湿热预处理对酸解淀粉纳米晶制备的影响

邢俊杰 李 栋 杨 震 彭 伟 郭晓娜 朱科学

(江南大学食品学院1，无锡 214122) (中国农业大学工学院2，北京 100083)

淀粉纳米晶(starch nanocrystal，SNC)以其特有的刚性结晶结构可作为填充物添加到可降解复合材料中，用于改善或增加其机械特性[1-3]。酸水解法能将淀粉颗粒的无定形区水解，以保留刚性的结晶结构，是目前制备淀粉纳米晶最主要的方法之一[4, 5]。

淀粉纳米晶的酸解制备过程中受到很多因素的影响[6]，如酸解温度、酸的类型、酸的浓度和酸解时间等[1, 7, 8]。常温条件下酸解淀粉纳米晶的方法制备时间长、得率低，并且对淀粉类型要求苛刻。为了缩短生产时间，提高生产效率，有必要在酸解制备前对淀粉进行一些预处理[9]。采用机械的或化学的方法进行复合可以充分发挥两种手段的优势，如高压均质[10]和超声处理[11, 12]；生物酶预处理也是制备纳米淀粉重要途径[13, 14]。但是，前两种方法对晶体结构都有不同程度的破坏，淀粉纳米颗粒几乎全部是无定形的成分[10]，且耗能较高；而酶处理虽然是一种产量高，环境友好的方法，但处理成本较高，原淀粉的结晶结构损失严重，生产出来的纳米淀粉结构差别很大，这限制了其在工业中的应用。

湿热处理是一种重要的物理改性方法[15]，其操作简单，成本较低且免除使用化学试剂，不会对环境造成任何污染。对淀粉进行湿热预处理，可以促使直链-直链、支链-直链、支链-支链分子内/间产生相互作用，进而强化淀粉颗粒结构尤其是结晶结构的热稳定性，湿热处理淀粉也因此可以表现出一定的抗酸解性[16, 17]。先前的研究发现湿热处理淀粉的糊化呈现为多个阶段：第一阶段：无定形区不可逆溶胀吸水阶段(<65 ℃)；第二阶段：晶体结构解体伴随吸水阶段(71～72 ℃)；第三阶段：结晶结构完全解体后体系自吸水溶胀阶段(>80 ℃)[18, 19]。这使得将湿热预处理作为一种处理手段在较高温度下酸解制备淀粉纳米晶成为可能，而在高温酸解淀粉时需同时考虑淀粉糊化和酸解两种作用的影响，为了最大限度保留淀粉的晶体结构的同时水解无定形结构，本研究以湿热预处理淀粉为原料，在温度处于第一、二阶段之间对其进行酸解，选定酸解温度区间为65～71 ℃，研究其对淀粉纳米晶制备的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料

玉米淀粉；硫酸、氢氧化钠、去离子水，分析纯。

1.2 主要仪器

T25数显型高剪切分散机，XD-2型X射线衍射仪，AR2000ex流变仪，Q10差示扫描量热仪(DSC)，LGJ-18真空冷冻干燥机，Nano ZS动态光散射激光粒度仪，JSM-6500F扫描电子显微镜。

1.3 湿热处理淀粉制备

首先将60 g淀粉样品的含水率调节到30%(湿基)，具体过程为：测定样品含水率并记录，计算所需加水量，将计算量的去离子水以喷洒的方式加入到淀粉样品，混匀后即得30%湿基含水量的淀粉样品。将样品密封于杜兰玻璃容器中，室温平衡24 h，然后置于120 ℃的通风烘箱中分别反应30 min。反应结束后，将样品迅速冷却至室温，并将一部分湿热处理淀粉在40 ℃下风干，粉碎，过80目筛。最后，将湿热处理淀粉样品用密封袋包装并保存于干燥器中，随后进行淀粉纳米晶的酸解制备过程。

1.4 方法

1.4.1 淀粉纳米晶的制备

取10 g原玉米淀粉和湿热处理淀粉分别加入到80 mL，3 mol/L的H2SO4中制成淀粉悬浊液，然后分别置于不同温度(65～71 ℃)的水浴锅内进行酸解，酸解不同的时间(5～120 min)后取出淀粉样品，为提高酸碱中和效率，在样品冷却后首先采用离心机在6 000×g下离心15 min，弃掉上清液，将上述离心后的沉淀物用去离子水重悬后，用40 g/L的NaOH溶液中和(pH等于7.0)。再次，将中和后的样品用6 000×g离心15 min，此步骤重复四次后得到酸解后的湿态淀粉纳米晶。湿态的淀粉纳米晶样品一部分用于粒度检测，另一部分冻干后进行称重，然后用研钵进行研磨，过80目筛，密封袋密封并保存于干燥器中待用。反应期间持续搅拌样品以达到均匀水解的目的。水解率由公式计算而得：

水解率(DH)=(m1-m2)/m1×100%

(1)

式中：m1为样品的初始干质量，m2为酸解后淀粉冻干后的质量。

1.4.2 纳米激光粒度研究

通过动态光散射激光粒度仪(Nano ZS)对淀粉纳米晶的粒径及粒径分布进行检测。

首先取0.05 g离心后的酸解淀粉固形物，分散到30 mL的去离子水中，用高速剪切仪在13 000 r/min下处理5 min，然后立即进行粒度测量：取1.5 mL样品加入到方形透明玻璃比色皿中，置于动态光散射激光粒度仪中进行粒度和粒度分布的测量，得到平均粒径(Z-average)和粒径分布图(PSD)。仪器测定开始前需要先平衡2 min，温度设定为25 ℃，每个样品重复3次以上。

1.4.3 结晶特性研究

通过X-射线衍射仪(XD-2)测量干燥后淀粉样品的相对结晶度。测定条件：镍过滤Cu-Kα靶(λ=0.1540 6)，管压36 kV，管流20 mA，扫描范围10～40°，扫描速率1°/min，取值间隔0.02°。相对结晶度通过MDI Jade 5软件计算。

1.4.4 热特性研究

通过差示扫描量热仪(Q10)测量淀粉纳米晶的热稳定性。在40 μL铝锅内称取淀粉样品(3～4 mg，干样)，用微型注射器加水至淀粉与水分比例为1 mg/10 mg。完全密封盛有淀粉-水混合物的铝锅，室温平衡24 h，以10 ℃/min的升温速率从20 ℃加热到150 ℃。空坩埚作为参比。

1.4.5 显微形态研究

通过JSM-6500F型号扫描电子显微镜对酸解淀粉样品的微观形貌进行观察。用双面胶将淀粉样品固定在铝制样品台上，首先在真空状态下喷金处理，在扫描电镜下观察。加速电压为10 kV，调整放大倍数500～2 000不等。

1.5 数据统计与分析

所有实验重复3次，数据结果均用平均值±标准差表示。使用Origin 8.6软件进行画图，使用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)，通过邓肯多重检验法对同组数据进行显著性差异分析，置信水平为0.95(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 湿热处理淀粉的酸解特性

湿热处理淀粉在不同温度下的酸水解得率如图1，几乎所有的湿热淀粉在1 h时间内水解率都达到了90%以上，且温度越高，水解速率越大。原淀粉在69 ℃酸解30 min的水解率为95%，而相同条件下湿热处理淀粉的水解率为88.4%，较之原淀粉，湿热预处理淀粉具有一定的抗酸性，因此水解速率更低。通常来讲，在较低温度下淀粉的酸解呈现出一个二级水解动力学模型，快速水解阶段酸主要水解无定形区；第二阶段慢速水解阶段酸则同时攻击无定形区和结晶区[4]。图1显示原淀粉在较高温度下(69 ℃)40 min几乎水解完全，水解表现为一级动力学模型，主要是由于原淀粉在69 ℃发生了部分糊化作用，更有利于淀粉分子的水解。而这与Hernandez等[20]的研究结果一致，研究发现糯玉米在较高温度时(57.73 ℃)酸解时表现出一级动力学酸解过程，且在此温度下的淀粉水解速率比40 ℃的快100倍。

淀粉纳米晶或纳米淀粉微球通常在较低温度下酸解制备而得(4～40 ℃)[7, 8, 12]，但速率很低，且制备的淀粉纳米晶糊化温度较低，使用的温度范围也有局限性[21]；而在稍高于糊化温度进行酸解，可以增加淀粉颗粒的溶胀程度以及进入淀粉颗粒内的氢离子移动性和活性，并最终增加淀粉的水解速率[20]。Liu等[21]在中等温度条件(50 ℃)下利用糯玉米淀粉制备纳米淀粉微球，得到的纳米淀粉样品较之原淀粉具有更高的糊化温度，因此具有很好的耐热性。这种方法制备出纳米淀粉微球在淀粉复合薄膜领域也具有潜在的应用价值。经过湿热处理后，淀粉的热稳定性和抗酸性增加，在加热过程中会在温度尺度上推迟糊化晶体结构的解体过程。因此，对湿热处理淀粉在较高温度(65～71 ℃)下进行酸解，可以增加酸解速率，缩短酸解时间，也就最大效率地保留淀粉的晶体结构。

注：Native为原淀粉，HMT为湿热处理；65、67、69、70、71为不同的酸解温度。图1 湿热预处理淀粉的酸解水解率变化过程

2.2 高温酸解对玉米淀粉粒径大小和粒径分布图的影响

图2表明原淀粉和湿热处理淀粉在69 ℃酸解15 min后颗粒的平均粒径已经降为纳米级，且随着时间的延长，颗粒粒径逐渐减小，在相同的温度条件下酸解相同时间，湿热处理淀粉酸解后的颗粒平均粒径要小于原淀粉。原淀粉在酸解30 min后的粒径为630 nm；湿热处理淀粉酸解25、30、40 min的粒径分别减小为345、303、268 nm，这表明在69 ℃酸解时，对时间的控制将会对最终样品的尺寸产生重要影响。

图2 淀粉样品在69 ℃酸解后的平均粒径变化

图3 淀粉样品在69 ℃酸解5～40 min的粒径分布图

图3为原淀粉和湿热处理淀粉在69 ℃酸解不同时间的粒径分布图。原淀粉在酸解5～15 min后仍为单峰分布，而湿热处理淀粉在酸解10 min之后的粒径分布已经变为双峰分布，这也表明二者之间的酸解特性有显著差异。随着酸解时间的增加至20 min，原淀粉和湿热处理淀粉颗粒的粒径都变成了双峰分布，这主要是由于酸解生成的纳米级尺寸为不规则形状[22]，且通常表现为横向和纵向尺寸不统一，对其进行测量时在粒径分布图上反映为双峰分布。

2.3 高温酸解对玉米淀粉XRD图谱和相对结晶度的影响

图4a显示湿热处理没有改变玉米淀粉的晶体结构类型，淀粉样品都显示为A型结晶图谱，但是原淀粉酸解后样品的图谱在15°、17°、18°和23°衍射角的特征峰几乎消失，呈弥散状，表明69 ℃酸解对原淀粉的结晶结构破坏较为严重[23]。但是，湿热处理淀粉在相同条件下酸解后衍射特征峰几乎不受影响，表明其晶体结构具有更强的耐酸性。图4b反映了原淀粉和湿热处理淀粉在酸解过程中相对结晶度的变化。原淀粉酸解过程相对结晶度的变化通常表现为先升高后降低[20, 24]。在较69 ℃度下酸解原淀粉，淀粉同时发生糊化和酸解，淀粉颗粒的无定形区溶胀会加速酸解过程，同时晶体结构也会遭到一定程度的破坏[25]，而强酸的存在更会加速晶体结构的水解；较之原淀粉，湿热处理淀粉的结晶结构和分子结构得到重组和强化，具有更强的抗酸性和耐热性[15]。湿热处理淀粉在69 ℃酸解过程中，湿热处理淀粉的无定形区逐渐被水解，结晶结构得到保留，酸解15 min后的相对结晶度开始逐渐升高，酸解30 min后样品的相对结晶度增加到43%。表明相对结晶度可以作为酸解淀粉纳米晶过程一个良好的指标参数，为制备具有最高结晶度的淀粉颗粒提供参考[24]。

图4 淀粉样品在69 ℃酸解30 min后的X射线衍射图 和酸解不同时间的相对结晶度变化图

2.4 高温酸解对玉米淀粉DSC热稳定性的影响

原淀粉、湿热处理淀粉以及69 ℃酸解淀粉的热谱图如图5所示。原淀粉在69 ℃高温酸解30 min后的DSC曲线上几乎没有任何吸热峰，表明淀粉的晶体结构在69 ℃高温酸解中遭到破坏。原淀粉在69 ℃高温条件酸解下会发生糊化和酸解，淀粉颗粒的无定形区和结晶区同时受到破坏使得糊化焓值降低，在DSC上反映为吸热峰面积的减小或吸热峰消失[20, 25]。而湿热处理淀粉的峰值温度Tp为79.36 ℃，高于原淀粉的71.26 ℃，再次表明湿热处理淀粉具有更高的热稳定性。湿热处理淀粉经过酸解后制备出的淀粉纳米晶在DSC热谱图中也有吸热峰的形成，且峰值温度为71.87 ℃，大于高温酸解温度69 ℃，证明即使在69 ℃条件下高温酸解30 min，湿热处理淀粉的结晶结构依然得到了保留。因此，在较高温下(69 ℃)制备而得淀粉纳米晶具有一定的耐热性[21, 24]。

图5 淀粉样品在69 ℃酸解30 min的DSC热谱图

2.5 高温酸解对玉米淀粉显微结构的影响

从图6中可以看出，湿热处理淀粉在69 ℃酸解5 min后，部分淀粉颗粒虽然形状得到保持，但是颗粒表面有凹陷现象。有研究发现常温情况下酸解24 h就有淀粉纳米晶产生[26]。而本文在69 ℃温度下极大地缩短了纳米结构的产生时间，酸解15 min就已经有纳米级淀粉结构产生。图6A中，淀粉酸解5 min淀粉颗粒呈现出生长环结构[4]，且淀粉颗粒内部空间已经被酸解，外部结晶片层在逐渐的发生剥离。随着酸解时间的延长至15～30 min，淀粉颗粒有碎片化趋势，且形状不规则。同时，淀粉纳米晶在干燥过程中通常也会发生团聚现象[27, 28]，通过对比原淀粉和湿热处理淀粉69 ℃高温酸解30 min后的纳米结构可以看出(图6B、图6C)，原淀粉制备得到的淀粉纳米结构比湿热处理制备的淀粉纳米晶团聚现象更严重，且有凝胶发生，这表明原淀粉在69 ℃高温酸解过程中会发生糊化作用，这也是原淀粉的相对结晶度随着69 ℃高温酸解时间延长不断降低的原因。湿热处理淀粉酸解时，69 ℃高温可以极大加速淀粉颗粒无定形区的水解，即加速第一阶段的酸解，同时由于湿热预处理处理可以增强淀粉分子结构的特性而延缓或者推迟第二阶段的酸解，进而保留晶体结构。同时，在69 ℃温度下制备得到的淀粉纳米晶本身具有耐热的优良特性，虽然产率较低，但并不妨碍其作为纳米复合物的理想增强材料，且整个酸解过程反应时间较短。

湿热处理可以作为一种预处理方式用于改进酸解制备纳米级淀粉颗粒的效率，主要基于两点：一是基于湿热处理的多阶段糊化理论，可以将淀粉的糊化过程控制在发生第一阶段的无定形区溶胀而结晶结构不受影响；二是69 ℃温度酸解时酸解速率极大，而湿热处理淀粉具有较高的抗酸性和耐热性，使得无定形区快速水解的同时，可以最大程度地保留原淀粉中的刚性结晶结构。

注：A、B分别为湿热处理淀粉酸解5、30 min淀粉结构, C为原淀粉酸解30 min的淀粉结构图6 玉米淀粉及湿热处理淀粉69 ℃酸解不同时间的扫描电镜图像

3 结论

研究湿热预处理对酸解淀粉纳米晶制备的影响，结果表明69 ℃高温对淀粉的酸解过程影响很大，原淀粉在69 ℃酸解时同时发生糊化和水解作用，原淀粉在69 ℃酸解30 min几乎水解完全，其X射线衍射图谱特征峰消失，其相对结晶度在酸解后期阶段随着酸解时间的延长而降低；湿热处理淀粉69 ℃酸解15 min就有纳米结构的产生，且X衍射图谱几乎不受影响，湿热处理淀粉69 ℃酸解15～30 min后为制备纳米级淀粉材料提供了有利的条件。本文表明湿热处理可以作为一种预处理手段用来制备酸解淀粉纳米晶，且产生的淀粉纳米晶具有一定的耐热稳定性，但需要指出的是，湿热处理淀粉在69 ℃条件下制备SNC的产率较低，在应用时仍存在一定的局限性，未来仍需在SNC酸解效率和产率之间进行平衡。