劉曉庚 陳梅梅 趙志毅 高 梅 彭冬梅 張雅坤

（南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，南京 210046）

（江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，南京 210046）

（南京財(cái)經(jīng)大學(xué)圖書館3，南京 210046）

淀粉是目前應(yīng)用較廣且儲藏量最大的可食性碳水化合物，也是最重要的工業(yè)原料。淀粉的改性研究是淀粉深加工的重要方向。而雙醛淀粉（dialdehyde starch，DAS）是含大量有效活性醛基的氧化變性淀粉，被譽(yù)為最具潛力和發(fā)展前途的生物基產(chǎn)品［1］，最近俞丹密等［2］將雙醛淀粉制備納米尺度用于藥物載體的試驗(yàn)表明所制備的DAS納米顆粒熱穩(wěn)定性更好、顆粒細(xì)而均勻、生物毒性低，對藥物具有緩釋作用，并能提高藥效；DAS也是良好的鞣革劑，常用作鉻鞣液的蒙囿劑［3］；另外，DAS有吸附氮的作用，能減輕尿毒癥者病情，DAS不能分解，可用作糖尿病患者的低糖品［4］。本課題組在擬均相兩段法的氧化法制備DAS工藝試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上［5］，為進(jìn)一步降低成本、改進(jìn)和優(yōu)化制備方法與工藝，又試驗(yàn)了以橡子淀粉為原料的微乳化擬均相低溫氧化法制備DAS的新工藝，以期達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 材料和方法

1．1 試驗(yàn)材料

以采自南京紫金山風(fēng)景區(qū)當(dāng)年產(chǎn)成熟的無病害新鮮橡子果實(shí)為試驗(yàn)原料。中性蛋白酶：上海藍(lán)季科技有限公司、α－淀粉酶：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；試高碘酸鈉、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮K－30、十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基三甲基溴化銨、十二烷基硫酸鈉、十二烷基磺酸鈉、甲醇、乙醇、丁醇和硫酸等化學(xué)試劑均為分析純，試驗(yàn)用水為蒸餾水。

HH－4恒溫水浴鍋：國華電器有限公司；ZL－82A型真空干燥箱：上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司；KQ2200DB型數(shù)控超聲器：昆山市超聲儀器有限公司；UV－8000A雙光束紫外可見分光光度計(jì)：上海元析儀器有限公司；Nicolet 5700 FT紅外光譜儀：美國Thermo Electron Corporation；DMS－756TR型一體化數(shù)碼液晶偏光顯微鏡：深圳市博宇儀器有限公司；BS224S電子分析天平：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；C2021型九陽料理機(jī)：九陽股份有限公司；反應(yīng)裝置按文獻(xiàn)［6］自制。

1．2 試驗(yàn)方法

1．2．1 橡子淀粉的制備

1．2．1．1 橡子的預(yù)處理

將采摘的橡子先進(jìn)行挑選，去除蟲害果、蒂梗和泥土等雜質(zhì)后，將其用冷水浸泡3～4 d，棄去浮于水面的空癟橡子。并水洗至潔凈后裝盤于鼓風(fēng)干燥箱中85℃干燥3～4 h，取出冷卻后脫除外殼和種子的外皮（留作他用），種仁置于0．2%亞硫酸鈉溶液浸漬30 min后瀝干，并及時裝袋密封于－5℃冷柜中保鮮貯藏備用。

1．2．1．2 橡子淀粉的實(shí)驗(yàn)室制備方法

將種仁按其質(zhì)量∶水體積∶0．2%Na2SO3溶液體積＝10∶10∶1的比例于35～40℃的容器中浸漬120～160 h（每隔2～3 d換1次浸漬液），取出種仁水洗至無Na2SO3殘留（用BaCl2檢驗(yàn)）后瀝干，用搗碎機(jī)破碎成3～5 mm顆粒，再用磨漿機(jī)磨成細(xì)粉，過120目篩選機(jī)得精漿，再精磨成淀粉乳，用脫水機(jī)將淀粉乳脫至無滴水，再進(jìn)行水洗脫水至洗滌液澄清，最后于真空下干燥、粉碎、過篩，即得淺乳白色粉末狀橡子淀粉，裝袋密封貯藏備用。經(jīng)重鉻酸鉀氧化法［6］測得其淀粉含量98．63%。

1．2．2 雙醛淀粉的制備

取一定量淀粉放入準(zhǔn)備好的蒸餾水，在攪拌下加入一定量α－淀粉酶，于50～60℃水浴振蕩器中恒溫一段時間使其成乳液，再加入一定量的表面活性劑，在乳化機(jī)攪拌下通入氮?dú)馀懦龇磻?yīng)器中的空氣恒溫，再乳化10～20 min，冷卻，即得微乳態(tài)擬均相體系淀粉，然后于超聲儀中一定溫度下超聲活化一定時間；將50．0 mL一定濃度NaIO4置于按文獻(xiàn)［7］搭裝的反應(yīng)器中，攪拌下加0．1 mol／L H2SO4調(diào)節(jié)溶液pH值，然后將配制好的淀粉乳液連續(xù)滴加到反應(yīng)器中，在一定的溫度下反應(yīng)；待反應(yīng)結(jié)束后，將混合物抽濾，濾餅用水反復(fù)洗滌至無IO3－離子（用AgNO3檢測），再用丙酮洗凈，以防干燥后結(jié)塊；真空干燥至恒重，得白色或淺黃色雙醛淀粉，取樣分析雙醛淀粉含量。濾液和洗液合并送去電解裝置，氧化回收IO4－。以產(chǎn)物中雙醛淀粉含量為考察目標(biāo)，考察各因素對制備過程的影響。

1．2．3 雙醛淀粉質(zhì)量的檢測方法

1．2．3．1 IR和 UV光譜的測定

用KBr壓片法于Nicolet 5700 FT紅外光譜儀上分別測得原淀粉和2種自制DAS的IR譜圖。用20℃下的原淀粉和自制DAS飽和水溶液于UV－8000A上測得其UV光譜圖（以蒸餾水為空白）。

1．2．3．2 雙醛淀粉中醛基的測定

雙醛淀粉中醛基的測定采用文獻(xiàn)［8］的“堿消耗法”測定。

1．2．3．3 碘酸和高碘酸的測定

HIO4與淀粉反應(yīng)后，其產(chǎn)物中碘酸和高碘酸含量，用依次滴定法進(jìn)行分析測定［9］。

1．2．3．4 偏光顯微的測定

原料和試驗(yàn)制品DAS的偏光性用偏光顯微鏡觀測。

1．2．3．5 其他指標(biāo)的測定

旋光性用WZZ－2B型自動旋光儀測定，pH值用PHS－3C酸度計(jì)測定，黏度用NDJ－79型旋轉(zhuǎn)黏度儀測定，與I2的反應(yīng)性、糊化度和外觀的測定按文獻(xiàn)張友松［10］和張力田［11］的方法進(jìn)行，溶脹度、溶解性分別按文獻(xiàn) GB／T 14797．3—2008［12］、中華人民共和國藥典2010年版二部［13］的方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2．1 預(yù)處理階段

2．1．1 橡子淀粉的粒度和純度

橡子淀粉的粒度過大會使活化困難，甚至不活化；另外，粒度過大還會使橡子淀粉中特有的多酚等還原性物質(zhì)難以除盡，造成后續(xù)的氧化不能正常進(jìn)行。但是粒度過細(xì)又易使活化造成糊化和生成物黏性大易結(jié)塊，而使分離和洗滌都十分困難，還導(dǎo)致產(chǎn)率極低。因此，粒度以180目～260目為宜。

由于橡子淀粉中易存有多酚類等還原性物質(zhì)，而用作DAS的原料絕不允許含此類物質(zhì)，因此，要求原料淀粉純度高（一般要求淀粉含量wt≥97%），特別是不能含有多酚類等還原性物質(zhì)。

2．1．2 淀粉預(yù)處理溫度的選擇

預(yù)處理是為了使淀粉盡可能均一地分散于反應(yīng)體系中，以加速反應(yīng)和提高產(chǎn)率。因此，在其他條件固定，考察了預(yù)處理溫度分別為 40、45、50、55、60、65和70℃下制備DAS，得到的試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可知，當(dāng)預(yù)處理溫度達(dá)到65℃及以上時，淀粉會糊化。糊化雖對反應(yīng)體系均一性和與NaIO4的氧化反應(yīng)有利，但是由于形成糊狀物使反應(yīng)產(chǎn)物形成膠狀體物質(zhì)導(dǎo)致過濾分離洗滌都十分困難，無法得到正常產(chǎn)品。因此，必須將預(yù)處理溫度控制在65℃以下，以50～60℃為宜。這與前文的綠豆淀粉為原料制備DAS的結(jié)果相一致［5］。

圖1 預(yù)處理溫度對DAS醛基含量的影響

2．1．3 微乳劑的選擇與分析

微乳化的目的就是為了使處于固相中淀粉能夠很好地與處于水相中的氧化劑充分接觸提高反應(yīng)效率。根據(jù)制備DAS體系的特點(diǎn)和反應(yīng)機(jī)理可知，應(yīng)該選擇的乳化劑和助乳化劑是親水性的（HLB值10～18）、適合低溫（40～60℃）下反應(yīng)和具有相轉(zhuǎn)移作用的品種。對幾種不同類型表面活性劑的試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知陽離子型和非離子型表面活性劑的乳化效果要優(yōu)于陰離子型乳化劑。另外，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)一種非離子表面活性劑和陽離子型表面活性劑十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）混合使用，再加上適量懸浮劑，可與淀粉生成粒度復(fù)合力度極強(qiáng)的超細(xì)復(fù)合體。這保證了淀粉在微乳體系有充分的高度分散效果。采用非離子表面活性劑、DTAB／正丁醇／水為微乳化體系，所制得DAS的醛基含量可達(dá)97%以上，較無微乳化下高出5%以上。原因是在該微乳體系，助乳化劑正丁醇的加入，使油／水界面張力迅速降低，甚至瞬時達(dá)負(fù)界面張力。但負(fù)界面張力是不存在的，所以體系將自發(fā)擴(kuò)大界面，表面活性劑和助表面活性劑吸附在油／水界面上，直至界面張力恢復(fù)為零或微小的正值，這種瞬時產(chǎn)生的負(fù)界面張力使體系形成了微乳液，且微乳體系有自發(fā)對抗微乳液滴的聚結(jié)、保持高度分散性能［14］。淀粉在增溶的水核內(nèi)，NaIO4和H2SO4以水溶液形式與前者混合，水相內(nèi)NaIO4和H2SO4能順利穿過微乳液界面膜進(jìn)入水核內(nèi)與淀粉充分作用，淀粉分子中葡萄糖單體的C2和C3碳原子上的羥基就選擇性地被IO4－氧化成醛基使環(huán)形分子開裂，從而有利于得到DAS。試驗(yàn)得到的最適宜微乳化體系為：非離子表面活性劑（聚乙烯吡咯烷酮K30）、DTAB／正丁醇／水的體系。

圖2 不同表面活性劑對DAS醛基含量的影響

2．1．4 微乳劑的用量

在其他條件固定下，對選定的乳化體系中進(jìn)行乳化原料不同配比的試驗(yàn)。調(diào)整乳化液與淀粉及0．1 mol／L H2SO4、水的比例進(jìn)行制備 DAS試驗(yàn)，得到的結(jié)果見表1。

表1 微乳體系對DAS制備的影響

由表 1可知，乳化體系∶淀粉 ＝0．6∶10至0．7∶10時，乳化效果好、乳化體系穩(wěn)定，制得DAS的醛基含量高達(dá)95．2%～97．8%。

2．1．5 超聲活化的效果與分析

有研究表明活化過程能使淀粉結(jié)晶的晶態(tài)區(qū)向無定性區(qū)（玻璃化轉(zhuǎn)化）發(fā)生轉(zhuǎn)化的趨勢［15］，導(dǎo)致無定性區(qū)擴(kuò)大，而淀粉氧化主要發(fā)生在無定形區(qū)。因此，活化增加了淀粉氧化反應(yīng)的活性，有利于提高制備效率。譚義秋等［16］用機(jī)械活化擬均相法制備DAS的醛基含量由58．2%提高到95．4%，可見活化的效果顯著。但由于機(jī)械活化需要特殊的裝置，且條件較苛刻。為此在前期研究的基礎(chǔ)上［5］，利用超聲波活化既有空化的作用［17］，又有機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)的功效［18］，這均能使得淀粉分子的反應(yīng)位點(diǎn)增加、反應(yīng)位點(diǎn)被活化或激活，從而提高其反應(yīng)效能。試驗(yàn)結(jié)果表明超聲活化對提高產(chǎn)物DAS中的醛基含量有明顯促進(jìn)作用［5］。為進(jìn)一步確定工藝條件而采用四因素三水平的L9（34）正交試驗(yàn)來優(yōu)化超聲活化工藝參數(shù)，其因素水平見表2，正交試驗(yàn)結(jié)果和分析見表3和表4。

表2 L（34）正交試驗(yàn)因素水平

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)的方差分析［19］

由表3和表4可以看出，采用極差法和方差法分析各因素對產(chǎn)物雙醛含量的影響大小為A＞B＞D＞C，即超聲活化溫度＞超聲功率＞超聲活化時間＞超聲頻率，可見超聲活化溫度對DAS制備的影響最大，超聲頻率的影響最??；除超聲活化溫度屬顯著性影響因素外，其他3個被考察的因素均屬不顯著性的影響因素。另外，得到該試驗(yàn)的優(yōu)組合為：超聲活化溫度50℃、超聲活化時間45 min、超聲功率40W、超聲頻率40 kHz。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論［20］推算優(yōu)組合下的公式Y(jié)優(yōu)＝Y(jié)平均＋w1，優(yōu)＋w2，優(yōu)＋w3，優(yōu)＋w4，優(yōu)，得理論上的最優(yōu)條件下的醛基含量為：Y優(yōu)＝98．39%。

在所得的最佳條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到平行試驗(yàn)結(jié)果的醛基含量分別為98．51%、98．38%和98．56%，平均為98．48%；與理論值 98．39%十分吻合。這表明試驗(yàn)結(jié)果是可靠的、試驗(yàn)設(shè)計(jì)是科學(xué)合理的。

2．2 氧化階段

按文獻(xiàn)［5］的方法對用高碘酸鹽的氧化階段的試驗(yàn)，其結(jié)果是反應(yīng)溫度45℃、反應(yīng)時間3 h、pH 3．5～4、n（NaIO4）∶n（淀粉）＝0．8∶1．0下制備的DAS醛基含量最高達(dá)到98．56%。這與前文用綠豆淀粉制備DAS的結(jié)果［5］相比，本試驗(yàn)的反應(yīng)溫度略高、反應(yīng)時間稍有延長、酸度略有降低和高碘酸鈉用量比例顯著減少，但DAS制品中醛基含量略有增加。這是由于原料中淀粉的組成和結(jié)構(gòu)等存在顯著差異的緣故。

2．3 DAS產(chǎn)品質(zhì)量的檢測結(jié)果與分析

2．3．1 光譜測定

用偏光顯微鏡對用橡子制得的淀粉和DAS的測定結(jié)果見圖3所示。從圖3可知，橡子淀粉反應(yīng)后淀粉固有的偏光十字現(xiàn)象消失，而且所得的DAS顆粒更加細(xì)膩均勻。這與張友松［10］、張力田［11］等研究相一致。所以，所制得的確是DAS。

圖3 橡子淀粉與橡子雙醛淀粉的偏聽偏光顯微照片（放大倍數(shù)×60）

從UV吸收光譜試驗(yàn)結(jié)果（圖4）表明：①橡子淀粉與DAS的圖譜在同一波長下DAS的吸收明顯較原淀粉大，原因是DAS在冷水中的溶解度遠(yuǎn)大于原淀粉。②橡子淀粉與DAS的UV吸收光譜最大區(qū)別是在波長550～600 nm，淀粉呈凹形吸收谷且在585 nm處吸收最小，而DAS則呈凸形吸收峰且在585 nm處吸收最大。這一結(jié)果與來國莉等［21］的報道相一致。這進(jìn)一步說明產(chǎn)品中是DAS。

表5 DAS品質(zhì)質(zhì)量的檢測結(jié)果

由圖5中的IR光譜可知，由于淀粉被氧化后，在淀粉糖環(huán)上的C2、C3處形成了雙醛，所以DAS中除了保留在3 415 cm－1處－OH伸縮振動寬強(qiáng)吸收峰、2 936 cm－1處出現(xiàn)的明顯的飽和烴C－H伸縮振動吸收峰及990～1 160 cm－1處的C－O伸縮振動吸收帶等淀粉特征峰外，還在1 722 cm－1處出現(xiàn)了醛基的vC＝O特征吸收峰，而在 1 160 cm－1處羥基的vC－O吸收峰都減弱。

圖4 DAS產(chǎn)品和橡子淀粉的UV吸收光譜比較

圖5 橡子淀粉和自制雙醛淀粉的紅外光譜圖

2．3．2 DAS的質(zhì)量檢測

按2．4．4的測定方法測得的DAS相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)見表5。從表5可知，所得的DAS產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)與文獻(xiàn)報道值是相符的，同時還可以看出DAS的性能與原料淀粉發(fā)生了巨大變化，這從一個側(cè)面進(jìn)一步說明所制得的確實(shí)是DAS。另外，在微乳化作用下所制備的DAS產(chǎn)品外觀的顏色更淺而均勻，而且產(chǎn)品顆粒也更細(xì)膩、流動性更好些。

3 結(jié)論

利用微乳化有顯著降低表面能、提高增溶作用、增加濕潤性、改善黏性等功效促使淀粉高度均勻分散而提高淀粉氧化制備DAS的效果是明顯的；超聲活化對淀粉氧化制備DAS有顯著促進(jìn)作用，同時微乳化和超聲活化在DAS制備的同一體系中有協(xié)同作用。采用該協(xié)同作用的微乳態(tài)超聲活化擬均相低溫氧化法制備DAS的醛基含量高達(dá)98．56%，產(chǎn)率也有所提高，且DAS的品質(zhì)質(zhì)量好。

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