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超高壓對直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

2017-11-10 00:54梁夏維史苗苗閆溢哲潘慧慧劉延奇
關(guān)鍵詞:乙醇溶液結(jié)晶度復(fù)合物

梁夏維 ,史苗苗 ,閆溢哲 ,潘慧慧 ,劉延奇 *,林 海

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院,河南 鄭州 450002;2.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品工程學(xué)院,河南 鶴壁 458000)

超高壓對直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

梁夏維1,史苗苗1,閆溢哲1,潘慧慧1,劉延奇1*,林 海2

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院,河南 鄭州 450002;2.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品工程學(xué)院,河南 鶴壁 458000)

將直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物懸浮于40%乙醇溶液中,在不同壓力下(100~500 MPa)處理10 min,所得樣品用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉紅外光譜(FT-IR)以及熱重分析儀(TG)進(jìn)行測試分析。結(jié)果表明:常壓下,V-型淀粉在40%乙醇溶液中穩(wěn)定存在,結(jié)晶結(jié)構(gòu)和衍射峰不變;100 MPa高壓處理后,復(fù)合物的結(jié)晶度和顆粒外貌變化不顯著,200 MPa及以上高壓處理后,淀粉樣品的結(jié)晶結(jié)構(gòu)由V-型向無定型轉(zhuǎn)變,隨著壓力的增加,顆粒表面由光滑逐漸變得粗糙,最終破碎;傅里葉紅外變換圖譜顯示高壓對各基團(tuán)均無顯著影響;盡管高壓使V-型轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài),但對淀粉的熱穩(wěn)定性無顯著影響。

超高壓技術(shù);V-型淀粉;X-射線衍射;掃描電子顯微鏡

0 引言

超高壓是一種新型的非熱處理加工技術(shù),此技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中[1]。采用100~1 000 MPa的超高壓處理淀粉,可達(dá)到讓淀粉在常溫或較低溫度下糊化、改變結(jié)晶結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)特性、改善糊化性能等目的。

常溫條件下,超高壓可使淀粉糊化,然而淀粉種類不同,淀粉糊化所需要的壓力也有差異。馬鈴薯淀粉的糊化壓力在600~700 MPa之間;玉米、荸薺淀粉等的糊化壓力在550 MPa左右;小麥淀粉和木薯淀粉的糊化壓力約為500 MPa。隨著壓力的增加,大多淀粉的特征衍射峰逐漸變?nèi)醪⑾ВY(jié)晶度也逐漸降低,并且淀粉顆粒表面逐漸被消磨,直至淀粉顆粒出現(xiàn)塌陷情況;相同高壓下,當(dāng)水為介質(zhì)時,懸浮液中水分含量對淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)影響大,當(dāng)采用化學(xué)試劑為介質(zhì)時,發(fā)現(xiàn)NaCl和CaCl2可以提高處理后的淀粉的結(jié)晶度[2-6]。在100~600 MPa條件下將蓮子淀粉水溶液處理30 min,當(dāng)壓力達(dá)到600 MPa,蓮子淀粉糊化,其結(jié)晶度和峰強(qiáng)度隨壓力增加而減小,在低-高-低剪切條件下,與天然淀粉相比,高壓處理過的蓮子淀粉凝膠老化趨勢較慢,XRD顯示超壓力處理使淀粉由C型向B 型轉(zhuǎn)變[7-8]。

B型淀粉比A型和C型淀粉更具有抗壓性。A型微晶具有更分散且?guī)в蟹种У闹ф溄Y(jié)構(gòu),高壓條件下雙螺旋可以重排形成包含水分子的通道,因此高壓處理可使A型淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)锽型;B型淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)中,水能夠填充微晶單元中的通道,穩(wěn)定其結(jié)構(gòu),因此B型仍然保持原來的結(jié)構(gòu)[9-12]。目前,關(guān)于超高壓對V-型淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化的研究未見報道,作者采用乙醇溶劑溶解V-型淀粉,研究不同壓力對V-型淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)、顆粒形貌、熱穩(wěn)定的影響,同時還探討了不同壓力條件下晶型轉(zhuǎn)變規(guī)律,確定淀粉復(fù)合物的超高壓結(jié)構(gòu)改變的條件,探明各種因素與V-型淀粉結(jié)構(gòu)變化之間的相互作用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉(食品級):固原長城淀粉有限公司;正辛醇(AR):上海阿拉丁生化科技股份有限公司;無水乙醇(AR):天津市富宇精細(xì)化工有限公司;V-型直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物:實(shí)驗(yàn)室制備。

Scientz-10N冷凍干燥機(jī):寧波新芝生物科技有限公司;LG10-24A型高速離心機(jī):北京醫(yī)用離心機(jī)廠;加熱磁力攪拌器:IKA公司;ZOB420L型真空充氣包裝機(jī):上海人民儀表廠;S-FL-850-9-W型超高壓設(shè)備:STANSTED;Philip XL-3型掃描電子顯微鏡:日本日立公司;Bruker TENSOR27型紅外光譜儀(FT-IR)、BrukerD8型X-射線衍射儀:德國布魯克公司。

1.2 方法

1.2.1 制備B型微晶淀粉

B型微晶淀粉參照文獻(xiàn)[13]的方法制備。

1.2.2 制備V型直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物

V型,直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物參照文獻(xiàn)[14]的方法制備。

1.2.3 乙醇/水溶劑體系對V型直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物的影響

稱取上述淀粉復(fù)合物0.5 g,加入10 mL一定體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液,在室溫條件下攪拌1 h,處理結(jié)束后迅速離心分離,冷凍干燥,所得固體后續(xù)測試待用。

1.2.4 超高壓處理乙醇/水-V型淀粉懸浮液

稱取V-型淀粉0.5 g,加入10 mL一定體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液,得到5%(W/V)的V-型淀粉懸浮液,裝入聚丙烯薄膜袋中用真空充氣包裝機(jī)密封。經(jīng)過包裝的V-淀粉懸浮液搖勻后放入超高壓設(shè)備的壓力腔中, 分別在 100、200、300、400、500 MPa條件下處理10 min。對得到的超高壓樣品進(jìn)行離心分離,無水乙醇洗滌2~3次,冷凍干燥,后續(xù)測試待用。

1.2.5 X-射線衍射(XRD)測試

取樣品粉末置于長方形鋁片的孔中(孔大小為15 mm×20 mm,厚為 115 mm),隨后壓緊,用 BurkerD8型X射線衍射儀測定,用波長為0.154 2 nm的單色Cu-Kα射線。測試條件為:管壓3 kV,管流20 mA,掃描速度 4°/min,掃描區(qū)域 5~35°,采樣步寬0.02°,掃描方式為連續(xù),重復(fù)次數(shù)為1。

1.2.6 傅里葉紅外變換光譜(FT-IR)測試

稱取約2 mg樣品,研細(xì),加入150 mg干燥KBr,混合均勻并研細(xì)、壓片,壓片厚約0.5 mm,隨后將該薄片進(jìn)行紅外掃描。測試條件:掃描波數(shù)范圍 4 000~400 cm-1,分辨率 4 cm-1,采用 DTGS 檢測器,以空氣為空白,掃描32次后取平均值得到樣品的紅外光譜圖。

1.2.7 掃描電子顯微鏡(SEM)測試

利用噴涂儀對樣品進(jìn)行鍍金處理,在操作電壓為20 kV時,使用掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品觀察拍照。

1.2.8 熱重分析(TG)

取試樣約3 mg置于陶瓷試樣皿中,將樣品盤壓緊密封,測試條件:升溫速率為10℃/min,掃描范圍30~600℃。

1.2.9 相對結(jié)晶度的計算

相對結(jié)晶度的計算根據(jù)Nara等[15]的方法。

1.2.10 軟件及數(shù)據(jù)處理方法

利用Origin6.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得出XRD的衍射峰圖譜以及相對應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度、相對峰面積;采用SPSS17.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對復(fù)合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

將淀粉復(fù)合物分別分散在10%、20%、30%、40%、50%的乙醇溶液中,控制體系溫度為25℃,攪拌1 h,離心分離,冷凍干燥,所得樣品進(jìn)行X-射線衍射測試和圖譜分析,結(jié)果如圖1所示。

圖1 乙醇/水混合溶劑處理前后復(fù)合物的X-射線衍射圖譜Fig.1 The XRD patterns of pre-and post-treated starch complexes by ethanol-water solvent

由圖1可知,經(jīng)10%和20%乙醇溶液處理后,樣品的特征峰完全消失,整個曲線呈彌散狀態(tài),由于淀粉具有一定的膨脹能力,水相在一定程度上進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部,造成其晶體結(jié)構(gòu)消失。隨著乙醇用量的增加,特征峰峰強(qiáng)度和尖銳程度逐漸增加,說明乙醇可以增強(qiáng)V-型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。經(jīng)30%乙醇溶液處理后,足量的乙醇能保護(hù)V-型結(jié)構(gòu),減少對其的破壞。復(fù)合物經(jīng)較高濃度乙醇溶液(40%和50%)處理后,樣品各衍射峰位置和形態(tài)均未發(fā)生變化。將圖1中各衍射峰曲線進(jìn)行分析處理,得出的各衍射峰強(qiáng)度、面積和樣品結(jié)晶度見表1。

表1 乙醇/水混合溶劑處理前后復(fù)合物的結(jié)晶度和相關(guān)衍射數(shù)據(jù)Table 1 The crystallinity and related diffraction data of pre-and post-treated starch complexes by ethanolwater solvent

表1顯示,經(jīng)10%和20%乙醇溶液處理的淀粉復(fù)合物衍射峰消失,結(jié)晶度較低,原因是大量水分子存在下,由于水合作用和結(jié)晶區(qū)域的膨脹,破壞了淀粉的單螺旋結(jié)構(gòu)。經(jīng)30%乙醇處理后,淀粉結(jié)晶度有所下降,但峰強(qiáng)度升高,這是由于部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)重排時,較多的水分進(jìn)入具有缺陷的結(jié)晶區(qū)域,形成A型或B型結(jié)構(gòu),使得衍射峰基線升高。而50%乙醇處理后樣品的結(jié)晶度稍有升高,水分子對復(fù)合物結(jié)構(gòu)的破壞減小,經(jīng)50%乙醇處理,當(dāng)懸浮液中存在大量乙醇時,部分乙醇可作為配體直接進(jìn)入直鏈淀粉螺旋腔中,從而出現(xiàn)復(fù)合物結(jié)晶度增高的現(xiàn)象。

2.2 高壓作用對V-型淀粉復(fù)合物結(jié)構(gòu)的影響

以40%的乙醇溶液為介質(zhì)[9],采用不同的高壓對其懸浮液進(jìn)行處理,結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知,當(dāng)壓力為100 MPa時,樣品仍具有V-型淀粉的特征峰,特征峰分別是7.6°、13.3°和20.6°,強(qiáng)度和尖銳程度均未發(fā)生變化;當(dāng)壓力達(dá)到200 MPa時,衍射峰強(qiáng)度減小,但仍存在V-型結(jié)構(gòu)的特征峰。壓力大于200 MPa時,樣品在X-射線衍射圖上已無明顯的峰值,即壓力高于200 MPa時,V-型復(fù)合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)完全被破壞,呈現(xiàn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu),這是由于隨著壓力的升高,淀粉分子內(nèi)和分子間氫鍵逐漸斷裂,造成了淀粉的糊化,當(dāng)壓力達(dá)到500 MPa時,可能會使樣品產(chǎn)生回生作用。由此可知壓力對V-型淀粉的影響較大,即V-型結(jié)構(gòu)耐壓性低。

圖2 不同高壓處理后V-型淀粉復(fù)合物的X-射線衍射圖Fig.2 The X-ray diffraction of V-type starch complexes under different pressure conditions

將圖2中各衍射峰曲線進(jìn)行處理,得出的各衍射峰強(qiáng)度、面積和樣品結(jié)晶度見表2。從表2可知,以40%乙醇為介質(zhì)采用不同壓力處理的V-型淀粉懸浮液時,樣品的結(jié)晶度呈減小趨勢。隨著壓力的增加,V-型淀粉的特征衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱直至消失,結(jié)晶度逐漸降低。說明樣品在經(jīng)過不同壓力作用后,V-型結(jié)構(gòu)逐漸被破壞,向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變。

表2 不同高壓處理V-型復(fù)合物的X-射線衍射圖譜數(shù)據(jù)Table 2 The X-ray diffraction data of V-type complexes under different pressure conditions

2.3 掃描電子顯微鏡分析

以40%乙醇為介質(zhì),不同高壓條件下,V-型淀粉懸浮液處理10 min后樣品的掃描電子顯微鏡圖如圖3所示。

馬鈴薯原淀粉表面光滑,呈橢球狀、球狀和卵圓狀。V-型淀粉呈圓餅狀,中間向內(nèi)凹陷,表面光滑且無粘連。采用100 MPa的壓力處理10 min,與處理前相比,淀粉表面無明顯變化,呈圓餅狀且表面光滑,個別有破碎現(xiàn)象,說明40%的乙醇能保護(hù)V-型淀粉不受強(qiáng)壓力的影響。200 MPa處理后,可以看出樣品仍大致呈現(xiàn)圓餅狀,外觀粗糙。壓力繼續(xù)升高至500 MPa后,V-型復(fù)合物的圓餅狀形態(tài)逐漸消失,呈現(xiàn)無規(guī)則狀,顆粒破碎并融合。說明V-型復(fù)合物在300 MPa以上的壓力處理后,顆粒破碎,基本顆粒形貌已經(jīng)消失,高壓導(dǎo)致V-型淀粉內(nèi)氫鍵斷裂,一定程度使淀粉發(fā)生糊化作用。

圖3 不同條件下V-型淀粉的掃描電子顯微鏡圖Fig.3 The SEM photos of V-type starch under different pressure conditions

2.4 傅里葉紅外變換光譜分析

不同高壓處理后V-型淀粉的紅外光譜見圖4,對其的解析結(jié)果見表3。含40%乙醇的V-型淀粉經(jīng)不同壓力處理后,在3 310 cm-1附近出現(xiàn)較強(qiáng)的衍射峰,此峰為淀粉葡萄糖殘基中羥基的特征吸收峰,由表3可知,衍射峰位置和強(qiáng)度均未發(fā)生明顯變化。2 900 cm-1附近是亞甲基的特征衍射峰。淀粉醛基振動峰的吸收峰在1 600 cm-1附近。1 000~1 400 cm-1處的吸收峰為C—O—C鍵的伸縮振動峰。可以看出,壓力不斷增加,以上特征衍射峰的強(qiáng)度和位置并沒有發(fā)生明顯變化。原因是超高壓處理屬于物理過程,在整個物理過程中V-型淀粉不升溫,也不發(fā)生化學(xué)變化,因此高壓對淀粉基團(tuán)并沒有影響。

圖4 不同高壓處理后V-型淀粉的紅外光譜圖Fig.4 The IR profiles of V-type starch under different pressure conditions

2.5 熱重分析

圖5是V-型淀粉在不同條件下的TG和DTG曲線,表4是圖5對應(yīng)的熱降解數(shù)值匯總。從表4可以看出,高壓處理過的淀粉樣品與原V-型的外延起始、終止溫度以及最大分解速率時的溫度分別在297、307、325℃左右,而B型微晶相對較低,說明壓力對淀粉樣品的熱穩(wěn)定性沒有顯著影響,盡管在這個過程中,V-型結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變化。

淀粉的分解過程有3個階段:第1個階段是自由水分的蒸發(fā);第2個階段是樣品快速分解;第3階段是樣品完全分解。從TG圖可知,當(dāng)溫度達(dá)到100℃左右,B型微晶淀粉的質(zhì)量損失最大,V-型淀粉的質(zhì)量損失最小,而不同高壓作用后淀粉樣品的損失居中。由于高壓破壞了V-型淀粉分子間或分子內(nèi)的氫鍵,自由水含量增多,因此高壓處理后淀粉樣品的失重大于V-型淀粉。當(dāng)溫度達(dá)到300℃左右,DTG圖顯示,V-型淀粉和不同高壓作用后的淀粉樣品均在307℃左右達(dá)到峰值,此時的分解速率達(dá)到最大,這個階段主要涉及淀粉及其他物質(zhì)的分解。相對來說,B型淀粉的峰值溫度較低,說明V-型結(jié)構(gòu)可以提高淀粉的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

V-型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的水相穩(wěn)定性較差,采用不同濃度的乙醇溶液為介質(zhì),研究常壓和高壓對V-型淀粉復(fù)合物結(jié)構(gòu)的影響。研究表明:10%乙醇和20%乙醇處理V-型淀粉后,破壞了V-型淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu);當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%以上時,能夠顯著改善V-型淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu),同時部分結(jié)構(gòu)重排,水分進(jìn)入結(jié)晶區(qū)域形成雙螺旋結(jié)構(gòu),從XRD圖譜中看出彌散衍射增強(qiáng)。

表3 不同壓力條件下紅外光譜圖解析結(jié)果Table 3 Analysis of IR profiles of V-type starch under different pressure conditions

圖5 不同壓力下淀粉的TG(A)和DTG(B)圖Fig.5 TGA and DTG plot of starch under different pressure conditions in an atmosphere of flowing dry nitrogen

表4 不同條件下淀粉樣品的熱降解數(shù)據(jù)Table 4 Thermal degradation data of starch samples under different pressure conditions

以40%乙醇為介質(zhì),超高壓處理V-型淀粉懸浮液后,100 MPa處理并不影響淀粉的結(jié)構(gòu),200 MPa及以上壓力處理后,淀粉復(fù)合物樣品的結(jié)晶結(jié)構(gòu)逐漸由V-型向無定性轉(zhuǎn)變。高壓處理后淀粉樣品的顆粒外貌發(fā)生顯著變化,隨著壓力的增加,顆粒表面由光滑逐漸變得粗糙,體積膨脹并逐漸破碎。紅外圖譜顯示壓力對淀粉的分子基團(tuán)無影響,盡管高壓作用于V-型淀粉后結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,但壓力對其熱穩(wěn)定性的影響不顯著。

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INFLUENCE OF ULTRA-HIGH PRESSURE ON THE CRYSTAL STRUCTURE STABILITY OF AMYLOSE-N-OCTANOL COMPLEX

LIANG Xiawei1,SHI Miaomiao1,YAN Yizhe1,PAN Huihui1,LIU Yanqi1,LIN Hai2
(1.School of Food Biological Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou450002,China;2.College of Food Engineering,Hebi Polytechnic,Hebi458000,China)

Ultra-high pressure is a new type of non-thermal processing technology,which can make starch gelatinizated at room temperature or low temperature,the crystallization structure and thermodynamic properties changed,the pasting properties and other purposes improved.Amylose-n-Octanol complex suspensions of 40%ethanol concentration were treated by high pressure under 100 to 500 MPa for 10 min.The afforded samples were analyzed by X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM),infra-red spectroscopy(FT-IR)and thermal gravimetric analysis (TG).The results showed that V-type starch was stable in 40%ethanol solution under atmospheric pressure,and the crystal structure and diffraction peaks were unchanged.The crystallinity and particle size of the complexes were not significantly changed under the pressure of 100 MPa,while the starch samples were changed from V-type to amorphous state under the pressure of 200 MPa and higher.The surface of the particles gradually became rough and starch granule was broken finally with the pressure increasing.FTIR results showed that the pressure had no significant influence on groups of the starch.Although the V-type was transformed into amorphous state,the pressure had no significant effect on the thermal stability of starch.

ultra-high pressure;V-type starch;X-ray diffraction;scanning electron microscope

TS 201.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

1673-2383(2017)05-0057-06

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20171030.0936.022.html

網(wǎng)絡(luò)出版時間:2017-10-30 9:36:37

2017-03-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21376228);河南省科技廳基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(162300410141)

梁夏維(1990—),女,河南平頂山人,碩士研究生,研究方向?yàn)樘烊痪酆衔锔男约皯?yīng)用。

*通信作者

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