黃強(qiáng),林曉瑛,曹亞飛,張斌
(華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510640)
吸油材料可分為天然無機(jī)類、天然有機(jī)類和化學(xué)合成類吸油材料[1,2]。天然無機(jī)類包括二氧化硅、沸石和珍珠巖等,天然有機(jī)類有稻草、麥稈和種子纖維[3]等,具有廉價(jià)、易得等優(yōu)點(diǎn),但普遍存在油水選擇性差、飽和吸油能力低等不足。聚丙烯纖維、聚氨酯泡沫和吸油性樹脂等化學(xué)合成的吸油材料的疏水性較好,但由于其生物降解能力差,對自然界造成了二次污染[4]。
淀粉是一種廉價(jià)的天然高分子,是制備綠色吸油材料的重要原料。原淀粉顆粒比表面積小、疏水性弱、微孔數(shù)量少等不足導(dǎo)致其吸油率不高[5]。Xu等[6]通過雙螺桿擠出制備低密度的開孔聚丙烯/淀粉共混泡沫體,采用不同成核劑并改變模具幾何形狀來控制共混泡沫的微孔直徑,使泡沫體能吸收達(dá)自身重量 32~60倍的油量;Xu等[7]將淀粉與丙烯酸或丙烯酰胺接枝共聚后,提高了淀粉基樹脂的吸收能力。然而,上述材料多作為吸油的輔料,或油水選擇性差,需對其進(jìn)一步改性方可作為吸油材料。多孔淀粉是一種具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的新型吸附材料,具有環(huán)境友好、原料來源廣泛、價(jià)格低廉和無毒害等優(yōu)點(diǎn)[8]。多孔淀粉的孔容可達(dá)50%,具有較強(qiáng)的吸附能力,并可通過復(fù)合改性彌補(bǔ)多孔淀粉在機(jī)械強(qiáng)度和吸附疏水性物質(zhì)等方面的不足。譬如,化學(xué)交聯(lián)可提升多孔淀粉的機(jī)械強(qiáng)度;而疏水改性可提高多孔淀粉吸附非極性或者弱極性物質(zhì)的能力[9]。
本文通過辛烯基琥珀酸酐(OSA)酯化和Al3+交聯(lián)的方法對多孔淀粉進(jìn)行復(fù)合改性,研究水解率對產(chǎn)物理化性質(zhì)的影響,采用顯微技術(shù)和傅里葉變換紅外光譜儀等分析技術(shù)對淀粉顆粒的表面結(jié)構(gòu)、取代基團(tuán)在淀粉顆粒的分布情況進(jìn)行研究,考察疏水多孔淀粉的吸油性能,為新型油污吸附材料的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
食用玉米淀粉(直鏈淀粉含量26.5%),中糧生化能源有限公司;辛烯基琥珀酸酐,南京古田化工有限公司;分析純(純度99.9%);淀粉葡萄糖苷酶(酶活力100 kU/mL)、α-淀粉酶(酶活力800 kU/mL),諾維信生物有限公司;其他試劑或藥品均為分析純。
YLS16A型快速水分測定儀,上海精密科學(xué)儀器有限公司;VECTOR33型紅外光譜分析儀,德國Bruker公司;BH-2型偏光顯微鏡,日本奧林巴斯公司;TCS SP5型激光共聚焦顯微鏡,德國 Leica公司;TDA-5A型離心機(jī),上海菲恰爾分析儀器有限公司;QUANTA 200型掃描電子顯微鏡,荷蘭FEI公司。
1.3.1 多孔淀粉的制備
稱取一定質(zhì)量的普通玉米淀粉分散于pH為5的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液中,配成23%(m/m)的淀粉乳,加入一定量的復(fù)合酶(α-淀粉酶與淀粉葡萄糖苷酶按體積比1:3混合),復(fù)合酶的添加量分別設(shè)定為淀粉干基的0.4%、1.2%、2.0%、2.8%、3.6%(V/m),50 ℃酶解12 h。反應(yīng)完成后,用5%(m/m)的鹽酸調(diào)節(jié)pH至3,反應(yīng)15 min,滅酶,最后用3%(m/m)NaOH中和。將反應(yīng)液真空抽濾,取濾液,采用3,5-二硝基水楊酸法測定其水解率[11]。淀粉用去離子水洗滌2~3次,45 ℃下烘箱干燥24 h,粉碎,過80目篩,得到多孔淀粉[10]。
1.3.2 多孔淀粉OSA酯化和Al3+交聯(lián)
配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%的多孔淀粉乳,置于35 ℃水浴鍋中不斷攪拌,用NaOH溶液(3%,m/m)調(diào)節(jié)淀粉乳pH至8.5,逐滴加入OSA進(jìn)行反應(yīng),OSA添加量為淀粉干基的5%。反應(yīng)結(jié)束后用5%鹽酸調(diào)節(jié)pH至中性。多次醇洗、水洗,抽濾并烘干樣品[12]。取酯化多孔淀粉配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%的淀粉乳,用5%鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH為4,加入Al2(SO4)3溶液,添加量為5%。反應(yīng)結(jié)束后,水洗、抽濾后置于45 ℃的烘箱中干燥24 h,制得復(fù)合改性多孔淀粉。
1.3.3 酶解酯化淀粉取代度的測定
準(zhǔn)確稱取2.0 g已知水分含量的酶解酯化淀粉樣品,用90%(m/m)異丙醇潤濕,攪拌10 min,加入15 mL鹽酸-異丙醇溶液(2.5 mol/L),磁力攪拌30 min,后加入50 mL 90%的異丙醇溶液,繼續(xù)攪拌10 min,將樣品轉(zhuǎn)移,用90%的異丙醇溶液洗滌至無Cl-存在,再將樣品移入燒杯中,加蒸餾水至 300 mL,沸水浴20 min,加入2滴酚酞,趁熱用0.1 mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至粉紅色[12]。取代度(DS)計(jì)算公式如下:
其中,A為滴定時(shí)所用NaOH的體積(mL),M為NaOH溶液的摩爾濃度,W為OS淀粉的干基質(zhì)量(g)。
1.3.4 結(jié)構(gòu)表征
1.3.4.1 偏光顯微和掃描電鏡分析
偏光顯微和掃描電鏡分析參考文獻(xiàn)中的方法[13]:將淀粉樣品顆粒分散于水和甘油的混合液中,配成2%的分散液,取一滴于載玻片上,蓋上蓋玻片,將其放于樣品臺上,放大500倍觀察后拍攝顯微和偏光形貌;將干燥冷卻的淀粉樣品貼在樣品臺的雙面膠上,使其分散均勻,在真空條件下噴金處理后,觀察并拍攝表面形態(tài)。
1.3.4.2 結(jié)晶結(jié)構(gòu)測定(XRD)
淀粉樣品在100%相對濕度下平衡24 h后進(jìn)行測定,測定條件:Cu-Kα射線,電壓30 kV,電流30 mA,起始角5°,終止角35°,掃描速度5°/min。采用MDI Jade5軟件計(jì)算樣品的相對結(jié)晶度[12]。
1.3.4.3 紅外光譜分析
將少量淀粉樣品與KBr混合均勻,并在瑪瑙研缽中充分研磨,同時(shí)在高溫鈉燈下照射30 min,用壓片磨具在20 kPa~25 kPa的壓力條件下壓制成薄片后,立即用紅外光譜儀掃描。具體掃描條件為:分辨率為4 cm-1,掃描次數(shù)為 64 次,波長范圍為4000~400 cm-1。
1.3.4.4 激光共聚焦顯微鏡分析
稱取淀粉樣品0.5 g,加入30 mL去離子水,用NaOH溶液將pH調(diào)至8.0,加入1%(m/m)亞甲基藍(lán)(methylene blue,MB+)溶液,室溫振蕩3 h后,用甲醇洗去過量的MB+。將淀粉顆?;旌嫌诟视汀⑺旌弦褐?。取一滴淀粉懸浮液于載玻片上,蓋上蓋玻片,利用激光共聚焦顯微鏡觀察熒光染色后OS基團(tuán)在淀粉顆粒中分布情況。使用的鏡頭為40×/1.25 oil,氣體激光器Argon激光發(fā)射波長為514 nm[14]。
1.3.5 吸油性能測定
1.3.5.1 疏水多孔淀粉吸油率的測定
準(zhǔn)確稱取5.00 g淀粉樣品,按淀粉樣品與機(jī)油為1:2(m/m)的比例混合,室溫磁力攪拌30 min至充分吸收,將其轉(zhuǎn)入砂芯漏斗中,真空抽濾1 h,直至沒有油滴滴下。抽濾完成后,將吸附機(jī)油的淀粉樣品從砂芯漏斗中全部轉(zhuǎn)移至稱量紙上,根據(jù)其前后的質(zhì)量差計(jì)算淀粉樣品的吸油率。其計(jì)算公式如下:
其中,m1代表未吸附機(jī)油前淀粉樣品的質(zhì)量(g),m2代表吸附機(jī)油后的淀粉樣品的質(zhì)量(g)。
1.3.5.2 純油體系中吸油率的測定
選取水解率為27.80%的疏水多孔淀粉,分別在動態(tài)條件和靜態(tài)條件下測定其對玉米油、機(jī)油和柴油的吸收率,動態(tài)條件的具體操作和測定方法同1.3.5.1,靜態(tài)條件是在關(guān)閉磁力攪拌的條件下進(jìn)行,其他實(shí)驗(yàn)步驟與1.3.5.1相同。
1.3.5.3 油水選擇性能測定
準(zhǔn)確稱取100 g去離子水,分別加入2 g玉米油、機(jī)油和柴油,置于磁力攪拌器上攪拌使其分散均勻,加入水解率為27.80%的疏水多孔淀粉,磁力攪拌1 h后,將其轉(zhuǎn)入砂芯漏斗中,真空抽濾至沒有油滴滴下。最后,將其從砂芯漏斗中全部轉(zhuǎn)移至稱量紙上。依據(jù)公式(4)、(5)計(jì)算疏水多孔淀粉的吸油率q、吸水率Q,并計(jì)算油水選擇性。
其中:m0(g)為疏水多孔淀粉吸油前原燒杯中水的質(zhì)量,m1(g)為取出吸油的疏水多孔淀粉后燒杯中剩余水的質(zhì)量;M0(g)為疏水多孔淀粉吸油前質(zhì)量,Mw(g)為疏水多孔淀粉吸收水的質(zhì)量,M2(g)為疏水多孔淀粉吸油后質(zhì)量。
1.3.5.4 保油能力測定
準(zhǔn)確稱取5.00 g水解率為27.80%的疏水多孔淀粉,動態(tài)條件下于機(jī)油中吸附飽和后稱重并迅速轉(zhuǎn)移至離心管中,分別于不同離心力下高速離心 5 min,迅速浸出離心出來的油并重新稱量樣品質(zhì)量。根據(jù)下式計(jì)算保油率。
其中:m1(g)為疏水多孔淀粉離心前的質(zhì)量,m2(g)為離心后的質(zhì)量。
1.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
用origin 8軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并作圖,各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)測定之后的平均值。
不同加酶量對玉米淀粉水解率、結(jié)晶度及 OSA改性取代度的影響如表1所示,淀粉的水解率隨加酶量的增大而增加,隨著水解率從3.47%增加到27.80%,多孔淀粉的相對結(jié)晶度從18.7%升高到23.9%,制備的疏水多孔淀粉的取代度(DS)從 0.0210降低到0.0169,這與Huang等[15]報(bào)道利用α-淀粉酶水解玉米淀粉后用辛烯基琥珀酸酐酯化取代度變化規(guī)律一致。酶水解同時(shí)水解無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū),但優(yōu)先水解無定形區(qū),致密的結(jié)晶區(qū)較難水解,故無定形區(qū)相對比例下降,相對結(jié)晶度上升。OSA改性的淀粉在酶解處理后取代度下降,而且隨著加酶量的增加,取代度逐漸降低。這是因?yàn)轷セ磻?yīng)主要發(fā)生在淀粉的無定形區(qū)[16],取代基大多位于無定形區(qū)的支鏈?zhǔn)鵂铧c(diǎn)附近[15],當(dāng)無定形區(qū)被破壞時(shí),酯化反應(yīng)難以進(jìn)行,導(dǎo)致酶解處理后淀粉的取代度下降。且加酶量越大,無定形區(qū)破壞越嚴(yán)重,取代度越低。
表1 多孔淀粉水解率及其對相對結(jié)晶度、OSA改性取代度的影響Table 1 Hydrolysis rate of porous starch and its effect on degree of relative crystallinity and substitution for OSA modification
2.2.1 疏水多孔淀粉的形貌分析
圖1 不同水解率疏水多孔淀粉偏光顯微和掃描電鏡圖Fig.1 Polarized and SEM micrographs of hydrophobic porous starch with different hydrolysis rates
圖1為疏水多孔淀粉的偏光顯微和掃描電鏡圖。原淀粉的顆粒較為完整,偏光十字明顯,大多呈不規(guī)則多角形,且部分顆粒表面存在微孔,這些孔有助于酶與淀粉的接觸[17],影響酶對淀粉的作用形式[17,18]。淀粉顆粒經(jīng)酶解預(yù)處理后,仍有偏光特性,但是隨著酶解程度的增加,淀粉顆粒表面出現(xiàn)部分破損,疏水多孔淀粉偏光十字的雙折射強(qiáng)度逐漸減弱。當(dāng)水解率超過20%時(shí),偏光十字不明顯,表明淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)無序化程度增加。
隨著水解率的升高,淀粉顆粒逐漸被破碎,表面孔徑增大,孔洞加深。尤其是當(dāng)水解率為20.50%和27.80%時(shí),內(nèi)部完全被水解,形成空腔,符合“由內(nèi)向外”的水解模式,這與Sarikaya等[19]報(bào)道的α-淀粉酶對玉米淀粉水解模式一致,即淀粉酶先通過顆粒本身的孔洞或者對易水解區(qū)域進(jìn)行水解,進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部,然后又從內(nèi)部向外開始水解,減弱淀粉顆粒結(jié)構(gòu),最終使淀粉顆粒破碎。
2.2.2 紅外光譜分析
圖2 疏水多孔淀粉的紅外圖譜Fig.2 FT-IR spectra of hydrophobic porous starch
淀粉的基本單位是α-D-(+)無水葡萄糖,主要的特征吸收峰來自C2和C3連接的仲醇羥基,C6連接的伯醇羥基以及α-D-吡喃環(huán)結(jié)構(gòu)。
這些結(jié)構(gòu)的特征峰分別是在 3381 cm-1,由 O-H伸縮振動產(chǎn)生的;2929 cm-1為C-H的伸縮振動產(chǎn)生的;1644 cm-1是H2O的彎曲振動產(chǎn)生的;1082 cm-1是與仲醇羥基相連的 C-O的伸縮振動產(chǎn)生的;1015 cm-1是與伯醇羥基相連的C-O的伸縮振動產(chǎn)生的吸收峰。淀粉經(jīng)辛烯基琥珀酸酐酯化后,在 1724 cm-1和1573 cm-1處出現(xiàn)新的吸收峰,分別為C=O和-COO-產(chǎn)生的特征吸收峰,并且隨著取代度的增大,1724 cm-1和1573 cm-1處的吸收峰增強(qiáng)[20]。
圖2為玉米原淀粉及經(jīng)酶解預(yù)處理和OSA改性的淀粉紅外圖譜,從圖中可看出,與玉米原淀粉相比,改性淀粉在1724 cm-1和1573 cm-1位置出現(xiàn)了兩個(gè)新的吸收峰,證明淀粉與 OSA發(fā)生了酯化反應(yīng)[21],但峰強(qiáng)度不大,說明OS基團(tuán)的酯化程度較低。而且隨著水解率的增大,兩個(gè)特征吸收峰變得更為扁平,DH-27.8%樣品的兩個(gè)特征吸收峰峰面積明顯小于DH-3.47%樣品,說明隨著水解率的增加,改性淀粉的取代度逐漸降低,這與取代度的測定結(jié)果一致(表1)。
2.2.3 疏水多孔淀粉的取代基團(tuán)分布
圖3 疏水多孔淀粉激光共聚焦顯微圖Fig.3 CLSM of hydrophobic porous starch
圖3是疏水多孔淀粉的激光共聚焦顯微照片,圖中紅色部分為OS基團(tuán)熒光顯色部分。玉米原淀粉未被激發(fā)出熒光(照片未列出),而不同水解率的酯化多孔淀粉樣品均檢測到不同程度的熒光強(qiáng)度,這表明MB+可特異性標(biāo)記OS基團(tuán)的-COO-。
由圖可見,OS基團(tuán)在整個(gè)顆粒均有分布,大部分熒光反映在顆粒的外圍。由于 OSA在水中溶解度較低,水相中共存溶解的OSA及其小液滴。根據(jù)OSA液滴的大小,一般只在淀粉顆粒表面進(jìn)行反應(yīng),也有可能滲透入淀粉顆粒的孔道從而進(jìn)入內(nèi)核區(qū)域。只有充分溶解的 OSA才能滲透到整個(gè)淀粉顆粒。由于顆粒表面既能與 OSA小液滴反應(yīng),也能與充分溶解的OSA反應(yīng),所以未經(jīng)酶解預(yù)處理時(shí),OS淀粉表面的熒光強(qiáng)度較內(nèi)部大。這與Shogren等[22]利用背景散射電子顯微鏡報(bào)道OS基團(tuán)在淀粉顆粒的分布情況是一致的,認(rèn)為OS基團(tuán)主要分布在淀粉顆粒的表面及非結(jié)晶區(qū),淀粉顆粒的表面是顆粒內(nèi)部的2~4倍。
隨著水解率的增加,淀粉顆粒的表面熒光強(qiáng)度逐漸降低,而淀粉顆粒內(nèi)部的熒光強(qiáng)度卻逐漸升高。這是因?yàn)槠胀ㄓ衩椎矸垲w粒是A型谷物淀粉,其內(nèi)核結(jié)構(gòu)松散,且有大量的通道將淀粉顆粒表面與中心相連,OSA液滴可由小孔通道進(jìn)入玉米淀粉顆粒的內(nèi)部發(fā)生酯化反應(yīng);同時(shí)酶水解破壞淀粉顆粒的表面結(jié)構(gòu),形成了由外至內(nèi)的孔道,OSA通過孔道進(jìn)入顆粒內(nèi)部發(fā)生酯化反應(yīng)。Zhang等[23]在研究玉米淀粉消化性時(shí)發(fā)現(xiàn),酶(α-淀粉酶:~5 nm;淀粉葡萄糖苷酶:8~10 nm)可以通過淀粉顆粒表面孔徑(0.1~0.3 μm),經(jīng)通道(0.07~0.1 μm)進(jìn)入到淀粉的內(nèi)部,然后由內(nèi)向外進(jìn)行酶解。
2.3.1 吸油率和油的選擇性
圖4 疏水多孔淀粉的吸油率和對不同油的吸收性能Fig.4 Oil absorption rate of hydrophobic porous starch and oil absorption capacity for different kinds of oil
圖4a為不同水解率下疏水淀粉吸油率的變化。由圖知隨著水解率增加,疏水多孔淀粉的吸油率升高。當(dāng)水解率為27.80%時(shí),其吸油率高達(dá)52.30%,較玉米原淀粉提高了77.89%,可能是因?yàn)殡S著水解率的增大,多孔淀粉的孔洞加深,孔徑增大,但淀粉顆粒結(jié)構(gòu)并未完全被破壞,吸油率仍表現(xiàn)隨水解率增加而升高趨勢。而添加OSA和Al3+后,其吸油率與對照樣相比增加,如當(dāng)水解率為27.80%,較未疏水改性的多孔淀粉提高7.84%,這是因?yàn)镺SA酯化淀粉的長鏈酯基取代原淀粉親水的羥基,提高了淀粉顆粒的親油性能[12],且通過有機(jī)酯鍵與淀粉的羥基結(jié)合引入化學(xué)鍵,強(qiáng)化了顆粒中的氫鍵;同時(shí)Al3+的添加取代了淀粉顆粒表面的多個(gè)羧基氫原子,通過交聯(lián)和橋連實(shí)現(xiàn)對淀粉顆粒表面羥基的屏蔽,進(jìn)一步提高了淀粉的疏水性,使改性淀粉的吸油率隨之提高。結(jié)合圖3可知,水解率較小時(shí),OS基團(tuán)多分布于顆粒外部,吸油率較低,當(dāng)水解率較大時(shí),OS基團(tuán)更多分布于淀粉顆粒內(nèi)部,吸油率越高。
圖4b為疏水多孔淀粉對不同油的吸收性能,由圖可知疏水多孔淀粉對玉米油、機(jī)油和柴油的吸附能力分別為80.41%,52.30%和41.93%。疏水多孔淀粉主要是利用微弱的范德華力吸油以及淀粉顆粒內(nèi)部的孔洞容積吸油,對不同油的吸收能力受油的密度[24,25]和粘度[25]影響。常溫下,玉米油、機(jī)油和柴油的密度分別為0.92、0.91和0.83 g/mL,粘度分別為72~500、65~1000和2.28~6.08 cP,一定空間內(nèi)可存儲質(zhì)量更大的玉米油和機(jī)油,而儲存的柴油質(zhì)量相對較小。
從圖4(b)還可看出疏水多孔淀粉在動態(tài)條件下的吸油率大于靜態(tài)條件下的吸油率。這是因?yàn)樵陟o態(tài)條件下,淀粉顆粒之間的粘滯性阻礙了油滴與淀粉顆粒之間的接觸,使其難以滲入疏水多孔淀粉顆粒內(nèi)部,因此在靜態(tài)條件下其吸油率較低;相反在動態(tài)條件下,磁力攪拌的作用使油滴充分滲透進(jìn)入淀粉顆粒的內(nèi)部孔洞,并且呈分散狀態(tài)的淀粉顆粒之間也能吸附更多的油,均有助于疏水多孔淀粉吸油率的提高。
2.3.2 油水選擇性和保油能力
圖5 疏水多孔淀粉的油水選擇性和保油性能Fig.5 Oil-water selectivity and oil retention capacity of hydrophobic porous starch
圖 5a為疏水多孔淀粉在油水體系中的吸油率和吸水率,吸水率在 6%左右,表明疏水多孔淀粉在吸油的同時(shí)也會吸水,但是其吸水量很小。這是因?yàn)榈矸劢?jīng)疏水酯化和金屬Al3+交聯(lián)后,鋁離子橋連上三個(gè)羧基,屏蔽了淀粉表面的羥基,淀粉顆粒的親水性迅速減弱,導(dǎo)致對水的吸收率較小。同時(shí)對比圖5a與圖4b,發(fā)現(xiàn)在油水體系中,疏水多孔淀粉對油的吸附性較飽和吸油率降低,是因?yàn)樵谟退w系中,疏水多孔淀粉吸收的水占據(jù)了部分淀粉顆粒的孔洞,導(dǎo)致其吸油量減小。
圖5b是不同離心力下疏水多孔淀粉的吸油率,從圖中看出隨著離心力的增大,淀粉的保油率有所降低,但是降低幅度很小,基本保持在90%以上,說明所制備的疏水多孔淀粉吸油材料的保油性能良好。疏水多孔淀粉因酶解形成的孔道吸收油之后,在其表面形成一層油膜以阻止油的溢出;酶解后進(jìn)行酯化交聯(lián)使淀粉具有很好的機(jī)械性能而且不易變形,增強(qiáng)保油性能。
采用酶解、OSA酯化和Al3+交聯(lián)的處理方式制備了疏水多孔淀粉,提高了玉米淀粉對機(jī)油的吸附能力,當(dāng)水解率為 27.80%時(shí),疏水多孔淀粉吸油率高達(dá)52.30%,比玉米原淀粉提高了77.89%;對玉米油、機(jī)油和柴油的吸油率分別為80.41%,52.30%和41.93%;在油水體系中吸水率只有6%左右,油水選擇性能好;具有很好的保油性能,在800 g離心力下保油率基本不變。
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