楊俊美，馬曉軍

（江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

多孔淀粉是由淀粉經(jīng)酶解或其他方式在其顆料表面及內(nèi)部形成蜂窩狀孔洞的中空淀粉顆粒[1]，研究開發(fā)多孔淀粉主要是用來吸附[2]和包埋物質(zhì)[3]。為了改善包埋和吸附性能，甚至開發(fā)特異性吸附的多孔淀粉[4]，需要在多孔淀粉上引入其他基團(tuán)來達(dá)到效果。醋酸酯化是淀粉改性中常用的方法[5]，但多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多孔淀粉與一般淀粉相比，酯化反應(yīng)難得多，取代度很低。這可能是因?yàn)樵谥苽涠嗫椎矸蹠r，利用淀粉酶的水解成孔主要發(fā)生在淀粉顆粒的無定形區(qū)，從而減少了淀粉顆粒上能發(fā)生酯化反應(yīng)的位點(diǎn)。針對這個問題，通過對多種手段的探索，發(fā)現(xiàn)利用超聲波處理是一種有效的解決途徑。本實(shí)驗(yàn)研究了超聲處理[6]對制備醋酸酯多孔淀粉的影響，以及對醋酸酯多孔淀粉吸油率的影響；并運(yùn)用了紅外光譜儀、掃描電鏡、X-射線衍射等研究手段對超聲酯化多孔淀粉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

玉米淀粉：山東恒仁工貿(mào)有限公司；大豆油：金龍魚大豆油；糖化酶（酶活100 000 U/g）：阿拉?。沪?淀粉酶（酶活 4 600 U/g）：麥考林；檸檬酸、乙酸酐、磷酸氫二鈉、氫氧化鈉、鹽酸等均為分析純試劑：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

DKZ-450B型電熱恒溫振蕩水槽：上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；721E型可見分光光度計(jì)：上海第三分析儀器廠；循環(huán)水式多用真空泵SHZ-IIIB：臨海市譚氏真空設(shè)備有限公司；750T型西廚多功能粉碎機(jī)：鉑歐五金廠；JY92-IIN超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)：寧波新芝生物科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 醋酸酯多孔淀粉的制備 參考Philips等[7]制備醋酸酯淀粉的方法，進(jìn)行一定的改良來制備醋酸酯多孔淀粉。稱取一定量的多孔淀粉[8]置于50 mL的錐形瓶中，加入一定比例的去離子水，用3%的NaOH調(diào)pH至一定值，將一定濃度的醋酸和醋酸酐勻速滴入淀粉乳中，然后放在一定條件下的超聲波反應(yīng)器中反應(yīng)。反應(yīng)完成后用0.5 mol/L的鹽酸中和至pH 6.5，過濾，去離子水洗滌3次，50℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥、粉碎，得到醋酸酯多孔淀粉。

1.2.2 醋酸酯多孔淀粉取代度的測定 醋酸酯的取代度（DS）可以用酯化產(chǎn)物中的酯基（-COCH3）含量來表示。采用滴定法測定酯化產(chǎn)物中的酯基（-COCH3）的含量[9]。稱取2.0 g的醋酸酯多孔淀粉加入250 mL的錐形瓶中，然后量取40 mL的去離子水加入錐形瓶中，最后加入3滴1%酚酞指示劑，混勻攪拌30 min，然后用0.05 mol/L的NaOH溶液滴定至呈微紅色，加入10 mL 0.5 mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液，在磁力攪拌器上振蕩60 min進(jìn)行皂化反應(yīng)。皂化反應(yīng)結(jié)束后，用0.5 mol/L左右的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定過量的堿至紅色消失且30 s內(nèi)不變色，消耗HCl的體積記為V1。用多孔淀粉做空白實(shí)驗(yàn)，采用以上相同的步驟進(jìn)行測定，消耗0.5 mol/L的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積記為V0，每個樣品進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)[10]。

式中：V1為醋酸酯多孔淀粉消耗HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，V0為多孔淀粉消耗HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，N為HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度，43為?；哪栙|(zhì)量，A為乙?；浚珼S為脫水糖環(huán)中-OH被-COCH3取代的數(shù)目即取代度。

1.2.3 醋酸酯多孔淀粉吸油率的測定 稱取2.0 g左右的樣品置于50 mlL燒杯中，加入色拉油10mL，使用磁力攪拌器攪拌30 min，讓色拉油充分吸收，然后將淀粉放置于砂芯漏斗中真空抽濾直到無油滴滴下為止，按照式（1）計(jì)算吸油率A，進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)[11]。

式中：W為抽濾前砂芯漏斗的質(zhì)量，W0為抽濾后砂芯漏斗的質(zhì)量。

1.2.4 超聲處理 1）超聲功率對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響。稱取一定量的多孔淀粉，加入一定比例的去離子水，將淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)為20%，加入淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的醋酸酐和醋酸的混合液（醋酸∶醋酸酐體積比=1∶3），用 3%的 NaOH 調(diào)節(jié)pH至8.0，然后將淀粉乳溶液放置到超聲粉碎機(jī)中， 分別調(diào)節(jié)超聲功率為 0，100，200，300，400 和500 W，溫度為30℃，反應(yīng)時間為120 min。反應(yīng)完成后，按1.2.2和1.2.3節(jié)的方法分別測不同超聲功率下醋酸酯多孔淀粉的取代度和吸油率。

2）超聲反應(yīng)時間對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響。稱取一定量的淀粉，加入一定比例的去離子水，將淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)為20%，加入淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的醋酸酐和醋酸的混合液（醋酸與醋酸酐體積比=1∶3），用3%的NaOH調(diào)節(jié)pH至 8.0，然后將淀粉乳溶液放置到超聲粉碎機(jī)中，設(shè)置超聲功率為200 W，溫度為30℃，分別調(diào)節(jié)超聲時間為60，90，120，150 和 180 min。反應(yīng)完成后，按 1.2.2 和1.2.3節(jié)的方法分別測不同超聲功率下醋酸酯多孔淀粉的取代度和吸油率。

1.2.5 醋酸酯多孔淀粉紅外光譜分析 稱量少量樣品，加入KBr細(xì)粉末，然后進(jìn)行研磨，取少量研磨后的粉末干燥一定時間后進(jìn)行壓片，將制得的透明玻片采用紅外線光譜儀進(jìn)行掃描，掃描范圍為400～4 000 cm-1，然后根據(jù)掃描出的紅外光譜圖對樣品進(jìn)行分析。

1.2.6 醋酸酯多孔淀粉的掃描電鏡觀察 使用掃描電子顯微鏡來觀察不同多孔淀粉的形貌。在真空條件下將樣品用四氧化鋨氣體固定，然后沾取少量的待測樣品均勻涂抹在導(dǎo)電的雙面膠布上，將其放置于離子濺射儀中進(jìn)行鍍金處理20 min，然后取出樣品置于掃描電鏡下進(jìn)行觀察，電子槍加速電壓為5.0 kV[12]。

1.2.7 醋酸酯多孔淀粉X衍射分析 將樣品進(jìn)行粉碎后用X-射線衍射儀進(jìn)行結(jié)晶性能的測定，X-射線衍射測定條件為特征射線CuKα，測定管壓為40 kV，電流 20 mA，測定區(qū)域（2θ）為 5.00～70.00°，步寬 0.02°，掃描速度 10 （°）/min。 用 JADE 6.0 軟件進(jìn)行分析和計(jì)算相對結(jié)晶度[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲功率對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響

在不同的超聲功率下，探究超聲功率對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 超聲功率對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響Fig.1 Effecton ultrasonicpoweron DS and oil absorption ratio

由圖1可以看出，隨著超聲功率的增加取代度先增大后減小，在200 W時，取代度達(dá)到最大值，為0.055 9。這是因?yàn)殡S著超聲功率的增加，超聲對淀粉的作用增強(qiáng)，由于超聲處理之后淀粉表面的結(jié)晶結(jié)構(gòu)變得松散，結(jié)晶度下降，使醋酸和醋酸酐分子能滲透到淀粉顆粒內(nèi)部，使得反應(yīng)的取代度增加，隨著超聲功率的增加，淀粉與反應(yīng)物的接觸面變大，使得反應(yīng)的程度變大[14]，但當(dāng)超聲功率繼續(xù)增大，酯化反應(yīng)易發(fā)生副反應(yīng)[15]，取代度在達(dá)到最大值后下降。從圖1還可以看出，隨著超聲功率的不斷增大，醋酸酯多孔淀粉的吸油率也是先上升后下降，這和取代度的變化高度一致，說明接入乙酰基基團(tuán)能顯著提高多孔淀粉的吸油率。

2.2 超聲反應(yīng)時間對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響

在不同的超聲反應(yīng)時間下，探究超聲反應(yīng)時間對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 超聲反應(yīng)時間對醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影響Fig.2 Effect on ultrasonic respose time on DS and oil absorption ratio

由圖2可以看出，隨著超聲時間的增加取代度先增大后減小，在150 min時，取代度達(dá)到最大值。這是因?yàn)殡S著超聲時間的增加，超聲對淀粉的作用增加，由于超聲處理之后淀粉表面的結(jié)晶結(jié)構(gòu)變得松散，結(jié)晶度下降，使醋酸和醋酸酐分子能滲透到淀粉顆粒內(nèi)部，使得反應(yīng)的取代度增加，隨著超聲時間的增加，淀粉與反應(yīng)物的接觸面變大，使得反應(yīng)的程度變大[16]，但當(dāng)超聲時間繼續(xù)增大，酯化反應(yīng)易發(fā)生副反應(yīng)[17]，取代度在達(dá)到最大值后下降。從圖2還可以看出，隨著超聲時間的增加，多孔淀粉的吸油率也是先上升后下降。這和取代度的趨勢基本一致。這也是因?yàn)殡S著取代度的增加，淀粉的乙?；鶊F(tuán)-COCH3在不斷的增加，這使得淀粉的吸油率也不斷地增加，兩者變化規(guī)律一致。

2.3 淀粉顆粒的紅外光譜分析

由圖3可以看出，多孔淀粉的光譜圖上在3 410 cm-1處出現(xiàn)-OH振動形成的吸收峰，1 646 cm-1處出現(xiàn)淀粉所吸收的水分子的兩個-OH剪切所形成的吸收峰，在2 934 cm-1處出現(xiàn)C-H振動拉伸形成的特征峰。通過酯化反應(yīng)后，在1 733，1 371和1 238 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰，這是醋酸酯的特征吸收峰[18]。這些吸收峰說明了淀粉確實(shí)進(jìn)行了醋酸酯化反應(yīng)[13]。

圖3 多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉（DS=0.055 9）的紅外光譜圖Fig.3 SEM of porous starch and acetate porous starch

2.4 淀粉顆粒的掃描電鏡圖

用SEM觀察多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉的形貌，結(jié)果如圖4所示。

圖4 多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉（DS=0.055 9）的SEM圖Fig.4 SEM of porous starch and acetate porous starch

由圖4（a）可以看出，多孔淀粉表面有很多大小不一的孔向顆粒內(nèi)部延伸，形成蜂窩狀的中孔顆粒[19]。由圖4（b）可以看出醋酸酯化后的多孔淀粉依然保持了多孔淀粉的基本形貌，但是顆粒表面變得粗糙。說明在此超聲條件下超聲酯化反應(yīng)未破壞多孔淀粉原有的蜂窩狀孔洞。

2.5 淀粉顆粒的X衍射分析

由圖5可以看出，多孔淀粉在15.3，17.2和23°均有較強(qiáng)的衍射峰，說明玉米多孔淀粉呈A型結(jié)構(gòu)[20]。酯化后的多孔淀粉仍然呈A型結(jié)構(gòu)，說明酯化反應(yīng)未改變淀粉的晶型結(jié)構(gòu)[21]。但通過計(jì)算，多孔淀粉的相對結(jié)晶度從19.37%變?yōu)?6.25%，下降了16.10%，這是因?yàn)槌暡ㄌ幚?，使淀粉的結(jié)構(gòu)變得松散，淀粉的結(jié)晶區(qū)被破壞，所以醋酸酯多孔淀粉和多孔淀粉相比，相對結(jié)晶度減小。

圖5 多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉（DS=0.055 9）的X衍射圖Fig.5 XRD of porous starch and acetate porous starch

3 結(jié) 語

超聲波輔助處理對多孔淀粉的醋酸酯化反應(yīng)作用明顯，在超聲功率為200 W，超聲時間為150 min時取代度和吸油率能分別達(dá)到0.055 9和89.1%，跟未經(jīng)過超聲的醋酸酯化多孔淀粉相比，取代度提高了64.4%，吸油率提高了13.9%，在超聲功率為200 W，超聲時間為150 min條件下酯化后多孔淀粉的蜂窩狀孔洞未被破壞，相對結(jié)晶度與多孔淀粉相比，下降16.1%。