王　麗，秦利娟，宋賢良，葉盛英（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州510642）

不同壓力預(yù)處理對小麥醋酸酯淀粉制備的影響及產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

王麗，秦利娟，宋賢良，葉盛英
（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州510642）

為探究不同預(yù)處理壓力對淀粉酯化反應(yīng)的影響效果，將小麥淀粉乳（40%）分別在0、20、40、60和80 MPa下處理后以醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)。通過傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），偏光顯微鏡（PLM），X射線衍射（XRD）和掃描電鏡（SEM）對小麥醋酸酯淀粉進(jìn)行形貌和結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明：經(jīng)過醋酸酐作用后，淀粉分子中引入酯羰基。高壓均質(zhì)預(yù)處理使小麥淀粉酯化程度顯著提高，與未均質(zhì)處理相比，取代度增幅達(dá)47.70%。醋酸酯淀粉在40 MPa下取得最大取代度0.096。偏光十字圖顯示隨著壓力增大，淀粉顆粒臍點處發(fā)生爆裂且裂縫沿臍點向外擴大。當(dāng)均質(zhì)壓力達(dá)到80 MPa時，部分淀粉顆粒的雙折射現(xiàn)象幾乎消失。高壓均質(zhì)和低酯化反應(yīng)都未改變小麥淀粉的A晶型，但壓力迫使淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞。醋酸酯淀粉保持了原小麥淀粉顆粒形貌，但在20 MPa下的淀粉顆粒出現(xiàn)剪切微變形和機械折疊。在80 MPa下，淀粉顆粒表面出現(xiàn)嚴(yán)重的機械損傷和斷裂，一些大顆粒淀粉瓦解且相互之間有粘連，是取代度降低的原因之一。

醋酸酯淀粉，高壓均質(zhì)，結(jié)構(gòu)，形貌

淀粉是自然界中來源廣泛，資源豐富，價格低廉的第二大天然高分子物質(zhì)［1］。通過化學(xué)法制備的酯化淀粉極大拓展了淀粉的應(yīng)用空間，包括醋酸酯淀粉［2］、辛烯基琥珀酸淀粉酯［3］、無機酸淀粉酯和其他類型脂肪酸淀粉酯［4］等。而醋酸酯淀粉是食品行業(yè)中使用最為普遍的變性淀粉。目前，研究者們通過不同的預(yù)處理方法合成醋酸酯淀粉，主要有酸預(yù)處理［5］、氧化預(yù)處理［6］和交聯(lián)預(yù)處理［7］等。與這些預(yù)處理方法不同，高壓均質(zhì)預(yù)處理是一種非熱處理而使淀粉乳中淀粉顆粒發(fā)生糊化的物理方法。超高壓技術(shù)對淀粉的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：高壓均質(zhì)機產(chǎn)生強烈的機械剪切、撞擊、空穴和湍流蝸旋作用可促使淀粉顆粒破碎，淀粉形貌、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也相應(yīng)改變。一般認(rèn)為，高壓均質(zhì)產(chǎn)生的物理機械力可使淀粉顆粒破碎，釋放出結(jié)構(gòu)相對簡單的直鏈淀粉；另一方面，這些機械力還會促使反應(yīng)相中的反應(yīng)物彼此混合均勻，提高淀粉有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)效率。例如，孟爽等［8-9］應(yīng)用超高壓技術(shù)制備了相對高復(fù)合率的玉米淀粉-硬脂酸復(fù)合物和玉米淀粉-棕櫚酸復(fù)合物。此外，高壓均質(zhì)作用對淀粉其他方面性質(zhì)的影響也吸引了眾多研究者們的注意。邱爽等［10］探討了高壓均質(zhì)作用對小麥淀粉熱力學(xué)和導(dǎo)電性能的影響，表明不同壓強處理的淀粉電導(dǎo)率/溫度曲線斜率與損傷淀粉含量之間有良好的線性相關(guān)性。Bao Wang等［11］研究了高壓均質(zhì)處理對玉米淀粉結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)的影響，證明玉米淀粉糊化溫度會隨均質(zhì)壓力增加而下降，部分淀粉顆粒在較高壓力作用下發(fā)生糊化，結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失等。

就目前而言，關(guān)于醋酸酯淀粉的研究已相對成熟，高壓均質(zhì)作用對淀粉的影響研究也日益增多。然而，將高壓均質(zhì)技術(shù)運用在醋酸酯淀粉的合成中還未見報道，高壓均質(zhì)預(yù)處理對醋酸酯淀粉的制備產(chǎn)生的影響也就不得而知。高壓均質(zhì)預(yù)處理小麥醋酸酯淀粉的制備及結(jié)構(gòu)表征更是無人探究。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文選用小麥淀粉原料，探究高壓均質(zhì)預(yù)處理對小麥醋酸酯的制備及結(jié)構(gòu)形貌、結(jié)構(gòu)的影響作用，旨在探索醋酸酯淀粉制備的新途徑，并為小麥變性淀粉的研究及工業(yè)應(yīng)用提供充實廣闊的理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

小麥淀粉購于廣州市卜蜂蓮花商場；醋酸酐、95%乙醇、無水乙醇、鹽酸、氫氧化鈉等均為分析純。

HJ-4多頭磁力加熱攪拌器國華儀器有限公司；AH100D高壓均質(zhì)機ATS Engineering Inc；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋常州澳華儀器有限公司；SHZ-D循環(huán)水式真空泵鞏義市予華儀器有限公司；101-1A電熱鼓風(fēng)干燥箱天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1不同壓力預(yù)處理下小麥醋酸酯淀粉的制備準(zhǔn)確稱取40.000 g小麥淀粉于250 mL燒杯中，加入60 mL蒸餾水并磁力攪拌15 min，配制成濃度為40%的淀粉乳。采用高壓均質(zhì)機分別在0、20、40、60和80 MPa下對淀粉乳處理30 s后，向不同壓力處理后的淀粉乳中分別逐滴加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的醋酸酐（以淀粉干基質(zhì)量計）。然后將其置于35℃恒溫水浴鍋中并不斷機械攪拌反應(yīng)90 min。反應(yīng)過程中滴加0.5 mol/L NaOH溶液使體系pH維持在8.0～8.4。反應(yīng)結(jié)束后，用鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH至4.5～6.5，然后通過循環(huán)水式真空泵抽濾產(chǎn)物并用蒸餾水洗滌5至6次。之后在50℃下鼓風(fēng)干燥10 h，再用瑪瑙研缽研碎大塊粉體并過80目篩后得到小麥醋酸酯淀粉。

1.2.2取代度的測定參考文獻(xiàn)［12］中的方法測定淀粉取代度。準(zhǔn)確稱取2 g絕干醋酸酯淀粉于250 mL錐形瓶中并加20 mL蒸餾水，充分搖勻后，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至微紅色終點（酚酞作指示劑）。然后滴加0.5 mol/L NaOH溶液10 mL到錐形瓶中并持續(xù)攪拌60 min。皂化結(jié)束后用0.5 mol/L鹽酸溶液滴定溶液至紅色消失，記錄所用0.5 mol/L鹽酸溶液體積為V1（mL）；以小麥原淀粉作空白實驗，所用0.5 mol/L鹽酸溶液體積為V2（mL）。

乙?；|(zhì)量分?jǐn)?shù)：WAC（%）=（V2-V1）×c×0.043× 100/m

取代度：DS=162×WAC/（4300-42×WAC）

式中：c為鹽酸溶液的濃度（mol/L），m為樣品質(zhì)量（g）。

1.2.3紅外光譜分析分別稱取1 mg樣品和150 mg KBr，使用瑪瑙研缽將其研磨成均勻粉末后制成透明薄片，放入樣品架上，置于紅外光譜儀內(nèi)進(jìn)行全波段掃描。

1.2.4掃描電鏡測定將樣品用導(dǎo)電雙面膠固定在金屬樣品中上，用離子濺射儀對樣品進(jìn)行真空噴金后，將樣品置于掃描電子顯微鏡中，加速電壓40 kV，觀察并拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌。

1.2.5偏光顯微鏡測試取少量淀粉置于載玻片上，滴一滴水分散并蓋上蓋玻片，將其放入顯微鏡樣品臺，觀察并拍攝淀粉顆粒形貌及偏光十字。

1.2.6X-射線衍射分析將絕干淀粉樣品放入帶有凹槽的玻璃板上，填滿并壓實凹槽且要保證樣品與整個玻璃板水平。采用步進(jìn)掃描法對樣品進(jìn)行掃描測定得到X-射線衍射圖譜。操作條件為：2θ=40～600，步長0.020，掃描速率120/min，積分時間2 s，銅靶，石墨單色器，管流管壓為40 mA、40 kV。

1.2.7數(shù)據(jù)分析處理實驗數(shù)據(jù)均為重復(fù)3次的結(jié)果，采用Origin 8.0作圖并用SPSS進(jìn)行差異顯著性分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同預(yù)處理壓力的小麥醋酸酯淀粉的取代度測定

2.1.1小麥酯化淀粉取代度的測定對不同預(yù)處理壓力下所得小麥酯化淀粉的取代度進(jìn)行測定，得到如表1所示結(jié)果。

表1　不同預(yù)處理壓力下小麥酯化淀粉的取代度Table 1　The degree of substitution of wheat starch acetates under different pressure

2.1.2差異顯著性分析利用SPSS 19.0軟件對不同壓力因素進(jìn)行方差分析（結(jié)果如表2），由表2可知，壓力對取代度的影響差異顯著（p＜0.05），說明不同預(yù)處理壓力對酯化淀粉的取代度有較明顯的作用。

表2　方差分析結(jié)果Table 2　Variance analysis results

利用高壓均質(zhì)機工作時產(chǎn)生的機械力對小麥淀粉顆粒產(chǎn)生物理破碎作用，由表1知，與未經(jīng)壓力處理（即0 MPa下）相比，壓力預(yù)處理過的小麥醋酸酯淀粉取代度明顯提高。當(dāng)均質(zhì)壓力為40 MPa時，醋酸酯淀粉取得最大取代度0.096，與0 MPa下相比增幅達(dá)47.70%。這表明壓力預(yù)處理能顯著提高小麥淀粉的酯化程度。一方面，高壓均質(zhì)機產(chǎn)生的劇烈剪切力，撞擊力和空穴作用使吸水膨脹的小麥淀粉顆粒破碎，淀粉結(jié)構(gòu)變得脆弱。在酯化反應(yīng)時，醋酸酐分子能夠輕而易舉進(jìn)攻到淀粉分子內(nèi)部，酯化變得更加容易。另外，高壓均質(zhì)時產(chǎn)生的強烈高頻振蕩也會促使淀粉顆粒在淀粉乳中均勻分散，醋酸酐與淀粉顆粒的接觸更為充分。酯化反應(yīng)面積增大，取代度得到提升。當(dāng)壓力超過40 MPa時，小麥醋酸酯淀粉取代度有所下降。這可能是高壓作為一種能量供給水分子和淀粉分子，通過水合作用使淀粉糊化［1］。高壓均質(zhì)預(yù)處理的淀粉乳溫度升高，過高的溫度可使淀粉發(fā)生糊化，與酯化劑的作用力減弱。除此外，過高的壓力可能造成淀粉乳的乳化［3］。淀粉顆粒彼此粘連聚集在一起使得酯化面積減小。

2.2紅外光譜分析

如圖1所示小麥原淀粉紅外圖譜中，出現(xiàn)在3392 cm-1附近處寬而強的吸收峰是分子間氫鍵締合的O-H伸縮振動引起的，2930 cm-1附近較尖銳峰是-CH2-的不對稱伸縮振動特征吸收峰，1645 cm-1處的吸收峰為烯醇式的C-O振動吸收峰。與原淀粉相比，在壓力預(yù)處理（20和40 MPa下）過的小麥醋酸酯淀粉的譜圖上出現(xiàn)了兩個新的特征吸收峰，分別是1728～1729 cm-1處C=0的伸縮振動吸收峰和1248～1250 cm-1處C-O-C的伸縮振動吸收峰。這是-COCH3基團的特征峰，表明小麥醋酸酯淀粉的生成。高壓均質(zhì)機產(chǎn)生的一系列物理機械力促使更多的醋酸酐和淀粉中的-OH發(fā)生酯化反應(yīng)，淀粉中的-OH基團數(shù)目減少，對應(yīng)于3500～3200 cm-1，2930 cm-1以及1645 cm-1處吸收峰強度的減弱。

圖1　小麥原淀粉和醋酸酯淀粉顆粒的紅外波譜圖Fig.1　Infrared spectrogram of native wheat starch and acetylated starch granules

圖2　小麥原淀粉和醋酸酯淀粉顆粒的電鏡掃描圖（×5000）Fig.2　SEM images of native wheat starch and acetylated starch granules（×5000）

2.3顆粒形貌采用SEM觀察酯化反應(yīng)前后小麥淀粉顆粒形貌的變化，如圖2。小麥原淀粉顆粒呈現(xiàn)出圓形和橢圓形，粒徑不均一，且表面較為完整，與徐洋［6］的觀測結(jié)果一致。圖2（b，c，d）展示了不同壓力預(yù)處理對小麥醋酸酯淀粉制備的影響效果，由于吸水膨脹，淀粉顆粒較原淀粉粒徑有所增大。在20 MPa下的小麥酯化淀粉保持了小麥原淀粉的顆粒形貌，但此時的顆粒明顯出現(xiàn)了剪切微變形，這是高壓均質(zhì)機產(chǎn)生的剪切力和撞擊力的作用結(jié)果。高壓均質(zhì)處理對淀粉顆粒的影響還表現(xiàn)為淀粉損傷［9］。隨著壓力的升高，在40 MPa下部分顆粒出現(xiàn)斷裂損傷的塊片并產(chǎn)生了小顆粒淀粉，淀粉結(jié)構(gòu)變得疏松，這為酯化反應(yīng)提供了良好的必要條件。在較高壓力下，抗壓能力稍強的淀粉也抵御不了外在的機械破壞力，完整的淀粉結(jié)構(gòu)逐漸遭受嚴(yán)重破壞。圖3（d）顯示出在高均質(zhì)壓力80 MPa作用下，醋酸酯淀粉顆粒彼此粘連成一整片并未分散開。有效酯化反應(yīng)面積減小正是較高壓力預(yù)處理后小麥淀粉取代度下降的原因之一。這種情況在Bao Wang［11］的研究中也同樣出現(xiàn)。

2.4結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

圖3　小麥原淀粉和醋酸酯淀粉顆粒的偏光十字圖（×400）Fig.3　Polarization diagrams of native wheat starch and acetylated starch granules（×400）

淀粉具有獨特的雙折射特性，圖3（a）展示出的小麥原淀粉偏光十字完整明顯，（b）為僅40 MPa壓力處理30 s后所得淀粉，其中部分淀粉的雙折射現(xiàn)象出現(xiàn)模糊的一片。這說明高壓均質(zhì)處理產(chǎn)生的物理機械力已經(jīng)一定程度破壞淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。圖3（c，d 和e）為不同壓力對小麥醋酸酯淀粉的偏光十字影響效果。隨著壓力的增大，淀粉顆粒臍點處發(fā)生爆裂從而使“臍點變大”，且部分淀粉出現(xiàn)裂縫沿臍點向外擴大的現(xiàn)象。從圖3（d）可看出，當(dāng)壓力為80 MPa時部分淀粉的雙折射模糊且不完整。在高壓均質(zhì)預(yù)處理過程中，壓力作為一種強大的能量施加給淀粉分子，淀粉晶體結(jié)構(gòu)承受不住這種破壞便會“被迫”受損。在剪切力，撞擊力以及空穴作用下，淀粉顆粒受到活化，淀粉鏈間氫鍵斷裂，結(jié)晶結(jié)構(gòu)受到破壞。隨著壓力的增加，淀粉結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的差異性減弱，表現(xiàn)為淀粉雙折射現(xiàn)象就不再明顯。

2.5X-射線衍射

圖4　小麥原淀粉和醋酸酯淀粉顆粒的X-射線衍射圖Fig.4　X-ray diffraclion pattern of native wheat starch and acetylated starch granules

從偏光十字圖看出在高壓均質(zhì)預(yù)處理后，小麥醋酸酯淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)受到破壞，但淀粉的晶型是否改變還沒有定論，有必要對淀粉進(jìn)行如圖4所示的晶型分析。原淀粉和醋酸酯淀粉之間沒有峰位移動，也沒有新的衍射峰出現(xiàn)。醋酸酯淀粉在15°、17°、18°、23°四處皆有明顯的尖峰衍射，這表明其仍屬A型晶體結(jié)構(gòu)［9］。高壓均質(zhì)預(yù)處理沒有改變小麥淀粉晶型，與鐘秋平等［12］的研究結(jié)果相同。A型淀粉支鏈淀粉的支點不僅分布在無定形區(qū)，也分布在結(jié)晶區(qū)［5］，不容易被外在高壓均質(zhì)機產(chǎn)生的機械力破壞。另一個原因是均質(zhì)壓力不夠大，時間也不夠充裕，沒能徹底改變小麥淀粉晶型。不同淀粉晶?？箟耗芰Σ煌?，當(dāng)壓力增加時抗壓能力最強的晶體最后被破壞，表現(xiàn)為峰值強度隨壓力增加逐漸減弱。除此外，由于小麥醋酸酯淀粉的酯化程度較低，酯化劑對晶型的影響較小，這也是淀粉晶型沒有發(fā)生改變的原因之一。

3　結(jié)論

經(jīng)過醋酸酐作用后，淀粉分子中引入酯羰基。高壓均質(zhì)預(yù)處理使小麥淀粉酯化程度顯著提高，與未均質(zhì)處理相比，取代度增幅達(dá)47.70%。醋酸酯淀粉在40 MPa下取得最大取代度0.096。從偏光十字圖看，隨壓力增大，淀粉顆粒臍點處發(fā)生爆裂且裂縫沿臍點向外擴大。當(dāng)均質(zhì)壓力達(dá)到80 MPa時，部分淀粉顆粒的雙折射現(xiàn)象幾乎消失。高壓均質(zhì)和低酯化反應(yīng)都未改變小麥淀粉的A晶型，但高壓使淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞。醋酸酯淀粉保持了原小麥淀粉顆粒形貌，但在20 MPa下的淀粉顆粒出現(xiàn)剪切微變形和機械折疊。在80 MPa下，淀粉顆粒表面出現(xiàn)嚴(yán)重的機械損傷和斷裂。但一些大顆粒淀粉瓦解且相互之間有粘連導(dǎo)致酯化面積下降，是取代度降低的原因之一。

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Effect of different pressure treatment on preparation of wheat starch acetate and their structure characterization

WANG Li，QIN Li-juan，SONG Xian-liang，YE Sheng-ying
（Food College，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

Wheat starch suspensions（40%）were high-pressure-homogenized at increasing pressures of 0，20，40，60，80 MPa，followed by esterification with acetic oxide，respectively.Then，F(xiàn)TIR，PLM，XRD and SEM were carried out on wheat starch acetates morphology and structure analysis.The results indicated that ester carbonyl was introduced into starch molecules after esterification.High pressure improved esterification degree of wheat starch significantly，and DS increased by 47.70%when compared with unhighpressured starch.The highest substitution degree of 0.096 was achieved at 40 MPa.From polarization diagram，the umbilical point of starch particles burst and the crack expand outward from the umbilical point with the increasing pressure. Birefringence almost disappeared when it arrived at 80 MPa.A type crystal structure of wheat starch couldn’t be transformed by high-pressure homogenization and low esterification，however，the pressure tended to disrupt granule crystallinity structure.Starch acetate particle hold the samed morphology with native wheat starch，but microshear deformation and mechanical folding developed on starch granules of 20 MPa.Under the 80 MPa，starch granule surface appeared serious mechanical damage and crack，and some of the relatively large starch granular disintegrated even adhered with each other，which was one of reasons why the substitution reduced.

starch acetate；high pressure homogenization；structure；morphology

TS231

A

1002-0306（2016）04-0128-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.04.016

2015－09－10

王麗（1991-），女，在讀碩士研究生，主要從事食品加工方面的研究，E-mail：jingshuili0717@163.com。

宋賢良（1969-），男，博士，副教授，主要從事食品加工，農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏等方面的研究，E-mail：songxl2000@163.com。

國家自然科學(xué)基金資助項目（31371855）；廣州市科技項目（2014J4100150）。