譚義秋

(廣西民族師范學(xué)院化學(xué)與生物工程系，廣西 崇左 532200)

機械活化木薯淀粉羧甲基化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征

譚義秋

(廣西民族師范學(xué)院化學(xué)與生物工程系，廣西 崇左 532200)

采用攪拌球磨機對木薯淀粉進行機械活化，以活化60min的木薯淀粉為原料，氫氧化鈉為催化劑，一氯乙酸為醚化劑干法合成羧甲基淀粉，利用紅外光譜、掃描電子顯微鏡、X射線衍射等手段對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進行表征分析，并與原木薯淀粉合成的羧甲基淀粉進行比較。結(jié)果表明：機械活化對木薯羧甲基淀粉的結(jié)構(gòu)有顯著影響；原木薯淀粉的羧甲基化反應(yīng)受表面控制，主要發(fā)生在無定形區(qū)，部分發(fā)生在結(jié)晶區(qū)，產(chǎn)物含有結(jié)晶結(jié)構(gòu)并保留著淀粉的顆粒形態(tài)；活化淀粉的羧甲基化反應(yīng)在淀粉團粒表面及內(nèi)部均勻進行，產(chǎn)物呈無規(guī)則黏連形態(tài)，是無定形的聚集狀態(tài)結(jié)構(gòu)。

機械活化；木薯羧甲基淀粉；結(jié)構(gòu)表征

淀粉是一種多晶高聚物，其顆粒的內(nèi)部是非晶區(qū)域，外層是結(jié)晶區(qū)域而且非常牢固，結(jié)晶區(qū)域占淀粉顆粒體積的25%～50%。淀粉的結(jié)晶區(qū)域?qū)γ?、水及其他化學(xué)試劑有很強的抵抗能力[1]，給其羧甲基化改性制造了一定難度。特別是在干法介質(zhì)中的羧甲基化反應(yīng)，淀粉與反應(yīng)試劑之間的非均相混合，反應(yīng)物分子的擴散接觸和能量交換受到很大的制約[2]，醚化劑更加不易觸及結(jié)晶區(qū)域的分子，導(dǎo)致淀粉反應(yīng)不均勻，反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉顆粒的表面及非晶區(qū)，取代度低，取代基團也多分布于淀粉顆粒的表面，產(chǎn)品品質(zhì)及性能欠缺，導(dǎo)致應(yīng)用受到限制。

譚義秋等[3-4]研究表明，采用機械活化的方法對木薯淀粉進行預(yù)處理，能顯著改善淀粉在干法介質(zhì)中的羧甲基化反應(yīng)效果，制得了取代度(degree of substitution，DS)比較高的羧甲基淀粉(carboxymethyl starch，CMS)，同時，CMS的理化性質(zhì)也發(fā)生了明顯的改變而拓寬了應(yīng)用范圍。為了深入了解機械活化淀粉在干法介質(zhì)中的反應(yīng)本質(zhì)及產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)特征，本研究采用紅外光譜、掃描電子顯微鏡、X射線衍射等手段對其產(chǎn)物進行表征分析，并就機械活化對淀粉羧甲基化的強化機理進行探討，旨在為機械活化淀粉羧甲基化產(chǎn)物在食品等行業(yè)上的開發(fā)及應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木薯淀粉(工業(yè)級)由廣西明陽生化科技股份有限公司提供。

氫氧化鈉 哈爾濱市化工試劑廠；一氯乙酸 成都科龍化工試劑廠；濃鹽酸、95%乙醇 廣東汕頭市西隴化工廠；以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

HHS11-6型電熱水浴恒溫鍋 北京長安科學(xué)儀器廠；HJ-型磁力加熱攪拌器、SHZW-C型循環(huán)水式多用真空泵 河南鞏義市英峪予華儀器廠；DF205型電熱鼓風(fēng)干燥箱 北京醫(yī)療設(shè)備二廠；AY220電子分析天平 日本島津公司；Nicolet Nexue 470 FTIR紅外光譜儀 美國Nicolet公司；S-570掃描電子顯微鏡 日本日立公司；D/MAX2500V X射線衍射儀 日本理光公司。

1.3 方法

1.3.1 機械活化木薯淀粉的制備

參照文獻[5]。

1.3.2 CMS的制備

參照文獻[4]。

1.3.3 DS的測定

參照文獻[6]。

1.3.4 產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征

1)淀粉樣品在紅外燈輻射下與干燥的KBr粉末一起研細混勻，壓片后用紅外光譜儀進行測試；2)將樣品用雙面膠固定在樣品臺上噴金，用掃描電子顯微鏡拍攝具有代表性的淀粉樣品顆粒形貌；3)室溫下采用X射線衍射儀以粉末法測定淀粉顆粒的結(jié)晶特征。測定條件：特征射線Cukα，Ni片濾波，電壓40kV，電流30mA，測量范圍2θ=5°～40°。

2 結(jié)果與分析

2.1 CMS紅外吸收光譜分析

圖1 原木薯淀粉、活化60min的木薯淀粉和ACMS的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of native cassava starch, activated cassava starch and carboxymethylated activated cassava starch

由圖1可見，活化淀粉與原淀粉相比，各個特征吸收峰均減弱，但沒有新的吸收峰產(chǎn)生，說明淀粉經(jīng)機械活化后沒有新的基團產(chǎn)生。ACMS中除了保留在3431cm-1處—OH伸縮振動寬強吸收峰、2910cm-1處出現(xiàn)的明顯的飽和烴C—H伸縮振動吸收峰及1008～1150cm-1處的C—O伸縮振動吸收帶等淀粉特征峰外，還在1610cm-1及1420cm-1處出現(xiàn)了很強的羧基特征吸收峰，表明在活化木薯淀粉分子上成功接入了羧基，得到了預(yù)期產(chǎn)物。

2.2 CMS電鏡掃描分析

圖2是原木薯淀粉及由原木薯淀粉合成的羧甲基淀粉(NCMS)的電鏡圖，圖3是活化60min的木薯淀粉及ACMS的電鏡圖。

圖2 原木薯淀粉及其羧甲基淀粉的電鏡圖Fig.2 SEM images of native cassava starch and its carboxymethylated counterparts with different degrees of substitution

由圖2可見，原木薯淀粉顆粒呈圓球形，表面光滑、結(jié)構(gòu)緊密、界面清晰；DS為0.182及DS為0.322的NCMS均呈顆粒狀態(tài)結(jié)構(gòu)，顆粒局部或有破損或有腐蝕的痕跡，但多數(shù)區(qū)域沒有變化，說明淀粉的羧甲基化反應(yīng)主要發(fā)生在顆粒的表面。經(jīng)機械活化，在機械力的作用下，淀粉被沖擊成扁長狀或被撞擊出凹洞，引起扭曲，從中間或外圍破裂成更小的顆粒[7]。

由圖3a可見，淀粉活化60min后，許多細小的顆粒聚集成團，形成橢圓形的團粒，表面粗糙，有縫隙，結(jié)構(gòu)松散；其羧甲基化反應(yīng)后，淀粉被嚴重侵蝕，DS為0.313及DS為0.851的ACMS均已失去原來的團粒狀態(tài)結(jié)構(gòu)并大片黏連在一起，表面凹凸不平，說明活化淀粉的羧甲基化反應(yīng)很劇烈，反應(yīng)既在團粒表面進行也在內(nèi)部進行。

圖3 活化60min木薯淀粉及其羧甲基淀粉的電鏡圖Fig.3 SEM images of activated cassava starch and its carboxymethylated counterparts with different degrees of substitution

2.3 CMS的X射線衍射分析

圖4是原木薯淀粉(a)及NCMS(b)的X射線衍射圖，圖5是活化60min的木薯淀粉(c)及ACMS(d)的X射線衍射圖。

圖4 原木薯淀粉(a)及其羧甲基淀粉(b)的X射線衍射圖Fig.4 X-ray images of native cassava starch and its carboxymethylated counterpart

圖5 活化60min木薯淀粉(c)及其羧甲基淀粉(d)的X射線衍射圖Fig.5 X-ray images of activated cassava starch and its carboxymethylated counterpart

由圖4可見，原木薯淀粉在其衍射圖中的2θ＝15.3°、17.3°、18.3°、23.5°處各出現(xiàn)強衍射峰，表明木薯淀粉的晶型是C型，其DS為0.322的NCMS在2θ范圍內(nèi)均能觀察到相應(yīng)的衍射尖峰，但與原淀粉相比，衍射峰已變寬，強度也已變?nèi)?，說明原淀粉的羧甲基化反應(yīng)主要發(fā)生在非結(jié)晶區(qū)，也在一定程度上破壞了淀粉的結(jié)晶區(qū)，產(chǎn)物中結(jié)晶及非晶兩區(qū)域并存。

由圖5可見，活化60min的木薯淀粉，其2θ范圍內(nèi)的衍射尖峰幾乎完全消失，整條曲線變成一個饅頭峰，C型圖譜已不存在，說明木薯淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)已受到破壞；而活化淀粉反應(yīng)后，DS為0.313的ACMS圖譜沒有出現(xiàn)衍射尖峰，說明活化淀粉的羧甲基化產(chǎn)物沒有產(chǎn)生重結(jié)晶現(xiàn)象，產(chǎn)物是無定型的聚集狀態(tài)結(jié)構(gòu)。

2.4 機械活化對淀粉羧甲基化的強化機理

淀粉羧甲基化過程[8-10]是由一氯乙酸或其鈉鹽在強堿存在下對淀粉葡萄糖單元中C2、C3和C6上的羥基醚化得到。反應(yīng)主要分兩步進行，第一步是NaOH和淀粉(St-OH)羥基間的反應(yīng)，這是反應(yīng)速率的控制步驟：

第二步是通過St-ONa的取代引入羧甲基基團，該步驟為SN2親電子取代反應(yīng)：

此過程伴隨NaOH與ClCH2COONa反應(yīng)生成HOCH2COONa的副反應(yīng)發(fā)生：

因此，淀粉羧甲基化反應(yīng)的先決條件是生成淀粉鈉活性中心。原木薯淀粉顆粒是實心球體，顆粒中直鏈淀粉分子與支鏈淀粉分子交織纏繞在一起，分子內(nèi)與分子間存在著強大的氫鍵結(jié)合力，淀粉顆粒外層的結(jié)晶區(qū)域致密，多數(shù)羥基基團被禁錮，淀粉存在對反應(yīng)試劑強大的抵抗能力。傳統(tǒng)的方法是使用氫氧化鈉作催化劑，破壞淀粉的結(jié)晶區(qū)，削弱淀粉分子中氫鍵的結(jié)合力，激活羥基，以便形成淀粉鈉活性中心，反應(yīng)對堿的依賴很大。干法介質(zhì)中的羧甲基化反應(yīng)，由于是非均相混合體系，水分含量少，堿及醚化劑在淀粉顆粒中的擴散接觸和能量交換受到更加大的制約，醚化劑很難觸及結(jié)晶區(qū)域的羥基基團，反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉顆粒的表面及非晶區(qū)。由圖2的電鏡圖及圖4的X射線衍射圖可以得到證實。

淀粉經(jīng)過機械活化后，其致密的顆粒表面結(jié)構(gòu)受到破壞，形成疏松凹凸不平的表面，同時，淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)受到破壞，產(chǎn)生晶格缺陷，結(jié)晶度下降，有序的晶體結(jié)構(gòu)被機械力破壞而逐漸形成非晶態(tài)層，最后導(dǎo)致整個顆粒結(jié)構(gòu)無定形化[10]，消弱了淀粉分子中強大的氫鍵結(jié)合力，原來被禁錮的羥基基團被激活，活化后形成的淀粉團粒是非實心體，結(jié)構(gòu)松散，對反應(yīng)試劑的抵抗力大大減弱。盡管是干法非均相價質(zhì)，但輔以適量醇水，在濃度梯度的影響下，氫氧化鈉就能隨醇水順利從團粒表面擴散滲透進入淀粉團粒內(nèi)部，與淀粉分子鏈上已被激活的羥基反應(yīng)形成淀粉鈉活性中心并與醚化劑迅速反應(yīng)；又由于原淀粉在機械活化的過程中，在機械力的作用下眾多的支鏈淀粉側(cè)鏈發(fā)生了斷裂，淀粉長鏈也發(fā)生斷裂，聚合度降低，黏度下降，直鏈淀粉含量增加[11-12]，大大降低了羧甲基反應(yīng)的空間位阻，也極大地提高了淀粉的羧甲基化反應(yīng)能力。因此，活化淀粉的羧甲基化反應(yīng)，反應(yīng)均勻，反應(yīng)程度深，取代度高。圖3的電鏡圖及圖5的X射線衍射圖也得到了證實。

圖6 醚化劑用量對羧甲基淀粉取代度的影響Fig.6 Effect of etherification agent dosage on degree of substitution of carboxymethylated starch

圖6顯示的是在相同反應(yīng)條件下(氫氧化鈉與淀粉的物質(zhì)的量比0.60，反應(yīng)時間120min，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)體系水的含量15%)，一氯乙酸與淀粉的物質(zhì)的量比n對NCMS及ACMS的DS的影響實驗結(jié)果比較。由圖6可見，在n相同時，ACMS的DS比NCMS的DS大得多，比如n=0.2時，NCMS 的DS＝0.01，ACMS 的DS＝0.36，當(dāng)n=0.5時，NCMS的DS只有0.28，而ACMS的DS已高達0.78。由此也說明了活化淀粉的羥基利用率比較高，反應(yīng)既發(fā)生在淀粉顆粒表面，也發(fā)生在淀粉顆粒內(nèi)部，而原淀粉的反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉顆粒的表面及淀粉的無定形區(qū)域，羥基利用率比較低。

3 結(jié) 論

3.1 紅外光譜表明，通過羧甲基化反應(yīng)，活化淀粉成功引入羧基，得到目標(biāo)產(chǎn)物；電鏡分析表明，活化淀粉的羧甲基化反應(yīng)，反應(yīng)均勻，反應(yīng)既在淀粉團粒表面進行，也在淀粉團粒內(nèi)部進行，產(chǎn)物大片黏連在一起，失去了淀粉的團粒狀態(tài)結(jié)構(gòu)，而原淀粉的羧甲基化反應(yīng)，反應(yīng)很不均勻，受表面控制，主要發(fā)生在淀粉顆粒的表面，產(chǎn)物尚保留淀粉顆粒狀態(tài)結(jié)構(gòu)；X射線衍射分析表明，原淀粉的羧甲基化反應(yīng)，反應(yīng)主要發(fā)生在無定形區(qū)，部分發(fā)生在結(jié)晶區(qū)，產(chǎn)物是含有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，而活化淀粉的羧甲基化產(chǎn)物是無定形的聚集狀態(tài)結(jié)構(gòu)。

3.2 使用機械活化的方法對淀粉進行預(yù)處理， 從內(nèi)部強化淀粉，能顯著地提高淀粉在干法介質(zhì)中的羧甲基化反應(yīng)活性，克服了原淀粉反應(yīng)效果差的缺點，原料利用率高，產(chǎn)物取代度大，取代基分布均勻，產(chǎn)物的性質(zhì)得到了改善而更能滿足不同領(lǐng)域的需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Structural Characterization of Carboxymethylated Cassava Starch Prepared Based on Mechanical Activation

TAN Yi-qiu
(Department of Chemistry and Biology Engineering, Guangxi Normal University for Nationalities, Chongzuo 532200, China)

Cassava starch was mechanically activated for 60 min using a stirring type ball mill in order to provide activated cassava starch for preparing carboxymethylated starch using NaOH as a catalyst and ClCH2COOH as an etherification agent. The structure of carboxymethylated cassava starch was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). After mechanical activation, the structure of cassava starch had no obvious changes. Carboxymethylation reaction could be observed on the surface and interior of activated cassava starch. Its carboxymethylated counterpart showed an irregular adhesive form and an aggregative state and maintained both the precarboxymethylation crystal structure and morphological features of starch granules. In contrast, carboxymethylation controlled on the surface area was mainly completed in the amorphous zone and partly in the crystalline area of inactivated cassava starch.

mechanical activation；carboxymethylated cassava starch；structural characterization

TS236.9

A

1002-6630(2010)13-0074-04

2009-11-25

廣西省教育廳科研基金資助項目(200807 MS 111)

譚義秋(1967—)，男，副教授，碩士，主要從事高分子材料的合成與改性研究。E-mail：tyq530202@163.com