過氧化氫/硫酸銅氧化慈姑淀粉的制備及性質研究

戢得蓉，雷敏，謝建明，段麗麗，桂超

(四川旅游學院，四川 成都，610100)

慈姑(SagittariasagittifoliaL.)，又稱茨菰、慈菰，澤瀉科水生慈姑屬，盛產于北美、歐洲和亞洲，尤其常見于中國、印度尼西亞、馬來西亞及尼泊爾等地[1]。慈姑為低脂肪、高碳水化合物的食品，干燥的慈姑球莖主要含有約54.60%的淀粉及16.47%的蛋白質[2]。新鮮慈姑含水量較大且淀粉含量較高，不易長期儲存。在中國，因為其獨特口感和營養，慈姑多被當作應季蔬菜進行食用。對慈姑淀粉進行研究成為慈姑資源應用的重要途徑。淀粉的理化性質會影響其在食品和非食品工業中的應用。慈姑淀粉的直鏈淀粉、支鏈淀粉含量約為27%和73%，其糊化溫度范圍較小、不易溶解、易凝沉、凍融穩定性差，但透明度較高[3-4]。對淀粉進行改性后應用于工業生產是常見的淀粉利用方式[5]。

利用化學方法對淀粉進行改性是最經典和最有效的方法，常見方法有氧化、交聯、醚化、羥丙基化和乙酰化改性等[6-7]。氧化和交聯反應可通過將功能單元引入淀粉分子，從而改變淀粉熱力學性質和糊化性能[8]。氧化淀粉近年來廣泛應用于食品和工業應用中，例如提供膜產品和黏合特性產品[9]。目前還沒有關于慈姑氧化淀粉制備的研究，本研究旨在利用過氧化氫(H2O2)將慈姑淀粉進行氧化處理，探討氧化前后淀粉性質的變化，從而提高慈姑淀粉的綜合利用性能。

1 材料和方法

1.1 材料與設備

慈姑淀粉，彌勒市竹園鎮蔗林食品廠；H2O2(30%)、HCl、NaOH、CuSO4、NaHSO3，均為分析純，成都市科龍化工試劑。

DZKW-S-8 恒溫水浴鍋,北京市永光明醫療儀器有限公司；STARTER 3100 pH計,奧豪斯儀器有限公司；DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,鞏義市予-華儀器有限責任公司；UV8100紫外分光光度計,北京萊伯泰科儀器有限公司；101 電熱鼓風干燥器、分析天平,常州衡正電子儀器有限公司；HD場發射掃描電子顯微鏡,德國SIGMA；Nicolet is 50 傅立葉變換紅外光譜儀,美國賽默飛；Rigaku smartlab9 X-衍射儀,日本理學。

1.2 試驗方法

1.2.1 氧化慈姑淀粉的制備

稱取40 g慈姑淀粉，加入去離子水配成質量分數40% 的淀粉乳懸浮液[10]，加入CuSO4，調節pH，攪拌均勻后，在45 ℃下與H2O2反應。反應結束后，加入質量分數10% NaHSO3溶液以終止反應。用 1 mol/L NaOH調節溶液 pH 值至中性，然后抽濾、洗滌，將反應后淀粉放置于45 ℃烘箱內，干燥，研磨制得氧化慈姑淀粉。

1.2.2 H2O2氧化淀粉工藝單因素試驗

基礎反應條件為CuSO4取干基0.02(相對于干基淀粉的質量，g/g,下同)，調節pH至7.0，加入16 mL H2O2,反應4 h。分別考察不同H2O2(8、16、24、32、40 mL)用量、不同CuSO4取干基(0、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%)用量、不同pH(3.0、5.0、7.0、9.0、11.0)及不同反應時間(2、3、4、5、6 h)對氧化慈姑淀粉的羧基含量及透明度的影響。

1.2.3 羧基含量的測定

羧基含量的測定參照GB/T 20374—2006《變性淀粉 氧化淀粉羧基含量的測定》，總的羧基質量分數，以%計算。

1.2.4 透明度的測定

參考WU等[11]的測定方式略作調整，用去離子水配制質量分數1%的慈姑淀粉乳，于沸水浴中回流加熱至糊化20 min后停止，冷卻至室溫，以去離子水為空白，在 620 nm 波長下測定透光率，透光率與透明度成正比。

1.2.5 溶解度和膨脹度測定

參考王素雅等[12]的實驗方法略作調整，分別在55、65、75、85、95 ℃溫度下進行水浴加熱處理，測定淀粉在設定溫度的溶解度和膨脹度。

1.2.6 凝沉性的測定

參考李鑫等[13]的實驗方法略作調整，稱取慈姑淀粉及氧化淀粉0.5 g(以干基計)，加入蒸餾水50 mL，配制成質量分數為1%的慈姑淀粉懸浮液，置于沸水浴中不斷攪拌使其充分糊化后冷卻至室溫，倒入刻度量筒中靜置沉淀，保鮮膜封口，觀察淀粉糊上層清液體積，以上清液體積分數隨時間的變化情況來表征其凝沉性質。

1.2.7 凍融穩定性的測定

準確稱取一定質量的氧化慈姑淀粉及原淀粉，加入一定量蒸餾水配制成質量濃度為60 g/L的淀粉懸浮液(以干基計)，在沸水浴中加熱至充分糊化，稱取15 g冷卻后的樣品裝入離心管中，蓋緊蓋子后置于冰箱(-18 ℃)冷凍20 h后將樣品取出[14]，在室溫下解凍，在3 000 r/min條件下離心30 min，棄去上清液后稱取沉淀物的質量。如此反復凍融3次并測定每次的析水率。

1.2.8 淀粉黏度測定

參考GB/T 22427.7—2008《淀粉黏度測定》，使溫度控制在50、55、60、65、70、75、80、85、90 ℃，用旋轉黏度儀測量每個溫度的黏度值。

1.2.9 電鏡分析

將2種淀粉進行真空冷凍干燥后，樣品進行研碎，然后均勻分散于雙面膠上并固定在銅臺上，噴金后掃描電鏡觀察。

1.2.10 紅外光譜分析

采用KBr壓片法處理后進行紅外光譜儀測定。

1.2.11 X射線衍射分析

使用X射線衍射儀測定氧化前后慈姑淀粉的X射線衍射圖，測試條件：淀粉過300目篩，利用Cu-Kα輻射，波長為1.540 56 nm，衍射掃描范圍為5～40°，管壓為40 kV，電流為150 mA，掃描速度為2 °/min。

1.3 數據統計分析

實驗數據采用Excel、Origin及Jade進行處理。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 H2O2用量對氧化淀粉性質的影響

可以用羧基含量來衡量氧化淀粉的氧化程度，羧基含量越高，氧化程度就越深。氧化淀粉的淀粉糊透明度與老化度有相關性，易老化者透明度較差，淀粉的透明度與淀粉的溶解度也有關。在CuSO4添加量為0.02%，pH為7.0，反應時間為4 h的條件下H2O2添加量對氧化淀粉羧基含量及透光率影響如圖1所示，羧基含量與透明度受H2O2添加量影響的趨勢相似。通過氧化作用，慈姑淀粉中部分還原性的鏈端被氧化成羧基[15]，增加氧化劑用量，氧化劑與淀粉的接觸越頻繁，反應程度越深。由圖1可知，當氧化劑添加量逐漸增加，羧基含量及透明度明顯增加，氧化程度增大，羧基含量及透明度在H2O2添加量為32 mL時達到最大，此時H2O2與慈姑淀粉結合趨于飽和。

圖1 H2O2添加量對氧化淀粉性質的影響

2.1.2 催化劑CuSO4對氧化淀粉的影響

在H2O2添加量為16 mL，pH為7.0，反應時間為4 h的條件下，CuSO4添加量對氧化淀粉羧基含量及透明度的影響如圖2所示。催化劑的使用可以明顯改變慈姑淀粉的氧化程度，在未添加CuSO4的情況下，H2O2與慈姑淀粉的反應緩慢，與加工前原料相比，羧基含量的增加不明顯。隨著CuSO4的加入，H2O2對慈姑淀粉的氧化效果明顯提升，反應逐漸劇烈，慈姑淀粉的羧基含量及透明度明顯增加。在CuSO4添加量為淀粉干基的0.03%時，達到相對較好的透光率及羧基含量。持續增加催化劑，羧基含量反而略微減少，可能是隨著 Cu2+濃度的增加，淀粉與 Cu2+發生配位反應的幾率增大，使得可用于氧化反應的慈姑淀粉量減少。

圖2 CuSO4質量分數對氧化淀粉性質的影響

2.1.3 pH值對氧化淀粉的影響

不同pH值條件下慈姑氧化淀粉的羧基含量及透光率結果見圖3。整體而言，以CuSO4作催化劑條件下，中性或堿性環境更有利于H2O2對慈姑淀粉進行氧化作用，氧化效果明顯較酸性條件更好。就淀粉透明度而言，中性條件相對要優于酸性或堿性條件。淀粉與H2O2在CuSO4存在下多發生自由基反應[16]，雖然酸性條件下H2O2的氧化能力增強，但同時淀粉分子間的氫鍵作用也加強，不利于自由基反應中鏈的傳遞。堿性增強，不利于淀粉氫鍵的形成，但隨著OH-濃度增大，會使得催化劑中的Cu2+轉化為Cu(OH)2沉淀，整體催化能力下降，不利于氧化反應的發生。因此為獲得氧化程度較高且透明度較好的氧化慈姑淀粉，控制反應在中性或偏弱堿性范圍。

圖3 pH值對氧化淀粉性質的影響

2.1.4 氧化時間對氧化淀粉的影響

反應時間對H2O2氧化慈姑淀粉的影響結果見圖4。

圖4 反應時間對氧化淀粉性質的影響

隨著反應時間的增加，H2O2在較短時間內表現出較為穩定的氧化性，氧化后慈姑淀粉的羧基含量先增加，隨著時間的推移，部分H2O2發生降解同時淀粉分子中易發生局部反應，致羧基含量減少。慈姑淀粉的透明度隨著時間的增加先增大后減小，在5 h時達到最大值，繼續反應，透明度反而降低，且4 h的反應效果略優于6 h。與已有研究結果基本一致[15]，反應時間較短時部分淀粉來不及參加反應，隨著反應時間的增加反應進一步加深，部分H2O2氧化分解而失去氧化性，且淀粉分子內部發生局部反應，導致淀粉分子高度降解。綜合考慮羧基含量及透明度的結果，故下一步試驗設計中固定氧化反應的時間為4 h。

2.2 響應面優化試驗結果

2.2.1 響應面試驗設計及回歸模型的建立與分析

根據淀粉氧化的單因素試驗結果，固定反應時間為4 h，選取介質 pH(A)、CuSO4添加量(B)及H2O2添加量(C) 3 個因素為響應面的試驗因素，氧化淀粉羧基含量、透明度為響應值響應面試驗設計見表1，試驗結果見表2。

表1 響應面試驗因素與水平

表2 Box-Behnken試驗設計及結果

采用Design-Expert 8.0.6軟件對表2的響應面結果進行多元回歸擬合、方差分析及顯著性檢驗，分別得到羧基含量(Y1)及表征透明度的透光率(Y2)與3個因素的二次多項回歸方程為：Y1=0.33+0.034A+0.018B+0.006C+0.021AB-0.002AC-0.006BC-0.036A2-0.010B2-0.003C2；Y2=0.51+0.073A+0.038B-0.020C+0.046AB-0.021AC-0.020BC-0.071A2-0.065B2-0.043C2。對羧基含量模型進行方差分析結果見表3，對透光率模型進行方差分析結果見表4。

表4 透光率模型的顯著性檢驗

表3 羧基含量模型的顯著性檢驗

由表3可看出，氧化慈姑淀粉羧基含量的多元回歸擬合中P=0.000 1，表明此回歸模型準確度高、合理性強。失擬項P=0.838 6，說明模型失擬項不顯著，因此可用此回歸方程代替試驗點對實驗結果進行分析和預測。對羧基含量的影響大小依次為：A>B>C。

由表4可看出，氧化慈姑淀粉透明度的多元回歸擬合中P=0.008 2，表明此回歸模型準確度較高。失擬項P=0.169 6>0.05，說明模型失擬項不顯著，因此可用此回歸方程代替試驗點對實驗結果進行分析和預測。模型項A、B對透明度的影響均顯著，影響大小依次為：A>B>C。

2.2.2 響應面交互作用

在表2的基礎上得出各因素交互作用對羧基含量影響的響應曲面圖見圖5，對透明度影響的響應曲面圖見圖6。

a-pH和CuSO4的交互作用;b-pH和H2O2的交互作用;c-CuSO4和H2O2的交互作用(下同)

圖6 各因素交互作用對淀粉透明度影響的響應面分析

固定CuSO4添加量，變性淀粉羧基含量隨pH增加先上升后下降，固定反應pH，變性淀粉羧基含量及透明度隨CuSO4添加先上升后下降，兩者交互作用顯著，見圖5-a和圖6-a。固定H2O2添加量，變性淀粉羧基含量及透明度隨pH增加先上升后下降，固定反應pH，變性淀粉羧基含量及透明度隨H2O2添加緩慢上升后下降，但兩者交互的等高線圖均接近圓形，交互作用不顯著(圖5-b、圖6-b)。固定H2O2添加量，變性淀粉羧基含量及透明度隨pH增加先上升后下降，固定反應pH，變性淀粉羧基含量及透明度隨H2O2添加先上升后下降，兩者交互作用等高線圖接近圓形(圖5-c、圖6-c)，說明兩者交互作用不顯著。結合方差分析結果，可以看出所選H2O2體積范圍均已滿足化學計量上氧化劑的用量要求，此時起主要作用的是催化劑的添加量以及提供反應環境介質的pH，方差分析結果及響應面曲線與反應實際相符。

用響應面優化法測定出最佳優化工藝，即H2O2用量31.6 mL，反應pH為8.35，CuSO4用量取干基的0.04%，45 ℃條件下反應4 h。所選取的慈姑淀粉的羧基含量為0.049%，透明度為2.98%；而優化后所制得氧化慈姑淀粉的羧基含量為0.355%，透明度為52.6%，相對于單因素實驗(羧基含量為0.302%，透明度為48.4%)有一定程度的提高。

2.3 氧化前后慈姑淀粉的性質對比

2.3.1 溶解度和膨脹度測定結果

從圖7～圖8可知，H2O2氧化慈姑淀粉在最初溫度下溶解度和膨潤度與原淀粉差異不大，但隨著溫度的升高差異變大，當溫度升高到65 ℃，氧化慈姑淀粉的溶解度顯著升高，遠大于慈姑原淀粉的溶解度。隨著溫度的升高，氧化淀粉的膨潤度逐漸高于原慈姑淀粉。

圖7 H2O2氧化反應對慈姑淀粉溶解度的影響

圖8 H2O2氧化反應對慈姑淀粉膨潤度的影響

已有文獻報道[4]，慈姑淀粉相對于荸薺、馬鈴薯、玉米及木薯等幾種常見的淀粉，溶解度明顯偏低，而利用H2O2/CuSO4對慈姑淀粉進行氧化改性，能明顯提高其溶解度。

2.3.2 凝沉性測定結果

氧化前后慈姑淀粉凝沉性的對比結果見圖9，測定實驗中，上清液體積以透明液體體積計。原慈姑淀粉在3 h后就開始出現明顯析水分層現象，在10 h時慈姑淀粉糊析出減少且后期基本無變化，說明對所選慈姑淀粉糊的凝沉特性的影響主要發生在前10 h。H2O2氧化的淀粉在觀察時間內均表現出良好的穩定性且優于原慈姑淀粉。凝沉性的現象與溶解度的結論保持一致。

圖9 H2O2氧化反應對慈姑淀粉凝沉性的影響

可以推測氧化后淀粉空間結構可能發生了變化，導致可溶性淀粉量增加，也可能是支鏈淀粉的結構受到破壞，溶解性發生變化導致，具體原因及更長時間范圍的凝沉性特性有待進一步研究。

2.3.3 凍融穩定性測定結果

凍融穩定性指糊化后的淀粉在經過冷凍和解凍后保持原來淀粉糊膠體結構的性質。凍融后淀粉糊的析水率越低表明淀粉糊的凍融穩定性越好，從圖10中可以看出， 所選慈姑淀粉的第2、3、4次凍融析水率差值較小，而氧化后淀粉析水率高于慈姑淀粉，且每次凍融與前一次差異較明顯。H2O2氧化的慈姑淀粉凍融實驗中表現出較差的凍融穩定性。

圖10 H2O2氧化反應對慈姑淀粉凍融穩定性的影響

2.3.4 黏度測定結果

淀粉的黏度指淀粉在水溶液中抗流動性的性質，從圖11可以看出,氧化淀粉的黏度低于原淀粉的黏度，淀粉的糊化溫度變低。慈姑淀粉經過H2O2/CuSO4氧化后，羧基含量增加，相較于原淀粉，對直鏈淀粉分子間氫鍵締合的抑制作用增強[17]，糊化溫度降低，淀粉分子鏈斷裂，聚合度降低，溶解度增大，黏度也隨即減小。

圖11 H2O2氧化反應對慈姑淀粉黏度的影響

2.3.5 掃描電鏡測定結果

由圖12可知，對比H2O2/CuSO4氧化前后慈姑淀粉的掃描電鏡圖，從顆粒的破碎情況和光滑程度可以看出，原淀粉的顆粒飽滿，表面光滑，沒有明顯的破碎，經過改性的慈姑淀粉，顆粒破碎嚴重，呈現不同規則的形狀并且表面出不同程度的粗糙情況。從淀粉顆粒的形狀和大小比較：慈姑淀粉主要呈橢圓形和球形，經過H2O2/CuSO4氧化的慈姑淀粉，形狀增多，說明H2O2/CuSO4氧化條件使得慈姑淀粉顆粒形態發生改變。

a-氧化前(×500);b-氧化前(×1 000);c-氧化后(×500);d-氧化后(×1 000)

2.3.6 紅外光譜分析

圖13為改性前與H2O2/CuSO4改性后的慈姑淀粉的紅外光譜圖對比，在3 200～2 400cm-1范圍內，羧基二聚體強氫鍵使O—H伸縮振動變成彌散的寬譜帶，改性慈姑淀粉的分子中和分子間的O—H基團形成的氫鍵作用力強，O—H伸縮振動向低頻移動，吸收譜比原淀粉更加彌散。譜帶彌散的原因可能是，淀粉分子在不斷的運動中，氫鍵O—H…O中的距離在不斷變化，且H…O之間的距離越短，氫鍵力越強，O—H鍵的鍵長就越長，因而O—H伸縮振動的頻率也就越低，H…O之間的距離在一定范圍內，變化的范圍越大，譜帶就越彌散[18]。在1 760～1 660 cm-1的范圍內，H2O2改性淀粉在這個吸收峰更尖且更強，表明分子結構中有更多的羰基振動[19]。常用1 047 cm-1與1 022 cm-1兩處的吸光度的比值來反映淀粉鏈的有序化程度和相對結晶度[20]，氧化慈姑淀粉在1 047、1 022 cm-1處吸光度比值增大，說明有序度提高，淀粉中晶體結構發生改變，無定形結構減少，同時結晶淀粉的量也減少。

圖13 氧化對慈姑淀粉紅外結果的影響

2.3.7 X-衍射結果

根據X-衍射結果，慈姑原淀粉在15.16°、17.10°、17.92°和22.99°處出現了明顯的吸收峰，屬于典型的A型射線衍射譜圖，從圖14可知，經過H2O2/CuSO4改性的慈姑淀粉的衍射峰變高但位置與氧化前基本一致，說明是部分結晶結構發生改變[21]。原淀粉的結晶度為44.8%，經H2O2/CuSO4改性的慈姑淀粉結晶度升高至55.11%，說明氧化改性破壞了原淀粉顆粒的晶體結構，主要原因是淀粉的結晶度基于支鏈淀粉分子鏈中雙螺旋的形成[22]。X-衍射的測定結果與紅外測試的結果一致。

圖14 氧化對慈姑淀粉X-衍射結果的影響

3 結論

優化得到慈姑變性淀粉條件，即H2O2體積31.6 mL，反應pH為8.35，CuSO4用量取干基的0.04%，45 ℃條件下反應4 h，經過氧化后，慈姑淀粉的羧基含量由0.049%提升為0.355%，透明度由3.0%提升到52.6%，得到高羧基含量、高透明度的慈姑淀粉，紅外光譜中的對應吸收峰型明顯尖且強，羰基振動增強，氧化后淀粉的溶解度、透明度均比原慈姑淀粉高，擁有較好的凝沉性能、較低的黏度，但其凍融穩定性變差，微觀顆粒破損嚴重，形狀增多。結合紅外及X-衍射測定結果顯示，慈姑淀粉的結晶度從44.80%升高至55.11%，晶體結構發生了一定的改變。此方法反應條件溫和，對環境友好，且與原慈姑淀粉相比，增加了淀粉的部分性能，擴展了慈姑淀粉的利用可能性。