辛烯基琥珀酸酐改性多孔淀粉結(jié)構(gòu)表征

李海燕 馬云翔 俞力月 孫 倩 張盛貴

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，蘭州 730070)

辛烯基琥珀酸酐(OSA)可與淀粉反應(yīng)形成含有親水和疏水基團(tuán)的辛烯基琥珀酸淀粉酯，疏水基團(tuán)的引入使OSA改性淀粉具有兩親特性[1]，可用作乳化劑、包封劑及脂肪替代品[2]。美國食品和藥物管理局允許OSA改性淀粉作為合法的食品添加劑，最大OSA添加水平為3.0%，取代度(DS)小于0.02[3,4]。由于OSA在水中的溶解度低，在淀粉顆粒中分布不均勻，滲入顆粒內(nèi)部受到阻礙[5]，導(dǎo)致反應(yīng)僅限于淀粉表面[6,7]，DS較低(0.0164)[8]。多孔淀粉(PS)是用物理法、生物法和化學(xué)法使淀粉顆粒由表面至內(nèi)部形成孔洞的一種變性淀粉[9]，PS相比于原淀粉具有大的比表面積[10]。因此，相比于原淀粉，PS作為反應(yīng)主體，不僅使反應(yīng)時(shí)淀粉與OSA的接觸面積增加，又能使OSA滲透到淀粉的內(nèi)部而發(fā)生反應(yīng)，獲得更高的取代度，提高改性淀粉的乳化能力和乳化穩(wěn)定性。

最近的一些研究已經(jīng)通過物理化學(xué)處理增加淀粉對OSA修飾的敏感性。Wang等[11]利用高速剪切的方法促進(jìn)OSA與淀粉的酯化反應(yīng)，使淀粉表面結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)OSA液滴變小，使OSA更易進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部，從而使酯化反應(yīng)更均勻的發(fā)生。Wang等[12]通過比較冷凍-解凍和水熱-堿的方法預(yù)處理淀粉，證明水熱-堿預(yù)處理增加了OSA-淀粉的DS和反應(yīng)效率(分別為0.0185和79.7%)，冷凍-解凍預(yù)處理產(chǎn)生相反的結(jié)果(分別為0.015 2和65.5%)。Lu等[13]使用β-淀粉酶和轉(zhuǎn)葡糖苷酶對天然淀粉納米顆粒(NSP)進(jìn)行酶預(yù)處理，然后用OSA酯化，結(jié)果表明雙酶預(yù)處理增加了OSA改性淀粉顆粒的DS，提高了乳液穩(wěn)定性。Xu等[14]利用脂肪酶催化OSA與淀粉的酯化反應(yīng)，所得產(chǎn)物與水相法獲得的產(chǎn)物性質(zhì)相似，但可以縮短反應(yīng)時(shí)間。淀粉在經(jīng)OSA改性前，通過物理化學(xué)方法將淀粉顆粒適度破壞，可增加OSA與淀粉的接觸面積，從而提高酯化反應(yīng)的效率。

關(guān)于OSA改性多孔淀粉的結(jié)構(gòu)性質(zhì)研究報(bào)道很少，研究淀粉的多孔結(jié)構(gòu)對OSA改性淀粉的DS及性質(zhì)的影響鮮見報(bào)道。本研究通過OSA改性PS以獲得更高取代度但又符合食用標(biāo)準(zhǔn)的改性淀粉，以克服原淀粉取代度低、乳化能力和乳化穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。以多孔淀粉為主體，OSA為客體成功合成OSA改性多孔淀粉，采用SEM評價(jià)多孔淀粉的孔結(jié)構(gòu)，固態(tài)核磁(13C CP/MAS NMR)和傅里葉紅外光譜(FT-IR)評價(jià)OSA與多孔淀粉的酯鍵，X射線衍射分析(XRD)評價(jià)OSA改性多孔淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，熱重分析(TGA)改性淀粉酯的熱穩(wěn)定性。研究OSA改性多孔淀粉的結(jié)構(gòu)特性，旨在為淀粉的綜合利用提供借鑒，且為改性淀粉作為乳化劑遞送生物活性物質(zhì)提供選擇。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉、α-淀粉酶(AM，50 U/mg，分析純)、淀粉葡糖苷酶(AMG，100 U/mL，分析純)、辛烯基琥珀酸酐(分析純)、玉米油(試劑級)、β-胡蘿卜素。

1.2 儀器與設(shè)備

PHS-3C雷磁pH計(jì)；H-1850R臺式高速冷凍離心機(jī)；600 MHz 寬腔固體超導(dǎo)核磁共振波譜儀；NEXUS 670傅里葉變換紅外光譜儀；SuperNOVAX-射線單晶衍射儀；JSM-6701F冷場發(fā)射型掃描電鏡；DF-Ⅱ集熱式磁力加熱攪拌器；FJ-200高速均質(zhì)機(jī)。

1.3 方法

1.3.1 多孔淀粉(PS)的制備

參照Dura等[9]的方法稍做修改，具體方法如下：將玉米淀粉(10.0 g)懸浮于pH 4.5的磷酸鹽和醋酸鹽混合緩沖液中，于40 ℃水浴鍋中攪拌(100r/min)20 min，然后加入2%(相對于淀粉)、酶比(mAM:mAMG)為6∶1的復(fù)合酶，將樣品在50 ℃水浴中攪拌(50 r/min)。24h后加1 mol/L NaOH溶液調(diào)pH為10.0以終止酶解反應(yīng)。將懸浮液在7 000r/min，4℃下離心15 min，蒸餾水重復(fù)洗滌3次。最后，將收集的沉淀物置于恒溫干燥箱中50 ℃干燥8 h，研磨過90目篩存于干燥器中備用。

1.3.2 OSA改性多孔淀粉的制備

參照Song等[15]的方法并做適當(dāng)修改，具體操作如下：將原淀粉或多孔淀粉(5.0 g)分散在水(30%)中，攪拌20 min以形成懸浮液。用3% NaOH溶液調(diào)pH至8.5，在1 h內(nèi)分別將淀粉質(zhì)量1%、3%和5%的OSA(用無水乙醇稀釋3倍)溶液緩慢滴加至淀粉漿中，35 ℃反應(yīng)1 h，再用3% HCl溶液將pH調(diào)至6.5，離心混合物并用水洗2次，用70%乙醇洗滌2次，置于40 ℃干燥24 h，過90目篩備用。將改性淀粉分別命名為1% OSA-NS、1% OSA-PS、3% OSA-PS和5% OSA-PS。

1.3.3 OSA改性多孔淀粉取代度(DS)的測定

參照Kweon等[16]描述的滴定法測定DS，適當(dāng)修改，具體操作為：OSA改性多孔淀粉(1g)置于20 mL HCl-異丙醇溶液(2.5 mol/L)中，攪拌30 min。加入90%異丙醇水溶液(100 mL)，攪拌10 min。將懸浮液離心，殘余物用90%異丙醇水溶液洗滌，直至用0.1 mol/L AgNO3測定不存在氯離子。將殘余物重新分散在蒸餾水(60 mL)中，沸水浴中加熱20 min。用酚酞作為終點(diǎn)指示劑，用0.1 mol/L標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定混合物，多孔淀粉做空白對照。DS用公式計(jì)算：

式中：162為葡萄糖殘基的摩爾質(zhì)量/g/mol；210為辛烯基琥珀酸酐的摩爾質(zhì)量/g/mol；A為氫氧化鈉溶液的滴定體積/mL；M為氫氧化鈉溶液的濃度/mol/L；W為樣品質(zhì)量/g。

反應(yīng)效率(RE)計(jì)算公式為：

1.3.4 OSA改性多孔淀粉結(jié)構(gòu)表征分析

1.3.4.1 掃描電鏡分析(SEM)

用導(dǎo)電膠將少量干燥后的原淀粉、多孔淀粉和OSA改性多孔淀粉粉末粘在樣品座上，將樣品座置于離子濺射儀中鍍金30 s后，用掃描電鏡觀察樣品粉末的形態(tài)特征。

1.3.4.2 核磁共振分析(13C CP/MAS NMR)

使用AVANCE NEO WB 600核磁共振波譜儀在100.56 MHz下以13C參照純四甲基硅烷獲得多孔淀粉和OSA改性多孔淀粉的13C CPMAS NMR光譜。

1.3.4.3 傅里葉紅外光譜分析(FT-IR)

采用溴化鉀壓片法測定多孔淀粉及OSA改性多孔淀粉的紅外光譜。取適量溴化鉀，加入1 mg干燥樣品粉末，碾磨至無顆粒感后壓片處理，掃描波長為4 000 ～450 cm-1。

1.3.4.4 X射線衍射分析(XRD)

采用X射線衍射儀對多孔淀粉及OSA改性多孔淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)測定。測試條件為：掃描范圍535；掃描速度2/min；掃描步長0.06；掃描方式為連續(xù)。相對結(jié)晶度使用公式計(jì)算。

式中：Xc為相對結(jié)晶度；Ac為晶體面積；Aa為非晶體面積。

1.3.4.5 熱重分析(TGA-DTA)

采用熱重分析儀研究多孔淀粉及OSA改性多孔淀粉的熱特性。分析條件：氮?dú)?；升溫速?0℃/min；溫度范圍20700 ℃。

1.3.5 乳化穩(wěn)定性分析

分別配制0.05 g/mL的多孔淀粉和OSA改性多孔淀粉溶液，加入β-胡蘿卜素玉米油，使混合物中含有5%的OSA改性多孔淀粉和10%的玉米油，用高速均質(zhì)機(jī)以500 r/min的速度均質(zhì)10 min后，再通過高壓均質(zhì)機(jī)在100 MPa下均質(zhì)兩次，吸取10 mL放入試管中，30 min后觀察試管中乳液的狀態(tài)并拍照。

1.3.6 統(tǒng)計(jì)分析

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，采用Origin 8及SPSS 22等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 OSA改性多孔淀粉的取代度(DS)

在淀粉濃度為30%，反應(yīng)時(shí)間為1 h，溫度為35 ℃，pH值為8.5條件下對不同OSA水平處理的改性多孔淀粉進(jìn)行DS分析(表1)。結(jié)果表明，1%OSA-PS的DS為0.0191，RE為82.11%，隨著OSA濃度的增加，DS也隨之增加，RE減小，原因是淀粉羥基數(shù)目固定，因此反應(yīng)依賴于羥基附近OSA分子的可用性[17]，在OSA改性銀杏淀粉中也觀察到相似的結(jié)果[18]，而RE減小可能是由于水不溶性O(shè)SA和淀粉相混合不充分造成的[19]。Chen等[8]在3%OSA水平下利用水熱預(yù)處理淀粉，使得OSA改性淀粉的DS從0.0164上升到0.0190；Bai等[20]制備3%濃度的OSA改性玉米淀粉，DS為0.019。本實(shí)驗(yàn)所測1%OSA改性原淀粉的DS為0.0130，1%OSA改性多孔淀粉DS為0.0191，DS和RE均不同程度的增加，這是由于多孔淀粉結(jié)構(gòu)中孔徑和孔深度的增加提供了更大的比表面積[21]，與OSA有更多的反應(yīng)位點(diǎn)，賦予酯化產(chǎn)物更大的取代度和反應(yīng)效率。

表1 OSA改性多孔淀粉的DS和相對結(jié)晶度

注：不同的上標(biāo)字母表明差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P< 0.05)。

2.2 OSA改性多孔淀粉的結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 掃描電鏡分析(SEM)

天然玉米淀粉、多孔淀粉及OSA改性多孔淀粉的SEM顯示在圖1中。天然玉米淀粉(圖1a)表面平滑，顆粒呈圓形和多角形，且沒有可見的孔，表明在處理期間不存在內(nèi)源性酶。多孔淀粉(圖1b)表面出現(xiàn)較為均勻的孔，孔的深淺不一，有的孔可以延伸到顆粒內(nèi)部，但顆粒的形狀幾乎不變，可提供更大的比表面積，釋放更多的羥基基團(tuán)與OSA發(fā)生反應(yīng)[22]。在OSA酯化反應(yīng)后，顆粒表面出現(xiàn)輕微腐蝕，但不影響顆粒的原始形狀[17]，多孔結(jié)構(gòu)仍能保持。SEM結(jié)果表明，酯化反應(yīng)不會破壞多孔淀粉顆粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖1天然玉米淀粉、多孔淀粉及OSA改性多孔淀粉電鏡掃描圖

2.2.2 固態(tài)核磁分析(13C CP/MAS NMR)

對多孔淀粉和OSA改性多孔淀粉進(jìn)行13C CP/MAS NMR分析，如圖2所示，根據(jù)文獻(xiàn)得出多孔淀粉分子中碳原子的對應(yīng)信號[23]。OSA-PS的光譜圖與PS基本一致，表明酯化反應(yīng)后骨架結(jié)構(gòu)保持良好，圖2b中嵌入了OSA-PS部分放大的固態(tài)13C譜圖，范圍為120 ～250。該峰的中心位置為172，這是由13C的酯鍵化學(xué)位移引起的[24]，結(jié)果表明，通過酯化反應(yīng)成功形成了OSA與PS之間的骨架連接。

圖2PS (a)和OSA改性PS (b)的13C CP/MAS NMR譜圖

2.2.3 傅里葉紅外光譜分析(FT-IR)

圖3多孔淀粉和OSA改性多孔淀粉的紅外光譜圖

2.2.4 X射線衍射分析(XRD)

多孔淀粉和OSA改性多孔淀粉的X射線衍射圖如圖4所示，Xc的相應(yīng)值在表1中給出。所有淀粉樣品都顯示出典型的A型衍射峰，分別在15°、17°、18°和23°處有強(qiáng)的衍射峰。多孔淀粉和OSA改性多孔淀粉之間幾乎沒有差異，表明酯化反應(yīng)不會改變淀粉的結(jié)晶類型。多孔淀粉的Xc值略高于OSA改性多孔淀粉的值，但不同OSA水平改性多孔淀粉之間的Xc值沒有顯著性差異(表1)。這表明OSA酯化主要發(fā)生在淀粉的無定形區(qū)域，與取代度較低的實(shí)際較為符合，該結(jié)果與He等[26]的研究一致。

圖4多孔淀粉和OSA改性多孔淀粉的X衍射圖譜

2.2.5 熱重分析(TGA-DTA)

OSA改性淀粉的熱特性TGA和DTG曲線如圖5所示。由圖5a可見，所有樣品的TGA曲線中觀察到兩個(gè)階段的質(zhì)量損失。第一階段發(fā)生在120 ℃以下，這是由水蒸發(fā)引起的質(zhì)量損失約8%。第二階段，即主要的質(zhì)量損失(約76%)，多孔淀粉發(fā)生在270 ℃，歸因于淀粉分解，而OSA改性多孔淀粉顯示出不同的模式，在較低溫度下開始(分別為253、250、229 ℃)[27]。此外，由圖5b可知，多孔淀粉，OSA改性多孔淀粉的最大熱分解溫度分別為325、321、316、311 ℃，且隨DS增加，最大熱分解溫度降低。結(jié)果表明，酯化過程降低了熱降解的初始溫度以及淀粉的熱穩(wěn)定性[28]。

圖5多孔淀粉和OSA改性多孔淀粉的TGA和DTG曲線

2.3 乳化穩(wěn)定性分析

從圖6可看出，靜置30 min后，多孔淀粉形成的乳液出現(xiàn)較明顯的分層現(xiàn)象，主要是由于多孔淀粉不溶于水且不具有乳化作用。OSA改性多孔淀粉中，1%OSA-PS由于所含OSA濃度小，乳化效果不明顯，而3%和5%的OSA-PS可以自由懸浮，形成穩(wěn)定的乳液，表明3%OSA-PS和5%OSA-PS具有良好的乳化性和乳化穩(wěn)定性。

圖6多孔淀粉和OSA改性多孔淀粉的乳化穩(wěn)定性比較

3 結(jié)論

淀粉的多孔結(jié)構(gòu)會影響OSA改性淀粉的DS，隨著OSA濃度的增加，DS也隨之增加，并賦予OSA改性淀粉更大的乳化性和乳化穩(wěn)定性；OSA與淀粉之間形成酯鍵，但并不會破壞多孔淀粉孔結(jié)構(gòu)和淀粉的晶型結(jié)構(gòu)，改性主要發(fā)生在無定形區(qū)，OSA改性多孔淀粉后熱穩(wěn)定性降低。