孫秋月，王若樺，吳非

（東北農業(yè)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

天然馬鈴薯淀粉（natural potato starch，NPS）是一種產(chǎn)量豐富、價格低廉的天然資源，與其它淀粉相比，馬鈴薯淀粉的直鏈淀粉相對分子量更高，具有糊化溫度較低、黏度增加快等優(yōu)點。但馬鈴薯淀粉顆粒作為乳化劑，其粒徑大、疏水性較差，因此需要與辛烯基琥珀酸酐（ocentyl succinic anhydride，OSA）反應，以獲得具有兩親性的固體顆粒[1]。OSA 改性手段于1965 年由美國Caldwell 等發(fā)明[2]，應用范圍廣且需求量大，成為了變性淀粉領域的研究熱點之一。鐘敏賢[3]首次分離出純度較高的馬鈴薯直鏈淀粉與支鏈淀粉，分別以之為原料，制備辛烯基琥珀酸馬鈴薯淀粉酯及其酶解樣品，應用于微膠囊壁材中。彭曄[4]采用酶解回生法制備納米級芋頭淀粉顆粒，由于其穩(wěn)定性較好可用于替代潤膚霜配方中的單硬脂酸甘油酯。

隨著需求的不斷增加，OSA 酯化反應的水相法弊端逐漸顯露，因此可以采用超聲波[5]、球磨[6]、擠壓[7]等不同的物理法對淀粉進行前處理，提高酯化反應的反應效率。其中，以超聲波處理最為常見[8]，超聲處理可使淀粉顆粒的形貌發(fā)生不同程度的變化，Zhang 等[9]的研究結果表明，超聲波的空化效應誘導淀粉顆粒產(chǎn)生裂縫和空隙，進而提高淀粉的反應效率。因此本文選擇超聲波這一物理法進行前處理，探究超聲波處理對馬鈴薯酯化淀粉顆粒的結構及功能的影響，以期為馬鈴薯淀粉作為乳化劑的發(fā)展奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉（優(yōu)級品）：哈爾濱華濤淀粉制品有限公司；2-辛烯基琥珀酸酐：上海麥克林生化科技有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇、硝酸銀、酚酞（均為分析純）：北京新光化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

超聲波細胞粉碎機（JY92-IIN）：寧波新芝生物科技股份有限公司；鼓風干燥箱（DHG-92440A）：上海一恒科學儀器有限公司；精密酸度計（PHS-3C）：上海精密科學儀器有限公司；水浴恒溫磁力攪拌器（HSJ-4）：鞏義市予華儀器有限責任公司；激光粒度儀（S3500）：美國麥克奇儀器有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolet is50）：賽默飛世爾科技(中國)有限公司；Panalytical 臺式X 射線衍射儀：帕納科公司；鎢燈絲掃描電子顯微鏡（S-3400N）：日本日立公司；視頻接觸角測量儀（OCA20）：德國DATA PHYSICS 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 超聲波酯化淀粉的制備

取少量馬鈴薯淀粉，配制成一定濃度的淀粉乳，參考Liu 等[10]的方法稍作修改，采用超聲波細胞粉碎機進行超聲處理，超聲功率分別是250、300、350、400 W和500 W，超聲時間為15 min。取少量超聲馬鈴薯淀粉，配制成質量分數(shù)為35%的淀粉溶液，迅速攪拌成勻漿，置于恒溫水浴鍋中繼續(xù)攪拌。待乳液溫度達到35 ℃時，用3%氫氧化鈉溶液使pH 值保持在8.5，堿化20 min 后，將用無水乙醇稀釋3 倍的3%OSA（以淀粉干基計）緩慢滴入，并在2 h 內完成加入，在反應過程中需要持續(xù)地用恒溫磁力攪拌器攪拌，使pH 值保持在8.5，反應4 h 后，用濃度為3%的鹽酸溶液對反應體系進行中和，使pH 值達到6.5 左右，立即終止酯化反應。完成反應后，用70%乙醇溶液進行3 次抽濾洗滌，再用蒸餾水進行3 次離心洗滌，每次以4 000 r/min 洗滌3 min，然后于40 ℃烘箱中干燥過夜、研磨至均勻無結塊，再將其粉碎過篩稱重，即得OSA 馬鈴薯淀粉。將水相法和不同超聲功率輔助制備的OSA 淀粉分別命名為OPS、UOPS-250 W、UOPS-300 W、UOPS-350 W、UOPS-400 W、UOPS-500 W。

1.3.2 超聲馬鈴薯淀粉酯取代度和反應效率的測定

取代度（degree of substitution，DS）的測定參照Zainal Abiddin 等[11]的方法，并根據(jù)實際情況作改進。稱取1.50 g 樣品將其置于燒杯中，取50 mL 95%的乙醇倒入燒杯中，磁力攪拌10 min 后加入2 mol/L 的鹽酸-乙醇溶液15 mL，再攪拌30 min。將得到的樣品用90%乙醇進行抽濾，直至沒有氯離子。將樣品倒入三角瓶后用蒸餾水進行溶解，經(jīng)過沸水浴30 min 后，向溶液中加入2 滴酚酞，趁熱用濃度為0.1 mol/L 的NaOH 標準溶液滴定，至溶液顏色為粉色。用對應的未改性的淀粉按上述方法進行測定作為空白對照組。取代度（X）通過以下公式計算。

式中：A 為消耗的0.1 mol/L 氫氧化鈉標準溶液的體積，mL；M 為滴定用NaOH 溶液的物質的量，mol/L；W 為改性淀粉的質量，g。

反應效率（reaction efficiency，RE，%）通過以下公式計算。

式中：Y 為理論取代度；W1為OSA 的質量，g；W2為辛烯基琥珀酸淀粉酯的質量，g。

1.3.3 顆粒粒徑的測定

采用激光粒度儀測定超聲酯化馬鈴薯淀粉顆粒的顆粒大小及分布。將去離子水加入超聲輔助制備的馬鈴薯淀粉酯中，配制成懸浮液，濃度為1%，放入激光粒度儀中，在20 ℃條件下，檢測淀粉酯的粒度分布，設置分散液與顆粒的折射指數(shù)分別為1.33 和1.53，去離子水為分散介質。

1.3.4 顆粒分子結構的測定

利用傅里變換葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometry，F(xiàn)TIR）采集超聲酯化馬鈴薯淀粉的紅外吸收峰，識別改性淀粉中存在的特征官能團。傅里葉變換紅外光譜儀的相關參數(shù)為分辨率4 cm-1，掃描范圍400～4 000 cm-1，進行32 次掃描。取0.1 mg 樣品，加入適量的干燥溴化鉀粉末進行壓片。

1.3.5 顆粒晶體結構的測定

使用X-射線衍射儀測定超聲酯化馬鈴薯淀粉的晶體特性。在特征射線為CuKα 的測定條件下，發(fā)散狹峰和防發(fā)散狹峰均為1°，步長為0.02°，接受狹峰為0.16 mm。其中電壓40 kV，燈絲電流100 mA，掃描速度4°/min，衍射角（2θ）范圍5°～40°。

1.3.6 顆粒微觀結構測定

用掃描電子顯微鏡對NPS、OPS、UOPS 的形貌進行觀察。通過導電膠將一定量干燥的樣品均勻地分散到樣品臺上，輕輕吹去浮樣，進行噴金處理，通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）在2 000 倍的放大倍數(shù)加速電壓5 kV 的條件下觀察淀粉顆粒形貌。

1.3.7 顆粒疏水性的測定

通過壓片機將適量的粉末樣品壓成平整圓片，直徑和厚度分別為12 mm 和2 mm，使用光學接觸角測量顆粒接觸角，測定方法為坐滴法，通過精密微注射器將一滴油（2 滋L）滴在圓片的表面，待油滴平衡后，立即記錄液滴的圖像，并對液滴的輪廓進行數(shù)值求解。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗均進行3 次重復取平均值，采用SPSS 22.0 軟件對多組間數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，以Duncan 檢驗法進行顯著性差異分析，P＜0.05 被認為差異顯著，采用Origin 2018 繪圖。

2 結果與分析

2.1 取代度和反應效率

取代度（DS）和反應效率（RE）是反映淀粉化學活性的指標[12]，并且取代度是影響OSA 淀粉乳化性質最關鍵的因素之一。表1 是反映超聲功率OPS 和UOPS顆粒取代度及反應效率隨超聲功率變化的情況。

表1 OPS 和UOPS 顆粒的取代度與反應效率Table 1 The DS and RE of OPS and UOPS

由表1 可知，OPS 的DS 和RE 分別為15.9×103和60.81%，與水相法相比，超聲波輔助能顯著提高酯化反應DS 和RE（P＜0.05），這與Chen 等[13]的研究結果相一致。在理論上UOPS 顆粒的取代度及反應效率應隨著超聲功率的增加而增大[14]，但由表中可得，超聲功率為300、400 W 和500 W 的取代度與理論取代度有一定的偏差，這與王寶珊等[15]的研究結果一致，可能是由于300 W 和400～600 W 超聲波處理淀粉顆粒分別處于聚集階段和團聚階段，由于具有緊密的結構，反應較難進行，因此取代度及反應效率較小。而當超聲功率為350 W 時，反應效率提高了30%～35%，這是由于超聲波作用下出現(xiàn)的空化作用，在瞬間形成高溫高壓的環(huán)境，將淀粉顆粒中的氣體排出，從而使結構變得松散，對水分子和辛烯基琥珀酸酐油滴進入到內孔中有益，可以提高反應速率[16]。

2.2 顆粒的粒徑分布

圖1 為NPS、OPS 和UOPS 顆粒的粒徑分布圖。

圖1 NPS、OPS、UOPS 顆粒的粒徑分布Fig.1 Size distribution of NPS，OPS and UOPS particles

由圖1 可以看出，NPS、OPS 及UOPS 顆粒粒徑主要分布在13.0～100.3 滋m 范圍內，呈單峰分布。OPS、UOPS 與NPS 顆粒相比平均粒徑略有減小，并且經(jīng)過超聲處理后OSA 馬鈴薯淀粉顆粒的粒徑存在較小變化，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是超聲波處理并不會顯著改變淀粉的平均粒徑，但會提高淀粉顆粒大小的均一性，結論與Falsafi 等[17]結果相一致。其中UOPS 顆粒粒徑?jīng)]有隨著功率的增加而減小，其原因可能是在超聲功率為300～350 W 作用下屬于聚集階段，顆粒結構緊密，顆粒的粒徑較小；當超聲功率為250 W，由于在超聲波的影響下淀粉粒子的形貌發(fā)生了變化，從而導致了內部的松散和粒度增加；功率增加到400～500 W 時淀粉顆粒形貌嚴重破壞，表面處于激活狀態(tài)易團聚，使顆粒粒徑整體增加[18]。平均粒徑的結論與取代度及反應效率的結論相一致。

2.3 顆粒的分子結構

由圖2 可知，圖2 是NPS、OPS 和UOPS 顆粒的紅外光譜圖。

圖2 NPS、OPS 及UOPS 顆粒的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of NPS，OPS and UOPS particles

由圖2 可知，在約3 400 cm-1處，是由于O—H 鍵伸縮振動所產(chǎn)生的典型吸收峰，在2 930 cm-1和1 650 cm-1處出現(xiàn)了由C—H 的伸縮振動和吸附水而形成的特征峰，4 個特征峰分別位于1 162、1 082、1 028 cm-1和931 cm-1處，這4 個特征峰為C—O 的伸縮振動吸收峰[19]。在1 643 cm-1處出現(xiàn)的特征峰可能是由于水和淀粉內部結合所產(chǎn)生[20]。與NPS 相比，OPS 和UOPS在3 400 cm-1處對應的O—H 特征峰強度減弱，在1 726 cm-1和1 572 cm-1附近有兩個新峰出現(xiàn)，證明OPS 和UOPS 檢測到酯羰基鍵的存在，說明經(jīng)過酯化反應后的淀粉引入了新的基團，表明OSA 與NPS 成功發(fā)生了酯化反應[21]。綜上所述，NPS 和OPS、UOPS 除了出現(xiàn)了新峰之外，傅里葉紅外光譜圖基本無差異，這說明酯化反應除引入了辛烯基琥珀酸基團外，未引入其他物質，并且隨著改性淀粉取代度的提高，兩處的新峰越明顯，因此超聲功率為350 W 時，新峰的兩個新條帶更顯著。

2.4 顆粒的晶體結構

X-射線衍射分析是分析與鑒定淀粉顆粒結晶性質的一種手段。圖3 是NPS、OPS 和UOPS 顆粒的X-射線衍射譜圖。

圖3 NPS、OPS、UOPS 顆粒的X-射線衍射譜圖Fig.3 XRD profiles of NPS，OPS and UOPS particles

由圖3 可知，曲線中均出現(xiàn)了尖峰衍射峰和彌散衍射峰，證明樣品中都含有結晶區(qū)和非結晶區(qū)兩種結構。NPS、OPS 和UOPS 顆粒在5.6°、17.3°、22.2°、24.0°（2θ）處有4 個重要的特征峰，為典型的B 型結晶淀粉，并且OPS 和UOPS 顆粒的衍射峰與NPS 顆粒幾乎一致，說明酯化反應主要發(fā)生在淀粉分子無定形區(qū)的羥基上，不會改變淀粉顆粒的晶型結構[22]。與NPS 相比，OPS、UOPS 的結晶度均有一定程度的減小，這是由于OSA 與淀粉分子發(fā)生酯鍵作用，少量OSA 進入結晶區(qū)，破壞了淀粉的雙螺旋結構的有序性[23]。并且結晶度與取代度呈負相關，這是因為淀粉結晶程度越高，即淀粉的分子結構越致密，酯化反應就越困難。值得注意的是，當超聲功率達到300 W 時，其結晶性有明顯的變化，這與淀粉分子的重新排列和聚合有關[9]。此結論與粒徑表現(xiàn)出來的結果相一致。

2.5 顆粒的微觀結構

由于UOPS-350 W 顆粒的紅外光譜圖中顯示馬鈴薯淀粉與辛烯基琥珀酸酐成功發(fā)生酯化反應，馬鈴薯經(jīng)過超聲波輔助酯化后晶體結構沒有發(fā)生變化，并且其取代度及反應效率最高，顆粒粒徑較小，因此選擇此功率下制備的顆粒進行后續(xù)試驗，對比NPS、OPS 及UOPS-350 W3 種顆粒在微觀結構和濕潤性上的區(qū)別。圖4 為NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的SEM 圖像。

圖4 NPS、OPS 和UOPS-350 W 的掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron microscope of NPS，OPS and UOPS-350 W

由圖4 可知，NPS 表面光滑，呈卵圓形，少數(shù)為圓形，無明顯氣孔[24]。OPS 和UOPS-350 W 在OSA 的修飾下，其大小及形態(tài)沒有明顯改變，且結晶結構基本保持完好，但顆粒表面出現(xiàn)明顯腐蝕、破損和凸起，有肉眼可見的淀粉碎片。這種現(xiàn)象與Simsek 等[25]的研究結果一致，可能歸因于在堿性溶液中，直鏈淀粉從顆粒中溶出，在淀粉粒子表面與OSA 發(fā)生酯化反應而生成聚合物，從而沒有進入淀粉結晶區(qū)域，這與XRD 分析結論相符。經(jīng)過UOPS-350 W 形態(tài)變化明顯，表面變得更加粗糙，出現(xiàn)了更多的孔洞和凹陷，可能因為超聲波處理所產(chǎn)生的空化作用使淀粉顆粒產(chǎn)生較為嚴重的破損現(xiàn)象有關[26]。由于超聲波的作用，增加了OSA 油滴與淀粉顆粒接觸面積，進而使得顆粒的反應取代度高。

2.6 顆粒的疏水性

固體顆粒的濕潤性是影響Pickering 乳液形成和穩(wěn)定的因素，一般通過三相接觸角進行表征。通常當接觸角小于90°時，顆粒具有親水性，接觸角的數(shù)值越接近90°，顆粒在油水界面處可能會表現(xiàn)出最強的吸收能力，因而具有更高的乳化穩(wěn)定性[27]。圖5 是反映NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的接觸角大小的圖像。

圖5 NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的接觸角Fig.5 Contact angles of NPS，OPS and UOPS-350 W particles

由圖中5 可知，NPS 的接觸角為39.9°，說明天然淀粉本身是具有一定濕潤性的，因此可通過吸附在油水界面形成界面膜，進而穩(wěn)定乳液[28]。而OPS 和UOPS-350 W 淀粉顆粒的接觸角分別為56.4°和63.2°，說明通過OSA 改性后的淀粉顆粒的接觸角均明顯高于NPS 顆粒，這是由于辛烯基琥珀酸殘基基團引入到馬鈴薯淀粉中的數(shù)量增加，疏水基團被引入到淀粉中，使淀粉親水性減小，因此辛烯基琥珀酸淀粉酯顆粒具有兩親性和界面性[29]。就OPS 與UOPS-350 W 顆粒而言，由于超聲波處理，UOPS-350 W 顆粒對油相的潤濕性也有所增加，進而UOPS-350 W 顆粒具有較好的乳化性，有利于應用到乳液的制備過程。

3 結論

超聲波處理提高酯化反應的反應效率，使經(jīng)過超聲和酯化反應處理的馬鈴薯淀粉的粒徑發(fā)生改變，由于UOPS-350 W 顆粒具有較小的平均粒徑和更好的分散性，說明超聲波處理和酯化反應同時作用于馬鈴薯淀粉，使其具備較好的兩親性，得到乳化性能較好的馬鈴薯淀粉顆粒；對比NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的掃描電子顯微鏡的圖像，顯示超聲波處理不會改變UOPS 顆粒尺寸和形態(tài)，而會使淀粉產(chǎn)生較大的孔洞和凹陷，增加OSA 油滴與馬鈴薯淀粉的接觸面積，明顯提高反應效率，在超聲波處理的情況下，酯化反應取代度和反應效率有所提高；紅外光譜結果表明，與NPS相比，改性淀粉在1 726 cm-1和1 572 cm-1附近有兩個新峰出現(xiàn)，證明酯化反應成功進行；X-射線衍射結果顯示，在淀粉無定形區(qū)內進行的酯化不會對其結晶結構產(chǎn)生任何影響；測定UOPS-350 W 顆粒的三相接觸角的數(shù)值為63.2°，說明超聲功率為350 W 時，該顆粒具有較好的潤濕性，可以應用到穩(wěn)定乳液的領域中，為今后馬鈴薯淀粉在乳液發(fā)展領域奠定基礎。