羧甲基化反应对大米淀粉性质影响的研究

彭　丽，刘忠义，包　浩，乔丽娟，陈　婷

（湘潭大学化工学院，湖南湘潭411105）

羧甲基化反应对大米淀粉性质影响的研究

彭丽，刘忠义*，包浩，乔丽娟，陈婷

（湘潭大学化工学院，湖南湘潭411105）

以大米淀粉为原料，氯乙酸为醚化剂采用异丙醇溶剂法制备了不同取代度的羧甲基淀粉（DS 0.34～0.72），并对其理化性质如冻融稳定性、透明度、凝沉性、溶解度、膨胀度、糊化特性及其结构进行了研究。红外图谱结果表明，籼米淀粉分子上引入了羧甲基基团。通过扫描电镜（SEM）分析了羧甲基化对淀粉颗粒的形貌影响，其结果表明，羧甲基化对淀粉颗粒的结构造成了破坏，其结构破坏程度与取代度有关。羧甲基淀粉由于引入了羧甲基基团，凝沉性减弱，改性后的淀粉具有较好的冻融稳定性、较高的透明度、膨胀度和溶解度，且都随着取代度的增加而增加。此外，相对于原淀粉，羧甲基大米淀粉糊化温度明显降低，粘度升高。

羧甲基淀粉，理化性质，大米淀粉，颗粒结构

羧甲基淀粉是淀粉在碱性条件下与一氯乙酸作用的阴离子淀粉醚，为溶于冷水的聚电解质。羧甲基淀粉是一种重要的变性淀粉，由于结构中引入带负电荷的官能团（CH2COO2-），使得其具有羧基的离子交换、絮凝和吸附等性质，也拥有低温易糊化、透明度高、流动性好等特点［1］。因此，被广泛地应用在食品、医药等领域，在食品中应用的主要是中低取代度的羧甲基淀粉。

羧甲基淀粉的研究始于1924年，随后引起很多研究者的关注并取得了较大的发展，对羧甲基马铃薯淀粉、羧甲基玉米淀粉等已有报道［2-3］。但我国羧甲基淀粉的研究还处在初级阶段，对大米淀粉的羧甲基改性研究报道较少。大米是中国的主要农产品，碎米是大米加工所产生的副产物，营养成分与大米基本相同，价格却比大米低很多，但一直以来其主要被用为家畜饲料，综合利用程度低，迫切需要开发其深加工技术。大米淀粉是碎米的主要成分，其具有颗粒细小、低过敏性等一系列独特性能［4］，因此，很有必要研究其羧甲基改性，以改善其相应的性能，可以更广泛地应用于食品等行业以改善食品品质。制备羧甲基淀粉的方法主要有三种，其中有机溶剂法应用最广，具有反应均匀，产品质量较好等优点，适合生产高品质的羧甲基淀粉。

本文选用大米淀粉为对象，采用溶剂法，研究不同取代度的羧甲基化淀粉的合成及其性质，从而对羧甲基大米淀粉的研究提供一定的依据。同时也有助于碎米的深度开发，为碎米的利用提供新途径。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

大米淀粉一级品，云南普洱永吉生物技术有限责任公司提供；95%乙醇、无水乙醇、氢氧化钠、氯乙酸、盐酸、氯化铵、氨水、乙二胺四乙酸二钠、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、无水硫酸铜、1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚（PAN） 均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。

UV-2802SH紫外可见分光光度上海尤尼柯仪器有限公司；RVA-4快速黏度分析仪澳大利亚Newportscientific公司；JSM-5900 LV扫描电子显微镜日本电子公司；Nicolet 380傅立叶红外光谱仪 美国热电集团。

1.2实验方法

1.2.1羧甲基大米淀粉的制备按摩尔比为2.02∶0.02∶1将大米淀粉、NaOH和CTAB加入装有冷凝管的三口烧瓶中，用含水量为4m L/100m L异丙醇溶液（体积相对于淀粉干基质量的12.5倍）溶解，在50℃的水浴下充分搅拌0.5h使淀粉碱化后，在60℃下分别加入摩尔质量相对于淀粉干基的0.69、0.86、1.03、1.20、1.37的氯乙酸醚化反应3h。待反应结束后，冷却至室温，调节pH，抽滤，将滤渣用95%乙醇漂洗干净，干燥至恒重，筛分即可［5］。

1.2.2取代度（DS）的测定参见文献［6］。

其中，V1，V2：试样以及空白时消耗的EDTA的体积（m L）；C1：EDTA标准液的浓度（mol/L）；B：乙酸钠基含量（%）；W：试样质量（g）。

1.2.3红外光谱通过红外光谱仪频率测定其红外光谱图，范围为400～4000cm-1，样品测量前需掺混KBr粉末并压成片剂。

1.2.4形态观察将干燥样品进行喷金处理，通过扫描电镜分析淀粉颗粒。

1.2.5冻融稳定性参见文献［7］，冻融稳定性的评判指标为析水率。

1.2.6淀粉糊的透明度参见文献［7］，以其透光率来表示。

1.2.7凝沉性的测定参见文献［8］，通常用上清液体积分数来表示。

1.2.8溶解度和膨胀度参见文献［3］。

1.2.9糊化特性参见文献［3］。

2　结果与讨论

2.1大米羧甲基淀粉制备条件

取代度不同的羧甲基淀粉的特性不同，因此可以根据食品的特性和加工要求，生产具有合适取代度的羧甲基大米淀粉。通过改变一氯乙酸的添加量，得到一系列不同取代度的羧甲基淀粉，具体条件列于表1。

表1　羧甲基大米淀粉的制备条件Table 1　Preparation conditions of carboxymethyl rice starch

由表1可知，随着一氯乙酸用量的增加，取代度提高，这是由于反应体系中一氯乙酸的添加量越多，与淀粉分子的有效碰撞次数增多，有助于醚化反应向目标产物方向移动。反应效率在50%左右，随着氯乙酸的增加，呈现增大趋势，在MCA/AGU为0.86时反应效率稍有降低，这可能是由于反应效率不仅与一氯乙酸有关，同时也受到其他因素的共同影响。

2.2红外光谱的分析

图1为大米淀粉与几组具有代表性的羧甲基大米淀粉的红外光谱图。

图1　原淀粉和羧甲基大米淀粉的红外图谱Fig.1　FT-IR spectroscopy of native rice starch and CMS注：A：原淀粉；B：DS=0.34；C：DS=0.72。

从图1可以看出，籼米淀粉在3390、2931cm-1出现了较强的吸收峰，分别为-OH和C-H的伸缩振动吸收特征峰［8］；在1155、1078、1019cm-1出现的吸收峰为C-O伸缩振动脱水葡萄单元的吸收特征峰。此外，575、764、861cm-1处为-CH2的摇摆振动吸收特征峰；与原淀粉相比，羧甲基淀粉-OH和C-H的特征峰明显减弱，且在1610、1420、1325cm-1出现了-COO-的特征峰，证明了淀粉中的-OH被羧甲基基团所取代［9］。而且，新的吸收峰的吸收强度随着DS的增加而增强。这些证明了原淀粉已转化为羧甲基淀粉。在羧甲基玉米淀粉［10］和羧甲基马铃薯淀粉［11］也出现过类似的结果。

2.3羧甲基淀粉形态观察

扫描电镜是观察物质形态的主要方法。从图2（a）可以看出，原淀粉颗粒表面光滑，呈多边形并且有清晰的边缘，直径大约为1～5μm。从图2（b）中看出，淀粉颗粒开始聚集在一起，并且边界变得模糊。从图2（c）可以看出，淀粉颗粒已经大片的集聚在一起，形态不规整，表面磨损严重且有孔洞。这说明反应程度越大，淀粉颗粒结构侵蚀越严重。羧甲基化的淀粉颗粒扭曲变形，许多小颗粒集聚成团，颗粒表面变得粗糙不平整，并且出现孔洞。这可能是碱性环境与热处理共同作用的结果［5］。

图2　大米淀粉与羧甲基淀粉的电镜照片Fig.2　SEM images of native and carboxymethyl rice starch

2.4冻融稳定性

由表2可以看出，大米淀粉经过羧甲基化后，冻融稳定性明显提高，这是由于引入的羧甲基基团，一方面是其具有亲水性能与水分子更好的结合，另一方面又能与淀粉分子中的羟基形成氢键，阻碍淀粉分子间的氢键形成，空间位阻增大，使淀粉糊在冷冻条件下不易发生凝沉，增加了淀粉分子的亲水性和极性［12］。从表2中还可看出，取代度对冻融稳定性的影响较大，差异显著。并且，随着取代度的增加，引入的亲水基团增多，其冻融稳定性增强。冷冻食品要求其具有良好的冻融稳定性，因此羧甲基大米淀粉的冻融稳定性的提高，适宜作为添加剂用于冷冻食品中。

表2　大米淀粉与羧甲基淀粉的冻融稳定性Table 2　The freeze-thaw stability of native and carboxymethyl rice starch

表3　大米淀粉与羧甲基淀粉的透光率（%）Table 3　The transparency of native and carboxymethyl rice starch（%）

2.5淀粉糊的透光率

透光率是淀粉理化性质的一个重要指标。

由表3可以看出，羧甲基化后的淀粉糊透光率显著提高，主要是由于羧甲基化使得淀粉分子上引入的阴离子，使得其内部因同性电荷的排斥作用而发生膨胀，并且其亲水性基团阻碍了淀粉分子间的结合。另外，新基团的引入对淀粉分子的结构造成了一定的影响。取代度对透光率影响较大，差异较显著，呈现正相关趋势［13］。另外透光率随放置时间的延长也呈下降趋势。制备得到的羧甲基大米淀粉的透光率低于羧甲基马铃薯淀粉［2］，却高于市售的羧甲基玉米淀粉［3］，这可能和淀粉来源和性质的不同有关。果冻、饮料等要求产品具有良好的外观，羧甲基大米淀粉其透光率较高，可用于果冻、饮料等食品加工。

2.6凝沉性

凝沉性通常用上清液体积分数来表示，体积分数越大，凝沉值就越小，抗凝沉性就越强。

从图3中可以看出淀粉糊的凝沉值随着时间的推移而逐渐增大，这是由于直链淀粉分子之间以氢键结合，从而使淀粉形成沉淀析出。羧甲基淀粉由于引入亲水性的羧甲基基团，使得其与水分子的结合能力增强，形成的胶体更稳定，其淀粉糊的抗凝沉性就越好［14］，取代度越高，抗凝沉性整体提高，此结果与冻融稳定性的研究相一致。羧甲基大米淀粉具有较好的抗凝沉性，可作为稳定剂应用于酸奶、果酱等食品加工。

2.7溶解度和膨胀度

由图4可知，羧甲基化的淀粉溶解度均比原淀粉大，这是由于引入的羧甲基基团空间位阻较大，使淀粉中一部分不溶性大分子降解成可溶性小分子，极性增强，溶解度提高。羧甲基基团属于亲水性基团，容易吸水膨胀，膨胀度增大［15］。取代度越高，引入的羧甲基越多，膨胀度和溶解度越大，这与羧甲基木薯淀粉的变化趋势一致［16］。羧甲基大米淀粉，膨胀度大，溶解度高，冷水可溶，用于冰淇淋的制作。

图3　大米淀粉与羧甲基淀粉的凝沉性Fig.3　The retrogradation ofnative and carboxymethyl rice starch

图4　大米淀粉与羧甲基淀粉的溶解度（A）和膨胀度（B）Fig.4　The solubility（A）and swelling（B）of native and carboxymethyl rice starch

2.8糊化特性

糊化特性是淀粉的重要理化性质之一，取一组羧甲基淀粉（DS=0.54）进行实验，从表4和图5可以看出，羧甲基化处理后的改性淀粉，其糊化温度明显降低，峰值黏度和崩解度高于原淀粉，回升值下降。这是由于原淀粉发生了羧甲基反应，对直链淀粉分子的结构造成了破坏，使直链淀粉含量降低，因此羧甲基淀粉的回升值变低，表明羧甲基淀粉抗老化性有所提高。同时由于羧甲基基团的亲水性，使得淀粉更易吸水，在较低温度下时即可使淀粉分子的结晶结构破坏，羧甲基淀粉更易糊化，糊化温度降低，崩解度变高。被破坏的分子受到分子间作用力及氢键的影响，直链淀粉与支链分子，或者支链淀粉之间形成了更大且稳定的分子，使得平均分子量变大，淀粉糊的峰值黏度大大提高［17］。羧甲基大米淀粉具有低温易糊化，且粘度较高的特点，可作增稠剂用在面类食品的生产中以提高面筋强度。

图5　大米淀粉与羧甲基淀粉的RVA曲线Fig.5　RVA cure of native and carboxymethyl rice starch注：A：羧甲基淀粉；B：原淀粉；C：温度。

表4　大米淀粉与羧甲基淀粉的黏度特征Table 4　The viscosity properties of native and carboxymethyl rice starch

3　结论

一氯乙酸对羧甲基淀粉制备的取代度以及反应效率具有较大的影响，控制其他条件不变，改变一氯乙酸的含量，制备得到不同取代度的羧甲基淀粉，对其进行了性质的研究。大米淀粉经过羧甲基化后，冻融稳定性、淀粉糊透明度、抗凝沉性、膨胀度和溶解度都明显提高，羧甲基淀粉的取代度对其理化性质以及颗粒形态具有一定的影响。取代度越大，其性能增强。相比于原淀粉，低温易糊化、粘度也较高。SEM分析结果表明，羧甲基反应严重破坏了淀粉颗粒的形貌。

［1］刘嘉，董楠，赵国华.微波辅助快速制备马铃薯羧甲基淀粉条件的优化［J］.中国粮油学报，2012，26（11）：36-41.

［2］钟振声，孙昂.羧甲基淀粉糊的性能及其透明度的影响因素［J］.华南理工大学学报：自然科学版，2010，38（2）：32-38.

［3］岳晓霞，毛迪锐，赵全，等.玉米淀粉与玉米变性淀粉性质比较研究［J］.食品科学，2005，26（5）：116-118.

［4］顾正彪，李兆丰，洪雁，等.大米淀粉的结构，组成与应用［J］.中国粮油学报，2004，19（2）：21-27.

［5］LI X，GAO W Y，HUANG L J，et al.Preparation andphysicochemicalpropertiesofcarboxymethyl Fritillaria ussuriensis Maxim.starches［J］.Carbohydrate Polymers，2010，80（3）：768-773.

［6］黄静，潘丽军.一种快速准确测定羧甲基淀粉取代度的方法［J］.食品工业科技，2003，24（3）：82-84.

［7］郭庆兴，童群义.交联羟丙基羧甲基木薯淀粉性质的研究［J］.食品工业科技，2012，33（23）：122-124.

［8］ZHOU G，LUO Z，FU X.Preparation and characterization of starch nanoparticles in ionic liquid-in-oil microemulsions system［J］.Industrial Crops and Products，2014，52：105-110.

［9］SELAMAT M E，SULAIMAN O，HASHIM R，et al. Measurement of some particleboardproperties bondedwith modified carboxymethyl starch ofoil palm trunk［J］.Measurement，2014，53：251-259.

［10］SPYCHAJ T，WILPISZEWSKA K，ZDANOWICZ M. Medium and high substituted carboxymethyl starch：Synthesis，characterization and application［J］.Starch-Stärke，2013，65（1-2）：22-33.

［11］LIU J，MING J，LIW，et al.Synthesis，characterisation and in vitro digestibility of carboxymethyl potato starch rapidly prepared with microwave-assistance［J］.Food Chemistry，2012，133（4）：1196-1205.

［12］LUO Z，XU Z.Characteristics and application of enzymemodified carboxymethyl starch in sausages［J］.LWT-Food Science and Technology，2011，44（10）：1993-1998.

［13］FANG J，FOWLER P，TOMKINSON J，et al.The preparation and characterisation of a series of chemically modified potato starches［J］.Carbohydrate Polymers，2002，47（3）：245-252.

［14］LAWAL O S，LECHNER M D，HARTMANN B，et al. Carboxymethyl cocoyam starch：Synthesis，characterisation and influence of reaction parameters［J］.Starch-Stärke，2007，59（5）：224-233.

［15］JULIANO B O，PERE C M，BLAKENY A B，et al. International cooperative testing on the amylose content ofmilled rice［J］.Starch-Stärke，1981，33（5）：157-162.

［16］谭义秋，赵汉民，农克良，等.机械活化木薯淀粉羧甲基化产物糊性质的研究（Ⅰ）［J］.食品科学，2010，（3）：102-105.

［17］许永亮，程科，赵思明，等.大米淀粉的分子量分布及其与粘性的相关性研究［J］.中国农业科学，2007，40（3）：566-572.

Study on the effect of carboxymethylation on properties of rice starch

PENG Li，LIU Zhong-yi*，BAO Hao，QIAO Li-juan，CHEN Ting
（Collage of Chemical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China）

Using rice starch as a raw material，and chloroethanoic acid as ethrifying agent，the carboxymethyl rice starch of different substitution deg ree（DS=0.34~0.74）was p repared w ith isop ropanol solvent method. The p roperties of the carboxymethyl starch，such as solubility，turgidity，transparency，freeze-thaw stability，retrogradation，gelatinization characteristic and partic le structure，were investigated.The results of IR spectra showed that carboxymethyl carboxymethyl g roups were introducted into rice starch molecules.The im pact of carboxymethylation on the morphology of starch was analyzed by SEM.The results of scanning electron m icroscope indicated that carboxymethylation damaged the structure of starch granule and the extent of damage was related w ith DS.The results showed that retrog radation p roperty of the carboxymethyl rice starch decreased due to the introducing of hyd rophilic carboxymethylgroups.Compared w ith raw starch，the mod ified starch had better freeze-thaw stability，higher transparency，turgid ity and solubility，and all these p roperties increased w ith the increase in carboxymethyl substitution degree.Besides，the gelatinization tem perature significantly reduced and viscosity increased.

carboxymethylstarch；physicochem icalp roperties；rice starch；partic le struc ture

TS235.1

A

1002-0306（2015）06-0138-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.06.023

2014-06-23

彭丽（1990-），女，硕士研究生，研究方向：化学变性淀粉。

刘忠义（1964-），男，博士，教授，研究方向：生物、制药与食品工程。

国家农转资金（2013D2002007）。