木薯雙醛淀粉的理化性質(zhì)

戴昊，張淑芬

大連理工大學(xué)精細化工國家重點實驗室（大連 116024）

雙醛淀粉是原淀粉經(jīng)高碘酸鹽氧化得到的改性淀粉，高碘酸鹽與淀粉反應(yīng)，可選擇性氧化淀粉葡萄糖單元C2、C3上的鄰位羥基，轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€醛基[1]。雙醛淀粉中含有大量活潑的醛基，具有低毒，可生物降解的優(yōu)良特性，在化工生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。雙醛淀粉可作為紡織業(yè)中的上漿劑[2]，制革業(yè)的鞣革制[3]以及木材膠粘劑[4]。在醫(yī)療和環(huán)保領(lǐng)域，雙醛淀粉可用于固定化酶[5]、交聯(lián)膠原蛋白制備組織支架材料[6]以及重金屬離子吸附[7]。

木薯淀粉是一種重要的工業(yè)原料，提取自木薯，該作物種植廣泛，是世界三大薯類作物之一。利用高碘酸鹽氧化木薯淀粉制備雙醛淀粉的方法已有大量的報道[8-10]，但對木薯雙醛淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究相對較少，只有低氧化度雙醛淀粉性質(zhì)的報道[11]。隨著雙醛淀粉中醛基含量的增加，其親水性下降[12]，糊化溫度升高[13]，溶液不穩(wěn)定，易形成凝膠狀沉淀[14]。為了更好地利用木薯雙醛淀粉，需要對高氧化度木薯雙醛淀粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行全面的研究。

以木薯淀粉為原料，高碘酸鈉為氧化劑，制備了從低氧化度到高氧化度的一系列雙醛淀粉[15]，以GPC、XRD、偏光顯微鏡、SEM等手段研究了雙醛淀粉分子量分布、結(jié)晶性、表面形貌等結(jié)構(gòu)特征，并對雙醛淀粉溶液的穩(wěn)定性進行了研究，為高氧化度木薯雙醛淀粉的應(yīng)用提供理論和數(shù)據(jù)參考。

1 試驗部分

1.1 試劑、設(shè)備與儀器

試劑：木薯淀粉（食品級），崇左市群力淀粉有限責(zé)任公司；高碘酸鈉（AR，99%），上海阿拉丁試劑有限公司；氫氧化鈉，濃硫酸，分析純，溶液均以去離子水配制。

設(shè)備與儀器：低溫冷凍干燥機（FD-1型），北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；雙目透射偏光顯微鏡（59XB型），上海光學(xué)儀器六廠；傅里葉變換顯微紅外光譜儀（iN10型），美國Thermo Fisher公司；X射線衍射儀（D/Max 2400型），日本理學(xué)株式會社；鎢燈絲掃描電鏡（Quanta 450型），美國FEI公司；高效液相色譜儀（Agilent 1200 series），美國Agilent公司；水溶性凝膠色譜柱（Ultrahydrogel 250，Ultrahydrogel 1000，Ultrahydrogel linear），美國Waters公司；示差折光檢測器（G1362A），美國Agilent公司；差示掃描量熱儀（DSC204型），德國耐馳公司；紫外可見分光光度計（Angilent 8453型），美國Agilent公司。

1.2 方法

1.2.1 氧化淀粉的制備

向三口燒瓶中加入3 g干燥的木薯淀粉和30 mL去離子水，攪拌均勻，稱取一定質(zhì)量的高碘酸鈉，加入到淀粉漿中，滴加鹽酸或氫氧化鈉溶液（1 mol/L）保持體系pH為3.0，在40 ℃下反應(yīng)2 h，反應(yīng)避光。反應(yīng)完成后，離心分離出固體產(chǎn)物。將產(chǎn)物在去離子水中重新分散，離心，重復(fù)3～5次，直到淀粉-碘化鉀試紙檢測離心液中無碘酸鹽存在，溶液呈中性。產(chǎn)物冷凍干燥24 h，稱重。

1.2.2 氧化淀粉醛基含量測定

使用“堿消耗法”[16]測定雙醛淀粉中醛基含量，稱取0.2 g氧化淀粉于100 mL錐形瓶中，加少量去離子水溶脹，10 min后加10 mL 0.2 mol/L氫氧化鈉溶液，70℃水浴加熱2 min，在流動的冷水中沖洗冷卻1 min，加10 mL 0.2 mol/L硫酸溶液，得到淺黃色溶液，滴加3滴酚酞指示劑，使用0.2 mol/L氫氧化鈉溶液滴定至終點。雙醛摩爾分數(shù)計算公式為：

式中：C1、C2分別為NaOH與H2SO4溶液濃度，mol/L，V1、V2分別為消耗的NaOH與H2SO4溶液體積，mL，m為稱取的氧化淀粉的質(zhì)量，g，161為雙醛淀粉重復(fù)單元的平均分子質(zhì)量。

1.2.3 紅外光譜測試

使用溴化鉀壓片法制備樣品，對木薯淀粉和雙醛淀粉進行紅外光譜測試。

1.2.4 凝膠滲透色譜

使用凝聚滲透色譜測定原淀粉和氧化淀粉分子量分布。稱取50 mg樣品，沸水浴中加熱溶解，配制成質(zhì)量分數(shù)為0.5%的溶液，經(jīng)220 nm水性膜過濾，進樣量為20 μL，儀器測試時流動相為超純水，流速0.5 mL/min。

1.2.5 X射線粉末衍射測試

使用X射線衍射儀測試木薯淀粉和氧化淀粉的結(jié)晶情況，X射線源為銅靶，管壓45 kV，電流200 mA，掃描速度10°/min，步寬0.02°，測試角度范圍為5°～50°。

1.2.6 偏光顯微鏡觀察

稱取一定質(zhì)量的木薯淀粉和雙醛淀粉，配制成質(zhì)量濃度為2%的懸濁液，取1滴滴加在載玻片上，蓋上蓋玻片。室溫下，使用偏光顯微鏡在普通光和偏振光下觀察淀粉顆粒，目鏡放大倍數(shù)為10倍，物鏡放大倍數(shù)為25倍。

1.2.7 掃描電鏡測試

將木薯淀粉和雙醛淀粉用導(dǎo)電膠固定在金屬樣品臺上，表面噴金處理后，在掃描電鏡下觀察樣品形貌，電子束加速電壓為25 kV。

1.2.8 差示掃描量熱測試

稱取5 mg樣品放入鋁制坩堝中，加10 mg水，密封，室溫放置1 h。差示掃描量熱測試溫度范圍為20～12 0 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.2.9 氧化淀粉溶液穩(wěn)定性

稱取一定質(zhì)量雙醛淀粉，加水配制成質(zhì)量分數(shù)為1%，3%，5%，7%和10%的懸浮液，沸水浴加熱30 min完全溶解，冷卻至25 ℃保存，使用紫外可見光光譜測量溶液在650 nm處透光率隨時間的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化淀粉醛基含量與紅外表征

高碘酸鈉氧化淀粉反應(yīng)方程式為：

在40 ℃，pH 3.0，反應(yīng)時間2 h條件下，通過控制高碘酸鈉用量制備了不同氧化度的雙醛淀粉，醛基含量如表1所示。

表1 氧化淀粉醛基含量與高碘酸鈉用量關(guān)系表

隨高碘酸鈉用量的增加，雙醛淀粉的醛基含量增加，制備的雙醛淀粉醛基含量分別為5%（DAS-5），10%（DAS-10），19%（DAS-19），39%（DAS-39），53%（DAS-53），74%（DAS-74）和85%（DAS-85）。對DAS-85進行紅外表征，圖1中雙醛淀粉在1 735 cm-1處出現(xiàn)新的振動峰，為醛基的伸縮振動峰，說明淀粉已被氧化。

2.2 雙醛淀粉分子量分布

GPC測定結(jié)果顯示，木薯淀粉分子量高達107。氧化后，雙醛淀粉分子量下降較大，DAS-5分子量分布在100～105之間，重均分子量為9 300，多分散指數(shù)為7.4。DAS-10與DAS-19的重均分子量分別為4 300和2 960，多分散指數(shù)為4.8和4.6。隨醛基含量的增加，雙醛淀粉分子量進一步減少。該結(jié)果是由于氧化過程中葡萄糖環(huán)上C2，C3鍵斷開，六元環(huán)結(jié)構(gòu)被破壞，糖苷鍵穩(wěn)定性下降，同時C2，C3上醛基的出現(xiàn)使相鄰的糖苷鍵易發(fā)生反應(yīng)，引起分子斷鏈[17]。

圖1 氧化淀粉DAS-85紅外光譜圖

圖2 木薯淀粉和不同氧化度雙醛淀粉分子量分布圖

2.3 雙醛淀粉結(jié)晶性

圖3 為木薯淀粉與不同氧化度雙醛淀粉的XRD圖。木薯淀粉在15°，17°，18°和23°出現(xiàn)衍射峰，為A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)[18]。隨氧化度的升高，衍射特征峰減弱。醛基含量高于39%時，雙醛淀粉為無定型結(jié)構(gòu)。

圖3 木薯淀粉和不同氧化度雙醛淀粉X射線衍射圖

使用偏光顯微鏡觀察木薯淀粉和雙醛淀粉，普通光下呈球形顆粒狀，偏振光下淀粉顆粒內(nèi)部出現(xiàn)黑色十字，被分成4個小的亮區(qū)域，如圖4（a）所示。該現(xiàn)象是由于淀粉顆粒中結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)呈環(huán)狀交替存在，其密度和折射率存在差別，偏振光通過時產(chǎn)生黑十字消光圖象[18]。DAS-5、DAS-10、DAS-19偏振光下可觀察到偏光十字，DAS-39視野中無偏光十字，DAS-53和DAS-85視野完全變黑。由XRD結(jié)果和偏光顯微照片可推測出，氧化反應(yīng)首先發(fā)生在易滲透的非晶區(qū)，然后在結(jié)晶區(qū)反應(yīng)，使淀粉顆粒失去結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

圖4 木薯淀粉和雙醛淀粉顯微照片

2.4 雙醛淀粉形貌

SEM圖顯示木薯淀粉為顆粒狀（圖5（a）），表面光滑，帶有一定棱角，DAS-10與原淀粉形貌無明顯差異。圖5（c）中，DAS-19雙醛淀粉表面輕微破損，出現(xiàn)凹陷。DAS-39顆粒變得不完整，凹陷增多。雙醛淀粉DAS-53顆粒明顯變形，顆粒間有粘連現(xiàn)象，可能是醛基和羥基發(fā)生了縮醛反應(yīng)。圖5（f）中，DAS-85顆粒塌陷，完全變形。該現(xiàn)象說明高碘酸鈉氧化會逐步破壞淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)，與XRD結(jié)果一致。

圖5 木薯淀粉和雙醛淀粉掃描電鏡圖

2.5 雙醛淀粉糊化特性

使用DSC測試了淀粉的糊化性質(zhì)，如表2所示。木薯淀粉糊化溫度范圍是59.1～73.6 ℃，DAS-5與DAS-10糊化溫度范圍分別為62.3～72.4 ℃和63.2～71.7℃。氧化度升高，淀粉糊化峰值溫度上升，木薯淀粉為65.6 ℃，DAS-10為69.4 ℃，該結(jié)果是由于雙醛淀粉中醛基和羥基存在縮醛交聯(lián)反應(yīng)，糊化時需要更多的能量。淀粉糊化焓值隨醛基含量增加而減小，由于糊化焓與結(jié)晶度呈正比，因此該結(jié)果與淀粉結(jié)晶度下降有關(guān)[10]。未測出更高氧化度雙醛淀粉的糊化特性，可能是高醛基含量淀粉糊化焓小，DSC曲線上糊化吸熱峰不明顯，未能識別。

表2 氧化淀粉DSC測試結(jié)果

2.6 雙醛淀粉溶液穩(wěn)定性

將不同醛基含量的雙醛淀粉在水中加熱溶解，配制成質(zhì)量濃度為10%的溶液，室溫保存，測定了溶液在650 nm處的透光率變化。溶液在開始時透光率均高于95%，DAS-5、DAS-10、DAS-19、DAS-39溶液，48 h后透光率仍高于90%。DAS-53溶液存放12 h后透光率降為88%，此時溶液中有少量透明膜狀沉淀。DAS-85溶液在6 h時透光率為90%，有透明膜狀沉淀出現(xiàn)。隨時間增加，DAS-53與DAS-85溶液透光率下降，48 h后透光率分別為63%和60%。雙醛淀粉溶液中出現(xiàn)沉淀是由于醛基與羥基發(fā)生縮醛或半縮醛反應(yīng)，引起分子間交聯(lián)形成沉淀，該反應(yīng)在高醛基含量的雙醛淀粉溶液中更容易發(fā)生，因此雙醛淀粉溶液穩(wěn)定性隨醛基含量的增加而下降。

圖6 不同醛基含量的雙醛淀粉溶液650 nm透光率變化圖

3 結(jié)論

試驗中研究了氧化度對木薯雙醛淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響，隨著氧化程度的增加，雙醛淀粉分子量降低，DAS-5重均分子量為9 300。高碘酸鈉氧化反應(yīng)首先在淀粉非結(jié)晶區(qū)發(fā)生，然后破壞結(jié)晶區(qū)，醛基含量高于39%時，木薯淀粉完全失去結(jié)晶結(jié)構(gòu)，雙醛淀粉顆粒表面粗糙，結(jié)構(gòu)塌陷。隨著醛基含量增加，雙醛淀粉分子內(nèi)和分子間的縮醛反應(yīng)增多，糊化峰值溫度增加，糊化焓降低。由于縮醛反應(yīng)的存在，高氧化度雙醛淀粉溶液穩(wěn)定性降低，室溫放置會逐漸產(chǎn)生沉淀。此試驗結(jié)果不僅適用于木薯雙醛淀粉，對于其他種類淀粉制備的雙醛淀粉同樣適用。雙醛淀粉分子量低，溶液黏度很小，有利于實際應(yīng)用。由于醛基和羥基會發(fā)生縮醛反應(yīng)，雙醛淀粉溶液會逐漸產(chǎn)生膜狀沉淀，在實際應(yīng)用時不宜長久放置。