超聲波和酯化復合處理馬鈴薯淀粉的性質分析

孫秋月，王若樺，吳非

（東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

天然馬鈴薯淀粉（natural potato starch，NPS）是一種產量豐富、價格低廉的天然資源，與其它淀粉相比，馬鈴薯淀粉的直鏈淀粉相對分子量更高，具有糊化溫度較低、黏度增加快等優點。但馬鈴薯淀粉顆粒作為乳化劑，其粒徑大、疏水性較差，因此需要與辛烯基琥珀酸酐（ocentyl succinic anhydride，OSA）反應，以獲得具有兩親性的固體顆粒[1]。OSA 改性手段于1965 年由美國Caldwell 等發明[2]，應用范圍廣且需求量大，成為了變性淀粉領域的研究熱點之一。鐘敏賢[3]首次分離出純度較高的馬鈴薯直鏈淀粉與支鏈淀粉，分別以之為原料，制備辛烯基琥珀酸馬鈴薯淀粉酯及其酶解樣品，應用于微膠囊壁材中。彭曄[4]采用酶解回生法制備納米級芋頭淀粉顆粒，由于其穩定性較好可用于替代潤膚霜配方中的單硬脂酸甘油酯。

隨著需求的不斷增加，OSA 酯化反應的水相法弊端逐漸顯露，因此可以采用超聲波[5]、球磨[6]、擠壓[7]等不同的物理法對淀粉進行前處理，提高酯化反應的反應效率。其中，以超聲波處理最為常見[8]，超聲處理可使淀粉顆粒的形貌發生不同程度的變化，Zhang 等[9]的研究結果表明，超聲波的空化效應誘導淀粉顆粒產生裂縫和空隙，進而提高淀粉的反應效率。因此本文選擇超聲波這一物理法進行前處理，探究超聲波處理對馬鈴薯酯化淀粉顆粒的結構及功能的影響，以期為馬鈴薯淀粉作為乳化劑的發展奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉（優級品）：哈爾濱華濤淀粉制品有限公司；2-辛烯基琥珀酸酐：上海麥克林生化科技有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇、硝酸銀、酚酞（均為分析純）：北京新光化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

超聲波細胞粉碎機（JY92-IIN）：寧波新芝生物科技股份有限公司；鼓風干燥箱（DHG-92440A）：上海一恒科學儀器有限公司；精密酸度計（PHS-3C）：上海精密科學儀器有限公司；水浴恒溫磁力攪拌器（HSJ-4）：鞏義市予華儀器有限責任公司；激光粒度儀（S3500）：美國麥克奇儀器有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolet is50）：賽默飛世爾科技(中國)有限公司；Panalytical 臺式X 射線衍射儀：帕納科公司；鎢燈絲掃描電子顯微鏡（S-3400N）：日本日立公司；視頻接觸角測量儀（OCA20）：德國DATA PHYSICS 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 超聲波酯化淀粉的制備

取少量馬鈴薯淀粉，配制成一定濃度的淀粉乳，參考Liu 等[10]的方法稍作修改，采用超聲波細胞粉碎機進行超聲處理，超聲功率分別是250、300、350、400 W和500 W，超聲時間為15 min。取少量超聲馬鈴薯淀粉，配制成質量分數為35%的淀粉溶液，迅速攪拌成勻漿，置于恒溫水浴鍋中繼續攪拌。待乳液溫度達到35 ℃時，用3%氫氧化鈉溶液使pH 值保持在8.5，堿化20 min 后，將用無水乙醇稀釋3 倍的3%OSA（以淀粉干基計）緩慢滴入，并在2 h 內完成加入，在反應過程中需要持續地用恒溫磁力攪拌器攪拌，使pH 值保持在8.5，反應4 h 后，用濃度為3%的鹽酸溶液對反應體系進行中和，使pH 值達到6.5 左右，立即終止酯化反應。完成反應后，用70%乙醇溶液進行3 次抽濾洗滌，再用蒸餾水進行3 次離心洗滌，每次以4 000 r/min 洗滌3 min，然后于40 ℃烘箱中干燥過夜、研磨至均勻無結塊，再將其粉碎過篩稱重，即得OSA 馬鈴薯淀粉。將水相法和不同超聲功率輔助制備的OSA 淀粉分別命名為OPS、UOPS-250 W、UOPS-300 W、UOPS-350 W、UOPS-400 W、UOPS-500 W。

1.3.2 超聲馬鈴薯淀粉酯取代度和反應效率的測定

取代度（degree of substitution，DS）的測定參照Zainal Abiddin 等[11]的方法，并根據實際情況作改進。稱取1.50 g 樣品將其置于燒杯中，取50 mL 95%的乙醇倒入燒杯中，磁力攪拌10 min 后加入2 mol/L 的鹽酸-乙醇溶液15 mL，再攪拌30 min。將得到的樣品用90%乙醇進行抽濾，直至沒有氯離子。將樣品倒入三角瓶后用蒸餾水進行溶解，經過沸水浴30 min 后，向溶液中加入2 滴酚酞，趁熱用濃度為0.1 mol/L 的NaOH 標準溶液滴定，至溶液顏色為粉色。用對應的未改性的淀粉按上述方法進行測定作為空白對照組。取代度（X）通過以下公式計算。

式中：A 為消耗的0.1 mol/L 氫氧化鈉標準溶液的體積，mL；M 為滴定用NaOH 溶液的物質的量，mol/L；W 為改性淀粉的質量，g。

反應效率（reaction efficiency，RE，%）通過以下公式計算。

式中：Y 為理論取代度；W1為OSA 的質量，g；W2為辛烯基琥珀酸淀粉酯的質量，g。

1.3.3 顆粒粒徑的測定

采用激光粒度儀測定超聲酯化馬鈴薯淀粉顆粒的顆粒大小及分布。將去離子水加入超聲輔助制備的馬鈴薯淀粉酯中，配制成懸浮液，濃度為1%，放入激光粒度儀中，在20 ℃條件下，檢測淀粉酯的粒度分布，設置分散液與顆粒的折射指數分別為1.33 和1.53，去離子水為分散介質。

1.3.4 顆粒分子結構的測定

利用傅里變換葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometry，FTIR）采集超聲酯化馬鈴薯淀粉的紅外吸收峰，識別改性淀粉中存在的特征官能團。傅里葉變換紅外光譜儀的相關參數為分辨率4 cm-1，掃描范圍400～4 000 cm-1，進行32 次掃描。取0.1 mg 樣品，加入適量的干燥溴化鉀粉末進行壓片。

1.3.5 顆粒晶體結構的測定

使用X-射線衍射儀測定超聲酯化馬鈴薯淀粉的晶體特性。在特征射線為CuKα 的測定條件下，發散狹峰和防發散狹峰均為1°，步長為0.02°，接受狹峰為0.16 mm。其中電壓40 kV，燈絲電流100 mA，掃描速度4°/min，衍射角（2θ）范圍5°～40°。

1.3.6 顆粒微觀結構測定

用掃描電子顯微鏡對NPS、OPS、UOPS 的形貌進行觀察。通過導電膠將一定量干燥的樣品均勻地分散到樣品臺上，輕輕吹去浮樣，進行噴金處理，通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）在2 000 倍的放大倍數加速電壓5 kV 的條件下觀察淀粉顆粒形貌。

1.3.7 顆粒疏水性的測定

通過壓片機將適量的粉末樣品壓成平整圓片，直徑和厚度分別為12 mm 和2 mm，使用光學接觸角測量顆粒接觸角，測定方法為坐滴法，通過精密微注射器將一滴油（2 滋L）滴在圓片的表面，待油滴平衡后，立即記錄液滴的圖像，并對液滴的輪廓進行數值求解。

1.4 數據處理

試驗均進行3 次重復取平均值，采用SPSS 22.0 軟件對多組間數據進行單因素方差分析，以Duncan 檢驗法進行顯著性差異分析，P＜0.05 被認為差異顯著，采用Origin 2018 繪圖。

2 結果與分析

2.1 取代度和反應效率

取代度（DS）和反應效率（RE）是反映淀粉化學活性的指標[12]，并且取代度是影響OSA 淀粉乳化性質最關鍵的因素之一。表1 是反映超聲功率OPS 和UOPS顆粒取代度及反應效率隨超聲功率變化的情況。

表1 OPS 和UOPS 顆粒的取代度與反應效率Table 1 The DS and RE of OPS and UOPS

由表1 可知，OPS 的DS 和RE 分別為15.9×103和60.81%，與水相法相比，超聲波輔助能顯著提高酯化反應DS 和RE（P＜0.05），這與Chen 等[13]的研究結果相一致。在理論上UOPS 顆粒的取代度及反應效率應隨著超聲功率的增加而增大[14]，但由表中可得，超聲功率為300、400 W 和500 W 的取代度與理論取代度有一定的偏差，這與王寶珊等[15]的研究結果一致，可能是由于300 W 和400～600 W 超聲波處理淀粉顆粒分別處于聚集階段和團聚階段，由于具有緊密的結構，反應較難進行，因此取代度及反應效率較小。而當超聲功率為350 W 時，反應效率提高了30%～35%，這是由于超聲波作用下出現的空化作用，在瞬間形成高溫高壓的環境，將淀粉顆粒中的氣體排出，從而使結構變得松散，對水分子和辛烯基琥珀酸酐油滴進入到內孔中有益，可以提高反應速率[16]。

2.2 顆粒的粒徑分布

圖1 為NPS、OPS 和UOPS 顆粒的粒徑分布圖。

圖1 NPS、OPS、UOPS 顆粒的粒徑分布Fig.1 Size distribution of NPS，OPS and UOPS particles

由圖1 可以看出，NPS、OPS 及UOPS 顆粒粒徑主要分布在13.0～100.3 滋m 范圍內，呈單峰分布。OPS、UOPS 與NPS 顆粒相比平均粒徑略有減小，并且經過超聲處理后OSA 馬鈴薯淀粉顆粒的粒徑存在較小變化，產生此現象的原因是超聲波處理并不會顯著改變淀粉的平均粒徑，但會提高淀粉顆粒大小的均一性，結論與Falsafi 等[17]結果相一致。其中UOPS 顆粒粒徑沒有隨著功率的增加而減小，其原因可能是在超聲功率為300～350 W 作用下屬于聚集階段，顆粒結構緊密，顆粒的粒徑較小；當超聲功率為250 W，由于在超聲波的影響下淀粉粒子的形貌發生了變化，從而導致了內部的松散和粒度增加；功率增加到400～500 W 時淀粉顆粒形貌嚴重破壞，表面處于激活狀態易團聚，使顆粒粒徑整體增加[18]。平均粒徑的結論與取代度及反應效率的結論相一致。

2.3 顆粒的分子結構

由圖2 可知，圖2 是NPS、OPS 和UOPS 顆粒的紅外光譜圖。

圖2 NPS、OPS 及UOPS 顆粒的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of NPS，OPS and UOPS particles

由圖2 可知，在約3 400 cm-1處，是由于O—H 鍵伸縮振動所產生的典型吸收峰，在2 930 cm-1和1 650 cm-1處出現了由C—H 的伸縮振動和吸附水而形成的特征峰，4 個特征峰分別位于1 162、1 082、1 028 cm-1和931 cm-1處，這4 個特征峰為C—O 的伸縮振動吸收峰[19]。在1 643 cm-1處出現的特征峰可能是由于水和淀粉內部結合所產生[20]。與NPS 相比，OPS 和UOPS在3 400 cm-1處對應的O—H 特征峰強度減弱，在1 726 cm-1和1 572 cm-1附近有兩個新峰出現，證明OPS 和UOPS 檢測到酯羰基鍵的存在，說明經過酯化反應后的淀粉引入了新的基團，表明OSA 與NPS 成功發生了酯化反應[21]。綜上所述，NPS 和OPS、UOPS 除了出現了新峰之外，傅里葉紅外光譜圖基本無差異，這說明酯化反應除引入了辛烯基琥珀酸基團外，未引入其他物質，并且隨著改性淀粉取代度的提高，兩處的新峰越明顯，因此超聲功率為350 W 時，新峰的兩個新條帶更顯著。

2.4 顆粒的晶體結構

X-射線衍射分析是分析與鑒定淀粉顆粒結晶性質的一種手段。圖3 是NPS、OPS 和UOPS 顆粒的X-射線衍射譜圖。

圖3 NPS、OPS、UOPS 顆粒的X-射線衍射譜圖Fig.3 XRD profiles of NPS，OPS and UOPS particles

由圖3 可知，曲線中均出現了尖峰衍射峰和彌散衍射峰，證明樣品中都含有結晶區和非結晶區兩種結構。NPS、OPS 和UOPS 顆粒在5.6°、17.3°、22.2°、24.0°（2θ）處有4 個重要的特征峰，為典型的B 型結晶淀粉，并且OPS 和UOPS 顆粒的衍射峰與NPS 顆粒幾乎一致，說明酯化反應主要發生在淀粉分子無定形區的羥基上，不會改變淀粉顆粒的晶型結構[22]。與NPS 相比，OPS、UOPS 的結晶度均有一定程度的減小，這是由于OSA 與淀粉分子發生酯鍵作用，少量OSA 進入結晶區，破壞了淀粉的雙螺旋結構的有序性[23]。并且結晶度與取代度呈負相關，這是因為淀粉結晶程度越高，即淀粉的分子結構越致密，酯化反應就越困難。值得注意的是，當超聲功率達到300 W 時，其結晶性有明顯的變化，這與淀粉分子的重新排列和聚合有關[9]。此結論與粒徑表現出來的結果相一致。

2.5 顆粒的微觀結構

由于UOPS-350 W 顆粒的紅外光譜圖中顯示馬鈴薯淀粉與辛烯基琥珀酸酐成功發生酯化反應，馬鈴薯經過超聲波輔助酯化后晶體結構沒有發生變化，并且其取代度及反應效率最高，顆粒粒徑較小，因此選擇此功率下制備的顆粒進行后續試驗，對比NPS、OPS 及UOPS-350 W3 種顆粒在微觀結構和濕潤性上的區別。圖4 為NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的SEM 圖像。

圖4 NPS、OPS 和UOPS-350 W 的掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron microscope of NPS，OPS and UOPS-350 W

由圖4 可知，NPS 表面光滑，呈卵圓形，少數為圓形，無明顯氣孔[24]。OPS 和UOPS-350 W 在OSA 的修飾下，其大小及形態沒有明顯改變，且結晶結構基本保持完好，但顆粒表面出現明顯腐蝕、破損和凸起，有肉眼可見的淀粉碎片。這種現象與Simsek 等[25]的研究結果一致，可能歸因于在堿性溶液中，直鏈淀粉從顆粒中溶出，在淀粉粒子表面與OSA 發生酯化反應而生成聚合物，從而沒有進入淀粉結晶區域，這與XRD 分析結論相符。經過UOPS-350 W 形態變化明顯，表面變得更加粗糙，出現了更多的孔洞和凹陷，可能因為超聲波處理所產生的空化作用使淀粉顆粒產生較為嚴重的破損現象有關[26]。由于超聲波的作用，增加了OSA 油滴與淀粉顆粒接觸面積，進而使得顆粒的反應取代度高。

2.6 顆粒的疏水性

固體顆粒的濕潤性是影響Pickering 乳液形成和穩定的因素，一般通過三相接觸角進行表征。通常當接觸角小于90°時，顆粒具有親水性，接觸角的數值越接近90°，顆粒在油水界面處可能會表現出最強的吸收能力，因而具有更高的乳化穩定性[27]。圖5 是反映NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的接觸角大小的圖像。

圖5 NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的接觸角Fig.5 Contact angles of NPS，OPS and UOPS-350 W particles

由圖中5 可知，NPS 的接觸角為39.9°，說明天然淀粉本身是具有一定濕潤性的，因此可通過吸附在油水界面形成界面膜，進而穩定乳液[28]。而OPS 和UOPS-350 W 淀粉顆粒的接觸角分別為56.4°和63.2°，說明通過OSA 改性后的淀粉顆粒的接觸角均明顯高于NPS 顆粒，這是由于辛烯基琥珀酸殘基基團引入到馬鈴薯淀粉中的數量增加，疏水基團被引入到淀粉中，使淀粉親水性減小，因此辛烯基琥珀酸淀粉酯顆粒具有兩親性和界面性[29]。就OPS 與UOPS-350 W 顆粒而言，由于超聲波處理，UOPS-350 W 顆粒對油相的潤濕性也有所增加，進而UOPS-350 W 顆粒具有較好的乳化性，有利于應用到乳液的制備過程。

3 結論

超聲波處理提高酯化反應的反應效率，使經過超聲和酯化反應處理的馬鈴薯淀粉的粒徑發生改變，由于UOPS-350 W 顆粒具有較小的平均粒徑和更好的分散性，說明超聲波處理和酯化反應同時作用于馬鈴薯淀粉，使其具備較好的兩親性，得到乳化性能較好的馬鈴薯淀粉顆粒；對比NPS、OPS 和UOPS-350 W 顆粒的掃描電子顯微鏡的圖像，顯示超聲波處理不會改變UOPS 顆粒尺寸和形態，而會使淀粉產生較大的孔洞和凹陷，增加OSA 油滴與馬鈴薯淀粉的接觸面積，明顯提高反應效率，在超聲波處理的情況下，酯化反應取代度和反應效率有所提高；紅外光譜結果表明，與NPS相比，改性淀粉在1 726 cm-1和1 572 cm-1附近有兩個新峰出現，證明酯化反應成功進行；X-射線衍射結果顯示，在淀粉無定形區內進行的酯化不會對其結晶結構產生任何影響；測定UOPS-350 W 顆粒的三相接觸角的數值為63.2°，說明超聲功率為350 W 時，該顆粒具有較好的潤濕性，可以應用到穩定乳液的領域中，為今后馬鈴薯淀粉在乳液發展領域奠定基礎。