孫 錦,劉 芳,何會(huì)泉,覃 娟,高鳳苑,寇宗亮,藍(lán) 平,廖安平

(廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西多糖材料與改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,廣西高?；瘜W(xué)與生物轉(zhuǎn)化過(guò)程新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530006)

納米淀粉作為淀粉的一種衍生物,尺寸分布在1～1000 nm。近年來(lái),納米淀粉逐漸成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[1]。納米淀粉主要包括淀粉納米晶和淀粉納米顆粒。淀粉納米晶是淀粉無(wú)定形區(qū)經(jīng)酸水解后剩余的對(duì)酸有抗性的納米片層結(jié)晶部分,結(jié)構(gòu)致密,可以作為熱塑性淀粉、殼聚糖、大豆蛋白等納米復(fù)合材料的理想增強(qiáng)填料[2]。淀粉納米顆粒通過(guò)機(jī)械或化學(xué)方法處理而得,在生物醫(yī)藥[3-4]、食品[5]、化工、造紙、化妝品等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。目前制備淀粉納米顆粒的方法主要有機(jī)械研磨法[6]、超聲波法[7-8]、沉淀法[9-11]、微乳液法[12]、堿冷凍法[13-14]、酶解回生法[15-16]、高壓均質(zhì)法[17]等。機(jī)械法對(duì)環(huán)境友好,得率高,但能耗較高。沉淀法制備的淀粉納米顆粒形貌規(guī)整,尺寸可控,但需要大量的有機(jī)溶劑作沉淀劑,且產(chǎn)率極低。微乳液法和細(xì)乳液法需要大量的乳化劑,成本較高。堿冷凍法制備淀粉納米顆粒是基于2007年張俐娜院士提出的“綠色溶劑溶解纖維素”理論的基礎(chǔ)上逐步興起的一種方法,符合“綠色化學(xué)”的理念,但周期較長(zhǎng)。高壓均質(zhì)法制備淀粉納米顆粒對(duì)設(shè)備要求高,能耗高。綜上所述,以上幾種制備淀粉納米顆粒的方法存在成本高、反應(yīng)條件苛刻、能耗高、周期長(zhǎng)等不足之處。

近年來(lái),微波超聲波聯(lián)用技術(shù)在納米材料領(lǐng)域顯示出較大的發(fā)展?jié)摿?Zhang等[18]采用微波超聲波聯(lián)用技術(shù)制備了不同尺寸和形貌的BiVO4納米晶體。Li[19]采用微波超聲波聯(lián)用法合成了一系列尺寸和形貌可控的納米ZnO,但目前采用微波超聲波聯(lián)用技術(shù)制備淀粉納米顆粒還未見(jiàn)報(bào)道。由于微波可以使沉淀相在瞬間萌發(fā)成核,使制備的顆粒粒徑更均勻,分散性更好,超聲波因其空化作用而產(chǎn)生高強(qiáng)度的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng),可以通過(guò)切斷支鏈淀粉分子內(nèi)的α-1,6-糖苷鍵,提高淀粉分子的分散性,降低淀粉的粘度,同時(shí)可以有效地防止團(tuán)聚而使納米顆粒在溶液中充分分散,從而提高生產(chǎn)效率。本研究以廣西特色資源木薯淀粉為原料,在微波超聲波輔助下,沉淀法制備木薯淀粉納米顆粒,采用動(dòng)態(tài)光散射儀(DLS)、傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)、掃描電鏡(SEM)、X-射線(xiàn)衍射儀(XRD)等現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù),對(duì)淀粉納米顆粒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列表征,并進(jìn)一步對(duì)比研究了木薯原淀粉和木薯淀粉納米顆粒的溶解度、溶脹度、吸水率、吸油率和分散特性,以期為淀粉納米顆粒在食品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 材料與儀器

1.1 材料與儀器

木薯淀粉 廣西武鳴安寧淀粉有限公司;無(wú)水乙醇 分析純,成都市科隆化學(xué)品有限公司。

DF-101集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;冷凍干燥機(jī) 埃朗科技國(guó)際貿(mào)易有限公司;H1850R臺(tái)式高速冷凍離心機(jī) 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)儀器開(kāi)發(fā)有限公司;微波-紫外-超聲波三位一體合成萃取反應(yīng)儀 上海新儀微波化學(xué)科技有限公司;KQ3200DB超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;BSA224S分析天平 賽貝利斯科學(xué)儀器有限公司;Malvern Nano ZS動(dòng)態(tài)光散射儀 英國(guó)馬爾文公司;DV3T流變儀 美國(guó)BROOKFEILD公司;MAGNA-1R550傅里葉變換紅外光譜儀 美國(guó)Thermo公司;SUPRA 55 Sapphire場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 德國(guó)卡爾蔡司公司;X’Pert PRO X-射線(xiàn)衍射儀(XRD) 荷蘭帕納科公司PANalytical。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 淀粉納米顆粒的制備 將一定濃度的淀粉乳于90 ℃水浴鍋中加熱1 h至糊化完全,然后用流水快速冷卻至室溫,置于合成萃取反應(yīng)儀中,在一定的微波超聲波功率下處理一定的時(shí)間以降低淀粉的粘度,將此低粘度的淀粉溶液以一定的速率逐滴加入到在微波超聲波作用中的乙醇中,得木薯淀粉納米顆粒懸浮液。將該懸浮液以8000 r/min離心5 min,棄上清液,醇洗多次以除去納米顆粒表面多余的水分,最后-50 ℃冷凍干燥至恒重,得木薯淀粉納米顆粒,置于干燥器中備用。

1.2.2 微波超聲波處理時(shí)間對(duì)木薯淀粉糊液粘度的影響 分別稱(chēng)取18 g和30 g木薯淀粉于600 mL去離子水中配成3%和5%的淀粉乳,90 ℃加熱1 h至糊化完全,用流水快速冷卻至室溫,在微波超聲波聯(lián)合作用下處理25 min,每隔5 min取樣一次,測(cè)定不同處理時(shí)間的木薯淀粉糊液的粘度變化。

1.2.3 粘度的測(cè)定 將不同處理時(shí)間的淀粉糊液置于燒杯中,冷卻至室溫后使用流變儀測(cè)定粘度。選用62號(hào)轉(zhuǎn)子,設(shè)置轉(zhuǎn)速為40 r/min。

1.2.4 制備條件對(duì)淀粉納米顆粒尺寸及多分散系數(shù)(PDI)的影響 考察淀粉乳濃度、料醇比(淀粉溶液與乙醇體積比)、淀粉溶液的滴加速率、微波超聲波處理功率、微波超聲波處理的時(shí)間、滴加淀粉溶液的過(guò)程中微波超聲波功率對(duì)淀粉納米顆粒尺寸及PDI的影響。設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)方案如下:

依次改變淀粉乳濃度分別為10、20、30、40、50 mg/mL,固定微波超聲波處理功率為24∶500 W∶W,微波超聲波處理時(shí)間為50 min,料醇比為1∶8,淀粉溶液的滴加速率為20 mL/min,滴加淀粉溶液過(guò)程中微波超聲波功率為24∶300 W∶W。

依次改變微波超聲波處理功率分別為0、24∶100、24∶300、24∶500、24∶700 W∶W,固定淀粉乳濃度為20 mg/mL,微波超聲波處理時(shí)間為50 min,料醇比為1∶8,淀粉溶液的滴加速率為20 mL/min,滴加淀粉溶液過(guò)程中微波超聲波功率為24∶300 W∶W。

依次改變微波超聲波處理時(shí)間分別為0、10、20、30、40、50、60、70 min,固定淀粉乳濃度為20 mg/mL,微波超聲波處理功率為24∶500 W∶W,料醇比為1∶8,淀粉溶液的滴加速率為20 mL/min,滴加淀粉溶液過(guò)程中微波超聲波功率為24∶300 W∶W。

依次改變料醇比分別為1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10,固定淀粉乳濃度為20 mg/mL,微波超聲波處理功率為24∶500 W∶W,微波超聲波處理時(shí)間為50 min,淀粉溶液的滴加速率為20 mL/min,滴加淀粉溶液過(guò)程中微波超聲波功率為24∶300 W∶W。

依次改變淀粉溶液的滴加速率分別為5、10、15、20、25、30 mL/min,固定淀粉乳濃度為20 mg/mL,微波超聲波處理功率為24∶500 W∶W,微波超聲波處理時(shí)間為50 min,料醇比為1∶8,滴加淀粉溶液過(guò)程中微波超聲波功率為24∶300 W∶W。

依次改變滴加淀粉溶液過(guò)程中微波超聲波功率分別為24∶100、24∶300、24∶500 W∶W,固定淀粉乳濃度為20 mg/mL,微波超聲波處理功率為24∶500 W∶W,微波超聲波處理時(shí)間為50 min,料醇比為1∶8,淀粉溶液的滴加速率為20 mL/min。

1.2.5 淀粉納米顆粒的粒徑及PDI測(cè)定 采用動(dòng)態(tài)光散射儀測(cè)定,具體方法如下:取50 mg離心洗滌后淀粉納米顆粒于50 mL超純水中,為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,超純水在使用之前過(guò)0.22 μm微孔濾膜以除灰塵[20]。超聲分散15 min后,取適量樣品加入比色皿中,設(shè)置好參數(shù),進(jìn)行測(cè)定。參數(shù):檢測(cè)器位置:173°,溫度:25 ℃,淀粉折射率:1.53,超純水折射率:1.33。

1.2.6 傅里葉紅外吸收光譜分析 取1～2 mg干燥的淀粉樣品,與50～100 mg干燥的KBr粉末混合,置于瑪瑙研缽中充分研磨,將研磨好的混合物粉末放入壓模中,在10 KPa的壓力下壓制成透明薄片,然后小心地將壓片取出,放入紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試,在4000～500 cm-1波長(zhǎng)范圍內(nèi),掃描。

1.2.7 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察 將導(dǎo)電膠粘在鋁片上,取適量樣品于導(dǎo)電膠上,用洗耳球吹去未粘住的粉末,然后在真空狀態(tài)噴金30 min,將噴金后的淀粉樣品用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察。

1.2.8 X-射線(xiàn)衍射分析 采用X-射線(xiàn)衍射分析儀測(cè)定。測(cè)定條件:Cu耙特征射線(xiàn)(λKα=1.54060 ?),電流40 mA,工作電壓40 kV,掃描速度8.000 °/min,步長(zhǎng)為0.026 °,掃描范圍:5～70 °,每步停留時(shí)間:20.4 s。通過(guò)軟件MDI Jade 5.0計(jì)算結(jié)晶度。

1.2.9 溶解度和溶脹度分析 準(zhǔn)確稱(chēng)取0.2 g淀粉樣品于10 mL蒸餾水中得2%的淀粉乳,將其置于55 ℃恒溫水浴中加熱攪拌30 min,冷卻至室溫,11000 r/min離心5 min,將上清液小心地倒入已稱(chēng)重的表面皿中,105 ℃干燥至恒重,記為A(g),離心管的沉淀物稱(chēng)重,記為P(g),計(jì)算樣品在水中的溶解性(S)和溶脹度(Q),淀粉樣品干基質(zhì)量記為W(g)。溶解度和溶脹度的計(jì)算公式如下。

1.2.10 吸水率分析 分別稱(chēng)取0.1 g絕干的原淀粉和淀粉納米顆粒,記為m樣品,放入稱(chēng)量瓶中,并稱(chēng)重記為m1放入底部有水的干燥器中,確保稱(chēng)量瓶不與水接觸,按一定的時(shí)間間隔稱(chēng)重,記為m2,對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的吸水速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,每組平行三次進(jìn)行測(cè)定。吸水率W的計(jì)算公式如下。

1.2.11 吸油率分析 稱(chēng)取0.2 g淀粉樣品記為M,置于10 mL離心管中記重W1,加入5 mL橄欖油,搖勻后靜置30 min,12000 r/min離心10 min,倒出上清油,將離心管置于水平15 °的角度放置15 min,稱(chēng)重記重量為W2,每組平行三次進(jìn)行測(cè)定。吸油率的計(jì)算公式如下。

1.2.12 分散性試驗(yàn) 分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的原淀粉和淀粉納米顆粒的水溶液,超聲一段時(shí)間分散均勻后,放入玻璃瓶中,24 h后觀察兩個(gè)溶液的變化情況并拍照記錄。

1.3 數(shù)據(jù)分析

每組試驗(yàn)進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn),采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波超聲波處理時(shí)間對(duì)木薯淀粉糊粘度的影響

為驗(yàn)證微波超聲波處理是否可以降低淀粉糊的粘度,為開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備?？疾炝宋⒉ǔ暡ㄌ幚頃r(shí)間對(duì)淀粉糊粘度的影響,結(jié)果如圖1所示。由圖可知,隨著微波超聲波作用時(shí)間的延長(zhǎng),木薯淀粉糊液的粘度不斷下降。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的淀粉糊液由最初的665 mPa·S降至10 mPa·s,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的淀粉糊液由最初的125 mPa·s降至4.75 mPa·s。這是由于淀粉糊的粘度是由糊液中大分子鏈相互纏繞,對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生較大的粘性阻力產(chǎn)生的。在超聲處理過(guò)程中,淀粉晶體結(jié)構(gòu)及分子內(nèi)氫鍵受到破壞,結(jié)構(gòu)變得松散,并伴有降解現(xiàn)象,使得分子纏結(jié)點(diǎn)減少,引起表觀粘度降低[21]。由此可以發(fā)現(xiàn)微波超聲波聯(lián)合處理木薯淀粉糊可以降低其粘度,在最初的5 min內(nèi),粘度下降得最快,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),粘度降低趨于平緩。

圖1 微波超聲波處理時(shí)間對(duì)木薯淀粉糊粘度的影響Fig.1 Effect of microwave ultrasonic treatment time on viscosity of cassava starch paste

2.2 制備條件對(duì)淀粉納米顆粒的尺寸及PDI的影響

2.2.1 淀粉乳濃度對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響 圖2是淀粉乳濃度對(duì)淀粉納米顆粒尺寸及PDI的影響。當(dāng)?shù)矸廴闈舛却笥诘扔?0 mg/mL時(shí),隨著淀粉乳濃度的增加,淀粉納米顆粒的尺寸也不斷增大,PDI也隨之增加,高濃度的淀粉乳形成的淀粉納米顆粒的尺寸大,分布不均一。分析原因可能有兩種,其一是因?yàn)榈矸廴芤旱恼扯入S淀粉乳濃度的增大而增加,高粘度的淀粉溶液帶來(lái)了較大的傳質(zhì)阻力,影響了淀粉溶液與乙醇之間的擴(kuò)散速度,增加了聚合物的作用時(shí)間,從而形成的納米顆粒尺寸較大。其二可能是濃度越高的淀粉溶液,單位體積的淀粉鏈越多,當(dāng)兩相混合后,原來(lái)由聚合物攜帶的淀粉鏈彼此更容易聚合纏繞從而形成較大的顆粒[22]。有研究表明當(dāng)兩相混合時(shí),大量的晶胚在兩相界面形成,然后聚合形成較大的納米顆粒[23]。當(dāng)?shù)矸廴闈舛葹?0 mg/mL時(shí),制備的木薯淀粉納米顆粒尺寸最小,分布最均一。因此本實(shí)驗(yàn)選取的淀粉乳為20 mg/mL。

圖2 淀粉乳濃度對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響Fig.2 Effect of starch milk concentration on nanoparticle size and polydispersity index

2.2.2 微波超聲波處理功率對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響 圖3是微波超聲波處理功率對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響。由圖可知,當(dāng)不采用微波超聲波處理淀粉糊時(shí),得到的淀粉納米顆粒尺寸明顯較大,其平均粒徑為255.65 nm,當(dāng)采用微波超聲波處理淀粉糊后,淀粉納米顆粒的尺寸明顯減小。這是因?yàn)槲⒉ǔ暡ㄌ幚淼矸廴芤嚎梢允沟矸鄯肿訑嗔?淀粉糊粘度降低,提高淀粉分子的分散性。低粘度的淀粉糊液在兩相間的傳質(zhì)阻力較小,有利于形成小尺寸的淀粉納米顆粒[24]。當(dāng)微波超聲波處理木薯淀粉糊的功率為24∶500 W∶W時(shí),淀粉納米顆粒的平均粒徑最小為58.3 nm,此時(shí)的多分散系數(shù)也最小為0.22。當(dāng)微波∶超聲波功率=24∶700 W∶W時(shí),淀粉納米顆粒的尺寸無(wú)明顯變化。為節(jié)省能耗,實(shí)驗(yàn)選取的微波超聲波處理功率為24∶500 W∶W。

圖3 微波超聲波處理功率對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響Fig.3 Effect of power ratio of microwave-ultrasonic power on nanoparticle size and polydispersity index

2.2.3 微波超聲波處理時(shí)間對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響 圖4是微波超聲波處理時(shí)間對(duì)淀粉納米顆粒的尺寸及PDI的影響。由圖可知,隨著微波超聲波處理木薯淀粉糊時(shí)間的不斷延長(zhǎng),淀粉納米顆粒的尺寸和多分散系數(shù)均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),同樣是由于微波超聲波處理強(qiáng)度增加,降低了淀粉糊液的粘度,導(dǎo)致小尺寸的淀粉納米顆粒生成。在處理時(shí)間為50 min時(shí),淀粉納米顆粒的平均粒徑為54.7 nm,此時(shí)的淀粉納米顆粒分布最均一。繼續(xù)延長(zhǎng)處理時(shí)間,淀粉納米顆粒的尺寸基本無(wú)變化,為節(jié)省反應(yīng)時(shí)間,實(shí)驗(yàn)選取的微波超聲波處理時(shí)間為50 min。

圖4 微波超聲波處理時(shí)間對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響Fig.4 Effect of microwave ultrasonic treatment time on nanoparticle size and polydispersity index

2.2.4 料醇比對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響 圖5是料醇比對(duì)淀粉納米顆粒的尺寸及PDI的影響。當(dāng)料醇比由1∶5增加到1∶8時(shí),淀粉納米顆粒的尺寸和PDI均呈逐漸減小的趨勢(shì),隨著料醇比的繼續(xù)增加,淀粉納米顆粒的尺寸和PDI基本無(wú)變化。料醇比對(duì)納米粒子的形成至關(guān)重要[25]。沉淀法制備的納米顆粒的形貌和尺寸不僅與淀粉的來(lái)源有關(guān),而且制備過(guò)程中使用的乙醇量對(duì)沉淀物形態(tài)和尺寸也影響較大,低料醇比不利于納米顆粒的形成[26]。在微波超聲波反應(yīng)輔助制備淀粉納米顆粒時(shí),淀粉溶液是逐滴加入到乙醇中,伴隨著淀粉溶液的加入,淀粉納米顆粒逐漸析出而形成沉淀,當(dāng)乙醇用量較少時(shí),淀粉溶液體系中尚有部分淀粉分子未參與醇沉過(guò)程而形成顆粒,已經(jīng)析出的淀粉納米顆粒存在于體系中,未參與醇沉過(guò)程中的淀粉分子可能會(huì)與析出的淀粉顆粒相互碰撞、團(tuán)聚形成比較大的淀粉顆粒。由圖5可知,當(dāng)料醇比由1∶5增加至1∶8時(shí),淀粉納米顆粒的尺寸由97.3 nm減小至58.3 nm,當(dāng)料醇比為1∶8時(shí),PDI最小,說(shuō)明此時(shí)的淀粉納米顆粒尺寸分布最均一,繼續(xù)增大料醇比時(shí),淀粉納米顆粒的尺寸基本不發(fā)生變化,為節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本,實(shí)驗(yàn)選取料醇比為1∶8。

圖5 料醇比對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響Fig.5 Effect of volume ratio of starch solution to absolute ethanol on nanoparticle size and polydispersity index

2.2.5 淀粉溶液的滴加速率對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響 圖6是淀粉溶液的滴加速率對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響?？梢钥闯?當(dāng)?shù)矸廴芤旱牡渭铀俾蕿? mL/min時(shí),淀粉納米顆粒的尺寸較大,這是因?yàn)榇藭r(shí)淀粉溶液和乙醇在單位時(shí)間混合的量較少,從晶體成核的角度講,形核位點(diǎn)較少,延長(zhǎng)了晶胚的生長(zhǎng)過(guò)程[27],因此形成的顆粒尺寸較大,隨著滴加速率的增加,當(dāng)?shù)渭铀俾蕿?0 mL/min時(shí),單位時(shí)間內(nèi)淀粉溶液和乙醇混合的量增加,成核數(shù)目增加,由于晶胚生長(zhǎng)的時(shí)間較短,故只有小尺寸的顆粒形成,但是繼續(xù)增加淀粉溶液的滴加速率,淀粉納米顆粒的尺寸有增加的趨勢(shì)。綜合考慮,本實(shí)驗(yàn)選取的淀粉溶液的滴加速率是20 mL/min。

圖6 淀粉溶液的滴加速率對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響Fig.6 Effect of dropping rate of starch solution on nanoparticle size and polydispersity index

2.2.6 滴加淀粉溶液過(guò)程中微波超聲波功率對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響 圖7是滴加淀粉溶液過(guò)程中微波超聲波功率對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響。由圖可知,當(dāng)功率之比為24∶300 W∶W時(shí),淀粉納米顆粒的尺寸最小,分布最均一,平均粒徑和多分散系數(shù)分別為58.3 nm和0.22。當(dāng)微波超聲波功率較強(qiáng)時(shí),淀粉納米顆粒的尺寸反而較大,這可能是由于溶液中超聲振蕩空穴作用促使粒子高速運(yùn)動(dòng),粒子碰撞頻率增加形成團(tuán)聚。這與Prozorov[28]的研究結(jié)果相一致。因此實(shí)驗(yàn)選取的滴加淀粉溶液過(guò)程中微波超聲波功率為24∶300 W∶W。

圖7 滴加淀粉溶液過(guò)程中微波超聲波功率對(duì)納米顆粒尺寸及PDI的影響Fig.7 Effect of microwave ultrasonic power on nanoparticle size and polydispersity index during starch dropping

2.3 木薯淀粉納米顆粒的表征

2.3.1 傅里葉變換紅外光譜儀分析 圖8是木薯原淀粉和木薯淀粉納米顆粒的傅里葉紅外光譜圖。如圖8所示,3600～3200 cm-1是葡萄糖單元的-OH伸縮振動(dòng)吸收峰[29],2930 cm-1處是C-H的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰,1650 cm-1處的吸收峰是淀粉分子內(nèi)水分子的吸收峰[30],820～1280 cm-1區(qū)域的吸收峰主要是由高度耦合的C-O和C-C伸縮振動(dòng)吸收峰引起[31]。由此可以看出,木薯淀粉納米顆粒和木薯原淀粉的結(jié)構(gòu)基本一致,說(shuō)明木薯淀粉在納米化過(guò)程中沒(méi)有生成新的化學(xué)基團(tuán),仍保持淀粉原有的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖8 木薯原淀粉和木薯淀粉納米顆粒的傅里葉紅外光譜圖Fig.8 Fourier infrared spectrogram of cassava native starch and cassava starch nanoparticles

2.3.2 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡表征 圖9是木薯原淀粉和最優(yōu)條件下制備的木薯淀粉納米顆粒的掃描電鏡圖。從圖中可以清晰地看到木薯原淀粉呈球體或半球體,表面光滑,無(wú)輪紋,粒徑分布在10～20 μm左右,而微波超聲波輔助制備的木薯淀粉納米顆粒球形形貌較好,顆粒尺寸明顯比原木薯淀粉小,表面有輪紋,同時(shí)由于干燥過(guò)程中的去溶劑化作用,顆粒之間有輕微的團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖9 木薯原淀粉(a)和最優(yōu)條件下制備的木薯淀粉納米顆粒(b)的掃描電子顯微鏡圖Fig.9 Scanning electron microscope of cassava native starch(a)and cassava starch nanoparticles under the condition of the optimal preparation(b)

2.3.3 X-射線(xiàn)衍射分析 圖10是原木薯淀粉和木薯淀粉納米顆粒的XRD圖譜,由圖譜分析可知,原淀粉的XRD在2θ為15.05、17.09、17.98、22.88 °處各出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的衍射峰,表明木薯原淀粉為A型淀粉晶體結(jié)構(gòu),而木薯淀粉納米顆粒只在衍射角2θ為 12.5°和19.5°處出現(xiàn)衍射峰,且峰強(qiáng)度明顯減弱。屬于V型淀粉晶體結(jié)構(gòu)。且淀粉納米顆粒的結(jié)晶度為16.23%,相對(duì)于木薯原淀粉31.67%有所降低。這表明木薯原淀粉在納米化的過(guò)程中產(chǎn)生了新的晶體結(jié)構(gòu),由于糊化作用,淀粉分子內(nèi)和分子間的氫鍵被破壞,致使淀粉螺旋結(jié)構(gòu)區(qū)域伸展,淀粉的晶體結(jié)構(gòu)也隨之被破壞,導(dǎo)致衍射峰消失。淀粉的重結(jié)晶過(guò)程比較復(fù)雜,結(jié)晶尺寸、支鏈淀粉的長(zhǎng)度和含量、雙螺旋相互作用以及雙螺旋結(jié)構(gòu)在結(jié)晶域中的取向等因素都會(huì)影響結(jié)晶度的差異[32]。木薯淀粉納米顆粒和木薯原淀粉的支鏈淀粉含量不同,淀粉的組成和性質(zhì)就不同,所以結(jié)晶度也不同。

圖10 木薯原淀粉和木薯淀粉納米顆粒XRD譜圖Fig.10 X-Ray diffraction of cassava native starch(a)and cassava starch nanoparticles(b)

2.4 溶解度和溶脹度分析

表1是55 ℃下木薯原淀粉和木薯淀粉納米顆粒的溶解度和溶脹度。由表可知,木薯原淀粉的溶解度很低,經(jīng)納米化后其溶解度和溶脹度都有明顯提高。這主要是因?yàn)榻?jīng)木薯原淀粉納米化處理后,氫鍵被破壞,淀粉納米顆粒的比表面積增大,淀粉納米顆粒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低,促進(jìn)了水分子和淀粉分子中游離羥基的結(jié)合,使其溶解度和溶脹度得到明顯提高。木薯淀粉納米顆粒的溶解度較好,在食品領(lǐng)域可用于勾芡粉類(lèi)的生產(chǎn)。

表1 木薯原淀粉和木薯淀粉納米顆粒的溶解度和溶脹度Table 1 The solubility of cassava native starch and cassava starch nanoparticles

2.5 吸水率測(cè)定結(jié)果

圖11是木薯原淀粉和木薯淀粉納米顆粒的吸水率。如圖所示,淀粉納米顆粒的吸水速率明顯大于原淀粉,原淀粉的吸水率由7.02%升高至21.92%,而納米淀粉的吸水率由7.6%升高至25.64%。這是因?yàn)榈矸奂{米顆粒的尺寸處于納米級(jí),比表面積大,與水分子的接觸面積大,同時(shí)由于超聲波的作用使得淀粉納米顆粒的表面粗糙不平[33],表面暴露出更多的羥基和氫鍵的親水性基團(tuán),故吸水能力增強(qiáng)。

圖11 木薯原淀粉和木薯淀粉納米顆粒的吸水率Fig.11 Water absorption of cassava native starch and cassava starch nanoparticles

2.6 吸油率測(cè)定結(jié)果

表2是木薯原淀粉和木薯淀粉納米顆粒的吸油率,由表可知,與木薯原淀粉相比,木薯淀粉納米顆粒的吸油能力有了很大提升,這是因?yàn)榈矸奂{米顆粒表面有輪紋,比表面積大大增加,其吸附能力除了表面吸附還有孔洞吸附,故吸油率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原淀粉。

表2 木薯原淀粉和木薯淀粉納米顆粒的吸油率Table 2 Oil absorption rate of cassava native starch and cassava starch nanoparticles

2.7 分散性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12是木薯原淀粉和木薯淀粉納米顆粒在水溶液中的分散狀態(tài)。A、B分別代表兩種溶液初始和靜置1 d的狀態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn),靜置1 d后,原淀粉完全沉降,形成明顯的固液兩相,而淀粉納米顆粒可以均勻穩(wěn)定地分散在水溶液中,不發(fā)生沉降現(xiàn)象。這是因?yàn)槟臼碓矸凼且环N多羥基聚合物,分子內(nèi)和分子間存在很強(qiáng)的氫鍵,顆粒粒徑較大,不溶于冷水。而淀粉納米顆粒分子內(nèi)和分子間的氫鍵被破壞,可以形成均一、穩(wěn)定的溶液。

圖12 木薯原淀粉(a)和木薯淀粉納米顆粒(b)在水溶液中的分散狀態(tài)Fig.12 Dispersion of cassava native starch(a) and cassava starch nanoparticles(b)in aqueous solution

3 結(jié)論

通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)考察了制備條件對(duì)木薯淀粉納米顆粒尺寸及PDI的影響,得到的制備木薯淀粉納米顆粒的最優(yōu)條件是淀粉乳濃度20 mg/mL,料醇比1∶8,微波超聲波處理功率為24∶500 W∶W,微波超聲波處理時(shí)間是50 min,淀粉溶液的滴加速率是20 mL/min,滴加淀粉溶液過(guò)程中微波超聲波功率為24∶300 W∶W。傅里葉紅外光譜顯示木薯淀粉納米顆粒沒(méi)有出現(xiàn)新的特征峰,掃描電鏡結(jié)果表明木薯淀粉納米顆粒球形形貌較好,表面不光滑。X-射線(xiàn)衍射結(jié)果表明淀粉納米顆粒的晶型由A型變?yōu)閂型,相對(duì)結(jié)晶度明顯降低。同時(shí),與木薯原淀粉相比,木薯淀粉納米顆粒的溶解度、溶脹度、吸水率、吸油率都有明顯提高,分散性實(shí)驗(yàn)表明木薯淀粉納米顆粒分散性較好?？捎糜谑称飞?、香料、調(diào)味料、維生素。油脂等產(chǎn)品中,應(yīng)用價(jià)值較高。傳統(tǒng)的沉淀法制備淀粉納米顆粒需要使用高度稀釋的淀粉溶液和大量的有機(jī)溶劑作為沉淀劑。本工作采用微波超聲波輔助沉淀法制備淀粉納米顆粒,較傳統(tǒng)的沉淀法相比具有成本低、得率高、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),大大減少了有機(jī)溶劑的使用,該法同樣適用于高濃度的淀粉溶液,符合“綠色化學(xué)”的理念。為淀粉納米顆粒的制備及在食品工業(yè)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了理論依據(jù),提高了木薯淀粉的附加值。