羥乙基秈米淀粉的制備及結(jié)構(gòu)特征

陳 婷 劉忠義 喬麗娟 王永強(qiáng) 楊 菊（湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湘潭 411105）

羥乙基秈米淀粉的制備及結(jié)構(gòu)特征

陳 婷 劉忠義 喬麗娟 王永強(qiáng) 楊 菊
（湘潭大學(xué)化工學(xué)院，湘潭 411105）

使用秈米淀粉作為原材料，采用溶媒法結(jié)合超聲波處理原淀粉以氯乙醇作為醚化劑制備羥乙基秈米淀粉。通過單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)化合成條件，并用FTIR、XRD、SEM和TG-DSC對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征分析。結(jié)果表明，在秈米淀粉10.0 g，蒸餾水30 mL時(shí)，優(yōu)化合成的條件如下：溫度50℃，氫氧化鈉2.4 g，無水乙醇50 mL，氯乙醇4 g，反應(yīng)時(shí)間8 h。X射線衍射和掃描電鏡分析表明秈米淀粉的醚化反應(yīng)主要發(fā)生在非結(jié)晶區(qū)，醚化作用沒有改變淀粉結(jié)晶區(qū)的晶型；秈米淀粉經(jīng)過超聲波處理和醚化后，其晶型結(jié)構(gòu)與顆粒形貌均受到破壞。對比原淀粉和羥乙基秈米淀粉的紅外光譜說明秈米淀粉確實(shí)發(fā)生了羥乙基化。熱穩(wěn)定性分析證明秈米淀粉經(jīng)過羥乙基化后，其水分蒸發(fā)溫度和融熔溫度均降低。超聲波處理有助于羥乙基淀粉的合成及破壞原淀粉的晶型結(jié)構(gòu)。

秈米淀粉 羥乙基秈米淀粉 結(jié)構(gòu)特征 取代度（MS）

羥乙基淀粉是一種半合成的水溶性多糖，它可由淀粉在堿性條件下經(jīng)羥乙基化而成或者在酸性條件下水解成一定分子量的糊精再在堿性條件下經(jīng)羥乙基化而成，淀粉鏈上葡萄糖基2位、3位（少量6位）上部分羥基被羥乙基取代，經(jīng)取代的淀粉的α-1，4糖苷鏈在體內(nèi)不易被淀粉酶水解［1］，其醚鍵的穩(wěn)定性高，幾乎不受電解質(zhì)和pH的影響，能在較寬的pH條件下使用［2］，因此被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、紡織、造紙、石油開采等眾多工業(yè)中，尤其是作為代血漿廣泛用于臨床。

秈米是我國的主要糧食之一［3］，在加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量碎米。相比完整顆粒的秈米，碎米價(jià)格很低，但是營養(yǎng)物質(zhì)和秈米幾乎相同［4］。碎米以前主要用于加工生產(chǎn)米粉、傳統(tǒng)米制食品，后來用于生產(chǎn)各種淀粉糖漿，但在糖漿生產(chǎn)過程中碎米中蛋白質(zhì)進(jìn)入米渣中丟棄，現(xiàn)在則有新技術(shù)以碎米為原材料同時(shí)制取秈米淀粉和秈米蛋白水解物并已經(jīng)工業(yè)化［5］，促進(jìn)了秈米淀粉的應(yīng)用研究。

目前，國內(nèi)外主要采用玉米、馬鈴薯及木薯淀粉生產(chǎn)變性淀粉，用秈米淀粉作原料的研究在國內(nèi)外報(bào)道相對較少［6］。提取蛋白質(zhì)后生產(chǎn)的秈米淀粉具有顆粒小、易消化、低敏性、不含蛋白質(zhì)等特點(diǎn)［7］，基于這些特性，秈米淀粉在食品和醫(yī)藥中的應(yīng)用有較強(qiáng)的潛在優(yōu)勢。然而，由于秈米淀粉顆粒微細(xì)，容易產(chǎn)生聚并，導(dǎo)致秈米淀粉的表觀粒徑偏大，由于需要將聚并的顆粒分散，因此，用秈米淀粉制備變性淀粉時(shí)，可能需要比其他淀粉更為苛刻的條件或者使用其他手段。

目前對羥乙基淀粉的研究，大部分羥乙基化時(shí)使用的醚化劑是環(huán)氧乙烷，但是該物質(zhì)易燃易爆，本試驗(yàn)采用的醚化劑為氯乙醇可避免環(huán)氧乙烷易爆易燃的缺陷，使得操作的安全性大大增加［8］。試驗(yàn)通過單因素分析考查了不同反應(yīng)條件對羥乙基秈米淀粉取代度的影響，并對秈米淀粉及其羥乙基淀粉的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了比較。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

秈米淀粉，一級(jí)品：云南普洱永吉生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

Agilent7890A氣相色譜儀：安捷倫科技公司；NICOLET380傅里葉紅外光譜：美國熱電集團(tuán)；D／MAX-2500／PC X射線多晶粉末衍射儀：日本理學(xué)公司；TGA／DSC1／1600HT同步熱分析儀：瑞士梅特勒公司；JSM-5900型掃描電子顯微鏡：日本電子公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 羥乙基淀粉的制備

將10.0 g秈米淀粉和30 mL水置于250 mL三口瓶中，超聲波處理15 min，將三口瓶置于電熱恒溫水浴鍋中，裝上回流冷凝管及電動(dòng)攪拌器，開啟攪拌器充分?jǐn)嚢杈鶆?，制成淀粉乳液，再加? mL（0.25 mol／L）鹽酸，在65℃下反應(yīng)大約1.5 h（品氏黏度計(jì)在25℃下恒溫測定運(yùn)動(dòng)黏度為18.3～20.0 mm2／s），降溫到50℃，加入NaOH中和，接著加入無水乙醇，攪拌30 min穩(wěn)定后，然后加入氯乙醇，加熱反應(yīng)一段時(shí)間。反應(yīng)完畢后，對反應(yīng)液進(jìn)行抽濾并用無水乙醇洗滌干凈，濾餅粉碎后在50℃下干燥6 h。

1.2.2 取代度（MS）的測定

采用氣相色譜法［9］，精密稱取樣品0.050 g和己二酸0.100 g置于密閉容器中，精密加入內(nèi)標(biāo)溶液（精密量取甲苯1 mL，在250 mL容量瓶中用鄰二甲苯稀釋至刻度）1 mL，加入氫碘酸（≥55%）2 mL，立即封口，放入135℃烘箱中保溫15 h，取出冷卻，以3 000 r／min離心10 min，取上清液測定。

MS定義為碘乙烷摩爾分?jǐn)?shù)與淀粉中葡萄糖單元之比。其值由式（1）與式（2）計(jì)算得出。

1.2.3 結(jié)構(gòu)特征測定方法

1.2.3.1 紅外光譜測定

通過紅外光譜儀測定其紅外光譜圖，范圍為400～4 000 cm-1，樣品測量前需要摻混KBr粉末并壓成片劑［10］。

1.2.3.2 X射線衍射測定

參照Zhang等［11］的測定方法，測試條件為：Cu-Ka，40 mA管流，40 kV管壓，10°／min掃描速率，測量范圍10°～90°掃描范圍。

1.2.3.3 掃描電鏡測定

將樣品過篩干燥進(jìn)行噴金處理，通過掃描電鏡分析淀粉顆粒［10］。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用Excel進(jìn)行處理，采用Origin7.5軟件作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同因素對羥乙基淀粉MS的影響

溶媒法是指淀粉在有機(jī)溶劑介質(zhì)中進(jìn)行醚化反應(yīng)。常用的有機(jī)溶劑有甲醇、乙醇和異丙醇。在溫度為50℃、氫氧化鈉2.4 g、氯乙醇4 g、羥乙基反應(yīng)時(shí)間為8 h的條件下，考察了不同溶劑對MS的影響。在有機(jī)溶劑為甲醇的條件下，MS為0.21；在有機(jī)溶劑為異丙醇的條件下，反應(yīng)體系產(chǎn)生絮凝物，反應(yīng)無法進(jìn)行；在有機(jī)溶劑為乙醇的條件下，反應(yīng)均勻，MS能達(dá)到理想的0.4。所以反應(yīng)溶劑確定為無水乙醇。

無水乙醇為50 mL，氫氧化鈉2.4 g，氯乙醇4 g，羥乙基反應(yīng)時(shí)間為8 h，不同反應(yīng)溫度對MS的影響見圖1，隨著溫度的升高取代度不斷的增加，但溫度達(dá)到53℃以上時(shí)，反應(yīng)體系產(chǎn)生絮凝物，反應(yīng)產(chǎn)物聚集，反應(yīng)無法進(jìn)行。50℃時(shí)產(chǎn)物達(dá)到了理想的取代度0.4，所以反應(yīng)溫度確定為50℃。

溫度為50℃，無水乙醇50 mL，氯乙醇4 g，羥乙基反應(yīng)時(shí)間為8 h，不同氫氧化鈉用量對MS的影響見圖1。由圖1可知隨著氫氧化鈉反應(yīng)量的增加，產(chǎn)品的取代度不斷提高，這主要是因?yàn)闅溲趸c能與淀粉分子鏈上的羥基鍵合，形成反應(yīng)的活性中心。當(dāng)氫氧化鈉的用量在2.0～2.4 g范圍內(nèi)增加時(shí)，堿處理淀粉所生成的活性中心會(huì)不斷增多，因而使淀粉與氯乙醇的反應(yīng)效率大大增加，取代度也隨之提高。但當(dāng)氫氧化鈉用量繼續(xù)增加到2.5 g以上時(shí)，反應(yīng)體系產(chǎn)生絮凝物，可能此時(shí)pH過大導(dǎo)致淀粉糊化，致使反應(yīng)無法正常進(jìn)行［12］。

溫度為50℃，氫氧化鈉2.4 g，氯乙醇4 g，羥乙基反應(yīng)時(shí)間為8 h，不同無水乙醇用量對MS的影響見圖1。隨著無水乙醇的增加，羥乙基淀粉的取代度MS先增加后減小，這是因?yàn)榧尤氩煌康臒o水乙醇，將改變水與無水乙醇所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨著水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少，親核體氯乙醇的水合程度減小，反應(yīng)活性增加，適當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水使淀粉適當(dāng)溶脹，氯乙醇可以擴(kuò)散到淀粉晶體中，加快反應(yīng)的傳質(zhì)速率，當(dāng)無水乙醇量為50～60 mL時(shí)，取代度達(dá)到最大，趨于平衡，此后處于下降趨勢，可能因?yàn)樗|(zhì)量分?jǐn)?shù)較少時(shí)淀粉易糊化或反應(yīng)不穩(wěn)定［13］。

溫度為50℃，無水乙醇50 mL，氫氧化鈉2.4 g，羥乙基反應(yīng)時(shí)間為8 h，不同氯乙醇的用量對MS的影響見圖1，隨著氯乙醇的用量增加，氯乙醇擴(kuò)散到淀粉內(nèi)部的數(shù)量增加，從而氯乙醇與活性基團(tuán)的碰撞概率增加，取代度隨之提高，隨著氯乙醇使用量繼續(xù)增加后，擴(kuò)散到淀粉內(nèi)部的氯乙醇達(dá)到飽和，因?yàn)榭臻g位阻的關(guān)系，反應(yīng)試劑與活性基團(tuán)的碰撞概率反而下降；同時(shí)因?yàn)槁纫掖嫉倪^剩，副反應(yīng)加劇，在此反應(yīng)中氫氧根離子既是強(qiáng)堿又是親核試劑，因?yàn)猷徎?yīng)的關(guān)系，氯乙醇分子之間會(huì)發(fā)生親核取代生成環(huán)氧乙烷和乙二醇，環(huán)氧乙烷還能與羥乙基淀粉繼續(xù)反應(yīng)生成副反應(yīng)產(chǎn)物。因此會(huì)出現(xiàn)羥乙基摩爾取代度隨著氯乙醇用量的增加先增大而后降低的趨勢。在佘艷［12］的研究中也報(bào)道過類似的情況。

溫度為50℃，無水乙醇50 mL，氫氧化鈉2.4 g，氯乙醇4 g，不同反應(yīng)時(shí)間對MS的影響見圖1，隨著羥乙基化反應(yīng)時(shí)間的延長，羥乙基取代度發(fā)生了直線上升，當(dāng)羥乙基化8 h后，反應(yīng)的延長羥乙基的取代度沒有發(fā)生明顯變化。反應(yīng)時(shí)間確定為8 h較為合適。

圖1 不同因素對羥乙基取代度的影響

2.2 羥乙基淀粉X-射線衍射分析

X-射線衍射峰的強(qiáng)度及半峰寬的變化反映了顆粒結(jié)晶度的大小，無定形化程度和晶格畸變等情況，且根據(jù)X-射線衍射圖譜，可將淀粉分為A、B、C 和V幾種類型［14］。圖2表示的是原淀粉和羥乙基淀粉的X-射線衍射圖。原淀粉在15°、17°、18°和23°處出現(xiàn)衍射峰，其晶體類型是特征A型［15］。當(dāng)秈米淀粉只經(jīng)過超聲波處理時(shí)，特征衍射峰基本沒有變化，說明超聲波處理對秈米淀粉顆粒只起到了一個(gè)疏散聚并顆粒的作用；秈米淀粉經(jīng)羥乙基化后，衍射峰減弱明顯，但仍保留了A型特征峰，說明反應(yīng)主要發(fā)生在非結(jié)晶區(qū)，醚化作用對淀粉結(jié)晶區(qū)的破壞仍不足以使其晶型發(fā)生改變；秈米淀粉經(jīng)過超聲波處理再進(jìn)行醚化后，其晶型結(jié)構(gòu)受到破壞，A型特征衍射峰消失，在21°處出現(xiàn)了新的特征峰，其晶體類型變?yōu)榈湫蚔型結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度降低。

圖2 秈米淀粉和羥乙基秈米淀粉的X-射線衍射圖譜

2.3 掃描電鏡分析

圖3秈米淀粉和羥乙基淀粉的掃描電子顯微鏡圖像。由圖3a可知秈米淀粉顆粒為不規(guī)則的多邊形結(jié)果，表面較為平滑。圖3b為沒有經(jīng)過超聲波處理的羥乙基淀粉，可以看到經(jīng)過羥乙基化后，一些淀粉被粘連在一起，淀粉顆粒表面出現(xiàn)了明顯的腐蝕現(xiàn)象。圖3c經(jīng)過超聲波處理后的羥乙基淀粉，淀粉出現(xiàn)融合，在聚集的顆粒上看不到原有的淀粉顆粒的形狀，破壞嚴(yán)重，邊緣被嚴(yán)重磨損。由圖可以知道羥乙基化只發(fā)生在淀粉顆粒表面，但是超聲波的處理和醚化的雙重作用對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了影響。這與XRD的結(jié)果相一致。

圖3 秈米淀粉和羥乙基淀粉的掃描電鏡圖

2.4 羥乙基淀粉紅外分析

用傅里葉紅外光譜儀對原淀粉和羥乙基淀粉進(jìn)行的紅外表征見圖4，與原淀粉相比羥乙基淀粉在波長3 000～4 000 cm-1上，波峰突然變狹長，3 410 cm-1為—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰相對增強(qiáng)，2 930 cm-1為C—H的伸縮振動(dòng)吸收特征峰［16］，在859、762、575 cm-1處有-CH2-搖擺振動(dòng)吸收峰變得更加明顯［10］，說明發(fā)生了羥乙基化反應(yīng)。

圖4 秈米淀粉和羥乙基秈米淀粉的紅外圖譜

注：A為原淀粉，B為羥乙基秈米淀粉。

2.5 熱穩(wěn)定性分析

淀粉在熱重分析儀中隨著溫度變化質(zhì)量的變化過程被分為3個(gè)階段：第1階段質(zhì)量損失是由于易揮發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)所致，主要是水分的蒸發(fā)，第2階段是淀粉在非氧化過程中的解聚和降解階段，這1階段可以放出CO2、CO、水、乙醛、呋喃、2-甲基呋喃。除了復(fù)雜的氣體和水分釋放之外，解聚產(chǎn)物的主要成分是左旋葡萄糖。第3階段的質(zhì)量損失是由于發(fā)生了碳化，中間產(chǎn)物在高溫下的總降解［17］。由秈米淀粉的TG曲線圖可知，秈米淀粉的熱分解反應(yīng)起始溫度在270℃，熱分解反應(yīng)終止溫度320℃，由羥乙基淀粉的TG曲線圖可知羥乙基淀粉熱分解反應(yīng)起始溫度在220℃，熱分解反應(yīng)終止溫度340℃。從圖5a可以看出秈米淀粉的DSC曲線在113℃和280℃出現(xiàn)了吸熱峰，分別是由于淀粉中的水分及淀粉融熔引起的［18］，而在圖5b中羥乙基淀粉的DSC曲線，2個(gè)峰的位置溫度都有所降低（分別是100℃和248℃），綜上所述，羥乙基淀粉與原淀粉相比，水分蒸發(fā)溫度降低，融熔溫度降低。即原淀粉經(jīng)過羥乙基化后熱穩(wěn)定性降低。

圖5 秈米淀粉與羥乙基秈米淀粉的TG-DSC圖

3 結(jié)論

通過考察溫度、無水乙醇、氯乙醇、氫氧化鈉、反應(yīng)時(shí)間5個(gè)因素對工藝進(jìn)行了優(yōu)化，在秈米淀粉10.0 g，蒸餾水為30 mL條件下，得到的合成羥乙基秈米淀粉的優(yōu)化條件為：溫度為50℃，無水乙醇50 mL，氯乙醇4 g，氫氧化鈉2.4 g，反應(yīng)時(shí)間為8 h。由XRD和SEM的結(jié)果可知，醚化作用主要發(fā)生在非結(jié)晶區(qū)并沒有使晶型發(fā)生改變；通過超聲波處理后，羥乙基秈米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)由A型變?yōu)閂型，超聲波的作用破壞晶型結(jié)構(gòu)與顆粒形貌，顆粒發(fā)生團(tuán)聚，粒度增大，結(jié)晶度降低；通過原淀粉及羥乙基秈米淀粉的FTIR圖譜可知，淀粉在3 410 cm-1為—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰增強(qiáng)，在859、762、575 cm-1處的—CH2— 搖擺振動(dòng)吸收峰更加明顯，表明淀粉發(fā)生了羥乙基化；由TG-DSC圖表明，羥乙基秈米淀粉與原淀粉相比，水分蒸發(fā)溫度降低，融熔溫度降低，熱穩(wěn)定性降低。

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Preparation and Structure Features of
Hydroxyethyl Indica Rice Starch

Chen Ting Liu Zhongyi Qiao Lijuan Wang Yongqiang Yang Ju
（Collage of Chemical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105）

Using indica rice starch as raw material，hydroxyethyl indica rice starch was prepared by chloroethanol as etherifying agent through solvent method combined with ultrasonic treatment of starch.Through thesingle factor experiment，synthesis conditions of hydroxyethyl indica rice starch were optimized.And structure features of hydroxyethyl indica rice starch were analyzed by FTIR，XRD，SEM and TG-DSC，respectively.The results showed that under the basic conditions of the milled starch 10.0 g and distilled water 30 mL，the optimun conditions include temperature of 50℃，sodium hydroxide of 2.4 g，chloride anhydrous ethanol of 50 mL，ethanol of 4 g and reaction time of 8 h.X-ray diffraction and scanning electron microscope analysis indicated that the etherification reaction of indica rice starch mainly occurs in the amorphous region，and the etherification reaction fails to change the crystal shape of crystallization area of starch.After ultrasonic treatment and etherificating，the crystal structure and morphology of the particles of indica rice starch were destroyed.Comparison on the infrared spectrum of original starch and hydroxyethyl indica rice starch，hydroxyethylation occurs in the indica rice starch molecules.The thermal stability analysis proved that water evaporation temperature and melting temperature of indica rice starch were decreased after hydroxyethylation.Ultrasonic treatment contributes to the synthesis of hydroxyethyl starch and destruction of the original starch crystal structure.

indica rice starch，hydroxyethyl indica rice starch，structure feature，degree of substitution（MS ）

TS235.1

A

1003-0174（2017）03-0030-06

國家農(nóng)轉(zhuǎn)資金（2013GB2D200332），湖南省科技廳農(nóng)業(yè)支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2015NK3034），糧食發(fā)酵深加工工藝與技術(shù)（江南大學(xué)）國家工程實(shí)驗(yàn)室科技項(xiàng)目（KH02010）

2015-07-22

陳婷，女，1991年出生，碩士，食品、生物與制藥工程

劉忠義，男，1964年出生，教授，食品加工