張曉變，邢連華，李正君，張黎明

(1. 工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點實驗室，天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，天津 300457；2. 天津市一輕集團(控股)有限公司，天津 300200)

雙醛淀粉是一種變性淀粉，也是一種重要的化工原料[1]．高碘酸鈉與淀粉反應(yīng)時，由于高碘酸根具有專一性，可以選擇性氧化鄰二醇，從而使葡萄糖環(huán)的C2—C3鍵斷裂形成雙醛結(jié)構(gòu)，高碘酸鹽氧化淀粉獲得雙醛淀粉．

由于它的分子結(jié)構(gòu)中有許多活潑的醛基基團，因而具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，如堿溶性、容易糊化、低毒性、不易發(fā)霉、不溶于冷水、溶于熱水、水溶液干燥后生成透明薄膜等[2]．雙醛淀粉能與酸或亞硫酸鹽離子、醇類、胺類、肼類、酰胺類等物質(zhì)進行反應(yīng)[3]，被廣泛應(yīng)用于造紙、建材、紡織、皮革、醫(yī)藥衛(wèi)生感光材料、黏合劑以及塑料樹脂等行業(yè)[4–6]，例如：可用作紙張?zhí)砑觿?，從而大大提高紙張濕強度；與其他添加劑比較，它低毒性，可用于生產(chǎn)冷凍包裝紙袋；用作水泥緩凝劑，能增強水泥壓縮強度；雙醛淀粉能交聯(lián)棉纖維，從而提高紡織品的抗皺縮性、耐磨性和拉伸強度[7–9]．此外，在醫(yī)學(xué)上，證實了雙醛淀粉可以用于治療慢性腎衰，其對于尿毒癥患者也是良好的口服劑[10]．雖然雙醛淀粉的制備條件及理化性質(zhì)已多見報道，但是關(guān)于雙醛淀粉的抗氧化性尚未見報道．考慮到分子結(jié)構(gòu)中醛基官能團的存在，本文旨在探討雙醛淀粉的抗氧化性．

1 材料與方法

1.1 材料

馬鈴薯淀粉，食品級，河北省廊坊市淀粉廠；高碘酸鈉，分析純，天津市元立化工有限公司；1，1–二苯基–2–三硝基苯肼(DPPH)，美國 Sigma公司；其余試劑均為分析純．

電熱恒溫水浴鍋，北京市長風(fēng)儀器儀表公司；真空干燥箱，天津市天宇實驗儀器有限公司；pH計、GB2004型分析天平，上海精科儀器廠；LD5–10型低速離心機，北京京立離心機廠；SHB–B95循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；Philips XL–30型環(huán)境掃描電子顯微鏡，荷蘭 Philips公司；Bruker Vector 22型傅里葉紅外掃描儀，德國 Bruker公司；TGA Q50型熱重分析儀，美國TA儀器．

1.2 實驗方法

1.2.1 雙醛馬鈴薯淀粉的制備方法

稱取 8,g淀粉，加入 50,mL水，配制成淀粉漿液．分別稱取4.28,g和10.69,g的NaIO4溶于150,mL水中，用0.5,mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié)pH為4，不斷攪拌，將 NaIO4溶液在 30,min內(nèi)加入到淀粉乳中．40,℃反應(yīng) 4.5,h后抽濾，用水洗滌，并用 AgNO3溶液對濾液進行檢驗，沒有白色沉淀，證明沒有 Cl-存在為止，再用無水乙醇洗滌脫水．40,℃真空干燥24,h，獲得產(chǎn)品[11]．

1.2.2 水分含量的測定

用分析天平分別稱出稱量瓶和瓶蓋的質(zhì)量，稱取2,g樣品倒入稱量瓶，并均勻地分布在稱量瓶內(nèi)，蓋上瓶蓋，迅速稱取稱量瓶及樣品的質(zhì)量，將盛有樣品的稱量瓶和瓶蓋一起放入已預(yù)熱到 130,℃的干燥箱內(nèi)，在 130,℃下干燥 90,min，至恒質(zhì)量[12]．淀粉的水分含量按式(1)計算．

式中：X為樣品的水分含量，%；m0為干燥后稱量瓶和瓶蓋的質(zhì)量，g；m1為干燥前帶有樣品的稱量瓶和瓶蓋的質(zhì)量，g；m2為干燥后帶有樣品的稱量瓶和瓶蓋的質(zhì)量，g．

1.2.3 醛基含量的測定

準(zhǔn)確稱取 0.20,g干燥的樣品于 100,mL錐形瓶中，加入 0.239,8,mol/L的 NaOH滴定標(biāo)準(zhǔn)溶液10,mL，振蕩使樣品溶解，70,℃水浴加熱 2,min，迅速冷卻至室溫，然后加入 15,mL標(biāo)定的 0.130,7,mol/L的H2SO4，再加30,mL的蒸餾水，滴加5滴酚酞指示劑．最后用0.239,8,mol/L的NaOH滴定至紅色，30,s不褪色為止[13]．雙醛含量按式(2)計算．

式中：A為醛基含量，%；c1是 NaOH 的濃度，mol/L；c2為 H2SO4的濃度，mol/L；V1為 NaOH 的總體積，mL；V2為 H2SO4的體積，mL；m 為樣品的質(zhì)量，g；161為淀粉中有一半轉(zhuǎn)化為雙醛淀粉的平均相對分子質(zhì)量．

1.2.4 膨脹力和溶解度的測定

準(zhǔn)確稱取 2.000,g雙醛淀粉后，加入 100,mL蒸餾水，搖勻．45,℃加熱 30,min，并且不斷攪拌以防淀粉沉淀，然后將此懸濁液放入離心管中，3,000,r/min離心30,mim，取上清液，105,℃烘至恒質(zhì)量[14]．

膨脹力是指每克干淀粉在一定溫度下吸水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按式(3)計算；溶解度指在一定溫度下，淀粉樣品分子的溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按式(4)計算[1]．

式中：m0為準(zhǔn)確稱取雙醛淀粉質(zhì)量，g；m1為上清液蒸干恒質(zhì)量后的質(zhì)量，g；m2為離心后沉淀的質(zhì)量，g；S為淀粉的溶解度，%．

1.2.5 透光率的測定

稱取不同醛基量的淀粉于試管中，分別配制1.0%的淀粉乳，于沸水浴中加熱 15,min(攪拌，保持淀粉乳體積不變)，冷卻至室溫，以蒸餾水作為參照，用1,cm比色皿在620,nm波長下測定透光率[15]．

1.2.6 雙醛馬鈴薯淀粉的表面形貌分析

將淀粉顆粒用導(dǎo)電雙面膠將淀粉粉末固定在金屬樣品平臺上，在真空中噴金后，置于掃描電子顯微鏡(SEM)中以20,kV電子束觀察，拍攝有代表性的淀粉顆粒的形貌照片．

1.2.7 雙醛馬鈴薯淀粉的紅外光譜分析

采用壓片法：稱取150,mg的KBr和1,mg淀粉樣品在紅外燈下充分混合、研磨，壓片后放入樣品室置于紅外光譜儀上測試．掃描波數(shù)范圍為 4,000～400,cm-1，分辨率為4,cm-1，采用DTGS檢測器，以空氣為空白，掃描 16次后取平均值得到樣品的紅外光譜圖．通過紅外光譜圖進行分析．

1.2.8 雙醛馬鈴薯淀粉的熱重分析

采用熱重分析儀進行TG測試．取約10,mg的樣品盛入樣品皿中，由 30,℃加熱至 800,℃，升溫速率20,℃/min，氮氣流量為 20,mL/min，對樣品進行熱譜掃描．

1.2.9 DPPH法測定雙醛淀粉抗氧化性的方法

采用改進連喜軍等[16]測定抗性淀粉抗氧化性的方法：取 2,mL不同濃度的雙醛淀粉溶液，然后加入1,mL的 DPPH溶液，室溫下放置 30,min，715,nm下測定其吸光度Ai；取2,mL的不同濃度的雙醛淀粉溶液，加入 1,mL的乙醇，室溫下放置 30,min，715,nm下測定其吸光度Aj；取2,mL水，加入1,mL的DPPH，室溫下放置30,min，715,nm下測定其吸光度A0．

式中：Ai為樣品與 DPPH 反應(yīng)后的吸光度；A0為DPPH與 2,mL乙醇混合后的吸光度；Aj為樣品與乙醇混合液的吸光度．

2 結(jié)果與討論

2.1 雙醛馬鈴薯淀粉的基本理化性質(zhì)

馬鈴薯淀粉及雙醛馬鈴薯淀粉的基本理化性質(zhì)見表 1．由表 1可以看出：隨著高碘酸鈉在反應(yīng)中質(zhì)量的增加，醛基含量增高；含水量由于和環(huán)境的濕度以及樣品與水結(jié)合的能力有關(guān)，雙醛淀粉與水的結(jié)合能力優(yōu)于普通馬鈴薯淀粉，可能由于醛基的極性大于羥基，與水容易結(jié)合；雙醛淀粉的溶解度和溶脹度，都明顯高于普通馬鈴薯淀粉．雙醛淀粉可以溶于熱水，呈現(xiàn)出比較澄清的溶液，所以透明度明顯增大.

表1 馬鈴薯淀粉和雙醛馬鈴薯淀粉的基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of native starch and DASs

2.2 雙醛馬鈴薯淀粉的表面形貌分析

馬鈴薯淀粉、DAS-56.87和DAS-90.66的掃描電鏡圖如圖1所示．

從圖1中可觀察到馬鈴薯淀粉顆粒比較大，直徑5～100,μm，多為卵形，表面光滑，顆粒完整，此外還有多角形．與馬鈴薯淀粉相比，雙醛馬鈴薯淀粉的外表面出現(xiàn)粗糙和塌陷，隨著醛基含量的增高，淀粉顆粒的形態(tài)受到嚴(yán)重的破壞．大部分的淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹陷，部分顆粒結(jié)構(gòu)被完全破壞，形成小的碎片．同時由于分子內(nèi)以及分子間的不穩(wěn)定縮醛交聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致淀粉顆粒間彼此連接成團．

圖1 馬鈴薯淀粉和雙醛馬鈴薯淀粉的掃描電鏡圖Fig.1 SEM photographs of native starch，DAS-56.87 and DAS-90.66

2.3 雙醛馬鈴薯淀粉的紅外光譜分析

馬鈴薯淀粉及雙醛淀粉的紅外譜圖如圖 2所示．從圖 2可以發(fā)現(xiàn)：與馬鈴薯淀粉相比，雙醛馬鈴薯淀粉在 1,733,cm-1出現(xiàn)了新的吸收峰，對應(yīng)著羰基中碳氧鍵的伸縮振動，是醛基的特征峰，說明淀粉的部分羥基被氧化成醛基；但是比較小，因為在反應(yīng)中，醛基發(fā)生半縮醛反應(yīng)，吸收峰的強度并不是很大[17]．

2.4 雙醛馬鈴薯淀粉的熱重分析

馬鈴薯淀粉與雙醛馬鈴薯淀粉的熱重(TG)曲線圖如圖3所示．在150,℃之前，淀粉試樣由于含一些水分引起輕微的失重，約占總量的 20%；在 150～370,℃之間，熱解明顯，產(chǎn)物失重率高達 80%以上．試樣在失水后呈現(xiàn)一步劇烈的失重階段，之后質(zhì)量趨于恒定．熱穩(wěn)定性，熱學(xué)–物理參數(shù)為淀粉等高分子聚合物材料的應(yīng)用提供非常重要的熱穩(wěn)定性信息．綜合圖 3和圖4可以得出淀粉被氧化后其熱穩(wěn)定性變差，可能原因是分子內(nèi)隨著醛基數(shù)目的增加，晶體結(jié)構(gòu)被破壞的越嚴(yán)重，導(dǎo)致淀粉熱分解溫度越低，熱穩(wěn)定性降低[11,17]．

圖2 馬鈴薯淀粉和雙醛馬鈴薯淀粉的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of native starch ，DAS-56.87 and DAS-90.66

Elomaa等[18]和Rudnik等[19]也得到同樣的結(jié)論，認(rèn)為淀粉受熱時的分解機理主要是分子間和分子內(nèi)的脫水反應(yīng)，通常溫度上升到300,℃以上時的失重與淀粉結(jié)構(gòu)中葡萄糖單元鏈間的 1，6糖苷鍵的斷裂或者分子間脫水有關(guān)，還與一些揮發(fā)性物質(zhì)的分解有關(guān)，如二氧化碳、低分子醛類、甲醛呋喃．

2.5 雙醛馬鈴薯淀粉的抗氧化性分析

DAS-56.87、DAS-90.66對 DPPH 的清除率的結(jié)果如圖 5所示．兩種雙醛馬鈴薯淀粉對 DPPH具有不同的清除效果，當(dāng)加入一定質(zhì)量濃度的雙醛馬鈴薯淀粉溶液后，DPPH自由基信號明顯減弱，當(dāng)雙醛淀粉的質(zhì)量濃度為 3.0,mg/mL時，DAS-56.87和 DAS-90.66對 DPPH自由基的清除率分別為 42.64%和62.71%，且清除率隨著質(zhì)量濃度的增加而提高．

圖3 馬鈴薯淀粉和雙醛馬鈴薯淀粉的熱重分析Fig.3 TG of native starch，DAS-56.87 and DAS-90.55

圖 4為馬鈴薯淀粉和雙醛馬鈴薯淀粉的微商熱重(DTG)曲線．從圖4可以看出，馬鈴薯淀粉的熱分解起始溫度為 278,℃，而低取代度 DAS-56.87的熱分解起始溫度降低到 265,℃，高取代 DAS-90.66的分解起始溫度降低到236,℃．

圖4 馬鈴薯淀粉和雙醛馬鈴薯淀粉的微商熱重圖Fig.4 DTG curves of native starch，DAS-56.87 and DAS-90.66

熱重分析曲線用來考察馬鈴薯淀粉被氧化后其

雙醛馬鈴薯淀粉隨著醛基含量的增加，清除率明顯增大，其原理可能為醛基含量越高，在強的氧化劑或者自由基中，就會被氧化成為羧基而具有抗氧化性．此外，由于淀粉在雙醛化過程中被降解，相對平均分子質(zhì)量降低，穩(wěn)定性降低(圖 3和圖 4)，表面積增大(圖 1)，膨脹力和溶解度增加(表 1)，增加了雙醛淀粉與 DPPH的有效碰撞，這都有利于其抗氧化活性的提高[11,17]．

3 結(jié) 論

馬鈴薯淀粉被氧化后的物理化學(xué)性質(zhì)表明，雙醛淀粉可以溶于熱水，紅外光譜分析結(jié)果表明，隨著取代度的提高，雙醛淀粉的特征峰強度越強，證明高碘酸鈉成功氧化原淀粉葡萄糖單元的 2，3位羥基．從SEM結(jié)果可知，原淀粉顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，顆粒表面出現(xiàn)凹槽．熱重分析結(jié)果表明，原淀粉被氧化后，熱穩(wěn)定性降低．通過 DPPH實驗，表明雙醛馬鈴薯淀粉具有較好的抗氧化性，當(dāng)樣品的質(zhì)量濃度為 3.0,mg/mL時，DAS-56.87和DAS-90.66對DPPH自由基的清除率分別為 42.64%和 62.71%．這些性質(zhì)的變化都有利于其抗氧化能力的提高．雙醛淀粉的抗氧化性能增加了其在食品工業(yè)及其他工業(yè)的應(yīng)用范圍．

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