乙酰化羥丙基復合改性玉米淀粉物化特性研究

趙 凱 雷 鳴 劉麗艷 李 君 劉 寧 楊春華 陳鳳蓮

(食品科學與工程省級重點實驗室；哈爾濱商業大學，哈爾濱 150076)

淀粉作為一種可再生資源，廣泛應用于食品工業，起到增稠、膠體穩定、凝膠形成等作用[1]。但是原淀粉自身存在一定的品質缺陷，如凝膠及糊的穩定性差；溶解、分散性差；糊及凝膠的透光率低；易老化等。食品工業的很多應用中需要對原淀粉進行改性處理，以改善其加工性能，提高糊及凝膠的穩定性；改善糊的透明性及凝膠光澤；引入疏水基團以提高乳化性；延緩老化等[2]。醚化及酯化處理是淀粉改性常用方法，其目的是在原淀粉中引入乙酰基、羥丙基等具有空間位阻作用的基團，改進淀粉的加工性能及后期的儲藏穩定性[3,4]。

有關羥丙基淀粉及乙酰化(醋酸酯)淀粉的制備及性質，國內外已有大量文獻報道[5,6]。但是，關于乙酰化羥丙基復合改性淀粉的制備及相關性質研究，國內外相關報道較少。目前主要集中于制備工藝優化、改善食品加工性能、改性次序確定等方面[7-10]。Granza等[11]研究了乙酰化羥丙基復合改性對菜豆(Carioca bean)淀粉性質的影響，表明復合改性能提高原淀粉的凍融穩定性，凝膠性也較原淀粉有所改善。對于不同改性程度對淀粉顆粒、糊及熱焓性質的影響方面則缺乏深入研究。

本研究以來源最為廣泛的玉米淀粉為原料制備不同取代度的乙酰化羥丙基復合改性淀粉，采用掃描電子顯微鏡、X-射線衍射儀(XRD)、紅外光譜儀和差示掃描量熱儀(DSC)對淀粉的物化特性進行研究。通過對乙酰化羥丙基淀粉顆粒形貌、結晶結構、糊的性質以及熱焓特性等的研究，為乙酰化羥丙基復合改性淀粉的制備和應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉；羥丙基淀粉、乙酰化淀粉、乙酰化羥丙基淀粉：實驗室自制；水合茚三酮、亞硫酸氫鈉、無水硫酸鈉、氫氧化鈉、環氧丙烷、乙酸酐、鹽酸、酚酞、濃硫酸、無水乙醇等均為分析純。

1.2 儀器與設備

DSC4000差示掃描量熱儀；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；TDL-5-A離心機；DHG-9420A電熱恒溫鼓風干燥箱；FW80-I高速萬能粉碎機；722E 型可見分光光度計；S-3400N 掃描電子顯微鏡。

1.3 方法

1.3.1 乙酰化淀粉、羥丙基淀粉及乙酰化羥丙基復合改性淀粉的制備[10]

1.3.1.1 羥丙基淀粉的制備

將40%濃度的淀粉乳置于三口瓶中，加入一定量的Na2SO4和NaOH溶液，混合、密閉、充入氮氣，排出空氣，在水浴加熱條件下，加入一定量的環氧丙烷，將三口瓶的瓶口密封，攪拌、反應一段時間，所得產品用2 mol /L的H2SO4滴定至中性，離心、水洗、干燥、粉碎，即得成品。

1.3.1.2 乙酰化淀粉的制備

將40%濃度的淀粉乳在25 ℃下攪拌1 h，然后用3%的NaOH調整pH=8.0，逐滴加入乙酸酐，同時用3%的NaOH將pH保持在8.0～8.4 范圍內，反應一段時間后，用0.5 mol /L的HCl將pH調至6.5，離心、洗滌(用去離子水洗滌2次，95%的乙醇洗滌1次)，然后將其放入40 ℃的烘箱中干燥、粉碎、即得成品。

1.3.1.3 乙酰化羥丙基復合改性淀粉的制備

按1.3.1.1制備羥丙基淀粉，以羥丙基淀粉為原料，對其進行乙酰化改性，具體操作同1.3.1.1和1.3.1.2。

1.3.2 乙酰化羥丙基淀粉的紅外光譜分析

將淀粉樣品與干燥的溴化鉀混合壓片進行紅外掃描，以觀察淀粉樣品的分子基團變化，掃描范圍在4 000～450 cm-1。

1.3.3 乙酰化羥丙基淀粉的結晶特性

將樣品在100%相對濕度平衡24 h，然后采用X射線衍射儀對淀粉的結晶特性進行分析。特征射線Cu靶，管壓40 kV，電流100 mA，測量角度2θ=2°～40°，步長0.02°，掃描速度4(°)/min[12]。

1.3.4 淀粉糊透明度的測定

將淀粉配成1%(m/V)的淀粉乳，取50 mL淀粉乳放入100 mL燒杯中，置于沸水浴中加熱攪拌30 min，并保持原有體積。然后冷卻至室溫，用1 cm比色皿在620 nm波長下測定糊的透光率，以蒸餾水作為空白[13]。

1.3.5 淀粉糊凝沉穩定性的測定

將淀粉配成1%(m/V)的淀粉乳，置于沸水浴中加熱攪拌30 min，冷卻至室溫，移入量筒中，在室溫下靜置，每隔一定時間記錄上層清液或下方沉淀物的體積。用清液體積占糊總體積的百分比來表示糊的凝沉性質[14]。

1.3.6 淀粉糊凍融穩定性的測定

將樣品加蒸餾水配成6%(m/V)的淀粉乳，在沸水浴中加熱30 min，冷卻至室溫，然后置于-20～-15 ℃的冰箱中冷凍，24 h后取出，自然解凍，重復5次，在3 000 r/min離心20 min，棄去上清液，稱取沉淀物質量，計算析水率[15]。

1.3.7 乙酰化羥丙基淀粉的熱焓特性

將玉米淀粉與蒸餾水按1∶2(m/m)比例置于DSC鋁盤中，密封、室溫平衡2 h。以空皿為參比，采用10 ℃/min的升溫速率，從20 ℃升溫到110 ℃，測定糊化起始溫度(To)，糊化峰值溫度(Tp)，糊化完成溫度(Tc)以及糊化焓(ΔH)。每個樣品均測試3次，取平均值。

1.3.8 統計分析

利用SPSS13.0對實驗數據進行相關性分析，采用Origin 9.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 乙酰化羥丙基淀粉的顆粒形貌

圖1為原淀粉及改性淀粉顆粒的表面形貌電鏡圖。由圖1a可以看出，玉米原淀粉顆粒呈現多角形，表面光滑，棱角分明，顆粒表面沒有腐蝕和損傷的現象，這表明淀粉表面的結晶結構完整。與原淀粉相比，淀粉經過羥丙基改性后(圖1b～圖1d)，淀粉顆粒大小變化不大，但顆粒表面發生了非常明顯的變化，部分的顆粒表面變得粗糙，棱角模糊，出現不同程度的凹陷和褶皺，取代度越大，此現象越明顯，并且與較小的顆粒相比，大顆粒的變化更明顯。這與Singh等[16]的報道一致。由圖1e～圖1g可以看出，淀粉經乙酰化改性后，顆粒表面也發生了改變，雖然這種變化不如羥丙基化顯著，隨著乙酰化作用的增強，顆粒表面的棱角變小，由多角形逐漸趨向圓形；部分顆粒開始融化，變形，這主要是由于淀粉經乙酰化作用后，淀粉顆粒中引入了親水性的基團，使淀粉分子的氫鍵增加，從而導致淀粉顆粒發生融化[17]，這與Raina等[18]的研究結果一致，大米淀粉經過乙酰化作用后淀粉顆粒變粗糙，呈現聚集狀。邊緣失去了原有的清晰感，部分顆粒發生破碎和空洞。與上述兩種單一改性相比較，圖1h～圖1j的變化更為顯著，在羥丙基化的基礎上對其進行乙酰化的復合改性淀粉，顆粒表面變得粗糙，棱角模糊，出現不同程度的凹陷和褶皺，顆粒開始融化，變形。其為乙酰化和羥丙基化共同作用的結果，并且取代度越大，此現象越明顯。

2.2 乙酰化羥丙基淀粉的紅外光譜分析

原淀粉的基本組成單元是脫水葡萄糖，主要特征基團是C2和C3所連接的仲醇羥基，C6連接的伯醇羥基以及D-吡喃環結構，這些結構特征在紅外光譜圖中具有特征性紅外吸收峰位置。

注：DS代表取代度；MS代表摩爾取代度。圖1 淀粉改性前后的顆粒形貌

圖2 原淀粉及乙酰化羥丙基復合改性淀粉紅外光譜圖

2.3 乙酰化羥丙基淀粉的結晶特性

淀粉的X射線衍射圖譜分為A、B、C和V型，每一種類型都有明顯特征峰，A型對應的衍射圖譜在2θ角為15.3°、17.1°、18.2°和23.5°處有較強的衍射峰，B型在2θ角為5.59°、17.2°、22.2°和24.0°處有較強的衍射峰，C型在2θ角為5.73°、15.3°、17.3°、18.3°和23.5°處有較強的衍射峰，V型在2θ角為7.36°、13.1°和20.1°處有較強的衍射峰。X射線衍射法除了可以鑒定原淀粉的不同外，還可以用來鑒定淀粉是否經過物理、化學變化及顆粒晶體被破壞的程度。淀粉改性前后X射線衍射圖譜如圖3所示。

注：NCS代表玉米原淀粉，MS及DS分別代表羥丙基化改性及乙酰化改性后所得淀粉的取代度和摩爾取代度，括號內數值為結晶度。圖3 原淀粉及改性淀粉X射線衍射圖譜

由圖3可知，玉米原淀粉在15.10°、17.10°、17.98°、23.10°處有明顯的特征峰出現，屬于典型的A型結構。從圖3可以看出淀粉經過乙酰化改性、羥丙基改性及復合改性后，X射線衍射圖譜并沒有發生明顯的變化。玉米淀粉的結晶度為19.46%，與原淀粉相比，淀粉經過單一及復合改性后，結晶度有所降低，并且隨著取代度的升高加劇，說明酯化及醚化反應主要發生在顆粒的不定形區，取代度提高后，部分結晶區也會發生反應。綜上所述，淀粉經過單一的乙酰化、羥丙基化改性以及乙酰化羥丙基復合改性后，X射線衍射圖譜均未發生明顯的變化，結合掃描電子顯微鏡觀察結果淀粉經過改性后其顆粒表面發生了一些變化，這說明乙酰化、羥丙基化單一改性以及乙酰化羥丙基復合改性作用主要發生在淀粉顆粒的無定形區，但總體上并沒有破壞淀粉顆粒的結晶結構。

2.4 復合改性程度對糊透明度的影響

淀粉糊的透明度是食品加工過程中的一個重要影響因素。淀粉糊的透明度與淀粉原料中脂質含量以及淀粉改性后接入的基團有關。淀粉糊透明度的高低常用透光率來表示，圖4為改性對淀粉糊透光率的影響。

圖4 改性對淀粉糊透光率的影響

由圖4可知，淀粉經乙酰化羥丙基復合改性后，糊的透光率均比原淀粉高。當羥丙基化程度一定時，隨著乙酸酐用量的增加，復合改性淀粉糊的透明度也隨著提高，當乙酸酐用量一定時，隨著羥丙基化程度的增加，糊的透明度隨之提高。同時復合改性程度越高，糊的透明度越高。這主要是因為在淀粉分子中接入羥丙基和乙酰基基團后，由于基團的空間位阻作用，阻礙直鏈淀粉及支鏈淀粉分子鏈間的締合，從而提高淀粉糊的透明度。從圖4可以看出隨著改性程度的提高，糊的透光率也逐漸增加，且復合改性優于單一改性。

2.5 復合改性程度對糊凝沉穩定性的影響

淀粉乳受熱，顆粒溶脹吸收水分破裂，淀粉分子完全分散于水中而糊化。淀粉糊放置一定的時間后會逐漸變混濁、分層沉淀，出現上清液、下方沉淀物的現象，這就是淀粉的凝沉現象[20]。常用淀粉糊在存放過程中上清液的體積百分數(凝沉體積比)來衡量淀粉的凝沉性大小。圖5為原淀粉與不同改性程度的乙酰化羥丙基淀粉糊的凝沉穩定性。

由圖5可以看出，隨著放置時間的延長，原淀粉及改性淀粉糊的上清液體積都在增加，達到一定程度后穩定。原淀粉在最初的幾個小時內迅速凝沉，達到穩定狀態，并且上清液的體積很大，說明原淀粉的凝沉性強，凝沉穩定性差。而經過乙酰化和羥丙基化復合改性的淀粉的凝沉性則明顯減弱，糊穩定性較好，并且隨著復合取代度的增加，上清液的體積越來越少，凝沉性越來越弱，即凝沉穩定性越來越好。這主要是因為經羥丙基化和乙酰化復合改性處理后，由于淀粉鏈間的空間位阻增大，淀粉的親水性增強，淀粉不容易凝沉，穩定性提高。可見羥丙基化和乙酰化均可以提高淀粉的凝沉穩定性。

圖5 改性對淀粉糊凝沉性的影響

2.6 復合改性程度對糊凍融穩定性的影響

淀粉糊經過反復凍融和低速離心后，其淀粉糊析水率的大小可以反映淀粉抗老化能力的強弱。由圖6可知玉米原淀粉的析水率最高，凍融穩定性最差。隨著羥丙基化和乙酰化程度的增加，淀粉的析水率逐漸降低，凍融穩定性逐漸增強；隨著復合取代度的增加，淀粉的析水率降低更為明顯，淀粉凍融穩定性逐漸增強，這是因為淀粉糊經低溫冷凍，由于凝沉作用，淀粉分子間又經過氫鍵結合成不溶的結晶結構，膠體結構被嚴重破壞，析出游離水。在淀粉中引入羥丙基和乙酰基后，由于羥丙基與乙酰基都是親水基團，可以起到保水作用，提高了乙酰化羥丙基淀粉的凍融穩定性。同時羥丙基和乙酰基基團可與直鏈淀粉的脫水葡萄糖羥基形成分子內氫鍵，使淀粉分子的膠體結構不易被破壞，同時由于羥丙基和乙酰基的存在，也會造成支鏈淀粉分支部分的空間障礙，阻礙了淀粉分子間氫鍵的形成，使其不易重新排列和締合，使水分不易析出，增強了淀粉的凍融穩定性。

凍融循環注：1為原淀粉，2～4表示MS分別為0.03、0.07、0.11,a-c依次表示一次、兩次及三次凍融循環。圖6 改性對淀粉凍融穩定性的影響

2.7 乙酰化羥丙基淀粉的熱焓特性

淀粉的DSC分析可看作淀粉在過量水分條件下的糊化過程，在此過程中，相變的起始溫度可以看作是糊化的開始溫度，而相變的終止溫度可以看作是糊化的終了溫度，相變過程的焓值可以看作是糊化過程所需能量[21]，即在相變過程中雙螺旋結構的解聚和熔融所需要的能量[22，23]。由表1可知，玉米原淀粉的相變起始溫度為64.40 ℃，經過羥丙基改性后，淀粉相變的起始溫度降低，并且隨著取代度的升高逐漸下降。與單一改性和原淀粉相比，淀粉經過乙酰化羥丙基復合改性后，淀粉相變的起始溫度降低的更顯著，隨著復合取代度的升高，相變的起始溫度也隨之降低。這主要是因為淀粉經過羥丙基改性后，在分子內引入了親水性的羥丙基基團，其有利于與水分的結合，同時由于羥丙基基團的引入，增大了淀粉分子間的空間位阻，增大了直鏈淀粉分子之間的空隙，有利于水分子的進入，從而使淀粉的糊化變得容易，即相變的起始溫度降低。同理，淀粉經過乙酰化羥丙基復合改性后，由于羥丙基和乙酰基基團的引入，使淀粉相變的起始溫度降低。淀粉經過羥丙基改性后，焓值明顯降低，并且取代度越高，下降越明顯。與單一改性和原淀粉相比，淀粉經過乙酰化羥丙基復合改性后，焓值顯著下降。這說明淀粉經過單一改性和復合改性后，由于羥丙基和乙酰基基團的引入，使淀粉顆粒的部分雙螺旋結構被破壞，所以發生相轉變時用于解開雙螺旋所需的能量低。并且隨著改性程度的增大，破壞作用增強，所需的能量降低。同時由于羥丙基和乙酰基基團的存在，阻礙了淀粉分子間的氫鍵的締合作用，從而使糊化的過程變得容易，焓值下降。上述實驗結果說明羥丙基改性和乙酰化羥丙基復合改性主要發生在淀粉的無定形區，但提高取代程度，部分結晶區亦會參與反應過程，這與XRD部分結晶度隨取代度增高而降低的結論一致。

表1 原淀粉及改性淀粉的熱焓特性

注：To：起始溫度；Tp：峰值溫度；Tc：完成溫度；ΔH：糊化焓；數據表示為平均值±標準差(n=3)。

3 結論

不同取代度的乙酰化淀粉、羥丙基淀粉及乙酰化羥丙基復合改性淀粉與原淀粉性質存在較大差異。SEM結果表明，與原淀粉相比，乙酰化羥丙基復合改性淀粉顆粒表面變得粗糙，棱角模糊，出現不同程度的凹陷、褶皺、變形，這是乙酰化和羥丙基化共同作用的結果，并且取代度越大，此現象越明顯；紅外光譜分析結果表明，淀粉經過乙酰化羥丙基復合改性處理后，在淀粉分子上引入了新的化學基團；XRD結果可以看出，乙酰化、羥丙基化單一改性以及乙酰化羥丙基復合改性作用主要發生在淀粉顆粒的無定形區，改性后的淀粉仍為A型結晶結構；從糊的性質分析可以看出，乙酰化羥丙基復合改性淀粉糊的透明度、凝沉穩定性以及糊的凍融穩定性均隨著復合改性程度的增加而提高；DSC分析結果顯示，隨著DS及MS的增加，改性淀粉的To、Tp、Tc 及ΔH均降低，說明乙酰化、羥丙基化改性增加空間位阻，部分破環雙螺旋結構，改性后淀粉更易糊化。