水-離子液體混合溶液對玉米淀粉溶解的影響

項豐娟，王書軍*，秦仁炳

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

淀粉是自然界中廣泛存在的、可再生的、生物可降解的和生物相容性的生物大分子，因此淀粉在食品和食品工業領域有著不可或缺的作用。由于在淀粉顆粒中存在有序的微晶結構，因此淀粉作為生產原料用于食品工業和適合不同的應用和制造生物降解材料方面起決定性作用[1-2]。在淀粉分子側鏈的羥基之間存在氫鍵相互作用，故淀粉在普通的有機溶劑中不溶，極大地限制了淀粉在工業上的應用，因此開發新型的、有效的、綠色的、環境友好的溶劑或增塑劑，應用于可將原淀粉顆粒轉化為具有理想的最終需要的特性的多功能產品，迫在眉睫[2-3]。

離子液體是一種熔點一般不超過100℃的室溫熔融鹽[4]。由有機陽離子和有機或無機陰離子組成，具有一般有機溶劑不具備的優良特點，成為傳統有機溶劑的潛在替代品[5-6]。而且離子液體具有可設計性，根據產品的結構特性以及工業生產的特殊需要，通過改變或修飾離子液體陰陽離子的結構和種類，可以設計合成出具有不同陰陽離子的結構和相應的物理化學性質的離子液體。目前應用于淀粉研究的離子液體主要有1-烯丙基-3-甲基氯鹽（1-allyl-3-methylimidazolium chloride，AMIMCl）[7-8]、1-乙基-3 甲基醋酸鹽（1-ethyl-3-methylimidazoliumacetate，EMIMOAc）[9-12]、1-丁基-3-甲基溴鹽（1-butyl-3-methylimidazolium bromide，BMIMBr）[13]、1-丁基-3-甲基氯鹽（1-butyl-3-methylimidazolium chloride，BMIMCl）[14]、1-十六烷基-3-甲基咪唑溴鹽（1-hexadecyl-3-methylimidazolium bromide，C16MIMBr）[15]和 1-辛基-3-甲基咪唑醋酸鹽[1-octyl-3-methylimidazolium acetate，（Omim）Ac][16-17]。本文采用一種新型離子液體（1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸鹽）作為溶劑，探究1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸鹽對玉米淀粉溶解的影響。研究結果對進一步了解淀粉類溶解機制，更好地促進淀粉在食品工業應用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉、烯丙基氯、N-乙烯基咪唑：美國Sigma公司；乙酸鉀、乙腈、無水乙醇、異丙醇、丙酮、乙酸乙酯：國藥集團化學試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

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；IS 50傅立葉變換紅外光譜儀：美國賽默飛世爾尼高力公司；D8 Advance廣角X射線衍射儀：德國布魯克公司；100目核磁共振儀：浙江上虞市華康化驗儀器公司；DM4000正置熱臺顯微鏡：德國Leica公司；OMH100熱重分析儀：美國賽默飛世爾公司；RE-3000C旋轉蒸發儀：上海亞榮生化儀器廠；LX-9075A真空干燥箱：力雄儀器；DSC200 F3差示掃描量熱儀：德國NETZCH公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸鹽的制備

在氮氣的保護下，把N-乙烯基咪唑（47.1g，0.5mol）、烯丙基氯（46.0 g，0.6 mol）和120 mL乙腈添加至一個三口的圓底燒瓶，然后于70℃條件下油浴24 h，同時油浴過程并伴隨著機械攪拌和冷凝水循環。反應結束后用旋轉蒸發除去過量的烯丙基氯，用乙酸乙酯萃取未反應的N-乙烯基咪唑。在真空干燥箱里干燥48 h得到具有黏性的琥珀色離子液體。然后將得到的1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯鹽（51.2 g，0.3 mol），乙酸鉀（73.5 g，0.75 mol）和100 mL異丙醇加入到圓底燒瓶中，于25℃條件下，機械攪拌36 h，充分反應后抽濾除去過量的乙酸鉀和反應生成的氯化鉀，然后旋轉蒸發除去過量的異丙醇，再用丙酮復溶，取丙酮相，旋轉蒸發除去多余的丙酮，在真空干燥箱里干燥48 h得到具有黏性的琥珀色離子液體（1-烯丙基-3-乙烯基咪唑醋酸鹽）備用。

1.2.2 偏光顯微鏡觀察

將水和離子液體（ionic liquid，IL）配成一定摩爾比例的混合溶液（8∶1、6∶1、4∶1、2∶1、1∶1 和純離子液體），然后與玉米淀粉按照3∶1（質量比）的比例混合，并立即攪拌均勻。吸取混合溶液少許，滴在玻璃片上，蓋上蓋玻片，在偏光暗場下觀察玉米淀粉的偏光十字，每隔10 min拍取一次照片，直至偏光十字消失。

1.2.3 水-離子液體混合液處理玉米淀粉后的熱力學特性

準確稱取原淀粉（3.0 mg），放入鋁坩鍋。在差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry，DSC）測量中，混合溶液（水+離子液體）∶淀粉為 3∶1（質量比）。輕輕搖動，以確保混合溶液與淀粉充分混勻，密封，在25℃靜置40 min，DSC儀器檢測。以10℃/min的速度從20℃加熱到120℃。用空坩堝作對照。吹掃氮氣流速設為50 mL/min，保護氮氣流速設為100 mL/min。

1.2.4 廣角X-射線衍射

玉米淀粉在不同摩爾比的水和IL混合溶液中25℃溶解，將溶解得到的淀粉用無水乙醇洗滌，從水和IL的混合溶液中洗滌出淀粉。然后干燥，研磨過篩。在飽和的氯化鈉溶液條件平衡7 d[18]。測定玉米淀粉樣品在不同摩爾比的水和離子液體的混合溶液中的晶體結構，采用廣角X-射線衍射儀以銅靶作為射線源并設置其工作電壓和工作電流為40 kV和40 mA。具體參數為：掃描范圍 4°～40°（2θ），掃描速度為 2°/min，步長值為0.02°，所得衍射圖譜使用TOPAS 5.0軟件分析。

1.2.5 電子掃描顯微鏡

將冷凍干燥的樣品固定在導電膠上，噴金，將樣品放置在樣品室中，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構。

1.3 數據處理

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

2 結果與討論

2.1 玉米淀粉的溶解與再生

水和離子液體的混合溶液與玉米淀粉按照3∶1（質量比）混合，25℃靜置60 min，玉米淀粉溶解情況見圖1。

圖1 a顯示玉米淀粉與水和離子液體的混合溶液剛開始混合的狀態，在玻璃瓶的底部都會有淀粉下沉的現象。隨著靜置時間的延長，淀粉在不同摩爾比的水和IL混合溶液中的呈現不同的溶解現象。其中靜置60 min后，可以觀察到水和離子液體的摩爾比為4∶1時（圖1 b），淀粉與水和離子液體的混合溶液形成均一的混合溶液，而且沒有沉淀出現。而其余的比例，都有白色沉淀，即未溶解的淀粉顆粒。說明在水和IL的摩爾比為4∶1時，可以充分溶解普通玉米淀粉。

圖1 玉米淀粉靜置在不同摩爾比的水和IL混合溶液Fig.1 Mixed solution of maize starch statically placed in different proportions of water and IL

另外采用偏光顯微鏡觀察了水和IL的摩爾比為4∶1混合溶液對玉米淀粉的溶解情況，試驗現象如圖2所示。

圖2 玉米淀粉靜置在水和IL摩爾比為4∶1混合溶液偏光圖Fig.2 Light diagram of maize starch statically placed in molar ratio of water to ionic liquid at 4∶1 mixture polarized

由圖2可知，隨靜置時間的逐漸增加，玉米淀粉的“馬耳他”十字逐漸減弱，直至完全變暗（圖2g），說明玉米淀粉的晶體結構遭到破壞，淀粉被完全溶解，與前面溶解現象相一致。

2.2 處理后的玉米淀粉DSC熱力學特性

水和離子液體不同摩爾比的混合溶液，與玉米淀粉按照 3∶1（質量比）混合，靜置 60 min，普通玉米淀粉在DSC上的熱轉變趨勢如圖3所示。

圖3 玉米淀粉在水和離子液體混合溶液中靜置60 min的DSC圖Fig.3 DSC thermograms of maize starch statically placed 60 min in water and IL mixtures

圖3結果表明，隨著水和IL摩爾比例的下降（從8∶1到6∶1），玉米淀粉在DSC上呈現單純的小的吸熱峰，且吸熱峰的出現逐漸向高溫度移動，并逐漸減小。隨著水和IL摩爾比繼續下降到4∶1，DSC上沒有出現吸熱峰或者放熱峰。隨著水和IL摩爾比例進一步下降（從2∶1到純IL），開始逐漸出現越來越明顯的放熱峰。

玉米淀粉在不同摩爾比的水和離子液體混合溶液中的DSC相轉變參數見表1。

表1 不同摩爾比的水和IL混合液中玉米淀粉的DSC結果Table 1 DSC results of maize starch in various mole ratios of water and IL mixtures

表1的結果表明，當水和IL摩爾比由8∶1逐漸下降到6∶1，玉米淀粉單一凝膠化吸熱峰逐漸轉移到更高的相轉變溫度（To：57.1℃～78.5℃；Tp：63.5℃～91.7℃；Tc：70.0℃～104.5℃）。然而隨著水和IL摩爾比的進一步下降，在水和IL的摩爾比為4∶1時，在DSC的相轉變圖上沒有峰出現，即沒有淀粉晶體熔融峰的出現。隨著水和IL摩爾比的進一步下降，玉米淀粉單一凝膠化放熱峰逐漸轉移到更高的相轉變溫度（To：46.8℃～72.7 ℃；Tp：56.8 ℃～94.5℃；Tc：66.3℃～112.2℃）。因此水和IL的摩爾比為4∶1的混合溶液對玉米淀粉溶解的影響最大，使淀粉完全溶解。

2.3 再生玉米淀粉的晶體變化

玉米淀粉在不同摩爾比的水和IL混合溶液中25℃溶解，溶解再生后的淀粉晶體變化情況見圖4。

圖4 不同摩爾比的水和離子液體溶解后的玉米淀粉XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of maize starch dissolved in water and IL mixtures

由圖4可以觀察到淀粉在水和IL不同摩爾比的混合溶液處理后的再生玉米淀粉的XRD的晶體衍射峰各不相同，其中水和IL摩爾比為4∶1的混合溶液溶解后的淀粉晶體結構被完全破壞，觀察不到A型淀粉的特征峰且衍射峰的強度最低，其它摩爾比的水和IL的混合溶液（例如 8∶1、6∶1、2∶1、1∶1 及純 IL）溶解處理的淀粉，均能看到明顯的A型淀粉的特征峰。說明水和IL摩爾比為4∶1時，對淀粉的晶體結構破壞最嚴重，對淀粉的溶解性最好，這樣的類似結論之前文獻也有報道[19]。說明離子液體對淀粉的溶解，需要加入一定量的水，改變離子液體的原有性質[20-24]，使得水和離子液體的混合溶液更適合于常溫溶解淀粉。這一結果與DSC和偏光顯微鏡的結果一致。

2.4 再生玉米淀粉的微觀結構

玉米淀粉在不同摩爾比的水和IL混合溶液中25℃溶解后，再生淀粉的微觀結構變化情況見圖5。

圖5 不同摩爾比的水和離子液體溶解后的玉米淀粉SEM圖譜Fig.5 SEM patterns of maize starch dissolved in water and IL mixtures

與原淀粉相比，可以觀察到用不同摩爾比的水和IL混合溶液處理后的淀粉，再生玉米淀粉的微觀結構都有一定程度的吸水膨脹，變形。其中水和IL摩爾比為8∶1和6∶1對淀粉的顆粒結構破壞程度最小，而水和IL摩爾比為2∶1、1∶1及純IL對淀粉的溶解比較明顯，可以看到淀粉顆粒已經發生了顯著的膨脹與變形。而水和IL摩爾比為4∶1溶解的淀粉，顆粒結構被完全破壞，出現了擠壓、凹陷和變形。結果表明水和IL摩爾比為4∶1的混合溶液對淀粉的顆粒結構破壞最嚴重，即水和IL摩爾比為4∶1的混合溶液對淀粉的溶解性最好。這一結果與DSC和XRD的結果一致。與之前的研究也有類似的結果[18]。

3 結論

研究25℃條件下玉米淀粉在不同摩爾比的水和離子液體的混合溶液中的溶解性能。研究結果表明：水和離子液體摩爾比為 8∶1、6∶1、4∶1、2∶1、1∶1 及純 IL 的混合溶液對玉米淀粉的溶解產生不同的影響。相對于其他的水和離子液體摩爾比的混合溶液（8∶1、6∶1、2∶1、1∶1及純IL）而言，水和離子液體摩爾比為4∶1的混合溶液對玉米淀粉的溶解效果最好。通過偏光顯微鏡和掃描電鏡可以觀察到淀粉在水和離子液體摩爾比為4∶1的混合溶液中溶解后的顆粒結構嚴重擠壓，變形，且淀粉顆粒的“馬耳他”十字消失，通過XRD可以觀察到淀粉的晶體結構破壞最嚴重，衍射峰的強度顯著降低，典型的A型淀粉的特征峰消失，通過DSC的結果可以看出，靜置60 min，水和離子液體摩爾比為4∶1處理的淀粉DSC峰沒有吸熱峰或者放熱峰出現，說明處理后的淀粉完全溶解。因此水和離子液體摩爾比為4∶1的混合溶液對淀粉的溶解效果最好，研究結果對淀粉在食品工業的應用起到一定的促進和理論支持。