不同鹽對木薯淀粉結構的影響

樊艷葉，林日輝，楊慧，周麗紅，曾藝君，黃彩梅，劉悅

1(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，廣西 南寧， 530008)2(非糧生物質酶解國家重點實驗室，廣西 南寧， 530000) 3(廣西民族大學 相思湖學院，廣西 南寧， 530008)

本課題組以體積分數90%乙醇作為溶劑，利用不同濃度的堿溶液處理木薯淀粉時，淀粉的溶脹解體問題得到有效抑制，在維持木薯淀粉顆粒原有形貌的條件下有效降低了其結晶度[10]。為進一步了解鹽處理對木薯淀粉結構的影響，本文利用LiCl、LiNO3、CaCl2和Ca(NO3)2的90%乙醇溶液處理木薯淀粉，并對處理淀粉的結構進行表征,以及對其直鏈淀粉含量進行檢測，為后續進一步探索高效、低污染的淀粉改性新方法提供思路和依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑儀器

木薯淀粉(食品級)，廣西岑溪市三角淀粉有限責任公司。

Ca(NO3)2、LiNO3,成都艾科達化學試劑有限公司；無水CaCl2,天津博迪化工股份有限公司；LiCl、8-氨基芘-1，3，6-三磺酸三鈉鹽(熒光級)、氰基硼氫化鈉、KI,阿拉丁試劑(上海)有限公司；無水乙醇、KBr,成都市科隆化學品有限公司；直鏈淀粉標準品、支鏈淀粉標準品,美國Sigma-Aldrich公司；二甲基亞砜,天津市大茂化學試劑廠；I2,成都金山化學試劑有限公司。除特別標明外，其余試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

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；30 mL平蓋式反應釜,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；SUPRA 55 Sapphire型場發射掃描電子顯微鏡,德國卡爾蔡司公司；MiniFlex600型X射線衍射儀,日本理學公司；85-2數顯恒溫磁力攪拌器,上海皓莊儀器有限公司；UV2300II型紫外可見分光光度計,上海天美科學儀器有限公司；Leica TCS SP8型激光共聚焦顯微鏡,德國徠卡微系統有限公司；MAGNA-1R550型傅里葉變換紅外光譜儀,美國賽默飛世爾科技公司；TGA/DSC 3+型同步熱分析儀,瑞士梅特勒-托利多。

1.3 實驗方法

1.3.1 鹽/醇溶液處理木薯淀粉

準確稱取1 g木薯淀粉置于反應釜中，加入15 mL 90%乙醇鹽溶液(LiCl與LiNO3摩爾濃度分別為0.30 mol/L，CaCl2與Ca(NO3)2摩爾濃度分別為0.15 mol/L)，于120 ℃電熱鼓風干燥箱中反應4 h。待反應結束后，冷卻至室溫，真空抽濾取濾餅，用體積分數95%乙醇洗滌3次，置于電熱鼓風干燥箱中(35±1)℃，過夜，烘干得處理淀粉樣品備用，每個反應條件設置3個平行。

用導電膠將處理前后的木薯淀粉樣品固定到金屬樣品臺上，在真空狀態下噴鉑處理后，在2.00 kV的加速電壓下放大2 000倍，觀察樣品的顆粒形貌[11]。

1.3.3 激光共聚焦顯微觀察

參照張奎亮等[12]的方法。取10 mg處理前后的木薯淀粉樣品分別與新鮮配制的15 μL 10 mmol/L APTS醋酸溶液及15 μL 1 mol/L氰基硼氫化鈉混合，于30 ℃反應15 h，用1 mL去離子水清洗5次，將淀粉顆粒懸浮于100 μL 50%甘油與水的混合液中，取1滴懸浮液進行激光共聚焦顯微觀察并拍照。所用熒光激發波長為488 nm。

1.3.4 X-射線衍射分析

實驗條件：Cu(kα)射線，Ni片濾波，電壓40 kV，電流15 mA，掃描范圍2θ為4～60°，掃描速率為8 (°)/min，掃描步長為0.02 °。利用MDI Jade 6.0軟件參照FROST等[13]的方法計算淀粉樣品的相對結晶度。

1.3.5 傅里葉變換紅外光譜分析

利用KBr壓片法將處理前后的木薯淀粉樣品分別與KBr研磨壓片，然后在掃描分辨率為4 cm-1、掃描次數為32次以及掃描波數范圍為400～4 000 cm-1的測試條件下進行紅外光譜測定[14]。

甜瓜(Cucumis melo.L)是上海市重要水果之一。近年來,工廠化育苗成為主要育苗形式之一,與傳統的育苗方式相比,工廠化育苗土地利用率高,用種量減少,育苗周期短,適于機械化操作,人為控制環境,不受外界條件干擾,病蟲害輕、省工省力,可規模生產,苗壯且成苗率高。甜瓜是喜溫作物,溫度對植物根系水分吸收以及體內水分轉移有著重要影響[1-3]。甜瓜生產過程中,夏季工廠化育苗常因溫度過高,導致幼苗下胚軸徒長,易形成高腳苗,影響穴盤苗質量[4],且嚴重影響花芽分化。低溫脅迫易造成幼苗生理傷害,影響正常生長發育。因而,溫度過高與過低是甜瓜種苗生產中面臨的突出問題。

1.3.6 直鏈淀粉含量分析

參照黃祖強[15]的方法，對處理前后木薯淀粉中直鏈淀粉的含量進行測定。分別配制質量濃度為0.023 5 mg/mL的直鏈和支鏈淀粉標準溶液，移取直鏈淀粉標準溶液0、1、3、5、7、9、10 mL到7支試管中，再分別移取相應體積的支鏈淀粉標準溶液到上述試管中配制成總體積為10 mL的直/支鏈淀粉標準混合液，各加入20 μL 20 g/L的碘液，混勻，用紫外可見分光光度計測定混合溶液在600 nm處的吸光度。以混合溶液中直鏈淀粉的質量X(mg)為橫坐標，吸光度Y為縱坐標，繪制標準曲線，得回歸方程：

Y=2.485 1X+0.046 9(R2=0.999 5)

(1)

稱取200.0 mg的淀粉樣品，加入少量的體積分數90%二甲基亞砜(DMSO)，加熱攪拌溶解后定容至50 mL。移取2 mL溶液，用去離子水定容至250 mL，混勻。取10 mL樣品溶液，加20 μL的20 g/L碘液，混勻后用紫外可見分光光度計測定樣品溶液在600 nm處的吸光度。按公式(1)計算直鏈淀粉的質量m1，按公式(2)計算樣品中直鏈淀粉的百分含量(ω，%)：

(2)

式中：m，淀粉樣品的質量，mg。

1.3.7 熱重分析

稱取處理前后的木薯淀粉樣品質量1～5 mg，在溫度范圍為35～600 ℃，升溫速率10 ℃/min，N2為保護氣以及保護氣流量為30 mL/min的條件下進行樣品TGA的測定[16]。

1.4 數據處理

每個處理重復3次，采用 Origin 9.0 統計軟件以及Excel對相應的實驗數據進行處理，并利用SPSS 24軟件對數據進行鄧肯式顯著性差異分析(P<0.05)。所有數據均表示為平均值±標準偏差。

2 結果與討論

2.1 鹽/醇溶液處理對淀粉顆粒表面形貌以及內部結構的影響

不同鹽/醇溶液處理前后木薯淀粉的顆粒表面形貌以及內部結構如圖1所示。由圖1可知，原木薯淀粉是具有截頭末端的不規則半圓形；而經過不同鹽/醇溶液處理后，所有木薯淀粉的顆粒表面形貌與原淀粉基本保持一致，未發生明顯變化。這與KURAKAKE等[17]報道的在120 ℃下利用含水量為0～30%的醇水溶液處理淀粉仍可維持其顆粒完整性的結果相類似，而與ZHOU等[18]報道的在70 ℃下鹽使馬鈴薯淀粉顆粒形狀發生變化以及輪廓變得不清晰的現象有差異。根據范聰聰等[19]的報道可推測,出現以上結果的原因可能是高濃度乙醇具有抑制淀粉膨脹的作用，因而低濃度的鹽尚不足以破壞淀粉的顆粒完整性。

a-原木薯淀粉;b-LiNO3處理淀粉;c-LiCl處理淀粉;d-Ca(NO3)2處理淀粉；e-CaCl2處理淀粉圖1 不同鹽/醇溶液處理的木薯淀粉的SEM(×2 000)圖Fig.1 The SEM (×2 000) images of cassava starchtreated with different salt/alcohol solutions

由圖2-a可知，原木薯淀粉的內部有1個黑點，即為淀粉的臍點，而在臍點處可觀察到有空腔，空腔四周有輕微的裂縫。而經過不同鹽/醇溶液處理后(圖2-b～2-e)，木薯淀粉顆粒內部的裂縫出現不同程度的擴大，有的甚至橫跨整個淀粉顆粒。這與陳佩[20]報道的酸滲入淀粉顆粒內部發生作用，從而導致裂縫變多變寬的結果相類似。說明不同的鹽離子進入到淀粉顆粒內部并對淀粉分子鏈產生作用。

2.2 鹽/醇溶液處理對淀粉X-射線衍射的影響

木薯淀粉經不同鹽/醇溶液處理前后的X射線衍射如圖3所示。原木薯淀粉在2θ值為15、17、18以及23°附近出現4個強的衍射吸收峰，表明其晶型為典型的A型[21]。經過不同鹽/醇溶液處理后的木薯淀粉樣品的衍射吸收峰的位置和個數沒有發生明顯變化，說明其晶型未發生變化。但處理樣品的衍射吸收峰的強度降低，并且其降低的順序為LiNO3、LiCl、Ca(NO3)2到CaCl2。說明不同的鹽/醇處理使淀粉的結晶結構減少，從而導致其相對結晶度由原來的22.03%逐漸降低至15.86%。通過對Ca(NO3)2與CaCl2、LiNO3與LiCl、Ca(NO3)2與LiNO3、CaCl2與LiCl的相對結晶度進行對比分析可知，離子對淀粉的去結晶化作用的強弱程度有所差異，其中Ca2+的作用強于Li+，Cl-的作用強于NO3-。根據掃描電子顯微鏡以及激光共聚焦顯微鏡觀察到的離子對淀粉顆粒的完整性沒有產生明顯影響，而是破壞其內部結構的結果可推測，離子進入到淀粉顆粒內部，并與淀粉的分子鏈相互作用，從而打破淀粉分子鏈的有序排列，使得淀粉原有的晶體結構減少。

a-原木薯淀粉;b-LiNO3處理淀粉;c-LiCl處理淀粉;d-Ca(NO3)2處理淀粉;e-CaCl2處理淀粉圖2 不同鹽/醇溶液處理的木薯淀粉的CLSM(×630)圖Fig.2 The CLSM(×630) images of cassava starch treatedwith different salt/alcohol solutions

圖3 不同鹽/醇溶液處理的木薯淀粉的XRD圖Fig.3 X-ray diffraction patterns for cassava starch treatedwith different salt/alcohol solutions注：圖中不同上標小寫字母表示差異顯著(下同)

2.3 鹽/醇溶液處理對淀粉紅外光譜的影響

圖4為經不同鹽/醇處理前后木薯淀粉的紅外光譜圖。由圖4可知，原木薯淀粉中波數為3 424 cm-1和1 645 cm-1分別歸屬于—OH的伸縮振動以及無定形區H—O—H的彎曲振動。與原淀粉相比，經過不同鹽處理的樣品的紅外光譜的這2個峰均向低波數方向移動。說明鹽的存在影響淀粉分子中的基團振動，其原因可能是鹽離子與水分子產生靜電作用，降低了水分子的活性[22]，從而削弱了淀粉鏈與水分子之間相互作用的強度，使得1 645 cm-1處的峰向低波數方向移動，而隨著淀粉鏈與水分子之間的相互作用強度的減弱，使得淀粉分子上的—OH形成的氫鍵強度降低，從而導致3 424 cm-1處的峰也向低波數方向移動[23]。與原木薯淀粉相比，經過LiNO3和Ca(NO3)2處理的樣品在1 381 cm-1處出現強的吸收峰，此峰歸屬于—NO2的對稱伸縮振動[24]，其來源于樣品中殘留的硝酸根離子，說明鹽/醇處理沒有使淀粉產生新的分子基團。

a-原木薯淀粉;b-LiNO3;c-LiCl;d-Ca(NO3)2;e-CaCl2圖4 不同鹽/醇溶液處理的木薯淀粉的FTIR圖Fig.4 FTIR spectra of cassava starch treated with differentsalt/alcohol solutions

2.4 鹽/醇溶液處理對淀粉中直鏈淀粉含量的影響

不同鹽/醇溶液處理前后木薯淀粉的直鏈淀粉含量如圖5所示。

圖5 不同鹽/醇溶液處理的木薯淀粉的AMFig.5 The amylose content of cassava starch treated withdifferent salt/alcohol solutions

由圖5可知，除了硝酸鋰處理樣品的直鏈淀粉含量比原淀粉稍高外，其他處理樣品均低于原淀粉，并且按LiCl、Ca(NO3)2到CaCl2的順序降低。根據KIM等[25]的報道，直鏈淀粉含量實際上主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉的部分長鏈(B鏈)2部分組成。UTHUMPOMN等[26]和OTHMAN等[27]的研究表明淀粉中直鏈淀粉含量下降主要是因為直鏈淀粉發生降解。而結合前面的結果分析推測，本實驗中直鏈淀粉含量發生變化的可能原因有2種，一是因為離子與淀粉分子鏈發生作用，使得直鏈淀粉與碘結合的能力發生變化，由于不同離子的作用強度以及方式不同，從而顯示出不同的結果；二是鹽處理使直鏈淀粉發生降解。然而對于具體的作用機理目前尚未清楚，有待進一步研究。此外，通過對Ca(NO3)2與CaCl2、LiNO3與LiCl、Ca(NO3)2與LiNO3、CaCl2與LiCl的直鏈淀粉含量進行對比分析可知，Ca2+的作用強于Li+，Cl-的作用強于NO3-。

2.5 鹽/醇溶液處理對淀粉熱特性的影響

圖6為經不同鹽/醇溶液處理前后木薯淀粉的TG和DTG曲線。由TG曲線可知，原木薯淀粉的失重主要分為兩個階段，第1階段在120 ℃之前，該階段主要是淀粉中吸附水散失所致；第2階段從270 ℃開始，此階段主要是淀粉受熱發生降解。此外，原木薯淀粉的TG曲線在120～270 ℃間為水平狀，說明此區間沒有表現出明顯的淀粉熱失重。由DTG曲線可知，原木薯淀粉的最大分解速率在319.4 ℃，說明第2階段是淀粉失重的最重要階段。這與KAEWTATIP等報道的原木薯淀粉熱失重的情況一致[28]。

a-原木薯淀粉；b-LiNO3處理淀粉；c-LiCl處理淀粉；d-Ca(NO3)2處理淀粉；e-CaCl2處理淀粉圖6 不同鹽/醇溶液處理的木薯淀粉的TG和DTG曲線Fig.6 The TG and DTG curves of cassava starch treated with different salt/alcohol solutions

由圖6可知，與原淀粉相比，經過不同鹽/醇溶液處理后，木薯淀粉的TG和DTG曲線發生明顯變化。4個處理樣品的TG曲線的第2階段的降解溫度均提前，而且失重百分數均比原淀粉的高，其中原木薯淀粉的失重百分數為15.12%，LiNO3處理的為24.51%，LiCl的為31.41%，Ca(NO3)2的為25.50%，CaCl2的為35.63%。其次，4個處理樣品的DTG曲線的最大分解速率均小于原木薯淀粉，其降低順序為LiNO3、LiCl、Ca(NO3)2到CaCl2。以上結果說明鹽/醇處理可明顯降低木薯淀粉的熱穩定性。

通過對Ca(NO3)2與CaCl2、LiNO3與LiCl、Ca(NO3)2與LiNO3、CaCl2與LiCl的最大分解速率進行對比分析可知，離子對淀粉的熱穩定性的影響程度有所差異，其中Ca2+的作用強于鋰離子，Cl-的作用強于NO3-。處理淀粉熱穩定性降低主要是因為整個淀粉顆粒內部結構變得較為松散，因此對熱不穩定。淀粉熱特性分析的結果證實了離子可進入淀粉顆粒內部并作用于淀粉分子鏈及其中的水分子，削弱了淀粉鏈與水分子間的作用，從而使得淀粉分子鏈間原有的有序排列被破壞，從而減少淀粉的晶體結構。

3 結論

本文利用LiNO3、LiCl、Ca(NO3)2和CaCl2的體積分數90%乙醇溶液在120 ℃下處理木薯淀粉4 h，得出以下結論：不同鹽對木薯淀粉顆粒外部的影響較小，其主要作用發生在顆粒內部。不同鹽處理并未使淀粉分子形成新的官能團，而是影響淀粉內的分子鏈排列，從而導致其相對結晶度發生明顯變化(P<0.05)，且造成直鏈淀粉含量發生變化。此外，不同鹽及其離子對木薯淀粉的作用強弱順序為CaCl2>Ca(NO3)2>LiCl>LiNO3，Ca2+>Li+，Cl->NO3-。本文目前只了解不同鹽對木薯淀粉結構的影響，但其影響機理還有待進一步研究。