超声波辅助制备醋酸酯多孔淀粉

杨俊美，马晓军

（江南大学 食品学院，江苏 无锡 214122）

多孔淀粉是由淀粉经酶解或其他方式在其颗料表面及内部形成蜂窝状孔洞的中空淀粉颗粒[1]，研究开发多孔淀粉主要是用来吸附[2]和包埋物质[3]。为了改善包埋和吸附性能，甚至开发特异性吸附的多孔淀粉[4]，需要在多孔淀粉上引入其他基团来达到效果。醋酸酯化是淀粉改性中常用的方法[5]，但多次实验发现，多孔淀粉与一般淀粉相比，酯化反应难得多，取代度很低。这可能是因为在制备多孔淀粉时，利用淀粉酶的水解成孔主要发生在淀粉颗粒的无定形区，从而减少了淀粉颗粒上能发生酯化反应的位点。针对这个问题，通过对多种手段的探索，发现利用超声波处理是一种有效的解决途径。本实验研究了超声处理[6]对制备醋酸酯多孔淀粉的影响，以及对醋酸酯多孔淀粉吸油率的影响；并运用了红外光谱仪、扫描电镜、X-射线衍射等研究手段对超声酯化多孔淀粉的结构进行表征。

1 材料与方法

1.1 实验材料

玉米淀粉：山东恒仁工贸有限公司；大豆油：金龙鱼大豆油；糖化酶（酶活100 000 U/g）：阿拉丁；α-淀粉酶（酶活 4 600 U/g）：麦考林；柠檬酸、乙酸酐、磷酸氢二钠、氢氧化钠、盐酸等均为分析纯试剂：国药集团化学试剂有限公司。

DKZ-450B型电热恒温振荡水槽：上海森信实验仪器有限公司；721E型可见分光光度计：上海第三分析仪器厂；循环水式多用真空泵SHZ-IIIB：临海市谭氏真空设备有限公司；750T型西厨多功能粉碎机：铂欧五金厂；JY92-IIN超声波细胞粉碎机：宁波新芝生物科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 醋酸酯多孔淀粉的制备 参考Philips等[7]制备醋酸酯淀粉的方法，进行一定的改良来制备醋酸酯多孔淀粉。称取一定量的多孔淀粉[8]置于50 mL的锥形瓶中，加入一定比例的去离子水，用3%的NaOH调pH至一定值，将一定浓度的醋酸和醋酸酐匀速滴入淀粉乳中，然后放在一定条件下的超声波反应器中反应。反应完成后用0.5 mol/L的盐酸中和至pH 6.5，过滤，去离子水洗涤3次，50℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥、粉碎，得到醋酸酯多孔淀粉。

1.2.2 醋酸酯多孔淀粉取代度的测定 醋酸酯的取代度（DS）可以用酯化产物中的酯基（-COCH3）含量来表示。采用滴定法测定酯化产物中的酯基（-COCH3）的含量[9]。称取2.0 g的醋酸酯多孔淀粉加入250 mL的锥形瓶中，然后量取40 mL的去离子水加入锥形瓶中，最后加入3滴1%酚酞指示剂，混匀搅拌30 min，然后用0.05 mol/L的NaOH溶液滴定至呈微红色，加入10 mL 0.5 mol/L的NaOH标准溶液，在磁力搅拌器上振荡60 min进行皂化反应。皂化反应结束后，用0.5 mol/L左右的HCl标准溶液滴定过量的碱至红色消失且30 s内不变色，消耗HCl的体积记为V1。用多孔淀粉做空白实验，采用以上相同的步骤进行测定，消耗0.5 mol/L的HCl标准溶液的体积记为V0，每个样品进行3次平行实验[10]。

式中：V1为醋酸酯多孔淀粉消耗HCl标准溶液的体积，V0为多孔淀粉消耗HCl标准溶液的体积，N为HCl标准溶液的摩尔浓度，43为酰基的摩尔质量，A为乙酰基含量，DS为脱水糖环中-OH被-COCH3取代的数目即取代度。

1.2.3 醋酸酯多孔淀粉吸油率的测定 称取2.0 g左右的样品置于50 mlL烧杯中，加入色拉油10mL，使用磁力搅拌器搅拌30 min，让色拉油充分吸收，然后将淀粉放置于砂芯漏斗中真空抽滤直到无油滴滴下为止，按照式（1）计算吸油率A，进行3次平行实验[11]。

式中：W为抽滤前砂芯漏斗的质量，W0为抽滤后砂芯漏斗的质量。

1.2.4 超声处理 1）超声功率对醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影响。称取一定量的多孔淀粉，加入一定比例的去离子水，将淀粉质量分数调为20%，加入淀粉质量分数10%的醋酸酐和醋酸的混合液（醋酸∶醋酸酐体积比=1∶3），用 3%的 NaOH 调节pH至8.0，然后将淀粉乳溶液放置到超声粉碎机中， 分别调节超声功率为 0，100，200，300，400 和500 W，温度为30℃，反应时间为120 min。反应完成后，按1.2.2和1.2.3节的方法分别测不同超声功率下醋酸酯多孔淀粉的取代度和吸油率。

2）超声反应时间对醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影响。称取一定量的淀粉，加入一定比例的去离子水，将淀粉质量分数调为20%，加入淀粉质量分数10%的醋酸酐和醋酸的混合液（醋酸与醋酸酐体积比=1∶3），用3%的NaOH调节pH至 8.0，然后将淀粉乳溶液放置到超声粉碎机中，设置超声功率为200 W，温度为30℃，分别调节超声时间为60，90，120，150 和 180 min。反应完成后，按 1.2.2 和1.2.3节的方法分别测不同超声功率下醋酸酯多孔淀粉的取代度和吸油率。

1.2.5 醋酸酯多孔淀粉红外光谱分析 称量少量样品，加入KBr细粉末，然后进行研磨，取少量研磨后的粉末干燥一定时间后进行压片，将制得的透明玻片采用红外线光谱仪进行扫描，扫描范围为400～4 000 cm-1，然后根据扫描出的红外光谱图对样品进行分析。

1.2.6 醋酸酯多孔淀粉的扫描电镜观察 使用扫描电子显微镜来观察不同多孔淀粉的形貌。在真空条件下将样品用四氧化锇气体固定，然后沾取少量的待测样品均匀涂抹在导电的双面胶布上，将其放置于离子溅射仪中进行镀金处理20 min，然后取出样品置于扫描电镜下进行观察，电子枪加速电压为5.0 kV[12]。

1.2.7 醋酸酯多孔淀粉X衍射分析 将样品进行粉碎后用X-射线衍射仪进行结晶性能的测定，X-射线衍射测定条件为特征射线CuKα，测定管压为40 kV，电流 20 mA，测定区域（2θ）为 5.00～70.00°，步宽 0.02°，扫描速度 10 （°）/min。 用 JADE 6.0 软件进行分析和计算相对结晶度[13]。

2 结果与讨论

2.1 超声功率对醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影响

在不同的超声功率下，探究超声功率对醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影响，结果如图1所示。

图1 超声功率对醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影响Fig.1 Effecton ultrasonicpoweron DS and oil absorption ratio

由图1可以看出，随着超声功率的增加取代度先增大后减小，在200 W时，取代度达到最大值，为0.055 9。这是因为随着超声功率的增加，超声对淀粉的作用增强，由于超声处理之后淀粉表面的结晶结构变得松散，结晶度下降，使醋酸和醋酸酐分子能渗透到淀粉颗粒内部，使得反应的取代度增加，随着超声功率的增加，淀粉与反应物的接触面变大，使得反应的程度变大[14]，但当超声功率继续增大，酯化反应易发生副反应[15]，取代度在达到最大值后下降。从图1还可以看出，随着超声功率的不断增大，醋酸酯多孔淀粉的吸油率也是先上升后下降，这和取代度的变化高度一致，说明接入乙酰基基团能显著提高多孔淀粉的吸油率。

2.2 超声反应时间对醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影响

在不同的超声反应时间下，探究超声反应时间对醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影响，结果如图2所示。

图2 超声反应时间对醋酸酯多孔淀粉取代度及吸油率的影响Fig.2 Effect on ultrasonic respose time on DS and oil absorption ratio

由图2可以看出，随着超声时间的增加取代度先增大后减小，在150 min时，取代度达到最大值。这是因为随着超声时间的增加，超声对淀粉的作用增加，由于超声处理之后淀粉表面的结晶结构变得松散，结晶度下降，使醋酸和醋酸酐分子能渗透到淀粉颗粒内部，使得反应的取代度增加，随着超声时间的增加，淀粉与反应物的接触面变大，使得反应的程度变大[16]，但当超声时间继续增大，酯化反应易发生副反应[17]，取代度在达到最大值后下降。从图2还可以看出，随着超声时间的增加，多孔淀粉的吸油率也是先上升后下降。这和取代度的趋势基本一致。这也是因为随着取代度的增加，淀粉的乙酰基基团-COCH3在不断的增加，这使得淀粉的吸油率也不断地增加，两者变化规律一致。

2.3 淀粉颗粒的红外光谱分析

由图3可以看出，多孔淀粉的光谱图上在3 410 cm-1处出现-OH振动形成的吸收峰，1 646 cm-1处出现淀粉所吸收的水分子的两个-OH剪切所形成的吸收峰，在2 934 cm-1处出现C-H振动拉伸形成的特征峰。通过酯化反应后，在1 733，1 371和1 238 cm-1处出现了新的吸收峰，这是醋酸酯的特征吸收峰[18]。这些吸收峰说明了淀粉确实进行了醋酸酯化反应[13]。

图3 多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉（DS=0.055 9）的红外光谱图Fig.3 SEM of porous starch and acetate porous starch

2.4 淀粉颗粒的扫描电镜图

用SEM观察多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉的形貌，结果如图4所示。

图4 多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉（DS=0.055 9）的SEM图Fig.4 SEM of porous starch and acetate porous starch

由图4（a）可以看出，多孔淀粉表面有很多大小不一的孔向颗粒内部延伸，形成蜂窝状的中孔颗粒[19]。由图4（b）可以看出醋酸酯化后的多孔淀粉依然保持了多孔淀粉的基本形貌，但是颗粒表面变得粗糙。说明在此超声条件下超声酯化反应未破坏多孔淀粉原有的蜂窝状孔洞。

2.5 淀粉颗粒的X衍射分析

由图5可以看出，多孔淀粉在15.3，17.2和23°均有较强的衍射峰，说明玉米多孔淀粉呈A型结构[20]。酯化后的多孔淀粉仍然呈A型结构，说明酯化反应未改变淀粉的晶型结构[21]。但通过计算，多孔淀粉的相对结晶度从19.37%变为16.25%，下降了16.10%，这是因为超声波处理，使淀粉的结构变得松散，淀粉的结晶区被破坏，所以醋酸酯多孔淀粉和多孔淀粉相比，相对结晶度减小。

图5 多孔淀粉和醋酸酯多孔淀粉（DS=0.055 9）的X衍射图Fig.5 XRD of porous starch and acetate porous starch

3 结 语

超声波辅助处理对多孔淀粉的醋酸酯化反应作用明显，在超声功率为200 W，超声时间为150 min时取代度和吸油率能分别达到0.055 9和89.1%，跟未经过超声的醋酸酯化多孔淀粉相比，取代度提高了64.4%，吸油率提高了13.9%，在超声功率为200 W，超声时间为150 min条件下酯化后多孔淀粉的蜂窝状孔洞未被破坏，相对结晶度与多孔淀粉相比，下降16.1%。