機(jī)械活化乙酰化二淀粉已二酸酯的表征和性能分析

陳江楓，藍(lán)煥師，梁露鋒，胡華宇，張燕娟，黃祖強(qiáng)

1. 非糧生物質(zhì)酶解國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西農(nóng)墾明陽(yáng)生化有限公司，廣西農(nóng)墾明陽(yáng)淀粉發(fā)展有限公司（南寧 530226）；2. 廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院（南寧 530004）

淀粉在食品工業(yè)應(yīng)用廣泛，但原淀粉糊化后易解聚，黏度和穩(wěn)定性低，不耐剪切、酸、堿和高溫等，不能滿足食品工業(yè)的各種需求，因此需對(duì)淀粉進(jìn)行改性，使其更符合食品加工的要求[1-2]。乙酰化二淀粉已二酸酯（acetylated distarch adipate，ADSA）是指對(duì)原淀粉進(jìn)行乙酰化反應(yīng)和己二酸交聯(lián)反應(yīng)得到的一種酯化交聯(lián)變性淀粉[3]。與原淀粉相比，ADSA糊絲變短，糊化溫度低，抗老化性好，抗剪切力、抗酸、抗熱能力強(qiáng)，可作為增稠劑、黏結(jié)劑和穩(wěn)定劑在食品工業(yè)上應(yīng)用[4-7]。

但ADSA的制備大多在液相進(jìn)行，存在水污染、耗時(shí)、取代度低等特點(diǎn)，試驗(yàn)采用機(jī)械活化固相法進(jìn)行ADSA制備，探討固相反應(yīng)所制備產(chǎn)品的性能變化。機(jī)械活化（mechanical activation）是指固體顆粒在受到碰撞、摩擦、剪切、沖擊等機(jī)械力作用下，晶體結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)發(fā)生變化[8-9]。機(jī)械活化固相反應(yīng)，可使淀粉和各試劑在機(jī)械力作用下能更好地混合、滲透、活化并發(fā)生反應(yīng)，從而減少預(yù)處理過(guò)程，生產(chǎn)效率提高，生產(chǎn)時(shí)間縮短，生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)化[10-11]。試驗(yàn)以木薯淀粉為原料、乙酸酐為酯化劑、已二酸為交聯(lián)劑，在機(jī)械活化固相體系中一步法制備乙酰化二淀粉已二酸酯，對(duì)制備的產(chǎn)品進(jìn)行紅外光譜、X射線衍射、掃描電鏡表征分析，并通過(guò)測(cè)定產(chǎn)品各理化性能，為生產(chǎn)實(shí)際提供應(yīng)用數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要原料及試劑

木薯淀粉（食用級(jí)，廣西農(nóng)墾明陽(yáng)生化限公司）；已二酸（分析純，廣東光華科技股份有限公司）；乙酸酐（分析純，成都市科龍化工試劑廠）；無(wú)水乙醇（分析純，廣東汕頭西隴化工股份有限公司）。

1.2 主要儀器設(shè)備

Nicolet IS 10傅立葉變換紅外光譜儀（日本島津公司）；UitimaIV組合型X射線衍射儀（日本理學(xué)公司）；S-570型掃描電子顯微鏡（日本日立公司）；NDJ-5S旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)（長(zhǎng)沙思辰儀器科技有限公司）；Agilent8453E紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)（安捷倫科技公司）；BCD-226SJP冷藏冷凍箱（青島海爾股份有限公司）；Micro-Vmylo-Graph布拉班德黏度儀（GmbH & Co.KG公司）；球磨機(jī)（自制），參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

1.3 機(jī)械活化乙酰化二淀粉已二酸酯的制備

準(zhǔn)確量取300 mL（堆體積）研磨介質(zhì)（皓球）加入球磨罐中，將木薯淀粉、已二酸（占淀粉干基1.2%）、乙酸酐（占淀粉干基5%）混合均勻，一起倒入球磨罐中，啟動(dòng)裝置，控制球磨溫度40 ℃、球磨時(shí)間60 min、球磨機(jī)球磨轉(zhuǎn)速分別控制為100 r/min和300 r/min，反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)球料分離、乙醇液洗滌、烘箱干燥、粉碎過(guò)篩，得到兩種不同轉(zhuǎn)速下的乙酰化二淀粉已二酸酯產(chǎn)品。所得產(chǎn)品冷糊黏度經(jīng)NDJ-5S旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)檢測(cè)，所測(cè)粘度對(duì)應(yīng)為29 550 mPa·s和7 588 mPa·s。

1.4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表征

利用美國(guó)賽默飛世爾科技Niculet IS 10型傅里葉變換紅外光譜儀分析樣品的分子基團(tuán)，分辨率4 cm-1，掃描范圍400~4 000 cm-1。采用X射線衍射儀對(duì)不同淀粉樣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，掃描條件為：射線Cukα輻射，Ni片濾波，電壓40 kV，電流30 mA，在5°≤2θ≤40°連續(xù)掃描。采用S-570型掃描電子顯微鏡在放大倍數(shù)（500和2 000倍）下觀察并拍下樣品的表面結(jié)構(gòu)[13]。

1.5 性能測(cè)定

1.5.1 透明度測(cè)定

稱取1.00 g淀粉樣倒入100 mL蒸餾水中，配制成1%淀粉乳，放在沸水中糊化并保持15 min，取出冷卻至室溫（30 ℃），以蒸餾水為參照，將樣品置于波長(zhǎng)650 nm處紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)其透光率[9]。

1.5.2 凍融穩(wěn)定性的測(cè)定

稱取一定量的淀粉樣配成6%淀粉乳，放入95 ℃水中加熱30 min，不停攪拌，保持溶液體積，冷卻至室溫（30 ℃），準(zhǔn)確稱取30.0 g淀粉糊于離心管中，將蓋子蓋緊，放于-20 ℃冰箱內(nèi)24 h，達(dá)到規(guī)定時(shí)間后取出離心管在常溫下解凍2 h，于3 000 r/min離心20 min。離心分離出的水重與糊液質(zhì)量的比值為析水率，并反復(fù)冷凍24 h后解凍離心4次[9]。

1.5.3 抗老化性測(cè)定

稱取一定量的淀粉樣配成3%淀粉乳，于95 ℃恒溫水浴中加熱并恒溫20 min，測(cè)定熱糊黏度，冷卻至室溫（30 ℃），并測(cè)其黏度。平行測(cè)定3次，取平均值。

1.5.4 抗剪切性測(cè)定

稱取一定量的淀粉樣配成3%淀粉乳，于95 ℃恒溫水浴中加熱，用玻璃棒不斷攪拌至完全糊化后，冷卻至室溫（30 ℃），并測(cè)其黏度，于200 r/min下攪拌剪切5 min，測(cè)其黏度。

1.5.5 凝沉性測(cè)定

稱取一定量的淀粉樣配成1%淀粉乳，在100 ℃沸水浴中糊化30 min，加蓋保鮮膜以防止水分蒸發(fā)，一定時(shí)間后，取出冷卻至室溫。取25 mL淀粉糊加到25 mL量筒里，靜置，間隔24 h讀取1次上層清液體積，如此重復(fù)5次。

1.5.6 糊化特性測(cè)定

利用布拉班德黏度儀，設(shè)置測(cè)量參數(shù)，速度250 r/min，測(cè)試范圍150 cmg。測(cè)試步驟：配制6%淀粉乳，打開(kāi)循環(huán)水，將淀粉乳倒入黏度儀的測(cè)量杯中，從30 ℃開(kāi)始升溫至95 ℃，保持30 min，降溫至50 ℃，保持30 min，升溫及降溫的速度7.5 ℃/min，黏度單位BU，在黏度曲線上取6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR分析

如圖1所示：3 417 cm-1處的吸收峰是淀粉中游離—OH的伸縮振動(dòng)特征峰；2 926 cm-1處的峰為—CH2伸縮振動(dòng)吸收特征峰；1 001 cm-1、1 089 cm-1、1 174 cm-1分別是伯醇、仲醇、叔醇的C—O鍵伸縮振動(dòng)吸收特征峰。ADSA相對(duì)于原淀粉，由原淀粉在1 638 cm-1處的特征峰分裂為雙峰1 560 cm-1和1 653 cm-1，其中1 653 cm-1處的伸縮振動(dòng)吸收特征峰為C＝O的特征峰，這是因?yàn)樵诘矸鄯肿由弦胍阴；蛊浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，說(shuō)明淀粉成功發(fā)生酯化反應(yīng)[14]。

圖1 不同樣品的FTIR圖

2.2 XRD分析

淀粉的X射線衍射圖譜分為A、B、C這3種類型，每種類型都有各自明顯的特征峰，A型所對(duì)應(yīng)的衍射圖譜是在2θ為15°，17°，18°和23°處有較強(qiáng)的衍射峰，B型是在2θ為5.6°，17°，22°和24°處有較強(qiáng)的衍射峰，C型是A型和B型的混合。在X射線衍射圖譜中，明顯的尖峰代表淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，彌散衍射峰代表淀粉的非結(jié)晶結(jié)構(gòu)，尖峰衍射越高，半峰寬越小，則說(shuō)明淀粉的晶粒越大，結(jié)晶度越高。圖2為不同淀粉的XRD圖。木薯淀粉（a）在15°，17°，18°和23°處都有衍射峰出現(xiàn)，屬于明顯的A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)[9]。球磨轉(zhuǎn)速100 r/min的ADSA（b），尖峰變緩和，但晶型結(jié)構(gòu)并未改變，表現(xiàn)為晶粒變小，結(jié)晶度下降。球磨轉(zhuǎn)速300 r/min的ADSA（c），峰型轉(zhuǎn)變成典型的饅頭峰，A型淀粉的特征衍射峰消失，淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失。這表明交聯(lián)酯化作用對(duì)淀粉結(jié)晶類型影響不大，但球磨轉(zhuǎn)速的提高會(huì)嚴(yán)重破壞淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

圖2 不同樣品的X衍射曲線

2.3 SEM分析

圖3為不同樣品的掃描電鏡圖。木薯原淀顆粒較圓潤(rùn)，表面比較光滑，沒(méi)有明顯被破壞的現(xiàn)象；球磨轉(zhuǎn)速100 r/min的ADSA顆粒間有一定黏連，顆粒形貌發(fā)生變化；球磨轉(zhuǎn)速300 r/min的ADSA則有明顯的凹穴和裂痕，并相對(duì)團(tuán)聚，這是機(jī)械力和交聯(lián)酯化作用的結(jié)果：球磨轉(zhuǎn)速提高，淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，化學(xué)試劑與淀粉的混合更均勻，更易進(jìn)入淀粉分子內(nèi)部實(shí)現(xiàn)交聯(lián)酯化。

圖3 不同淀粉掃描電鏡圖

2.4 透明度測(cè)定

食品加工過(guò)程中，淀粉糊透明度嚴(yán)重影響產(chǎn)品的透明度及成色。木薯淀粉中脂質(zhì)含量、淀粉變性引入的基團(tuán)均對(duì)淀粉糊透明度有一定影響。變性淀粉的糊透明度越高，加入食品中可以提高食品的光澤度。通常用透光率來(lái)表示淀粉糊透明度的高低，透光率越大則透明度越高。對(duì)淀粉原料及變性產(chǎn)品糊的透光率進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖4所示。透明度大小順序?yàn)樵矸郏厩蚰?00 r/min的ADSA＞球磨100 r/min的ADSA。一般情況，淀粉經(jīng)機(jī)械活化后，鏈分子變短，結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，水分子更易進(jìn)入淀粉分子內(nèi)部，入射光線穿透性隨之增強(qiáng)；機(jī)械活化程度越高，淀粉冷水溶解度越大，糊透明度也越高[8]。但淀粉經(jīng)交聯(lián)酯化反應(yīng)后，鍵合強(qiáng)度增強(qiáng)，淀粉難于破裂和溶脹，光的透射量減小，引起較為強(qiáng)烈的光散射，導(dǎo)致透光率下降，透明度降低[15]。

2.5 凍融穩(wěn)定性測(cè)定

冷凍食品中要求變性淀粉在低溫下冷凍或經(jīng)過(guò)多次冷凍、解凍后食品仍能保持穩(wěn)定。淀粉凍融性的好壞通常是用析水率來(lái)表示，析水率低則凍融穩(wěn)定性好，反之則差。對(duì)原淀粉及變性淀粉進(jìn)行析水率測(cè)定，結(jié)果如表1所示。木薯原淀粉析水率最低，凍融穩(wěn)定性最好。機(jī)械力作用使淀粉分子鏈斷裂，分子量、聚合度、淀粉糊黏度均下降，直鏈淀粉含量增加，而在溶液中鏈狀結(jié)構(gòu)的直鏈淀粉空間障礙小，易于取向，凍融穩(wěn)定性就會(huì)越差[16]。

表1 不同樣品的凍融穩(wěn)定性

2.6 抗老化性測(cè)定

食品中加入變性淀粉，主要是利用淀粉受熱糊化后，產(chǎn)生的黏性使得產(chǎn)品具有符合要求的組織結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并在冷卻后，保持良好的黏度穩(wěn)定性，即要求抗老化性好，以保持食品良好的性能。因此，將淀粉的冷熱黏度進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)其抗老化性，結(jié)果見(jiàn)表2。木薯原淀粉的冷糊黏度高，這是因?yàn)樵矸鄯肿渔滈L(zhǎng)，平均分子量大；但受熱后鏈分子有一定斷裂分解，同時(shí)熱作用下分子熱運(yùn)動(dòng)增大，因此熱糊黏度比冷糊黏度有明顯下降，其差值較大。機(jī)械活化交聯(lián)酯化淀粉則由于機(jī)械力作用使淀粉鏈分子有一定程度下降，且轉(zhuǎn)速越大分子鏈斷裂越嚴(yán)重，而交聯(lián)酯化也主要在斷裂的小分子淀粉中進(jìn)行，表現(xiàn)為冷熱黏度均比原淀粉明顯下降，但差值變小。其中，球磨轉(zhuǎn)速300 r/min的ADSA的抗老化性最好，其次是球磨轉(zhuǎn)速100 r/min的ADSA，原淀粉最差。

表2 不同樣品的抗老化性

2.7 抗剪切性分析

在食品加工過(guò)程中，經(jīng)常需要進(jìn)行激烈的機(jī)械攪拌作用，這就要求變性淀粉具有較強(qiáng)的抗剪切性能，以保持淀粉糊液黏度的穩(wěn)定性。因此，對(duì)淀粉糊液進(jìn)行剪切前后黏度的測(cè)定和比較，以評(píng)價(jià)其抗剪切性，結(jié)果見(jiàn)表3。黏度差值越小，抗剪切性越好，反之就越差。結(jié)果表明，剪切后淀粉黏度均有所下降，但是下降的幅度不同。木薯原淀粉經(jīng)剪切后，黏度下降最多，說(shuō)明木薯原淀粉的抗剪切性比較差，這是因?yàn)槟臼碓矸酆趶?qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用力下，溶脹的淀粉顆粒破裂導(dǎo)致黏度下降。引入交聯(lián)酯化作用后，分子之間架橋，加固淀粉溶脹顆粒，因此能在強(qiáng)攪拌作用力下保持穩(wěn)定。

表3 不同樣品的抗剪切性

2.8 凝沉性分析

淀粉糊的凝沉性是淀粉的重要性質(zhì)，凝沉性是淀粉糊化后，鏈分子重新排列成序，羥基之間形成氫鍵，重新形成致密及不溶性的淀粉分子微晶束[17]。對(duì)不同淀粉樣品沉凝性進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4。機(jī)械活化制備的ADSA凝沉性較木薯原淀粉要好，這可能是因?yàn)榈矸劢?jīng)過(guò)交聯(lián)酯化后，氫鍵減少，分子聚集受到阻礙，不易回生，淀粉糊的穩(wěn)定性增加。隨著機(jī)械球磨轉(zhuǎn)速的提高，淀粉溶解性增強(qiáng)，表面吉布斯函減小，不易聚集，凝沉性降低，淀粉糊穩(wěn)定性增強(qiáng)。

表4 不同樣品的凝沉性

2.9 糊化特性分析

采用布拉班德測(cè)定黏度是為研究淀粉糊化時(shí)的特性，在黏度曲線上可以得到6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：A為糊化開(kāi)始的溫度；B為峰值黏度，表示升溫糊化時(shí)能達(dá)到的最高黏度值；C為恒溫階段開(kāi)始，表示升溫至95 ℃時(shí)的黏度；D為冷卻階段開(kāi)始，表示淀粉糊在95 ℃保溫30 min后準(zhǔn)備開(kāi)始降溫時(shí)的黏度；E為冷卻階段結(jié)束，表示淀粉糊冷卻到50 ℃時(shí)的黏度；F為最終恒溫階段結(jié)束，表示淀粉糊在50 ℃保溫15 min后的黏度；B~D為崩解值，表示的是淀粉糊的熱穩(wěn)定性，崩解值越小，熱穩(wěn)定性越高；E~D為回升值，表示淀粉糊在冷卻時(shí)形成的凝膠性，回升值越大，凝膠性越強(qiáng)。圖5是不同樣品的布拉班德黏度曲線，表5分別列出不同樣品黏度曲線上的關(guān)鍵點(diǎn)。

由圖5和表5可以看出，與原淀粉相比，機(jī)械活化交聯(lián)酯化淀粉具有糊化溫度低、峰值黏度小、熱穩(wěn)定性高、凝膠性弱等特點(diǎn)。對(duì)不同球磨轉(zhuǎn)速交聯(lián)酯化淀粉而言，隨著機(jī)械球磨轉(zhuǎn)速增大，糊化溫度更低、峰值黏度更小、熱穩(wěn)定性提高、凝膠性減弱。

圖5 不同樣品的布拉班德黏度曲線

表5 不同樣品的黏度曲線上的關(guān)鍵點(diǎn)

3 結(jié)論

采用紅外光譜、X射線衍射、電鏡掃描等對(duì)制備的機(jī)械活化乙酰化二淀粉已二酸酯進(jìn)行表征分析，結(jié)果顯示，淀粉成功發(fā)生交聯(lián)酯化反應(yīng)；交聯(lián)和酯化作用不會(huì)改變淀粉的晶型，但會(huì)改變淀粉顆粒表面的形貌；機(jī)械活化作用能破壞淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

與木薯原淀粉相比，機(jī)械活化固相法交聯(lián)酯化淀粉的抗老化性、抗剪切能力較好，凝沉性和糊化溫度降低，但其透明度和凍融穩(wěn)定性比原淀粉差，峰值黏度小，凝膠性弱。對(duì)交聯(lián)酯化產(chǎn)品而言，隨著球磨轉(zhuǎn)速的提高，其透明度、抗老化性、抗剪切性增強(qiáng)，凍融穩(wěn)定性、凝沉性、糊化溫度降低，峰值黏度變小，凝膠性減弱。