樊艷葉,楊 慧,廖安平,劉 濤,周麗紅,曾藝君,林日輝,*,廖 威

(1.廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,生物轉(zhuǎn)化與過(guò)程反應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧 530006;2.廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西多糖材料與改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,廣西南寧 530006;3.廣西民族大學(xué)相思湖學(xué)院,廣西南寧 530006;4.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西南寧 530006)

木薯淀粉是三大薯類淀粉之一,與其它淀粉相比,其資源豐富、價(jià)格低廉、淀粉含量高,還具有粘度高、滲透力強(qiáng)及成膜性好等特性,被廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1]。然而,木薯淀粉存在耐高溫、耐酸性差等缺點(diǎn)，限制了其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用,因此對(duì)木薯淀粉進(jìn)行改性研究,具有重要的意義[2]。酯化改性是淀粉改性常用的一種方法,但由于淀粉存在以氫鍵為主要作用力的結(jié)晶區(qū)[3-4],導(dǎo)致原淀粉的酯化反應(yīng)取代度較低[5-7]。李賀等[8]報(bào)道利用氫氧化鈉/尿素混合水溶液對(duì)木薯淀粉進(jìn)行活化預(yù)處理,能夠破壞淀粉結(jié)晶區(qū),降低淀粉結(jié)晶度，可以提高淀粉的反應(yīng)活性,從而提高酯化反應(yīng)取代度。目前關(guān)于淀粉去結(jié)晶化方法的報(bào)道比較多,Liu等[9]報(bào)道了在中等濃度的醇水兩相溶劑中可加熱制備非晶化淀粉;徐立宏等[10]利用醇?jí)A液處理淀粉,獲得完全非晶化淀粉。然而這些報(bào)道主要集中在如何直接獲得完全非晶化的淀粉,而對(duì)于如何有效地控制淀粉去結(jié)晶化的程度的研究則相對(duì)較少。本文利用90%乙醇作為溶劑,采用高溫醇?jí)A法處理木薯淀粉,通過(guò)單因素試驗(yàn)探討了不同堿濃度、溫度、時(shí)間以及料液比對(duì)木薯淀粉去結(jié)晶化的影響,以探索木薯淀粉可控去結(jié)晶化的優(yōu)化條件,為后續(xù)的木薯淀粉酯化改性工作研究,以及木薯淀粉去結(jié)晶過(guò)程和重結(jié)晶過(guò)程的機(jī)理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉 食品級(jí),廣西岑溪市三角淀粉有限責(zé)任公司;氫氧化鈉 分析純,成都金山化學(xué)試劑有限公司;無(wú)水乙醇 分析純,成都市科隆化學(xué)品有限公司。

MiniFlex600型X射線衍射儀 日本理學(xué)公司;HJ-3型數(shù)顯恒溫磁力攪拌器 常州國(guó)華電器有限公司;AL104型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;SHB-III型循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;反應(yīng)釜 30 mL平蓋式，西安儀創(chuàng)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備有限公司;WGLL-65BE型電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 可控去結(jié)晶化淀粉的制備 稱取一定量木薯淀粉置于反應(yīng)釜中,加入一定體積的醇?jí)A液,將反應(yīng)釜放到電熱鼓風(fēng)干燥箱中,開(kāi)啟電源,設(shè)置一定的溫度與時(shí)間進(jìn)行淀粉去結(jié)晶化反應(yīng)。待反應(yīng)結(jié)束后,冷卻,真空抽濾取濾餅,用85%乙醇洗滌三次,再用無(wú)水乙醇洗滌兩次,置于室溫(30±1) ℃,自然晾干得去結(jié)晶淀粉供后續(xù)分析。每個(gè)反應(yīng)條件設(shè)置3個(gè)平行,結(jié)晶度計(jì)算取平均值。

1.2.2 堿濃度對(duì)木薯淀粉去結(jié)晶化的影響 配置堿濃度為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 mol/L的90%乙醇?jí)A溶液,在溫度為120 ℃,時(shí)間為4 h,料液比為1∶15 (g∶mL)的條件下進(jìn)行木薯淀粉去結(jié)晶化處理,所得產(chǎn)品進(jìn)行X-射線衍射分析。

1.2.3 處理溫度對(duì)木薯淀粉去結(jié)晶化的影響 設(shè)置溫度為110、120、130、140、150 ℃,在堿濃度為0.75 mol/L的90%乙醇?jí)A溶液,時(shí)間為4 h,料液比為1∶15 (g∶mL)的條件下進(jìn)行木薯淀粉去結(jié)晶化處理,所得產(chǎn)品進(jìn)行X-射線衍射分析。

1.2.4 處理時(shí)間對(duì)木薯淀粉去結(jié)晶化的影響 設(shè)置時(shí)間為2、3、4、5、6 h,堿濃度為0.75 mol/L的90%乙醇?jí)A溶液,溫度為120 ℃,料液比為1∶15 (g∶mL)的條件下進(jìn)行木薯淀粉去結(jié)晶化處理,所得產(chǎn)品進(jìn)行X-射線衍射分析。

1.2.5 料液比對(duì)木薯淀粉去結(jié)晶化的影響 設(shè)置料液比為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25,堿濃度為0.75 mol/L的90%乙醇?jí)A溶液,溫度為120 ℃,時(shí)間為4 h的條件下進(jìn)行木薯淀粉去結(jié)晶化處理,所得產(chǎn)品進(jìn)行X-射線衍射分析。

1.2.6 X-射線衍射分析 實(shí)驗(yàn)條件:Cu(ka)射線,Ni片濾波,電壓40 kV,電流15 mA,掃描步長(zhǎng)為0.02 °,掃描速率為8 °/min,掃描范圍2θ為4～30 °[11]。采用 Origin 9.0 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行作圖。利用MDI Jade 6.0 軟件,計(jì)算可控去結(jié)晶化處理后的木薯淀粉的相對(duì)結(jié)晶度:

式中:Imax晶表示扣除背底的微晶區(qū)最大衍射強(qiáng)度;Imax總表示總的最大衍射強(qiáng)度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)處理重復(fù)3次,所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。用Excel 2010進(jìn)行顯著性方差分析和線性相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同堿濃度對(duì)木薯淀粉的去結(jié)晶化的影響

堿濃度處理對(duì)木薯淀粉的影響的X射線衍射如圖1。由圖1可知,原木薯淀粉在15.08、17.16、17.83以及23.04 °附近出現(xiàn)四個(gè)強(qiáng)的衍射吸收峰,表明其晶體的結(jié)晶構(gòu)型屬于典型的A型[12-14]。與原木薯淀粉相比,去結(jié)晶化處理的木薯淀粉,其衍射吸收峰強(qiáng)度隨著堿濃度的變化,表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化。當(dāng)堿濃度為0.25 mol/L時(shí),處理后的淀粉在2θ為14.98、17.10、17.86以及22.94 °處仍保留有四個(gè)衍射吸收峰,沒(méi)有峰的消失或新峰的出現(xiàn),說(shuō)明該堿濃度下并沒(méi)有改變淀粉的晶體結(jié)構(gòu)類型,其晶型仍保持A型;當(dāng)堿濃度為0.50、0.75 mol/L時(shí),17.16 °處的衍射峰消失,其余三個(gè)衍射吸收峰的2θ角均隨堿濃度的提高而下降，其中,堿濃度為0.75 mol/L,木薯淀粉的衍射吸收峰2θ為14.68、17.63和22.76 °,淀粉晶體結(jié)構(gòu)被破壞,其晶型發(fā)生變化。當(dāng)堿濃度為1.00 mol/L時(shí),15.08和23.04 °處的衍射吸收峰消失,淀粉晶體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,喪失其原有晶型;進(jìn)一步提高堿濃度至1.25 mol/L時(shí),木薯淀粉的衍射吸收尖峰完全消失,整個(gè)衍射圖呈現(xiàn)出平緩的拱形峰,其晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全遭到破壞,其晶型已經(jīng)變?yōu)榈湫偷臒o(wú)定形狀態(tài),此衍射圖結(jié)果與孫丹丹等[15]報(bào)道的機(jī)械球磨制備非晶化木薯淀粉的相似。根據(jù)衍射圖譜計(jì)算反應(yīng)體系中堿濃度對(duì)木薯淀粉結(jié)晶度影響的結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn),隨著堿濃度的增大,木薯淀粉的衍射吸收峰的衍射強(qiáng)度不斷減弱,總結(jié)晶度不斷降低。上述結(jié)果表明,堿濃度可極顯著影響木薯淀粉可控去結(jié)晶化(p<0.01),其對(duì)木薯淀粉的相對(duì)結(jié)晶度的影響具有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性(r=-0.97),且可影響木薯淀粉晶型的變化程度。堿對(duì)淀粉的作用機(jī)制可以解釋為淀粉是一種弱離子交換劑,當(dāng)?shù)矸鄯肿优c堿作用時(shí),淀粉分子上羥基基團(tuán)的質(zhì)子發(fā)生解離并在淀粉分子上留下負(fù)電荷,這些負(fù)電荷之間的相互排斥作用導(dǎo)致淀粉顆粒的膨脹,對(duì)鄰近的淀粉分子微粒產(chǎn)生張力并趨向于使其扭曲,而進(jìn)一步的溶脹導(dǎo)致雙螺旋區(qū)域的解離以及晶體結(jié)構(gòu)的破裂,結(jié)果使微晶結(jié)構(gòu)被破壞[16]。

圖1 不同堿濃度處理下木薯淀粉樣品的X射線衍射圖Fig.1 X-ray diffraction patterns of cassava starch samples treated with different alkali contents

堿濃度(mol/L)總累積衍射強(qiáng)度Imax總微晶區(qū)累積衍射強(qiáng)度Imax晶相對(duì)結(jié)晶度(%)原木薯淀粉910.00±2.00215.00±4.3623.63±0.490.25703.67±3.07144.33±2.8220.51±1.340.50639.33±4.14125.00±3.6119.55±0.030.75565.67±3.7272.33±2.2812.79±0.451.00493.00±2.1541.50±1.928.42±3.541.25437.33±2.310.000.00

2.2 不同溫度處理木薯淀粉的X射線衍射分析

溫度處理對(duì)木薯淀粉的影響的X射線衍射如圖2。與原木薯淀粉相比,去結(jié)晶化處理的木薯淀粉,其衍射吸收峰強(qiáng)度隨著溫度的變化而變化,表現(xiàn)出與堿處理淀粉相似的變化規(guī)律。當(dāng)溫度為110、120及130 ℃時(shí),17.16 °處的衍射吸收峰消失,其余三個(gè)衍射峰的2θ角與原木薯淀粉相比下降,其中,溫度為110 ℃時(shí),為14.92、17.63和22.97 °;溫度為120 ℃時(shí),為14.68、17.63和22.76 °;溫度為130 ℃時(shí),為14.88、17.59、22.90 °。淀粉的晶體結(jié)構(gòu)被破壞,其晶型發(fā)生改變。溫度為140、150 ℃時(shí),15.08和23.04 °處的衍射吸收峰消失,淀粉的晶體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,其原有晶型喪失。根據(jù)衍射圖譜計(jì)算反應(yīng)體系中溫度對(duì)木薯淀粉結(jié)晶度影響的結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn),隨著溫度的增高,木薯淀粉的衍射吸收峰的衍射強(qiáng)度不斷減弱,總結(jié)晶度不斷降低。上述結(jié)果表明,溫度也可極顯著影響木薯淀粉的可控去結(jié)晶化(p<0.01),與堿濃度的影響相類似,處理溫度對(duì)木薯淀粉相對(duì)結(jié)晶度的影響也具有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性(r=-0.84),且影響其晶型的變化程度。溫度對(duì)木薯淀粉的作用機(jī)制可以參照陳福泉等[17]的解釋,即淀粉在醇水相中,低含量的水分(<30%)以及醇、水間形成氫鍵,造成水分活度低,進(jìn)而抑制了水分子在淀粉內(nèi)部對(duì)淀粉分子鏈之間氫鍵的破壞,而將溫度增高到一定程度時(shí),由于水分子運(yùn)動(dòng)加快,醇水之間的氫鍵斷裂,水分活度增強(qiáng),水分子在淀粉顆粒中破壞淀粉分子鏈之間的締合狀態(tài),淀粉顆粒內(nèi)部的結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)鏈分子之間的氫鍵斷裂,使得淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞。溫度越高,水分活度越強(qiáng),對(duì)淀粉顆粒的破壞也越強(qiáng)烈。

圖2 不同處理溫度下木薯淀粉樣品的X射線衍射圖Fig.2 X-ray diffraction patterns of cassava starch samples treated with different temperatures

溫度(℃)總累積衍射強(qiáng)度Imax總微晶區(qū)累積衍射強(qiáng)度Imax晶相對(duì)結(jié)晶度(%)原木薯淀粉910.00±2.00215.00±4.3623.63±0.49110649.00±4.55130.67±1.0120.13±1.22120565.67±3.7272.33±2.2812.79±0.45130554.33±3.6576.33±4.5013.77±0.97140491.33±2.5040.67±5.898.28±0.29150519.00±2.4431.00±3.005.97±1.65

2.3 不同時(shí)間處理木薯淀粉的X射線衍射分析

時(shí)間處理對(duì)木薯淀粉的影響的X射線衍射如圖3。與原木薯淀粉相比,去結(jié)晶化處理的木薯淀粉,其衍射吸收峰強(qiáng)度表現(xiàn)出獨(dú)特的變化規(guī)律。經(jīng)過(guò)不同時(shí)間處理的木薯淀粉,17.16 °處的衍射吸收峰均消失,其余三個(gè)衍射吸收峰的2θ角均下降,但下降的幅度有所差異,具體表現(xiàn)為:時(shí)間為2 h時(shí),木薯淀粉的衍射吸收峰在2θ為14.97、17.70和22.75 °;3 h時(shí),為14.97、17.62和22.67 °;4 h時(shí),為14.68、17.63和22.76 °;5 h時(shí),為15.13、17.70和22.67 °;6 h時(shí),為14.97、17.78和22.83 °。說(shuō)明不同的處理時(shí)間,木薯淀粉的晶體結(jié)構(gòu)受到破壞的程度相差不大,其晶型都保持在同一類型。根據(jù)衍射圖譜計(jì)算反應(yīng)體系中處理時(shí)間對(duì)木薯淀粉結(jié)晶度影響的結(jié)果見(jiàn)表3?？梢?jiàn),隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),木薯淀粉的衍射吸收峰強(qiáng)度先減弱后增強(qiáng),總結(jié)晶度先下降后上升。上述結(jié)果表明,時(shí)間對(duì)木薯淀粉可控去結(jié)晶化影響不顯著(p>0.05),其對(duì)木薯淀粉結(jié)晶度的影響是非線性的(r=-0.02),且難以控制其晶型的變化程度。時(shí)間因素對(duì)木薯淀粉可控去結(jié)晶化的影響主要是隨著時(shí)間的延長(zhǎng),高溫體系中的水分子逐漸被活化至某一時(shí)間點(diǎn)完全被活化,淀粉的結(jié)晶區(qū)逐漸被破壞,因此結(jié)晶度下降。繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間,已經(jīng)沒(méi)有可活化的水分子繼續(xù)破壞淀粉結(jié)晶區(qū),但體系一直處于高溫狀態(tài),因此熱能可使之前被破壞的結(jié)晶區(qū)淀粉鏈與無(wú)定形區(qū)的淀粉鏈處于非常活躍的狀態(tài),從而發(fā)生鏈淀粉與鏈淀粉之間的交互作用,使得分子鏈上的羥基相互作用形成氫鍵,產(chǎn)生新的雙螺旋結(jié)構(gòu),形成新的結(jié)晶體,因而在X射線衍射圖中顯示為峰位加強(qiáng),結(jié)晶度上升[17]。

圖3 不同處理時(shí)間下木薯淀粉樣品的X射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction patterns of cassava starch samples treated at different time

2.4 不同料液比處理木薯淀粉的X射線衍射分析

料液比處理對(duì)木薯淀粉的影響的X射線衍射如圖4。與原木薯淀粉相比,去結(jié)晶化處理的木薯淀粉,其衍射吸收峰強(qiáng)度的變化規(guī)律與時(shí)間處理的相類似。經(jīng)過(guò)不同料液比處理的木薯淀粉,17.16 °的衍射吸收峰均消失,其余的三個(gè)衍射峰的2θ角均下降,但下降的幅度有所差異,具體表現(xiàn)為:料液比為1∶5 (g∶mL)時(shí),為14.88、17.69和22.82 °;1∶10 (g∶mL)時(shí),為14.81、17.62和22.75 °;1∶15 (g∶mL)時(shí),為14.68、17.63和22.76 °;1∶20 (g∶mL)時(shí),為14.64、17.62和22.75 °;1∶25 (g∶mL)時(shí),為14.97、17.87和22.83 °。說(shuō)明不同的料液比,木薯淀粉的晶體結(jié)構(gòu)受到破壞的程度是相似的,其晶型都保持在同一類型。根據(jù)衍射圖譜計(jì)算反應(yīng)體系中料液比對(duì)木薯淀粉結(jié)晶度影響的結(jié)果見(jiàn)表4?？梢?jiàn),隨著料液比的增大,木薯淀粉的衍射吸收峰強(qiáng)度先減弱后增強(qiáng),總結(jié)晶度先下降后上升。上述結(jié)果表明,料液比可顯著影響木薯淀粉可控去結(jié)晶化(p<0.05),其對(duì)木薯淀粉結(jié)晶度的影響是非線性的(r=0.14),但不能有效控制淀粉晶型的變化程度。料液比對(duì)木薯淀粉的影響主要是通過(guò)堿、水分及乙醇這三者對(duì)木薯淀粉形成的兩種相反作用力的相互抗衡而起作用[18]。堿對(duì)木薯淀粉具有破壞作用,而在不改變熱量使水分活化的前提下,低含量的水分則會(huì)與乙醇形成氫鍵,其對(duì)木薯淀粉具有保護(hù)作用。

料液比(g∶mL)總累積衍射強(qiáng)度Imax總微晶區(qū)累積衍射強(qiáng)度Imax晶相對(duì)結(jié)晶度(%)原木薯淀粉910.00±2.00215.00±4.3623.63±0.491∶5689.50±5.65129.00±3.9718.71±1.531∶10611.67±3.73112.00±2.0018.31±0.051∶15565.67±3.7272.33±2.2812.79±0.451∶20607.33±2.1495.00±1.0115.64±1.501∶25563.00±5.5296.00±3.8217.05±1.36

3 結(jié)論

利用高溫醇?jí)A法可制備可控去結(jié)晶化木薯淀粉。堿濃度及溫度可極顯著影響木薯淀粉的可控去結(jié)晶化(p<0.01),體系的堿濃度由0.25 mol/L增大到1.25 mol/L,可有效控制木薯淀粉的晶型由A型轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定形狀態(tài),其相對(duì)結(jié)晶度從23.63%逐漸降至0;處理溫度由110 ℃增加到150 ℃,可有效控制木薯淀粉的晶型由A型轉(zhuǎn)變?yōu)橼呌跓o(wú)定形狀態(tài),其相對(duì)結(jié)晶度由23.63%降至5.97%。通過(guò)調(diào)節(jié)體系的處理時(shí)間(2～6 h)、料液比(1∶5～1∶25)均能夠有效控制木薯淀粉的相對(duì)結(jié)晶度先降低后增高,但難于控制其晶型的變化。堿濃度、處理溫度對(duì)木薯淀粉去結(jié)晶化過(guò)程中相對(duì)結(jié)晶度的影響具有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性(r<-0.80),而處理時(shí)間和料液比的影響則是非線性的(r≈0)。