NaOH 溶液預(yù)處理馬鈴薯淀粉對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)影響

閔燕，譚瓊，陳利維，張金偉，陳慧＊

（1.四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065；2.四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

引言

淀粉以其來源廣泛、價(jià)格低廉、可再生性、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，一直是食品、紡織、粘合劑等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3]。淀粉是一種多聚糖天然高分子，大量的分子間和分子內(nèi)氫鍵形成含有致密結(jié)晶的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其低溫溶解度極低，進(jìn)行化學(xué)改性需要在糊化后才能完成，如氧化、酯化、醚化[4-6]。

通常，多數(shù)水基化學(xué)改性需要均相溶液。因此要求進(jìn)行淀粉預(yù)處理破壞淀粉分子內(nèi)外的鍵合及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)[7-8]。均相化方法有能量輻射法[9-10]、化學(xué)溶解法[11]及水熱糊化法[12]。其中，水熱糊化法操作簡(jiǎn)單，是目前最常用的預(yù)處理方法[13]。但水熱糊化（≥80 ℃）的淀粉降溫后易出現(xiàn)回生，此外水熱糊化過程需要能耗，還限定了高溫環(huán)境，也難免出現(xiàn)溶解過程的副反應(yīng)。因此，尋找一種低耗、高效及穩(wěn)定性好的改性淀粉前驅(qū)體是淀粉改性的重要的途徑。1989 年，Wootton M 等人[14]用NaOH 溶液糊化小麥淀粉來提升其黏度；近年來，本實(shí)驗(yàn)小組用NaOH 溶液預(yù)處理玉米淀粉，成功制備了高吸水性樹脂[15]。NaOH 預(yù)處理的過程中，隨著溶液NaOH 濃度、預(yù)處理時(shí)間和溫度等因素變化，伴隨一些不確定現(xiàn)象出現(xiàn)，包括分子鏈降解[16-17]。本實(shí)驗(yàn)利用NaOH溶液對(duì)馬鈴薯淀粉進(jìn)行預(yù)處理，并將NaOH 預(yù)處理淀粉（STn，n代表淀粉預(yù)處理的時(shí)間分別為5、10、20、30、40 min）與水熱直接糊化淀粉（HST）和馬鈴薯淀粉進(jìn)行結(jié)晶結(jié)構(gòu)、微觀形貌和相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)比，以期為淀粉的改性前驅(qū)體制備提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

原淀粉（馬鈴薯淀粉），AR，國民淀粉化學(xué)（廣東）有限公司；氫氧化鈉（NaOH）、無水乙醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.7%），AR，成都金山化學(xué)試劑有限公司；鹽酸（HCl，質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.0%～38.0%）、二甲基亞砜（DMSO），AR，成都市科隆化學(xué)品有限公司；碘，AR，西隴化工股份有限公司。

BS124S 分析天平，德國Sartorius 公司；TD-420低速離心機(jī)，四川蜀科儀器有限公司；D8X-射線衍射儀，美國Burker 公司；Nova Nano SEM450 掃描電子顯微鏡，美國FEI 公司；CTO-20A 高效液相色譜儀器、RID-20 折射率檢測(cè)器，日本Shimadzu 公司；W201D 恒溫水浴鍋、S212 恒速攪拌器，無錫申科儀器有限公司；DMLP1 偏光顯微鏡，德國Leica microsystem 公司；DSC214 Polyma 差示掃描量熱儀，德國NETZSCH-Ger?tebau GmbH 公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 淀粉預(yù)處理

用蒸餾水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% NaOH 溶液，待NaOH 溶液冷卻后，轉(zhuǎn)移至裝有機(jī)械攪拌器的三頸燒瓶中。在快速機(jī)械攪拌速度為300 r/min 下加入馬鈴薯淀粉，獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的淀粉和NaOH 的混合溶液，并在室溫下持續(xù)攪拌540 min，得到透明、均相的流動(dòng)性液體。隨后用1 mol/L 的HCl 溶液中和至pH7.0，用70%的乙醇溶液水提醇沉，反復(fù)洗滌至無氯離子，在45 ℃下真空干燥，獲得STn。用蒸餾水代替2%NaOH 溶液，獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的淀粉溶液，于80 ℃水浴鍋中處理10 min，冷卻至室溫，用70%的乙醇溶液水提醇沉，在45 ℃下真空干燥得水熱糊化淀粉，記為HST。

1.2.2 偏光顯微鏡（POM）觀察在上述馬鈴薯淀粉預(yù)處理過程中，用滴管吸取不同預(yù)處理時(shí)間的淀粉糊少許，滴在載玻片上，蓋上蓋玻片，用濾紙吸除溢出來的樣品。用DMLP1 偏光顯微鏡（×100）觀察淀粉的“馬耳他”十字，并拍攝照片[18]。

1.2.3 X 射線衍射（XRD）測(cè)定

將原淀粉、HST、STn 粉末樣品置于干燥器中平衡水分后，在樣品架上均勻分散，壓平，用Burker D8型X- 射線衍射儀進(jìn)行XRD 分析，所用波長(zhǎng)為0.1542 nm 的單色Cu-Kα 射線。測(cè)試條件：管壓40 kV，管流20 mA，掃描速度2°/min，掃描區(qū)域5°～40°，連續(xù)掃描。

1.2.4 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察

將原淀粉、HST、STn樣品置于105 ℃的烘箱中干燥4 h，在粘有導(dǎo)電膠的載物臺(tái)上鋪灑樣品，在真空下進(jìn)行噴金處理，測(cè)試電壓為15 kV，使用Nova Nano SEM450 掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)樣品顆粒進(jìn)行形貌觀察拍照。

1.2.5 相對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定

STn 相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定按照Ye 和Yang 的方法[19-20]，采用凝膠滲透色譜法（GPC），并略做修改。分別將STn 樣品粉末溶于含（0.5%）溴化鋰（LiBr）的（99.5%）二甲基亞砜（DMSO）溶液中配制成5 g/L 的混合溶液，在70 ℃條件下持續(xù)攪拌2 h 至淀粉溶解后，冷卻至室溫。樣品溶液通過0.45 m 的聚四氟乙烯（PTFE）膜過濾，然后注入配備有RID-20 折射率(RI) 檢測(cè)器的Shimadzu CTO-20A 高效液相色譜儀器中(色譜柱：WAT044205、WAT054494 色譜柱，兩柱串聯(lián))。洗脫液由含有（0.5%）LiBr 的（99.5%）DMSO 溶液組成，流速0.6 mL/min，柱溫維持在40℃。利用折射率(RI)檢測(cè)樣品的相對(duì)分子質(zhì)量分布。并事先采用已知不同相對(duì)分子質(zhì)量的普魯蘭和葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行校準(zhǔn)，通過千譜hw2000（GPC 版）軟件計(jì)算得到Mn、Mw及分散系數(shù)DM。

2 結(jié)果與討論

2.1 POM 分析

用偏光顯微鏡觀察不同用時(shí)的NaOH 預(yù)處理和水熱糊化預(yù)處理過程中馬鈴薯淀粉晶體結(jié)構(gòu)的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同預(yù)處理時(shí)間的POM 圖(a)馬鈴薯淀粉、(b)ST5、(c)ST10、(d)HSTFig.1 POM images of different pretreatment time(a)Potato starch、(b)ST5、(c)ST10、(d)HST

由圖1 可見，原馬鈴薯淀粉圖1（a）的“馬耳他”十字十分顯著，十字較為對(duì)稱。圖1(b)和(c)中，用NaOH 預(yù)處理后，馬鈴薯淀粉的“馬耳他”十字逐漸減弱，直至完全變暗。表明在NaOH 的作用下，粉顆粒結(jié)構(gòu)逐漸被瓦解，當(dāng)NaOH 預(yù)處理時(shí)間為10 min時(shí)，“馬耳他”十字完全消失，說明淀粉溶液被均相化。而圖1（d）中，80 ℃水熱預(yù)處理10 min 后仍出現(xiàn)較為密集的“馬耳他”十字，說明淀粉顆粒被破壞的不完全。由此表明，在本實(shí)驗(yàn)條件下，NaOH 溶液溶解馬鈴薯淀粉較水熱糊化更有效。

2.2 XRD 分析

圖2 為馬鈴薯淀粉(a)、HST(b)和STn(c)-(g)的XRD 譜圖。原淀粉由尖峰衍射特征區(qū)域和彌散峰衍射區(qū)域組成，在衍射角2θ 為5.5°、17.2°、22.2°和23.9°處有明顯的尖峰衍射特征峰，屬于典型的“B”型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，表明原淀粉是由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)交替構(gòu)成的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)[21]。HST 在衍射角2θ 為16.8°和19.6°處仍存在尖峰衍射特征峰，表明水熱糊化法對(duì)淀粉的晶體結(jié)構(gòu)破壞不完全。在STn的X射線衍射圖譜中沒有出現(xiàn)尖銳的衍射特征峰，證明利用NaOH 溶液預(yù)處理淀粉更能有效破壞淀粉內(nèi)結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

圖2 不同預(yù)處理時(shí)間的XRD 圖(a)馬鈴薯、(b)HST、(c)ST5、(d)ST10、(e)ST20、(f)ST30、(g)ST40Fig.2 XRD spectra of different pretreatment time(a)Potato starch、(b)HST、(c)ST5、(d)ST10、(e)ST20、(f)ST30、(g)ST40

ST5在衍射角2θ 為12.9°、19.9°處出現(xiàn)彌散特征峰，表明ST5呈現(xiàn)出類似的“V”型結(jié)構(gòu)，原因可能是淀粉經(jīng)過NaOH 溶液處理后雙螺旋結(jié)構(gòu)解離變成單螺旋[22]，對(duì)淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞不夠。ST10-40 的X- 射線衍射圖中僅呈現(xiàn)出一個(gè)大的彌散特征峰，表明隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，NaOH對(duì)淀粉氫鍵和結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞程度增大。在用乙醇沉淀淀粉的過程中，淀粉分子與乙醇形成了螺旋復(fù)合物（V 型復(fù)合物）[23]，淀粉的結(jié)晶消失，結(jié)構(gòu)趨于微觀聚集態(tài)的無序化。

2.3 SEM 分析

圖3 為馬鈴薯淀粉(a)、HST(b)和STn(c)-(g)的SEM 譜圖。圖3(a)中原淀粉顆粒表面光滑，呈圓形或橢圓形。圖3(b)中HST 呈現(xiàn)出無定型塊狀結(jié)構(gòu)，并相互粘結(jié)，原因可能是淀粉溶液干燥過程中自聚，淀粉中部分氫鍵重新形成并有序排列[24]，出現(xiàn)結(jié)晶自修復(fù)（16.8°處）。

圖3 不同預(yù)處理時(shí)間的SEM 圖(a)馬鈴薯、(b)HST、(c)ST5、(d)ST10、(e)ST20、(f)ST30、(g)ST40Fig.3 SEM images of different pretreatment time(a)Potato starch、(b)HST、(c)ST5、(d)ST10、(e)ST20、(f)ST30、(g)ST40

圖3(c)～(g)中馬鈴薯淀粉顆粒形態(tài)被破壞，形成更大尺寸的無規(guī)粘結(jié)體。表面出現(xiàn)大量孔洞凝膠化現(xiàn)象，這說明原淀粉在經(jīng)過NaOH 溶液預(yù)處理過程中其分子間凝聚作用發(fā)生了顯著的變化。并且隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，STn的膠化結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象越明顯。原因是氫氧根離子（OH-）更容易被淀粉吸引，淀粉分子中羥基（-OH）的質(zhì)子被OH-電離而帶上負(fù)電荷，由于電荷之間的排斥作用，淀粉分子溶脹，原結(jié)構(gòu)徹底崩塌，HCl 中和過程中產(chǎn)生分子間作用改變，聚集態(tài)重構(gòu)趨于微觀聚集態(tài)的無序化。

2.4 相對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量分析

利用GPC 測(cè)定NaOH 溶液預(yù)處理后淀粉的相對(duì)分子質(zhì)量參數(shù)是證實(shí)淀粉在預(yù)處理過程中是否發(fā)生降解和降解程度的重要指標(biāo)。STn的凝膠滲透色譜圖如圖4 所示，GPC 譜圖中均含有一個(gè)肩峰(A峰)和兩個(gè)寬峰（B 峰和C 峰）。這三個(gè)峰分別代表著不同的相對(duì)分子質(zhì)量范圍，A、B 和C 峰分別對(duì)應(yīng)相對(duì)較高、中和較低的相對(duì)分子質(zhì)量。由圖4 可知，隨著預(yù)處理時(shí)間的增加，A 峰值逐漸下降，且位置不斷向右移動(dòng)。此外，B 和C 的峰值呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，表明較高相對(duì)分子質(zhì)量的淀粉分子鏈被降解為較低相對(duì)分子質(zhì)量[25]。

圖4 不同預(yù)處理時(shí)間的CPC 圖Fig. 4 GPC curves of different pretreatment time

STn的重均相對(duì)分子質(zhì)量（Mw）、數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量（Mn）和相對(duì)分子質(zhì)量分布寬度（DM）列于表1中。馬鈴薯淀粉經(jīng)過NaOH 處理后Mw從123.44×104（ST5）減少到96.68×104（ST40），Mn從14.64×104（ST5）減少到9.61×104（ST40），同時(shí)DM 值增加，而通過GPC 的測(cè)定知馬鈴薯淀粉的重均相對(duì)分子質(zhì)量為129.48×104。表明NaOH 溶液對(duì)淀粉進(jìn)行預(yù)處理的過程中，淀粉的形態(tài)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)在靜電作用下被破壞的同時(shí)，也促進(jìn)了淀粉分子微觀結(jié)構(gòu)和分子鏈的解聚和分散，導(dǎo)致了淀粉分子的降解。并且隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，低相對(duì)分子質(zhì)量的淀粉鏈段增加，淀粉分子的降解程度增大，因此NaOH 溶液預(yù)處理的時(shí)間不宜過長(zhǎng)。故為了增強(qiáng)預(yù)處理過程中淀粉的溶解度并控制淀粉分子的降解，最佳的預(yù)處理時(shí)間為10 min。

表1 不同預(yù)處理時(shí)間下淀粉的相對(duì)分子質(zhì)量參數(shù)Tab. 1 Molecular weight parameters of STn obtained at different pretreatment time

綜上，推測(cè)NaOH 溶液在淀粉預(yù)處理過程中的可能作用機(jī)理如圖5 所示：NaOH 預(yù)處理過程中，當(dāng)?shù)矸叟c高濃度的NaOH 接觸時(shí)，OH-容易被淀粉吸引，淀粉分子中羥基的質(zhì)子被電離而帶上負(fù)電荷，在帶負(fù)電荷淀粉分子的靜電排斥作用下淀粉分子開始溶脹，當(dāng)溶脹程度進(jìn)一步增大時(shí)，淀粉分子間和分子內(nèi)氫鍵被破壞，雙螺旋結(jié)構(gòu)斷裂，半結(jié)晶結(jié)構(gòu)崩塌，聚集態(tài)重構(gòu)趨于微觀聚集態(tài)的無序化，無法顯示出結(jié)晶結(jié)構(gòu)，淀粉表面呈現(xiàn)大量凹陷和孔洞使其溶解度增加[26-27]。

圖5 NaOH 溶液預(yù)處理淀粉過程中的作用機(jī)理圖Fig.5 Action mechanism of the NaOH pretreatment on starch

3 結(jié)論

通過POM 觀察表明，當(dāng)NaOH 預(yù)處理時(shí)間達(dá)10 min 后，“馬耳他”十字完全消失，淀粉溶液被均相化，淀粉完全溶解；通過XRD、SEM 分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)NaOH 溶液預(yù)處理過后，馬鈴薯淀粉的晶型結(jié)構(gòu)和微觀形貌發(fā)生較大改變：STn的結(jié)晶結(jié)構(gòu)由“B”型結(jié)晶變?yōu)椤癡”型，馬鈴薯淀粉顆粒形態(tài)被破壞，表面出現(xiàn)大量孔洞凝膠化現(xiàn)象；GPC 結(jié)果顯示，隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，原淀粉的Mw從原淀粉的129.48×104g/mol 減少到ST4的96.68×104g/mol，故預(yù)處理時(shí)間為10 min 時(shí)可達(dá)最佳效果，此時(shí)淀粉的微觀結(jié)構(gòu)被有效破壞，溶解度最大，降解程度較小。NaOH溶液對(duì)淀粉的預(yù)處理工藝可以彌補(bǔ)水熱糊化預(yù)處理淀粉易回生的不足，改善變性淀粉制備過程中低效、耗能等缺點(diǎn)，降低變性淀粉的生產(chǎn)成本。該方法有望為淀粉的改性前驅(qū)體制備提供理論指導(dǎo)。