木薯淀粉的可控去結晶化研究

樊艷葉,楊 慧,廖安平,劉 濤,周麗紅,曾藝君,林日輝,*,廖 威

(1.廣西民族大學化學化工學院,生物轉化與過程反應重點實驗室,廣西南寧 530006;2.廣西民族大學化學化工學院,廣西多糖材料與改性重點實驗室培育基地,廣西南寧 530006;3.廣西民族大學相思湖學院,廣西南寧 530006;4.廣西職業技術學院,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、價格低廉、淀粉含量高,還具有粘度高、滲透力強及成膜性好等特性,被廣泛應用于食品、化工、醫學等領域[1]。然而,木薯淀粉存在耐高溫、耐酸性差等缺點，限制了其在更多領域的應用,因此對木薯淀粉進行改性研究,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晶區[3-4],導致原淀粉的酯化反應取代度較低[5-7]。李賀等[8]報道利用氫氧化鈉/尿素混合水溶液對木薯淀粉進行活化預處理,能夠破壞淀粉結晶區,降低淀粉結晶度，可以提高淀粉的反應活性,從而提高酯化反應取代度。目前關于淀粉去結晶化方法的報道比較多,Liu等[9]報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]利用醇堿液處理淀粉,獲得完全非晶化淀粉。然而這些報道主要集中在如何直接獲得完全非晶化的淀粉,而對于如何有效地控制淀粉去結晶化的程度的研究則相對較少。本文利用90%乙醇作為溶劑,采用高溫醇堿法處理木薯淀粉,通過單因素試驗探討了不同堿濃度、溫度、時間以及料液比對木薯淀粉去結晶化的影響,以探索木薯淀粉可控去結晶化的優化條件,為后續的木薯淀粉酯化改性工作研究,以及木薯淀粉去結晶過程和重結晶過程的機理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉 食品級,廣西岑溪市三角淀粉有限責任公司;氫氧化鈉 分析純,成都金山化學試劑有限公司;無水乙醇 分析純,成都市科隆化學品有限公司。

MiniFlex600型X射線衍射儀 日本理學公司;HJ-3型數顯恒溫磁力攪拌器 常州國華電器有限公司;AL104型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;SHB-III型循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司;反應釜 30 mL平蓋式，西安儀創實驗室儀器設備有限公司;WGLL-65BE型電熱鼓風干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 可控去結晶化淀粉的制備 稱取一定量木薯淀粉置于反應釜中,加入一定體積的醇堿液,將反應釜放到電熱鼓風干燥箱中,開啟電源,設置一定的溫度與時間進行淀粉去結晶化反應。待反應結束后,冷卻,真空抽濾取濾餅,用85%乙醇洗滌三次,再用無水乙醇洗滌兩次,置于室溫(30±1) ℃,自然晾干得去結晶淀粉供后續分析。每個反應條件設置3個平行,結晶度計算取平均值。

1.2.2 堿濃度對木薯淀粉去結晶化的影響 配置堿濃度為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 mol/L的90%乙醇堿溶液,在溫度為120 ℃,時間為4 h,料液比為1∶15 (g∶mL)的條件下進行木薯淀粉去結晶化處理,所得產品進行X-射線衍射分析。

1.2.3 處理溫度對木薯淀粉去結晶化的影響 設置溫度為110、120、130、140、150 ℃,在堿濃度為0.75 mol/L的90%乙醇堿溶液,時間為4 h,料液比為1∶15 (g∶mL)的條件下進行木薯淀粉去結晶化處理,所得產品進行X-射線衍射分析。

1.2.4 處理時間對木薯淀粉去結晶化的影響 設置時間為2、3、4、5、6 h,堿濃度為0.75 mol/L的90%乙醇堿溶液,溫度為120 ℃,料液比為1∶15 (g∶mL)的條件下進行木薯淀粉去結晶化處理,所得產品進行X-射線衍射分析。

1.2.5 料液比對木薯淀粉去結晶化的影響 設置料液比為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25,堿濃度為0.75 mol/L的90%乙醇堿溶液,溫度為120 ℃,時間為4 h的條件下進行木薯淀粉去結晶化處理,所得產品進行X-射線衍射分析。

1.2.6 X-射線衍射分析 實驗條件:Cu(ka)射線,Ni片濾波,電壓40 kV,電流15 mA,掃描步長為0.02 °,掃描速率為8 °/min,掃描范圍2θ為4～30 °[11]。采用 Origin 9.0 統計軟件對衍射實驗結果進行作圖。利用MDI Jade 6.0 軟件,計算可控去結晶化處理后的木薯淀粉的相對結晶度:

式中:Imax晶表示扣除背底的微晶區最大衍射強度;Imax總表示總的最大衍射強度。

1.3 數據處理

每個處理重復3次,所有實驗結果表示為平均值±標準偏差。用Excel 2010進行顯著性方差分析和線性相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同堿濃度對木薯淀粉的去結晶化的影響

堿濃度處理對木薯淀粉的影響的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 °附近出現四個強的衍射吸收峰,表明其晶體的結晶構型屬于典型的A型[12-14]。與原木薯淀粉相比,去結晶化處理的木薯淀粉,其衍射吸收峰強度隨著堿濃度的變化,表現出明顯的規律性變化。當堿濃度為0.25 mol/L時,處理后的淀粉在2θ為14.98、17.10、17.86以及22.94 °處仍保留有四個衍射吸收峰,沒有峰的消失或新峰的出現,說明該堿濃度下并沒有改變淀粉的晶體結構類型,其晶型仍保持A型;當堿濃度為0.50、0.75 mol/L時,17.16 °處的衍射峰消失,其余三個衍射吸收峰的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 °,淀粉晶體結構被破壞,其晶型發生變化。當堿濃度為1.00 mol/L時,15.08和23.04 °處的衍射吸收峰消失,淀粉晶體結構破壞嚴重,喪失其原有晶型;進一步提高堿濃度至1.25 mol/L時,木薯淀粉的衍射吸收尖峰完全消失,整個衍射圖呈現出平緩的拱形峰,其晶體結構已經完全遭到破壞,其晶型已經變為典型的無定形狀態,此衍射圖結果與孫丹丹等[15]報道的機械球磨制備非晶化木薯淀粉的相似。根據衍射圖譜計算反應體系中堿濃度對木薯淀粉結晶度影響的結果見表1。可見,隨著堿濃度的增大,木薯淀粉的衍射吸收峰的衍射強度不斷減弱,總結晶度不斷降低。上述結果表明,堿濃度可極顯著影響木薯淀粉可控去結晶化(p<0.01),其對木薯淀粉的相對結晶度的影響具有很強的負相關性(r=-0.97),且可影響木薯淀粉晶型的變化程度。堿對淀粉的作用機制可以解釋為淀粉是一種弱離子交換劑,當淀粉分子與堿作用時,淀粉分子上羥基基團的質子發生解離并在淀粉分子上留下負電荷,這些負電荷之間的相互排斥作用導致淀粉顆粒的膨脹,對鄰近的淀粉分子微粒產生張力并趨向于使其扭曲,而進一步的溶脹導致雙螺旋區域的解離以及晶體結構的破裂,結果使微晶結構被破壞[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)總累積衍射強度Imax總微晶區累積衍射強度Imax晶相對結晶度(%)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,去結晶化處理的木薯淀粉,其衍射吸收峰強度隨著溫度的變化而變化,表現出與堿處理淀粉相似的變化規律。當溫度為110、120及130 ℃時,17.16 °處的衍射吸收峰消失,其余三個衍射峰的2θ角與原木薯淀粉相比下降,其中,溫度為110 ℃時,為14.92、17.63和22.97 °;溫度為120 ℃時,為14.68、17.63和22.76 °;溫度為130 ℃時,為14.88、17.59、22.90 °。淀粉的晶體結構被破壞,其晶型發生改變。溫度為140、150 ℃時,15.08和23.04 °處的衍射吸收峰消失,淀粉的晶體結構破壞嚴重,其原有晶型喪失。根據衍射圖譜計算反應體系中溫度對木薯淀粉結晶度影響的結果見表2。可見,隨著溫度的增高,木薯淀粉的衍射吸收峰的衍射強度不斷減弱,總結晶度不斷降低。上述結果表明,溫度也可極顯著影響木薯淀粉的可控去結晶化(p<0.01),與堿濃度的影響相類似,處理溫度對木薯淀粉相對結晶度的影響也具有很強的負相關性(r=-0.84),且影響其晶型的變化程度。溫度對木薯淀粉的作用機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,進而抑制了水分子在淀粉內部對淀粉分子鏈之間氫鍵的破壞,而將溫度增高到一定程度時,由于水分子運動加快,醇水之間的氫鍵斷裂,水分活度增強,水分子在淀粉顆粒中破壞淀粉分子鏈之間的締合狀態,淀粉顆粒內部的結晶區和無定形區鏈分子之間的氫鍵斷裂,使得淀粉顆粒內部結晶結構被破壞。溫度越高,水分活度越強,對淀粉顆粒的破壞也越強烈。

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(℃)總累積衍射強度Imax總微晶區累積衍射強度Imax晶相對結晶度(%)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 不同時間處理木薯淀粉的X射線衍射分析

時間處理對木薯淀粉的影響的X射線衍射如圖3。與原木薯淀粉相比,去結晶化處理的木薯淀粉,其衍射吸收峰強度表現出獨特的變化規律。經過不同時間處理的木薯淀粉,17.16 °處的衍射吸收峰均消失,其余三個衍射吸收峰的2θ角均下降,但下降的幅度有所差異,具體表現為:時間為2 h時,木薯淀粉的衍射吸收峰在2θ為14.97、17.70和22.75 °;3 h時,為14.97、17.62和22.67 °;4 h時,為14.68、17.63和22.76 °;5 h時,為15.13、17.70和22.67 °;6 h時,為14.97、17.78和22.83 °。說明不同的處理時間,木薯淀粉的晶體結構受到破壞的程度相差不大,其晶型都保持在同一類型。根據衍射圖譜計算反應體系中處理時間對木薯淀粉結晶度影響的結果見表3。可見,隨著處理時間的延長,木薯淀粉的衍射吸收峰強度先減弱后增強,總結晶度先下降后上升。上述結果表明,時間對木薯淀粉可控去結晶化影響不顯著(p>0.05),其對木薯淀粉結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。時間因素對木薯淀粉可控去結晶化的影響主要是隨著時間的延長,高溫體系中的水分子逐漸被活化至某一時間點完全被活化,淀粉的結晶區逐漸被破壞,因此結晶度下降。繼續延長時間,已經沒有可活化的水分子繼續破壞淀粉結晶區,但體系一直處于高溫狀態,因此熱能可使之前被破壞的結晶區淀粉鏈與無定形區的淀粉鏈處于非常活躍的狀態,從而發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,產生新的雙螺旋結構,形成新的結晶體,因而在X射線衍射圖中顯示為峰位加強,結晶度上升[17]。

圖3 不同處理時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,去結晶化處理的木薯淀粉,其衍射吸收峰強度的變化規律與時間處理的相類似。經過不同料液比處理的木薯淀粉,17.16 °的衍射吸收峰均消失,其余的三個衍射峰的2θ角均下降,但下降的幅度有所差異,具體表現為:料液比為1∶5 (g∶mL)時,為14.88、17.69和22.82 °;1∶10 (g∶mL)時,為14.81、17.62和22.75 °;1∶15 (g∶mL)時,為14.68、17.63和22.76 °;1∶20 (g∶mL)時,為14.64、17.62和22.75 °;1∶25 (g∶mL)時,為14.97、17.87和22.83 °。說明不同的料液比,木薯淀粉的晶體結構受到破壞的程度是相似的,其晶型都保持在同一類型。根據衍射圖譜計算反應體系中料液比對木薯淀粉結晶度影響的結果見表4。可見,隨著料液比的增大,木薯淀粉的衍射吸收峰強度先減弱后增強,總結晶度先下降后上升。上述結果表明,料液比可顯著影響木薯淀粉可控去結晶化(p<0.05),其對木薯淀粉結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。料液比對木薯淀粉的影響主要是通過堿、水分及乙醇這三者對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,低含量的水分則會與乙醇形成氫鍵,其對木薯淀粉具有保護作用。

料液比(g∶mL)總累積衍射強度Imax總微晶區累積衍射強度Imax晶相對結晶度(%)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 結論

利用高溫醇堿法可制備可控去結晶化木薯淀粉。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型轉變為無定形狀態,其相對結晶度從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型轉變為趨于無定形狀態,其相對結晶度由23.63%降至5.97%。通過調節體系的處理時間(2～6 h)、料液比(1∶5～1∶25)均能夠有效控制木薯淀粉的相對結晶度先降低后增高,但難于控制其晶型的變化。堿濃度、處理溫度對木薯淀粉去結晶化過程中相對結晶度的影響具有很強的負相關性(r<-0.80),而處理時間和料液比的影響則是非線性的(r≈0)。