氧化、醚化复合改性对玉米淀粉理化性质的影响*

高群玉 戴桂芳 李航 吴磊

(1.华南理工大学 食品科学与工程学院， 广东 广州 510640； 2.河南恒瑞淀粉科技股份有限公司， 河南 漯河 462000)

天然淀粉由于在室温下不溶于水、易老化、难成膜、淀粉糊稳定性差，限制了其应用，为克服这种缺点，人们发展了化学变性、物理变性、酶法变性等淀粉变性方法[1].近年来，为了进一步利用淀粉资源，对淀粉分子进行了复合改性，即同时或者分步进行两种或以上变性方法；与单一改性淀粉相比，复合改性淀粉性能全面，更具优势，可以满足不同的应用需求[2].

氧化淀粉是最早使用的化学改性淀粉之一.次氯酸钠来源广、成本低，是工业上最为常用的氧化淀粉氧化剂.氧化淀粉主要用于改善纸张、纺织品等的成膜性及机械强度，广泛用于造纸、纺织工业[3].羟丙基淀粉是淀粉在碱性条件下，与环氧丙烷发生亲核取代而得到的产物.羟丙基改性可显著改善淀粉糊的亲水性、冻融稳定性、透明度和抗凝沉性，延长食品货架期[4].近年来，关于羟丙基淀粉和氧化淀粉的研究报道都愈加深入，从工艺研究到反应条件的影响，都做出了较为详细的讨论.但是，目前国内外对不同直链淀粉含量的玉米淀粉进行醚化-氧化复合改性的研究鲜见报道.Xiao等[5]、Wang等[6]分别研究了羟丙基/交联淀粉、氧化/交联淀粉的理化性质，发现变性的顺序会对复合改性淀粉的理化性质产生影响.文中拟采用不同直链淀粉含量的蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉、高直链玉米淀粉为原料，进行氧化和羟丙基化复合变性，探讨不同的变性顺序对3种不同直链含量的玉米淀粉理化性质的影响，为玉米淀粉的氧化和羟丙基化复合变性提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 实验材料

3种直链淀粉含量分别为0.5%、26.0%、61.0%的玉米淀粉：蜡质玉米淀粉(WC,秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司)、普通玉米淀粉(CC,秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司)、高直链玉米淀粉(AMC,山东华农特种玉米开发有限公司).其他化学试剂均为分析纯.

1.2 实验仪器

BX51型多功能光学显微镜(日本Olympus公司)；Brabender快速(微型)黏度仪(德国Brabender公司)；TM3000型扫描电子显微镜(HITACHI公司)；DSC8000型差式扫描量热仪(PerkinElmer公司)；D8 ADVANCE型X射线衍射仪(德国Bruker公司)等.

1.3 实验方法

1.3.1 次氯酸钠氧化-羟丙基醚化及羟丙基醚化-次氯酸钠氧化淀粉的制备

用李航等[7]的方法制备次氯酸钠氧化-羟丙基醚化淀粉.称取一定量不同直链淀粉含量的玉米淀粉配成淀粉乳溶液，加入一定量的膨胀抑制剂硫酸钠，用1%盐酸溶液调节pH值至9.3；加入4%次氯酸钠溶液反应，一段时间后，加入适量亚硫酸钠溶液消耗过量的次氯酸钠，用碘化钾试纸控制终点；缓慢滴加1%的NaOH溶液调节pH值至(9.3±0.2)，加入一定量的环氧丙烷(占淀粉干基的15%)，通氮气，密封容器反应一定时间，调节pH值至6.5.制备羟丙基醚化-次氯酸钠氧化淀粉时先对淀粉进行醚化再氧化，其他实验条件同上.

得到6个样品，分别是氧化-羟丙基蜡质玉米淀粉(o- H- WC)、氧化-羟丙基普通玉米淀粉(o- H- CC)、氧化-羟丙基高直链玉米淀粉(o- H- AMC)、羟丙基-氧化蜡质玉米淀粉(H- o- WC)、羟丙基-氧化普通玉米淀粉(H- o- CC)、羟丙基-氧化高直链玉米淀粉(H- o- AMC).

1.3.2 羟丙基、羧基、羰基含量的测定

采用GB 29930—2013[8]测定本实验中两种不同改性方法制得的样品中羟丙基的含量.采用GB/T 20374—2006[9]测定本实验中两种不同改性方法制得的样品中羧基的含量.采用罗发兴等[10]的氧化淀粉中羰基含量的测定方法测定本实验中两种不同改性方法制得的样品中羰基的含量.

1.3.3 透明度的测定

[11]测定透明度.配制1%的淀粉乳，沸水浴搅拌糊化，冷却至30 ℃，在620 nm处测定透光率，以蒸馏水做空白.测定3次取平均值.

1.3.4 Brabender黏度的测定

采用Brabender快速黏度仪测定黏度，测试条件为：测量扭矩700 cm·g；转子转速250 r/min；升(降)温速率7.5 ℃/min.从30 ℃升温到95 ℃后保温5 min，再冷却到50 ℃后保温5 min，得到一条Brabender黏度曲线.

1.3.5 淀粉糊化特性温度及糊化焓的测定

采用差示扫描量热仪(DSC)测定.将30%浓度的淀粉乳液在室温下平衡水分24 h后，吸取混匀的乳液于铝盘中测定，以空盘做参照.加热范围30～120 ℃，升温速率10 ℃/min.

1.3.6 X射线衍射分析

采用步进扫描法，铜靶，入射线波长 0.154 18 nm，Ni滤波片，管压40 kV，管流40 mA，测量角度5°～50°，扫描步长0.04°，扫描速度38.4 s/步.

1.3.7 扫描电子显微镜分析测试方法及条件

用导电双面胶将淀粉粉末固定在金属样品平台上，在真空中喷金后，置于扫描电子显微镜(SEM)中，拍摄有代表性的淀粉颗粒的形貌照片.测试电压为10 kV，工作距离为9.5 mm，放大倍数为5 000.

1.3.8 统计学分析

所有样品重复做3次，并采用SPSS17.0对实验数据进行显著性分析.

2 实验结果及讨论

2.1 羟丙基醚化基团摩尔取代度分析

图1是两种淀粉(氧化-羟丙基淀粉、羟丙基-氧化淀粉)的羟丙基摩尔取代度(MS)，从图中可以看出氧化-羟丙基淀粉的MS均明显小于羟丙基-氧化淀粉，表明原淀粉先醚化再氧化更有利于羟丙基的取代.这可能是因为：氧化后的淀粉分子链被切断，反应位点减少，另外羧基增加了醚化反应空间位阻，导致反应效果比原淀粉醚化要差.

比较不同直链淀粉含量的淀粉改性的结果，发现直链淀粉含量对氧化-羟丙基淀粉的MS影响不明显，而对羟丙基-氧化淀粉影响显著.随着直链淀粉含量的增大，羟丙基-氧化淀粉的MS也增大，表明高直链淀粉有利于羟丙基醚化反应.因为羟丙基醚化在葡萄糖单元上的反应位点是C2、C3和C6，直链分子较支链有更多的反应位点，且羟丙基淀粉稳定，不易脱落，不易被氧化，故在相同条件下，直链含量高的淀粉将接入更多的羟丙基基团[12]，有利于先羟丙基化后氧化的反应.氧化也主要发生在葡萄糖单元C2、C3和C6[13]，生成羰基和羧基，环形开裂；此外，氧化反应和醚化反应之间的位阻效应和竞争效应可能会造成直链淀粉含量对先氧化后醚化的羟丙基含量的影响不明显.

图1 氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的羟丙基摩尔取代度

Fig.1 MS of the hydroxypropyl groups of oxidized hydroxy-propyl starches and hydroxypropyl oxidized starches

2.2 羧基和羰基基团含量分析

淀粉经氧化和醚化变性后羧基和羟基的含量见表1.由表1可见，氧化-羟丙基淀粉比羟丙基-氧化淀粉的羧基和羰基含量要高，这表明原淀粉先氧化再醚化有利于羰基和羧基的生成.这与2.1节相同，因为氧化和醚化在反应位点上是竞争关系，当一种改性完成后，将降低另一种改性的反应效率，而羟丙基淀粉的稳定性不利于氧化.因此，氧化-羟丙基淀粉的羧基和羰基含量高于羟丙基-氧化淀粉.

表1 氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的羧基和羰基基团含量1)

Table 1 Carbonyl and carboxyl contents of oxidized hydroxy-propyl starches and hydroxypropyl oxidized starches

淀粉羰基含量氧化-羟丙基醚化改性羟丙基醚化-氧化改性羧基含量氧化-羟丙基醚化改性羟丙基醚化-氧化改性蜡质玉米0.15±0.01b0.11±0.02b0.50±0.20a0.41±0.10b普通玉米0.09±0.02a0.07±0.02a0.37±0.09a0.24±0.11ab高直链玉米0.08±0.01a0.06±0.01a0.36±0.12a0.13±0.05a

1)表中字母表示同一改性顺序、不同淀粉间的显著性分析结果.

对比不同直链淀粉含量的改性淀粉，发现用两种不同改性方法得到的蜡质玉米淀粉羰基和羧基含量均明显高于普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉，这表明支链淀粉高有利于氧化反应.此结果与Sandhu等[14]的研究结果不同，这主要是因为氧化的次氯酸钠浓度不同(文献[14]中氧化时次氯酸钠的有效氯含量为1%，本实验中次氯酸钠的有效氯含量为4%).Kuakpetoon等[15]用不同浓度的次氯酸钠氧化不同直链含量的玉米淀粉，发现用0.8%次氯酸钠氧化后，高直链淀粉羰基和羧基含量高于其他玉米淀粉，而用2%和5%次氯酸钠氧化后，蜡质玉米淀粉羰基和羧基含量是最高的.这可能是因为：次氯酸钠在低浓度时，因为直链淀粉为线性结构，位阻效应小，直链淀粉含量高的占优势；在高浓度时，由于氧化主要发生在淀粉的无定形区[16]，且玉米淀粉的无定形区大小与直链淀粉含量有关，使得高直链玉米淀粉的无定形区小于普通玉米淀粉[17]，也就是说，相对于普通玉米淀粉和蜡质玉米淀粉，高直链玉米淀粉与次氯酸钠可反应的区域更小，所以在高浓度时高支链淀粉更有利于氧化反应.

2.3 透明度分析

不同淀粉样品的透明度如图2所示.实验发现：氧化-羟丙基淀粉比羟丙基-氧化淀粉的透明度更高.由2.2节可知，氧化-羟丙基淀粉更有利于羰基和羧基的生成，表明氧化改性对淀粉透明度改善的影响更大.氧化后，淀粉中聚合的分子链氧化断裂，分子被降解，且羧基是亲水基团，能与水分子形成氢键，因此能增强淀粉的亲水性和透明度.

图2 原淀粉、氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的透明度

Fig.2 Transparency of native starches,oxidized hydroxypropyl starches and hydroxypropyl oxidized starches

2.4 Brabender黏度分析

图3是氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的Brabender糊黏度曲线.由图可知，氧化-羟丙基淀粉的黏度均低于羟丙基-氧化淀粉.由2.1、2.2节可知，氧化-羟丙基淀粉以氧化反应为主，羧基基团含量高于羟丙基-氧化淀粉.氧化反应是开环反应，且羧基为亲水基团，这会大大降低淀粉的黏度.分析不同直链淀粉含量的黏度发现，变性后峰值黏度的顺序为：普通玉米淀粉>蜡质玉米淀粉>高直链玉米淀粉.而原淀粉的支链含量越高，糊黏度越大，这表明变性后的糊黏度不仅与变性方式、直链淀粉含量有关，还存在其他未知的相关因素.

图3 氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的Brabender糊黏度曲线

Fig.3 Brabender curves of oxidized hydroxypropyl starches and hydroxypropyl oxidized starches

2.5 差式扫描量热结果分析

通过DSC测试得到氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的糊化温度和糊化焓测定结果，见表2.分析发现两种不同复合改性方法得到的改性淀粉在糊化特性温度和糊化焓方面没有显著性差别.

表2 原淀粉、氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的糊化温度和糊化焓测定结果1)

Table 2 Gelatinization properties of native starches,oxidized hydroxypropyl starches and hydroxypropyl oxidized starches

试样To/℃Tp/℃Tc/℃糊化焓/(J·g-1)WC68.40±0.10f74.30±0.11h81.60±0.13d16.05±0.06eo-H-WC60.01±0.21a68.10±0.22c80.30±0.10c9.15±0.12bH-o-WC63.85±0.13d70.23±0.22d83.50±0.17e9.46±0.14bCC69.40±0.16g73.20±0.12g78.40±0.13b13.83±0.14do-H-CC60.78±0.23b65.09±0.28a73.24±0.15a8.26±0.17aH-o-CC61.92±0.10c65.89±0.23b73.38±0.09a8.35±0.24aAMC69.80±0.32h97.14±0.46i107.50±0.38h9.94±0.67co-H-AMC66.56±0.41e75.43±0.22e102.19±0.33f7.91±0.26aH-o-AMC66.70±0.18e77.87±0.27f103.81±0.46g8.00±0.40a

1)表中字母表示同一变量的显著性分析结果；To是指糊化起始温度，Tp是指糊化峰值温度，Tc是指糊化终止温度.

分析直链淀粉含量对于复合改性淀粉糊特性的影响，发现高直链玉米淀粉To值高，而蜡质玉米淀粉的糊化焓高.这是因为高直链玉米淀粉分子间氢键更多，分子结合力更强，糊化温度更高，且高直链淀粉有利于羟丙基醚化，羟丙基摩尔取代度高，亲水性得到改善，糊化需要的能量更低.

2.6 X射线衍射结果分析

通过X射线衍射检测，得到氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的X射线衍射图谱(见图4)和相对结晶度(见表3).由表3可看出，3种原淀粉经变性后相对结晶度均下降，说明淀粉经变性后结构变得松散；蜡质玉米淀粉和高直链玉米淀粉的氧化-羟丙基淀粉的相对结晶度都比羟丙基-氧化淀粉高；这很可能与氧化变性和羟丙基变性发生的反应区域以及样品的组成有关.研究发现，氧化主要发生在淀粉的无定形区，而羟丙基化主要发生在淀粉颗粒的中心区域[18]，说明氧化改性对淀粉的结晶区影响更小，而以氧化为主导的氧化-羟丙基淀粉相对结晶度应该比羟丙基-氧化淀粉高，但是原淀粉经变性后的两种淀粉相对结晶度差异不大，所以有可能还与淀粉的组成有关.由图4可知，两种改性顺序的复合改性淀粉晶型与原淀粉相同，未发生改变.

图4 原淀粉、氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的X射线衍射图谱

Fig.4 X-ray diffraction spectra of native starches,oxidized hydroxypropyl starches and hydroxypropyl oxidized starches

2.7 颗粒表面形态分析

图5是氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的扫描电子显微镜拍摄图.对比同种原淀粉的改性淀粉，可发现：①o- H- WC比H- o- WC颗粒孔洞更大，侵蚀更严重；②o- H- CC比H- o- CC颗粒表面凹坑更多，更深；③H- o- AMC颗粒表面粗糙，凹凸不平，o- H- AMC颗粒光滑.由2.1和2.2节可知，羟丙基-氧化淀粉以羟丙基醚化占主导，氧化-羟丙基淀粉以氧化占主导，且高直链淀粉含量有利于醚化，高支链淀粉含量有利于氧化.用两种不同改性方式制得的淀粉样品的颗粒表面形貌符合之前的分析结果：羟丙基改性主要发生在淀粉颗粒的中心区域；以羟丙基化占主导的羟丙基-氧化淀粉表面比氧化-羟丙基化淀粉光滑；支链淀粉含量高有利于氧化反应，以氧化占主导的氧化-羟丙基改性在支链淀粉中的氧化效果更好，所以氧化-羟丙基蜡质玉米淀粉颗粒上的孔洞更大；结构紧密的高直链玉米原淀粉对于氧化改性不敏感，氧化-羟丙基高直链玉米淀粉的颗粒表面光滑，而高直链玉米淀粉经过羟丙基醚化后，分子内部结合力减弱，更容易被氧化侵蚀，所以羟丙基-氧化淀粉颗粒表面更粗糙不平.

表3 原淀粉、氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的相对结晶度1)

Table 3 Relative crystallinity of native starches,oxidized hydroxypropyl starches and hydroxypropyl oxidized starches

试样相对结晶度/%WCCCAMC原淀粉42.1±0.2g39.1±0.1f28.6±0.1c氧化-羟丙基淀粉35.9±0.1e28.7±0.2c21.2±0.2b羟丙基-氧化淀粉29.1±0.1d28.8±0.2cd19.8±0.2a

1)表中字母表示显著性分析.

图5 氧化-羟丙基淀粉和羟丙基-氧化淀粉的扫描电镜照片

Fig.5 Scanning electron microscope images of oxidized hydroxy-propyl starches and hydroxypropyl oxidized starches

3 结论

研究了先氧化后羟丙基化、先羟丙基化后氧化及不同直链淀粉含量对玉米淀粉复合改性淀粉理化性质的影响，得到如下结论：

(1)复合改性淀粉的性质是先反应的做主导，氧化-羟丙基淀粉氧化程度更高，而羟丙基-氧化淀粉的醚化程度更高；

(2)在黏度方面，两种改性顺序的复合改性淀粉的糊特性差异主要存在于峰值黏度；

(3)直链淀粉含量决定了淀粉是否能发挥改性淀粉的优势，支链淀粉含量高的淀粉有利于氧化改性，直链淀粉含量高的淀粉更有利于羟丙基醚化改性.

淀粉经过羟丙基和氧化复合改性后，不仅可以提高产品的亲水性，同时可以改善产品的机械性能，有利于淀粉加工及应用;玉米淀粉经羟丙基氧化复合改性后可应用于电子工业产品的制造.

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