玉米淀粉在水-離子液體混合溶液中的相轉(zhuǎn)變機制研究

項豐娟，王書軍，*，秦仁炳

（1.天津科技大學(xué)食品營養(yǎng)與安全國家重點實驗室，天津300457；2.天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津300457）

原玉米淀粉（native maize starch，NMS）是一種半結(jié)晶聚合物，主要由基本的線性直鏈淀粉和高度分支的支鏈淀粉分子組成。盡管其成分簡單，淀粉顆粒呈現(xiàn)十分復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)，對淀粉尺度大小的研究從納米到微米都有相關(guān)研究報道[1-2]。淀粉顆粒中有序的多尺度結(jié)構(gòu)，決定了淀粉可適合作為不同用途和功能及生物降解材料的優(yōu)良原料，在食品工業(yè)中發(fā)揮重要作用[3]。對于開發(fā)新穎和環(huán)境友好的溶劑或增塑劑的研究，吸引了科研和相關(guān)企業(yè)工作者極大的興趣，將新穎和環(huán)境友好的溶劑或增塑劑用于原生淀粉，使得淀粉顆粒轉(zhuǎn)化為理想的具有獨特的功能產(chǎn)品成為目前淀粉研究的熱點之一[4-5]。淀粉的溶解或塑化的試劑有多種類型，淀粉增塑劑通常包括：多元醇（例如甘油、乙二醇、山梨糖醇）或含胺化合物（尿素、氨化物）[4-5]。淀粉的溶解溶劑主要有：二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）和無機強堿（如KOH和NaOH）[6]。而一些新型溶劑，如：n-甲基嗎啉-n-氧化物（n-methylmorpholinen-oxide，NMMO）和熔融咪唑也具有較好的溶解淀粉顆粒能力[6-9]。在這些新型溶劑體系中，研究淀粉相轉(zhuǎn)變過程中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，深入開發(fā)具有良好特性的淀粉產(chǎn)品，將為制備不同凝膠化程度的淀粉原料開辟道路。

離子液體（ionic liquid，IL）是一類熔點低于100℃的有機鹽[9]。它們主要由有機陽離子和有機或無機陰離子組成，可以作為傳統(tǒng)有機溶劑的替代品[10-11]。離子液體能夠有效的溶解碳水化合物類物質(zhì)，如：纖維素[12-14]，木質(zhì)素[15-17]，淀粉[18-21]和甲殼素以及殼聚糖等[22]，引起了人們的廣泛關(guān)注。在25℃條件下，一些離子液體（含Cl-或[OAc]-陰離子）能破壞淀粉側(cè)鏈羥基之間的氫鍵，從而破壞了原淀粉顆粒的半晶體結(jié)構(gòu)[20，23-26]進而導(dǎo)致淀粉的溶解。

目前已經(jīng)有多篇關(guān)于離子液體或離子液體和水混合溶液對淀粉凝膠化行為影響的報道[7，27-28]。這些研究主要集中在淀粉在不同離子液體：水混合物中的差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）相轉(zhuǎn)變規(guī)律，對于在相變過程中的分子機制（即相變過程中的多尺度結(jié)構(gòu)變化）還缺乏深入探討。因此，本研究的目的是通過研究玉米淀粉（maize starch，MS）在不同摩爾比的水和離子液體溶液中相轉(zhuǎn)變規(guī)律，并結(jié)合玉米淀粉在相轉(zhuǎn)變中的多尺度結(jié)構(gòu)變化，揭示淀粉相轉(zhuǎn)變過程中的分子機制，為離子液體在淀粉中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉（一級）、烯丙基氯、N-甲基咪唑：美國Sigma公司；氯化鈉、無水乙醇（分析純）：國藥集團化學(xué)試劑有限公司；乙酸乙酯（分析純）：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

BT25S分析天平（精確至0.1 mg）、BL610分析天平（精確至 1 mg）：美國 Sartotius公司；RVA-techmaster快速黏度分析儀：澳大利亞博通公司；OMH100電熱恒溫干燥箱：美國Thermo公司；Scientz-10N真空冷凍干燥機：寧波新芝生物科技股份有限公司；Vortex渦流混勻器：海門市其林貝爾儀器制造有限公司；JSMIT300LV掃描電子顯微鏡：日本電子公司；DSC200 F3差示掃描量熱儀：德國NETZCH公司；TENSOR II傅立葉變換紅外光譜儀：德國布魯克公司；D：max-2500kv/pc廣角X射線衍射儀：日本島津公司；inVia Reflex激光共聚焦拉曼光譜：英國雷尼紹公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 離子液體[AMIM]Cl的制備

添加 N-甲基咪唑（4.11 g），烯丙基氯（4.60 g）和20 mL乙酸乙酯到一個三口的圓底燒瓶中，反應(yīng)過程中伴隨著磁力攪拌和循環(huán)冷凝水，在氮氣的保護條件下，于60℃反應(yīng)6 h。反應(yīng)結(jié)束后，通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去過量的烯丙基氯，用乙酸乙酯萃取除去未反應(yīng)的N-甲基咪唑。然后真空干燥48 h得到具有黏性的黃色離子液體[29-30]。

1.2.2 差示掃描量熱法

差示掃描量熱法（DSC）測量是使用差示掃描量熱儀（200F3，Netzsch，德國），并配備了熱分析數(shù)據(jù)站。準確稱量玉米淀粉3.0 mg，放入DSC鋁坩鍋中。在DSC鍋中加入水和離子液體混合溶液，水和離子液體混合溶液：淀粉的比例為3∶1（質(zhì)量比）。輕輕搖動坩堝，以確保混合溶液與淀粉充分接觸，并完全浸入，密封，然后用DSC儀器立即檢測。測試條件是以10℃/min的速度從20℃加熱到120℃。用空坩堝作對照，吹掃氮氣流速設(shè)為50 mL/min，保護氮氣流速設(shè)為100 mL/min。使用儀器自帶軟件Proteus61分析計算淀粉的凝膠化起始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、終止溫度（Tc）和凝膠化焓值（ΔH）[31]。

對水和離子液體的摩爾比為3∶1和2∶1，玉米淀粉呈現(xiàn)比較復(fù)雜的熱分析圖。在熱分析圖上，對于這些復(fù)雜的相轉(zhuǎn)變，定義并且確定了5個溫度點。To定義為初始放熱的起始溫度，Tc被定義為隨后吸熱的凝膠化終止溫度，Tp1代表了放熱峰的峰值溫度，Tp2代表了吸熱峰的峰值溫度，Tm代表了Tp1和Tp2的中間溫度。

1.2.3 淀粉樣品的制備

為了滿足樣品材料表征淀粉在DSC相轉(zhuǎn)變過程中的結(jié)構(gòu)變化，因此樣品的制備采用快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA），模擬 DSC 加熱水：離子液體-淀粉系統(tǒng)，無機械攪拌，運用程序與上述DSC儀器上測量的加熱條件相同[32-33]。由于RVA儀器的加熱溫度最高設(shè)置為95℃，所以對于淀粉-純離子液體的混合溶液，使用油浴鍋來制備淀粉在Tc時的樣品。精確稱量大約1 g原淀粉到RVA容器中，用移液槍吸取水和IL的混合溶液，獲得混合溶液∶淀粉比為3∶1（質(zhì)量比）。在RVA容器中用玻璃棒輕輕攪拌混勻，然后分別加熱到To，Tp和Tc。對于摩爾比為3∶1和2∶1的水∶離子液體混合溶液，淀粉樣品同時也被加熱到了Tp1，Tm和Tp2。加熱到指定的溫度后，淀粉樣品用25 mL的無水乙醇洗滌，攪拌，6 800×g離心15 min，除去離子液體。重復(fù)兩次洗滌，在通風(fēng)櫥中過夜蒸發(fā)除去殘留的乙醇。然后淀粉樣品再加入3倍的去離子水（與淀粉-純水系統(tǒng)保持一致），冷凍干燥，研磨成粉末，通過100 μm篩。淀粉-純水系統(tǒng)，加熱后的淀粉樣品沒有用乙醇中洗滌，直接冷凍干燥過篩。

1.2.4 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜

采用紅外光譜儀（TENSOR II）檢測RVA加熱后的冷凍干燥的淀粉樣品，光譜的掃描范圍在4 000 cm-1～400 cm-1，掃描累加64次，分辨率為4 cm-1。試驗前，先用干燥后的150 mg溴化鉀壓片，作為背景掃描。然后稱取2 mg的淀粉樣品于150 mg的溴化鉀中研磨，壓片（20MPa，1min），檢測。所有光譜在 1200cm-1～800cm-1的范圍進行基線校正，所有的光譜采用OMNIC 8.0進行處理。設(shè)定樣品光譜的半峰寬為19 cm-1和增強因子為1.9。用1 047∶1 022 cm-1的比值估計淀粉的短程有序結(jié)構(gòu)[34]。

1.2.5 激光共聚焦顯微拉曼光譜

淀粉樣品的激光共聚焦顯微拉曼光譜圖是通過拉曼光譜儀獲得，將少量凍干研磨過篩的淀粉樣品用載玻片壓至緊實平整，在萊卡顯微鏡視野中選擇清晰界面進行激光測試，激光光源為波長785 nm的綠色二極管。具體測試參數(shù)為：掃描范圍為100 cm-1～3200 cm-1，激光功率為50%，每個樣品至少采集6個不同的點，根據(jù)拉曼光譜中波數(shù)480 cm-1的半峰寬代表著的淀粉分子的短程有序性結(jié)構(gòu)[11，35]，使用儀器自帶軟件WIRE 2.0處理樣品圖譜，并記錄半峰寬數(shù)據(jù)[36]。

1.2.6 廣角X-射線衍射

用D/max-2500 kv/pc X射線衍射儀進行X射線衍射圖譜分析。為了使淀粉樣品在測量前達到恒定的濕度，將所有的樣品，儲存在一個盛有飽和NaCl溶液的密閉器內(nèi)平衡 7 d。XRD 的掃描范圍是 5°～35°（2θ），掃描速度為1°/min和步長為0.02°。計算相對結(jié)晶度是結(jié)晶區(qū)的面積與 5°～35°（2θ）之間總面積的比例，所得的圖譜是采用 Origin 8.0（Version 8.0，Microcal Inc.，Northampton，MA，USA）進行處理。淀粉相對結(jié)晶度=結(jié)晶區(qū)面積÷總面積×100[33，37]。

1.2.7 掃描電子顯微鏡

將冷凍干燥的樣品固定在導(dǎo)電膠上，噴金，然后放置在樣品室中，在5 kV的電壓下，用掃描電子顯微鏡觀察淀粉顆粒的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有的分析都至少做3個平行處理。數(shù)據(jù)結(jié)果的表示方法為平均值±標準偏差。運用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件程序，采用Duncan’s多重比較進行方差分析，p＜0.05的說明平均值之間的顯著差異。所有的圖均用Origin 8.0制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米淀粉的熱力學(xué)特性

玉米淀粉在水和離子液體不同摩爾比的混合溶液中的DSC相轉(zhuǎn)變圖見圖1所示。

圖1 玉米淀粉在水-IL混合溶液中的凝膠化圖Fig.1 Thermograms of maize starch in water-IL mixtures

從圖1可以觀察到不同摩爾比的水-離子液體溶液對玉米淀粉的相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了規(guī)律性的影響。結(jié)果表明，隨著水和IL摩爾比逐漸下降，玉米淀粉的凝膠化峰從一個單一的吸熱峰到先有一個放熱峰隨后伴隨著一個吸熱峰，最后是一個單一的放熱峰逐步過渡的變化趨勢。當水和IL摩爾比逐漸下降到10∶1，玉米淀粉單一凝膠化吸熱峰逐漸轉(zhuǎn)移到更高的相轉(zhuǎn)變溫度。然而隨著水和IL摩爾比的進一步下降，導(dǎo)致玉米淀粉凝膠化吸熱峰轉(zhuǎn)移到較低的溫度，這仍然高于淀粉水混合物吸熱凝膠化溫度。在水和IL的摩爾比為3∶1和2∶1時，觀察到玉米淀粉的一個復(fù)雜的DSC吸熱譜圖（圖1）。在水和IL的摩爾比為3∶1，先有一個小的放熱峰到緊接著一個明顯的吸熱峰。在水和IL摩爾比為2∶1的情況下，觀察到一個大的放熱峰，然后緊接著與之重疊的一個吸熱峰。隨著水和IL摩爾比的進一步下降，只有一個單純的放熱峰。

玉米淀粉在水和離子液體不同摩爾比的混合溶液中的DSC相轉(zhuǎn)變相轉(zhuǎn)變參數(shù)見表1。

表1 在不同摩爾比的水-IL混合液中玉米淀粉的DSC結(jié)果Table 1 DSC results of maize starch in various mole ratios of water-ILmixtures

從圖1可以觀察到在純水系統(tǒng)中玉米淀粉DSC加熱過程表現(xiàn)為在65.3℃和75.9℃之間有個很好的凝膠化吸熱峰。當水和IL摩爾比逐漸下降到10∶1，玉米淀粉單一凝膠化吸熱峰逐漸轉(zhuǎn)移到更高的相轉(zhuǎn)變溫度。然而隨著水和IL摩爾比的進一步下降，導(dǎo)致玉米淀粉凝膠化吸熱峰轉(zhuǎn)移到較低的溫度，這仍然高于淀粉水混合物吸熱凝膠化溫度。在水和IL的摩爾比為10∶1，焓變（△H）從純水 11.5 J/g增加到 15.7 J/g，然后在水和IL的摩爾比為4∶1，減少到13.2 J/g。

在水和IL的摩爾比為3∶1其吸熱焓變?yōu)?.5 J/g。在水和IL摩爾比為2∶1的情況下，放熱焓變?yōu)?.2 J/g。隨著水和IL摩爾比的進一步下降，只有一個單純的放熱峰。淀粉水和IL的摩爾比從1.5∶1降到0時，放熱焓變從13.5 J/g增加到49.5 J/g。

2.2 短程有序性結(jié)構(gòu)

利用紅外光譜（Fourier transform infrared，F(xiàn)TIR）和拉曼光譜對DSC加熱過程當中淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)的短程有序性進行了檢測。在1 047 cm-1～1 022 cm-1之間的紅外波段吸收峰分別代表著淀粉結(jié)構(gòu)的結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)，而1 047 cm-1∶1 022 cm-1的比值常被用作表征淀粉有序結(jié)構(gòu)的標尺[33]。玉米淀粉在1 200 cm-1～800 cm-1范圍內(nèi)紅外光譜圖如圖2所示。

圖2 RVA加熱處理得到的淀粉樣品的紅外光譜圖Fig.2 The FTIR spectra of starch samples heated in RVA canisters

從圖2可以觀察到，玉米淀粉在水和離子液體的混合溶液處理后的紅外吸收峰的強度，隨著RVA加熱終止溫度的增加而降低，表明淀粉中短程有序性結(jié)構(gòu)被破壞淀粉的紅外吸收強度下降趨勢在Tp到Tc要比To到Tp下降趨勢明顯，暗示淀粉的短程有序性在Tp之后逐漸被破壞。

不同摩爾比的水和離子液體的混合溶液對玉米淀粉處理后的拉曼光譜如圖3所示。

圖3 RVA加熱處理得到的淀粉樣品的拉曼光譜圖Fig.3 The LCM-Raman spectra of starch samples heated in RVA canisters

除了吸光度強度的變化，所有的淀粉樣品在LCM-拉曼光譜上都呈現(xiàn)相似的峰型（圖3）。在480、865、943、1 264 cm-1和 2 900 cm-1中觀察到幾個明顯的吸收峰，分別與 δ（CH2）、νs（C1-O-C4）、νs（C1-O-C5）、（C-C-O）振動和ν（c-H）模式相對應(yīng)。淀粉有序結(jié)構(gòu)在480 cm-1和2 900 cm-1的吸收峰的變化很敏感[33]。隨著RVA加熱的溫度的增加，拉曼480 cm-1處吸收峰的強度逐漸降低。

2.3 長程有序性結(jié)構(gòu)

RVA加熱后的淀粉樣品，原淀粉和冷凍干燥淀粉樣品的X-射線衍射圖如圖4所示。

圖4 RVA加熱處理得到的淀粉樣品的X-射線衍射光譜圖Fig.4 The XRD diffraction patterns of starch samples heated in RVA canisters

通過X-射線衍射圖可以觀察到原玉米淀粉在的15°、17°、18°和 23°（2θ）呈現(xiàn) 4 個典型的 A 型淀粉的特征峰。對于在DSC上呈現(xiàn)單一凝膠化吸熱峰的淀粉樣品，在加熱溫度為Tp，淀粉樣品的峰值強度和相對結(jié)晶度顯著下降，但仍然顯示典型的A型X-射線衍射峰。加熱到To，衍射峰幾乎沒有變化，表明淀粉晶體結(jié)構(gòu)沒有被破壞。在水和IL摩爾比為3∶1和2∶1，RVA加熱到To，Tp1和Tm時，衍射峰基本上保持不變，相對結(jié)晶度也不變，與FTIR和拉曼結(jié)果一致。

RVA加熱后的淀粉樣品，原淀粉和冷凍干燥淀粉樣品的短程有序性和長程有序性結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2顯示了在不同摩爾比的水和離子液體的混合溶液中，玉米淀粉在紅外吸收光譜上1047cm-1∶1022cm-1的比值。RVA加熱處理的樣品，在水和IL摩爾比大于3∶1時，加熱溫度從Tp到Tc淀粉的在紅外吸收光譜上1 047 cm-1∶1 022 cm-1的吸收比值比To到Tp下降幅度更顯著，說明Tp以上的溫度能破壞更多的短程有序性結(jié)構(gòu)，與之前用于小麥淀粉-水系統(tǒng)做的結(jié)果一致[33]。當水和IL摩爾比值為3∶1和2∶1，在淀粉的放熱峰期間（To，Tp1和 Tm），其吸光度在 1 047 cm-1∶1 022 cm-1的比值基本上保持不變（表2），表明淀粉分子的短程有序性結(jié)構(gòu)沒有被破壞。當溫度達到Tp2（凝膠化吸熱峰的峰值溫度），淀粉的短程有序性明顯遭到破壞，在加熱到Tc時，淀粉的短程有序性進一步變差。當水∶IL摩爾比值低于2∶1時，從To到Tp時，淀粉樣品在1 047 cm-1∶1 022 cm-1吸光度的比值無顯著差異，但加熱到Tc時，淀粉的短程有序性明顯降低。然而純IL加熱處理玉米淀粉，其短程有序性變化趨勢與玉米淀粉在水和IL的摩爾比大于3∶1的處理組的變化趨勢呈現(xiàn)類似的結(jié)果。

表2 不同的溫度加熱淀粉樣品的短程與長程有序性結(jié)構(gòu)Table 2 Short-and long-range ordered structures of starch samples heated at different temperatures

在480 cm-1的吸收峰的半峰寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）是淀粉結(jié)構(gòu)有序程度的標尺，這是與淀粉的相對結(jié)晶度有關(guān)[34，38]。隨著RVA加熱的溫度的增加，拉曼480 cm-1處吸收峰的強度逐漸降低，與先前的研究一致[33，39，40]。FWHM 淀粉隨著 RVA 加熱的溫度升高而增加，表明在相轉(zhuǎn)變過程中，淀粉分子短程有序結(jié)構(gòu)逐漸破壞（表2）。對不同溫度下的淀粉樣品的紅外光譜分析結(jié)果也有類似的趨勢[31，35，38，41]。

隨著加熱溫度到Tp2，X-射線衍射峰的強度顯著降低，相對結(jié)晶度也下降（表2）。在加熱到Tc時，衍射峰幾乎消失，表明淀粉晶體完全被破壞。在水和IL摩爾比為1.5∶1或1∶1，在加熱到Tp時，衍射峰沒有明顯變化，但在加熱到Tc時，淀粉晶體的衍射峰消失了。在純IL系統(tǒng)中，淀粉加熱到Tp時，其相對結(jié)晶度明顯下降，在加熱溫度為Tc時晶體結(jié)構(gòu)基本消失（表2）。

RVA加熱后的淀粉樣品，原淀粉和冷凍干燥淀粉樣品的掃描電鏡圖如圖5所示。

圖5 RVA加熱處理得到的淀粉樣品的掃描電鏡圖（放大倍數(shù)3000×）Fig.5 SEM images of starch samples heated in RVA canisters（magnification 3000×）

在放熱的相轉(zhuǎn)變階段（從To到Tm），除少量微粒膨脹之外，大部分淀粉顆粒仍保持相對完整性。值得關(guān)注的是，在水和 IL 混合物（1.5∶1 和 1∶1）中加熱到 Tp的淀粉樣品，仍然有清楚可見的顆粒。加熱到Tc時，所有淀粉顆粒都被完全破壞。這些結(jié)果表明，顆粒的形態(tài)變化與DSC、FTIR、Raman、XRD等都有很好的一致性。

3 結(jié)論

研究不同摩爾比水-離子液體對玉米淀粉相轉(zhuǎn)變的影響。隨離子液體比例的增加，玉米淀粉的凝膠化峰發(fā)生了顯著變化，從一個單純的吸熱峰，到先有一個小的放熱峰再伴隨著較大的吸熱峰，最后到一個單純的放熱峰的變化趨勢。在相轉(zhuǎn)變的起始溫度（To）時，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)幾乎沒有被破壞，但是當在相轉(zhuǎn)變的終止溫度（Tc）時，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)完全被破壞。在3∶1和2∶1條件下，由于離子液體和淀粉無定型區(qū)域的相互作用導(dǎo)致了淀粉的凝膠化峰，呈現(xiàn)出先有一個小的放熱隨后緊跟著一個大的吸熱峰。