超臨界CO2處理對木薯淀粉結構和性質的影響

白俊，李習都，謝新玲，張友全（廣西大學廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室，廣西 南寧530004）

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超臨界CO2處理對木薯淀粉結構和性質的影響

白俊，李習都，謝新玲，張友全
（廣西大學廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室，廣西 南寧530004）

摘要：采用超臨界二氧化碳萃取技術在不同條件下處理木薯淀粉，利用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、布拉班德（Brabender）黏度儀等分析手段，考察超臨界處理對木薯淀粉顆粒形貌、膨脹度、結晶結構以及淀粉糊黏度、凝沉性、凍融穩定性等的影響。結果表明，隨超臨界壓力、溫度、處理時間的變化，樣品顆粒外貌無明顯改變，但膨脹度降低，結晶度增大；淀粉糊的凝抗性增強，淀粉凝膠凍融穩定性卻降低；Brabender黏度分析顯示經超臨界處理后的淀粉樣品糊化溫度小幅度升高，糊峰值黏度降低、熱穩定性變化不明顯。以上結果說明：木薯淀粉經超臨界CO2處理，存在淀粉分子部分降解，直鏈淀粉與支鏈淀粉比例增大等現象，從而導致淀粉的微觀結構及凝膠特性等發生改變。

關鍵詞：木薯淀粉；超臨界二氧化碳；黏度；凝膠；結晶度

2015-11-23收到初稿，2016-03-09收到修改稿。

聯系人：張友全。第一作者：白俊（1990—），男，碩士研究生。

Received date: 2015-11-23.

Foundation item: supported by the Natural Science Foundation of Guangxi (2014 GXNSFAA118065).

引　言

超臨界二氧化碳流體（SCF-CO2）是一種安全、潔凈的理想介質，在高分子聚合加工及聚合反應中的應用已受到廣泛關注[1-4]。在利用SCF-CO2處理淀粉方面，張黎明等[5]曾發現經SCF-CO2處理的玉米淀粉脂肪含量顯著下降，對蘆丁的吸附量是原淀粉的3倍；Francisco 等[6]研究了在不同壓力下的SCF-CO2中處理木薯、小麥和馬鈴薯淀粉，發現淀粉凝膠化程度隨壓力升高而降低，但其X射線衍射圖形并未改變；Braga等[7]則發現生姜和姜黃淀粉經SCF-CO2處理后顆粒形貌未發生改變，但淀粉結晶區的雙螺旋結構發生了重排。從以上的文獻報道中可以看出，這些研究是以淀粉顆粒性質變化為主，對經超臨界處理后淀粉糊的理化性質研究甚少，而淀粉糊的理化特性對淀粉深加工及其應用功能的影響有著重要作用[8]。

本文以木薯淀粉為對象，采用SCF-CO2處理技術，考察超臨界壓力、溫度、處理時間及原料水含量對木薯淀粉顆粒外貌、結晶結構、膨脹度及其淀粉糊的黏度、凝沉性、凍融穩定性等的影響，開展經SCF-CO2處理后的淀粉顆粒及淀粉糊的理化特性研究，為天然淀粉的改性開發安全、無污染、可清潔生產的綠色深加工工藝提供理論和技術支撐。

1　實驗部分

1.1材料及儀器

木薯淀粉，工業級，廣西明陽生化科技股份有限公司；二氧化碳，工業級（純度99.99%），南寧空分氣體有限公司；超臨界液體萃取反應系統，SFT-100XW型，美國；布拉班德糊化黏度儀（Brabender），803203型，德國；X射線衍射儀（XRD），Smartlab型，日本理學公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，Hitachi S-3400N型，日本日立公司；紫外-可見光分光光度計，UV-2501PC型，日本島津儀器有限公司。

1.2SCF-CO2處理木薯淀粉

稱取100 g木薯淀粉（干基）加入萃取釜，加蓋密封，開啟冷機調節低溫恒溫槽的溫度為?5℃，待制冷溫度穩定后打開二氧化碳儲罐進CO2，置換萃取釜中的空氣，檢查氣密性。啟動攪拌，升溫，當反應釜的溫度達到設定值時，設置高壓泵的二氧化碳流量為20 L·h?1，開啟高壓泵增壓到設定壓力進行超臨界萃取操作，達到預定處理時間后，泄壓至常壓，降溫至室溫，打開釜蓋，取出產品密封備用。

1.3掃描電子顯微鏡（SEM）分析

樣品均勻地噴灑在樣品臺后噴金處理，利用掃描電子顯微鏡對樣品進行形貌觀察并拍照。

1.4X射線衍射儀分析

采用粉末法對樣品進行X射線衍射儀分析，掃描角度為10°～70°；掃描速率為10 (°)·min?1。繪制X射線衍射圖形，并計算結晶度。

1.5黏度測定

配制樣品濃度為6%（質量）的淀粉乳，盛入布拉班德糊化黏度儀的150 ml黏度杯，調節升溫/降溫速率為7.5℃·min?1，升溫至95℃后保溫30 min，冷卻到50℃并保溫30 min，得到布拉班德黏度曲線并讀取特征值。

1.6膨脹度測定

稱取3.0 g（準確至0.1 mg）樣品（干基）至250 ml錐形瓶中，加入適量的蒸餾水配制成2%（質量）的淀粉乳，放置在 30℃恒溫水浴中攪拌30 min后，于4000 r·min?1下離心30 min，棄去上清液，稱量剩余淀粉質量，按式（1）計算膨脹度。

式中，M2表示離心后沉積物質量，g；M表示絕干樣品質量，g。

1.7凝沉性測定

配制樣品濃度為1%（質量）的淀粉乳加入到250 ml錐形瓶中，磁力攪拌下加熱到95℃并保溫30min，冷卻到室溫。精確量取25 ml的樣品糊液加入到具塞玻璃量筒中，靜置，7晝夜后測定上清液的高度，計算出上清液體積，并按式（2）計算析水率（drainage rate，DR，%）。

式中，V1表示上清液體積，ml；V2表示樣品糊液體積，ml。

1.8凍融穩定性測定

配制樣品濃度為3%（質量）的淀粉乳，在95℃糊化30 min后冷卻至室溫，分別在3支10ml離心管中裝入一定質量的糊液，并放入?10℃的低溫恒溫槽冷凍24 h制備凝膠，凝膠室溫自然解凍完全后，將試樣在4000 r·min?1的離心機中離心30 min，棄去上清液，重復冷凍、解凍、離心共3次，最后稱取沉淀物質量。按式（3）計算凝膠析水率。

式中，M1表示冷凍前樣品糊液的質量，g；M2表示解凍離心后沉淀物的質量，g。

1.9直鏈淀粉含量測定

精確稱取0.04 g（準確至0.1 mg）淀粉干基樣品，用少量90%二甲亞砜溶解并定容至10 ml，吸取2 ml溶液用水定容至250 ml，取10 ml按照文獻[9]所述方法測定600 nm處的吸光度并計算樣品直鏈淀粉質量分數。

2　結果與討論

2.1掃描電子顯微鏡（SEM）分析

超臨界CO2流體處理前后的木薯淀粉SEM照片如圖1所示。由圖1(b)、(c)、(d)可以看出，經超臨界處理后樣品外貌結構為球體、半球體及多角形，與圖1(a)原淀粉比較，淀粉顆粒形態并未發生明顯改變，這與張黎明等[5]在研究超臨界二氧化碳流體處理玉米淀粉時得出的結論一致。

圖1　超臨界CO2流體處理前后木薯淀粉顆粒SEM照片Fig.1　Scanning electron micrographs of cassava starch granules and samples treated by SCF-CO2

2.2X射線衍射儀分析

采用X射線衍射儀分析木薯淀粉晶體結構時，木薯淀粉在衍射角度2θ分別為15°、17°、18°和23° 有4個特征峰，屬于A型結晶性結構[10]。由圖2可知，不同處理時間的木薯淀粉樣品特征峰沒有發生遷移，也沒有產生新的特征峰，說明在超臨界條件下，木薯淀粉的晶型結構不會發生改變，但是衍射角為17°和18°之間的雙峰以及23°的特征峰強度明顯加強。

通過軟件自動峰擬合計算XRD波譜結晶度的方法[11-12]計算木薯淀粉在不同條件下經超臨界CO2流體處理后的結晶度，計算結果如表1和表2所示。從表1和表2可知，經超臨界處理后，木薯淀粉的結晶度均有所升高，并在5 h結晶度達到最高值為41.53%。以上數據表明SCF-CO2處理能改變木薯淀粉結晶結構并增大木薯淀粉結晶度。Braga等[7]曾指出超臨界流體處理姜黃淀粉與生姜淀粉可使淀粉結晶區的雙螺旋結構重新排列，從而改變淀粉的結晶結構。

2.3黏度分析

表3為樣品的Brabender黏度分析結果。從表3看出，經超臨界處理后樣品的糊化溫度比原淀粉均有小幅度升高，且含水量對其糊化溫度影響較大，達到65.8℃。糊化溫度是黏度開始增加的溫度，其實質是在加熱的作用下結晶區或非結晶區的淀粉分子間氫鍵締合被破壞[13]。糊化溫度升高說明經超臨界處理后淀粉顆粒內部分子之間結合的緊密程度增大。CO2具有弱的Leiws酸性，會與水分子共同降解α-1,4糖苷鍵，可能導致支化度高、分布廣的支鏈淀粉外鏈易于被剪切降解，支鏈平均長度減短，因此，峰值黏度會稍有降低。通過崩解值B-D，可以看出樣品熱黏穩定性變化甚微。

圖2　不同時間下超臨界CO2處理木薯淀粉XRD譜圖Fig.2　XRD patterns of native starch and samples treated bySCF-CO2in different processing time

表2　原淀粉和不同條件下超臨界二氧化碳流體處理后樣品的結晶度Table 2　Crystallinity degree of native starch and samples treated by SCF-CO2in different conditions/%

表3　原淀粉和不同條件下超臨界流體處理后樣品的Brabender黏度特征值Table 3　Eigenvalue of Brabender viscosity of native starch and samples treated by SCF-CO2in different conditions

2.4膨脹度分析

淀粉顆粒中的無定形相具有親水性，淀粉顆粒浸入水中會吸水進行有限可逆膨脹。高含量的直鏈淀粉分子以及較大量的或者較強的分子結合會降低淀粉的膨脹度[14]。

表4　原淀粉和不同時間下超臨界流體處理后樣品的膨脹度Table 4　Swelling degree of native starch and samples treated by SCF-CO2in different processing time

表5　原淀粉和不同溫度下超臨界流體處理后樣品的膨脹度Table 5　Swelling degree of native starch and samples treated by SCF-CO2in different processing temperature

表6　原淀粉和不同壓力下超臨界流體處理后樣品的膨脹度Table 6　Swelling degree of native starch and samples treated by SCF-CO2in different processing pressure

表7　原淀粉和不同含水量下超臨界流體處理后樣品的膨脹度Table 7　Swelling degree of native starch and samples treated by SCF-CO2in different water content

從表4～表7看出，經不同條件超臨界處理后樣品的膨脹度都低于原淀粉。表8的實驗結果說明木薯淀粉經SCF-CO2處理過程中，支鏈淀粉分子會部分降解，導致直鏈淀粉含量增大、支鏈淀粉含量降低。Tester等[15]研究曾發現淀粉的膨脹主要是淀粉中支鏈淀粉的特性，直鏈淀粉起到稀釋劑的作用，其含量增加不利于淀粉的膨脹。另外，木薯淀粉經SCF-CO2處理過程中，由于直鏈淀粉的增多，則可能發生了類似于羅志剛等[16]利用微波處理玉米淀粉時的直鏈淀粉和支鏈淀粉分子各自或相互之間的作用加強，淀粉顆粒內部結合度增加，導致淀粉膨脹度下降；同時淀粉結晶度的增大和淀粉微晶包裹結構的變化也會降低淀粉膨脹度。

表8　原淀粉和不同條件下超臨界流體處理后樣品的直鏈淀粉含量Table 8　Amylose content of native starch and samples treated by SCF-CO2in different conditions

2.5凝沉性分析

由表9可知，經不同條件超臨界流體處理后樣品凝沉性均小于原淀粉，凝抗性增強。淀粉糊的凝沉是淀粉分子從無序狀態到有序重排的老化過程[17]。有文獻指出支鏈淀粉分子的外鏈至少含有10個葡萄糖單位時才易于形成雙螺旋結晶結構從而促進淀粉糊的老化，而具有6～9個葡萄糖單位的較短外鏈會阻礙淀粉糊的老化，并且還可在一定程度上抑制直鏈淀粉的結晶[18]。在超臨界條件下分子間的遷移速率會加快，高度分支的支鏈外鏈易被破壞，支鏈的平均鏈長減短及更多短小外鏈淀粉生成。因此，超臨界處理過程中可能導致的木薯淀粉支鏈分子外鏈適當縮短是樣品糊液凝抗性增強的主要原因。另外，從表9還發現在21 MPa或淀粉含水量為30%的條件下，經超臨界處理的樣品比其他處理條件下的樣品析水率明顯增大，這是因為在21 MPa高壓或30%高含水環境中淀粉分子降解程度加劇，生成較多短小直鏈淀粉，大量直鏈淀粉的凝沉結晶會加速淀粉糊的老化，同時也會較大程度地削弱支鏈淀粉對糊液老化的阻礙作用，結果糊液分層速度加快，凝抗性降低。

表9　樣品糊靜置第7天析水率Table 9　Drainage rate of pasting starch on the 7th day

表10　樣品糊經3次冷凍解凍后析水率（± s，n =3）Table 10　Drainage rate of pasting starch after 3 times of freezing and thawing（± s, n =3）

表10　樣品糊經3次冷凍解凍后析水率（± s，n =3）Table 10　Drainage rate of pasting starch after 3 times of freezing and thawing（± s, n =3）

① Compare with native starch, p＜0.01. ② Compare with native starch, p＜0.05.

Native starch　　Processing pressure 　 　Processing　temperature 　 　Processing time 　 　Water content DR/% 　p/MPa 　DR/% 　T/℃ 　DR/% 　t/h 　DR/% 　w/% 　DR/% 26.47±1.88 　 　9 　49.07±3.74①　 　35 　29.42±2.85 　 　1 　26.78±2.79 　 　14 　27.27±1.84 12 　50.64±3.69①　 　55 　27.27±1.84 　 　2 　27.30±2.84 　 　18 　40.72±2.56①15 　27.27±1.84 　 　75 　30.18±2.06 　 　3 　27.27±1.84 　 　22 　39.85±1.86①18 　31.61±2.69 　 　90 　33.66±2.79②　 　4 　32.41±1.93 　 　26 　51.03±2.86①21 　43.86±2.91①　 　110 　51.36±2.07①　 　5 　37.46±2.87①　 　30 　66.96±3.44①

2.6凍融穩定性分析

從表9和表10比較看出，原淀粉的糊液經冷凍處理形成的凝膠在解凍過程中析水率比自然靜置的吸水率低，這是由于凍融處理使淀粉分子與分子之間相互作用增強，淀粉形成網狀結構，而多次凍融循環處理過程中，凝膠淀粉網狀結構被加強，形成“水籠”結構，水分被鎖入“水籠”中，可析出的水分減少[19]。從表10可知，經超臨界處理后的淀粉糊凝膠析水率增大，均高于原淀粉，并在高含水量情況下其差異性更為顯著，這說明經超臨界處理后的木薯淀粉糊在冷凍過程中不易形成穩定的網狀結構或在解凍過程中形成的“水籠”結構易被破壞，導致析水率增大。產生這種現象的原因可能是在超臨界條件下，樣品高度分支的支鏈外鏈結構遭破壞，支鏈平均長度減小，直鏈淀粉增多，在多次冷凍過程中會生成冰晶并對凝膠產生類似剪切的作用[20]，促使凝膠網狀結構受損，包裹水分子的“水籠”結構強度降低，解凍時水分易析出；同時，直鏈淀粉鏈狀結構空間障礙小，易于老化，淀粉凝膠網狀結構穩定性變差，也會導致凍融穩定性降低[21]。

3　結　論

超臨界CO2流體處理不會影響淀粉團粒的表面形態，不改變淀粉顆粒的結晶類型，但會導致淀粉顆粒結晶度增大，糊化溫度小幅度升高，膨脹度下降；超臨界CO2流體處理木薯淀粉過程中，淀粉分子會部分降解，直鏈淀粉含量增大，支鏈淀粉含量降低；超臨界處理木薯淀粉可增強淀粉糊的凝抗性，降低淀粉凝膠的凍融穩定性，但對淀粉糊的黏度影響程度較小。

符號說明

A——糊化起始溫度，℃

B——峰值黏度，BU

B-D——崩解值，BU

D——95℃保溫30 min黏度，BU

DR——析水率，%

M，M1，M2——分別為樣品絕干質量、樣品糊液質量、離心后沉淀物質量，g

PT——糊化終止溫度，℃

p——超臨界處理壓力，MPa

T——超臨界處理溫度，℃

t——超臨界處理時間，h

V1，V2——分別為上清液體積、樣品糊液體積，ml

W——直鏈淀粉含量，%

w——淀粉含水量，%

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Effects of supercritical CO2treatment on structures and properties of cassava starch

BAI Jun, LI Xidu, XIE Xinling, ZHANG Youquan
(Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China)

Abstract:Cassava starch was extracted in different conditions with supercritical carbon dioxide. The morphological characteristics and the gelating properties of the treated starch, such as particle morphology, swelling degree, crystalline structure, viscosity, retrogradation and freeze-thaw stability, were evaluated and compared with native cassava starch by using scanning electron microscope, X-ray diffraction analyzer, Brabender visco-analyser or other methods. As a result, it showed that with the change of the pressure, temperature and time of the treatment, the morphology of the treated starch was not obviously changed, but the swelling degree decreased and the crystallinity increased. It also found that the anti-precipitability of the treated starch gel was strengthened and the freeze-thaw stability reduced. Meanwhile, Brabender viscosity analysis suggested that the gelation temperature of the treated starch could be slightly raised and the peak viscosity of the treated starch gel decreased, while the thermal stability little changed. All the results indicated that the cassava starch molecules could be partially degraded and the ratio of amylose to amylopectin would increase in the process of supercritical treatment, leading to the alteration of some microstructure characteristics and gelating properties of cassava starch. Key words: cassava starch; supercritical carbon dioxide; viscosity; gels; crystallinity

中圖分類號：TS 235

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）06—2631—07

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151752

基金項目：廣西自然科學基金項目（2014 GXNSFAA118065）。

Corresponding author:Prof. ZHANG Youquan, zyq1968@163.com