三偏磷酸鈉交聯(lián)對羧甲基淀粉性能的影響

韋愛芬，韋莉敏，朱鴻雁，劉洋

(廣西民族大學 化學化工學院 林產(chǎn)化學與工程國家民委重點實驗室 廣西林產(chǎn)化學與工程重點實驗室 廣西林產(chǎn)化學與工程協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530008)

羧甲基淀粉(CMS)是淀粉與氯乙酸或其鈉鹽在堿性條件下發(fā)生醚化反應而得，具有糊化溫度低[1]、粘度高等優(yōu)點，但在酸性、高溫和含鹽環(huán)境中穩(wěn)定性較差，限制了其在某些領域中的應用[2]。對天然淀粉進行復合改性，可克服單一變性淀粉某些性能的缺陷，有利于拓寬淀粉衍生物的應用范圍[3-4]。

本文以木薯淀粉為原料，一氯乙酸為醚化劑，三偏磷酸鈉(STMP)為交聯(lián)劑，“一步法”合成了交聯(lián)羧甲基淀粉(CCMS)，采用紅外光譜(FTIR)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)對淀粉結(jié)構(gòu)進行表征，探討了交聯(lián)對羧甲基淀粉性能的影響，旨在為交聯(lián)羧甲基淀粉的開發(fā)應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

木薯淀粉、酒精均為工業(yè)級；一氯乙酸、乙酸、氫氧化鉀、三偏磷酸鈉、鹽酸、乙酸、乙醇、羥基乙酸、鉻變酸、濃硫酸、乙酸銨、乙二醇等均為分析純。

DHG-9000型電熱鼓風干燥箱；HH-2型恒溫水浴鍋；DSX-90型數(shù)顯攪拌機；DV-3T流變儀；LDZ4-1.2型低速自動平衡離心機；PXWSN-265B型烏氏粘度測定儀；PHS-3C型pH計；Magna-IR550型傅里葉變換紅外光譜儀；SUPRA-55-Sapphire場發(fā)射掃描電子顯微鏡；D8 ADVANCE型X射線衍射儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 交聯(lián)羧甲基淀粉(CCMS)的制備 稱取木薯淀粉250 g置于三口燒瓶中，加入酒精550 mL，水70 mL，加入淀粉絕干質(zhì)量50%的氯乙酸、42%的氫氧化鈉，在攪拌及回流狀態(tài)下將體系加熱升溫至70 ℃ 并保持反應4 h，加入交聯(lián)劑，繼續(xù)反應2.5 h， 用乙酸調(diào)節(jié)體系pH至8～8.5，用乙醇洗去未反應的試劑，烘干，制得交聯(lián)羧甲基淀粉。調(diào)整交聯(lián)劑用量為淀粉絕干質(zhì)量的0,0.5%,2.5%,5.0%,7.0%,9.5%，可制得不同交聯(lián)程度的CCMS。交聯(lián)劑用量為0即得到羧甲基淀粉(CMS，下同)。

1.2.2 沉降積的測定[2]準確稱取1.0 g淀粉樣品(以干基計)于100 mL燒杯中，加入50 mL蒸餾水制成質(zhì)量分數(shù)為2%的淀粉乳，放入82～85 ℃水浴中保溫2 min，取出，自然冷卻至室溫后倒入10 mL 刻度離心管中，在4 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心2 min， 取出離心管，將上層清液移入量筒中，讀取上清液的體積。按式(1)計算沉降積。

VC=10-V

(1)

式中V——上清液的體積，mL；

VC——沉降積，mL。

1.2.3 黏度測定 稱取10 g淀粉樣品(以干基計)，加入10 mL工業(yè)酒精濕潤樣品，加入去離子水將其配成質(zhì)量分數(shù)為2%的淀粉乳，糊化并冷卻至室溫(25 ℃)后，用流變儀(固定4號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速60 r/min) 測其黏度。

1.2.4 抗酸堿性測定 按1.2.3節(jié)方法。用鹽酸或氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)淀粉糊液pH分別為3，4，5，6，7，9，11，12，測定其黏度，按式(2)計算抗酸堿穩(wěn)定性(%)。

(2)

1.2.5 耐溫性能的測定 按1.2.3節(jié)方法。分別測定淀粉糊液在10，20，30，40，50，60 ℃時的黏度，按式(3)計算耐溫穩(wěn)定性(%)。

(3)

1.2.6 抗剪切性能的測定 按1.2.3節(jié)方法。分別在轉(zhuǎn)速為60，80，100，120，140，160，180，200 r/min時測定淀粉糊液的黏度，按式(4)計算抗剪切穩(wěn)定性(%)。

(4)

1.2.7 特性粘度及分子量的測定[2，5-7]準確稱取0.4 g淀粉樣品(以干基計)于燒杯中，然后加入1 mL 工業(yè)酒精，60 mL 0.15 mol/L KOH溶液，沸水浴中加熱輕微攪拌10 min，冷卻后轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中定容。用移液管移取10 mL淀粉溶液于烏氏黏度計中，在25 ℃條件下測定溶液流出時間，重復操作3次，取平均值，則淀粉溶液初始濃度c1的流出時間為t1。分4次逐次加入5 mL 0.15 mol/L KOH，使黏度計中淀粉溶液的濃度分別為2/3c1，1/2c1，2/5c1，1/3c1，分別測定流出時間t2，t3，t4，t5。用0.15 mol/L KOH按上述步驟測定純?nèi)軇┝鞒鰰r間t0。按式(5)計算樣品的相對黏度，按式(6)計算樣品的增比黏度。

(5)

(6)

式中ηr——淀粉溶液的相對黏度；

ηsp——淀粉溶液的增比黏度；

tn——淀粉溶液的流經(jīng)時間，s；

t0——KOH溶液的流經(jīng)時間，s。

以cr(各點的實際濃度與初始濃度c1的比值) 為橫坐標，分別以ηsp/cr和lnηr/cr為縱坐標作圖。通過兩組點各作直線，外推至cr=0，求得截距H，按式(7)計算特性黏度[η]，按式(8)計算黏均分子量。

(7)

(8)

式中M——黏均分子量；

K——比例常數(shù)，其值為8.36×10-3；

?——與分子形狀有關的經(jīng)驗常數(shù)，其值為0.77。

1.2.8 紅外光譜表征 采用KBr壓片法，用傅里葉變換紅外光譜儀測定樣品的紅外光譜圖，掃描波長范圍500～4 000 cm-1。

1.2.9 X射線衍射表征分析[2，7-9]將干燥的淀粉樣品平鋪在載玻片上，選擇波長為0.154 1 nm的Cu-Kα 射線，角度范圍5～60 °，掃描速度10(°)/min，步長0.02 °，用X射線衍射儀進行測試，得到淀粉樣品的X射線衍射圖譜，利用MDI Jade 6.5軟件計算淀粉的結(jié)晶度。

1.2.10 掃描電鏡表征 取適量干燥的淀粉樣品，均勻涂抹在粘有雙面導電膠的銅片上，經(jīng)過噴鉑處理后在掃描電鏡儀器上進行觀察和拍攝。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)劑用量對溶脹性能的影響

淀粉沉降積越小，則說明淀粉溶脹程度越低、交聯(lián)度越高。按1.2.1節(jié)方法，改變?nèi)姿徕c用量分別為0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，制得不同交聯(lián)程度的CCMS，測得其沉降積結(jié)果見圖1。

由圖1可知，隨著三偏磷酸鈉用量增加，沉降積逐漸降低，表明淀粉吸水膨脹性能逐漸降低、交聯(lián)度逐漸增大。這是因為隨著三偏磷酸鈉用量的增加，三偏磷酸鈉與淀粉活性中心之間發(fā)生碰撞的幾率增大[10]，交聯(lián)反應幾率增大，引入淀粉分子間的交聯(lián)化學鍵增多，交聯(lián)鍵密度增大，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)緊密，吸水膨脹程度降低，溶脹性低，因而沉降積降低。

2.2 交聯(lián)劑用量對黏度的影響

按1.2.1節(jié)方法，改變?nèi)姿徕c用量分別為0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，研究其用量對CCMS黏度的影響，按1.2.3節(jié)測定黏度結(jié)果見圖2。

由圖2可知，適度交聯(lián)能顯著提高淀粉的黏度，當STMP用量為2.5%時，黏度達到最高，3 187 mPa·s, 繼續(xù)增大STMP用量，黏度逐漸降低。這是因為交聯(lián)酯鍵的引入使淀粉分子形成新的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子鏈長度增加，糊化過程中的空間位阻增加，淀粉分子運動受限，淀粉黏度增大；當交聯(lián)劑用量過高時，大量交聯(lián)酯鍵的引入使得淀粉分子之間建立起非常緊密的化學架橋，顆粒結(jié)構(gòu)強度過大，水分子在淀粉顆粒內(nèi)部滲透受阻，抑制了淀粉顆粒膨脹糊化，因而黏度有所降低。

2.3 交聯(lián)劑用量抗酸堿性能的影響

淀粉糊的抗酸堿能力是淀粉理化特性的一個重要指標,直接影響到淀粉應用性能的好壞。按1.2.1節(jié)方法，改變?nèi)姿徕c用量分別為0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，研究其對淀粉糊液抗酸堿性能的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨著pH增大，淀粉糊液的黏度先增大后減小，當pH為5時，CMS(STMP為0，下同)、CCMS糊液的黏度均出現(xiàn)最大值，CCMS整體黏度較CMS高，其中，STMP用量為2.5%時淀粉黏度最高。pH在5～7范圍內(nèi)，CCMS的黏度變化較平緩，pH為5時，由式(2)計算得到各STMP用量的淀粉糊液穩(wěn)定性依次分別為131.6%，110.4%，103.3%，101.8%，110.9%，111.7%；pH在3～5范圍內(nèi)，隨著酸性增強，淀粉黏度不斷降低，pH為3時，由式(2)計算得到各STMP用量的淀粉糊液穩(wěn)定性依次分別為46.9%，56.0%，68.1%，69.2%，68.2%，67.4%，STMP用量為5.0%的淀粉糊液穩(wěn)定性最高；pH在7～12范圍內(nèi)，CMS、CCMS糊液黏度均隨STMP用量增加而下降，pH為12時，由式(2)計算得到各STMP用量的淀粉糊液穩(wěn)定性依次分別為59.5%，78.7%，76.8%，58.9%，57.3%，55.9%，STMP用量為0.5%的淀粉糊液穩(wěn)定性最高。由此可見，CMS糊液對酸作用穩(wěn)定性較低，對堿作用穩(wěn)定性較高，STMP交聯(lián)提高了淀粉糊液的抗酸性能，低程度STMP交聯(lián)提高了淀粉糊液的抗堿性能，弱酸性條件下的CCMS糊液黏度及黏度穩(wěn)定性都高。這是因為CMS在強酸條件下易發(fā)生水解，淀粉分子結(jié)構(gòu)中的葡萄糖苷鍵易降解、斷裂，氫鍵強度減弱，直鏈分子易于重排凝沉，從而導致淀粉糊液變稀，粘度降低，耐酸穩(wěn)定性低，而CCMS分子中的交聯(lián)酯鍵使其具有較強的空間位阻，阻礙了氫離子對分子內(nèi)糖苷鍵的進攻[11]，因而CCMS糊液抗酸穩(wěn)定性較高；STMP交聯(lián)淀粉形成的交聯(lián)鍵是無機酯鍵，對堿作用的穩(wěn)定性較低[2，12]，低程度STMP交聯(lián)能提高淀粉糊液的抗堿性能，這是淀粉分子中羧甲基基團和交聯(lián)酯鍵協(xié)同作用的結(jié)果，具有恰當?shù)聂燃谆鶊F和交聯(lián)鍵之比的交聯(lián)羧甲基淀粉才體現(xiàn)出優(yōu)良的抗堿性能。因此，本實驗STMP用量為2.5%的淀粉糊液黏度最高且抗酸抗堿性能最優(yōu)，可大大拓寬淀粉產(chǎn)品的應用范圍。

2.4 交聯(lián)劑用量對耐溫性能的影響

按1.2.1節(jié)方法，改變?nèi)姿徕c用量分別為0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，研究其用量對CCMS耐溫性能的影響。STMP用量、溫度與CCMS糊液黏度之間的關系見圖4。

由圖4可知，在實驗溫度范圍內(nèi)，STMP用量為2.5%時CCMS糊液黏度最高；隨著溫度的升高，CCMS糊液黏度逐漸降低，隨著STMP用量的增加，這種黏度隨溫度升高而下降的幅度逐漸減小，表明淀粉耐溫性能逐漸提高，根據(jù)式(3)計算結(jié)果，STMP用量為9.5%時CCMS糊液耐溫穩(wěn)定性為61.1%，遠高于CMS的37.0%。這是因為淀粉顆粒中淀粉分子間由氫鍵結(jié)合成顆粒結(jié)構(gòu)，受熱時，隨著水分子滲入到淀粉顆粒內(nèi)部，氫鍵強度減弱，顆粒破裂，直鏈淀粉由螺旋線形分子伸展成直線形，支鏈淀粉呈松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使淀粉粘度下降，而交聯(lián)改性使淀粉分子間形成共價鍵，交聯(lián)共價鍵的強度遠高于氫鍵，分子纏繞更加緊密，抑制了淀粉顆粒的膨脹、破裂和黏度下降[13]，隨著交聯(lián)劑用量增大，淀粉交聯(lián)度的提高，這種抑制作用越大，因而使淀粉糊液的耐溫性能提高。

2.5 交聯(lián)劑用量對抗剪切性能的影響

按1.2.1節(jié)方法，改變?nèi)姿徕c用量分別為0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，研究其對淀粉糊液抗剪切性能的影響。STMP用量、剪切速率與淀粉糊液黏度之間的關系見圖5。

由圖5可知，淀粉黏度隨剪切速率的增大而減小，呈現(xiàn)“剪切稀化”特性，這是因為淀粉凝膠體系中分子間或分子內(nèi)的作用力在較高的剪切速率下更容易被破壞[14]。由式(4)計算各STMP添加量的淀粉糊液抗剪切穩(wěn)定性依次分別為44.5%，45.3%，50.4%，49.0%，48.0%，47.4%，可見，三偏磷酸鈉交聯(lián)有效改善了淀粉糊的抗剪切能力，STMP用量為2.5%時抗剪切性能最佳。這是因為三偏磷酸鈉交聯(lián)改性在淀粉分子間引入了新的化學鍵，CCMS分子間以酯鍵共價鍵形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子間纏結(jié)點增多，氫鍵作用得到增強，分子不易定向排列，淀粉糊液對機械攪拌產(chǎn)生的剪切力敏感性降低，黏度較為穩(wěn)定。

2.6 交聯(lián)劑用量對特性黏度及分子量的影響

淀粉的特性黏度定義為淀粉溶液濃度趨于零時的比濃粘度，即表示單個淀粉分子對溶液黏度的貢獻。按1.2.1節(jié)方法，改變?nèi)姿徕c用量分別為0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，按1.2.7節(jié)方法測定淀粉的特性黏度和分子量，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，淀粉的特性黏度和分子量均隨STMP用量增加而逐漸增大，當STMP用量為9.5%時，特性黏度達到1 310.42 mL/g，分子量達到2.05×105。這是因為淀粉的醇羥基與三偏磷酸鈉的官能團形成二酯鍵，淀粉分子間“架橋”形成多維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，淀粉分子量增大。交聯(lián)化學鍵的形成，增強淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的氫鍵，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)緊密程度得到加強，淀粉分子對溶液黏度的貢獻增大，因而特性黏度增大。

2.7 紅外光譜分析

圖7為木薯淀粉、CMS和STMP為9.5%的CCMS的紅外光譜圖。

由圖7可知，在3 200～3 600 cm-1區(qū)間存在一個寬而強的峰，這是典型的木薯淀粉的—OH吸收峰；CMS在1 606.20 cm-1處出現(xiàn)了較強的—COO—反對稱伸縮振動吸收峰，在1 422.53 cm-1出現(xiàn)了較強的—COO—對稱伸縮振動吸收峰，說明淀粉分子上接入了羧甲基基團，與原淀粉相比，在3 200～3 600 cm-1處的—OH伸縮振動強度減弱，說明羥基位置發(fā)生了取代；CCMS在1 004.16 cm-1附近吸收峰強度增加是因為葡萄糖單元上引入了P—O—C基團，由此說明淀粉與STMP發(fā)生了交聯(lián)反應,在淀粉中引入了磷酸根基團,與CMS相比較，其它基團的特征吸收峰并沒有明顯的變化,說明交聯(lián)反應并未破壞淀粉的基本化學結(jié)構(gòu),只是在CMS分子鏈上增加了新的基團[15]。

2.8 X射線衍射分析

淀粉結(jié)晶度是表征淀粉顆粒結(jié)晶性質(zhì)的一個重要參數(shù)，其大小直接影響淀粉的理化性能和應用性能。木薯淀粉、CMS和STMP為9.5%的CCMS的X射線衍射圖譜見圖8。

由圖8可知，木薯淀粉在15.3，17.3，18.3，23.5 °處出現(xiàn)了強的特征衍射峰，這是典型的A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)[2]。淀粉經(jīng)羧甲基化和交聯(lián)改性后在15.3，17.3，18.3，23.5 °處的尖峰衍射特征逐漸減弱，且在27.5，31.8，45.6，56.6 °處出現(xiàn)新的特征衍射峰；與CMS相比，CCMS在15.3 °處的衍射峰減弱，在31.8，45.6，56.6 °處的衍射峰明顯增強，在13.3，26.1 °處出現(xiàn)了新的衍射峰，這說明CCMS形成了新的結(jié)晶區(qū)[16]。利用MDI Jade 6.5軟件計算得到木薯淀粉、CMS和CCMS的結(jié)晶度分別為39.6%，22.5%，26.6%。這是因為淀粉經(jīng)羧甲基化后糖殘基上的羥基被羧甲基基團取代，破壞了淀粉鏈之間氫鍵的連接，使淀粉結(jié)晶區(qū)域緊密度降低，因而CMS結(jié)晶度下降，而STMP的官能團以架橋的形式將CMS分子連接形成了網(wǎng)絡空間結(jié)構(gòu)，增大了分子間的作用力，減弱了羧甲基化對淀粉顆粒的破壞，無序化程度降低，因而CCMS的結(jié)晶度較CMS有所提高。

2.9 掃描電子顯微鏡分析

采用掃描電子顯微鏡在1 000倍下對木薯淀粉(圖a)、CMS(圖b)及STMP為7.0%(圖c)、9.5%(圖d)的CCMS進行顆粒形貌的觀察，結(jié)果見圖9。

由圖9可知，木薯淀粉顆粒表面平整光滑，結(jié)構(gòu)致密；CMS顆粒表面出現(xiàn)凹槽、裂紋和小凸起，表面粗糙，結(jié)構(gòu)脆弱，有顆粒脫落的趨勢；CCMS顆粒表面有輕微的凹陷和小凸起，小顆粒附著大顆粒，隨著STMP用量增大，淀粉表面顆粒出現(xiàn)裂痕，附著、聚集及層狀結(jié)構(gòu)愈加明顯。這說明淀粉交聯(lián)羧甲基化反應不僅發(fā)生在淀粉顆粒表面,也發(fā)生在淀粉顆粒內(nèi)部。

3 結(jié)論

(1)與羧甲基淀粉相比，交聯(lián)羧甲基淀粉的溶脹性能降低，黏度、抗酸堿性能、耐溫性能及抗剪切性能提高。

(2)FTIR證實了淀粉分子結(jié)構(gòu)上引入了羧甲基基團和磷酸酯基團；XRD結(jié)果表明，交聯(lián)減弱了羧甲基化對淀粉顆粒的破壞，降低了淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的無序化程度，交聯(lián)羧甲基淀粉的結(jié)晶度略高于羧甲基淀粉；SEM證實了交聯(lián)羧甲基化反應不僅發(fā)生在淀粉顆粒表面,也發(fā)生在淀粉顆粒內(nèi)部。

(3)經(jīng)三偏磷酸鈉適度交聯(lián)的羧甲基淀粉具有更優(yōu)越的綜合性能，可在食品、日用化工、化妝品等領域推廣應用。