碾轧处理对乙酰化淀粉品质的影响及作用机理

潘爱云,陈璐璐,+,潘晓雪,代养勇,*,侯汉学,王文涛,丁秀臻,张 慧,李向阳

(1.山东农业大学食品科学与工程学院,山东泰安 271018;2.山东省粮食加工技术工程技术研究中心,山东泰安 271018)

机械力化学的反应机理、动力学特征和热力学特征均与常规化学反应存在区别,甚至使一些利用热能难以或无法进行的化学反应也可能进行[1],成为当前最为活跃的研究领域之一。机械力化学是研究对固体物质施加机械能来促进化学反应的一门学科,实质上是指机械力的能量(高压、剪切、摩擦等)在转化为化学能的过程中产生大量的活性位点,进而有利于物质和其它试剂反应[2]。机械力对固体物质的作用通常分为三个阶段:受力、聚集和团聚[3]。目前,国内外对机械力化学研究主要集中在晶体材料,例如,Li等[4]通过机械力化学成功合成了高性能的Al2O3纳米晶体。而关于淀粉这种多晶材料的机械力化学研究较少。

目前,国内外对改性淀粉机械力作用的研究主要集中在高压和超声方面,而碾轧对改性淀粉机械力作用研究尚少。Li等[5]研究了高压微射流对辛烯基琥珀酸酯化淀粉的影响,结果表明高压微射流可提高改性淀粉的峰值黏度、取代度和反应效率;Chun等[6]的研究结果表明高静压预处理可加速淀粉的羟丙基化;胡爱军等[7]利用超声波法制备氧化淀粉,结果表明超声波处理可显著提高氧化淀粉的溶解度、透明度和白度,降低糊化焓,但对此变化发生的机理研究不够清晰。

碾轧是一种简便有效的机械力作用方式,是利用碾轮的滚动,对材料产生搓捻、压揉、摩擦等作用,从而使材料产生连续的晶粒分裂和细化,实现对材料微观组织的改善,进而提高其综合品质的方法[8]。天然淀粉具有溶解度低、耐热性和抗剪切力差等缺点限制了其在食品工业中的使用,为改善这些理化性质,增加其在食品工业中的应用范围,需要对其进行改性处理。乙酰化淀粉是在一定条件下淀粉分子上的羟基与乙酸或其它酸衍生物发生反应生成的酯化淀粉[9]。低取代度乙酰化淀粉通常具有化学性质稳定等良好的性能,目前已广泛应用到食品添加剂、食品包装薄膜和造纸等诸多领域[10]。本文以甘薯淀粉为原料,碾轧处理低取代度乙酰化甘薯淀粉和甘薯淀粉,研究碾轧对乙酰化甘薯淀粉品质以及对甘薯淀粉结构和理化性质的影响,采用机械力化学相关理论分析碾轧对乙酰化淀粉品质影响的作用机理。该研究为制备高品质乙酰化淀粉提供一种简便有效的方法,同时也为今后研究制备高品质变性淀粉先进装备奠定一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甘薯淀粉 山东圣琪生物有限公司;8-氨基芘基-1,3,6三磺酸三钠盐(8-aminopyrene-1,3,6-trisulfonic acid trisodium salt,APTS)、氰基硼氢化钠 美国Sigma公司;溴化钾 美国Pike公司。

ZKY-101型碾轧机 北京中科浩宇科技发展有限公司;RVA-ERITM黏度分析仪 瑞典PERTEN公司;Nicolet is5傅立叶变换红外光谱仪 美国Thermo Fisher Scientific公司;B-383POL偏光显微镜 意大利OPTIKA公司;D8 ADVANCE型X射线衍射仪 德国Bruker-Axs有限公司;QUANTA FEG250扫描电子显微镜 美国FEI公司;LSM 510 META激光共聚焦显微镜 德国Zeiss公司;200PC差示量热扫描仪 德国NETZSCH公司;TA-60热重分析仪 日本Shimadzu公司;NMI20-Analyst低场核磁共振测试仪 苏州纽迈电子科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 低取代度乙酰化甘薯淀粉的制备及碾轧改性淀粉 根据Lin等[11]的方法,略作修改。取甘薯淀粉(500.00 g,干基)溶于蒸馏水中制备40%的淀粉乳,置于碾轧机中,缓慢加入10.00 g乙酸酐,同时加入NaOH溶液(3%)将pH调节至8.0～8.5,目的是使淀粉碱化和催化乙酸酐开环反应,从而使乙酰化淀粉获得更好的取代效果[12]。碾轧机电压为220 V,功率为1800 W,同时设置碾轧主机频率为30 Hz,温度30 ℃,先进行碾轧处理,处理时间为0、2、5、7、18 h,然后在30 ℃下继续反应,每个样品反应总时间为18 h,反应完成后加入0.1 mol/L HCl溶液调节溶液pH范围在6.0～7.0,从而终止反应,产生沉淀。室温下过滤,用蒸馏水洗至没有酸性。将不同碾轧处理时间的乙酰化淀粉样品置于40 ℃烘箱中干燥24 h至恒质量,粉碎,过200目筛储存备用,得到碾轧处理的乙酰化甘薯淀粉样品。

制备等量相同浓度的淀粉乳,置于碾轧机中,采用相同频率和温度碾轧处理0、2、5、7、18 h。将样品置于40 ℃烘箱中干燥24 h至恒质量,粉碎并过200目筛储存备用,得到碾轧处理的未乙酰化甘薯淀粉样品。

1.2.2 碾轧处理乙酰化甘薯淀粉品质测定

1.2.2.1 取代度(DS)和反应效率(RE)测定 准确称取5.00 g通过碾轧处理制备的乙酰化淀粉于250 mL锥形瓶中,加入50 mL蒸馏水混匀,再加入3～4滴的酚酞指示剂(5 g/L),混匀后用0.01 mol/L的NaOH溶液滴定至呈微红色,再加入25 mL 0.05 mol/L NaOH标准溶液,摇匀并在室温下反应60 min。用0.05 mol/L HCl标准溶液滴定至红色消失且30 s不变化即为终点,体积记为V2(mL),用原淀粉做空白实验,记录消耗HCl标准溶液的体积V1(mL)。每个样品测量三次。计算公式如下[13]:

乙酰基含量AC(%)=[(V2-V1)×CHCL×0.043×100]/M

式(1)

式(2)

式(3)

式中:AC表示乙酰基的含量,%;V1、V2表示滴定原淀粉和乙酰化淀粉消耗的HCl体积,mL;CHCL表示HCl溶液浓度,mol/L;M表示乙酰化淀粉样品的质量,g;4300表示100×乙酰基的摩尔质量,g/mol;162表示葡萄糖单元的摩尔质量,g/mol;42表示乙酰基的摩尔质量减去氢原子的摩尔质量;N1、N2表示加入淀粉和乙酸酐的摩尔数,mol。

1.2.2.2 溶解度(S)和膨胀力(SP)测定 准确称取9.00 g(干基)乙酰化淀粉样品和未乙酰化淀粉样品分别置于不同烧杯中,配制450 mL质量分数为2.0%的淀粉溶液,不断搅拌,85 ℃条件下糊化30 min,然后冷却至室温后进行离心30 min,将上层清液倾倒于已经恒重的烧杯中,放入105 ℃烘箱中干燥12 h至恒质量,称取其质量为被溶解的淀粉质量A,称取离心后沉淀物质量为膨胀淀粉质量P。每个样品重复三次,按下面公式计算S和SP[10]:

式(4)

式(5)

式中:A表示上清液烘干恒重后的质量,g;W 表示绝干样品质量,g;P 表示离心后沉淀物质量,g。

1.2.2.3 糊化特性测定 根据Makowska等[14]的方法,利用样品的含水率,计算出所需乙酰化淀粉样品和未乙酰化淀粉样品的质量和蒸馏水量。充分混合于RVA样品盒中调成一定浓度的淀粉乳。采用快速黏度分析仪测定淀粉的糊化特性。采用升温-降温循环系统测定过程如下:50 ℃保持1 min,3.7 min后上升至95 ℃,95 ℃保持2.5 min,3.8 min后下降至50 ℃,50 ℃保持2 min。起始10 s内搅拌器转速为960 r/min,以后保持160 r/min。每个样品测量三次。

1.2.3 碾轧处理甘薯淀粉结构和理化性质测定

1.2.3.1 X射线衍射(XRD) 用XRD测定未乙酰化淀粉样品的结晶特性。测试条件如下:特征射线CuKα,管压40 kV,电流40 mA,测量角度2θ范围为5 °～40 °,步长为0.02 °,扫描速率为4 °/min。

1.2.3.2 傅里叶变换红外(FTIR)分析 将未乙酰化淀粉样品和溴化钾在105 ℃条件下干燥4 h至恒质量。准确称取1.00 mg未乙酰化淀粉样品和150.00 mg溴化钾粉末于红外灯下研磨,充分混合后倒入压片机中抽真空压制成簿片。采用KBr薄片为背景,扫描波数为400～4000 cm-1,扫描次数为32,分辨率为4 cm-1,获得红外光谱图,并对红外光谱图进行去卷积峰处理,计算995、1022和1047 cm-1处的峰面积。每个样品测量三次。

1.2.3.3 热力学特性分析(DSC) 准确称取5.00 mg未乙酰化淀粉样品置于坩埚中,加入15 μL蒸馏水,4 ℃下平衡12 h。在试验之前将坩埚在室温下平衡1 h。以空坩埚作为对照,采用10 ℃/min的速率从20 ℃升温至100 ℃,记录凝胶起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)和糊化焓(ΔH)。每个样品测量三次。

1.2.3.4 扫描电子显微镜(SEM) 根据Zhang等[10]的方法,使用SEM在2000倍条件下观察未乙酰化淀粉样品颗粒的形态。

1.2.3.5 偏光显微镜(PLM) 将未乙酰化淀粉样品配置成10 g/L淀粉乳,取一滴置于载玻片上,盖上盖玻片在偏光显微镜下观察,并记录淀粉颗粒的偏光十字特征。

1.2.3.6 激光共聚焦显微镜(CLSM) 根据Makowska等[14]的方法,对未乙酰化淀粉样品进行预处理,然后取一滴悬浮液于CLSM观察,并记录下淀粉颗粒的微观结构。

1.2.3.7 低场核磁分析(LF-NMR)水分分布 根据Wu等[15]的方法测定水分迁移率。将不同碾轧处理时间的一定量未乙酰化淀粉样品置于具有饱和NaCl溶液的干燥器中,然后将干燥器放于25 ℃恒温室中进行水分平衡。准确称量1.00 g平衡好的样品放置于外径为15 mm的核磁管中,并用薄膜封口防止水分散失。采用21.96 MHz NMR测试仪测定淀粉样品的横向驰豫时间(T2)。测试条件如下:采用CPMG脉冲序列和21.96 MHz的质子共振频率,90 °与180 °脉冲持续时间分别为8.2和16.4 μs,脉冲间隔时间为120 μs,回波数为4096,两个扫描脉冲的时间间隔为3 s,扫描次数为16。所有试验均在(32±0.1) ℃的温度下进行,每个样品重复测试三次。

1.2.3.8 热稳定性分析(DTG) 采用DTG分析未乙酰化淀粉样品的热稳定性。测试条件如下:准确称量样品质量5.00～10.00 mg,N2作为保护气,以10 ℃/min的升温速率加热至500 ℃。

1.3 数据处理

采用SPSS 22.0、Origin 8.5和Excel进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 碾轧处理对乙酰化甘薯淀粉品质的影响

乙酰化淀粉的取代度和反应效率反映淀粉的化学活性[16]。由表1可知,碾轧处理的乙酰化淀粉与未乙酰化的碾轧改性淀粉相比,其溶解度、膨胀力和黏度提高,糊化温度降低。可见,乙酰化淀粉品质的高低主要与其取代度有关。由表1可知,与未碾轧相比,碾轧处理2和7 h后乙酰化淀粉的取代度和反应效率显著提高,可见碾轧处理提高了甘薯淀粉的化学活性。同时乙酰化淀粉的溶解度、膨胀力和峰值黏度也显著提高。碾轧处理18 h后,虽然乙酰化淀粉的取代度降低,但其溶解度和膨胀力显著(P<0.05)增大,可见通过碾轧处理可显著改善乙酰化淀粉的品质。但是在碾轧处理5 h,其品质(溶解度、膨胀力和峰值黏度)较5 h前降低。可见不同碾轧处理时间对乙酰化淀粉的取代度、反应效率以及其品质(溶解度、膨胀力和峰值黏度)会产生不同的影响,但其影响机理还不清楚。

表1 碾轧处理对乙酰化甘薯淀粉品质的影响Table 1 Effect of rolling on quality of acetylated sweet potato starch

表2 不同碾轧处理时间下未乙酰化甘薯淀粉红外和热力学特性分析Table 2 Infrared and DSC analysis of unacetylated sweet potato starch treated after different rolling time

表3 碾轧对未乙酰化甘薯淀粉颗粒中水状态及分布的影响Table 3 Effect of rolling on water status and distribution in unacetylated sweet potato starch granules

2.2 碾轧处理对甘薯淀粉结晶结构的影响

由图1可知,甘薯原淀粉在2θ为14.9 °、17.0 °、17.8 °、23.0 °出现衍射峰,符合C型结构的衍射特征。碾轧处理2 h后,结晶度下降至26.1%;同时17.8 °处的衍射峰消失,这是由于B型淀粉结晶中的双螺旋结构由36个水分子包裹,形成水化中央腔,由于氢键作用力较弱,在机械力作用下易被破坏,故碾轧对B型淀粉破坏作用强[17]。碾轧处理5 h后,结晶度又显著增大至27.2%,可见碾轧有助于2 h内破坏的亚微晶重新结晶[18]。碾轧处理7、18 h后,特征峰强度逐渐减弱,相对结晶度分别下降至22.1%和21.2%,可见此阶段晶体结构严重破坏,衍射峰呈现一种短程有序的亚微晶结构[10]。

图1 不同碾轧处理时间下未乙酰化甘薯淀粉X-衍射图谱Fig.1 XRD patterns of unacetylated sweet potatostarch treated after different rolling time

2.3 碾轧处理对甘薯淀粉分子结构和热力学特性的影响

1047 cm-1/1022 cm-1的比值代表晶体区域的有序程度,995 cm-1/1022 cm-1的比值代表位于晶体内部双螺旋的组织状态[19]。由表2可知,碾轧处理2、7 h后,1047 cm-1/1022 cm-1的比值降低,表明有序结构被分解成无定形结构,导致淀粉颗粒结晶区域有序程度降低,因此淀粉颗粒糊化时吸收能量较少,易于糊化。然而,碾轧处理5 h 后1047 cm-1/1022 cm-1的结果与碾轧处理2、7 h显著不同(P<0.05),可见淀粉颗粒结晶区域变得更加有序;同时995 cm-1/1022 cm-1的比值降低,表明由于淀粉颗粒发生重结晶(图1)导致含水量低[20],并使位于晶体内部的双螺旋结构具有更好的组织性。因此淀粉颗粒需要更多的能量来打破双螺旋结构,从而导致To、Tp、Tc和ΔH增加。另外,碾轧处理18 h后1047 cm-1/1022 cm-1的比值显著增大,995 cm-1/1022 cm-1的比值显著降低(P<0.05),表明碾轧导致结晶区域的双螺旋结构严重破坏,所以淀粉的To、Tp和Tc降低,ΔΗ显著(P<0.05)降低。

2.4 碾轧处理对甘薯淀粉颗粒形貌、偏光十字和微观结构的影响

由图2a可知,甘薯原淀粉颗粒形状多数为圆形、半椭圆形,形状大小不均。随着碾轧处理时间的增加,淀粉颗粒表面变的粗糙,变形,凹陷加深。尤其是碾轧处理7、18 h后,淀粉颗粒表面破裂严重,有碎片和颗粒依附于淀粉大颗粒上。这是由于在碾轧作用下淀粉颗粒被破碎成更小的颗粒,导致比表面积明显增加,从而导致淀粉颗粒的表面活性增加[21]。因此,具有较高表面活性的淀粉颗粒容易聚集或粘附在较大颗粒的表面。同时碾轧处理18 h后,部分淀粉颗粒断裂面出现了一些球状凸起和孔洞(图2e)。

“一个虚拟的地球。”“颜姨”似乎知道米多在想什么，“绝大多数人类不会去反思自己，只是麻木地生活着。只有极少数人会有所察觉，我们称之为‘觉醒者’。像这类人，一旦意识清醒，就得结束他的世界。因为他们的存在，会给剩余的人类带来很多的麻烦，这关乎着人类的存亡。”

图2 不同碾轧处理时间下未乙酰化甘薯淀粉SEM(a～e)、PLM(f～j)和CLSM(k～o)图Fig.2 SEM(a～e),PLM(f～j)and CLSM(k～o)of unacetylated sweet potato starch treated after different rolling time注:a、f、k为未碾轧的甘薯淀粉;b、g、l为碾轧处理2 h处理;c、h、m为碾轧处理5 h处理;d、i、n为碾轧处理7 h处理;e、j、o为碾轧处理18 h处理;e中箭头指的是颗粒表面的凸起和孔洞;k中箭头1和2分别指的是生长环和中央腔结构。

偏光十字现象又称为双折射性,是由淀粉颗粒内部结晶和非结晶结构的各向异性产生的极化交叉[22]。由图2f可知,甘薯原淀粉颗粒的偏光十字完整且清晰,多数呈现垂直交叉,交叉点接近淀粉粒心,可见甘薯淀粉颗粒大多数接近球状晶体。碾轧处理2 h后,部分偏光十字变得模糊。然而碾轧处理5 h后,淀粉颗粒偏光十字又变清晰完整,这是由于该阶段淀粉颗粒结晶度增大,使结晶区和非结晶区的差异性变得明显,双折射性增强。碾轧处理7～18 h后,部分淀粉颗粒偏光十字缺失严重,有的甚至消失,表明这些颗粒的晶体结构被严重破坏。

由图2k可知,甘薯原淀粉具有生长环和中央腔结构,其中生长环是由结晶区和亚结晶区交替生长的层状组织[23]。由图2(l-o)可知,碾轧处理2 h后,部分颗粒的荧光强度减弱,中央腔变得模糊,可见碾轧作用可使亚结晶区和无定形区发生破坏,结构变得疏松。碾轧处理5 h后,部分颗粒荧光强度突然增大。碾轧处理7～18 h后,淀粉颗粒内部结构严重破坏,颗粒亮度明显变暗,有的甚至没有荧光现象,中央腔呈现中空性结构,可见中央腔组织性较差,易受机械力作用的破坏,导致淀粉分子链发生降解且溶出[17]。

2.5 碾轧处理对甘薯淀粉颗粒中水分分布的影响

横向弛豫时间(T2)是激发状态下自旋质子与周围质子进行能量交换后达到动态平衡所需的时间,其主要反映的是淀粉分子的结构状态,而不仅是水分子的状态[24]。T2值越大,氢质子受到的束缚力越小,水的自由度越高,越小则相反[24]。T2,1和T2,2分别代表淀粉颗粒中的结合水和自由水,A2,1和A2,2则代表结合水和自由水的信号强度,即水含量[25]。由表3可知,碾轧处理2 h后,T2,1和T2,2值均增大,这是由于碾轧作用破坏了淀粉颗粒结构,从而导致氢质子间的结合力变弱,自由度增加,因此淀粉颗粒内质子的迁移率增加。同时,A2,1增大,A2,2减小,这是由于疏松的淀粉结构促使自由水渗透并存在于淀粉颗粒内部,增加了自由水和淀粉之间的相互作用,并允许更多的自由水与淀粉结合,从而导致这个阶段的自由水转化为结合水,因此导致A2,1增大,A2,2减小。Li等的[26]研究中也得到了相似的结果。另外T2,2在5 h后完全消失,因此可以得出该阶段甘薯淀粉颗粒中几乎没有自由水。

2.6 碾轧处理对甘薯淀粉热稳定性的影响

淀粉的稳定性受淀粉分子量和晶体结构的影响。有研究结果表明普通甘薯淀粉的热分解主要有两个阶段:第一阶段(T≤200 ℃)主要与水的蒸发有关;第二阶段(260 ℃≤T≤400 ℃)与淀粉糖类有机物热解有关[27]。由图3可知,碾轧处理2 h后,两阶段的失重速率迅速增大,可见碾轧处理显著影响淀粉的热稳定性。碾轧处理5 h后,两阶段的失重速率显著减小,这是由于该阶段结晶度增大,内部结构紧密,致使淀粉稳定性提高。此外,有研究报道了类似的现象,表明紧密的结构可以限制分子链的运动和增加分解的抵抗力[28]。碾轧处理7～18 h后,两阶段淀粉样品失重速率逐渐增大,表明淀粉晶体结构受到严重破坏,部分淀粉分子发生降解[17]。

图3 不同碾轧处理时间下未乙酰化甘薯淀粉DTG图Fig.3 DTG diagrams of unacetylated sweetpotato treated after different rolling time

3 讨论与结论

天然甘薯淀粉颗粒内部存在结晶度低,结构疏松的中央腔结构[17],所以在碾轧作用下淀粉颗粒会发生形变,导致内部淀粉分子不断运动,重新排列,从而导致甘薯淀粉结构和理化性质发生变化。碾轧处理2 h后,淀粉颗粒中水的T2值增大,结晶度、糊化焓降低,颗粒热稳定性减弱,可见淀粉颗粒结构疏松。而碾轧处理5 h后,结晶度,糊化焓及热稳定性显著增大,T2,2值消失。这些变化表明淀粉颗粒结构变得紧密。碾轧处理7～18 h后,结晶度、热稳定性和糊化焓降低,淀粉颗粒中结合水的T2,1值增大,可见该阶段淀粉颗粒内部结构又变疏松;同时ΔH急剧下降至1.85 J/g,表明该阶段的淀粉几乎完全凝胶化;另外1047 cm-1/1022 cm-1的比值显著增大,表明结晶区域中的双螺旋结构呈短程有序排列。此阶段结果显著不同于5 h。借鉴机械力化学相关理论,碾轧处理5 h与机械力化学效应聚集阶段类似,碾轧处理2和7～18 h分别与机械力化学效应的受力阶段和团聚阶段相对应。可见,碾轧处理对甘薯淀粉颗粒产生了显著的机械力化学效应。

随着碾轧处理时间的增加,甘薯淀粉颗粒内部依次经历了受力(2 h)、聚集(5 h)和团聚(7～18 h)阶段。故碾轧处理可对甘薯淀粉颗粒产生显著的机械力化学效应。该效应可提高淀粉的化学活性(碾轧处理2和7 h),进而提高乙酰化淀粉的品质(溶解度、膨胀力和峰值黏度)。另外碾轧处理18 h后,虽然淀粉的化学活性降低,但其品质(溶解度和膨胀力)显著增大。该研究从机械力化学的角度揭示了碾轧处理对乙酰化甘薯淀粉品质影响的作用机理,对制备高品质变性淀粉提供了一种简便有效的方法,同时为今后研究制备高品质变性淀粉先进装备奠定一定的理论基础。