提高，而支鏈淀粉長時(shí)間的分子重排是淀粉凝膠析水的主要原因。陽離子淀粉由于接入了陽離子基團(tuán)增大了分子間空間位阻，且陽離子基團(tuán)本身有水締合作用，導(dǎo)致陽離子淀粉凝膠隨取代度增大持水性增強(qiáng)［14-15］。超聲預(yù)處理陽離子淀粉析水率普遍低于濕法陽離子淀粉，原因可能是超聲使淀粉結(jié)晶區(qū)接入更多陽離子基團(tuán)，使支鏈淀粉取代度增大，在冷凍過程中分子鏈難以趨向平行排布而形成膠束析出水分。

圖4 超聲預(yù)處理對(duì)陽離子淀粉凍融穩(wěn)定性的影響Fig.4 The effect ofultrasonic pretreatmen on freeze-thaw stability of cationic starch

3 結(jié)論

超聲預(yù)處理工藝對(duì)陽離子淀粉淀粉的分子質(zhì)量分布和糊液性質(zhì)有明顯影響:超聲預(yù)處理使陽離子淀粉支鏈淀粉重均分子質(zhì)量降低2.0% ～2.3%，分子質(zhì)量分散度降低4.3%～11.6%。分子結(jié)構(gòu)的改變帶來了濕法陽離子淀粉糊液性質(zhì)的變化，透光率、凍融穩(wěn)定性及糊液黏度提高，凝沉值和糊化溫度降低，溶解指數(shù)沒有發(fā)生顯著改變。

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