淀粉作为一种重要的工业原料,在食品、化工、生物等行业有广泛应用。天然淀粉存在热稳定性差、不溶于冷水、易断裂等缺点[1],因此目前利用物理、化学、生物等手段来生产淀粉衍生物,以适应各行业的需要[2]。
随着绿色加工理念的提出,采用电场技术对淀粉改性逐渐受到关注。已报道的电场加工技术,例如高压脉冲电场和欧姆加热处理,通常需要将原料置于带有电极的腔体中,通过改变频率、强度、功率和波形等条件对介质进行处理[3-4]。利用电场非热效应所引起的电穿孔或电崩溃现象[5],可以在较低温度下完成对原料中功能性成分的快速溶出和聚合物修饰。利用脉冲电场对玉米淀粉[6]、大米淀粉[7]和蜡质玉米淀粉[8]进行了改性,发现电场可以改善淀粉的理化性质,改变其结构和形貌。欧姆加热也能改变大米淀粉和原大米粉的热学特性,如糊化温度和焓值[9]。LI等[10]研究了中等强度电场对葡萄糖淀粉酶催化玉米淀粉水解的影响,发现低频条件下易形成多孔淀粉。但这些电场的金属电极与料液直接接触,若处于酸碱溶液和高电流的情况下,难以避免电极反应、重金属渗透等问题[11]。
利用磁电感应原理,以交变磁场激励闭合回路中的电导性液态样品,在介质内部诱导产生出感应电场,可以实现非接触式的电场处理[12]。由于感应电场是呈周期性变化的交变电场,因此带电粒子在其中做变速往复运动。已有报道发现感应电场在促进淀粉水解方面表现出一定的潜质[13-14],感应电场辅助淀粉酸解的作用机制是改变带电粒子运动方向和运动速率,产生热效应和非热效应以改变淀粉的酸解效率。但是之前的研究多用于液体物料的间歇处理,难以实现规模化的放大处理。连续流的反应技术由于具有高效的特点,故在化工、医药等行业受到广泛关注[15]。本试验采用的感应电场装置结合了连续流的反应器,进行淀粉物料的改性处理,旨在探索多级连续电场对玉米淀粉酸解进程影响、理化性质以及微观形态的改变,评估其非热效应对玉米淀粉酸解的改性作用,有望为淀粉类天然碳水化合物的新型物理场加工提供研究参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
玉米淀粉(水分含量12.5%),购于山东恒仁工贸有限公司;HCl、NaOH、KCl等试剂均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
TU1810紫外分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;FE30电导率仪,瑞士Mettler Toledo仪器有限公司;X-DSC7000差示扫描量热仪,日本Seiko有限公司;IS5红外光谱分析仪,美国赛默飞公司;S4800扫描电子显微镜,日本日立公司;Ultima IV型X射线衍射仪,日本理学株式会社。
多级连续感应电场处理系统如图1所示,待处理料液经蠕动泵到达感应电场腔体内部进行连续流处理,同时每一级都具有独立的电势差。其中,励磁电源给初级线圈施加电信号,从而在磁路中产生出交变的磁场,再于充满电导性料液的次级电路(即反应腔体)中得到感应电场。反应腔体的外层有恒温水浴,以保持处理系统的恒温环境。反应腔体共有16级串联电场排布,其中腔体的感应电场可单独控制,以实现不同级数的感应电场。
图1 多级连续感应电场装置图
Fig.1 Diagram of multistage continuous-flow IEF
1.3 实验方法
1.3.1 多级感应电场处理
称取80 g玉米淀粉与1 000 mL、0.4 mol/L的HCl溶液混匀,并加入6%的KCl,将淀粉溶液分别泵入0(对照)、1(150 V)、2(300 V)、3(450 V)、4(600 V)、8(1 200 V)、16(2 400 V)级感应电场中进行处理,单个腔体固定励磁电压150 V,系统总励磁电压随反应腔体的增加而线性提升,温度50 ℃、频率400 Hz、转速70 r/min,时间20 h。对照组为相同条件下无电场的玉米淀粉酸解液。处理结束后测定溶液的电导率,然后用8 mol/L的NaOH溶液调pH至7.0,5 000 r/min离心10 min后取上清液,测量还原糖含量,所得到的沉淀物经3次洗涤去除其盐离子,于30 ℃烘箱过夜烘干,研磨粉碎并过80目筛,保存于密封袋中。
1.3.2 还原糖含量的测定
利用二硝基水杨酸(3, 5-dinitrosalicylic acid, DNS)法[13]测定还原糖含量。于试管中加入0.5 mL玉米淀粉上清液和0.5 mL DNS试剂混匀,沸水浴5 min后冷却至常温加入4 mL蒸馏水,混匀,采用分光光度计测波长540 nm的吸光值,由葡萄糖溶液的标准曲线计算还原糖含量(g/L)。
1.3.3 电导率的测定
取少部分酸解玉米淀粉溶液于塑料杯中,于25 ℃将电导率仪探头置于其中,保持玉米淀粉液均匀无沉淀,待数据稳定得出数值。
1.3.4 溶解度和膨胀力的测定
根据LI等[13]方法并稍加改进,称取约0.50 g玉米淀粉,根据水分含量算出干基淀粉的质量m(g),加入蒸馏水,配成 50 mL质量分数1.0%的淀粉溶液。将配制好的淀粉溶液在55、65、75、85、95 ℃下加热并搅拌30 min,冷却后将淀粉乳5 000 r/min离心15 min,将上清液置于水浴上蒸干,放入103 ℃烘箱烘干, 称量得被溶解淀粉的质量m1(g),按公式(1)计算溶解度S(%)。称量离心管中膨胀淀粉质量m2(g),按公式(2)计算其膨胀力B(g/g)。
(1)
(2)
1.3.5 热性质的测定
称取玉米淀粉约3 mg置于坩埚中,加入2倍体积(约6 μL)去离子水,制成共混溶液并密封,于4 ℃冰箱静置24小时后,利用差示扫描量热仪(differentialscanning calorimeter, DSC)测试。升温速率10 ℃/min,升温区间20～100 ℃。试验过程中通入流速为10 mL/min的N2[14]。
1.3.6 长程晶体结构测定
采用X射线衍射仪(X-ray diffractometer, XRD)测定玉米淀粉的结晶性,用Cu-Ka发射线,连续扫描速率为4°/min,步长为0.01°,扫描范围为3～50°,管压和管流分别为40 kV和40 mA。参考NARA等[16]的方法计算相对结晶度(RC),如公式(3)所示。
(3)
式中,Aa和Ac分别代表无定形区和结晶区的面积。
1.3.7 短程晶体结构测定
参考XUE等[17]的方法,将玉米淀粉和KBr粉末以1∶100的比例于玛瑙研钵中研磨10 min,在4 cm-1分辨率的条件下用傅里叶变换红外光谱分析仪(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)进行扫描(400～4 000 cm-1),共扫描32次。
1.3.8 颗粒表面形态测定
使用扫描电镜(scanning electron microscopy, SEM)观察淀粉颗粒表面形态,将少量过80目筛的淀粉样品用导电双面胶固定在金属圆盘上,在5 kV的加速电压下放大3 000、10 000倍观察并记录淀粉颗粒形态[13]。
1.4 数据处理
采用SPSS 20.0对数据进行差异性和显著性分析(P<0.05),并用Origin 8.6软件作图。淀粉的相对结晶度通过Jade 6.0软件计算,红外光谱用OMNIC 8.6处理。
2 结果与分析
2.1 多级连续感应电场对玉米淀粉酸解的影响
淀粉水解程度可由淀粉溶液中的可溶性糖含量进行表征,因此考察了反应过程中还原糖含量的变化[18]。图2反映了不同处理感应电场对还原糖含量的影响,其中0级代表对照。随着反应级数的增加,还原糖含量不断增加,1到4级感应电场处理后还原糖含量差异较小,而8级、16级的感应电场处理相比较于对照,还原糖含量分别提高了221.31%、278.36%。结果说明感应电场可以加速玉米淀粉的酸解反应,且级数越大,效果越明显。
图2 多级连续感应电场对还原糖含量的影响
Fig.2 Effect of multistage continuous-flow IEF on reducing sugar content
酸解反应体系中含有大量的自由离子和带电溶质,如H+,Cl-等,在连续流的作用下,自由离子和淀粉大分子对交变感应电场做出响应,从而发生定向往复的相对位移和碰撞,淀粉无定形区中能量相对低、结合不够紧密的部分被破坏。这是因为反应介质中的带电溶质受到电场力大小为F=q×E,感应电场级数的提升则带电溶质受到的作用力增加,更有利于体系传质过程发生,从而提高了淀粉水解效率[14]。同时反应级数的增加会提高初级线圈的输入功率,因此增强体系的能效。已有研究表明,随着反应时间的延长,还原糖含量会加速增长[19]。因此推测若反应时间延长,不同感应电场处理的还原糖含量差异会更大。
2.2 多级连续感应电场对玉米淀粉酸液电导率的影响
导电性是衡量材料导电能力的基本特性,也是决定电处理能源效率的关键参数,研究发现电加工的效率与电导率密切相关[20]。反应介质的电导率和阻抗呈现负相关,电导率的增加会使得次级线圈(即淀粉料液)的阻抗减小,进而提高次级线圈的输出功率,提升淀粉的磁电耦合效率。因此,考察处理前后介质的电导率大小,可以反映出感应电场的处理效率。由图3可知,随着反应的感应电场级数增加,淀粉酸溶液电导率升高,电场辅助酸解后的4级、8级、16级溶液体系的电导率比对照组,分别增大了34.66%、41.69%、49.62%。说明随着感应电场级数的增加,反应效率也增加,这与还原糖的结果一致。李丹丹[19]也发现反应单元的增加会使电导率呈现递增趋势,酸解效率线性提升。
图3 多级连续感应电场对电导率的影响
Fig.3 Effect of multistage continuous-flow IEF on electrical conductivity
2.3 多级连续感应电场对玉米淀粉溶解度和膨胀力的影响
从表1可以看出,随着温度的升高,原玉米淀粉的溶解度增加缓慢,而对照与感应电场处理的玉米淀粉溶解度增加迅速,尤其是温度>65 ℃时,溶解度在95 ℃的最大值为95.90%。在相同温度下,对照组的溶解度始终小于感应电场处理组。这说明当温度逐渐升高时,部分水分子进入玉米淀粉的无定形区,打破了晶体结构。可见感应电场处理与传统的酸处理和热处理不同,电场的非热效应促进了玉米淀粉的水解程度[17],使得其结构更松散,水分更容易渗透。
膨胀淀粉颗粒的持水能力通常称为膨胀度或膨胀力,由于不同来源的淀粉中直链淀粉和支链淀粉含量不同,这种差异很大[21]。表2的结果显示在不同处理方法改性的玉米淀粉中,膨胀力随温度的增加而上升,而相同温度条件下,原淀粉与对照组的膨胀力始终大于电场处理组。反应级数的增加也导致膨胀力明显降低,16级处理后的淀粉膨胀力在95 ℃时仅为原淀粉的54.53%。之前已有报道在多种淀粉中都观察到了由于热效应而降低的颗粒膨胀[22-23]。谷物淀粉的膨胀行为与支链淀粉含量之间呈现正相关关系,因为支链淀粉具有三维分枝结构,提供了容纳水分的空间,而更多的直链淀粉会抑制其膨胀行为[20]。膨胀力的变化可能是淀粉链被酸水解降解为小片段,感应电场处理后的淀粉持水能力变差,易于溶解,从而抑制了淀粉的膨胀[23]。
表1 不同处理方式对玉米淀粉溶解度的影响 单位:%
Table 1 Effect of different treatments on solubility of corn starch
样品温度/℃5565758595原淀粉1.56±0.52c2.61±0.43f6.63±0.71f14.52±1.37d18.36±0.52e对照2.90±0.98c20.72±0.37e63.14±0.28e80.13±1.32c89.41±1.75d1级8.61±0.94b26.90±0.62d74.83±1.36d82.24±1.64c90.91±2.46cd4级9.83±0.55ab33.06±0.56c77.76±0.28c85.34±0.68b92.89±0.64bc8级10.11±0.79ab37.26±1.08b86.03±1.50b90.31±1.29a94.55±0.27ab16级11.42±1.18a45.78±1.54a88.21±0.27a91.32±0.30a95.90±0.45a
表2 不同处理方式对玉米淀粉膨胀力的影响 单位:g/g
Table 2 Effect of different treatments on swelling power of corn starch
样品温度/℃5565758595原淀粉4.04±0.03a6.87±0.42a8.65±0.29a12.14±0.64a17.22±0.56a对照3.95±0.17ab4.07±0.20b6.62±0.28b10.01±0.14b11.34±0.26b1级3.52±0.23b3.76±0.27bc5.46±0.38c8.83±0.35c11.07±0.79bc4级3.04±0.48c3.56±0.38bcd5.01±0.55c8.23±0.45cd10.46±0.13c8级2.77±0.20c3.21±0.28cd4.89±0.37c7.75±0.21de9.67±0.17d16级2.12±0.07d3.01±0.15d4.80±0.15c7.52±0.03e9.39±0.17d
2.4 多级连续感应电场对玉米淀粉热性质的影响
由表3可知,多级连续感应电场处理后,随着电场级数上升,玉米淀粉的糊化起始温度(To)略有下降,而糊化峰值温度(Tp)和糊化终止温度(Tc)不断升高且高于对照。糊化焓值(ΔH)在电场处理后呈现波动变化,最高值在4级达到14.66 J/g,略大于原淀粉和对照,其他条件下均小于对照。To可以反映淀粉颗粒的完整度,淀粉颗粒越完整,需要的起始温度就越高[24]。酸解反应会侵蚀淀粉颗粒,而级数的增加使得电场输出功率增强,进一步提高了酸解反应效率,引起To下降。酸解初期淀粉无定形区的损坏,更容易形成分子间氢键,引起淀粉分子结构的重排,分子更加有序,糊化峰值温度和糊化焓值逐级提高[14]。当反应级数>8时,由于感应电场促进了酸解反应的进程,结晶区也会遭到侵袭,水分更易进入结晶区,淀粉可能发生了糊化,使得ΔH稍有降低。
表3 不同处理的玉米淀粉的热性质(DSC)、相对结晶度(XRD)和短程有序(FTIR)结果
Table 3 Thermal property (DSC), relative crystallinity (XRD) and short-range order (FTIR) results of corn starch after different treatments
样品To/℃Tp/℃Tc/℃ΔH/(J·g-1)相对结晶度/%1 045/1 018原淀粉68.53±0.16bcd72.24±0.45d76.38±0.18e14.24±0.18a25.78±0.01h0.785±0.001g对照69.69±0.60a73.21±0.28cd76.73±0.31de14.13±0.25a25.90±0.02g0.791±0.001f1级69.81±0.22a72.86±0.35cd76.81±0.68de12.99±0.65b26.31±0.01f0.801±0.001e2级69.20±0.22ab73.93±0.62bc78.06±0.42d13.01±0.63b28.26±0.03d0.806±0.002d3级69.00±0.23abc74.73±0.69ab80.32±0.48c13.81±0.21ab29.31±0.02c0.807±0.001cd4级68.53±0.30bcd75.13±0.59a81.53±0.42bc14.66±0.13a29.90±0.01b0.809±0.001c8级68.05±0.69cd75.41±0.40a82.93±1.02b14.32±0.27a30.23±0.02a0.816±0.001a16级67.60±0.49d75.89±0.48a84.85±0.93a13.09±0.20b28.09±0.01e0.811±0.002b
注:To、Tp、Tc和ΔH分别表示糊化起始温度、糊化峰值温度、糊化终止温度和糊化焓值
2.5 多级连续感应电场对玉米淀粉长程晶体结构的影响
XRD可以反映淀粉的晶体特性,如图4所示,原淀粉与感应电场处理的酸解淀粉都是由弥散衍射峰组成,在2θ = 15°、17°、18°、23°附近出现了特征衍射峰,是典型的谷物类A型晶体,说明感应电场热处理并未改变样品的结晶结构。
图4 不同处理的玉米淀粉XRD结果
Fig.4 XRD results of corn starch after different treatments
由表3看出,经过感应电场酸解处理后,玉米淀粉的相对结晶度略大于原淀粉和对照组样品,在感应电场级数为1～8时,随着级数增加,相对结晶度也逐渐增加,这是因为淀粉颗粒内部的无定形区和结晶区都被水解,但结晶区比较致密,较难水解[17,23],所以在水解初期玉米淀粉相对结晶度会有小幅增加。当感应电场级数增加到16级时,相对结晶度稍有下降,可能是随着酸解反应的进行,结晶区侵蚀加剧,造成该数值下降。
2.6 多级连续感应电场对玉米淀粉短程晶体结构的影响
图5的FTIR结果表明,所有图谱中的特征峰均未发生位移,只有强度发生了变化,说明酸解处理没有改变玉米淀粉的化学组成。波数为1 045 cm-1和1 018 cm-1处对应的红外吸收强度分别反映的是淀粉颗粒中的结晶区和无定形区,两者比值越大,说明短程有序化程度越高[25]。表3的红外光谱结果表明:经感应电场辅助处理后,1 045/1 018数值比原淀粉及对照样品高,并且该数值随着电场级数的增加而略有升高(1～8级),说明酸解后的淀粉颗粒表面短程有序化程度增加。这是因为酸解时,无定形区较疏松,容易受到H+攻击,造成结晶区的相对比例增加。16级电场处理后,该比值略有下降,推测是因为随着酸解程度加剧,结晶区水解剧烈,这也与前文中的XRD结果一致。
图5 不同处理的玉米淀粉FTIR结果
Fig.5 FTIR results of corn starch after different treatments
2.7 多级连续感应电场对玉米淀粉颗粒表面形态的影响
原玉米淀粉、对照样品和不同感应电场处理玉米淀粉的SEM下的结果如图6所示,原玉米淀粉颗粒(图6-a1和图6-a2)的表面形态光滑,呈现出较为完整的椭圆状。对照样品的淀粉颗粒(图6-b1和图6-b2)表面与原玉米淀粉区别不大,仅是出现了一些小孔。
a1-原淀粉(3 000×);a2-原淀粉(10 000×);b1-20 h对照(3 000×);b2-20 h对照(10 000×);c1-1级(3 000×); c2-1级(10 000×);d1-2级(3 000×);d2-2级(10 000×);e1-3级(3 000×);e2-3级(10 000×);f1-4级(3 000×); f2-4级(10 000×);g1-8级(3 000×);g2-8级(10 000×);h1-16级(3 000×);h2-16级(10 000×)
图6 不同处理的玉米淀粉SEM结果(3 000×、10 000×)
Fig.6 SEM results of corn starch after different treatments (3 000×,10 000×)
经过感应电场酸解的玉米淀粉颗粒大多保持原玉米淀粉的形态,但随着反应级数的增加,淀粉颗粒表面变得粗糙,孔隙越来越多,甚至出现断裂和破碎的情况。反应级数的增加提高了系统的输出功率,加快了自由离子的往复位移,增加了其和淀粉分子碰撞的概率,进而导致颗粒表面的致密层结构被破坏甚至出现孔隙和碎片。SEM结果与前面的结构测定结果一致,因此可以推测玉米淀粉性质的变化可能是酸解反应和电场非热效应对淀粉颗粒表面和结晶区的损害造成的。
3 结论
研究了多级感应电场对玉米淀粉的改性处理,采用连续流系统对玉米淀粉辅助酸水解,并对淀粉颗粒理化性质和结构进行分析。在多级感应电场下,玉米淀粉的还原糖含量和电导率随着感应电场级数的增加而增大,16级感应电场处理淀粉的还原糖含量相较于单级电场提高了45.52%。随着水解加剧,玉米淀粉的溶解度提高,膨胀力减小,糊化峰值温度和糊化终止温度高于对照组,糊化焓值呈现波动规律。玉米淀粉性质的变化可能是酸解反应和感应电场非热效应对淀粉颗粒结构的破坏造成的,而通过结构测定也确认了该假设。XRD和FTIR结果显示,感应电场处理后的玉米淀粉变得更加有序,相对结晶度和1 045/1 018值均大于原淀粉和对照组。SEM结果显示感应电场酸解后的玉米淀粉颗粒表面出现孔隙、破裂现象。该电场方法可以实现连续操作,具有一定的大规模处理潜力。本研究可为今后多级感应电场辅助制备酸解淀粉的生产提供参考。
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