超聲預處理對濕法陽離子淀粉性質的影響*

張慧，侯漢學，董海洲，劉晗，舒楊，李春雪

(山東農業大學食品科學與工程學院，山東泰安，271018)

我國的陽離子淀粉生產仍以傳統濕法為主，產品取代度、反應效率較低，陽離子淀粉的性質也在多個方面有所欠缺，在染色、絮凝、造紙、紡織行業中的應用需要進一步的改性以及交聯，這就造成目前濕法陽離子淀粉的應用要增加復雜的工序，進一步增加成本［1］。制約產品取代度和反應效率的主要問題是淀粉結晶區分子排布緊密，滲透性差，水、酶以及化學試劑不易滲透進入淀粉顆粒，導致醚化劑與淀粉的反應速率較低。在傳統變性淀粉的生產中主要靠堿破壞淀粉顆粒的結晶區結構，在一定程度上有利于減少反應過程中的擴散阻力，但是過高的堿濃度會導致醚化劑分解的副反應發生，降低反應效率;且較高的堿濃度容易導致淀粉顆粒整體糊化，并且會導致產品中含有較多鹽、堿雜質，難以洗滌［2］。

近年來，超聲技術逐漸應用于淀粉領域。Zhu等［3］采用不同功率超聲處理馬鈴薯淀粉，隨著超聲功率的增加，淀粉顆粒逐漸由緊密結構膨脹成體積更大更疏松的結構，結晶區分子的有序度下降。Jambrak等［4］以高強度24kHz頻率超聲處理玉米淀粉后，改變了淀粉的結晶區結構。超聲波通過機械效應、空化效應及自由基氧化反應等作用，降低淀粉結晶區結構的緊密性，起到破碎淀粉結晶區結構具有操作簡單、環保、易控制、高效低能耗的特點［5］。

本實驗將超聲技術與傳統濕法工藝相結合制備陽離子淀粉，研究超聲預處理過程對陽離子淀粉分子結構及糊液性質的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗原料

玉米淀粉，山東諸城興貿有限公司;Shodex Standard P-82普魯蘭多糖，昭和電工株式會社;醚化劑3氯-2羥丙基三甲基氯化銨(CHPTMA)、NaNO3、NaOH、冰醋酸、HCl、CuSO4、K2SO4、H3BO3、H2SO4、無水乙醇等均為分析純。

1.1.2 試驗儀器

PHS-25型酸度計，上海偉業儀器廠;101A-1型電熱鼓風干燥箱，黃驊市凱豐儀器廠;KDN-04A凱氏定氮儀，上海新嘉電子有限公司;LC-20A液相色譜儀，日本島津;FS-250超聲波處理器，上海生析超聲儀器有限公司;SUPER-3RVA型快速黏度分析儀，澳大利亞NEWPORT科學儀器公司;DSC-200PC，德國耐馳公司。

1.2 陽離子淀粉制備方法

1.2.1 超聲預處理原淀粉

稱取30.0 g玉米淀粉于250 mL燒杯中，加入120 mL水，攪拌均勻混合成20%的淀粉乳，在一定功率的20 kHz頻率超聲波下作用一定時間，處理完后，用蒸餾水洗滌淀粉，抽濾，干燥，待后續制備用。

1.2.2 濕法制備陽離子淀粉

將30 g超聲處理的淀粉于250 mL燒杯中加水配成0.4 g/mL濃度的淀粉糊，攪拌均勻后加入4.75 g CHPTMA，3.25 g Na2SO4，轉入 250 mL 三頸燒瓶中。在一定溫度下緩慢攪拌，用NaOH調節pH值，反應一段時間后，使用HCl調節pH至中性，將樣品取出、抽濾、洗滌，干燥，研磨得成品。

1.2.3 凝膠滲透高效液相色譜法測定分子量

色譜條件:色譜柱:TSK gel columns系列G5000，G3000(Tosohaas);流動相:0.01 mol/L NaNO3溶液;柱溫:30℃;流速:0.4 mL/min;檢測器:RID-10A示差折光檢測器。

標準曲線繪制:采用Shodex Standard P-82 Pullulan作為分子質量標準品。選用重均分子質量(MW)為 5 900，11 800，22 800，47 300，112 000，212 000，404 000，788 000的8個Pullulan標準品繪制標準曲線。標準品分別取50 mg，加5 mL質量分數0.02%疊氮化鈉溶液配制成濃度0.1%的溶液，在室溫下靜置24 h，0.45 μm過濾，色譜測定。使用GPC軟件繪制標準曲線。

樣品測定:將150 mg淀粉溶解于15 mL 90%二甲基亞砜中，在沸水浴中加熱1 h后，在25℃下攪拌24 h。加入無水乙醇，在3 000×g下離心10 min。沉淀加10 mL水在100℃加熱30 min，色譜測定。

1.2.4 DSC熱性質測定

熱性質用DSC-200PC測定。用耐馳坩堝稱取5 mg左右的淀粉樣品，加入15 μL重蒸水。用示差掃描量熱儀進行測定，掃描溫度范圍為0～120℃，掃描速度5℃/min，得到熱性質參數主要包括起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)、糊化焓變(ΔH)。

1.2.5 透光率的測定

稱取0.20 g淀粉樣品置于20 mL刻度試管內，調節pH為6.5，用蒸餾水定容到20.0 mL，振蕩混勻成10 mg/mL的陽離子淀粉糊。沸水浴加熱半小時。冷卻至室溫，以蒸餾水為空白對照，波長650 nm下采用分光光度計測定透光率。

1.2.6 凝沉性的測定

稱取0.20 g淀粉樣品置于20 mL刻度試管內，調節pH值為6.5，用蒸餾水定容到體積20.0 mL，振蕩混勻成10 mg/mL的陽離子淀粉糊。沸水浴加熱半小時，冷卻至室溫后，3 000×g的重力加速度下離心15 min，波長650 nm下測定吸光度;4℃冰箱內使上清液靜置7 d，取出后回至室溫，在3 000×g的重力加速度下離心15 min，波長650 nm下測定吸光度。

1.2.7 溶解指數的測定

淀粉配成2%的淀粉糊，在高于糊化溫度加熱攪拌30 min，以3 000×g的重力加速度離心l5 min，將上清液用烘箱105℃烘干至恒重，稱量得到溶解淀粉質量A，溶解指數計算:

式中:A，上清液恒重質量，g;m，樣品干基質量，g。

1.2.8 RVA測定黏度

以SUPER-3RVA型快速黏度分析儀測定糊化性質，稱取2.5 g的淀粉，25 g蒸餾水在樣品中混勻，采用標準方法進行升溫。RVA曲線主要參數包括峰值黏度(peak viscosity)、谷值黏度(trough viscosity)、衰減值(breakdown)、最終黏度(final viscosity)、回凝值(setback)、糊化溫度(gelatinization temperature)。

1.2.9 凍融穩定性測定

配制60 mg/mL的淀粉乳，沸水浴中加熱糊化30 min，再冷卻至室溫。取定量倒入離心管中，加蓋置于-18～-20℃冰箱內冷卻，24 h后取出，室溫下自然解凍，然后在3 000×g條件下離心20 min，棄去上清液，稱取沉淀物質量，計算析水率，每天重復測定析水率直到析水率穩定不變。

式中:Y，析水率;M，淀粉糊質量;m，沉淀物質量。

2 結果與分析

2.1 陽離子淀粉樣品

通過濕法和超聲濕法2種工藝制備了取代度不同的8個陽離子淀粉樣品，樣品見表1，通過對2種工藝各4個相近取代度樣品的性質分析，研究超聲預處理工藝陽離子淀粉與濕法陽離子淀粉性質的差異以及優缺點。

表1 用于性質研究的樣品Table 1 Starch for properties research

2.2 超聲預處理對陽離子淀粉分子質量分布的影響

以玉米淀粉作對照樣品，測定不同取代度的濕法及超聲濕法陽離子淀粉的分子質量，研究超聲預處理對其分子質量分布的影響。由表2可以看出，隨著取代度增大，支鏈部分所占比例逐漸減小，直鏈部分所占比例逐漸增加，且支鏈淀粉分子質量降低，直鏈淀粉分子質量增大，即支鏈淀粉逐漸轉化為直鏈淀粉及低分子質量鏈段。

表2 超聲預處理對濕法陽離子淀粉分子量的影響Table 2 The effect of ultrasonic pretreatmen onmolecular weightof cationic starch

在相同取代度的情況下，超聲預處理的陽離子淀粉樣品的支鏈淀粉的重均分子質量比濕法淀粉的降低了2.0%～2.3%，直鏈部分重均分子質量增大。在用超聲波處理蠟質大米淀粉［6］、小麥淀粉［7］、殼聚糖［8］等的研究中，也發現支鏈淀粉分子質量降低。這可能是機械切斷化學鍵作用和自由基的氧化還原的共同作用引起的。介質質點在超聲波作用下產生高速度和加速度，對淀粉分子產生強機械作用和強剪切力，導致其化學鍵斷裂而降解，并且發生自由基增殖，其氧化還原作用產生連續的對分子鏈的破壞作用，造成支鏈淀粉鏈斷裂而轉化為低分子質量鏈［9］。

表1顯示，相同取代度的超聲預處理，陽離子淀粉的支鏈分子質量分散度小于普通濕法淀粉，在試驗范圍內，減小幅度為4.3% ～11.6%。直鏈淀粉分散度沒有明顯變化趨勢。即超聲處理使得支鏈淀粉分子質量分布更集中。直鏈淀粉及低分子重組分未發生明顯降解。這說明淀粉鏈越長或支鏈越多，超聲波對其影響越大，這與Jacobs［10］等人的研究結果一致。淀粉結晶區主要由大分子質量的支鏈淀粉組成，支鏈淀粉分子的降解，可能會打破緊密的結晶區結構，從而提高淀粉分子的反應活性。

2.3 超聲預處理對陽離子淀粉熱性質的影響

由表3可知，陽離子淀粉凝膠化溫度隨著取代度提高而降低，較高取代度的超聲預處理陽離子淀粉凝膠化起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)都低于傳統濕法的陽離子淀粉，取代度0.034的超聲預處理陽離子淀粉(USCS3)，凝膠化溫度低于取代度為0.036的濕法陽離子淀粉(CS3)，說明超聲預處理陽離子淀粉的結晶區結構緊密度比濕法陽離子淀粉要低，這可能是因為超聲作用使淀粉支鏈部分斷鏈、降解，導致淀粉的結晶區的結構疏松，這種變化可能會促進醚化反應的進行。

表3 超聲預處理對陽離子淀粉熱性質的影響Table 3 The effect of ultrasonic pretreatmen on thermal properties of cationic starch

2.4 超聲預處理對陽離子淀粉黏度的影響

由表4可以看出，超聲預處理陽離子淀粉在較高的3個取代度梯度，峰值黏度和衰減值相對濕法陽離子淀粉較高，而回凝值反而較低。峰值黏度發生在溶脹和多聚體溢出導致黏度增加與破裂和多聚物重新排列導致黏度降低之間的平衡點，反映了淀粉的增稠能力。隨溫度降低，淀粉分子發生重聚和形成凝膠，而回凝值通常與凝膠脫水和液體滲透有關，高回凝值意味著持水性缺陷，易老化。而超聲預處理陽離子淀粉的峰值黏度較高，說明超聲預處理陽離子增稠能力較強;回凝值較低，說明超聲預處理陽離子淀粉的持水性較好，不易老化［11］。

表4 超聲預處理對陽離子淀粉黏度的影響Table 4 The effect of ultrasonic pretreatmen on the viscosity of cationic starch

2.5 超聲預處理對陽離子淀粉透光率的影響

由圖1可知，2種工藝制得的陽離子淀粉透光率都隨取代度增加而增大，而超聲預處理陽離子淀粉透明度普遍大于濕法陽離子淀粉。影響陽離子淀粉溶液透光率的原因主要有淀粉顆粒溶脹程度和淀粉分子溶解性。溶脹淀粉顆粒直徑越大，淀粉分子溶解性越高，則透明度越高［12］。由于淀粉取代度越大，淀粉分子鏈上陽離子基團越多，淀粉分子親水性越強，則淀粉的溶解度越高，所以陽離子淀粉透光率隨著取代度增加而呈增加趨勢;超聲波還能在短時間內對淀粉結晶區結構產生破壞作用，顆粒表面受到破壞，淀粉溶脹直徑增大，在水溶液中分散性較好，從而使溶液有較低的折光、反光作用，因此超聲預處理陽離子淀粉透光率要大于濕法陽離子淀粉。

圖1 超聲預處理對陽離子淀粉透光率的影響Fig.1 The effect ofultrasonic pretreatmen on transmittance of cationic starch

2.6 超聲預處理對陽離子淀粉凝沉性的影響

從圖2可以看出，超聲預處理陽離子作用凝沉值低于濕法陽離子淀粉。這可能是因為超聲作用在一定程度上破壞淀粉顆粒結晶區結構，使結晶區的支鏈淀粉短鏈更多的發生陽離子化反應，支鏈淀粉短鏈帶有更多的正電荷，排斥作用增強，締合作用減弱，所以超聲陽離子淀粉的凝沉性相對較低。

圖2 超聲預處理對陽離子淀粉凝沉值的影響Fig.2 The effect ofultrasonic pretreatmen on retrogradation of cationic starch

2.7 超聲預處理對陽離子淀粉溶解度的影響

原玉米淀粉幾乎不溶于水，由于陽離子淀粉在淀粉鏈上接入了陽離子基團，使其可以在水溶液中帶有電荷，從而與水有較好的締合性，故陽離子淀粉可以有較好的溶解性，取代度是決定陽離子淀粉溶解度的重要因素。該試驗考察了2種工藝陽離子淀粉的隨取代度不同而變化的溶解性質。

由圖3可以看出，隨著取代度的增大，溶解指數逐漸增大，濕法陽離子淀粉在取代度達到0.046時，溶解指數達到97.25%，超聲預處理陽離子淀粉在取代度達到0.048時，溶解指數達到97.15%，而濕法陽離子淀粉與超聲預處理陽離子淀粉沒有明顯溶解性差異。一方面是隨著取代度增大，陽離子基團的接入消弱了淀粉分子依靠氫鍵的有序聚合作用，淀粉顆粒的緊密結構受到破壞，較易溶脹分散在水溶液中［13］;另一方面由于淀粉分子與季銨基結合后，淀粉分子帶有陽離子基團，靜電斥力導致淀粉顆粒在溶液中傾向于分散，同時帶有電荷是淀粉水合性質增強，因此，隨著醚化劑添加量的增加，取代度逐漸增大，溶解度也隨之增大。

圖3 超聲預處理對陽離子淀粉溶解指數的影響Fig.3 The effect ofultrasonic pretreatmen onsolution index of cationic starch

2.8 超聲預處理對陽離子淀粉凍融穩定性的影響

從圖4可以看出，隨著取代度的提高，同樣冷凍時間陽離子淀粉的析水率降低，且析出同樣水量所需要的凍融循環時間增多，說明隨著取代度增大陽離子淀粉析水率降低，凍融穩定性增強。隨著淀粉冷凍時間延長，凝膠淀粉分子間相互締合作用增強，淀粉分子鏈趨向平行形成膠束，水分子從中洗出，所以隨冷凍時間延長析水率提高，而支鏈淀粉長時間的分子重排是淀粉凝膠析水的主要原因。陽離子淀粉由于接入了陽離子基團增大了分子間空間位阻，且陽離子基團本身有水締合作用，導致陽離子淀粉凝膠隨取代度增大持水性增強［14-15］。超聲預處理陽離子淀粉析水率普遍低于濕法陽離子淀粉，原因可能是超聲使淀粉結晶區接入更多陽離子基團，使支鏈淀粉取代度增大，在冷凍過程中分子鏈難以趨向平行排布而形成膠束析出水分。

圖4 超聲預處理對陽離子淀粉凍融穩定性的影響Fig.4 The effect ofultrasonic pretreatmen on freeze-thaw stability of cationic starch

3 結論

超聲預處理工藝對陽離子淀粉淀粉的分子質量分布和糊液性質有明顯影響:超聲預處理使陽離子淀粉支鏈淀粉重均分子質量降低2.0% ～2.3%，分子質量分散度降低4.3%～11.6%。分子結構的改變帶來了濕法陽離子淀粉糊液性質的變化，透光率、凍融穩定性及糊液黏度提高，凝沉值和糊化溫度降低，溶解指數沒有發生顯著改變。

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