超声波和酯化复合处理马铃薯淀粉的性质分析

孙秋月，王若桦，吴非

（东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

天然马铃薯淀粉（natural potato starch，NPS）是一种产量丰富、价格低廉的天然资源，与其它淀粉相比，马铃薯淀粉的直链淀粉相对分子量更高，具有糊化温度较低、黏度增加快等优点。但马铃薯淀粉颗粒作为乳化剂，其粒径大、疏水性较差，因此需要与辛烯基琥珀酸酐（ocentyl succinic anhydride，OSA）反应，以获得具有两亲性的固体颗粒[1]。OSA 改性手段于1965 年由美国Caldwell 等发明[2]，应用范围广且需求量大，成为了变性淀粉领域的研究热点之一。钟敏贤[3]首次分离出纯度较高的马铃薯直链淀粉与支链淀粉，分别以之为原料，制备辛烯基琥珀酸马铃薯淀粉酯及其酶解样品，应用于微胶囊壁材中。彭晔[4]采用酶解回生法制备纳米级芋头淀粉颗粒，由于其稳定性较好可用于替代润肤霜配方中的单硬脂酸甘油酯。

随着需求的不断增加，OSA 酯化反应的水相法弊端逐渐显露，因此可以采用超声波[5]、球磨[6]、挤压[7]等不同的物理法对淀粉进行前处理，提高酯化反应的反应效率。其中，以超声波处理最为常见[8]，超声处理可使淀粉颗粒的形貌发生不同程度的变化，Zhang 等[9]的研究结果表明，超声波的空化效应诱导淀粉颗粒产生裂缝和空隙，进而提高淀粉的反应效率。因此本文选择超声波这一物理法进行前处理，探究超声波处理对马铃薯酯化淀粉颗粒的结构及功能的影响，以期为马铃薯淀粉作为乳化剂的发展奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马铃薯淀粉（优级品）：哈尔滨华涛淀粉制品有限公司；2-辛烯基琥珀酸酐：上海麦克林生化科技有限公司；氢氧化钠、盐酸、无水乙醇、硝酸银、酚酞（均为分析纯）：北京新光化工试剂厂。

1.2 仪器与设备

超声波细胞粉碎机（JY92-IIN）：宁波新芝生物科技股份有限公司；鼓风干燥箱（DHG-92440A）：上海一恒科学仪器有限公司；精密酸度计（PHS-3C）：上海精密科学仪器有限公司；水浴恒温磁力搅拌器（HSJ-4）：巩义市予华仪器有限责任公司；激光粒度仪（S3500）：美国麦克奇仪器有限公司；傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet is50）：赛默飞世尔科技(中国)有限公司；Panalytical 台式X 射线衍射仪：帕纳科公司；钨灯丝扫描电子显微镜（S-3400N）：日本日立公司；视频接触角测量仪（OCA20）：德国DATA PHYSICS 公司。

1.3 试验方法

1.3.1 超声波酯化淀粉的制备

取少量马铃薯淀粉，配制成一定浓度的淀粉乳，参考Liu 等[10]的方法稍作修改，采用超声波细胞粉碎机进行超声处理，超声功率分别是250、300、350、400 W和500 W，超声时间为15 min。取少量超声马铃薯淀粉，配制成质量分数为35%的淀粉溶液，迅速搅拌成匀浆，置于恒温水浴锅中继续搅拌。待乳液温度达到35 ℃时，用3%氢氧化钠溶液使pH 值保持在8.5，碱化20 min 后，将用无水乙醇稀释3 倍的3%OSA（以淀粉干基计）缓慢滴入，并在2 h 内完成加入，在反应过程中需要持续地用恒温磁力搅拌器搅拌，使pH 值保持在8.5，反应4 h 后，用浓度为3%的盐酸溶液对反应体系进行中和，使pH 值达到6.5 左右，立即终止酯化反应。完成反应后，用70%乙醇溶液进行3 次抽滤洗涤，再用蒸馏水进行3 次离心洗涤，每次以4 000 r/min 洗涤3 min，然后于40 ℃烘箱中干燥过夜、研磨至均匀无结块，再将其粉碎过筛称重，即得OSA 马铃薯淀粉。将水相法和不同超声功率辅助制备的OSA 淀粉分别命名为OPS、UOPS-250 W、UOPS-300 W、UOPS-350 W、UOPS-400 W、UOPS-500 W。

1.3.2 超声马铃薯淀粉酯取代度和反应效率的测定

取代度（degree of substitution，DS）的测定参照Zainal Abiddin 等[11]的方法，并根据实际情况作改进。称取1.50 g 样品将其置于烧杯中，取50 mL 95%的乙醇倒入烧杯中，磁力搅拌10 min 后加入2 mol/L 的盐酸-乙醇溶液15 mL，再搅拌30 min。将得到的样品用90%乙醇进行抽滤，直至没有氯离子。将样品倒入三角瓶后用蒸馏水进行溶解，经过沸水浴30 min 后，向溶液中加入2 滴酚酞，趁热用浓度为0.1 mol/L 的NaOH 标准溶液滴定，至溶液颜色为粉色。用对应的未改性的淀粉按上述方法进行测定作为空白对照组。取代度（X）通过以下公式计算。

式中：A 为消耗的0.1 mol/L 氢氧化钠标准溶液的体积，mL；M 为滴定用NaOH 溶液的物质的量，mol/L；W 为改性淀粉的质量，g。

反应效率（reaction efficiency，RE，%）通过以下公式计算。

式中：Y 为理论取代度；W1为OSA 的质量，g；W2为辛烯基琥珀酸淀粉酯的质量，g。

1.3.3 颗粒粒径的测定

采用激光粒度仪测定超声酯化马铃薯淀粉颗粒的颗粒大小及分布。将去离子水加入超声辅助制备的马铃薯淀粉酯中，配制成悬浮液，浓度为1%，放入激光粒度仪中，在20 ℃条件下，检测淀粉酯的粒度分布，设置分散液与颗粒的折射指数分别为1.33 和1.53，去离子水为分散介质。

1.3.4 颗粒分子结构的测定

利用傅里变换叶红外光谱（Fourier transform infrared spectrometry，FTIR）采集超声酯化马铃薯淀粉的红外吸收峰，识别改性淀粉中存在的特征官能团。傅里叶变换红外光谱仪的相关参数为分辨率4 cm-1，扫描范围400～4 000 cm-1，进行32 次扫描。取0.1 mg 样品，加入适量的干燥溴化钾粉末进行压片。

1.3.5 颗粒晶体结构的测定

使用X-射线衍射仪测定超声酯化马铃薯淀粉的晶体特性。在特征射线为CuKα 的测定条件下，发散狭峰和防发散狭峰均为1°，步长为0.02°，接受狭峰为0.16 mm。其中电压40 kV，灯丝电流100 mA，扫描速度4°/min，衍射角（2θ）范围5°～40°。

1.3.6 颗粒微观结构测定

用扫描电子显微镜对NPS、OPS、UOPS 的形貌进行观察。通过导电胶将一定量干燥的样品均匀地分散到样品台上，轻轻吹去浮样，进行喷金处理，通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）在2 000 倍的放大倍数加速电压5 kV 的条件下观察淀粉颗粒形貌。

1.3.7 颗粒疏水性的测定

通过压片机将适量的粉末样品压成平整圆片，直径和厚度分别为12 mm 和2 mm，使用光学接触角测量颗粒接触角，测定方法为坐滴法，通过精密微注射器将一滴油（2 滋L）滴在圆片的表面，待油滴平衡后，立即记录液滴的图像，并对液滴的轮廓进行数值求解。

1.4 数据处理

试验均进行3 次重复取平均值，采用SPSS 22.0 软件对多组间数据进行单因素方差分析，以Duncan 检验法进行显著性差异分析，P＜0.05 被认为差异显著，采用Origin 2018 绘图。

2 结果与分析

2.1 取代度和反应效率

取代度（DS）和反应效率（RE）是反映淀粉化学活性的指标[12]，并且取代度是影响OSA 淀粉乳化性质最关键的因素之一。表1 是反映超声功率OPS 和UOPS颗粒取代度及反应效率随超声功率变化的情况。

表1 OPS 和UOPS 颗粒的取代度与反应效率Table 1 The DS and RE of OPS and UOPS

由表1 可知，OPS 的DS 和RE 分别为15.9×103和60.81%，与水相法相比，超声波辅助能显著提高酯化反应DS 和RE（P＜0.05），这与Chen 等[13]的研究结果相一致。在理论上UOPS 颗粒的取代度及反应效率应随着超声功率的增加而增大[14]，但由表中可得，超声功率为300、400 W 和500 W 的取代度与理论取代度有一定的偏差，这与王宝珊等[15]的研究结果一致，可能是由于300 W 和400～600 W 超声波处理淀粉颗粒分别处于聚集阶段和团聚阶段，由于具有紧密的结构，反应较难进行，因此取代度及反应效率较小。而当超声功率为350 W 时，反应效率提高了30%～35%，这是由于超声波作用下出现的空化作用，在瞬间形成高温高压的环境，将淀粉颗粒中的气体排出，从而使结构变得松散，对水分子和辛烯基琥珀酸酐油滴进入到内孔中有益，可以提高反应速率[16]。

2.2 颗粒的粒径分布

图1 为NPS、OPS 和UOPS 颗粒的粒径分布图。

图1 NPS、OPS、UOPS 颗粒的粒径分布Fig.1 Size distribution of NPS，OPS and UOPS particles

由图1 可以看出，NPS、OPS 及UOPS 颗粒粒径主要分布在13.0～100.3 滋m 范围内，呈单峰分布。OPS、UOPS 与NPS 颗粒相比平均粒径略有减小，并且经过超声处理后OSA 马铃薯淀粉颗粒的粒径存在较小变化，产生此现象的原因是超声波处理并不会显著改变淀粉的平均粒径，但会提高淀粉颗粒大小的均一性，结论与Falsafi 等[17]结果相一致。其中UOPS 颗粒粒径没有随着功率的增加而减小，其原因可能是在超声功率为300～350 W 作用下属于聚集阶段，颗粒结构紧密，颗粒的粒径较小；当超声功率为250 W，由于在超声波的影响下淀粉粒子的形貌发生了变化，从而导致了内部的松散和粒度增加；功率增加到400～500 W 时淀粉颗粒形貌严重破坏，表面处于激活状态易团聚，使颗粒粒径整体增加[18]。平均粒径的结论与取代度及反应效率的结论相一致。

2.3 颗粒的分子结构

由图2 可知，图2 是NPS、OPS 和UOPS 颗粒的红外光谱图。

图2 NPS、OPS 及UOPS 颗粒的红外光谱图Fig.2 FT-IR spectra of NPS，OPS and UOPS particles

由图2 可知，在约3 400 cm-1处，是由于O—H 键伸缩振动所产生的典型吸收峰，在2 930 cm-1和1 650 cm-1处出现了由C—H 的伸缩振动和吸附水而形成的特征峰，4 个特征峰分别位于1 162、1 082、1 028 cm-1和931 cm-1处，这4 个特征峰为C—O 的伸缩振动吸收峰[19]。在1 643 cm-1处出现的特征峰可能是由于水和淀粉内部结合所产生[20]。与NPS 相比，OPS 和UOPS在3 400 cm-1处对应的O—H 特征峰强度减弱，在1 726 cm-1和1 572 cm-1附近有两个新峰出现，证明OPS 和UOPS 检测到酯羰基键的存在，说明经过酯化反应后的淀粉引入了新的基团，表明OSA 与NPS 成功发生了酯化反应[21]。综上所述，NPS 和OPS、UOPS 除了出现了新峰之外，傅里叶红外光谱图基本无差异，这说明酯化反应除引入了辛烯基琥珀酸基团外，未引入其他物质，并且随着改性淀粉取代度的提高，两处的新峰越明显，因此超声功率为350 W 时，新峰的两个新条带更显著。

2.4 颗粒的晶体结构

X-射线衍射分析是分析与鉴定淀粉颗粒结晶性质的一种手段。图3 是NPS、OPS 和UOPS 颗粒的X-射线衍射谱图。

图3 NPS、OPS、UOPS 颗粒的X-射线衍射谱图Fig.3 XRD profiles of NPS，OPS and UOPS particles

由图3 可知，曲线中均出现了尖峰衍射峰和弥散衍射峰，证明样品中都含有结晶区和非结晶区两种结构。NPS、OPS 和UOPS 颗粒在5.6°、17.3°、22.2°、24.0°（2θ）处有4 个重要的特征峰，为典型的B 型结晶淀粉，并且OPS 和UOPS 颗粒的衍射峰与NPS 颗粒几乎一致，说明酯化反应主要发生在淀粉分子无定形区的羟基上，不会改变淀粉颗粒的晶型结构[22]。与NPS 相比，OPS、UOPS 的结晶度均有一定程度的减小，这是由于OSA 与淀粉分子发生酯键作用，少量OSA 进入结晶区，破坏了淀粉的双螺旋结构的有序性[23]。并且结晶度与取代度呈负相关，这是因为淀粉结晶程度越高，即淀粉的分子结构越致密，酯化反应就越困难。值得注意的是，当超声功率达到300 W 时，其结晶性有明显的变化，这与淀粉分子的重新排列和聚合有关[9]。此结论与粒径表现出来的结果相一致。

2.5 颗粒的微观结构

由于UOPS-350 W 颗粒的红外光谱图中显示马铃薯淀粉与辛烯基琥珀酸酐成功发生酯化反应，马铃薯经过超声波辅助酯化后晶体结构没有发生变化，并且其取代度及反应效率最高，颗粒粒径较小，因此选择此功率下制备的颗粒进行后续试验，对比NPS、OPS 及UOPS-350 W3 种颗粒在微观结构和湿润性上的区别。图4 为NPS、OPS 和UOPS-350 W 颗粒的SEM 图像。

图4 NPS、OPS 和UOPS-350 W 的扫描电镜图Fig.4 Scanning electron microscope of NPS，OPS and UOPS-350 W

由图4 可知，NPS 表面光滑，呈卵圆形，少数为圆形，无明显气孔[24]。OPS 和UOPS-350 W 在OSA 的修饰下，其大小及形态没有明显改变，且结晶结构基本保持完好，但颗粒表面出现明显腐蚀、破损和凸起，有肉眼可见的淀粉碎片。这种现象与Simsek 等[25]的研究结果一致，可能归因于在碱性溶液中，直链淀粉从颗粒中溶出，在淀粉粒子表面与OSA 发生酯化反应而生成聚合物，从而没有进入淀粉结晶区域，这与XRD 分析结论相符。经过UOPS-350 W 形态变化明显，表面变得更加粗糙，出现了更多的孔洞和凹陷，可能因为超声波处理所产生的空化作用使淀粉颗粒产生较为严重的破损现象有关[26]。由于超声波的作用，增加了OSA 油滴与淀粉颗粒接触面积，进而使得颗粒的反应取代度高。

2.6 颗粒的疏水性

固体颗粒的湿润性是影响Pickering 乳液形成和稳定的因素，一般通过三相接触角进行表征。通常当接触角小于90°时，颗粒具有亲水性，接触角的数值越接近90°，颗粒在油水界面处可能会表现出最强的吸收能力，因而具有更高的乳化稳定性[27]。图5 是反映NPS、OPS 和UOPS-350 W 颗粒的接触角大小的图像。

图5 NPS、OPS 和UOPS-350 W 颗粒的接触角Fig.5 Contact angles of NPS，OPS and UOPS-350 W particles

由图中5 可知，NPS 的接触角为39.9°，说明天然淀粉本身是具有一定湿润性的，因此可通过吸附在油水界面形成界面膜，进而稳定乳液[28]。而OPS 和UOPS-350 W 淀粉颗粒的接触角分别为56.4°和63.2°，说明通过OSA 改性后的淀粉颗粒的接触角均明显高于NPS 颗粒，这是由于辛烯基琥珀酸残基基团引入到马铃薯淀粉中的数量增加，疏水基团被引入到淀粉中，使淀粉亲水性减小，因此辛烯基琥珀酸淀粉酯颗粒具有两亲性和界面性[29]。就OPS 与UOPS-350 W 颗粒而言，由于超声波处理，UOPS-350 W 颗粒对油相的润湿性也有所增加，进而UOPS-350 W 颗粒具有较好的乳化性，有利于应用到乳液的制备过程。

3 结论

超声波处理提高酯化反应的反应效率，使经过超声和酯化反应处理的马铃薯淀粉的粒径发生改变，由于UOPS-350 W 颗粒具有较小的平均粒径和更好的分散性，说明超声波处理和酯化反应同时作用于马铃薯淀粉，使其具备较好的两亲性，得到乳化性能较好的马铃薯淀粉颗粒；对比NPS、OPS 和UOPS-350 W 颗粒的扫描电子显微镜的图像，显示超声波处理不会改变UOPS 颗粒尺寸和形态，而会使淀粉产生较大的孔洞和凹陷，增加OSA 油滴与马铃薯淀粉的接触面积，明显提高反应效率，在超声波处理的情况下，酯化反应取代度和反应效率有所提高；红外光谱结果表明，与NPS相比，改性淀粉在1 726 cm-1和1 572 cm-1附近有两个新峰出现，证明酯化反应成功进行；X-射线衍射结果显示，在淀粉无定形区内进行的酯化不会对其结晶结构产生任何影响；测定UOPS-350 W 颗粒的三相接触角的数值为63.2°，说明超声功率为350 W 时，该颗粒具有较好的润湿性，可以应用到稳定乳液的领域中，为今后马铃薯淀粉在乳液发展领域奠定基础。