陳 淵，楊家添，謝秋季,2，韋慶敏，蘇菲靜，梁宏翩，黃祖強(qiáng)*

木薯羧甲基淀粉的機(jī)械活化固相化學(xué)法制備、表征及其特性

陳 淵1，楊家添1，謝秋季1,2，韋慶敏1，蘇菲靜1，梁宏翩1，黃祖強(qiáng)2,*

（1.廣西農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（培育基地），廣西高校桂東南特色農(nóng)產(chǎn)資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院，廣西 玉林 537000；2.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004）

以木薯淀粉為原料，氯乙酸鈉為醚化劑，氫氧化鈉為催化劑，采用機(jī)械活化固相化學(xué)反應(yīng)法制備羧甲基淀粉。以取代度為評價(jià)指標(biāo)，通過單因素和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化確定最佳制備工藝，采用傅里葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）、X-射線衍射（X-ray diffraction，XRD）、掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）對羧甲基淀粉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并考察羧甲基淀粉的理化特性。結(jié)果表明，最佳工藝參數(shù)為淀粉與氯乙酸鈉物質(zhì)的量比1∶1、反應(yīng)溫度50 ℃、反應(yīng)時(shí)間1.5 h、氫氧化鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)18.8%、攪拌速率380 r/min、球磨介質(zhì)堆體積500 mL，在此條件下制備的羧甲基淀粉取代度為0.540 1。FTIR、XRD、SEM檢測進(jìn)一步證實(shí)木薯淀粉發(fā)生了羧甲基化反應(yīng)。理化特性結(jié)果顯示，羧甲基淀粉的黏度升高，溶解度增大，吸水性、保水性、凍融穩(wěn)定性、抗酸堿性、抗酶解性等均得到較好的提高。

機(jī)械活化固相化學(xué)反應(yīng)法；羧甲基淀粉；取代度；表征；理化特性

羧甲基淀粉是淀粉在堿性條件下與一氯乙酸或其鈉鹽進(jìn)行醚化反應(yīng)生成的一種冷水可溶性的陰離子淀粉醚，其鈉鹽具有無毒、無味、易吸潮的性質(zhì)，常溫下為白色或微黃色粉末狀固體，溶于水后會形成膠體狀溶液。羧甲基淀粉的分子單元結(jié)構(gòu)與羧甲基纖維素相同[1]，在性質(zhì)上有很多類似之處，可部分替代羧甲基纖維素，已廣泛應(yīng)用于造紙、紡織、印染、醫(yī)藥、膠黏劑、化妝品、建材、食品、皮革和油田開發(fā)助劑等眾多領(lǐng)域[2-3]，在改善產(chǎn)品性能、降低成本、提高淀粉的應(yīng)用范圍方面具有積極意義和很好的發(fā)展前景。

目前羧甲基淀粉的制備方法主要有溶媒法和干法。采用溶媒法合成時(shí)，羧甲基淀粉不易得，容易糊化，副反應(yīng)多，醚化劑利用率低。為了克服溶媒法的缺點(diǎn)，近年有較多干法制備羧甲基淀粉的研究報(bào)道[4-6]。這些方法的反應(yīng)條件溫和、能耗低、操作簡便、原料利用率高、無三廢排放，是一種經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)工藝。但是，在目前的干法工藝條件下，淀粉與反應(yīng)試劑之間一般不能充分混合均勻，反應(yīng)均勻性差。主要原因是由于淀粉半結(jié)晶的超分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，難于被各種反應(yīng)試劑所接觸，限制了化學(xué)試劑向淀粉分子內(nèi)部的滲透，從而導(dǎo)致其反應(yīng)效率低和均勻性差。另外，傳統(tǒng)的一步、多步加堿法，也不足以完全破壞淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。在這種非均相體系中，醚化反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉的非晶區(qū)，醚化劑很難觸及結(jié)晶區(qū)域的羥基基團(tuán)，最終導(dǎo)致反應(yīng)不均勻，取代基多分布于淀粉顆粒表面，平均取代度（degree of substitution，DS）不高，原料利用率低，導(dǎo)致產(chǎn)品的溶解性能較差，產(chǎn)物性能不穩(wěn)定，使其應(yīng)用受到限制。因此，尋求有效的淀粉預(yù)處理方法以破壞其結(jié)晶結(jié)構(gòu)，并能在低熱條件下使反應(yīng)物分子獲得反應(yīng)和加速擴(kuò)散所需的能量，更好地改善醚化試劑與淀粉大分子的接觸狀態(tài)和反應(yīng)性，提高反應(yīng)速率是實(shí)現(xiàn)淀粉干法醚化的關(guān)鍵問題。

機(jī)械力化學(xué)方法是對某種材料反應(yīng)體系引入機(jī)械能量（如球磨），通過機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)不僅可使反應(yīng)體系的物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而且也使體系的自由能升高，活性增加，降低化學(xué)反應(yīng)活化能，誘發(fā)各種固態(tài)化學(xué)反應(yīng)[7]。羅永春等[8]以LiAlH4和AlCl3為原料，采用機(jī)械球磨固相化學(xué)反應(yīng)方法成功制備出非晶態(tài)AlH3的儲氫材料。陳淵、胡華宇等[9-14]針對天然高聚物干法反應(yīng)及其產(chǎn)品存在的問題，以自制攪拌球磨機(jī)作為機(jī)械活化固相反應(yīng)器，利用固相反應(yīng)中機(jī)械力的作用，使纖維素、淀粉反應(yīng)體系的運(yùn)動程度加劇，體系能量增高，物質(zhì)之間碰撞幾率增加，顯著改善反應(yīng)物的接觸狀態(tài)，有效解決固相反應(yīng)所存在的反應(yīng)均勻性差、合成溫度較高、原料和產(chǎn)物在高溫下熱解比較嚴(yán)重、產(chǎn)品品質(zhì)較差等問題，在溫和條件下合成了不同鏈長的淀粉、纖維素酯等衍生物，反應(yīng)效率高、工藝簡單、成本低、環(huán)境污染小。譚義秋等[15-21]采用先機(jī)械活化后反應(yīng)的強(qiáng)化反應(yīng)效果，對淀粉進(jìn)行不同程度的機(jī)械活化預(yù)處理，然后進(jìn)行羧甲基化反應(yīng)，成功制備了高DS的羧甲基淀粉，產(chǎn)物的理化特性明顯改善，吸附性能提高。但目前用機(jī)械活化固相化學(xué)反應(yīng)法制備羧甲基淀粉的研究鮮見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)以自制攪拌球磨機(jī)作為機(jī)械活化固相反應(yīng)器，木薯淀粉為原料，氯乙酸鈉為醚化劑，將機(jī)械活化法與固相化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，在強(qiáng)有力機(jī)械剪切作用下實(shí)現(xiàn)淀粉與氯乙酸鈉之間的醚化反應(yīng)，一步法制備出不同DS的羧甲基淀粉?？疾烀鸦瘎┯昧俊⒋呋瘎┯昧?、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、球磨機(jī)攪拌速率、球磨介質(zhì)堆體積等因素與DS的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上采用正交試驗(yàn)確定制備羧甲基淀粉的最佳工藝條件。用傅里葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometry，F(xiàn)TIR）、X-射線衍射（X-ray diffraction，XRD）、掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，探討淀粉醚化機(jī)理，并測定木薯羧甲基淀粉的黏度、溶解度、凍融穩(wěn)定性、吸水性、保水性、抗老化性以及抗酶解性等理化特性，為實(shí)現(xiàn)羧甲基淀粉的工業(yè)化生產(chǎn)、擴(kuò)大其應(yīng)用提供一定參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木薯淀粉（食品級） 廣西隆安縣金源淀粉有限公司；氯乙酸鈉（分析純） 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；氫氧化鈉（分析純） 廣東汕頭市光華化學(xué)廠；無水乙醇（分析純） 廣東光華化學(xué)廠有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

自制的攪拌球磨機(jī)，由普通鉆床（φ16 mm）經(jīng)過改裝而成，主要由內(nèi)直徑0.115 m、高0.170 m、有效容積1 200 mL、帶循環(huán)水進(jìn)出夾層的不銹鋼罐組成，球磨介質(zhì)為半徑3 mm的氧化鋯球；DHG-9076A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；SHZ-88型水浴恒溫振蕩器 江蘇金壇市醫(yī)療儀器廠；SHB-III型循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；SNB-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì) 上海昕瑞儀器儀表有限公司。

1.3 方法

1.3.1 羧甲基淀粉的制備方法

稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.8%（占淀粉干基）的氫氧化鈉，木薯原淀粉50 g（干基），混勻，堿化1 h之后加入氯乙酸鈉36 g（與淀粉干基物質(zhì)的量比為1∶1），充分混勻后靜置24 h。裝好球磨機(jī)，接好恒溫水箱管路，加入一半磨球，加入淀粉樣品混合物后再加入另一半磨球，調(diào)節(jié)攪拌速率為380 r/min，50 ℃恒溫反應(yīng)90 min。將磨球和樣品分開，用90%乙醇溶液洗滌樣品至中性，抽濾至無氯離子（用硝酸銀檢驗(yàn)），產(chǎn)物在50 ℃條件下干燥、粉碎、干燥、過120 目篩、裝袋，轉(zhuǎn)入干燥器中備用。

1.3.2 羧甲基淀粉DS的測定方法

羧甲基淀粉DS測定法按照文獻(xiàn)[22]方法進(jìn)行。準(zhǔn)確稱取0.5 g羧甲基淀粉樣品，置于100 mL小燒杯中，加入2 mol/L HCl（70%乙醇溶液配制而成）溶液30 mL，用保鮮膜封住燒杯口，然后用電動磁力攪拌器攪拌1 h，過濾，用體積分?jǐn)?shù)90%乙醇溶液洗滌酸化后的樣品至洗滌液中不含氯離子（采用傾瀉法進(jìn)行）。將濾餅轉(zhuǎn)移到250 mL錐形瓶中，用40 mL 0.1 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液溶解，在微熱條件下，使溶液呈透明狀，立即用0.1 mol/L的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液返滴至酚酞指示劑的紅色剛褪去，記錄所消耗的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，按式（1）計(jì)算淀粉所消耗的NaOH的物質(zhì)的量（A）。由于在堿處理過程中，引起淀粉少量的降解，消耗堿量。為消除此影響，需要用原淀粉進(jìn)行空白滴定。空白實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)確稱取折算成絕干樣的原淀粉約0.5 g（與樣品等質(zhì)量），測定步驟與上述相同，按式（1）計(jì)算原淀粉所消耗的NaOH的物質(zhì)的量（A空白），用A空白修正A后再按式（2）計(jì)算羧甲基淀粉DS。

式中：A為中和1 g酸式羧甲基淀粉所消耗的NaOH的物質(zhì)的量/mmol；V（NaOH）為加入使淀粉皂化的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積/mL；V（HCl）為滴定過量的皂化后消耗的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積/mL；C（NaOH）為使淀粉皂化的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度/（mol/L）；C（HCl）為滴定過量NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度/（mol/L）；M為用于測定的酸式羧甲基淀粉的質(zhì)量/g；0.162為淀粉的失水葡萄糖單元的物質(zhì)的量/mmol；0.058為失水葡萄糖單元中一個羥基被羧甲基取代后，失水葡萄糖單元毫摩爾質(zhì)量的凈增值。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要考察反應(yīng)時(shí)間（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h）、淀粉與氯乙酸鈉物質(zhì)的量比（1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5）、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（14.8%、16.8%、18.8%、20.8%、22.8%）、反應(yīng)溫度（30、40、50、60、70 ℃）、球磨介質(zhì)堆體積（300、400、500、600、700 mL）以及攪拌速率（220、300、380、450、520 r/min）因素對淀粉醚化反應(yīng)的影響。以DS為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)中獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)（顯著性檢驗(yàn)為t檢驗(yàn)）采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析處理。

1.3.4 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取淀粉與氯乙酸鈉物質(zhì)的量比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)4 個因素進(jìn)行四因素三水平L9（34）的正交試驗(yàn)，以DS為試驗(yàn)指標(biāo)，正交試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

表1 醚化反應(yīng)正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels used for orthogonal array design

1.3.5 羧甲基淀粉的表征

采用FTIR對木薯淀粉樣品的分子基團(tuán)進(jìn)行表征。將2 mg試樣和200 mg KBr混合壓片進(jìn)行測試，掃描范圍4 000～500 cm-1；采用XRD對木薯淀粉樣品的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。具體操作條件為特征射線Cukα、Ni片濾波、電壓40 kV、電流30 mA、測量范圍（2θ）5°～80°；將樣品用雙面膠固定在樣品臺上噴金，采用SEM對木薯淀粉樣品的形貌與結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

1.3.6 羧甲基淀粉黏度的測定

淀粉黏度的測定參考文獻(xiàn)[5]的方法進(jìn)行。取不同DS的羧甲基淀粉配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉乳液，在溫?zé)釛l件下，緩慢地?cái)嚢柚猎嚇油耆?，室溫下放?～10 h后，放入恒溫水浴槽中，控制溶液溫度在（30±0.5）℃，用SNB-1型黏度計(jì)測定黏度（2號轉(zhuǎn)子）。

1.3.7 凝沉性的測定

淀粉凝沉特性的測定參考文獻(xiàn)[23]的方法進(jìn)行。取不同DS的羧甲基淀粉，在250 mL的容量瓶中配制成1%的淀粉糊，把淀粉糊倒入10 mL量筒里，室溫下密封且垂直靜置，每隔1 周觀察記錄上層清液體積下層沉降積，抗老化性能強(qiáng)的淀粉表現(xiàn)為沉降積小，以沉降積表示凝沉性特征。

1.3.8 溶解度的測定

淀粉溶解度的測定參考文獻(xiàn)[24]的方法進(jìn)行。取不同DS的羧甲基淀粉，在室溫下邊攪拌邊緩慢倒入蒸餾水，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%溶液100 mL，再用玻璃棒快速攪拌2 min，然后倒入塑料離心管，5 000 r/min離心20 min。取上清液于小燒杯中，110 ℃干燥至質(zhì)量恒定，得到被溶解羧甲基淀粉的質(zhì)量，按公式（3）計(jì)算溶解度：

式中：A為上清液蒸干至質(zhì)量恒定后的質(zhì)量/g；W為淀粉樣品的質(zhì)量/g（干基）。

1.3.9 保水性的測定

淀粉保水性的測定參考文獻(xiàn)[25]的方法進(jìn)行。取不同DS的羧甲基淀粉，加水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%乳液20 mL，水浴攪拌加熱，在保持乳液體積不變的情況下使之完全糊化，靜置冷卻至室溫。準(zhǔn)確稱量干燥的有蓋塑料離心管，記錄數(shù)據(jù)，將部分糊化溶液移入離心管并蓋緊密封，再次準(zhǔn)確稱量記錄數(shù)據(jù)，2 500 r/min離心1 h，離心完畢后盡快用毛細(xì)膠頭滴管把塑料離心管中的水吸出。再次準(zhǔn)確稱其質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。保水性即淀粉充分糊化后形成均勻的凝膠，在受外力作用下脫水越少或仍不脫水，保水率越大則說明保水性越好。保水率的計(jì)算見式（4）：

式中：W0為干燥的有蓋塑料離心管質(zhì)量/g；W1為剛加入糊化溶液的離心管總質(zhì)量/g；W2為離心去水后的離心管總質(zhì)量/g。

1.3.10 吸水性的測定

淀粉吸水性的測定參考文獻(xiàn)[25]的方法進(jìn)行。稱取1 g（干基）左右的不同DS羧甲基淀粉于燒杯中，加100 mL蒸餾水，室溫下靜置1 d，100 目篩過篩，等到水滴完畢，量出并記錄水的體積。吸水量的計(jì)算見公式（5）：

式中：V為濾出水的體積/mL；W0為樣品質(zhì)量（干基）/g；100為加入水的體積/mL。

1.3.11 凍融穩(wěn)定性的測定

淀粉凍融性穩(wěn)定性的測定參考文獻(xiàn)[26]的方法進(jìn)行。取不同DS羧甲基淀粉配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的乳液，溫?zé)嶂镣耆?，靜置冷卻至室溫。準(zhǔn)確稱量干燥的有蓋塑料離心管，記錄數(shù)據(jù)m0，將部分糊化溶液移入離心管并蓋緊密封，再次準(zhǔn)確稱量記錄數(shù)據(jù)m1，放入-18～-20 ℃的冰箱中，冰凍1 d后取出解凍。3 000 r/min離心20 min，如有分層，棄去上清液，準(zhǔn)確稱取沉淀物的質(zhì)量記入數(shù)據(jù)m2，反復(fù)冷凍幾次，按公式（6）計(jì)算析水率，記錄樣品冷凍次數(shù)以及最先出水的析水率。樣品最先出水且析水率越高，樣品的凍融穩(wěn)定性越差。

1.3.12 抗酸堿性的測定

淀粉抗酸堿性的測定參考文獻(xiàn)[27]的方法進(jìn)行。取不同DS羧甲基淀粉，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的淀粉乳液，調(diào)節(jié)pH值為3.0、7.0、11.0，溫?zé)嶂镣耆鶆?，冷卻到25 ℃，分別測定各個樣品的不同pH值的黏度。

1.3.13 抗酶解性的測定

淀粉抗酶解性的測定參考文獻(xiàn)[28]的方法進(jìn)行。取不同DS羧甲基淀粉，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的乳液80 mL，溫?zé)嶂镣耆筠D(zhuǎn)移至250 mL錐形瓶中，敞口放置，每隔12 h觀察霉菌出現(xiàn)情況，記錄霉菌出現(xiàn)時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 反應(yīng)時(shí)間對醚化反應(yīng)的影響

圖1 反應(yīng)時(shí)間對醚化反應(yīng)的影響Fig. 1 Effect of reaction time on DS

從圖1可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的不斷延長，羧甲基淀粉DS呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，由反應(yīng)0.5 h時(shí)的0.347 7增大到反應(yīng)時(shí)間為1.5 h的0.533 1，此后羧甲基淀粉DS隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而下降?？赡茉蚴?，在反應(yīng)時(shí)間小于1.5 h時(shí)，淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)還未被機(jī)械力充分破壞，淀粉顆粒表面的包裹作用使醚化劑氯乙酸鈉不能滲透到淀粉內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)，淀粉DS較低。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到1.5 h時(shí)，淀粉緊密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被破壞，淀粉與氯乙酸鈉反應(yīng)的接觸面積不斷增大，醚化試劑容易滲透到淀粉中進(jìn)行醚化反應(yīng)[9,29]。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過1.5 h后，由于反應(yīng)時(shí)間過長，破碎的淀粉小顆粒在機(jī)械力作用下部分重新發(fā)生團(tuán)聚，不利于氯乙酸鈉與木薯淀粉顆粒接觸；另一方面，隨著反應(yīng)時(shí)間延長，氯乙酸鈉與氫氧化鈉生成羥乙酸鈉等副反應(yīng)增多，形成的羧甲基淀粉在強(qiáng)機(jī)械力作用下也易結(jié)塊變性，造成DS下降。使用SPSS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)在5%顯著水平內(nèi)，不同反應(yīng)時(shí)間之間淀粉DS差異顯著，1.5 h為最佳的反應(yīng)時(shí)間。

2.1.2 淀粉與氯乙酸鈉物質(zhì)的量比對醚化反應(yīng)的影響

圖2 淀粉與氯乙酸鈉物質(zhì)的量比對醚化反應(yīng)的影響Fig. 2 Effect of molar ratio of starch to sodium choroacetate on DS

從圖2可以看出，羧甲基淀粉DS隨著氯乙酸鈉物質(zhì)的量的增大而不斷上升，當(dāng)?shù)矸叟c氯乙酸鈉物質(zhì)的量比為1∶1時(shí)，淀粉DS達(dá)到0.533 1，但當(dāng)?shù)矸叟c氯乙酸鈉物質(zhì)的量比超過1∶1后淀粉DS反而下降。這可能是因?yàn)殡S著氯乙酸鈉物質(zhì)的量的不斷增大，氯乙酸與淀粉在機(jī)械活化作用下相互間的碰撞大大增加，從而使氯乙酸鈉與淀粉充分接觸，可以較大程度地促進(jìn)淀粉醚化反應(yīng)的進(jìn)行。但隨著氯乙酸鈉用量不斷增大，加大了副反應(yīng)的進(jìn)行，從而使得生成羥基乙酸鈉的幾率加大[30]，因此羧甲基淀粉DS反而會呈現(xiàn)下降的趨勢。使用SPSS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)在5%顯著水平內(nèi)，不同氯乙酸鈉用量之間淀粉DS差異顯著，最佳制備淀粉與氯乙酸鈉物質(zhì)的量比為1∶1。

2.1.3 氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對醚化反應(yīng)的影響

圖3 氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對醚化反應(yīng)的影響Fig. 3 Effect of sodium hydroxide concentration on DS

從圖3可以看出，隨著氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，羧甲基淀粉DS呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。堿能破壞淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，并使淀粉上的羥基變成親核能力較強(qiáng)的負(fù)氧離子，進(jìn)行親核取代反應(yīng)，但當(dāng)堿用量超過一定值時(shí)，過多中和氯乙酸鈉，降低反應(yīng)效率，從而降低DS[31]。同時(shí)，過量的堿會在淀粉周圍形成一層膠化層，使淀粉被膠化層包裹起來，阻止了醚化劑氯乙酸鈉與淀粉充分接觸發(fā)生作用，從而導(dǎo)致羧甲基淀粉DS降低。使用SPSS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)在5%顯著水平內(nèi)，不同氫氧化鈉用量之間淀粉DS差異顯著，氫氧化鈉的最佳用量為18.8%。

2.1.4 反應(yīng)溫度對醚化反應(yīng)的影響

圖4 反應(yīng)溫度對醚化反應(yīng)的影響Fig. 4 Effect of temperature on DS

從圖4可以看出，羧甲基淀粉DS隨著反應(yīng)溫度的升高，先上升后下降，在50 ℃時(shí)羧甲基淀粉的DS最高為0.533 1，之后大大降低。在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，淀粉的膨脹程度不斷加強(qiáng)，淀粉的平均能量增加，使淀粉分子的運(yùn)動速率提高，可以有效地破壞淀粉分子中的氫鍵，從而有利于醚化劑與淀粉充分接觸[20]，從而可以提高淀粉的反應(yīng)活性，在一定溫度范圍內(nèi)，羧甲基淀粉DS隨著溫度的升高而呈現(xiàn)增大趨勢。但在溫度過高時(shí)淀粉很容易發(fā)生糊化結(jié)塊，同時(shí)溫度過高會導(dǎo)致副反應(yīng)加劇，導(dǎo)致淀粉DS下降。使用SPSS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)在5%顯著水平內(nèi)，不同反應(yīng)溫度之間淀粉DS差異顯著，最佳反應(yīng)溫度為50 ℃。

2.1.5 球磨介質(zhì)堆體積對醚化反應(yīng)的影響

圖5 球磨介質(zhì)堆體積對醚化反應(yīng)的影響Fig. 5 Effect of volume of ball milling medium on DS

從圖5可以看出，在球磨介質(zhì)堆體積小于500 mL范圍內(nèi)，羧甲基淀粉DS隨著球磨介質(zhì)堆體積的增大而增大，在體積大于500 mL后，羧甲基淀粉DS下降。若球磨介質(zhì)太少時(shí)，在機(jī)械活化過程中，淀粉與醚化劑間的碰撞次數(shù)少，產(chǎn)生的能量下降，使得球磨效率下降[9]，從而影響醚化反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致羧甲基淀粉DS不高。若球磨介質(zhì)過多，在機(jī)械活化過程中，淀粉會被往上擠而覆蓋在球磨介質(zhì)的上面，使淀粉不能被充分活化，反應(yīng)效率下降。使用SPSS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)在5%顯著水平內(nèi)，不同球磨介質(zhì)堆體積之間淀粉DS差異顯著，最佳球磨介質(zhì)堆體積為500 mL。

2.1.6 攪拌速率對醚化反應(yīng)的影響

圖6 攪拌速率對醚化反應(yīng)的影響Fig. 6 Effect of stirring speed on DS

由圖6可知，羧甲基淀粉的DS隨著攪拌速率的增大而增大，在380 r/min時(shí)DS最高，之后下降。攪拌速率太低時(shí)，在機(jī)械活化過程中產(chǎn)生的機(jī)械力小，導(dǎo)致淀粉分子的晶體結(jié)構(gòu)未被充分破壞，醚化劑氯乙酸鈉與淀粉僅在淀粉分子顆粒表面進(jìn)行，而醚化劑未能滲透到淀粉分子內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)，從而所合成的羧甲基淀粉DS不高。而隨著攪拌速率的增加，氯乙酸鈉與淀粉的碰撞次數(shù)的增加以及淀粉分子結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)晶度下降，從而促進(jìn)醚化反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)效率增大，羧甲基淀粉DS較大。而后攪拌速率過快，機(jī)械力增大，使得淀粉與醚化劑反應(yīng)生成的醚鍵發(fā)生斷裂，同時(shí)也有可能是氯乙酸鈉還未來得及與淀粉進(jìn)行醚化反應(yīng)就被強(qiáng)大的機(jī)械力分離，從而導(dǎo)致羧甲基淀粉DS下降[9]。使用SPSS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)在5%顯著水平內(nèi)，不同攪拌速率之間淀粉DS差異顯著，最佳攪拌速率為380 r/min。

2.2 醚化反應(yīng)正交試驗(yàn)結(jié)果

采用L9（34）正交試驗(yàn)表進(jìn)行淀粉與氯乙酸鈉物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)四因素三水平正交試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)械活化木薯淀粉氯乙酸鈉醚化正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Orthogonal array design with experimental results

由表2可知，氯乙酸鈉用量對DS的影響最大，其次是氫氧化鈉用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間的影響最小。因此，在所選擇的試驗(yàn)范圍內(nèi)，各因素最優(yōu)水平組合應(yīng)為A2B2C2D2。確定機(jī)械活化固相反應(yīng)法制備羧甲基淀粉的最佳工藝條件為淀粉與氯乙酸鈉物質(zhì)的量比1∶1、反應(yīng)溫度50 ℃、反應(yīng)時(shí)間1.5 h、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)18.8%。按照最優(yōu)條件A2B2C2D2，進(jìn)行2 次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)制備得到的羧甲基淀粉DS為0.540 1。

2.3 木薯淀粉和羧甲基淀粉的結(jié)構(gòu)表征

2.3.1 FTIR分析

圖7 原淀粉及不同DS羧甲基淀粉的FTIR圖Fig. 7 FTIR spectra of native starch and carboxymethyl starch with different DS

從圖7可以看出，羧甲基淀粉除了與木薯原淀粉的3 340、2 926、1 007 cm-1波數(shù)附近處有相同的吸收峰之外，在1 613 cm-1出現(xiàn)了羧酸鹽—COO-的不對稱伸縮振動強(qiáng)吸收峰，在1 420 cm-1處出現(xiàn)了羧酸鹽—COO-的對稱伸縮振動弱吸收峰[21,32]，表明木薯淀粉成功接上了醚鍵，并且隨著DS的增加羧酸鹽的特征吸收峰增強(qiáng)。

2.3.2 XRD分析

圖8 原淀粉及不同DS羧甲基淀粉的XRD圖Fig. 8 X-ray diffraction curves of native starch and carboxymethyl starch with different DS

比較圖8a、8b可知，反應(yīng)0.5 h的羧甲基淀粉與木薯原淀粉的衍射尖峰的趨勢大體一致，但強(qiáng)度減弱，醚化程度較小。從8a、8c、8d曲線可以看出，DS為0.432 6、0.533 1的羧甲基淀粉由原來的尖峰變?yōu)轲z頭峰，原淀粉的尖峰幾乎完全消失。這主要是由于機(jī)械活化過程中的擠壓、剪切作用及淀粉醚化反應(yīng)使得淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到破壞，結(jié)晶度降低[33]。

2.3.3 SEM分析

圖9 原淀粉及不同DS羧甲基淀粉的SEM圖Fig. 9 SEM images of native starch and carboxymethyl starch with different DS

從圖9a、9c可以看出，木薯原淀粉外觀顆粒表面光滑，多為圓形，少量為圓形破碎后的不規(guī)整形貌。通過觀察9c、9d發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過機(jī)械活化固相化學(xué)反應(yīng)法制備的羧甲基淀粉的顆粒大部分由原淀粉的圓形變?yōu)闊o規(guī)則的團(tuán)聚狀。當(dāng)DS達(dá)到0.432 6后，淀粉變顆粒為塊狀（圖9e、9f）。當(dāng)DS達(dá)到0.533 1時(shí)，淀粉顆粒變?yōu)檩^大的塊狀，且表面腐蝕嚴(yán)重（圖9g、9h）。羧甲基淀粉顆粒形貌與原淀粉不同，進(jìn)一步說明淀粉發(fā)生了醚化反應(yīng)。主要原因是羧甲基淀粉在制備過程中受到了擠壓，在機(jī)械剪切力的作用下分子降解，淀粉分子間氫鍵斷裂，結(jié)晶區(qū)被破壞；另一方面，醚化反應(yīng)也會破壞淀粉顆粒的形貌。

2.4 羧甲基淀粉的理化特性分析

表3 不同DS羧甲基淀粉的黏度、凝沉性、溶解度、保水性、吸水性Table 3 Starch paste viscosity, retrogadation properties, solubility,water-absorbing and water retaining capacity of carboxymethyl starch with different DS

從表3可以看出，淀粉在經(jīng)過羧甲基化后其黏度、凝沉性、溶解度、保水性、吸水性均比原淀粉好，并且隨著DS的增大呈現(xiàn)較好的趨勢。由于引入的羧甲基陰離子基團(tuán)變多，淀粉分子之間的排斥力增大，結(jié)構(gòu)疏松，因此黏度也增加[7]。在其作為增稠劑和穩(wěn)定劑時(shí)，在相同的濃度下，糊液黏度越高，效果越好。羧甲基基團(tuán)具有親水性，增強(qiáng)了淀粉分子的親水性，因此羧甲基淀粉糊液不易出現(xiàn)凝沉現(xiàn)象，保水性高，穩(wěn)定性好[23]。淀粉在經(jīng)過羧甲基化后其溶解度大大增強(qiáng)，冷水便可以溶脹，并且吸水性和保水性得到加強(qiáng)。羧甲基淀粉中的羧甲基基團(tuán)具有親水性，是親水性淀粉，結(jié)構(gòu)疏松，水分子進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部，使得淀粉分子溶出。因此，相比原淀粉，羧甲基淀粉的溶解度提高，保水性能增強(qiáng)。此外，羧甲基屬于陰離子，帶負(fù)電荷，使得分子間相互排斥，淀粉分子結(jié)構(gòu)松散，增大接觸面積，羧甲基吸水性能增強(qiáng)[25]。

表4 不同DS羧甲基淀粉的凍融穩(wěn)定性、抗酸堿性、抗酶解性Table 4 Freeze-thaw stability, and acid, alkali and enzyme resistance of carboxymethyl starch with different DS

從表4可以看出，淀粉在經(jīng)過羧甲基化后，其凍融穩(wěn)定性、抗酸堿性以及抗酶解性均得到較大的提高，并且隨DS的增大呈現(xiàn)較好的規(guī)律。其中DS為0.533 1的羧甲基淀粉的凍融穩(wěn)定性、抗酸堿性以及抗酶解性最好。淀粉糊在冷凍過程中，淀粉分子易于形成凝膠結(jié)構(gòu)，羧甲基淀粉的凍融穩(wěn)定性較好。pH值對羧甲基淀粉的黏度影響較大，過酸過堿都會使黏度下降[27]。在實(shí)際中，適當(dāng)調(diào)制糊液的中和度，可使產(chǎn)品的穩(wěn)定性升高。淀粉糊在冷凍過程中，淀粉分子易于形成凝膠結(jié)構(gòu)，分子定向重新排列，形成氫鍵，在自然解凍下，把淀粉里的水排出體系，相比于原淀粉，羧甲基淀粉的凍融穩(wěn)定性較好，這是因?yàn)轸燃谆鶊F(tuán)具有較強(qiáng)的親水性，雖然在凝膠束周圍會有以冰晶形式存在的水分，由于羧甲基的吸附性能較強(qiáng)而使水分不容易析出[28]。糊化之后的淀粉溶液，放置在空氣中一段時(shí)間會產(chǎn)生霉菌，霉菌體內(nèi)有能產(chǎn)生消化酶的基因，能消化吸收淀粉糊分子中的α-（l,4）糖苷鍵，使得淀粉大分子變成小分子，淀粉糊的性質(zhì)發(fā)生變化。從表4可以看出，木薯淀粉引入羧甲基后，淀粉糊的抵抗生物降解能力明顯提高，這主要因?yàn)轸燃谆鶊F(tuán)對霉菌的消化有阻礙作用，α-（1,4）糖苷鍵得以保存，霉菌的生長受到了阻止，并且隨DS的增加，阻礙霉菌生長的能力越明顯[28]，這有利于羧甲基淀粉在水果保鮮、涂料、油田鉆井、黏合劑等方面的應(yīng)用。

3 結(jié) 論

采用機(jī)械活化固相化學(xué)反應(yīng)法制備羧甲基木薯淀粉，開展制備工藝、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征和理化特性的研究，主要結(jié)論為利用機(jī)械活化與固相醚化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的方式制備羧甲基木薯淀粉，有利于破壞淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶度，醚化試劑容易滲透到淀粉顆粒內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，對反應(yīng)有明顯的促進(jìn)作用，使常規(guī)條件下熱力學(xué)上認(rèn)為不可能進(jìn)行的反應(yīng)得以進(jìn)行，可在溫和條件下制備不同DS羧甲基淀粉；通過正交試驗(yàn)對工藝條件的優(yōu)化，機(jī)械活化固相化學(xué)反應(yīng)法制備羧甲基木薯淀粉的最佳工藝條件為淀粉與氯乙酸鈉物質(zhì)的量比1∶1、反應(yīng)溫度50 ℃、反應(yīng)時(shí)間1.5 h、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)18.8%、攪拌速率380 r/min、球磨介質(zhì)堆體積500 mL，在此條件下制備羧甲基淀粉的DS為0.540 1；FTIR圖譜顯示，淀粉經(jīng)醚化變性后，在1 613 cm-1和1 420 cm-1處出現(xiàn)了羧酸鹽—COO-的特征吸收峰，說明木薯淀粉已成功接上羧基，發(fā)生了羧甲基化反應(yīng)。XRD圖譜分析表明，木薯淀粉在球磨機(jī)內(nèi)受到擠壓、剪切和醚化作用，淀粉分子結(jié)晶度下降。SEM表明，機(jī)械活化變性后的淀粉顆粒表面狀態(tài)和粒度都與原淀粉有明顯差別，淀粉顆粒大部分為塊狀結(jié)構(gòu)；淀粉接入羧甲基基團(tuán)后，具有了較好的理化特性，且隨著DS的增加，黏度、凝沉性、溶解度、保水性、吸水性、凍融穩(wěn)定性、抗酸堿性、抗酶解性能都有所提高，可以滿足多方面的需要；機(jī)械活化固相化學(xué)反應(yīng)法制備羧甲基淀粉，制備方法簡單，經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

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Preparation, Structural Characterization and Properties of Carboxymethyl Cassava Starch by Mechanical Activation-Assisted Solid-State Reaction

CHEN Yuan1, YANG Jiatian1, XIE Qiuji1,2, WEI Qingmin1, SU Feijing1, LIANG Hongpian1, HUANG Zuqiang2,*
(1. Guangxi Key Laboratory of Farm Products Processing (Cultivation Base), Colleges and Universities Key Laboratory for Eff i cient Use of Agricultural Resources in the Southeast of Guangxi, College of Chemistry and Food Science, Yulin Normal University,Yulin 537000, China; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China）

Carboxymethyl cassava starch was synthesized from cassava starch with monochloroacetate (MCA) as an etherifying agent and sodium hydroxide (NaOH) as a catalyst by mechanical activation-assisted solid-state reaction. Onefactor-at-a-time and orthogonal array design methods were used to optimize the preparation conditions for higher degree of substitution (DS). The structure of carboxymethyl cassava starch was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) and its physicochemical properties were systematically investigated. The optimal process parameters that provided maximum DS of 0.540 1 were obtained as follows: molar ratio of starch to sodium chloroacetate 1:1, reaction temperature 50 ℃, reaction time 1.5 h, sodium hydroxide concentration 18.8%, stirring speed 380 r/min, and volume of ball milling medium 500 mL. The etherification reaction of cassava starch was confirmed by FTIR, XRD and SEM. Results of the physicochemical properties showed that the solubility of carboxymethyl cassava starch and the viscosity of starch paste and were significantly increased; water-absorbing capacity,water-retaining capacity, freeze-thaw stability, and acid, alkali and enzyme resistance were also improved compared with the native starch.

mechanical activation-assisted solid-state reaction; carboxymethyl starch; degree of substitution;characterization; physicochemical properties

10.7506/spkx1002-6630-201802008

2016-11-28

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科攻1598007-1）；廣西教育廳科研項(xiàng)目（KY2015ZD097；LX2014295）；玉林師范學(xué)院教授科研啟動基金項(xiàng)目（G20140006）；全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510606021；201610606008）

陳淵（1971—），女，教授，碩士，主要從事天然高分子材料的改性應(yīng)用和廢水處理研究。E-mail：chenyuan197191@163.com

*通信作者簡介：黃祖強(qiáng)（1965—），男，教授，博士，主要從事天然產(chǎn)物的機(jī)械活化改性及深度加工研究。E-mail：huangzq@gxu.edu.cn

TQ316.6；O636.12

A

1002-6630（2018）02-0045-08

陳淵, 楊家添, 謝秋季, 等. 木薯羧甲基淀粉的機(jī)械活化固相化學(xué)法制備、表征及其特性[J]. 食品科學(xué), 2018, 39(2):45-52.

10.7506/spkx1002-6630-201802008. http://www.spkx.net.cn

CHEN Yuan, YANG Jiatian, XIE Qiuji, et al. Preparation, structural characterization and properties of carboxymethyl cassava starch by mechanical activation-assisted solid-state reaction[J]. Food Science, 2018, 39(2): 45-52. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201802008. http://www.spkx.net.cn