交聯(lián)微孔淀粉的制備及其性能研究

沈曉亮，錢 程，王繼虎 *，安敏芳，唐忠鋒

（1.上海工程技術大學 化學化工學院，上海 201620；2.中國科學院上海應用物理研究所，上海 201800）

微孔淀粉是在一定的條件下，通過不同的方法處理原淀粉后得到的一種多孔狀結構淀粉，具有較強的吸附能力，可以用作藥物、香精香料等材料的載體[1]。目前，制備微孔淀粉的方法主要有物理法、機械法和生化法[2]，其中生化法中的酸水解法[3-5]和酶水解法[6-8]應用最為廣泛。微孔淀粉由于孔洞較多，部分物理機械性能會有所下降。

為了提高微孔淀粉的穩(wěn)定性能，可以對微孔淀粉進行交聯(lián)處理。交聯(lián)淀粉指淀粉在堿性條件下，利用交聯(lián)劑和淀粉表面的羥基進行化學反應，使得淀粉大分子之間形成交聯(lián)鍵，從而提高原淀粉的剪切穩(wěn)定性、顆粒穩(wěn)定性、黏度穩(wěn)定性、耐酸堿性、凍融穩(wěn)定性，增加糊化的溫度。將原淀粉經(jīng)過先微孔化后交聯(lián)或者先交聯(lián)后微孔化兩步處理后，可以得到交聯(lián)微孔淀粉[9-10]。

交聯(lián)微孔淀粉作為一種高效、無毒、安全吸附劑被廣泛應用于食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、化工等行業(yè)[11-12]。本實驗以三氯氧磷（POCl3）為交聯(lián)劑，木薯淀粉為原淀粉，復合酶條件下，采用一次交聯(lián)微孔法和兩次交聯(lián)微孔法，制備了交聯(lián)微孔淀粉，考察了其性能。目的是尋找更加高效的工藝，提高交聯(lián)微孔淀粉的穩(wěn)定性能，增加吸附性能，可以擴大交聯(lián)微孔淀粉的使用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木薯淀粉（食品級）：上海大浩淀粉有限公司；糖化酶（酶活力≥4 000 U/g）、α-淀粉酶（酶活力≥4 000 U/g）：上海楷洋生物技術有限公司；氯化鈉、無水乙酸鈉、無水硫酸鈉、氫氧化鈉、冰醋酸、鹽酸、三氯氧磷（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；金龍食用調(diào)和油：市售。

1.2 儀器與設備

JB200-D型強力電動攪拌機：上海標本模型廠；W-O 201型恒溫油水浴鍋、DHG-9025A型鼓風干燥箱、SHZ-D III型循環(huán)水真空泵：上海大研儀器有限公司；QF-101S集熱式磁力攪拌器：河南省鞏義市英峪儀器廠；GL21M高速冷凍離心機：長沙湘智離心機儀器有限公司；Tranpferpette-S型移液槍：德國Brand公司；X’Pert PRO型X射線衍射儀：日本Rigaku公司；S-3400N型掃描電鏡分析儀：日本Hitachi公司。

1.3 方法

1.3.1 交聯(lián)淀粉的制備

原淀粉在110 ℃烘箱中烘2 h，得到干淀粉。取200 g干淀粉，置于1 000 mL燒杯中，加入一定量的蒸餾水，配成質(zhì)量分數(shù)為30%的淀粉乳，45 ℃水浴鍋中預熱10 min，同時攪拌。用12 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH=11，同時添加干淀粉質(zhì)量2.5%的無水Na2SO4和干淀粉質(zhì)量5%的NaCl。緩慢加入一定量的交聯(lián)劑POCl3，保持體系pH=11。交聯(lián)反應一定時間后，用1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)pH=6.7，終止反應。將懸浮液離心，蒸餾水多次洗滌抽濾后，烘干得到交聯(lián)淀粉。

1.3.2 交聯(lián)微孔淀粉的制備

稱取100 g上述交聯(lián)淀粉，置于1 000 mL燒杯中，加入的醋酸鈉緩沖液（pH 5）500 mL，于50 ℃的水浴鍋中預熱20 min，同時攪拌。用緩沖液配成復合酶液（α-淀粉酶和糖化酶，比例1∶3），轉移到淀粉懸浮液中，并用1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)pH=5.0，微孔反應一定時間后終止反應。將懸浮液洗滌抽濾多次后，將所得淀粉置于干烘箱中干燥至質(zhì)量恒定，即得一次法交聯(lián)微孔淀粉。

兩次法是將一次交聯(lián)微孔淀粉重復1.3.1和1.3.2的步驟。一次法交聯(lián)微孔：交聯(lián)時間2 h，微孔時間4 h。兩次法交聯(lián)微孔：第一次交聯(lián)時間1 h，微孔時間2 h；第二次交聯(lián)時間1 h，微孔時間2 h。交聯(lián)劑用量分別為0.1 μL/g、0.2 μL/g、0.4 μL/g、0.6 μL/g、0.8 μL/g。其中兩次交聯(lián)法的POCl3用量與比例見表1。

表1 POCl3的用量與交聯(lián)微孔次數(shù)Table 1 Dosage of POCl3and crosslinked microporous number

1.3.3 交聯(lián)微孔淀粉的性能測定

（1）吸水率和吸油率的測定

稱取10 g的交聯(lián)微孔淀粉，25 ℃下與過量的油（水）混合攪拌30 min后，采用G2砂芯漏斗抽濾，直至沒有油（水）滴滴下。根據(jù)淀粉吸油（水）前后質(zhì)量，計算微孔淀粉的吸油（水）率。吸水率與吸油率的計算公式如下：

式中：Q表示吸油（水）率，%；W0表示干基交聯(lián)微孔淀粉的質(zhì)量，g；W1表示干基交聯(lián)微孔淀粉吸油（水）后的質(zhì)量，g。

（2）交聯(lián)微孔淀粉的結晶結構的測定

采用X’Pert PRO型X射線衍射儀分析原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉的晶型結構，計算結晶度。測試條件：電壓40 kV，電流40 mA，掃描速度5°/min，測試角5～50°。

（3）交聯(lián)微孔淀粉的形貌表征

采用S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉的表面形貌。測試條件：用導電雙面膠將淀粉粉末固定在金屬樣品平臺上，在真空中噴涂鈀金后，置于電子掃描顯微鏡中以15 kV電子束觀察。

（4）結晶度的測定方法

依照參考文獻[13-16]，通過MDI Jade 軟件處理XRD圖譜，計算淀粉的結晶度（%）。

2 結果與分析

2.1 交聯(lián)微孔淀粉的吸附性能

不同添加量的POCl3，采用一次法和兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉進行吸水率、吸油率測試，結果如圖1所示。

圖1 POCl3添加量對交聯(lián)微孔淀粉的吸水率(A)和吸油率(B)的影響Fig.1 Effect of POCl3addition on water absorption rate (A) and oil absorption rate (B) of crosslinked microporous starch

由圖1可知，隨著交聯(lián)劑用量的增加，交聯(lián)微孔淀粉的吸水率和吸油率呈先上升后下降的趨勢。當POCl3的用量為0.4 μL/g時，交聯(lián)微孔淀粉的吸水率和吸油率最大。兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉的吸水率和吸油率明顯高于一次法，當POCl3的用量為0.4 μL/g時，兩次法交聯(lián)微孔淀粉的吸水率和吸油率比一次法分別增加了9.22%和10.43%。當交聯(lián)劑添加量較低時，淀粉交聯(lián)度不高，硬度低，易于微孔，但孔洞容易塌陷，吸附能力低。當交聯(lián)劑加入量高時，淀粉交聯(lián)度高，硬度高，不易微孔，從而限制了微孔淀粉的吸附能力。采用兩次法制備交聯(lián)微孔，是在一次法的基礎上再進行一次交聯(lián)微孔處理，兩種方法的交聯(lián)劑用量和交聯(lián)微孔總時間相等。采用兩次法的優(yōu)點在于第一次交聯(lián)時，加入部分交聯(lián)劑，使得淀粉交聯(lián)度不至于過高，進行微孔就比較容易，微孔時間是總微孔時間的一半，孔洞不易塌陷。綜合可知，兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉吸附能力得到了很大提升。

2.2 交聯(lián)微孔淀粉的結晶性能

采用X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）考察原淀粉、一次法和兩次法制備性能最佳的交聯(lián)微孔淀粉的晶型結構，實驗結果如圖2所示。

圖2 原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉XRD圖Fig.2 XRD patterns of natural and crosslinked microporous starch

由圖2可知，原淀粉、一次法和兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉2θ分別在18.17°、17.94°和17.82°出現(xiàn)最強的峰，在23.21°、22.93°和22.89°出現(xiàn)中等強度的峰，在15.23°、14.96°和15.00°出現(xiàn)最弱的峰。原淀粉屬于典型的A型圖譜，制備的交聯(lián)微孔淀粉仍保留了典型的A型圖譜特征，只是峰的強度和位置發(fā)生了偏移。

通過MDI Jade 軟件處理XRD圖譜，計算淀粉的結晶度，實驗結果如表2所示。

交聯(lián)微孔淀粉制備過程中的交聯(lián)處理使淀粉的結晶度上升，但微孔處理使淀粉部分被分解，淀粉分子鏈變短，變得更雜亂，從而使結晶度下降。從表2可知，交聯(lián)微孔淀粉的結晶度均比原淀粉的結晶度低，兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉結晶度下降的程度明顯高于一次法，主要原因是兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉的微孔程度要比一次法的高。

表2 原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉的結晶度Table 2 Crystallinity of natural and crosslinked microporous starch

2.3 交聯(lián)微孔淀粉的表面形貌

采用SEM觀察原淀粉、一次法和兩次法制備性能最佳的交聯(lián)微孔淀粉的表面形貌，實驗結果如圖3所示。

圖3 原淀粉和交聯(lián)微孔淀粉的SEMFig.3 SEM images of natural and crosslinked microporous starch

由圖3可見，原淀粉顆粒呈圓形，顆粒表面相對平滑。與原淀粉相比，交聯(lián)微孔淀粉形貌發(fā)生了明顯的變化，表面出現(xiàn)了蜂窩狀結構，同時出現(xiàn)部分塌陷，形成淺坑狀。與一次法相比，經(jīng)過兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉，表面蜂窩較多，塌陷明顯，說明交聯(lián)微孔化程度高。

3 結論

和原淀粉相比，交聯(lián)微孔淀粉的吸附能力得到了提高，兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉吸附能力明顯高于一次法。與一次法相比，當POCl3用量為0.4 μL/g時，二次法的吸水率和吸油率的增幅分別為9.22%和10.43%。與原淀粉相比，交聯(lián)微孔淀粉結晶度下降，兩次法制備的交聯(lián)微孔結晶度比一次法進一步降低。交聯(lián)微孔法淀粉表面有較孔洞，存在少量塌陷，其中兩次法制備的交聯(lián)微孔淀粉比一次法的微孔化程度高。

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