真空輔助微波半干法制備氧化淀粉

張慶，張帥，鄧?yán)?3，吳春美，鐘耕,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715) 2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)3(重慶市生物技術(shù)研究所有限責(zé)任公司，重慶，401121)

氧化淀粉是變性淀粉的主要品種之一，是淀粉與氧化劑在一定溫度、pH等條件下作用所得產(chǎn)品，因其流動性好、糊液穩(wěn)定性高、黏度低、成膜性好等被廣泛用于造紙工業(yè)中的涂料黏合劑和表面施膠劑，紡織工業(yè)的上漿劑及食品工業(yè)的添加劑等產(chǎn)品中[1]。

目前，制備氧化淀粉常用的氧化劑有高碘酸鹽、重鉻酸鹽、次氯酸鹽、高錳酸鹽和過氧化氫等[2]。其中，過氧化氫成本低廉，綠色環(huán)保，越來越受到人們的重視[3]。工藝上，濕法工藝產(chǎn)生廢水多，對環(huán)境污染大[4]；而干法、半干法工藝用水量少，流程短，能耗低，已被廣泛用于氧化淀粉制備中[5-9]。

并且加入一個價格低廉的過渡金屬作為催化劑，可以促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行[10]；在我國，許多學(xué)者選用0.02%～0.2%硫酸銅為催化劑[4,11-12]。但是，含金屬催化劑的應(yīng)用會產(chǎn)生廢水，造成環(huán)境污染，同時難以從產(chǎn)品中除去。所以，應(yīng)當(dāng)降低金屬催化劑用量[2,13]。同時，氧化時通常需要加熱，微波因其加熱效率高、穿透能力強、均勻性強、對環(huán)境無害等優(yōu)點，已作為一種新型能源廣泛用于變性淀粉制備中[6]。此外，MAACHE等[14]研究表明瞬時控制壓降處理會引起淀粉結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性變化，BAHRANI等[15]發(fā)現(xiàn)真空處理過的玉米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)變得脆弱。然而，真空輔助微波法用于氧化淀粉制備未見報道。

本試驗根據(jù)前人的研究，從快速、節(jié)能、減排及降耗考慮，以玉米淀粉為原料，過氧化氫為氧化劑，加入少量催化劑(低于0.02%)，引入真空處理輔助微波半干法制備氧化淀粉，并通過正交試驗優(yōu)化氧化條件，為環(huán)境友好制備變性淀粉提供理論與實際應(yīng)用的支撐。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

玉米淀粉(水分含量13.66%)，金平云鵬生物淀粉糖業(yè)有限責(zé)任公司；體積分?jǐn)?shù)30%的過氧化氫(分析純)，成都市科龍化工試劑廠；CuSO4·5H2O(分析純)，重慶吉元化學(xué)有限公司；HCl(分析純)，成都市科龍化工試劑廠；NaOH(分析純)，成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

DZ600/2S型真空包裝機，上海人民包裝股份有限公司；MAS-Ⅱ型微波快速制樣系統(tǒng)，上海新儀化學(xué)科技有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；YB-750A型多功能粉碎機，浙江永康市速鋒工貿(mào)有限公司；NDJ-5S 型旋轉(zhuǎn)黏度計，上海越平儀器有限公司；Spectrum 100紅外光譜儀，美國Perkin Elmer公司；Olympus BX43生物顯微鏡，日本奧林巴斯公司；S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 氧化淀粉的制備

真空氧化淀粉的制備：參照李芳良[6]的方法并適當(dāng)改進(jìn)，向混合器中加入一定量的淀粉，邊攪拌邊依次加入適量的過氧化氫、去離子水、硫酸銅，充分?jǐn)嚢璐旌暇鶆蚝?，倒入聚乙烯袋中于真空包裝機抽真空一定時間。然后將其破空并送入微波反應(yīng)器中，在一定溫度下反應(yīng)一定時間。最后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%亞硫酸鈉溶液終止反應(yīng)，經(jīng)洗滌、烘干、粉碎得樣品。

未真空氧化淀粉的制備：參照真空氧化淀粉制備方法，但不進(jìn)行真空處理。比較其與真空氧化淀粉性能及結(jié)構(gòu)的差異。

1.3.2 黏度測定

稱取一定量的樣品于150 mL燒杯內(nèi)，加水配成質(zhì)量濃度10%的淀粉乳，沸水中糊化30 min，并不斷攪拌。待淀粉糊冷卻到常溫(25 ℃)后，測定其粘度(1號轉(zhuǎn)子，12 r/min)。

1.3.3 氧化淀粉制備單因素試驗

本試驗主要考察過氧化氫用量、加水量、硫酸銅用量、真空處理時間、微波反應(yīng)溫度、微波反應(yīng)時間對淀粉黏度的影響，試驗以方法1.3.1制備氧化淀粉，以方法1.3.2測定其黏度，以黏度作為評價指標(biāo)。

1.3.3.1 過氧化氫用量對黏度的影響

固定加水量30%(以淀粉干基計，下同)，硫酸銅用量0.013 6%，50 ℃下微波反應(yīng)6 min，分別在真空處理10 s和未真空處理下考察過氧化氫用量為4%、6%、8%、10%、12%時氧化淀粉黏度的變化。

1.3.3.2 加水量對黏度的影響

固定過氧化氫用量10%，硫酸銅用量0.013 6%，50 ℃下微波反應(yīng)6 min，分別在真空處理10 s和未真空處理下考察加水量為22%、26%、30%、34%、38%時對氧化淀粉黏度的影響。

1.3.3.3 催化劑用量對黏度的影響

固定過氧化氫用量10%，加水量34%，50 ℃下微波反應(yīng)6 min，分別在真空處理10 s和未真空處理下考察硫酸銅用量為0.010 4%、0.012 0%、0.013 6%、0.015 2%、0.016 8%時對氧化淀粉黏度的影響。

1.3.3.4 反應(yīng)溫度對黏度的影響

固定過氧化氫用量10%，加水量34%，硫酸銅用量0.013 6%，微波反應(yīng)6 min，分別在真空處理10 s和未真空處理下考察反應(yīng)溫度為30、40、50、60、70 ℃時對氧化淀粉黏度的影響。

1.3.3.5 反應(yīng)時間對黏度的影響

固定過氧化氫用量10%，加水量34%，硫酸銅用量0.013 6%，50 ℃下微波反應(yīng)，分別在真空處理10 s和未真空處理下考察反應(yīng)時間為3、4、5、6、7 min時氧化淀粉黏度的變化。

1.3.3.6 真空時間對黏度的影響

固定過氧化氫用量10%，加水量34%，硫酸銅用量0.013 6%，50 ℃下微波反應(yīng)6 min，考察真空處理0、10、20、30、40 s時對氧化淀粉黏度的影響。

1.4 羧基含量的測定

采用淀粉糊滴定法[15]，稱取5.0 g樣品于150 mL燒杯中，加入25 mL 0.1 mol/L的HCl溶液，樣品在30 min內(nèi)不斷被搖動攪拌，過濾后用去離子水洗至無氯離子為止。將樣品轉(zhuǎn)移到500 mL燒杯中，加入300 mL去離子水，加熱煮沸5～7 min，趁熱以酚酞作指示劑，用0.1 mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定到終點，其消耗的體積為V1。

空白樣：將原淀粉置于500 mL的燒杯中，加入300 mL蒸餾水糊化，用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液趁熱滴定至酚酞變色，消耗的體積為V2。按下式計算羧基含量：

(1)

式中：Y，羧基含量，%；c，NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；m，淀粉樣品質(zhì)量，g。

1.5 氧化淀粉結(jié)構(gòu)表征

紅外光譜分析：采用KBr壓片法，以空氣為對照，在400～4 000 cm-1區(qū)間掃描。

偏光十字：使用生物顯微鏡在偏振光鏡下測定淀粉粒子的偏光十字，以去離子水作分散劑。

掃描電鏡分析：用導(dǎo)電膠將干燥樣品粘在樣品臺上，離子濺射金膜后用掃描電鏡觀察并拍照。

2 結(jié)果與分析

2.1 氧化淀粉制備單因素試驗

2.1.1 過氧化氫用量對黏度的影響

過氧化氫用量對黏度的影響如圖1所示，隨著過氧化氫用量增加，氧化淀粉的黏度降低；當(dāng)過氧化氫含量超過10%，黏度變化趨于平緩；且真空氧化淀粉黏度明顯低于未真空氧化淀粉。這是因為過氧化氫用量增加，淀粉分子周圍可利用的過氧化氫分子增多，因而淀粉氧化程度增大[5]；而真空處理可能導(dǎo)致淀粉顆粒膨脹，結(jié)構(gòu)更脆碎，過氧化氫更容易與淀粉接觸，從而增加反應(yīng)速率，增大氧化程度，使其黏度明顯低于未真空氧化淀粉的黏度[16]。因此，過氧化氫較佳用量為10%。

圖1 過氧化氫用量對氧化淀粉黏度的影響Fig.1 The effect of hydrogen peroxide dosage on viscosity of oxidized starch

2.1.2 加水量對黏度的影響

圖2是加水量對黏度的影響情況，當(dāng)水量從22%增加到30%時，氧化淀粉黏度急劇降低；當(dāng)水量超過30%，黏度降幅變緩；且真空氧化淀粉黏度明顯低于未真空氧化淀粉，最低為未真空氧化淀粉黏度的1/2。這是因為水量過少，反應(yīng)試劑不易在淀粉中擴(kuò)散滲透；水量增加，反應(yīng)試劑滲透能力增強，淀粉顆粒充分膨脹，氧化程度增大，從而黏度降低。但是，水量過多會降低試劑濃度，使反應(yīng)速率降低，加速淀粉糊化，使反應(yīng)體系發(fā)黏，導(dǎo)致黏度降幅變緩[17]。而真空處理可能導(dǎo)致淀粉顆粒膨脹，使反應(yīng)試劑更易在淀粉中擴(kuò)散滲透，從而增大淀粉氧化程度，使其黏度明顯低于未真空氧化淀粉的黏度。因此，加水量以34%為宜。

圖2 加水量對氧化淀粉黏度的影響Fig.2 The effect of water addition on viscosity of oxidizedstarch

2.1.3 催化劑用量對黏度的影響

圖3是硫酸銅用量對黏度的影響情況。氧化淀粉黏度隨硫酸銅用量的增加而降低；當(dāng)硫酸銅用量超過0.013 6%，黏度逐漸增大。一是銅離子與氧化劑反應(yīng)生成羥基自由基，增強氧化反應(yīng)；二是銅離子能破壞淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，使氧化劑更好地與淀粉分子接觸，改善氧化效果[18]。但是硫酸銅用量過多，由于氧化淀粉對銅離子有一定的絡(luò)合作用，核心離子被禁錮，催化效果下降，因而黏度增大[19]。此外，相同硫酸銅用量下，真空氧化淀粉黏度低于未真空氧化淀粉，如硫酸銅用量為0.008 8%時，真空氧化淀粉的黏度為210 mPa·s，與未真空氧化淀粉的黏度319.8 mPa·s有極顯著性差異(p<0.01)。因此，真空處理可能破壞了淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，從而提高淀粉氧化程度。故選擇硫酸銅用量在0.013 6%為宜。

圖3 硫酸銅用量對氧化淀粉黏度的影響Fig.3 The effect of copper sulfate dosage on viscosity of oxidized starch

2.1.4 反應(yīng)溫度對黏度的影響

反應(yīng)溫度對黏度的影響如圖4所示。

圖4 反應(yīng)溫度對氧化淀粉黏度的影響Fig.4 The effect of reaction temperature on viscosity of oxidized starch

反應(yīng)溫度增加，氧化淀粉黏度隨之降低，當(dāng)溫度高于60 ℃時，黏度升高。這是因為溫度升高，滿足反應(yīng)所需的活化能，同時淀粉顆粒膨脹程度增加，氧化劑更易滲透到膨脹淀粉顆粒中，反應(yīng)速率加快，從而氧化程度提高，黏度降低。但是，溫度過高，過氧化氫分解速率加快，濃度降低，氧化程度降低，因而黏度增加[20]。在相同溫度下，真空氧化淀粉黏度低于未真空氧化淀粉；且隨著溫度的增加，相同溫度變化下真空氧化淀粉黏度降幅高于未真空氧化淀粉，如當(dāng)溫度從40 ℃升到50 ℃時，真空氧化淀粉黏度由127.5 mPa·s降到53 mPa·s，下降了58%；未真空氧化淀粉由201 mPa·s降到114.8 mPa·s，下降了43%?？赡苁且驗檎婵仗幚硎沟矸劢Y(jié)構(gòu)疏松，易于氧化劑滲透，故黏度降低顯著。同時，溫度過高會引起淀粉糊化。所以，選擇溫度在60 ℃為宜。

2.1.5 反應(yīng)時間對黏度的影響

反應(yīng)時間對黏度的影響如圖5所示，反應(yīng)時間不足6 min，黏度隨反應(yīng)時間延長而迅速降低，反應(yīng)時間繼續(xù)增加，黏度降低變緩；6 min以后，黏度降低趨勢平緩；且真空氧化淀粉黏度明顯低于未真空氧化淀粉。這是因為反應(yīng)前期氧化劑濃度較高，氧化容易，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氧化劑被消耗，沒有足夠的氧化劑參與反應(yīng)，降解和氧化反應(yīng)逐漸停止導(dǎo)致反應(yīng)效率降低[21]。故最佳的反應(yīng)時間為6 min。

圖5 反應(yīng)時間對氧化淀粉黏度的影響Fig.5 The effect of reaction time on viscosity of oxidized starch

2.1.6 真空處理時間對黏度的影響

圖6為真空處理時間對黏度的影響情況，未真空處理時氧化淀粉黏度為82.5 mPa·s；當(dāng)真空處理10 s時，黏度大大降低，為51.8 mPa·s；隨著真空處理時間的增加，黏度繼續(xù)降低；30 s后，黏度減勢趨緩，這可能是是因為真空處理時，淀粉顆粒內(nèi)部的壓力高于外部壓力，導(dǎo)致淀粉顆粒膨脹，結(jié)構(gòu)變脆，處理時間長，顆粒膨脹更嚴(yán)重[16]，氧化劑分子更易與淀粉顆粒反應(yīng)。

圖6 真空處理時間對氧化淀粉黏度的影響Fig.6 The effect of vacuum treatment time on viscosity of oxidized starch

2.2 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，固定過氧化氫用量為10%，反應(yīng)時間為6 min，設(shè)計催化劑用量、加水量、反應(yīng)溫度、真空處理時間進(jìn)行4因素3水平正交試驗(見表1)，采用L9(34) 正交表對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。試驗結(jié)果及分析見表2。

表1 L9(34)正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal test design table of the L9(34)

表2 正交試驗結(jié)果表Table 2 Results of orthogonal test

本試驗以氧化淀粉黏度為評價指標(biāo)，黏度越低，淀粉氧化程度越大。由表2中極差分析可知，各因素對黏度的影響大小次序為：催化劑用量>反應(yīng)溫度>真空處理時間>加水量。由于試驗結(jié)果最優(yōu)組合A3B1C3D2與K值分析最優(yōu)組合A2B1C3D2不一致，故分別進(jìn)行了3次驗證試驗，結(jié)果表明組合A2B1C3D2制得產(chǎn)品黏度低于組合A3B1C3D2制得產(chǎn)品黏度，因此確定A2B1C3D2為較佳工藝條件，即催化劑用量0.013 6%，加水量30%，反應(yīng)溫度60 ℃，真空處理時間20 s。在此條件下產(chǎn)品黏度為11.8 mPa·s。

2.3 黏度及羧基含量

由于原淀粉10%的淀粉乳太黏稠而未測出其黏度，故測得其2%濃度下黏度。淀粉黏度及羧基含量見表3，真空氧化淀粉黏度11.8 mPa·s顯著(p<0.05)低于未真空氧化淀粉21.8 mPa·s；且真空氧化淀粉羧基含量顯著(p<0.05)高于未真空氧化淀粉，說明真空氧化反應(yīng)較未真空氧化反應(yīng)更劇烈，可能是真空處理導(dǎo)致淀粉顆粒結(jié)構(gòu)變化，使氧化劑分子進(jìn)入淀粉內(nèi)部引起淀粉更高程度的解聚，產(chǎn)生更多的羧基，同時引起黏度降低[16]。與已有研究報道相比，氧化效果相當(dāng)，如彭佳瑩等[7]以微波干法制備出黏度(濃度為6%)為4 mPa·s，羧基含量為0.586%的氧化淀粉；王亞龍等[22]以微波濕法制備出黏度(濃度為15%)最低為23.4 mPa·s，羧基含量最高為0.275%的氧化淀粉。

表3 黏度及羧基含量Table 3 Viscosity and carboxyl content

注：同列字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.4 氧化淀粉黏度與羧基含量的關(guān)系

氧化淀粉的黏度是其應(yīng)用的重要指標(biāo)，且大小與氧化程度相關(guān)。改變試劑用量制得不同羧基含量的真空氧化淀粉，觀察羧基含量不同時黏度的變化，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，氧化淀粉黏度隨其羧基含量增大而降低。因為在氧化過程中，淀粉分子鏈被切斷，導(dǎo)致淀粉分子質(zhì)量變小，聚合度降低，溶解度增大，抗剪切力穩(wěn)定性減弱，從而黏度下降。羧基含量越高，表明淀粉被氧化程度越深，分子降解程度越大，導(dǎo)致黏度越小[23]。

圖7 氧化淀粉黏度與羧基含量的關(guān)系Fig.7 The effect of carboxyl content on viscosity of oxidizedstarch

2.5 氧化淀粉結(jié)構(gòu)表征

2.5.1 紅外光譜分析

淀粉被氧化后，其分子上的羥基可轉(zhuǎn)化為羰基和羧基，這些變化可用紅外光譜鑒定，如圖8所示。原淀粉在3 410.5和2 929 cm-1處的吸收峰分別為—OH和—CH2的伸縮振動特征峰[21]；1 645 cm-1的吸收峰是典型的H—O—H的彎曲振動吸收峰；1 151、1 080和1 018 cm-1處吸收峰為C—O—C鍵的伸縮振動峰[2]；1 400～800 cm-1的區(qū)域為C—C和C—O鍵的伸縮振動[24]。與原淀粉相比，真空氧化淀粉和未真空氧化淀粉分別在1 615與1 616 cm-1出現(xiàn)羧基的特征吸收峰[25-26]，說明淀粉被成功氧化。

圖8 原淀粉、未真空氧化淀粉、真空氧化淀粉的紅外光譜圖Fig. 8 FTIR patterns of native, non-vacuum oxidized and vacuum oxidized starches

2.5.2 偏光十字

圖9為淀粉的偏光顯微鏡圖，從圖9可以看出，玉米淀粉顆粒外觀為圓形和多邊型。圖9-a中玉米原淀粉顆粒的偏光十字明顯，叉點位于顆粒中心，呈現(xiàn)垂直十字交叉；未真空氧化淀粉(圖9-b)和真空氧化淀粉(圖9-c)依然顯示出清晰的偏光十字，說明氧化反應(yīng)沒有改變淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，反應(yīng)發(fā)生在淀粉的無定型區(qū)[27]。

a-玉米原淀粉(400×)；b-未真空氧化淀粉(400×)；c-真空氧化淀粉(400×)圖9 原淀粉、未真空氧化淀粉、真空氧化淀粉的偏光顯微鏡圖Fig.9 Polarized light micrographs of native, non-vacuum oxidized and vacuum oxidized starches

2.5.3 掃描電鏡

淀粉掃描電鏡圖如圖10所示，由圖10-a中可以看出玉米原淀粉呈橢圓形或不規(guī)則多邊形，其顆粒分散，棱角光滑，形貌規(guī)整，表面光滑；由圖10-b和圖10-c可以看出氧化淀粉仍為顆粒狀，其大小未變，但表面粗糙，且某些顆粒表面出現(xiàn)裂縫，這是由于過氧化氫與淀粉反應(yīng)，造成淀粉表面損傷，說明氧化反應(yīng)發(fā)生在淀粉表面[28]。

a-玉米原淀粉(2000×)；b-未真空氧化淀粉(2000×)；c-真空氧化淀粉(2000×)圖10 原淀粉、未真空氧化淀粉、真空氧化淀粉的掃描電鏡圖Fig.10 Scanning electron microscopy images of native,non-vacuum oxidized and vacuum oxidized starches

3 結(jié)論

(1)同樣條件下，真空處理下氧化淀粉的黏度明顯低于未真空條件下氧化淀粉的黏度，表明真空處理可以促進(jìn)氧化，將其運用到淀粉氧化改性是有效的。同時，微波加熱能大大加快反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)只需6 min就可制得低黏度氧化淀粉；真空處理輔助微波半干法制備氧化淀粉可以減少催化劑及水用量，同時縮短反應(yīng)時間，達(dá)到快速高效、節(jié)能、減排及降耗的目的。

(2)真空處理制備氧化淀粉的優(yōu)化試驗條件為：過氧化氫用量10%，催化劑用量0.0136%，加水量30%，反應(yīng)溫度60 ℃，真空處理時間20 s，微波反應(yīng)時間為6 min；在此條件下可制得黏度為11.8 mPa·s，羧基含量為0.556%的氧化淀粉；而同等條件下，未真空處理制得氧化淀粉黏度增加，羧基含量降低，分別為21.8 mPa·s，0.414%。

(3)采用紅外光譜、偏光十字、電子顯微鏡對原淀粉、真空氧化淀粉、非真空氧化淀粉進(jìn)行表征，結(jié)果表明：淀粉被成功氧化，氧化反應(yīng)發(fā)生在淀粉的無定型區(qū)。