高靜壓協(xié)同酶法制備交聯(lián)多孔淀粉及其性質(zhì)研究

張?zhí)鹛?，侯?mèng)醒，劉培玲

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 呼和浩特 010000）

天然來(lái)源的淀粉材料具有安全性強(qiáng)、生物可降解等特性，然而，溶解性較差、易回生、吸附能力弱、黏度很高及熱不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，使天然淀粉的應(yīng)用受到很大的限制[1]。對(duì)淀粉進(jìn)行改性可以改善淀粉的性能，拓展淀粉的應(yīng)用[2]。多孔淀粉（porous starch）是指用物理、化學(xué)或生物方法處理淀粉形成的一種具有孔道結(jié)構(gòu)的變性淀粉[3]。其顆粒呈現(xiàn)多孔狀，從表面到中心均有豐富的微孔，相比于原淀粉，具有更高的孔隙率和比表面積，較低的顆粒密度和堆積密度，良好的吸附性能等性能[4]。多孔淀粉可有效防止被包埋物質(zhì)自氧化，一些對(duì)溫度、光和氧不穩(wěn)定的物質(zhì)可被多孔淀粉保護(hù)。其也可作為微膠囊芯材、吸附載體和包埋劑等[5]。

目前多孔淀粉的制備方法主要有物理法、化學(xué)法、酶解法及復(fù)合法[6]。這些方法中，酶解方法因高效的催化能力和溫和的反應(yīng)條件而被廣泛應(yīng)用于制備多孔淀粉，研究表明：不同的酶催化效果不同，同時(shí)使用α-淀粉酶和糖化酶進(jìn)行反應(yīng)制備效果較好[7-8]。然而，單一的制備方法存在各自的缺陷，復(fù)合法成為目前多孔淀粉制備的主要方式，即先進(jìn)行物理或化學(xué)前處理，后通過(guò)復(fù)合酶水解制備多孔淀粉。物理或化學(xué)處理后的淀粉更易被酶水解，其結(jié)構(gòu)也較穩(wěn)定[9]。OLIYAEI 等[10]在酶水解前用濕熱預(yù)處理的方法制備小麥多孔淀粉，結(jié)果表明經(jīng)重復(fù)濕熱預(yù)處理得到的多孔淀粉吸附能力、比表面積和總孔容積均得到顯著提高。吳麗榮等[11]和MAHSA 等[12]研究表明超聲可以提高α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶的催化效率，提高多孔淀粉的制備效果。

高靜壓（high hydrostatic pressure，HHP）技術(shù)屬于物理變性技術(shù)，具有安全性、經(jīng)濟(jì)性高和穩(wěn)定性強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其作用機(jī)理為淀粉分子與水分子在高壓作用下的水合作用使淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并由此導(dǎo)致淀粉性質(zhì)發(fā)生改變，達(dá)到改性的目的[13]。Herman 等[14]，Liu 等[15]和Li 等[16]發(fā)現(xiàn)HHP 在一定程度上使淀粉特征性質(zhì)發(fā)生變化，如破壞淀粉顆粒表面，改變結(jié)晶度和糊化性質(zhì)等。交聯(lián)可使顆粒表面機(jī)械性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加。徐正康等[17]研究表明低中等交聯(lián)度的變性淀粉可以滿足中高溫制備多孔淀粉的要求。利用三偏磷酸鈉（sodium trimetaphosphate，STMP）交聯(lián)，可在保證顆粒穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，使顆粒多孔增加，從而提高吸附率[18]。

本研究以玉米淀粉為原料，通過(guò)對(duì)高壓多孔淀粉與高壓交聯(lián)多孔淀粉的分析，研究制備高壓交聯(lián)多孔淀粉的工藝參數(shù)，并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行研究，為多孔淀粉在食品加工中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 材料與試劑 玉米淀粉，沽源縣盛邦農(nóng)業(yè)有限責(zé)任公司。三偏磷酸鈉，上海精純?cè)噭┯邢薰荆惶腔?，北京酷?lái)搏科技有限公司；α-淀粉酶，北京索萊寶科技有限公司；氯化鈉、氫氧化鈉、鹽酸、磷酸鈉緩沖液干粉、溴化鉀均為分析純級(jí)，天津永晟精細(xì)化工有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備 ALB-224 分析天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；S-3400N 掃描電子顯微鏡，日本厥場(chǎng)制作所；Quarasorb-SI3030606 比表面積與孔徑分析儀，貝士德儀器科技（北京）有限公司；XRD-6000X 射線衍射儀，上海實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；ETIR-33FTIR 光譜儀，上海美譜達(dá)儀器有限公司；XRD-6000X 射線光電子能譜分析儀，日本理學(xué)株式會(huì)社；HHP-750 高靜壓設(shè)備，包頭科發(fā)高壓技術(shù)有限公司；TDL-5-A 離心機(jī)，上海安亭器有限公司；ALB-224 數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市江南儀器廠；101A-2 鼓風(fēng)干燥箱，上海實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；SHA-B 恒溫震蕩儀，江蘇常州國(guó)華有限公司；SHB-B95 循環(huán)水真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；DHT 恒溫電熱套，上海帥登儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 多孔淀粉的制備

1）高壓多孔淀粉制備 準(zhǔn)確稱取20 g 玉米淀粉，加入磷酸鈉緩沖溶液配成20%的玉米淀粉乳液，裝入聚乙烯袋中，抽真空塑封，用高靜壓分別在0，100，200，300，400 MPa 下壓制30 min。將制備的玉米淀粉乳裝入燒杯中，在50 ℃恒溫水浴中預(yù)熱10 min，加入α-淀粉酶與糖化酶比例為4∶1的復(fù)合酶，添加量為淀粉基的2.0%。反應(yīng)4 h 后，加入4%的NaOH 使酶失活。離心、抽濾，用去離子水洗滌3 次后在鼓風(fēng)干燥箱干燥18 h，研磨，過(guò)100 目篩，制得高壓多孔淀粉[19]。

2）高壓交聯(lián)多孔淀粉制備 稱取5 g 高壓多孔淀粉與去離子水配制成20%的淀粉乳，在燒杯中放入NaOH（淀粉基的2%）和NaCl（淀粉基的6%），用磁力攪拌器攪拌，使其溶解。40 ℃水浴中加熱1 h，使其堿化。加入三偏磷酸鈉（淀粉基的3%）交聯(lián)劑后，在不同溫度下用恒溫振蕩儀140 r/min 反應(yīng)3 h，然后，加入適量的鹽酸，調(diào)節(jié)pH 為中性。抽濾，洗滌3 次。在恒溫干燥箱內(nèi)干燥18 h，研磨，過(guò)100 目篩，制得高壓交聯(lián)多孔淀粉[20-21]。

1.2.2 多孔淀粉顆粒形貌的測(cè)定 將導(dǎo)電膠粘于掃描電子顯微鏡的載物臺(tái)上，粘取少量樣品，放入離子濺射鍍金儀中真空噴金20 min 后觀察，加速電壓為20 kV[22]。

1.2.3 多孔淀粉比表面積與孔徑的測(cè)定 采用全自動(dòng)物理吸附設(shè)備對(duì)樣品的比表面積和孔徑進(jìn)行分析。將樣品置于樣品管中經(jīng)105 ℃、2 h 的真空脫氣脫水，然后，將樣品管放入盛有液氮的樣品臺(tái)中通入氮?dú)?，以氮?dú)鉃槲綒怏w。比表面積可由BET 方程（Brunauer Emmett Teller）計(jì)算得出，樣品的孔徑、孔體積由BJH 法（Barrett Joyner Halenda）分析得出[23-24]。

式中，V——平衡壓力為P 時(shí)，吸附氮?dú)獾目傮w積，L；Vm——樣品表面覆蓋第1 層滿時(shí)所需氮?dú)獾捏w積，L；P——氮?dú)庠谖綔囟认缕胶鈺r(shí)的壓力，Pa；Ps——飽和蒸汽壓力，Pa；C——吸附常數(shù)。

1.2.4 多孔淀粉X 射線衍射 取0.5 g 淀粉樣品置于模具的圓形螺紋處，用光滑的玻璃片壓平。對(duì)淀粉樣品用X-射線衍射儀測(cè)試，掃描范圍5°～40°，步長(zhǎng)0.02°，掃描速度2°/min。樣品的相對(duì)結(jié)晶度用MDI-Jade 6.0 軟件計(jì)算得出[25]。

1.2.5 多孔淀粉紅外光譜掃描 將淀粉樣品與KBr 在105 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重，消除樣品中水分子對(duì)紅外吸收峰的干擾。淀粉樣品與KBr 按1∶100 的比例混合，研磨成細(xì)粉，在5 MPa的壓力下壓成圓形透明片。以KBr 為背景，在4 000～400 cm-1范圍內(nèi)記錄光譜。用OMNIC 8.0軟件計(jì)算吸光度比，1 047/1 022 cm-1，表征淀粉的短程有序度，1 022/995 cm-1表示淀粉無(wú)定型區(qū)域的結(jié)構(gòu)變化。

1.2.6 多孔淀粉X 射線光電子能譜測(cè)定 使用單色化的AlKα 射線（能量1 486.6 eV））作為激發(fā)源，真空度5×10-9Pa，發(fā)射電壓15 kV，發(fā)射功率150 W。采用的全譜和窄譜掃描通能分別為160 eV 和40 eV，其步長(zhǎng)分別為1 eV 和0.1 eV。用XPS Peak 4.1 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2.7 吸油率與吸水率的測(cè)定

1）吸油率測(cè)定 準(zhǔn)確稱取2.0000 g 樣品于燒杯中，加入5 mL 葵花籽油，室溫下用恒溫電熱套攪拌30 min，將攪拌后的樣品置已知質(zhì)量的砂芯漏斗中，用循環(huán)水真空泵抽濾直至沒(méi)有油滴滴下。記錄砂芯漏斗與樣品的質(zhì)量，計(jì)算吸油率A。每組樣品測(cè)定3 次，取平均值。

式中，A——吸油率，%；B——樣品質(zhì)量，g；C——砂芯漏斗的質(zhì)量，g；D——漏斗與樣品的質(zhì)量，g。

2）吸水率測(cè)定 準(zhǔn)確稱取2.0000 g 樣品于燒杯中，加入5 mL 去離子水，在室溫下用恒溫電熱套攪拌30 min。將攪拌后的樣品置已知質(zhì)量的砂芯漏斗中，用循環(huán)水真空泵抽濾直至沒(méi)有水滴滴下。記錄砂芯漏斗與樣品的質(zhì)量，計(jì)算吸水率A。每組樣品測(cè)量3 次，取平均值。

式中，A——吸油率，%；B——樣品質(zhì)量，g；C——砂芯漏斗的質(zhì)量，g；D——漏斗與樣品的質(zhì)量，g。

1.2.8 透光率的測(cè)定 稱取適量的樣品加入去離子水，配成1%的淀粉溶液，在水浴鍋中沸水加熱攪拌15 min，同時(shí)保持溶液體積不變，結(jié)束反應(yīng)后將樣品冷卻至室溫，去離子水為空白溶液，用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)620 nm 處測(cè)定淀粉糊的吸光度，計(jì)算透光率[26]。每組樣品測(cè)定3 次，取平均值。

1.2.9 凍融穩(wěn)定性的測(cè)定 準(zhǔn)確稱取1.5000 g 樣品，與25 mL 去離子水配成6%的淀粉乳，在85℃水浴鍋中水浴5 min，取出冷卻至室溫。在離心管（質(zhì)量為M0）中加入一定質(zhì)量的淀粉糊（M1），冷凍（約-2 ℃）24 h。解凍后在離心機(jī)中4 000 r/min離心15 min，稱量離心管與沉淀物的質(zhì)量M2，沉淀物的質(zhì)量記為M3。樣品析水率記為W[27]。每組樣品測(cè)量3 次，取平均值。

式中，M1——離心管中的淀粉糊質(zhì)量，g，M1=M-M0；M3——管內(nèi)沉淀物的質(zhì)量，g，M3=M2-M0。

1.2.10 溶解度和膨脹度的測(cè)定 稱取0.5000 g樣品放于已知質(zhì)量的離心管中。加入10 mL 去離子水，在80 ℃水浴鍋中水浴30 min，反應(yīng)過(guò)程中不斷搖晃。反應(yīng)結(jié)束后冷卻到室溫，3 000 r/min 離心5 min，將上清液倒入預(yù)先稱量過(guò)的培養(yǎng)皿中，并立即稱量沉淀物。記錄沉淀物與離心管的質(zhì)量，上清液置于已知質(zhì)量的培養(yǎng)皿中，用60 ℃的鼓風(fēng)干燥箱干燥24 h 后立即稱其質(zhì)量[28]。每組樣品測(cè)定3 次，取平均值。計(jì)算樣品的溶解度（S），膨脹度（B）。

式中，M1——離心管的質(zhì)量，g；M2——沉淀物與離心管的質(zhì) 量，g；M3——培養(yǎng)皿的質(zhì)量，g；M4——干燥后上清液的質(zhì)量，g。

1.2.11 高壓交聯(lián)多孔淀粉最佳工藝的確定

1.2.1 1.1 單因素實(shí)驗(yàn)

1）反應(yīng)溫度對(duì)多孔淀粉交聯(lián)度的影響 固定壓強(qiáng)200 MPa，反應(yīng)pH 10，反應(yīng)時(shí)間4 h，探討反應(yīng)溫度對(duì)交聯(lián)度的影響。

2）pH 值對(duì)多孔淀粉交聯(lián)度的影響 固定壓強(qiáng)200 MPa，反應(yīng)溫度40 ℃，反應(yīng)時(shí)間4 h，探討pH 值對(duì)交聯(lián)度的影響。

3）三偏磷酸鈉用量對(duì)多孔淀粉交聯(lián)度的影響

固定壓強(qiáng)200 MPa，反應(yīng)pH 10，反應(yīng)溫度40℃，反應(yīng)時(shí)間4 h，探討三偏磷酸鈉用量對(duì)交聯(lián)度的影響。

4）壓力強(qiáng)度對(duì)多孔淀粉交聯(lián)度的影響 固定反應(yīng)pH 10，反應(yīng)溫度40 ℃，反應(yīng)時(shí)間4 h，選擇壓力強(qiáng)度分別為0，100，200，300，400 MPa，考察壓力強(qiáng)度對(duì)交聯(lián)度的影響。

1.2.1 1.2 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，固定反應(yīng)時(shí)間4 h。選取反應(yīng)溫度（A）、反應(yīng)pH（B）、三偏磷酸鈉用量（C）、反應(yīng)壓強(qiáng)（D）4 個(gè)因素，用spss軟件設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)，以沉降積為指標(biāo)，確定最佳試驗(yàn)條件。

1.2.12 多孔淀粉交聯(lián)度的測(cè)定 通過(guò)測(cè)定多孔淀粉的沉降積來(lái)間接表示交聯(lián)度，交聯(lián)度與沉降積呈負(fù)相關(guān)。交聯(lián)度越大，沉降積越小；反之，交聯(lián)度越小，沉降積越大[29]。

稱取0.5000 g 高壓交聯(lián)多孔淀粉，與25 mL蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，放入恒溫水浴鍋中?5 ℃保溫2 min，冷卻至室溫。將所得糊液在4 000 r/min 離心5 min，準(zhǔn)確記錄上清液體積，用下式計(jì)算其沉降積[30]。每組試驗(yàn)重復(fù)3 次。

式中，V——上清液的體積，mL；Vs——沉降積，mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 多孔淀粉顆粒SEM 掃描分析

原玉米淀粉顆粒呈多面體形，表面不光滑，有凹陷和通向顆粒中心的細(xì)孔[31]。經(jīng)過(guò)酶解和交聯(lián)而未進(jìn)行高壓處理的淀粉顆粒（A1、B1）的表面形成孔道結(jié)構(gòu)，孔徑較小。經(jīng)100 MPa 壓強(qiáng)處理的淀粉顆粒（A2、B2）表面幾乎看不到孔道結(jié)構(gòu)，可能是因?yàn)榇藟毫?duì)淀粉顆粒表面有緊致作用。200 MPa 時(shí)淀粉顆粒（A3、B3）表面孔道結(jié)構(gòu)增多，孔徑變大；300 MPa 時(shí)高壓多孔淀粉（A4）顆粒表面的孔徑無(wú)明顯變化，而高壓交聯(lián)多孔淀粉（B4）表面出現(xiàn)溝壑，孔徑增大；400 MPa 時(shí)淀粉顆粒（A5、B5）的孔徑明顯增大，孔與孔相連在一起，部分淀粉顆粒出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。高壓交聯(lián)多孔淀粉與高壓多孔淀粉相比，孔道孔徑更大。

圖1 多孔淀粉的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 Electron microscopy of porous starch

2.2 多孔淀粉比表面積與孔徑的分析

由表1 可看出，在壓強(qiáng)作用下高壓多孔淀粉和高壓交聯(lián)多孔淀粉的平均孔徑與孔體積均呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)，且在相同壓強(qiáng)下，高壓交聯(lián)多孔淀粉的孔體積均大于高壓多孔淀粉，說(shuō)明交聯(lián)反應(yīng)可以增加多孔淀粉的孔體積。天然玉米淀粉的比表面積較小，約0.339 m2/g，經(jīng)高靜壓處理的高壓多孔淀粉的比表面積變大，呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)壓強(qiáng)200 MPa 時(shí)多孔淀粉的比表面積最大，高壓交聯(lián)多孔淀粉與高壓多孔淀粉有同樣的趨勢(shì)，只是高壓交聯(lián)多孔淀粉的比表面積比多孔淀粉大。一方面可能是由于交聯(lián)反應(yīng)作用在淀粉顆粒的表面，使孔道的直徑變大，另一方面可能是交聯(lián)反應(yīng)在淀粉顆粒間發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。

表1 多孔淀粉比表面積與孔徑測(cè)定結(jié)果Table 1 Determination of specific surface area and pore size of porous starch

2.3 多孔淀粉X 射線衍射分析

由圖2 可知，高壓多孔淀粉和高壓交聯(lián)多孔淀粉的特征峰均沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明它們的晶型未發(fā)生變化，是典型的A 型淀粉。2θ 在17.1，18.2處的雙峰峰強(qiáng)度有變化，表現(xiàn)出很高的結(jié)晶度，說(shuō)明高壓可能使淀粉晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，交聯(lián)反應(yīng)也影響淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)MDI Jade 軟件進(jìn)行相對(duì)結(jié)晶度的計(jì)算[32]。由表2 可知，高壓交聯(lián)多孔淀粉的相對(duì)結(jié)晶度均低于高壓多孔淀粉，說(shuō)明高壓交聯(lián)多孔淀粉具有疏松的內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)，更利于吸收及吸附。

圖2 多孔淀粉的XRD 圖譜（a：高壓多孔淀粉；b：高壓交聯(lián)多孔淀粉）Fig.2 XRD patterns of porous starch（a：high pressure porous starch；b：high pressure cross-linked porous starch）

表2 不同壓力下多孔淀粉的相對(duì)結(jié)晶度Table 2 Relative crystallinity of cross-linked porous starch under different pressures

2.4 多孔淀粉紅外光譜掃描分析

圖3 的紅外光譜中，3 400 cm-1處的特征峰對(duì)應(yīng)O-H 的伸縮振動(dòng)，1 248 cm-1處的特征峰對(duì)應(yīng)O-H 的彎曲振動(dòng)，1 365～1 413 cm-1區(qū)域的吸收帶是由C-H 彎曲振動(dòng)引起的，2 945 cm-1處的吸收帶是由于C-H 的伸縮振動(dòng)，1 242 cm-1處是P=O的特征吸收，1 025 cm-1處是P-O-C 的特征吸收。可以看出高壓多孔淀粉與高壓交聯(lián)多孔淀粉的紅外光譜與原淀粉的大致相同，沒(méi)有新的峰出現(xiàn)，說(shuō)明均沒(méi)有新的官能團(tuán)生成。1 047 cm-1和1 022 cm-1附近的紅外波段分別與淀粉的結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)有關(guān)，1 047 cm-1和1 022 cm-1處的吸光度比值通常用來(lái)表征淀粉的近程分子順序[33]。交聯(lián)改性后，多孔淀粉樣品的有序結(jié)構(gòu)值（1 047/1 022）略有降低，表明交聯(lián)反應(yīng)破壞了多孔淀粉樣品的近程分子順序，這與XRD 結(jié)果一致。

圖3 多孔淀粉的FTIR 圖譜Fig.3 FTIR profiles of porous starch

表3 不同壓力下多孔淀粉的1 047/1 022，1 022/995 比值Table 3 Ratio of 1 047/1 022，1 022/995 of porous starch under different pressures

2.5 多孔淀粉的X 射線光電子能譜分析

圖4 為經(jīng)200 MPa 處理和3%交聯(lián)劑優(yōu)化的高壓多孔淀粉和高壓交聯(lián)多孔淀粉的XPS 光譜，可以看出，碳和氧是淀粉的主要成分，峰分別出現(xiàn)在約286.3 eV 和532.8 eV 處。從圖4B 可以看出，高壓交聯(lián)多孔淀粉在133.4 eV 處有新的峰，表明磷酸基團(tuán)被引入改性淀粉樣品中。從圖4C 可以看出，高壓多孔淀粉樣品中C1s 在284.6eV 和286.0 eV 處有兩個(gè)峰，分別與C-C/C-H 和C-O/C-O-C/C-OH 鍵有關(guān)[34]。然而，高壓交聯(lián)多孔淀粉中的C1s 在284.6，286.0，287.3 eV處有3個(gè)峰（圖4D），在287.3 eV 處有1 個(gè)新峰，對(duì)應(yīng)于化學(xué)狀態(tài)為C-O-P 鍵。這些結(jié)果表明，磷酸基團(tuán)通過(guò)共價(jià)鍵在高壓交聯(lián)多孔淀粉上與-OH 形成C-O-P，即發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。

圖4 多孔淀粉的X 射線光電子能譜Fig.4 X-ray photoelectron spectroscopy of porous starch

2.6 吸油率與吸水率

吸油率和吸水率反映多孔淀粉對(duì)負(fù)載物的吸附能力。原淀粉的吸油率是39.33%。由圖5 可看出高壓和交聯(lián)處理后淀粉的吸油率均提高了，交聯(lián)后的多孔淀粉吸油率提高更多，在200 MPa 壓強(qiáng)下兩種淀粉的吸油率達(dá)到最大值。吸油率的變化可能與孔道結(jié)構(gòu)、孔徑、孔容積有關(guān)，交聯(lián)反應(yīng)因可以加強(qiáng)淀粉顆粒的力學(xué)性能而使其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，使高壓交聯(lián)多孔淀粉的吸油率更高[35]。

圖5 多孔淀粉的吸油率Fig.5 Oil absorption rate of porous starch

圖6 可看出，不同壓強(qiáng)處理后，高壓交聯(lián)多孔淀粉的吸水率均高于高壓多孔淀粉。這主要是因?yàn)榻宦?lián)反應(yīng)是引入磷酸鹽基團(tuán)與淀粉顆粒中的羥基形成氫鍵，磷酸基團(tuán)具有親水性，使水分子更容易被吸收[36]。

圖6 淀粉樣品的吸水率Fig.6 Water absorption of starch sample

2.7 多孔淀粉最佳制備工藝

2.7.1 高壓交聯(lián)多孔淀粉制備的單因素實(shí)驗(yàn) 由圖7 可看出，反應(yīng)溫度升高，高壓交聯(lián)多孔淀粉的沉降積呈先降低后升高的趨勢(shì)，反應(yīng)活化能增加，淀粉樣品與三偏磷酸鈉分子獲得能量，增加活化分子的占比，使有效碰撞次數(shù)增多。其次，由于溫度升高，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物分子碰撞次數(shù)增多，因此高壓交聯(lián)多孔淀粉的交聯(lián)度隨溫度的升高而增大。反應(yīng)溫度繼續(xù)升高，淀粉發(fā)生局部糊化，阻礙了交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，交聯(lián)度有所下降。40 ℃時(shí)沉降積達(dá)到最低值，高壓交聯(lián)多孔淀粉的交聯(lián)度最大。隨著反應(yīng)pH 值的增加，反應(yīng)物的沉降積呈先下降后升高的趨勢(shì)。適度提高pH 值，可促進(jìn)三偏磷酸鈉中磷酸集團(tuán)與淀粉發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，生成磷酸二脂鍵。pH 值的升高使淀粉顆粒的膨脹程度增大，三偏磷酸鈉更易進(jìn)入淀粉顆粒中擴(kuò)散及反應(yīng)。當(dāng)pH 過(guò)大時(shí)，引起部分淀粉顆粒發(fā)生糊化反應(yīng)，從而抑制交聯(lián)反應(yīng)。pH 11 時(shí)沉降積達(dá)到最小值，此時(shí)交聯(lián)度達(dá)到最大值。隨著壓強(qiáng)的增加，沉降積呈先增加后降低的趨勢(shì)，淀粉顆粒表面及結(jié)晶結(jié)構(gòu)都受到破壞，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)發(fā)生解體，冷水溶解度提高，與三偏磷酸鈉中的磷酸基團(tuán)相容性提高。同時(shí)，顆粒表面孔徑變大，磷酸基團(tuán)更易擴(kuò)散到淀粉分子內(nèi)部。壓力超過(guò)200 MPa 后，高壓使玉米淀粉分子鏈變短，淀粉分子運(yùn)動(dòng)速度加快，阻止了交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生。隨著交聯(lián)劑用量的增加，高壓交聯(lián)多孔淀粉的交聯(lián)度呈逐漸增加并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。主要原因是交聯(lián)劑用量增加，增大了分子間的有效碰撞幾率，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。而當(dāng)交聯(lián)劑增到一定值時(shí)，這種促進(jìn)作用基本可以忽略。三偏磷酸鈉用量為3%時(shí)，達(dá)到最佳反應(yīng)效果。

圖7 單因素實(shí)驗(yàn)圖Fig.7 Single factor test diagram

2.7.2 高壓交聯(lián)多孔淀粉正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，固定反應(yīng)時(shí)間4 h。選取反應(yīng)溫度（A）、反應(yīng)pH（B）、三偏磷酸鈉用量（C）、反應(yīng)壓強(qiáng)（D）4個(gè)因素，用SPSS 軟件設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)，以沉降積為指標(biāo)，確定最佳試驗(yàn)條件。因素水平見(jiàn)表4，結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 高壓交聯(lián)多孔淀粉試驗(yàn)因素水平Table 4 factor and level about high pressure cross-linked porous starch experimental

由表5 中極差（R）可以看出：4 個(gè)因素對(duì)高壓交聯(lián)多孔淀粉交聯(lián)度影響的主次因素排序?yàn)镈>B>C>A，即反應(yīng)壓強(qiáng)＞反應(yīng)pH＞反應(yīng)溫度＞三偏磷酸鈉用量。由均值（K）可以看出高壓交聯(lián)多孔淀粉的優(yōu)水平是A2B2C1D1。最佳制備工藝為：反應(yīng)溫度40 ℃，反應(yīng)pH 11，交聯(lián)劑用量為淀粉基的3%，壓強(qiáng)200 MPa。

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 5 Orthogonal test results

2.8 高壓交聯(lián)多孔淀粉的理化性質(zhì)

高壓多孔淀粉透光率較原淀粉增加了4.94%，而高壓交聯(lián)多孔淀粉的透光率有所下降。高壓使淀粉的分子鏈變短，平均分子質(zhì)量變小，羥基暴露的更多，更易形成均勻的水合體系，因此透明度升高，而交聯(lián)反應(yīng)會(huì)抑制淀粉顆粒的膨脹，使其結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，不容易形成水合體系，并且團(tuán)聚使其平均分子質(zhì)量增大，透光率降低[38]。凍融穩(wěn)定性與析水率呈負(fù)相關(guān)，析水率越小，凍融穩(wěn)定性越好。高壓交聯(lián)多孔淀粉與多孔淀粉和高壓多孔淀粉相比具有較好的凍融穩(wěn)定性，高壓多孔淀粉的凍融穩(wěn)定性最差。這主要是由于壓強(qiáng)200 MPa 時(shí)淀粉顆粒更容易酶解，淀粉顆粒穩(wěn)定性降低。而交聯(lián)反應(yīng)使分子間形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加了分子重排的難度，導(dǎo)致其分子結(jié)構(gòu)更加牢固、穩(wěn)定，從而使凍融穩(wěn)定性提高。

與原淀粉相比，不同處理?xiàng)l件的多孔淀粉的溶解度和膨脹度均有增加。高壓使淀粉分子的分子鏈變短，露出更多羥基，淀粉水溶性變強(qiáng)，而交聯(lián)反應(yīng)通過(guò)磷酸基團(tuán)的附加共價(jià)鍵加強(qiáng)淀粉分子間的鍵合，使淀粉顆粒緊密結(jié)合在一起。此外，高壓交聯(lián)多孔淀粉的膨脹度明顯低于多孔淀粉和高壓多孔淀粉，表明淀粉分子間的交聯(lián)反應(yīng)加強(qiáng)了淀粉鏈間的結(jié)合，提高了淀粉顆粒的抗剪切力，從而抑制淀粉顆粒的膨脹。

表6 高壓交聯(lián)多孔淀粉的理化性質(zhì)Table 6 Physicochemical properties of high pressure crosslinked porous starch

3 結(jié)論

采用不同壓強(qiáng)處理多孔淀粉，當(dāng)壓強(qiáng)200 MPa 時(shí)，高壓多孔淀粉和高壓交聯(lián)多孔淀粉都表現(xiàn)出良好的多孔淀粉形態(tài)和性質(zhì)。高壓交聯(lián)后的多孔淀粉顆粒的孔道結(jié)構(gòu)也更均勻，比表面積、孔徑均變大，形成結(jié)晶度降低的疏松結(jié)構(gòu)，吸附性明顯增加，吸油率及吸水率分別從68%和120%提高到75%和124%。

高壓交聯(lián)多孔淀粉的最佳制備條件是：反應(yīng)溫度40 ℃，反應(yīng)pH 11，壓強(qiáng)200 MPa，交聯(lián)劑用量為淀粉基的3%。4 因素對(duì)高壓交聯(lián)多孔淀粉交聯(lián)度影響的排序?yàn)榉磻?yīng)壓強(qiáng)＞反應(yīng)pH＞反應(yīng)溫度＞三偏磷酸鈉用量。此工藝上制備的高壓交聯(lián)多孔淀粉透光率較多孔淀粉和高壓多孔淀粉分別下降了3.26%和5.06%；析水率分別下降了24.7%和28.5%；不同處理?xiàng)l件下形成的多孔淀粉溶解度和膨脹度都較原淀粉明顯提高，利于其的應(yīng)用。