孫倩，馬云翔，李海燕，俞力月，茍麗娜，張盛貴

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

淀粉是一種天然的聚合高分子化合物，是自然界中第二大可重生碳水化合物.淀粉應(yīng)用的限制源于其低表面積[1]，為了克服這些不足，人們研究了各種變性淀粉，近年來多孔淀粉是備受關(guān)注的一類材料[2].多孔淀粉是一種由淀粉顆粒表面向中心延伸的具有豐富微孔(1 μm)的新型變性淀粉，淀粉的總體積約為微孔總體積的兩倍[3].多孔淀粉通過物理、化學(xué)和生物方法可以獲得，是一種經(jīng)濟(jì)且可生物降解的吸附劑[4]，廣泛用于食品，醫(yī)藥，農(nóng)業(yè)，紙漿和造紙等行業(yè)[5].介孔材料是由國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)定義的一類多孔材料，其孔徑在2～50 nm之間[6]，淀粉顆粒中有直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種聚合物鏈，由于其天然能力有所不同，組裝成一個含結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)且有組織的納米級片層結(jié)構(gòu)[7].由于其不同的表面功能，它們有許多應(yīng)用，如催化[8]，吸附[9]和醫(yī)藥[10]等.

陽離子淀粉可以作為吸附劑[11]和絮凝劑[12]，Deimante等人研究發(fā)現(xiàn)陽離子淀粉可吸附特定酚酸類物質(zhì)比如咖啡酸、綠原酸、迷迭香酸等[13]，Dovile等人研究發(fā)現(xiàn)陽離子淀粉在吸附綠原酸后抗氧化性高于不吸附綠原酸的陽離子淀粉[14].絮凝和吸附效果的改善取決于更高的取代度(DS).DS在0.2～0.9之間的陽離子淀粉作為絮凝劑和吸附劑更有利[12]，因此，具有高DS的陽離子淀粉越來越受到人們的關(guān)注.陽離子淀粉的通過醚化劑制備，常用的有2-羥丙基三甲基氯化銨(CHPTAC)和2-3環(huán)氧丙基三甲基氯化銨(GTAC)，但受反應(yīng)條件限制，CHPTAC只能用于合成季銨鹽含量低的陽離子淀粉(DS<0.1)，GTAC的應(yīng)用可以提高DS以及反應(yīng)效率[15].多孔淀粉增加了羥基的裸露，有利于底物間相互反應(yīng)，Chen等人以GTAC為陽離子化試劑多孔淀粉為原料，制備陽離子淀粉，掃描電鏡可觀察到孔洞良好[16].

有研究以酶法制的多孔淀粉為原料，陽離子化制備后用于控制即時出血的材料[16]，目前文獻(xiàn)中沒有關(guān)于溶劑交換法制備介孔淀粉后進(jìn)行陽離子交聯(lián)化的探究；同時大多制備得到的陽離子淀粉的應(yīng)用局限于其取代度和比表面積低且無孔.本實(shí)驗(yàn)以溶劑交換法制備的介孔淀粉為材料，通過交聯(lián)化提升其“骨架”的穩(wěn)定性[17]，進(jìn)一步對陽離子化，試圖制備一種具有較高取代度和吸附能力的材料，為變性淀粉的應(yīng)用提供新的路徑.

1 材料與方法

1.1 材料

馬鈴薯淀粉(BR；購于上海源葉生物科技有限公司)，乙醇(純度99%)、2-3環(huán)氧丙基三甲基氯化銨(GTAC)、NaOH、環(huán)氧氯丙烷(EPI)、其他試劑和溶劑均為分析級，試驗(yàn)用水均為蒸餾水.

1.2 儀器設(shè)備

電子天平(AE5003 AE11003，湘儀天平儀器設(shè)備有限公司)；pH計(jì)(pHSJ-4A 0.000～14.000 pH，上海子期實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；微波消解儀(YMW微波消解儀，長沙永樂康儀器設(shè)備有限公司);凱式定氮儀(ATN-l00，上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司)；掃描電子顯微鏡(JSM-6701F，日本)；全自動靜態(tài)化學(xué)吸附儀(ASAP 2020 plus；美國)；冷凍離心機(jī)(H-1850R，長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司)傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR920，天津市拓普儀器有限公司)；熱重分析儀(TGA55，美國TA)；X射線衍射分析儀(D/max IIIAX)；激光粒度分布儀(Bettersize2600，中國)；差示掃描量熱儀(HSC-1，北京恒久實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司).

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 交聯(lián)陽離子淀粉的制備 參照Clark的方法并略作修改[18].將5 g馬鈴薯淀粉添加到150 mL蒸餾水中，并將混合物在40 ℃下連續(xù)攪拌40 min,加熱到90 ℃，持續(xù)攪拌并保持60 min以完全糊化淀粉.然后在4 ℃儲存48 h以獲得淀粉凝膠.以無水乙醇浸入凝膠切塊(約0.5～1 cm3)3次，每次浸泡約1.5 h，完成后在50 ℃下干燥8 h，獲得介孔淀粉白色固體研磨以備下一步試驗(yàn)用.

參照Kavaliauskaite的方法并作修改[19].介孔淀粉懸浮在水中以獲得濃度為15 %的漿液，加入環(huán)氧氯丙烷(EPI)并調(diào)節(jié)其pH值達(dá)到11，45 ℃下連續(xù)攪拌進(jìn)行交聯(lián)，反應(yīng)24 h后取出，50 ℃下干燥8 h后，用于陽離子化.

參照Deimante的方法并做修改[13]，加入0.25～1.25 g GTAC和0.1～0.5 g NaOH到3 g交聯(lián)淀粉的水溶液并充分混合，45 ℃下均勻化并保持反應(yīng)24 h，用異丙醇洗滌陽離子淀粉5次，50 ℃下干燥.最終得到交聯(lián)陽離子淀粉(CCS).

1.3.2 取代度(DS)的測定 丙酮進(jìn)行索氏提取(CCS)20 h，凱氏定氮法測定陽離子淀粉中的氮含量：

式中，N為凱氏定氮測得的氮含量，%；162為脫水葡萄糖苷單元的分子質(zhì)量(AGU)，151.5為GTAC的分子量.

1.3.3 掃描電子顯微鏡(SEM)形態(tài)學(xué)研究 掃描電壓顯微鏡在15 kV的加速電壓下觀察樣品表面的形貌.用金濺射涂覆微球4 h后進(jìn)行觀察試驗(yàn).

1.3.4 氮?dú)馕?脫附分析 在80 ℃下進(jìn)行真空加熱預(yù)處理之后，在氮?dú)鉁囟认逻M(jìn)行吸附，用于分析樣品的比表面積和孔徑.

1.3.5 傅立葉變換紅外(FTIR)光譜測定 FT-IR光譜技術(shù)用于分析樣品粉末的化學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中使用FTIR-KBr純化合物在20 MPa下壓制5 min以獲得使用FTIR研究的片劑，掃描范圍500～4 000 cm-1.

1.3.6 液態(tài)核磁(1HNMR)測定 參考Cai的方法[20]用Bruker DRX-500 型譜儀在500.13 MHz下測定，溫度為(25±0.5)℃.將20 mg /mL的濃度的樣品溶解在D2O溶液中，于5 mm直徑管中進(jìn)行光譜測量.

1.3.7 差示掃描量熱(DSC)測定 稱量樣品粉末(約2.0 mg)并密封在鋁DSC盤中.以20 ℃/ min的加熱速率從20 ℃至100 ℃進(jìn)行DSC掃描，以相同空白鋁盤坩堝作為參考.

1.3.8 熱穩(wěn)定性(TG)分析 在高純氮氛圍條件下測試，進(jìn)樣質(zhì)量(約6.0 mg)，升溫范圍為 20～600 ℃，升溫速率為25 ℃/min，氮?dú)饬髁浚?0 mL/min.

1.3.9 X射線衍射(XRD)分析 試驗(yàn)條件為：銅靶，工作電壓和電流分別為40.0 kV、 40 mA，發(fā)射及防反射狹縫為0.5 °，接受狹縫隙為0.3 mm，掃描速度17.7 S/S，掃描范圍5 °～50 °，采樣間隔為0.02°.

1.3.10 粒度分布測定 將少量樣品粉末分散在蒸餾水中，加樣品量至合適范圍內(nèi)遮光度，粒度表示為平均體積尺寸D[4,3](De Brouckere平均直徑)，即具有相同體積的球體的平均直徑，并進(jìn)行分析.

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

該研究中的所有數(shù)據(jù)采用Origin軟件進(jìn)行作圖和數(shù)據(jù)處理分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 取代度(DS)分析

如圖1所示，當(dāng)添加0.75 g GTAC，40 mL H2O時，選取0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 g NaOH不同量進(jìn)行陽離子化制備得到CCS，并分別測定其DS，當(dāng)NaOH的用量為0.2 g時，取代度達(dá)到最高值為0.59；當(dāng)使用0.2 g NaOH，H2O 40 mL時，選取0.25、0.50、0.75、1.0和1.25 g GTAC不同量進(jìn)行陽離子化制備得到CCS，并分別測定其DS，當(dāng)GTAC的用量為0.75 g時，取代度達(dá)到最高值為0.60；當(dāng)使用0.2 g NaOH，水0.75 g GTAC時，選取10、20、30、40、50 mL不同量的H2O進(jìn)行陽離子化制備得到CCS；當(dāng)H2O的用量為30 mL時，取代度達(dá)到最高值為0.63.

圖1 催化劑(NaOH)、GTAC和H2O用量對取代度的影響Figure 1 Effect of catalyst dosage(NaOH)、GTAC and H2O on degree of substitution

通過單因素試驗(yàn)可得在進(jìn)行陽離子化時，選取備用淀粉3 g，加入0.2 g NaOH，30 mL H2O，0.75 g GTAC時，陽離子化后淀粉取代度達(dá)到最高值0.63.Klimaviciute、Chen等人用馬鈴薯淀粉以及多孔淀粉制備交聯(lián)陽離子淀粉的取代度為分別為0.56[19]、 0.42[16].可以看出，以介孔淀粉制備的交聯(lián)陽離子淀粉具有取代度高的優(yōu)勢.

2.2 SEM形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

如圖2所示，觀察到馬鈴薯淀粉(圖2-A)的顆粒分布不均勻，馬鈴薯淀粉主要多為橢圓形，有光滑的表面，顆粒較為完整[21]；與原淀粉相比較，介孔淀粉(圖2-B)喪失了其原有結(jié)構(gòu)，表面呈粗糙狀，顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生肉眼可見的明顯變化，布滿了大量細(xì)小的孔洞，且孔洞深入淀粉內(nèi)部形成連接不斷的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，周圍有細(xì)小的孔洞分布，其整體孔徑分布不均勻；而交聯(lián)陽離子淀粉(圖2-C)與介孔淀粉相比，孔徑明顯增大，較為均勻，區(qū)別于介孔淀粉的蜂窩狀.

圖2 馬鈴薯淀粉RS(A)、介孔淀粉MS(B)以及交聯(lián)陽離子淀粉CCS(C)的SEMFigure 1 SEMS of potato starch,mesoporous starch and cross-linked cationic starch

2.3 氮?dú)馕?脫附分析

介孔材料是由國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)定義的一類多孔材料，其孔徑在2～50 nm之間[6].氮?dú)馕锢砦?脫附分析結(jié)果顯示(表1)，試驗(yàn)制備的介孔淀粉孔徑為22.66 nm，介孔交聯(lián)陽離子淀粉的孔徑為48 nm,均符合介孔材料孔徑要求；而馬鈴薯淀粉制備的交聯(lián)陽離子淀粉的孔徑為10 640 nm，可以判斷其并無微孔形成，其“孔徑”主要是顆粒間的堆積產(chǎn)生的.介孔淀粉BET(14.392 cm3/g)顯著高于馬鈴薯淀粉BET(0.021 9 m2/g)，表明以介孔淀粉為材料制備陽離子淀粉的優(yōu)勢；介孔淀粉BET(14.392 m2/g)和孔體積(0.073 0 cm3/g)顯著高于介孔交聯(lián)陽離子淀粉BET(1.077 5 m2/g)和孔體積(0.002 8 cm3/g)，表明在交聯(lián)和陽離子化反應(yīng)過程中，介孔雖有保存，但大部分被破壞，這可能與淀粉顆粒本身相對較脆弱有關(guān).介孔交聯(lián)陽離子淀粉BET(1.077 5 m2/g)與馬鈴薯淀粉為原料制備的交聯(lián)陽離子淀粉BET(0.000 3 m2/g)相比明顯高出，加之其較高的DS(0.63)和較好的孔形態(tài)(圖1-C)，表明以介孔淀粉為原料制備交聯(lián)陽離子淀粉仍具有優(yōu)勢，但最大可能保存孔的方法需進(jìn)一步研究.

表1 馬鈴薯淀粉、介孔淀粉、馬鈴薯交聯(lián)陽離子淀粉以及介孔交聯(lián)陽離子淀粉氮?dú)馕?脫附分析

2.4 FTIR分析

如圖3所示，RS與 MS相比未出現(xiàn)新的特征峰，CCS在1 478 cm-1處出現(xiàn)一個新峰.MS的制備沒有化學(xué)改性過程，只是淀粉糊化破壞了其致密的生物聚合物網(wǎng)絡(luò)[20]，在回生重結(jié)晶[22]過程中用較低表面張力的溶劑交換(通常是乙醇)防止在干燥過程中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)崩潰從而形成新的孔隙[23]，干燥后得到介孔淀粉.CCS中有C-H在-N+(CH3)3中的振動吸收[20]產(chǎn)生新峰，峰值強(qiáng)度較弱.

圖3 馬鈴薯淀粉RS、介孔淀粉MS以及交聯(lián)陽離子淀粉CCS紅外光譜圖Figure 3 FTIR of potato starch,mesoporous starch and cross-linked cationic starch

2.5 1HNMR分析

如圖4所示為MS與CCS的1HNMR譜圖，出現(xiàn)了2個新的峰分別為4.36 ppm和3.15 ppm，2個峰分別為亞甲基和甲基[24]，證實(shí)了介孔淀粉成功使用GTAC進(jìn)行了陽離子化后制備得到交聯(lián)陽離子淀粉(MS的制備并無化學(xué)改性過程，RS與MS的1HNMR譜圖相同不再重復(fù)).

圖4 介孔淀粉MS、交聯(lián)陽離子淀粉CCS的1HNMR譜圖Figure 4 1HNMR spectra of potato,mesoporous and cross-linked cationic starch starch

2.6 DSC分析

如圖5所示，起始溫度由高至低為CCS 、MS、RS，MS通過溶劑交換法得到，以乙醇置換出水分[20]，含水量較低，相對于RS開始進(jìn)行焓變時，分解更加容易.CCS陽離子化過程中氫鍵破裂，粘度下降，增強(qiáng)了之間的顆粒強(qiáng)度[25]，進(jìn)行焓變時需要更高的溫度.其余峰值溫度，終止溫度以及焓變值，RS、MS、CCS都呈現(xiàn)遞增的趨勢，其中，CCS的焓變值最高，即吸熱峰更寬，明陽離子化改性增加了淀粉間的孔隙率，吸收了更多的水分[25]，從而發(fā)生質(zhì)變，這表明了CCS在110 ℃左右比RS、MS更加的穩(wěn)定.

圖5 馬鈴薯淀粉RS、介孔淀粉MS以及交聯(lián)陽離子淀粉CCS的DSC圖Figure 5 DSC of potato starch,mesoporous starch and cross-linked cationic starch

2.7 TGA分析

如圖6所示，在0～100 ℃之間， RS、MS、CCS 3種淀粉均有微弱的損失，此變化為水分的蒸發(fā)，變化較小[26]；當(dāng)溫度到達(dá)200 ℃時，交聯(lián)陽離子淀粉的質(zhì)量開始快速下降，當(dāng)溫度達(dá)到310 ℃時，RS，MS質(zhì)量也開始了快速下降，此時樣品開始分解.

圖6 馬鈴薯淀粉RS、介孔淀粉MS以及交聯(lián)陽離子淀粉CCS的TGA圖Figure 6 TGA of potato starch,mesoporous starch and cross-linked cationic starch

RS、MS、CCS三者分解結(jié)束時質(zhì)量損失分別為4.076、5.106、5.767 mg.RS、MS、CCS質(zhì)量變化的起始溫度呈遞減的趨勢，介孔淀粉和交聯(lián)陽離子淀粉相對于馬鈴薯淀粉更加不穩(wěn)定，重量損失有遞增的趨勢，重量損失率也是遞增的，說明相對于馬鈴薯淀粉以及介孔淀粉交聯(lián)陽離子淀粉在高溫高于200 ℃時更加不穩(wěn)定.

如圖7所示，可觀察到，在溫度50 ℃左右，馬鈴薯淀粉、在介孔淀粉和介孔交聯(lián)陽離子淀粉的DTG曲線中，出現(xiàn)了一個較弱的熱損失峰，這是樣品中殘留的水含量(物理吸附的水和結(jié)晶水)微弱析出的階段.在100～200 ℃范圍內(nèi)，樣品以幾乎恒定的質(zhì)量進(jìn)行預(yù)熱.介孔交聯(lián)陽離子淀粉在282.5 ℃開始出現(xiàn)快速的下降，在327.7 ℃熱降解反應(yīng)逐漸平穩(wěn).而馬鈴薯淀粉和介孔淀粉熱降解反應(yīng)的反應(yīng)溫度大約都為310 ℃，其熱降解區(qū)約為310～410 ℃.RS、MS、CCS在N2環(huán)境下進(jìn)行熱降解反應(yīng)，熱降解產(chǎn)物最終為碳，淀粉化學(xué)改性利用熱分析法得到的結(jié)果與此相同[27].RS、MS以及CCS最大質(zhì)量損失率所對應(yīng)的溫度分別為330 ℃、323 ℃、303 ℃，進(jìn)一步說明了交聯(lián)陽離子淀粉在高溫時不穩(wěn)定.交聯(lián)陽離子淀粉制備過程中經(jīng)歷了交聯(lián)和陽離子化，導(dǎo)致分子之間和分子內(nèi)部的氫鍵結(jié)構(gòu)被破壞，更加有利于熱降解，鍵強(qiáng)度降低，導(dǎo)致結(jié)合力降低[26].

圖7 馬鈴薯淀粉RS、介孔淀粉MS以及交聯(lián)陽離子淀粉CCS的DTG圖Figure 7 DTG of potato starch,mesoporous starch and cross-linked cationic starch

2.8 XRD分析

從圖8可以看出， RS在5.6 °，17.2 °，22.4 °有明顯的特征峰，為典型的B-型結(jié)構(gòu)的特征峰[28].介孔淀粉制備過程中經(jīng)過了高達(dá)90 ℃的糊化，失去了它原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，變成非晶態(tài)無定形結(jié)構(gòu)，特征吸收峰消失.交聯(lián)陽離子淀粉特征衍射峰基本消失的原因有，交聯(lián)過程中會形成會網(wǎng)絡(luò)，破壞分子鏈的有序性，淀粉分子結(jié)晶過程受到阻礙，結(jié)晶能力被抑制[25]；在醚化過程中，GTAC和堿性催化劑共同作用進(jìn)入滲透淀粉的孔徑內(nèi)部，并且反應(yīng)在孔徑和表面同時進(jìn)行，淀粉分子之間的氫鍵被醚化反應(yīng)破壞，這進(jìn)一步破壞了分子鏈的順序，使陽離子淀粉結(jié)晶度再次降低[26]后基本以無定形存在.CCS非晶區(qū)比例增加，晶區(qū)比例減少，即MS和CCS的結(jié)晶度低于RS，由結(jié)晶度高低可推斷，MS和CCS更易溶解，在應(yīng)用中應(yīng)引起重視[29].

圖8 馬鈴薯淀粉RS、介孔淀粉MS以及交聯(lián)陽離子淀粉CCS的XRD圖Figure 8 XRD of potato starch,mesoporous starch and cross-linked cationic starch

2.9 粒度分布

馬鈴薯淀粉的粒經(jīng)區(qū)間為15～100 μm，平均粒徑約為33 μm[30].表2中，試驗(yàn)測得RS的平均粒經(jīng)為19.57 μm[30].其中D[4,3]呈現(xiàn)的是遞增的趨勢，RS、MS、CCS的粒經(jīng)是逐漸增大的，這可能是由于介孔淀粉以及交聯(lián)陽離子淀粉表面有孔洞，且孔洞致密且較大時，其整個淀粉顆粒則變大，因而粒經(jīng)增大.

圖9 馬鈴薯淀粉RS、介孔淀粉MS以及交聯(lián)陽離子淀粉CCS粒徑分布Figure 9 Particle size distribution of potato starch,mesoporous starch and cross-linked cationic starch

表2 馬鈴薯淀粉、介孔淀粉以及交聯(lián)陽離子淀粉粒徑分布

3 結(jié)論

馬鈴薯原淀粉用溶劑法制備出孔徑為22.66 nm的介孔淀粉，以環(huán)氧氯丙烷(EPI)為交聯(lián)劑制備得到介孔交聯(lián)淀粉，在3 g介孔交聯(lián)淀粉，0.2 g NaOH，30 mL H2O和0.75 g GTAC的條件下制得取代度為0.63的介孔陽離子交聯(lián)淀粉，F(xiàn)TIR以及1NMR也證明了含有正電荷的介孔陽離子交聯(lián)淀粉制備成功，雖然孔徑變大，依然在介孔淀粉孔徑范圍內(nèi)；DCS和TGA研究表明，用介孔淀粉制備而成的陽離子淀粉其穩(wěn)定性和溫度有關(guān)，高溫下介孔淀粉和陽離子交聯(lián)淀粉不穩(wěn)定；陽離子淀粉的粒經(jīng)變大，結(jié)晶度消失，成為無定形非晶態(tài)結(jié)構(gòu)狀態(tài).