氧化淀粉是变性淀粉的主要品种之一，是淀粉与氧化剂在一定温度、pH等条件下作用所得产品，因其流动性好、糊液稳定性高、黏度低、成膜性好等被广泛用于造纸工业中的涂料黏合剂和表面施胶剂，纺织工业的上浆剂及食品工业的添加剂等产品中[1]。
目前，制备氧化淀粉常用的氧化剂有高碘酸盐、重铬酸盐、次氯酸盐、高锰酸盐和过氧化氢等[2]。其中，过氧化氢成本低廉，绿色环保，越来越受到人们的重视[3]。工艺上，湿法工艺产生废水多，对环境污染大[4]；而干法、半干法工艺用水量少，流程短，能耗低，已被广泛用于氧化淀粉制备中[5-9]。
并且加入一个价格低廉的过渡金属作为催化剂，可以促进反应进行[10]；在我国，许多学者选用0.02%～0.2%硫酸铜为催化剂[4,11-12]。但是，含金属催化剂的应用会产生废水，造成环境污染，同时难以从产品中除去。所以，应当降低金属催化剂用量[2,13]。同时，氧化时通常需要加热，微波因其加热效率高、穿透能力强、均匀性强、对环境无害等优点，已作为一种新型能源广泛用于变性淀粉制备中[6]。此外，MAACHE等[14]研究表明瞬时控制压降处理会引起淀粉结构和物理化学特性变化，BAHRANI等[15]发现真空处理过的玉米淀粉颗粒结构变得脆弱。然而，真空辅助微波法用于氧化淀粉制备未见报道。
本试验根据前人的研究，从快速、节能、减排及降耗考虑，以玉米淀粉为原料，过氧化氢为氧化剂，加入少量催化剂(低于0.02%)，引入真空处理辅助微波半干法制备氧化淀粉，并通过正交试验优化氧化条件，为环境友好制备变性淀粉提供理论与实际应用的支撑。
1 材料与方法
1.1 原料与试剂
玉米淀粉(水分含量13.66%)，金平云鹏生物淀粉糖业有限责任公司；体积分数30%的过氧化氢(分析纯)，成都市科龙化工试剂厂；CuSO4·5H2O(分析纯)，重庆吉元化学有限公司；HCl(分析纯)，成都市科龙化工试剂厂；NaOH(分析纯)，成都市科龙化工试剂厂。
1.2 仪器与设备
DZ600/2S型真空包装机，上海人民包装股份有限公司；MAS-Ⅱ型微波快速制样系统，上海新仪化学科技有限公司；DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；YB-750A型多功能粉碎机，浙江永康市速锋工贸有限公司；NDJ-5S 型旋转黏度计，上海越平仪器有限公司；Spectrum 100红外光谱仪，美国Perkin Elmer公司；Olympus BX43生物显微镜，日本奥林巴斯公司；S-4800场发射扫描电子显微镜，日本日立公司。
1.3 试验方法
1.3.1 氧化淀粉的制备
真空氧化淀粉的制备：参照李芳良[6]的方法并适当改进，向混合器中加入一定量的淀粉，边搅拌边依次加入适量的过氧化氢、去离子水、硫酸铜，充分搅拌待混合均匀后，倒入聚乙烯袋中于真空包装机抽真空一定时间。然后将其破空并送入微波反应器中，在一定温度下反应一定时间。最后用质量分数10%亚硫酸钠溶液终止反应，经洗涤、烘干、粉碎得样品。
未真空氧化淀粉的制备：参照真空氧化淀粉制备方法，但不进行真空处理。比较其与真空氧化淀粉性能及结构的差异。
1.3.2 黏度测定
称取一定量的样品于150 mL烧杯内，加水配成质量浓度10%的淀粉乳，沸水中糊化30 min，并不断搅拌。待淀粉糊冷却到常温(25 ℃)后，测定其粘度(1号转子，12 r/min)。
1.3.3 氧化淀粉制备单因素试验
本试验主要考察过氧化氢用量、加水量、硫酸铜用量、真空处理时间、微波反应温度、微波反应时间对淀粉黏度的影响，试验以方法1.3.1制备氧化淀粉，以方法1.3.2测定其黏度，以黏度作为评价指标。
1.3.3.1 过氧化氢用量对黏度的影响
固定加水量30%(以淀粉干基计，下同)，硫酸铜用量0.013 6%，50 ℃下微波反应6 min，分别在真空处理10 s和未真空处理下考察过氧化氢用量为4%、6%、8%、10%、12%时氧化淀粉黏度的变化。
1.3.3.2 加水量对黏度的影响
固定过氧化氢用量10%，硫酸铜用量0.013 6%，50 ℃下微波反应6 min，分别在真空处理10 s和未真空处理下考察加水量为22%、26%、30%、34%、38%时对氧化淀粉黏度的影响。
1.3.3.3 催化剂用量对黏度的影响
固定过氧化氢用量10%，加水量34%，50 ℃下微波反应6 min，分别在真空处理10 s和未真空处理下考察硫酸铜用量为0.010 4%、0.012 0%、0.013 6%、0.015 2%、0.016 8%时对氧化淀粉黏度的影响。
1.3.3.4 反应温度对黏度的影响
固定过氧化氢用量10%，加水量34%，硫酸铜用量0.013 6%，微波反应6 min，分别在真空处理10 s和未真空处理下考察反应温度为30、40、50、60、70 ℃时对氧化淀粉黏度的影响。
1.3.3.5 反应时间对黏度的影响
固定过氧化氢用量10%，加水量34%，硫酸铜用量0.013 6%，50 ℃下微波反应，分别在真空处理10 s和未真空处理下考察反应时间为3、4、5、6、7 min时氧化淀粉黏度的变化。
1.3.3.6 真空时间对黏度的影响
固定过氧化氢用量10%，加水量34%，硫酸铜用量0.013 6%，50 ℃下微波反应6 min，考察真空处理0、10、20、30、40 s时对氧化淀粉黏度的影响。
1.4 羧基含量的测定
采用淀粉糊滴定法[15]，称取5.0 g样品于150 mL烧杯中，加入25 mL 0.1 mol/L的HCl溶液，样品在30 min内不断被摇动搅拌，过滤后用去离子水洗至无氯离子为止。将样品转移到500 mL烧杯中，加入300 mL去离子水，加热煮沸5～7 min，趁热以酚酞作指示剂，用0.1 mol/L的NaOH标准溶液滴定到终点，其消耗的体积为V1。
空白样：将原淀粉置于500 mL的烧杯中，加入300 mL蒸馏水糊化，用NaOH标准溶液趁热滴定至酚酞变色，消耗的体积为V2。按下式计算羧基含量：
(1)
式中：Y，羧基含量，%；c，NaOH标准溶液的浓度，mol/L；m，淀粉样品质量，g。
1.5 氧化淀粉结构表征
红外光谱分析：采用KBr压片法，以空气为对照，在400～4 000 cm-1区间扫描。
偏光十字：使用生物显微镜在偏振光镜下测定淀粉粒子的偏光十字，以去离子水作分散剂。
扫描电镜分析：用导电胶将干燥样品粘在样品台上，离子溅射金膜后用扫描电镜观察并拍照。
2 结果与分析
2.1 氧化淀粉制备单因素试验
2.1.1 过氧化氢用量对黏度的影响
过氧化氢用量对黏度的影响如图1所示，随着过氧化氢用量增加，氧化淀粉的黏度降低；当过氧化氢含量超过10%，黏度变化趋于平缓；且真空氧化淀粉黏度明显低于未真空氧化淀粉。这是因为过氧化氢用量增加，淀粉分子周围可利用的过氧化氢分子增多，因而淀粉氧化程度增大[5]；而真空处理可能导致淀粉颗粒膨胀，结构更脆碎，过氧化氢更容易与淀粉接触，从而增加反应速率，增大氧化程度，使其黏度明显低于未真空氧化淀粉的黏度[16]。因此，过氧化氢较佳用量为10%。
图1 过氧化氢用量对氧化淀粉黏度的影响
Fig.1 The effect of hydrogen peroxide dosage on viscosity of oxidized starch
2.1.2 加水量对黏度的影响
图2是加水量对黏度的影响情况，当水量从22%增加到30%时，氧化淀粉黏度急剧降低；当水量超过30%，黏度降幅变缓；且真空氧化淀粉黏度明显低于未真空氧化淀粉，最低为未真空氧化淀粉黏度的1/2。这是因为水量过少，反应试剂不易在淀粉中扩散渗透；水量增加，反应试剂渗透能力增强，淀粉颗粒充分膨胀，氧化程度增大，从而黏度降低。但是，水量过多会降低试剂浓度，使反应速率降低，加速淀粉糊化，使反应体系发黏，导致黏度降幅变缓[17]。而真空处理可能导致淀粉颗粒膨胀，使反应试剂更易在淀粉中扩散渗透，从而增大淀粉氧化程度，使其黏度明显低于未真空氧化淀粉的黏度。因此，加水量以34%为宜。
图2 加水量对氧化淀粉黏度的影响
Fig.2 The effect of water addition on viscosity of oxidized
starch
2.1.3 催化剂用量对黏度的影响
图3是硫酸铜用量对黏度的影响情况。氧化淀粉黏度随硫酸铜用量的增加而降低；当硫酸铜用量超过0.013 6%，黏度逐渐增大。一是铜离子与氧化剂反应生成羟基自由基，增强氧化反应；二是铜离子能破坏淀粉颗粒结构，使氧化剂更好地与淀粉分子接触，改善氧化效果[18]。但是硫酸铜用量过多，由于氧化淀粉对铜离子有一定的络合作用，核心离子被禁锢，催化效果下降，因而黏度增大[19]。此外，相同硫酸铜用量下，真空氧化淀粉黏度低于未真空氧化淀粉，如硫酸铜用量为0.008 8%时，真空氧化淀粉的黏度为210 mPa·s，与未真空氧化淀粉的黏度319.8 mPa·s有极显著性差异(p<0.01)。因此，真空处理可能破坏了淀粉颗粒结构，从而提高淀粉氧化程度。故选择硫酸铜用量在0.013 6%为宜。
图3 硫酸铜用量对氧化淀粉黏度的影响
Fig.3 The effect of copper sulfate dosage on viscosity of oxidized starch
2.1.4 反应温度对黏度的影响
反应温度对黏度的影响如图4所示。
图4 反应温度对氧化淀粉黏度的影响
Fig.4 The effect of reaction temperature on viscosity of oxidized starch
反应温度增加，氧化淀粉黏度随之降低，当温度高于60 ℃时，黏度升高。这是因为温度升高，满足反应所需的活化能，同时淀粉颗粒膨胀程度增加，氧化剂更易渗透到膨胀淀粉颗粒中，反应速率加快，从而氧化程度提高，黏度降低。但是，温度过高，过氧化氢分解速率加快，浓度降低，氧化程度降低，因而黏度增加[20]。在相同温度下，真空氧化淀粉黏度低于未真空氧化淀粉；且随着温度的增加，相同温度变化下真空氧化淀粉黏度降幅高于未真空氧化淀粉，如当温度从40 ℃升到50 ℃时，真空氧化淀粉黏度由127.5 mPa·s降到53 mPa·s，下降了58%；未真空氧化淀粉由201 mPa·s降到114.8 mPa·s，下降了43%。可能是因为真空处理使淀粉结构疏松，易于氧化剂渗透，故黏度降低显著。同时，温度过高会引起淀粉糊化。所以，选择温度在60 ℃为宜。
2.1.5 反应时间对黏度的影响
反应时间对黏度的影响如图5所示，反应时间不足6 min，黏度随反应时间延长而迅速降低，反应时间继续增加，黏度降低变缓；6 min以后，黏度降低趋势平缓；且真空氧化淀粉黏度明显低于未真空氧化淀粉。这是因为反应前期氧化剂浓度较高，氧化容易，随着反应的进行，氧化剂被消耗，没有足够的氧化剂参与反应，降解和氧化反应逐渐停止导致反应效率降低[21]。故最佳的反应时间为6 min。
图5 反应时间对氧化淀粉黏度的影响
Fig.5 The effect of reaction time on viscosity of oxidized starch
2.1.6 真空处理时间对黏度的影响
图6为真空处理时间对黏度的影响情况，未真空处理时氧化淀粉黏度为82.5 mPa·s；当真空处理10 s时，黏度大大降低，为51.8 mPa·s；随着真空处理时间的增加，黏度继续降低；30 s后，黏度减势趋缓，这可能是是因为真空处理时，淀粉颗粒内部的压力高于外部压力，导致淀粉颗粒膨胀，结构变脆，处理时间长，颗粒膨胀更严重[16]，氧化剂分子更易与淀粉颗粒反应。
图6 真空处理时间对氧化淀粉黏度的影响
Fig.6 The effect of vacuum treatment time on viscosity of oxidized starch
2.2 正交试验
根据单因素试验结果，固定过氧化氢用量为10%，反应时间为6 min，设计催化剂用量、加水量、反应温度、真空处理时间进行4因素3水平正交试验(见表1)，采用L9(34) 正交表对工艺条件进行优化。试验结果及分析见表2。
表1 L9(34)正交试验因素水平表
Table 1 Orthogonal test design table of the L9(34)
表2 正交试验结果表
Table 2 Results of orthogonal test
本试验以氧化淀粉黏度为评价指标，黏度越低，淀粉氧化程度越大。由表2中极差分析可知，各因素对黏度的影响大小次序为：催化剂用量>反应温度>真空处理时间>加水量。由于试验结果最优组合A3B1C3D2与K值分析最优组合A2B1C3D2不一致，故分别进行了3次验证试验，结果表明组合A2B1C3D2制得产品黏度低于组合A3B1C3D2制得产品黏度，因此确定A2B1C3D2为较佳工艺条件，即催化剂用量0.013 6%，加水量30%，反应温度60 ℃，真空处理时间20 s。在此条件下产品黏度为11.8 mPa·s。
2.3 黏度及羧基含量
由于原淀粉10%的淀粉乳太黏稠而未测出其黏度，故测得其2%浓度下黏度。淀粉黏度及羧基含量见表3，真空氧化淀粉黏度11.8 mPa·s显著(p<0.05)低于未真空氧化淀粉21.8 mPa·s；且真空氧化淀粉羧基含量显著(p<0.05)高于未真空氧化淀粉，说明真空氧化反应较未真空氧化反应更剧烈，可能是真空处理导致淀粉颗粒结构变化，使氧化剂分子进入淀粉内部引起淀粉更高程度的解聚，产生更多的羧基，同时引起黏度降低[16]。与已有研究报道相比，氧化效果相当，如彭佳莹等[7]以微波干法制备出黏度(浓度为6%)为4 mPa·s，羧基含量为0.586%的氧化淀粉；王亚龙等[22]以微波湿法制备出黏度(浓度为15%)最低为23.4 mPa·s，羧基含量最高为0.275%的氧化淀粉。
表3 黏度及羧基含量
Table 3 Viscosity and carboxyl content
注：同列字母不同表示差异显著(p<0.05)。
2.4 氧化淀粉黏度与羧基含量的关系
氧化淀粉的黏度是其应用的重要指标，且大小与氧化程度相关。改变试剂用量制得不同羧基含量的真空氧化淀粉，观察羧基含量不同时黏度的变化，结果如图7所示。由图7可知，氧化淀粉黏度随其羧基含量增大而降低。因为在氧化过程中，淀粉分子链被切断，导致淀粉分子质量变小，聚合度降低，溶解度增大，抗剪切力稳定性减弱，从而黏度下降。羧基含量越高，表明淀粉被氧化程度越深，分子降解程度越大，导致黏度越小[23]。
图7 氧化淀粉黏度与羧基含量的关系
Fig.7 The effect of carboxyl content on viscosity of oxidized
starch
2.5 氧化淀粉结构表征
2.5.1 红外光谱分析
淀粉被氧化后，其分子上的羟基可转化为羰基和羧基，这些变化可用红外光谱鉴定，如图8所示。原淀粉在3 410.5和2 929 cm-1处的吸收峰分别为—OH和—CH2的伸缩振动特征峰[21]；1 645 cm-1的吸收峰是典型的H—O—H的弯曲振动吸收峰；1 151、1 080和1 018 cm-1处吸收峰为C—O—C键的伸缩振动峰[2]；1 400～800 cm-1的区域为C—C和C—O键的伸缩振动[24]。与原淀粉相比，真空氧化淀粉和未真空氧化淀粉分别在1 615与1 616 cm-1出现羧基的特征吸收峰[25-26]，说明淀粉被成功氧化。
图8 原淀粉、未真空氧化淀粉、真空氧化淀粉的红外光谱图
Fig. 8 FTIR patterns of native, non-vacuum oxidized and vacuum oxidized starches
2.5.2 偏光十字
图9为淀粉的偏光显微镜图，从图9可以看出，玉米淀粉颗粒外观为圆形和多边型。图9-a中玉米原淀粉颗粒的偏光十字明显，叉点位于颗粒中心，呈现垂直十字交叉；未真空氧化淀粉(图9-b)和真空氧化淀粉(图9-c)依然显示出清晰的偏光十字，说明氧化反应没有改变淀粉的晶体结构，反应发生在淀粉的无定型区[27]。
a-玉米原淀粉(400×)；b-未真空氧化淀粉(400×)；c-真空氧化淀粉(400×)
图9 原淀粉、未真空氧化淀粉、真空氧化淀粉的偏光显微镜图
Fig.9 Polarized light micrographs of native, non-vacuum oxidized and vacuum oxidized starches
2.5.3 扫描电镜
淀粉扫描电镜图如图10所示，由图10-a中可以看出玉米原淀粉呈椭圆形或不规则多边形，其颗粒分散，棱角光滑，形貌规整，表面光滑；由图10-b和图10-c可以看出氧化淀粉仍为颗粒状，其大小未变，但表面粗糙，且某些颗粒表面出现裂缝，这是由于过氧化氢与淀粉反应，造成淀粉表面损伤，说明氧化反应发生在淀粉表面[28]。
a-玉米原淀粉(2000×)；b-未真空氧化淀粉(2000×)；c-真空氧化淀粉(2000×)
图10 原淀粉、未真空氧化淀粉、真空氧化淀粉的扫描电镜图
Fig.10 Scanning electron microscopy images of native,non-vacuum oxidized and vacuum oxidized starches
3 结论
(1)同样条件下，真空处理下氧化淀粉的黏度明显低于未真空条件下氧化淀粉的黏度，表明真空处理可以促进氧化，将其运用到淀粉氧化改性是有效的。同时，微波加热能大大加快反应的进行，反应只需6 min就可制得低黏度氧化淀粉；真空处理辅助微波半干法制备氧化淀粉可以减少催化剂及水用量，同时缩短反应时间，达到快速高效、节能、减排及降耗的目的。
(2)真空处理制备氧化淀粉的优化试验条件为：过氧化氢用量10%，催化剂用量0.0136%，加水量30%，反应温度60 ℃，真空处理时间20 s，微波反应时间为6 min；在此条件下可制得黏度为11.8 mPa·s，羧基含量为0.556%的氧化淀粉；而同等条件下，未真空处理制得氧化淀粉黏度增加，羧基含量降低，分别为21.8 mPa·s，0.414%。
(3)采用红外光谱、偏光十字、电子显微镜对原淀粉、真空氧化淀粉、非真空氧化淀粉进行表征，结果表明：淀粉被成功氧化，氧化反应发生在淀粉的无定型区。
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