濕熱預處理對酸解淀粉納米晶制備的影響

邢俊杰 李 棟 楊 震 彭 偉 郭曉娜 朱科學

(江南大學食品學院1，無錫 214122) (中國農業大學工學院2，北京 100083)

淀粉納米晶(starch nanocrystal，SNC)以其特有的剛性結晶結構可作為填充物添加到可降解復合材料中，用于改善或增加其機械特性[1-3]。酸水解法能將淀粉顆粒的無定形區水解，以保留剛性的結晶結構，是目前制備淀粉納米晶最主要的方法之一[4, 5]。

淀粉納米晶的酸解制備過程中受到很多因素的影響[6]，如酸解溫度、酸的類型、酸的濃度和酸解時間等[1, 7, 8]。常溫條件下酸解淀粉納米晶的方法制備時間長、得率低，并且對淀粉類型要求苛刻。為了縮短生產時間，提高生產效率，有必要在酸解制備前對淀粉進行一些預處理[9]。采用機械的或化學的方法進行復合可以充分發揮兩種手段的優勢，如高壓均質[10]和超聲處理[11, 12]；生物酶預處理也是制備納米淀粉重要途徑[13, 14]。但是，前兩種方法對晶體結構都有不同程度的破壞，淀粉納米顆粒幾乎全部是無定形的成分[10]，且耗能較高；而酶處理雖然是一種產量高，環境友好的方法，但處理成本較高，原淀粉的結晶結構損失嚴重，生產出來的納米淀粉結構差別很大，這限制了其在工業中的應用。

濕熱處理是一種重要的物理改性方法[15]，其操作簡單，成本較低且免除使用化學試劑，不會對環境造成任何污染。對淀粉進行濕熱預處理，可以促使直鏈-直鏈、支鏈-直鏈、支鏈-支鏈分子內/間產生相互作用，進而強化淀粉顆粒結構尤其是結晶結構的熱穩定性，濕熱處理淀粉也因此可以表現出一定的抗酸解性[16, 17]。先前的研究發現濕熱處理淀粉的糊化呈現為多個階段：第一階段：無定形區不可逆溶脹吸水階段(<65 ℃)；第二階段：晶體結構解體伴隨吸水階段(71～72 ℃)；第三階段：結晶結構完全解體后體系自吸水溶脹階段(>80 ℃)[18, 19]。這使得將濕熱預處理作為一種處理手段在較高溫度下酸解制備淀粉納米晶成為可能，而在高溫酸解淀粉時需同時考慮淀粉糊化和酸解兩種作用的影響，為了最大限度保留淀粉的晶體結構的同時水解無定形結構，本研究以濕熱預處理淀粉為原料，在溫度處于第一、二階段之間對其進行酸解，選定酸解溫度區間為65～71 ℃，研究其對淀粉納米晶制備的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

玉米淀粉；硫酸、氫氧化鈉、去離子水，分析純。

1.2 主要儀器

T25數顯型高剪切分散機，XD-2型X射線衍射儀，AR2000ex流變儀，Q10差示掃描量熱儀(DSC)，LGJ-18真空冷凍干燥機，Nano ZS動態光散射激光粒度儀，JSM-6500F掃描電子顯微鏡。

1.3 濕熱處理淀粉制備

首先將60 g淀粉樣品的含水率調節到30%(濕基)，具體過程為：測定樣品含水率并記錄，計算所需加水量，將計算量的去離子水以噴灑的方式加入到淀粉樣品，混勻后即得30%濕基含水量的淀粉樣品。將樣品密封于杜蘭玻璃容器中，室溫平衡24 h，然后置于120 ℃的通風烘箱中分別反應30 min。反應結束后，將樣品迅速冷卻至室溫，并將一部分濕熱處理淀粉在40 ℃下風干，粉碎，過80目篩。最后，將濕熱處理淀粉樣品用密封袋包裝并保存于干燥器中，隨后進行淀粉納米晶的酸解制備過程。

1.4 方法

1.4.1 淀粉納米晶的制備

取10 g原玉米淀粉和濕熱處理淀粉分別加入到80 mL，3 mol/L的H2SO4中制成淀粉懸濁液，然后分別置于不同溫度(65～71 ℃)的水浴鍋內進行酸解，酸解不同的時間(5～120 min)后取出淀粉樣品，為提高酸堿中和效率，在樣品冷卻后首先采用離心機在6 000×g下離心15 min，棄掉上清液，將上述離心后的沉淀物用去離子水重懸后，用40 g/L的NaOH溶液中和(pH等于7.0)。再次，將中和后的樣品用6 000×g離心15 min，此步驟重復四次后得到酸解后的濕態淀粉納米晶。濕態的淀粉納米晶樣品一部分用于粒度檢測，另一部分凍干后進行稱重，然后用研缽進行研磨，過80目篩，密封袋密封并保存于干燥器中待用。反應期間持續攪拌樣品以達到均勻水解的目的。水解率由公式計算而得：

水解率(DH)=(m1-m2)/m1×100%

(1)

式中：m1為樣品的初始干質量，m2為酸解后淀粉凍干后的質量。

1.4.2 納米激光粒度研究

通過動態光散射激光粒度儀(Nano ZS)對淀粉納米晶的粒徑及粒徑分布進行檢測。

首先取0.05 g離心后的酸解淀粉固形物，分散到30 mL的去離子水中，用高速剪切儀在13 000 r/min下處理5 min，然后立即進行粒度測量：取1.5 mL樣品加入到方形透明玻璃比色皿中，置于動態光散射激光粒度儀中進行粒度和粒度分布的測量，得到平均粒徑(Z-average)和粒徑分布圖(PSD)。儀器測定開始前需要先平衡2 min，溫度設定為25 ℃，每個樣品重復3次以上。

1.4.3 結晶特性研究

通過X-射線衍射儀(XD-2)測量干燥后淀粉樣品的相對結晶度。測定條件：鎳過濾Cu-Kα靶(λ=0.1540 6)，管壓36 kV，管流20 mA，掃描范圍10～40°，掃描速率1°/min，取值間隔0.02°。相對結晶度通過MDI Jade 5軟件計算。

1.4.4 熱特性研究

通過差示掃描量熱儀(Q10)測量淀粉納米晶的熱穩定性。在40 μL鋁鍋內稱取淀粉樣品(3～4 mg，干樣)，用微型注射器加水至淀粉與水分比例為1 mg/10 mg。完全密封盛有淀粉-水混合物的鋁鍋，室溫平衡24 h，以10 ℃/min的升溫速率從20 ℃加熱到150 ℃。空坩堝作為參比。

1.4.5 顯微形態研究

通過JSM-6500F型號掃描電子顯微鏡對酸解淀粉樣品的微觀形貌進行觀察。用雙面膠將淀粉樣品固定在鋁制樣品臺上，首先在真空狀態下噴金處理，在掃描電鏡下觀察。加速電壓為10 kV，調整放大倍數500～2 000不等。

1.5 數據統計與分析

所有實驗重復3次，數據結果均用平均值±標準差表示。使用Origin 8.6軟件進行畫圖，使用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA)，通過鄧肯多重檢驗法對同組數據進行顯著性差異分析，置信水平為0.95(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 濕熱處理淀粉的酸解特性

濕熱處理淀粉在不同溫度下的酸水解得率如圖1，幾乎所有的濕熱淀粉在1 h時間內水解率都達到了90%以上，且溫度越高，水解速率越大。原淀粉在69 ℃酸解30 min的水解率為95%，而相同條件下濕熱處理淀粉的水解率為88.4%，較之原淀粉，濕熱預處理淀粉具有一定的抗酸性，因此水解速率更低。通常來講，在較低溫度下淀粉的酸解呈現出一個二級水解動力學模型，快速水解階段酸主要水解無定形區；第二階段慢速水解階段酸則同時攻擊無定形區和結晶區[4]。圖1顯示原淀粉在較高溫度下(69 ℃)40 min幾乎水解完全，水解表現為一級動力學模型，主要是由于原淀粉在69 ℃發生了部分糊化作用，更有利于淀粉分子的水解。而這與Hernandez等[20]的研究結果一致，研究發現糯玉米在較高溫度時(57.73 ℃)酸解時表現出一級動力學酸解過程，且在此溫度下的淀粉水解速率比40 ℃的快100倍。

淀粉納米晶或納米淀粉微球通常在較低溫度下酸解制備而得(4～40 ℃)[7, 8, 12]，但速率很低，且制備的淀粉納米晶糊化溫度較低，使用的溫度范圍也有局限性[21]；而在稍高于糊化溫度進行酸解，可以增加淀粉顆粒的溶脹程度以及進入淀粉顆粒內的氫離子移動性和活性，并最終增加淀粉的水解速率[20]。Liu等[21]在中等溫度條件(50 ℃)下利用糯玉米淀粉制備納米淀粉微球，得到的納米淀粉樣品較之原淀粉具有更高的糊化溫度，因此具有很好的耐熱性。這種方法制備出納米淀粉微球在淀粉復合薄膜領域也具有潛在的應用價值。經過濕熱處理后，淀粉的熱穩定性和抗酸性增加，在加熱過程中會在溫度尺度上推遲糊化晶體結構的解體過程。因此，對濕熱處理淀粉在較高溫度(65～71 ℃)下進行酸解，可以增加酸解速率，縮短酸解時間，也就最大效率地保留淀粉的晶體結構。

注：Native為原淀粉，HMT為濕熱處理；65、67、69、70、71為不同的酸解溫度。圖1 濕熱預處理淀粉的酸解水解率變化過程

2.2 高溫酸解對玉米淀粉粒徑大小和粒徑分布圖的影響

圖2表明原淀粉和濕熱處理淀粉在69 ℃酸解15 min后顆粒的平均粒徑已經降為納米級，且隨著時間的延長，顆粒粒徑逐漸減小，在相同的溫度條件下酸解相同時間，濕熱處理淀粉酸解后的顆粒平均粒徑要小于原淀粉。原淀粉在酸解30 min后的粒徑為630 nm；濕熱處理淀粉酸解25、30、40 min的粒徑分別減小為345、303、268 nm，這表明在69 ℃酸解時，對時間的控制將會對最終樣品的尺寸產生重要影響。

圖2 淀粉樣品在69 ℃酸解后的平均粒徑變化

圖3 淀粉樣品在69 ℃酸解5～40 min的粒徑分布圖

圖3為原淀粉和濕熱處理淀粉在69 ℃酸解不同時間的粒徑分布圖。原淀粉在酸解5～15 min后仍為單峰分布，而濕熱處理淀粉在酸解10 min之后的粒徑分布已經變為雙峰分布，這也表明二者之間的酸解特性有顯著差異。隨著酸解時間的增加至20 min，原淀粉和濕熱處理淀粉顆粒的粒徑都變成了雙峰分布，這主要是由于酸解生成的納米級尺寸為不規則形狀[22]，且通常表現為橫向和縱向尺寸不統一，對其進行測量時在粒徑分布圖上反映為雙峰分布。

2.3 高溫酸解對玉米淀粉XRD圖譜和相對結晶度的影響

圖4a顯示濕熱處理沒有改變玉米淀粉的晶體結構類型，淀粉樣品都顯示為A型結晶圖譜，但是原淀粉酸解后樣品的圖譜在15°、17°、18°和23°衍射角的特征峰幾乎消失，呈彌散狀，表明69 ℃酸解對原淀粉的結晶結構破壞較為嚴重[23]。但是，濕熱處理淀粉在相同條件下酸解后衍射特征峰幾乎不受影響，表明其晶體結構具有更強的耐酸性。圖4b反映了原淀粉和濕熱處理淀粉在酸解過程中相對結晶度的變化。原淀粉酸解過程相對結晶度的變化通常表現為先升高后降低[20, 24]。在較69 ℃度下酸解原淀粉，淀粉同時發生糊化和酸解，淀粉顆粒的無定形區溶脹會加速酸解過程，同時晶體結構也會遭到一定程度的破壞[25]，而強酸的存在更會加速晶體結構的水解；較之原淀粉，濕熱處理淀粉的結晶結構和分子結構得到重組和強化，具有更強的抗酸性和耐熱性[15]。濕熱處理淀粉在69 ℃酸解過程中，濕熱處理淀粉的無定形區逐漸被水解，結晶結構得到保留，酸解15 min后的相對結晶度開始逐漸升高，酸解30 min后樣品的相對結晶度增加到43%。表明相對結晶度可以作為酸解淀粉納米晶過程一個良好的指標參數，為制備具有最高結晶度的淀粉顆粒提供參考[24]。

圖4 淀粉樣品在69 ℃酸解30 min后的X射線衍射圖 和酸解不同時間的相對結晶度變化圖

2.4 高溫酸解對玉米淀粉DSC熱穩定性的影響

原淀粉、濕熱處理淀粉以及69 ℃酸解淀粉的熱譜圖如圖5所示。原淀粉在69 ℃高溫酸解30 min后的DSC曲線上幾乎沒有任何吸熱峰，表明淀粉的晶體結構在69 ℃高溫酸解中遭到破壞。原淀粉在69 ℃高溫條件酸解下會發生糊化和酸解，淀粉顆粒的無定形區和結晶區同時受到破壞使得糊化焓值降低，在DSC上反映為吸熱峰面積的減小或吸熱峰消失[20, 25]。而濕熱處理淀粉的峰值溫度Tp為79.36 ℃，高于原淀粉的71.26 ℃，再次表明濕熱處理淀粉具有更高的熱穩定性。濕熱處理淀粉經過酸解后制備出的淀粉納米晶在DSC熱譜圖中也有吸熱峰的形成，且峰值溫度為71.87 ℃，大于高溫酸解溫度69 ℃，證明即使在69 ℃條件下高溫酸解30 min，濕熱處理淀粉的結晶結構依然得到了保留。因此，在較高溫下(69 ℃)制備而得淀粉納米晶具有一定的耐熱性[21, 24]。

圖5 淀粉樣品在69 ℃酸解30 min的DSC熱譜圖

2.5 高溫酸解對玉米淀粉顯微結構的影響

從圖6中可以看出，濕熱處理淀粉在69 ℃酸解5 min后，部分淀粉顆粒雖然形狀得到保持，但是顆粒表面有凹陷現象。有研究發現常溫情況下酸解24 h就有淀粉納米晶產生[26]。而本文在69 ℃溫度下極大地縮短了納米結構的產生時間，酸解15 min就已經有納米級淀粉結構產生。圖6A中，淀粉酸解5 min淀粉顆粒呈現出生長環結構[4]，且淀粉顆粒內部空間已經被酸解，外部結晶片層在逐漸的發生剝離。隨著酸解時間的延長至15～30 min，淀粉顆粒有碎片化趨勢，且形狀不規則。同時，淀粉納米晶在干燥過程中通常也會發生團聚現象[27, 28]，通過對比原淀粉和濕熱處理淀粉69 ℃高溫酸解30 min后的納米結構可以看出(圖6B、圖6C)，原淀粉制備得到的淀粉納米結構比濕熱處理制備的淀粉納米晶團聚現象更嚴重，且有凝膠發生，這表明原淀粉在69 ℃高溫酸解過程中會發生糊化作用，這也是原淀粉的相對結晶度隨著69 ℃高溫酸解時間延長不斷降低的原因。濕熱處理淀粉酸解時，69 ℃高溫可以極大加速淀粉顆粒無定形區的水解，即加速第一階段的酸解，同時由于濕熱預處理處理可以增強淀粉分子結構的特性而延緩或者推遲第二階段的酸解，進而保留晶體結構。同時，在69 ℃溫度下制備得到的淀粉納米晶本身具有耐熱的優良特性，雖然產率較低，但并不妨礙其作為納米復合物的理想增強材料，且整個酸解過程反應時間較短。

濕熱處理可以作為一種預處理方式用于改進酸解制備納米級淀粉顆粒的效率，主要基于兩點：一是基于濕熱處理的多階段糊化理論，可以將淀粉的糊化過程控制在發生第一階段的無定形區溶脹而結晶結構不受影響；二是69 ℃溫度酸解時酸解速率極大，而濕熱處理淀粉具有較高的抗酸性和耐熱性，使得無定形區快速水解的同時，可以最大程度地保留原淀粉中的剛性結晶結構。

注：A、B分別為濕熱處理淀粉酸解5、30 min淀粉結構, C為原淀粉酸解30 min的淀粉結構圖6 玉米淀粉及濕熱處理淀粉69 ℃酸解不同時間的掃描電鏡圖像

3 結論

研究濕熱預處理對酸解淀粉納米晶制備的影響，結果表明69 ℃高溫對淀粉的酸解過程影響很大，原淀粉在69 ℃酸解時同時發生糊化和水解作用，原淀粉在69 ℃酸解30 min幾乎水解完全，其X射線衍射圖譜特征峰消失，其相對結晶度在酸解后期階段隨著酸解時間的延長而降低；濕熱處理淀粉69 ℃酸解15 min就有納米結構的產生，且X衍射圖譜幾乎不受影響，濕熱處理淀粉69 ℃酸解15～30 min后為制備納米級淀粉材料提供了有利的條件。本文表明濕熱處理可以作為一種預處理手段用來制備酸解淀粉納米晶，且產生的淀粉納米晶具有一定的耐熱穩定性，但需要指出的是，濕熱處理淀粉在69 ℃條件下制備SNC的產率較低，在應用時仍存在一定的局限性，未來仍需在SNC酸解效率和產率之間進行平衡。