乙酰化木薯淀粉的制備、表征及流變性能分析

王創(chuàng)新，丁 玲，張 繼,3, ，曹 余

（1.西北師范大學生命科學學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省特色植物有效成分制品工程技術研究中心，甘肅蘭州 730070；3.西北師范大學新農(nóng)村發(fā)展研究院，甘肅蘭州 730070；4.甘肅豐收農(nóng)業(yè)科技有限公司，甘肅天水 741020）

木薯淀粉（Cassava Starch，CS）是木薯經(jīng)過淀粉提取后脫水干燥而成，因其具有良好的安全性和應用性，在食品加工中被廣泛應用。乙酰化木薯淀粉（Acetylated Cassava Starch，ACS）是指用醋酸或醋酸乙烯等在堿性條件下對CS 進行酯化而得到的一類變性淀粉，是化學變性淀粉的重要品種之一，可有效提高食品的凍融穩(wěn)定性、粘度、儲存穩(wěn)定性等[1-3]。

CS 資源豐富，現(xiàn)有研究以CS 為原料制備ACS，改善了CS 顆粒內(nèi)乙酰化反應和乙酰化基團非均勻分布的狀況，進行了取代度、熱穩(wěn)定性和形態(tài)結構的對比分析，為其在涂料和食品包裝的應用提供了參考[4-5]；不同取代度的ACS 形態(tài)學特性和流變學性能與CS 相比，ACS 的特性使其能夠用于生物活性分子的封裝，為其在生產(chǎn)生物活性包裝和生產(chǎn)可生物降解包裝的應用提供了理論基礎[6]。此外，水溶液膠體的流變學特性在液體流、泵送、消毒、蒸發(fā)、干燥措施等食品加工和食品包裝方面具有重要的技術指導意義[7]。

目前關于ACS 的報道較多集中對ACS 的取代度、結構表征研究、對食品品質(zhì)的影響或探究其制備工藝，而對其流變性能研究的不夠多也不夠深入。因此，本文通過紅外光譜、X-射線衍射、熱重分析對CS 和新制備的ACS 進行了結構表征，并對其流動性、觸變性及動態(tài)粘彈性等流變性能進行了較全面的測定，為其在食品加工、藥品制造等方面更廣泛的應用提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉 甘肅豐收農(nóng)業(yè)科技有限公司；醋酸酐、鹽酸 成都市科隆化學品有限公司；氫氧化鈉成都金山化學試劑有限公司；乙醇 國藥集團化學試劑有限公司；蒸餾水 實驗室自制；試劑均為分析純。

Nicolet is10 紅外光譜儀 美國Thermo 公司；D/Max-2550PC 型 X-射線衍射儀 日本RIGAKU公司；TG209F1 型熱重分析儀 德國NETZSCH 公司；MCR301 型流變儀 奧地利安東帕有限公司；JD500-3 型電子天平 沈陽龍騰電子產(chǎn)品有限公司；JRA-6 型數(shù)顯磁力攪拌水浴鍋 金壇市杰瑞爾電器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 乙酰化木薯淀粉的制備 使用Wurzburg[8]的制備方法，制備DS 為0.08 的ACS。將50 g CS 和112.5 mL 的蒸餾水用磁力攪拌器進行混合，用3%的NaOH 溶液將pH 保持在8.0～8.5。加入3 g 醋酸酐不斷攪拌，反應溫度25 ℃，反應時間2 h，反應中加入3% NaOH 溶液，控制乳液pH 保持在8.2～8.4之間。反應結束后，用0.5 mol·L-1HCl 調(diào)整pH 至4.5。反應物先用乙醇沖洗1 次，再用蒸餾水沖洗3 次，冷凍干燥48 h 備用，用于ACS 結構表征的測定。

1.2.2 乙酰化木薯淀粉糊液的配制 用蒸餾水將ACS 分別配制成100 mL 的2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%的乳液，在25 ℃水浴鍋中恒溫磁力攪拌2 h，轉(zhuǎn)速150 r/min，95 ℃糊化后去泡備用，用于ACS 流變性能的測定。

1.2.3 紅外光譜（FTIR）分析 FTIR 分析采用傅里葉變換紅外光譜儀，通過KBr 壓片法，將CS 和ACS 分別與KBr 以1:100 比例充分混合、研磨、壓片后置于紅外光譜儀上測試，掃描波數(shù)范圍為500～4000 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.2.4 X-射線衍射（XRD）分析 XRD 分析采用X 射線衍射儀，鎳過濾銅Kα輻射（θ=1.5406 A），電壓為45 kV，燈絲電流為35 mA。XRD 運行在5°≤2θ≤80°上進行，掃描速度為5°/min。

1.2.5 熱重分析（TGA） 使用同步熱分析儀測量樣品的熱穩(wěn)定性，將樣品放入儀器中，在氮氣氣氛下測試，溫度范圍為30～700 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.2.6 流變性能測定

1.2.6.1 流動性能 使用平板PP50，板間距2 mm，在25 ℃條件下，測試ACS 糊液的粘度隨剪切速率的變化趨勢，剪切速率范圍：0.01～100 s-1[9]。不同濃度ACS 糊液的Cross 模型擬合參數(shù)數(shù)據(jù)，對應的數(shù)據(jù)由公式（1）計算得到。

式中，η為任何特定剪切率下的粘度；η0和η∞代表零剪切力和無限剪切力時的表觀粘度（Pa·s）；α為時間常數(shù)，為剪切速率；d 為速率指數(shù)。

1.2.6.2 觸變性能 使用平板PP50，在旋轉(zhuǎn)模式下進行三段參數(shù)設定。第一階段：剪切速率以恒定增速（3.12 s-1）從0 s-1升高到100 s-1；第二階段：在剪切速率為0 s-1下保持50 s；第三階段：以恒定減速（3.12 s-1）從100 s-1降低到0 s-1[10]。不同濃度ACS糊液的觸變環(huán)面積數(shù)據(jù)，對應的觸變環(huán)面積可由公式（2）計算得到。

式中： γ1和γ2為剪切速率，s-1；k1、 k2為正向流動指數(shù)，Pa/s；n1 和n2 分別為流動冪指數(shù)。

1.2.6.3 動態(tài)粘彈性 通過應變掃描確定ACS 的線性粘彈性范圍，即在25 ℃條件下給樣品以恒定的頻率（1 Hz）施加一個范圍（0.05%～100%）的正弦形變（應變），依據(jù)儲能模量的變化來確定其線性粘彈性范圍。振蕩頻率掃描：在ACS 的線性粘彈性范圍內(nèi)，施加不同頻率的正弦形變（ω：100～0.1 rad/s，strain 1%），從而得到不同溫度和不同濃度條件下ACS 溶液的儲能模量（G'）和損耗模量（G''）隨頻率變化的關系[11]。

1.2.6.4 模量與復合粘度 采用振蕩模式進行參數(shù)設定，溫度范圍為4～80 ℃，2 ℃/min，角頻率為1 Hz，應變?yōu)?%[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)通過流變儀自帶軟件獲取，本實驗所有測試均重復3 次取平均值，以保證數(shù)據(jù)的可靠性，用Origin 2018 軟件對所有數(shù)據(jù)進行處理并作圖。

2 結果與分析

2.1 CS 和ACS 的結構表征

2.1.1 CS 和ACS 的FTIR 分析 CS 和ACS 紅外光譜如圖1 所示。通過對比可以看出，在3385 cm-1左右處出現(xiàn)的是淀粉中游離的-OH 的伸縮振動吸收峰，2932 cm-1處出現(xiàn)淀粉-CH2伸縮振動吸收峰，在1371、1423 cm-1處出現(xiàn)淀粉-OH 的彎曲振動吸收峰；相較于CS，ACS 在1730 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收特征峰，為明顯的酯鍵的特征吸收峰，由此說明醋酸酐與CS 發(fā)生了反應，成功合成了ACS，這與文獻[13-15]研究結果基本一致。

圖1 CS 和ACS 紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of CS and ACS

2.1.2 CS 和ACS 的X-射線衍射（XRD）分析 CS和ACS 的X-射線衍射曲線如圖2 所示。CS 的XRD曲線由尖峰衍射特征和彌散特征兩部分組成，分別對應淀粉的結晶區(qū)與無定型區(qū)，屬于典型的多晶體系的衍射曲線。從圖2 中可看出，CS 和ACS 均在15.0°、17.0°、18.0°、23.0°附近有明顯的衍射峰，表明兩者均為典型的A 型結晶結構，說明乙酰化并沒有改變CS 的晶體結構類型，其晶型仍保持A 型。根據(jù)Lemos 等[16]、林麗菁等[17]的研究，這可能是因為取代主要發(fā)生在非結晶區(qū)，對結晶區(qū)雖然也有一定破壞，但不足以使其晶型發(fā)生改變。

圖2 CS 和ACS X 射線衍射曲線Fig.2 X-ray diffraction curves of CS and ACS

2.2 CS 和ACS 的熱重（TGA）分析

CS 和ACS 的TGA 曲線如圖3 所示。從圖3中可以看出，CS 和ACS 均出現(xiàn)了不同程度的質(zhì)量損失。ACS 自50 ℃起持續(xù)失重，前期失重速率不高，可能是由于ACS 中水分蒸發(fā)所致，在275～325 ℃時失重速率急劇升高，在325 ℃時ACS 失重80%，CS 失重70%，可能是由于淀粉結構中糖苷單元的分解，其中的氫鍵和化學鍵斷裂所致。當溫度超過600 ℃時，TG 曲線趨于平緩，ACS 失重90%，CS 失重80%，表明高溫條件下樣品大量分解，可能是由于淀粉中糖苷鍵的斷裂和碳水化合物鏈的脫水所致。TGA 曲線中CS 相對ACS 質(zhì)量損失較低，表明其晶體結構更為穩(wěn)定，說明CS 經(jīng)乙酰化處理后，其熱穩(wěn)定性降低，文獻[18-19]也得到了類似的結果。

圖3 CS 和ACS 的TGA 曲線Fig.3 TGA curves of CS and ACS

2.3 ACS 的流變性分析

2.3.1 ACS 的流動性 不同濃度ACS 糊液的剪切速率與粘度關系曲線如圖4 所示。在低剪切速率可以明顯觀察到剪切變稀行為，并且隨著剪切速率的增大，不同濃度的ACS 糊液的粘度都呈明顯的下降趨勢，說明ACS 糊液是一種典型的假塑性流體。ACS糊液粘度的下降可能是因為淀粉中的多糖在高剪切速率下易受到更大的剪切力，粘度逐漸變小，這也表明多糖長鏈的纏結結構在高剪切速率的影響下發(fā)生重新排列[9]。在剪切速率相同的情況下，高濃度ACS 糊液的粘度越高，隨著剪切速度的增大，促進了多糖分子鏈的解纏結，多糖分子之間的交聯(lián)網(wǎng)狀結構逐漸被破壞，因此其粘度下降速率相對更快。

圖4 不同濃度的ACS 糊液的粘度特性曲線Fig.4 Viscosity characteristic curves at different ACS concentrations

這種剪切變稀的流動特性可以用Cross 模型來描述。Cross 模型因為可以較為準確的描述出聚合物在較大范圍內(nèi)的流變行為，該模型已經(jīng)被成功地用于描述黃原膠等多種食品溶液的剪切稀化行為[18]。因此，本文利用這種模型對ACS 溶液的流動曲線進行參數(shù)擬合。在0.01～100 s-1的剪切率范圍內(nèi)測量了質(zhì)量濃度為2.5%、5.0%、7.5%、10.0%和12.5%（w/v）的ACS 糊液的剪切流動性。流動性的特征可以使用Cross 模型準確地描述，表1 為不同濃度ACS 糊液的Cross 模型擬合參數(shù)數(shù)據(jù)，對應的數(shù)據(jù)由公式（1）計算得到。

表1 不同濃度ACS 糊液Cross 模型擬合參數(shù)Table 1 Cross model-fitting parameters at different ACS concentrations

表1 為Cross 模型被用來擬合ACS 糊液在不同濃度和下的相關剪切流動行為數(shù)據(jù)。其結果顯示，該模型的回歸系數(shù)（R2）和相對偏差誤差（RE）分別較高和較低，表明Cross 模型擬合可以用來描述ACS糊液的流變性。松弛時間α與臨界剪切率（γCrit）有關，α=1/γCrit。γCrit標志著ACS 糊液的剪切變稀的開始。結果表明，隨著ACS 濃度的增加，剪切變稀的開始轉(zhuǎn)移到較低的剪切率上。速率指數(shù)（d）反映了ACS 剪切稀化區(qū)的粘度對剪切速率的依賴性。從圖4 和表1 可以看出，η、η0、η∞、α及d 隨著ACS濃度的增加而呈上升趨勢。當ACS 溶液濃度從2.5%～12.5%（w/v）增加時，η0從344.66 Pa·s 增加到6399.4 Pa·s，α從17.46 增加到33.629，d 從0.58476上升到0.74825。這些數(shù)據(jù)表明，隨著ACS 糊液的濃度增加，剪切稀化行為開始轉(zhuǎn)向較低的剪切率。在高濃度的ACS 中，單鏈的移動受到限制，由于聚合物鏈纏結程度的相應增加而受到限制。因此，該系統(tǒng)的結構穩(wěn)定性得到了加強，這導致了ACS 糊液中變形、分子鏈糾纏的破壞以及剪切變薄的行為所需時間均得到增加[10]。因此，ACS 糊液的剪切稀化行為有利于食品加工中食品的混合、泵送和裝瓶等[19]。

2.3.2 ACS 的觸變性 表2 為不同濃度ACS 糊液的觸變環(huán)面積數(shù)據(jù)，對應的觸變環(huán)面積可由公式（2）計算得到[20]。

表2 不同濃度ACS 糊液的觸變環(huán)面積Table 2 Thixotropic ring area at different ACS concentrations

從表2 可以看出，ACS 糊液均有一定的觸變性。低濃度的ACS 糊液（2.5%）的觸變環(huán)面積相對較小，因此，可以認為其對時間依賴性較小。而較高濃度的溶液體系（5.0%～12.5%），其觸變環(huán)面積隨著溶液濃度的增大而急劇增大，因此觸變性也隨之增強，相應地，對時間的依賴性也就越大，這種現(xiàn)象可能與淀粉多糖的聚合物分子鏈之間的纏結及解纏結有關[9]。

2.3.3 ACS 的動態(tài)粘彈性 儲能模量（G'）和損耗模量（G''）以及復合粘度（η*）對頻率依賴性可被用來描述ACS 溶液的粘彈性行為。不同濃度的ACS 糊液的G'、G"與頻率（ω）的關系見圖5a。在整個測試范圍內(nèi)ACS 溶液的G'＞G"，聚合物溶液主要以彈性固體的形式存在，這與Khurshida 等[14]、Villanueva 等[21]報道的一致。此外，本研究發(fā)現(xiàn)不同濃度ACS 的G'和G"都隨著ACS 濃度的增加而增加；但是，G′的增加趨勢更為明顯，這表明在較高濃度下有更多的CSA 分子參與非共價連接，形成了一個更強的ACS三維網(wǎng)絡[21-24]。

圖5 不同濃度ACS 糊液的動態(tài)粘彈性曲線Fig.5 Dynamic viscoelasticity curves at different ACS concentrations

不同濃度的ACS 的η*與頻率（ω）的關系見圖5b，ACS 溶液的η*值也隨著ω的增加而減小，而且這種減少在較高濃度下更為明顯。根據(jù)Tunick 等[25]的研究，在頻率掃描測試過程中，ACS 的分子間或分子內(nèi)的相互作用可能被破壞或重組，導致ACS 的分子結構發(fā)生變化，并最終影響其流變特性。而在高頻率的情況下，聚合物的分子間或分子內(nèi)鍵可能發(fā)生斷裂，且不能在短時間內(nèi)恢復重組，這可能導致長鏈聚合物的永久解離，從而降低ACS 的η*，這可能是由于ACS 的不規(guī)則網(wǎng)絡構象造成的[19,26-27]。

2.3.4 ACS 的模量與復合粘度 不同濃度的ACS溶液的G'、G"與溫度之間的關系見圖6a。在升溫掃描過程中，ACS 的G'、G''變化趨勢相似。在5～45 ℃范圍內(nèi)G'和G''基本穩(wěn)定；但后來隨著溫度的升高而增加，然后趨于平緩。G'和G''的增加可能是因為在升溫過程中，淀粉顆粒吸水膨脹，體積增大，直鏈淀粉從淀粉顆粒中溶出，進而與淀粉顆粒相互纏繞形成網(wǎng)絡結構[25]。ACS 溶液曲線上的G'和G"（2.5%～12.5%，w/v）的交叉點在75、73、57、52 和47 ℃。圖6a 可以看出，ACS 糊液的彈性比粘性大，因為溶液始終表現(xiàn)出類似于固體的狀態(tài)（G'＞G"），表明ACS 為高彈性的凝膠結構。圖中可以觀察到ACS 糊液模量的變化表現(xiàn)出很好的濃度依賴性，G′和G''交點的出現(xiàn)很大程度上依賴于ACS 糊液的濃度，ACS 糊液濃度越高，交點出現(xiàn)的越早。

圖6 不同濃度ACS 糊液模量與復合粘度曲線圖Fig.6 Modulus of ACS at different concentrations versus composite viscosity

不同濃度ACS 的η*與溫度之間的關系見圖6b。圖6b 可以看出，在最初的加熱過程中（0～40 ℃），ACS 的η*隨著加熱的進行而緩慢下降，但后來隨著溫度的升高而增加。η*最初下降，這種下降可能是由于剛開始隨著溫度的升高，糊液中分子熱運動加劇，分子之間解纏能力提高，網(wǎng)絡結構被破壞，糊液彈性下降。此外，隨著溫度的進一步升高，η*急劇上升，可能是因為隨著溫度的升高，分子熱運動進一步加劇，分子鏈之間存在了大量的糾纏物，并且多糖纏結物隨著濃度的增加而增加，導致糊液的彈性增加[28-30]，ACS 糊液表現(xiàn)出一種固體凝膠般的彈性特性。

3 結論

本研究中，結構表征結果表明ACS 在1730 cm-1處出現(xiàn)了乙酰基團特征吸收峰，表明ACS 制備成功，乙酰化反應并未改變其晶型，但是降低了其熱穩(wěn)定性。流變學結果表明ACS 是一種假塑性流體，有剪切變稀行為，其流動曲線符合Cross 模型；其觸變性隨溶液濃度的增大而增大，并表現(xiàn)出良好的彈性固體行為。與以往研究相比，本研究對所制備的ACS 進行了較為全面的表征分析，綜上所述，因ACS所具備的良好流變特性，能作為優(yōu)良的增稠劑、乳化穩(wěn)定劑、膠凝劑、粘結劑等，可廣泛應用于焙烤制品，速凍水餃、方便面生產(chǎn)等食品工業(yè)生產(chǎn)中。因此，本研究為進一步拓展其在食品工業(yè)中的應用提供了一定的理論參考。此外，關于不同取代度ACS 的結構及流變學行為之間的相關關系有待進一步研究。