蓮子淀粉納米晶的制備及其結構特性研究

黃敏麗, 曾木花, 劉思迪, 林靖穎, 邱玉松, 謝峻彬, 郭澤鑌

(福建農林大學食品科學學院1，福州 350002) (福建省特種淀粉品質科學與加工技術重點實驗室2，福州 350002)

蓮子是我國重要的特產經濟資源，為睡蓮科植物蓮(NelumbonubiferaGaertn.)的果實或種子，蓮子已被我國衛生部列入87 種藥食兩用食物名列[1]。蓮子淀粉是一種直鏈淀粉質量分數高達42%的特異性淀粉，結晶結構為C型[2]。蓮子淀粉的分子結構具有主鏈長、支鏈短、分支度少的特點，導致其易返生[3,4]。此外，蓮子淀粉遇冷水不溶，熱水糊化后黏度大，乳化能力差，這些不足限制了蓮子淀粉在食品加工中的應用[5]。

淀粉納米晶是指淀粉經過改性處理后去除淀粉顆粒無定形的非結晶區域后得到的納米尺寸的結晶體或半結晶體[6]。其優點在于力學性能強，表面能較高，還具備無機納米顆粒沒有的生物可再生性，生物相容性，可降解性[7]。淀粉納米晶常作為填充劑和乳化劑等應用于食品領域[8,9]，肖茜等[10]研究表明，在大米淀粉食用膜中添加淀粉納米晶可以提高食用膜的完整性、致密性、水蒸氣透過率、熱穩定性；Alizadeh等[11]研究表明，淀粉納米晶可作為制備生物活性包衣液的原料應用于雞肉片保鮮。

目前，淀粉納米晶的制備方法主要有酸解法、酶解法、物理法等[12]。酸解法是制備淀粉納米晶最常用的方法，操作最為簡單方便且能夠較好地保留淀粉納米晶的結晶區域[13]。酶解法的優點在于反應速度快，但存在產率低和制備的淀粉納米晶理化性質不穩定等缺點[14]。物理法包括高壓均質法、超聲波法等，物理法容易破壞淀粉顆粒的結晶結構，較少單獨用于制備淀粉納米晶，常與其他方法復合使用[15,16]。

本研究以C型結晶結構的蓮子淀粉為原料，采用不同濃度的硫酸水解蓮子淀粉得到蓮子淀粉納米晶，通過激光粒度分析、掃描電子顯微鏡、X-射線衍射、傅里葉變換紅外光譜和凝膠滲透色譜等方法對蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的結構特性進行表征，以期為蓮子淀粉納米晶的制備工藝優化及理化和功能特性研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

速凍鮮蓮；濃硫酸(分析純)；所用其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

HX-PB1058破壁機， L550離心機，FDU-1200冷凍干燥機， JSM-6360LV掃描電鏡，Mastersizer 3000激光粒度分析儀，TDA305max凝膠滲透色譜儀，Bruker AXS X-射線衍射儀，Tensor 27傅里葉紅外光譜儀。

1.3 方法

1.3.1 蓮子淀粉的提取

蓮子淀粉的提取參考郭澤鑌[20]的方法，略作修改：速凍鮮蓮在室溫下解凍并洗凈去芯后，將其與去離子水按照1∶3混合，使用破壁機進行打漿，漿液用120目食品級尼龍布進行過濾，棄濾渣留濾液。濾液于25 ℃下靜置24 h，收集沉淀物。沉淀物用去離子水反復清洗三次去除雜質，再用95%無水乙醇反復清洗三次去除脂質。最終得到的沉淀物放入45 ℃烘箱干燥24 h后研磨過100目篩得到蓮子淀粉，置于干燥器中保存備用。

1.3.2 蓮子淀粉納米晶的制備

酸水解制備蓮子淀粉納米晶：根據Angellier等[21]的方法并進行一些修改。將15 g蓮子淀粉加入到裝有100 mL硫酸溶液的錐形瓶中，硫酸濃度分別為3.0、3.5、4.0 mol/L，錐形瓶放入40 ℃水浴鍋中以200 r/min的攪拌速度分別反應1、3、5 d。反應結束后，懸浮液用蒸餾水反復清洗至中性，將離心后的沉淀物冷凍干燥，得到白色粉末狀樣品。

1.3.3 掃描電鏡(SEM)觀測

孫 悅 女，1991年出生于安徽阜陽.碩士，研究實習員，主要研究方向為嵌入式測控技術、數據采集處理技術.

將少量樣品點在貼有導電膠布的硅片上，用洗耳球吹去多余的浮粉，真空狀態下噴金10 min。噴金后的樣品放置到檢測臺上，在加速電壓為20 kV，放大倍數10 000倍的條件下進行觀察。

1.3.4 粒度測定

將適量樣品溶于去離子水中，再將該溶液分散在激光粒度儀的分散槽中，使遮光度達到8%～10%。分散劑折射率為1.33，樣品折射率為1.53，測定蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的粒徑分布。每個樣品平行測定3次。

1.3.5 分子質量(GPC)測定

采用凝膠滲透色譜法測定蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的分子質量。10 mg樣品分散在10 mL二甲基亞砜中，100 ℃加熱2 h后在60 ℃磁力攪拌水浴鍋中攪拌6 h。加熱結束后，樣品液用0.45 μm尼龍過濾器進行過濾，對濾液進行測定分析。以折光指數增量(dn/dc)為0.072計算樣品的分子質量。流動相的流速為0.5 mL/min。

1.3.6 X-射線衍射(XRD)測定

采用廣角X-射線衍射儀對蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的X射線衍射圖進行測定。測量條件為：Cu-kα輻射(λ=1.540 6 ?)的電壓為40 kV，電流為200 mA，測量范圍為3°～40°，掃描速率為2(°)/min，步寬為0.002°。相對結晶度的計算方法參考張本山等[22]的方法。

1.3.7 傅里葉紅外光譜(FTIR)測定

采用傅里葉變換紅外光譜分析儀對蓮子淀粉和子淀粉納米晶的紅外光譜圖進行測定。2 mg樣品與100 mg無水KBr在石英研缽中進行充分研磨后使用壓片機對混合粉末進行壓片處理。掃描范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數為32，分辨率為4 cm-1。

2 結果與分析

2.1 蓮子淀粉納米晶顆粒形貌分析

采用場發射掃描電子顯微鏡觀測的蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的顆粒形貌如圖1和圖2所示。圖1為蓮子淀粉，其大部分的結構為表面光滑的橢圓形和圓形，少部分為不規則形狀，這與課題組前期研究結果一致[23]。圖2a、圖2b、圖2c分別為硫酸濃度3.0 mol/L條件下分別酸水解1、3、5 d制備的蓮子淀粉納米晶，圖2a中大部分顆粒形狀沒有變化，但顆粒表面變為粗糙且有少量顆粒碎片，圖2c中顆粒原本的橢圓形狀已經完全被破壞，全部顆粒變為不規則形狀。研究結果表明酸水解最先作用于蓮子淀粉表面，將表面破壞后硫酸進入蓮子淀粉顆粒內部破壞淀粉結構，表明硫酸水解為外腐蝕模式[24]。圖2d、圖2e、圖2f為硫酸濃度3.5 mol/L條件下分別酸水解1、3、5 d制備的蓮子淀粉納米晶，e和f中顆粒發生嚴重團聚形為塊狀結構，塊狀體的形成與蓮子淀粉顆粒中的直鏈淀粉含量較多有關，LeCorre等[25]的研究表明淀粉顆粒中的直鏈淀粉會堵塞酸水解的途徑從而形成更大的顆粒；此外還可能與酸水解后顆粒碎片帶有羥基有關，羥基易形成氫鍵，使碎片容易聚集[26]。圖2g、圖2h、圖2i為硫酸濃度4.0 mol/L條件下分別酸水解1、3、5 d制備的蓮子淀粉納米晶，圖2i中的塊狀團聚體表面被破壞，出現許多方形片狀和球型結晶且方形片狀結晶多于球型結晶。

由蓮子淀粉納米晶的掃描電子顯微鏡圖可得出酸水解制備蓮子淀粉納米晶的一般規律為：硫酸對蓮子淀粉酸水解作用先從表面開始，使得蓮子淀粉光滑的表面變得粗糙并出現凹陷；隨著酸水解天數的增加蓮子淀粉顆粒逐漸解體為大量的碎片，碎片團聚形成表面光滑的塊狀團聚體；該塊狀團聚體在后續酸水解過程中表面變得粗糙，邊緣片層結構的結晶體暴露出來，球型結晶體在片狀結晶體后出現。此外，硫酸濃度的增加加快了淀粉納米晶的生成速度。

Lecorre等[25]研究了糯玉米淀粉(A型)、小麥淀粉(A型)、高直鏈玉米淀粉(B型)和馬鈴薯淀粉(B型)為原料制備的淀粉納米晶的形態特性，結果表明A型淀粉納米晶的形狀為平行六面體和方型，B型淀粉納米晶的形狀為圓形和圓角正方形。蓮子淀粉為C型結晶結構淀粉，是A型結晶結構和B型結晶結構的混合結構，掃描電鏡結果表明以蓮子淀粉(C型)為原料制備的蓮子淀粉納米晶同時包含了A型淀粉納米晶和B型淀粉納米晶的顆粒形貌特征。

圖1 蓮子淀粉的電鏡圖

注：小標題的濃度和時間分別代表硫酸濃度和酸水解時間。圖2 蓮子淀粉納米晶的電鏡圖

2.2 粒徑分析

采用馬爾文激光粒度儀測定的蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的粒徑分布如圖3所示。蓮子淀粉粒徑分布范圍為4～21 μm，這與課題組前期研究結果一致[23]。硫酸濃度為3.0、3.5 mol/L制備的蓮子淀粉納米晶的粒徑分布明顯向左偏移，但沒有達到納米級別。當硫酸濃度為4.0 mol/L時，水解5 d制備的蓮子淀粉納米晶的粒徑分布范圍為0.01～7.64 μm，粒徑分布出現雙峰是因為酸水解后得到的蓮子淀粉納米晶粒子表面存在羥基，易形成氫鍵，所以其自聚集趨勢很強，團聚導致大顆粒的形成[26]。

圖3 蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的粒徑分布

表1 蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的粒徑分布

表1中D[3,2]表示表面積平均直徑，D[4,3]表示體積平均直徑，D(10)、D(50)和D(90)分別表示小于該直徑的顆粒數占顆粒總量的10%、50%和90%。蓮子淀粉與蓮子淀粉納米晶在D[3,2]、D[4,3]、D(10)、D(50)和D(90)上都存在顯著性差異(P<0.05)。此外，當硫酸濃度相同時，反應1、3、5 d的蓮子淀粉納米晶的D[3,2]、D[4,3]、D(10)、D(50)和D(90)上也存在顯著性差異(P<0.05)。Kim等[27]研究了不同植物來源的淀粉酸解法制備的淀粉納米顆粒的平均粒徑，結果表明A型淀粉納米晶的平均粒徑會小于B型和C型淀粉納米晶，且高直鏈玉米淀粉(B型)為原料制備的淀粉納米晶平均粒徑為69.7 nm。當硫酸濃度為4.0 mol/L酸水解5 d，蓮子淀粉納米晶的中值粒徑D(50)為302 nm，蓮子淀粉納米晶粒徑與A型、B型和其他C型淀粉納米晶相比更大的原因在于蓮子屬于高直鏈特異性淀粉，直鏈淀粉抗酸解能力強。

2.3 分子質量分析

采用凝膠滲透色譜法測定的蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的分子質量大小如表2所示，分子質量分布圖如圖4和圖5所示。蓮子淀粉的重均分子質量(Mw)為5.25×106u，數均分子質量(Mn)為4.31×106u。與蓮子淀粉相比，淀粉納米晶的Mw和Mn降低了兩個數量級，圖5中蓮子淀粉納米晶的分子質量分布與圖4中蓮子淀粉相比明顯向左偏移，說明酸水解后蓮子淀粉顆粒分子結構遭到破壞，酸水解對蓮子淀粉顆粒的作用是非特異性的，隨機破壞淀粉無定形非晶區中直鏈淀粉和支鏈淀粉的糖苷鍵，導致分子質量降低[28]。多分散指數(Mw/Mn)表示分子質量分布范圍，其數值越大表明分子質量分布范圍越寬。蓮子淀粉納米晶的多分散指數均大于蓮子淀粉，且硫酸濃度為4.0 mol/L酸水解5 d條件下制備的蓮子淀粉納米晶的多分散指數最大，這與圖5所示的分子質量分布圖的趨勢結果一致，該結果也與蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的粒徑分布結果相一致。

表2 蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的分子質量分布

圖4 蓮子淀粉分子質量分布

2.4 X-射線衍射圖譜分析

采用廣角X-射線衍射儀測定的蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的X-射線衍射圖譜如圖6所示。根據X-射線衍射圖譜的特征峰位置可將淀粉結晶類型分為A型、B型、C型3種，A型結晶結構的特點是在衍射角2θ為15.00°和22.93°出現特征衍射峰并且衍射角2θ為17.02°和17.92°出現雙峰，B型結晶結構的特點是在衍射角2θ為5.58°、15.13°、17.23°、19.67°、22.20°、24.00°和26.35°出現較強特征衍射峰，C型結晶結構的圖譜是由A型圖譜和B型圖譜相結合而形成[29]。蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶在衍射角2θ為15.1°和23.1°處有特征衍射峰，且在衍射角2θ為17.1°和18.1°為雙峰，在衍射角2θ為11.2°和26.4°處有弱峰，具有A型和B型的部分特征，表明蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶都為C型結晶結構，酸水解沒有改變淀粉的結晶結構，這與Kim等[27]的研究結果一致。根據張本山等[23]的方法計算蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的相對結晶度，蓮子淀粉的相對結晶度為34.94%，蓮子淀粉納米晶的相對結晶度均高于蓮子淀粉，且制備條件為硫酸濃度4.0 mol/L酸水解5 d時，結晶度最高達到49.52%。此外，當硫酸濃度相同時，蓮子淀粉納米晶的相對結晶度隨著酸水解時間的增加而增加；當水解時間相同時，硫酸濃度越高，蓮子淀粉納米晶的相對結晶度越大。蓮子淀粉納米晶的特征衍射峰均比蓮子淀粉的特征衍射峰更尖銳，這是由于酸水解后淀粉的無定形區被破壞，留下了結構排列緊密的且不易被酸水解破壞的結晶區[30]，導致蓮子淀粉納米晶的相對結晶度增加。

圖5 蓮子淀粉納米晶的分子質量分布

圖6 蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的X-射線衍射圖譜

2.5 紅外光譜分析

根據紅外光譜吸收峰寬度和強度的變化可以判斷淀粉顆粒結構的變化。如圖7所示蓮子淀粉納米晶具有相似的紅外光譜圖，表明酸水解沒有破壞淀粉的主要結構，此結果與Zhou等[31]的研究結果一致。在淀粉紅外光譜圖中，1 045/1 022 cm-1的峰強度比值是衡量淀粉有序結構的指標，其比值越大，有序度越高[32]。蓮子淀粉的1 045/1 022 cm-1峰強度比值為1.128，蓮子淀粉納米晶的1 045/1 022 cm-1峰強度比值均高于蓮子淀粉，硫酸濃度4 mol/L酸水解5 d制備的蓮子淀粉納米晶的1 045/1 022 cm-1峰強度的比值最大，為1.361。酸水解后淀粉顆粒有序度增加的結果與蓮子淀粉納米晶相對結晶度結果相一致。此外，當硫酸濃度相同時，蓮子淀粉納米晶的1 045/1 022 cm-1峰強度比值隨著酸水解時間的增加而增加；當水解時間相同時，硫酸濃度越高，蓮子淀粉納米晶的1 045/1 022 cm-1峰強度比值越大，該規律也與蓮子淀粉納米晶相對結晶度的規律相一致。

圖7 蓮子淀粉和蓮子淀粉納米晶的紅外光譜圖

3 結論

采用酸水解法制備蓮子淀粉納米晶，并對酸水解制備工藝中硫酸濃度和酸水解天數進行優化，研究結果表明，蓮子淀粉納米晶的最佳制備條件為：15 g蓮子淀粉溶于100 mL 濃度為4 mol/L的硫酸中，在40 ℃的磁力攪拌水浴鍋中以200 r/min的轉速酸水解5 d。結晶結構為C型的淀粉為原料制備淀粉納米晶與A型和B型淀粉為原料制備的淀粉納米晶相同點在于結晶結構不會改變，沒有生成新的官能團，結晶度都會隨著酸水解時間的增加而提高；不同點在于淀粉納米晶的顆粒形態和顆粒大小不同。本實驗對蓮子淀粉納米晶的制備條件以及蓮子淀粉納米晶的結構特性進行研究，為蓮子淀粉納米晶理化及功能特性的進一步研究提供參考。