预处理方式对淀粉酯化效果的影响*

杨小玲，王 珊

(咸阳师范学院 化学与化工学院，陕西 咸阳712000)

预处理方式对淀粉酯化效果的影响*

杨小玲，王 珊

(咸阳师范学院 化学与化工学院，陕西 咸阳712000)

采用酶进行先活化再催化的双效作用，将玉米淀粉酶解预处理，然后在有机溶剂及酶催化条件下制备硬脂酸淀粉酯。用IR、DSC、SEM及X-ray衍射对硬脂酸淀粉的结构进行表征。结果表明，酶解对淀粉改性效果最明显，酶解预处理后淀粉颗粒表面粗糙，并出现微孔，其衍射峰强度较原淀粉低，但晶型未变；活化后的淀粉酯化取代度提高最显著，且酶解预处理90min的取代度，其值为0.1174，高于酶解40min的取代度，DS为0.0179。

淀粉；酶解；取代度；结晶性

前言

为了扩大天然淀粉应用领域，需要对其进行改性。通常用化学或物理改性来优化某方面性能甚至形成新的特性，如糊化温度降低，疏水性、凝沉稳定性、热稳定性及冻融稳定性提高等。天然玉米淀粉是一种多晶高聚物,颗粒内部主要是非晶区域；外层主要为结晶区域，主要是由淀粉分子通过氢键连接，非常牢固，约占颗粒体积的39%，属于A型淀粉，水及化学试剂不易进入结晶区内[1-4]。因此，研究如何改变淀粉颗粒结构，对于提高淀粉的化学活性和产物的取代度显得尤为重要。淀粉预处理的研究方法主要分为生物降解、化学降解、辐射降解、热降解及微波降解等[5]。

长链脂肪酸淀粉酯是变性淀粉种类之一，由于其结构中既有亲水基（-OH）又有长链疏水基（RCH2-）而表现出特殊的热塑性、疏水性、乳化性和可生物降解性，因此日益受到重视。但是单纯的物理或化学方法亦有其不足，如取代度不高、且伴有副产物产生、收率低、反应条件苛刻等。

本文采用酶进行先活化再催化的双效作用，即将玉米淀粉预处理，然后在有机溶剂及酶催化条件下制备硬脂酸淀粉酯。以取代度为衡量指标，考察未处理原玉米淀粉和预处理活化淀粉的酯化效果，利用IR、SEM及X-ray衍射（XRD）对活化及酯化产品的结构进行表征分析。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

玉米淀粉，市售，食品级；硬脂酸，天津市津北精细化学有限公司，分析纯；胰酶，西安化学试剂厂，分析纯；盐酸，洛阳市化学试剂厂，分析纯；氢氧化钠，汕头市西陇化工有限公司，分析纯；尿素，天津科仪实验试剂发展有限公司，分析纯；二丁基二月桂酸锡，上海浦化工有限公司，分析纯；无水乙醇、异丙醇、盐酸，均为洛阳市化学试剂厂，分析纯。

IRPrestige-21傅里叶变换红外光谱仪，日本岛津公司；MiniFlex600型X射线粉末衍射仪，日本理学株式会社；Quanta 200型环境扫描电子显微镜，荷兰Philips-FEI公司。

1.2 淀粉预处理

（1）胰酶水解：称取30g玉米淀粉，用胰酶浓度10%的pH值为6.8的磷酸盐缓冲液溶解配成浓度为40%的玉米淀粉乳，在50℃下活化40min，离心，用乙醇、水洗涤，再次离心，产品于45℃干燥备用。

（2）酸水解：称取30g玉米淀粉，用2.5%的盐酸溶液配置成浓度为30%的玉米淀粉乳液，在50℃下活化1h，离心，用乙醇、水反复洗涤离心，产品在45℃下干燥。

（3）碱水解：称取30g玉米淀粉，用pH值为8.5的NaOH/尿素碱液溶解成浓度为30%的玉米淀粉乳液，在50℃下活化1h，洗涤、离心，产品于45℃干燥备用。

1.3 硬脂酸淀粉酯的合成

准确称量10.0g玉米淀粉，硬脂酸20.0g，胰酶1.0g，溶于165mL的异丙醇中，70℃搅拌反应48h后，用热的无水乙醇将沉淀产物洗涤3次，离心，干燥备用。

1.4 红外测试

将样品用KBr压片，在500～4500cm-1范围的红外光谱扫描，扫描20次，绘出红外光谱图。

1.5 电镜扫描

将样品喷金后，采用荷兰Philips-FEI公司生产的Quanta 200型环境扫描电子显微镜进行测试，测试电压为20 kV，观察并拍摄淀粉颗粒形貌。

1.6 DSC曲线测定

采用美国TA公司Q100差示扫描量热仪（DSC）对玉米淀粉、酶解淀粉及硬脂酸淀粉进行测量，氮气保护，升温速率为20.00℃/min，温度在20～200℃。

1.7 X-ray衍射测试

本实验采用的是日本理学株式会社生产的MiniFlex600型X射线衍射仪，对玉米淀粉、酶解淀粉、酯化淀粉进行测试。测试条件：CuKα辐射，管压40kV，电流30mA，扫描速度8°/min，扫描角度范围10～50°，采样宽度0.02°。

1.8 取代度测定[6]

准确称量淀粉样品4.0 g，加入50mL蒸馏水，充分溶解后再加入20mL0.25mol/L的标准NaOH溶液，用磁力搅拌器搅拌1h。然后加入两滴酚酞指示剂，用0.1mol/L的HCl标准溶液滴定至粉红色刚好消失，记录耗用盐酸的体积v1，同时，做一组空白实验，记录滴定消耗的盐酸标准溶液的体积v0，通过公式（1）和（2）计算淀粉酯取代度DS.

式中：A为硬脂酸酸取代基质量分数，%；m为样品质量，g；c为HCl标准溶液浓度（0.1mol/L）；267为硬脂酸取代基相对分子质量；162为淀粉相对分子质量。

2 结果与讨论

2.1 淀粉活化方法的选择

对淀粉进行预处理的目的是提高淀粉反应活性，选取三种活化方式：酸解、碱解和酶解（表1）。

表1 活化方式对硬脂酸淀粉酯收率及取代度的影响Table 1 The effect of activation methods on the yield and DS of stearic starch ester

从表1中可见，三种活化方式处理淀粉质量均有损失；酯化淀粉取代度均高于原淀粉酯化；酸解后得到的活化收率最高，但酯化收率却最低；酶解活化收率低，酯化收率最高，酯化产物的取代度亦最高。三种方式活化的结果均使淀粉结构中的部分氢键破坏，淀粉溶解度增大，因此，活化后淀粉质量有损失。酸解主要发生在非晶态的无定形区，结晶区比例相对增大[7,8]。NaOH/尿素预处理后，淀粉结构中的部分氢键遭到破坏，降低了淀粉的结晶度。在NaOH/尿素碱溶液中，淀粉具有弱离子交换能力，其结构中的羟基因失去质子而带负电荷，负电荷间的排斥作用，导致淀粉颗粒膨胀，及相邻微晶间出现张力作用，最终微晶结构遭到破坏，淀粉的溶解度增大[9,10]。

胰淀粉酶是由胰腺分泌的一种水解酶，属于α-淀粉酶的一种，作用于可溶性淀粉、直链淀粉、糖原等α-1,4-葡聚糖，水解α-1,4-糖苷键的酶。酶对淀粉的酶解作用是从淀粉颗粒表面开始，先生成多孔淀粉，随着水解向颗粒内渗入，颗粒破裂成碎片。酶解后淀粉颗粒表面形成孔洞，比表面积远大于原淀粉，反应活性增大，酯化效率提高。由于胰淀粉酶能对淀粉进行有效降解，之后进行酯化改性，可获得取代度较高的淀粉酯。因此，选取胰淀粉酶活化淀粉进行后续研究。

2.2 酯化淀粉结果表征

X射线衍射（XRD）是研究结晶特性的最直接和最有效的方法。晶粒越大，衍射峰越高，半峰宽越小。淀粉分子中包含了结晶区和无定形区。其中尖峰衍射图谱对应的是结晶区，而弥散衍射图谱对应的则是无定形区。酶解预处理破坏淀粉颗粒表面结构，深入颗粒内部，因此酯化剂亦渗入颗粒内部，促使淀粉的结晶度受到影响。XRD对玉米淀粉和酶解淀粉及酯化淀粉测试结果见图1：玉米淀粉、酶解淀粉及酯化淀粉XRD结构相同，都由尖峰衍射特征和弥散衍射特征两部分组成，是典型的多晶体系的衍射曲线，2 θ在15°、17°、18°、19°和23°附近有强的衍射峰,其中17°和18°附近的衍射峰为相连的双峰，属于A-型晶体。酶解淀粉及酯化淀粉的XRD图谱的峰强度比原淀粉低，说明经过酶化处理后的淀粉结晶区受到一定程度的破坏，不定形区面积增大，衍射峰依然存在，只是结晶度下降[11]。可见，酶解作用并没有破坏玉米淀粉的结晶特征，反应主要是在淀粉的无定形区进行。

图1 玉米淀粉、酶解淀粉及酯化淀粉的SEM照片Fig.1 The X-ray diffraction patterns of corn starch,starch after enzymolysis and stearic starch

图2 玉米淀粉、酶解淀粉及酯化淀粉的DSC曲线Fig.2 The DSC curves of corn starch,starch after enzymolysis and stearic starch

由图2可以看出，淀粉经酶水解后，糊化温度较玉米原淀粉降低，糊化前后温度范围变窄。酶解淀粉与玉米原淀粉相比，由于酶解主要发生在淀粉颗粒的无定形区，结晶区结构致密，酶在此区域水解能力很低，相对结晶度增大，未水解的结晶区形成彼此相连的“桥”形网状结构，即形成了微孔淀粉与SEM结果吻合。淀粉中的直连淀粉最先水解，分子链缩短，由于淀粉的吸热润胀糊化是从无定形区开始的，表现为糊化温度降低。淀粉经硬脂酸酯化，糊化温度降低，糊化前后温度范围较玉米原淀粉的窄，这说明淀粉酯化后引入的长链脂肪酸阻碍了淀粉链之间氢键的形成，降低分子间的结合力，使淀粉颗粒结构变的松弛，结晶区减少，淀粉颗粒原有的紧密结构遭到破坏，淀粉颗粒更易糊化，糊化温度降低，糊化过程变短。

图3 玉米淀粉、酶解淀粉及硬脂酸淀粉的SEM照片Fig．3 The SEM photos of corn starch,starch after enzymolysis and stearic starch

图3（a～d）四张SEM照片分别为玉米淀粉、胰酶活化淀粉（分别酶解40min、90min）以及硬脂酸酯化淀粉的SEM照片。玉米淀粉颗粒形状不规则、表面光滑；酶解40min淀粉颗粒形状基本未发生变化，但由于酶的作用淀粉表面出现很多微孔，酶解90min后孔隙更明显，部分颗粒甚至遭到破坏瓦解；淀粉酯SEM照片显示其颗粒形状基本未变，由于酯化反应引入了新的基团，淀粉酯表面不光滑。

图4 玉米淀粉、酶解淀粉及硬脂酸淀粉的红外谱图Fig．4 The IR spectra of corn starch,starch after enzymolysis and stearic starch

对照原玉米淀粉、酶解淀粉和硬脂酸淀粉图谱，由图4可知，玉米淀粉、酶解淀粉和硬脂酸淀粉均在3400cm-1处有一宽峰，为-O-H的伸缩振动吸收峰，比较发现淀粉经过酶解的-OH伸缩振动峰加宽，而淀粉酯化后的吸收峰减弱；同时2918cm-1处为-C-H的伸缩振动吸收峰；与原淀粉的红外谱图相比,酶解淀粉在1153、1079cm-1处的C－O伸缩振动峰锐化并向低波数移动，1458cm-1处C－H面内弯曲振动峰也发生变化，酶解图谱中没有新峰形成，分子结构没变，但酶解后原淀粉颗粒表面被侵蚀且形成微孔，部分官能团空间结构与振动方式发生变化，因而出现吸收峰锐化或增宽现象；除此外，与玉米淀粉的红外谱图相比，硬脂酸淀粉的红外谱图出现了新的吸收峰：在2851cm-1处附近出现脂肪酸长链的吸收峰，在1718cm-1附近出现吸收峰归属为酯羰基-C=O的吸收峰。以上结果说明，酶解过程没有形成新的官能团，硬脂酸与淀粉酯化反应形成了新的官能团。

3 结 论

采用酶进行先活化再催化的双效作用，将玉米淀粉酶解预处理，然后在有机溶剂及酶催化条件下制备硬脂酸淀粉酯。三种预处理方式均改善了淀粉酯化反应活性，其中，酶解玉米淀粉对酯化反应的影响效果最显著，酯化取代度最高，且酶解预处理90min的取代度高于酶解40min的取代度。扫描电镜照片显示，酶解淀粉及硬脂酸酶解淀粉颗粒在保持颗粒形态不变的基础上，表面出现微孔，衍射图像显示其晶体结构与玉米原淀粉一致，都为A型，但改性后的淀粉的衍射峰强度比原淀粉低。

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Effect of Pretreatment Methods on Starch Esterification

YANG Xiao-ling and WANG Shan
（College of Chemistry and Chemical Engineering,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,China）

The double effects of enzymolysis were applied both in the enzymolysis of starch pretreatment and in catalysis of esterification,on the basis of which to prepare stearic starch ester.The structures of stearic starch ester were characterized by IR,DSC,SEM and X-ray diffraction.The result showed that the enzymolysis had great effects on modification of starch.The surface of starch which was pretreated through enzymolysis was rough with pores and the diffraction peak was weaker than that of raw starch,but the crystal form was unchanged.The esterification of degree of substitution（DS）of activated starch was improved obviously,and after the enzymolysis pretreatment for 90mins,the DS was 0.1174 which was much higher that of for 40mins which was only 0.0179.

Starch;enzymolysis;degree of substitution;crystallinity

TQ925.1

A

1001-0017（2015）01-0035-04

2014-11-03 *基金项目：陕西省科技厅项目（编号：2014JQ2077）

杨小玲（1976-），女，陕西西安人，高级工程师，硕士，研究方向为天然高分子改性。