（食品科学与工程专业论文）化学糊化法研究乙酰化淀粉的性质与结构.pdf

化学糊化法研究乙酰化淀粉的 性质与结构 摘要 以一种乙酰化蜡质马铃薯淀粉和三种乙酰化普通马铃薯淀粉 ( 都由乙酸酐制备) 为原料。采用化学糊化法，通过控制时间，分 离外围糊化层，获得外围糊化程度不同的残存颗粒。通过对残存颗 粒的粒径、取代度、晶体结构、糊化特性等方面性质的研究，并与 完整颗粒的性质相比较，初步揭示乙酰化淀粉的性质与结构特征。 首先建立了使乙酰化淀粉颗粒化学糊化的方法。用4m o l lc a c l 2 溶液处理，在偏光显微镜下观察，偏光十字由外向内逐渐消失，颗 粒发生梯度糊化。温度对糊化过程存在影响，经过实验，糊化温度 确定为2 0 。 第二步建立了糊化颗粒及残存颗粒的分离方法。在淀粉颗粒完 全糊化之前，用机械法去除外围糊化淀粉，得到外围糊化程度不同 的残存颗粒。扫描电镜观察显示，残存颗粒的外围糊化物去除比较 完全。对残存颗粒进行粒径分析，结果表明糊化时间较长的颗粒平 均粒径较小。质量分析表明，两次的残存颗粒质量分别约为原淀粉 颗粒质量的7 0 和5 0 。取代度测定结果表明，残存颗粒取代度小 于完整颗粒的取代度。而且外围糊化程度越高，残存颗粒的取代度 越小。这说明在乙酰化淀粉颗粒外围分布的乙酰基团多于颗粒内部。 x 射线衍射分析表明乙酰化马铃薯淀粉的晶型为b 型。对同一淀粉 样品来说，外围糊化程度越高，残存颗粒的相对结晶度越高。d s c ( 差 示扫描量热法) 测定分析表明取代度较大的残存颗粒糊化温度较低。 外围糊化程度越高，残存颗粒的糊化温度越高，这与取代度相对结 晶度测定结果相一致。 淀粉颗粒结构具有不均匀性，在高浓度的c a c l 2 溶液中首先侵蚀 的是颗粒表面的松散区域。从颗粒水平上来看，与乙酸酐反应的乙 酰取代大多在淀粉颗粒的外围。 关键词：乙酰化淀粉，扫描电镜，化学糊化，x 一射线衍射，d s c s t u d yo nt h ep r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r e o fa c e t y l a t e ds t a r c hw i t hc h e m i c a l g e l j 盯i n i z a t i o n a b s t r a c t o n ea c e t y l a t e dw a x yp o t a t os t a r c ha n dt h r e ea c e t y l a t e dn o r m a l p o t a t os t a r c hs a m p l e s ( p r e p a r e db yr e a c t i o nw i t ha c e t i ca n h y d r i d e ) w e r e c h e m i c a l l yg e l a t i n i z e d w i t ht i m ec o n t r o l l i n ga n ds e p a r a t i o no ft h e g e l a t i n i z e do u t e rl a y e ro fs t a r c hg r a n u l e s ，t h er e m a i n i n gg r a n u l e sw e r e o b t a i n e d t h e i rp a r t i c l es i z e s ，s u b s t i t u t i o nd e g r e e s ，c r y s t a ls t r u c t u r e s a n dp a s t i n gp r o p e r t i e sw e r es t u d i e da n dc o m p a r e dw i t ht h o s eo f u n t r e a t e ds t a r c hg r a n u l e st or e v e a l t h es t r u c t u r eo fa c e t y l a t e ds t a r c h g r a n u l e t h ec h e m i c a lg e l a t i n i z a t i o nm e t h o df o ra c e t y l a t e ds t a r c hg r a n u l e s w a se s t a b l i s h e d t h es a m p l e sw e r et r e a t e dw i t h4m o l lc a c l 2a t2 0 c a n d o b s e r v e du n d e rp o l a r i z e dl i g h tm i c r o s c o p e t h ep o l a r i z e dc r o s s d i s a p p e a r e dg r a d u a l l y f r o mt h ep e r i p h e r yo ft h eg r a n u l e s ，a n dt h e g e l a t i n i z a t i o ns t a r t e df r o mt h es u r f a c e t h ep r o c e s sw a s s t o p p e d b e f o r e c o m p l e t eg e l a t i n i z a t i o n a n d r e m a i n i n gg r a n u l e sw e r es e p a r a t e dm e c h a n i c a l l yf r o mt h eg e l a t i n i z e d s t a r c h s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o g r a p h s s h o w e dt h a tt h er e m a i n i n g g r a n u l e sw e r es e p a r a t e dq u i t ec l e a n l yf r o mt h eg e l a t i n i z e ds t a r c h t h e p a r t i c l es i z eo ft h er e m a i n i n gg r a n u l e sr e d u c e da st h et r e a t m e n tw i t h4 m o l lc a c l 2c o n t i n u e d t h ew e i g h tp e r c e n to fr e m a i n i n gg r a n u l e s o b t a i n e dw e r ea b o u t7 0 a n d5 0 ( w w ) o ft h eo r i g i n a ls t a r c h t h e r e m a i n i n gg r a n u l e ss h o w e dl e s sd e g r e e o fs u b s t i t u t i o nt h a ni n t a c t g r a n u l e s t h eh i g h e r t h e g e l a t i n i z a t i o nd e g r e e ，t h e l o w e rt h e s u b s t i t u t i o nd e g r e eo fr e m a i n i n gg r a n u l e s t h i si n d i c a t e st h a tg r e a t e r p r o p o r t i o n so fa c e t y lg r o u p sw e r ep r e s e n ta tt h ep e r i p h e r yt h a nt h ec o r e o ft h e g r a n u l e c r y s t a l si n f o u ra c e t y l a t e dp o t a t os t a r c h s a m p l e s d e t e r m i n e db yx r a yd i f f r a c t i o nw e r ea l lb t y p e f r o mt h ep e r i p h e r yt o i i i t h ec o r eo ft h e g r a n u l e ，t h e r e l a t i v e c r y s t a l l i n i t y w a si n c r e a s i n g d i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t e r ( d s c ) a n a l y s e ss h o w e dt h a t t h e g e l a t i n i z a t i o nt e m p e r a t u r ew a sl o w e rf o rt h ea c e t y l a t e ds t a r c hw h i c h h a dh i g h e rs u b s t i t u t i o nd e g r e e t h er e s u l t so ft h er e m a i n i n gg r a n u l e s s h o w e dt h a t ，t h e g r e a t e rt h ed e g r e eo fg e l a t i n i z a t i o n ，t h eh i g h e rt h e g e l a t i n i z a t i o nt e m p e r a t u r e t h i s i si na c c o r d a n c ew i t hr e s u l t so f s u b s t i t u t i o nd e g r e ea n dr e l a t i v ec r y s t a l l i n i t y t h es t r u c t u r eo fs t a r c hg r a n u l ei sh e t e r o g e n o u sh i g hc o n c e n t r a t i o n o fc a c l 2s o l u t i o ne r o d el o o s ea r e ao nt h es u r f a c ef i r s t s u b s t i t u t i o n o c c u r sm o r ea tt h ep e r i p h e r yt h a nt h ec o r eo ft h es t a r c hg r a n u l ew h e n a c e t i ca n h y d r i d ei su s e dt op r o d u c ea c e t y l a t e dp o t a t os t a r c h k e y w o r d s ：a c e t y l a t e ds t a r c h ，c h e m i c a lg e l a t i n i z a t i o n ，s e m ，x r a y d i f f r a c t i o n 。d s c i v 英文缩写 s e m d s c d s s s r d x 符号说明 英文全名 s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e r d e g r e eo fs u b s t i t u t i o n s t a n d a r dd e v i a t i o n r e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n v 中文译名 扫描电镜 差示扫描量热法 取代度 标准偏差 相对标准偏差 平均值 化学糊化法研究乙酰化淀粉的性质和结构 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名： 毯诅 日 期：2 q q2 生月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学 位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 删糊：盟孙签名舻娩出组 化学糊化法研究乙酰化淀粉的性质和结构 1 前言 1 1 淀粉概述 淀粉是一种天然多晶聚合物，存在于几乎所有绿色植物中【l 2 1 。植物绿叶利用日光的 能量，将二氧化碳和水转变成淀粉。绿叶在白天所生成的淀粉以颗粒形式存在于叶绿素 的微粒中，夜间光合作用停止，生成的淀粉受植物中糖化酶的作用转变成单糖渗透到植 物的其他部分，作为植物生长的养料，而多余的糖则变成淀粉贮存起来。当植物成熟后， 多余的淀粉存在于植物的种子、果实、块根、细胞的白色体中，这些淀粉称为贮藏性多 糖，为植株提供碳源和能量。 作为生物圈存在的最丰富的碳水化合物之一，淀粉是人类最重要的能量来源。作为 一种重要的可再生的和可生物降解的天然资源，淀粉及其衍生物已广泛应用于食品、造 纸、纺织、化工、石油、环保等众多领域。 1 1 1 淀粉的来源 目前已有许多淀粉品种1 2 - 4 1 ，按来源可以分为如下几类： ( 1 ) 禾谷类淀粉原料主要包括玉米、米、大麦、小麦、燕麦、养麦、高粱和黑麦 等。淀粉主要存在于种子和胚乳细胞中。 ( 2 ) 薯类淀粉薯类是一种适应性很强的高产作物，淀粉主要来源于块根( 如甘薯、 木薯、葛根等) 和块茎( 如马铃薯、山药等) 。 ( 3 ) 豆类淀粉原料主要有蚕豆、绿豆、豌豆和赤豆等，淀粉主要集中在种子和子 叶中。这类淀粉直链淀粉含量高，一般用于制作粉丝。 ( 4 ) 其他淀粉植物的果实( 如香蕉、芭蕉、白果等) 、基髓( 如西米、苗豆、菠 萝等) 等中也含有淀粉。另外，一些细菌、藻类中亦有淀粉或糖原( 如动物肝脏) 【5 1 。 1 1 2 淀粉的结构 淀粉是一种均聚物，水解时只生成葡萄糖，所以被称为葡聚糖。虽然淀粉的精细结 构尚未完全阐明，但公认淀粉主要包含两种聚合物一基本为线性的直链淀粉和高度支化 的支链淀粉i l 6 , 7 1 。 a 淀粉的基本组成 1 9 4 0 年，瑞士k h m e y e r 和t s c h o c h 发现淀粉是由两种高分子组成，即淀粉糖 单位在淀粉分子中有两种连接方式，因而形成两种不同的淀粉分子一直链淀粉和支链淀 粉。 b 直链淀粉 在大多数淀粉中直链淀粉的含量为2 0 3 0 。但是在一些植物变种，如蜡质变种 陕西科技火学硕1 ：学位论文 中，直链淀粉的含量很低甚至不含直链淀粉。另一种变种中包含较多的直链淀粉，即高 直链淀粉。 一般认为直链淀粉是一种线形多聚物，是由大约2 0 0 0 到1 2 0 0 0 个a 吡喃葡萄糖残 基经a ( 1 ，4 ) 一糖苷键连接而成( 分子量约0 3 x 1 0 6 2 0 x 1 0 6 道尔顿) 的链状分子( 图1 1 ) ， 呈右手螺旋结构。每六个葡萄糖单位组成螺旋的每一个节距，在螺旋内部只含氢原子， 是亲油的，羟基位于螺旋外侧，大量羟基的存在使聚合物具有亲水性，使之对水具有亲 和力并能在水中分散。但是由于分子的线性、可移动性和大量羟基的存在，直链淀粉分 子之间趋向于平行排列，相邻羟基间形成氢键，从而导致对水的亲和力减弱，溶胶变得 不透明。一些直链淀粉在o 6 位置有一定程度的分支( a 1 ，6 糖苷键；每1 7 0 到5 0 0 个葡 萄糖单位) ，分支点( a 1 ，6 糖苷键) 大约占总连接键的0 3 o 5 。含支链的直链淀 粉分子中的支链有的很长，有的很短，但是分支点相隔很远，因此它的物理性质基本上 和直链分子的相同。 非还原性末端 o h o 还原性末端 。b h n o h 图1 - 1 直链淀粉 f i g 1 - 1a m y l o s e c 支链淀粉 支链淀粉是一种高度分支的大分子，主链上分出支链，各葡萄糖单位之间以a 1 ，4 糖苷键连接构成它的主链，支链通过仅( 1 ，6 ) 糖苷键与主链相连。分支点的a 1 ，6 糖苷键 占总糖苷键的4 5 。支链淀粉的平均分子量为0 6 x 1 0 8 5 6 x 1 0 8 道尔顿，是直链淀 粉平均分子量的1 0 0 到1 0 0 0 倍，短链排列成簇并通过长链相连，大多数链包含6 - 7 5 个葡萄糖单位 4 , 8 , 9 1 。 支链淀粉的分支是成簇和以双螺旋形式存在的。在簇型模型中，8 0 一- 9 0 的链是 短链，另外1 0 是长链，链长约是短链的两倍。没有其他链相连的链定义为a 一链，有 其他链相连的链定义为b 链。该大分子中还有一个c 链，带有唯一一个还原性末端1 1 0 1 。 一般在绝大多数实验中无法区分b 链和c 链，h i z u k u r i 】根据b 链在簇结构中的位置， 将它们进一步细分。b 1 链为短链，是一个簇的组成部分；b 2 链贯穿于两个簇并连接它 们的长链( 图1 3 ) 。支链淀粉的侧链还被简单地划分为短链和长链，但是对它们的链 2 化学糊化法研究乙酰化淀粉的性质和结构 长没有进行定义。应该注意到的是，这些概念在直链淀粉应用时与在支链淀粉中应用 一o 0 o h 图l - 2 支链淀粉 f i g 1 - 2a m y l o p e e t i n 时的概念完全不同【瑚。支链淀粉的侧链还可以从另一个角度划分为特征性片断：外链和 内链。外链是从最外面的分支点到非还原性末端的链段( 图1 3 ) ，因此所有a 链都是 外链，而b 链的一部分是外链。b 链其他的部分称为整个内链，包括分支点的所有葡萄 糖残基【8 t o 。 c 图1 - 3 支链淀粉的簇结构模型【9 ，1 1 ，叼 f i g 1 - 3t h es c h e m a t i c a lc l u s t e rm o d e lo f a m y l o p e c t i n t g 1 1 1 2 1 1 1 3 淀粉颗粒 a 淀粉颗粒大小 在植物的贮存器官中，淀粉的形状、大小和组成方面都会有差异。在碳水化合物中， 淀粉的独一无二之处在于以天然微小颗粒形式存在，颗粒的形状和大小随淀粉来源的不 同而改变，因此可以通过显微镜来判断淀粉的生物来源。在表1 1 中给出了几种来源不 同的淀粉的颗粒形状和大小。大米淀粉的颗粒很小，马铃薯淀粉的颗粒很大。总体来说， 谷物淀粉的颗粒小于块茎和根类淀粉的颗粒。 由于同一种淀粉的颗粒不均匀，并且粒径分布范围较宽，颗粒大小对淀粉组成、性 3 o - - 一 陕两科技大学硕上学位论文 质、结构和应用产生影响。研究表明，马铃薯、甘薯和玉米淀粉的小颗粒组分中直链淀 粉的含量低于相应的大颗粒组分的直链淀粉含量【协- 4 】，在马铃薯淀粉中磷含量随颗粒尺 寸的增大而降低1 1 2 , 1 4 1 。 表1 1 淀粉的颗粒性质 t a b l 1c h a r a c t e r i s t i c so f s t a r c hg r a n u l e s 对普通大麦和蜡大麦淀粉的大颗粒、中等颗粒和小颗粒组分的研究表明，不同大小 的颗粒在糊化焓、膨胀力、相对结晶度、淀粉酶的可降解性、回生、支链淀粉的聚合度 及链长分布等方面存在差异。蜡玉米淀粉的小颗粒组分比大颗粒组分的酶水解程度高， 但两种组分的酶水解产物在化学结构方面没有明显差别。马铃薯淀粉中不同颗粒大小组 分的糊化温度很相近，但小颗粒组分的膨胀力大于大颗粒组分0 4 1 。玉米淀粉的小颗粒组 分中的支链淀粉包含链长较长的侧链，而大颗粒组分中的支链淀粉包含链长较短的侧链 1 1 3 。c h e n 等1 1 4 研究了不同颗粒大小的马铃薯和甘薯淀粉在粉丝中的应用，结果表明，与 大颗粒组分相比小颗粒组分具有较好的加工性能并能生产出质量较好的产品。 对不同淀粉颗粒大小组分的研究还表现在与化学试剂的反应活性方面。将玉米、小 麦和马铃薯淀粉与环氧丙烷( 一种反应活性低的试剂) 反应，然后将羟丙基化的淀粉筛 分为大颗粒和小颗粒组分，不同颗粒大小组分的摩尔取代度相似。与之相反，淀粉颗粒 大小影响到由乙酸酐制备得到的乙酰化淀粉的取代度，小颗粒组分的取代度高于大颗粒 组分。 b 淀粉颗粒结构 在过去的几十年中，对淀粉颗粒结构的研究取得了长足进展。这得益于新型显微镜 技术、固态核磁共振技术和检晶技术的发展，使分析淀粉颗粒中支链淀粉的构造成为可 f i p _ _ + t t 0 1 。 直链淀粉和支链淀粉被认为是以放射状排列在颗粒中【1 1 。支链淀粉或直链淀粉的相 4 化学糊化法研究乙酰化淀粉的性质和结构 邻链段之间的氢键可以形成微晶胶束，是淀粉颗粒能保持完整的原因，也是淀粉颗粒在 偏光显微镜下呈现出偏光十字的原因。偏光十字是完整淀粉颗粒的特征之一【i 】。在支链 淀粉的一个簇中，两条相邻链缠绕形成双螺旋，双螺旋的线性排列形成微晶。支链淀粉 具有不同密度的交互区域形成了淀粉的结晶区和无定形区，直链淀粉主要存在于无定形 区中【b l 。目前被广泛接受的观点是支链淀粉是淀粉颗粒具有结晶区的主要原因。根据x 射线衍射图谱，结晶结构被分为三类，a 型、b 型和c 型。a 型和b 型淀粉的区别在 于微晶结构单元中双螺旋的排列方式以及稳定这些双螺旋结构的水分子的量。c 一型淀 粉实际上是同时包含有a - 型和b 型结晶结构【6 】。 在淀粉颗粒中，结晶( 硬) 和半结晶( 软) 壳层交互排列。虽然壳层的厚度和硬度 随淀粉植物来源的不同而有差异，但在一般情况下，越靠近颗粒边缘的壳层厚度越小， 硬度越大。t a n g 等 i s 3 提出了“块 结构模型和淀粉颗粒构造模型。块是一种半结晶的超 微结构，他们假设有两种块存在于同一个淀粉颗粒中，一种是“常规块 ，另一种是“残 缺块”。“常规块”主要是由支链淀粉分子的簇形成的结晶片层和无定形片层构成。支 化度低的分子如直链淀粉的参与会形成“残缺块”。“常规块”构成硬壳层，“残缺块 构成软壳层。一般认为淀粉颗粒的表层为硬壳层，“残缺块”的松散结合形成淀粉颗粒 表面的小孔。一般来说，一个常规块中包含有几个支链淀粉分子，这些支链淀粉分子的 还原性末端朝向淀粉颗粒的粒心。直链淀粉可能分散于块之间，使淀粉颗粒既有强度又 有柔韧性。磷存在于块的表面增加了块的亲水性，油脂也可能起到稳定螺旋结构和块结 构的作用1 1 5 1 。 虽然6 0 多年前就已经知道淀粉中包含两个主要组成成分，但对于这两种成分的精细 结构的了解仍然有限。这些方面仍有待进一步研究以便理解淀粉的结构和功能。淀粉的 结构功能模型还远没有达到仅从结构就可以推知功能的水平。显然，完善淀粉系统的知 识需要遗传学、生物合成、化学和物理等多学科领域的共同努力【- 7 】。 1 2 变性淀粉 淀粉变性是为改进淀粉的应用特性而改变淀粉的结构和氢键结合的方法t 埔t1 9 。自从 第一种变性淀粉在1 8 2 1 年诞生以后，许多的变性淀粉陆续面世。在变性程度不高的情况 下，变性淀粉的物理性质，如糊黏度、胶凝、脱水收缩、透明度、黏附性和乳化性质已 经产生很大改变1 1 8 。与原淀粉相比，交联淀粉对酸、热和剪切的稳定性都提高了。亲脂 取代反应对稳定物质( 如水和油) 之间的交互作用非常有效，例如淀粉琥珀酸辛酯能用 于稳定乳液的油水界面【1 9 l 。 糊精化是一种通过水解使淀粉部分解聚的反应。根据黏度范围、在冷水中的溶解度、 颜色、还原糖和稳定性，糊精通常被分为白糊精、黄糊精和英国胶。酸水解是在水溶液 中进行，这是与糊精化不同的地方。与原淀粉相比，酸水解淀粉的热糊黏度较低，冷却 5 陕两科技大学硕士学位论文 后能形成强度更高的凝胶。氧化反应是将羧基( c o o h ) 和羰基( c = o ) 引入淀粉分子 中，氧化使淀粉的热糊黏度和凝胶强度显著降i 日g t j 。稳定化是通过向淀粉中引入取代基 团来延缓淀粉的老化。引入的取代基团使淀粉颗粒中葡聚糖链之间的相互作用减弱，从 而淀粉的水合和糊化可以在更低温度下实现。稳定化包括酯化或醚化，稳定的有效性取 决于取代基团的数量和性质。乙酰化和羟丙基化是两种常用于食品中的淀粉稳定化方法， 商品淀粉的取代度通常小于0 2 t , g j 。 对于化学取代淀粉来说，引入的取代基数量是一个基本参数。取代度( d s ) 定义为 平均每个葡萄糖单位中羟基被取代的数量。取代度的最大值是3 ，即每个葡萄糖单位的3 个羟基都被取代了。另一个用于表示反应程度的是摩尔取代度( m s ) ，即平均每个葡萄 糖单位结合的取代基团的摩尔数。一般情况下，摩尔取代度等于取代度，比如在乙酰化 淀粉中，但如果在一个羟基位上可以连接两个或两个以上的取代基，例如在羟丙基淀粉 中，摩尔取代度可能大于3 【8 ，9 】。 除取代度外，取代基在聚合物中的位置以及它们在淀粉分子中的分布也是化学取代 淀粉的重要特性。酶分析法已用于研究该特性，取代基会阻碍外切酶和限制内切酶的作 用【9 】。 1 3 乙酰化淀粉 1 3 i 乙酰化淀粉简介 在数量众多的淀粉酯中，乙酰化淀粉是最常见的一种商品淀粉酯，在食品中允许使 用的最大值为2 5 ，乙酰基含量相当于取代度为0 1 【q 。乙酰基团的空间干扰效应使由 氢键形成的网络能量值降低而使淀粉更容易溶解，而且也使淀粉老化速度降低m 1 。乙酰 化淀粉容易烹饪，尤其适用于水分含量低和有其他组分竞争水分的食品中，例如：挤压 和涂膜的小吃、冻鱼和熟肉制品、面条、焙烤食品和各种冷冻方便食品中。乙酰基团还 使淀粉形成疏水结构，适合于特定产品，如食品工业中使用的对酸稳定的粘合剂和造纸 工业中的防油胶粘剂【1 9 】。 1 3 2 乙酰化淀粉的合成 自1 8 6 5 年s c h u t z e n b e r g e r 在实验室中首次用乙酸酐做酯化剂制得乙酰化淀粉以来， 这种变性淀粉迄今已有1 5 0 多年的历史了。自其问世以来，人们感兴趣的是高度乙酰化 的淀粉及有2 - 3 取代度的淀粉酯。1 9 2 9 年，h e s s 和s m i t h 发现用醇沉淀方法活化过的 淀粉在酸性催化剂的存在下，可与乙酸酐一乙酸发生乙酰化反应得到取代度为2 7 的高 取代产品，同时伴有大的降解作用产生。1 9 4 2 年，m e y e r 在实验室中用6 0 的吡啶水 溶液回流淀粉，并用沸蒸馏除去水，补充吡啶，使淀粉活化，然后与醋酸酐反应获得了 高取代度的淀粉三醋酸酯【z n ：】。高取代度的乙酰化淀粉具有溶剂的溶解性( 丙酮，氯仿) 及热塑性，它们在对淀粉物理性质的探究及直链淀粉纤维与薄膜的研究中起了重要作用。 6 化学糊化法研究乙酰化淀粉的性质和结构 由于它们在强度及价格方面不能与类似的纤维素衍生物竞争，因此未能在商业上得到发 展。范围在0 3 - - 1 的中等取代度乙酰化淀粉是典型的亲水性物质，已在一些工业部门中 使用了。 乙酰化淀粉可以在稀氢氧化钠溶液中由淀粉与乙酸酐反应制得( 图1 - 4 ) 。制备淀 粉乙酸酯的另一种试剂是乙酸乙烯，以碳酸钠作为催化剂。 商业上使用的产品是取代度从0 0 1 0 2 ( 含乙酰基5 以下) 的低取代度衍生物。 这类衍生产品的一个主要目的是使淀粉胶体易分散及促进稳定性；另一个主要目的是调 节胶体性质以适应使用者的需要。这种低取代度能改变原淀粉的许多性质，如糊化温度 低、粘度稳定、成膜性好、膜柔韧、透明度高等。 淀粉 n a o h 乙酰化淀粉乙酸 o o l ii i s t o c c h 3+h 3 c c o h 图1 4 淀粉与乙酸酐反应生成乙酰化淀粉 f i g 1 - 4r e a c t i o no fs t a r c hw i t ha c e t i ca n h y d r i d et op r o d u c ea c e t y l a t e ds t a r c h 1 3 3 乙酰化淀粉的性质 a 糊化温度 经过乙酰化作用后的乙酰化淀粉的最大特点是使淀粉的糊化温度有显著的降低。同 一品种的样品随着取代度的升高糊化温度降低，同时产生峰值黏度的所对应的温度降低 了。 b 粘度极其热稳定性 淀粉乙酰化后糊粘度均比原淀粉的高，且随着取代度的增加而增加。淀粉的乙酰化 作用，使其水分散性和热稳定性进一步提高。1 9 9 6 年曾勇研究得出玉米原淀粉的热粘波 动率为1 3 5 ，而乙酰化淀粉及氧化淀粉则分别为9 0 、9 2 ，表明淀粉经变性处理 后，其热粘稳定性均显著改善，这对上浆质量的稳定是十分重要的。乙酰化淀粉的凝胶 温度较氧化淀粉还低，不易凝冻，浆液透明度显著提高。于泓鹏等人1 2 2 l 的研究表明，木 薯淀粉乙酰化后热糊稳定性普遍提高了，冷糊稳定性却有所降低；乙酰化玉米淀粉的热 糊稳定性变化不大，冷糊稳定性也降低了。由此可见引入乙酰基团后，淀粉的粘度特性 大为改善，更适于用作增稠剂。 c 粘附性 原淀粉对亲水性纤维( 如纤维素纤维) 有良好的粘附性，但对疏水性合成纤维( 如 7 尸 一 ch + ho 一 文 陕西科技人学硕上学位论文 聚酯纤维) 粘附性极差，因此，不适合涤纶等合成纤维上浆。经乙酰化处理后的变性淀 粉，对这两类纤维粘附性都有改善，这主要是由于淀粉大分子中引入的乙酰基团与聚酯 纤维大分子的结构“相似性 增强了它们之间的“相容性以及引入乙酰基团的分散效 应，使分子链节活动能力加强，链节间的扩散能力增强。 c 成膜性 原淀粉成膜性较差，浆膜“硬而脆”。柔顺性差，是因为其大分子链由环状结构的 葡萄糖残基构成。乙酰化淀粉由于乙酰基的引入，削弱了淀粉大分子中羟基的缔合，起 到了类似的“内增塑 作用，故其薄膜的断裂伸长率由2 4 ( 原淀粉) 提高到8 1 0 ，成膜较柔韧、可弯、具有弹性。 d 混溶性 m y a c 型乙酰化淀粉与p v a ( 聚乙烯醇) 、c m c ( 羧甲基纤维素钠) 及丙烯类具 有极好混溶性，将它们以任意比例混合后，静置5 小时，不分层、无沉淀物析出。 e 与碱的作用 乙酰化淀粉易被碱水解，生成盐及回复成原来的醇化物。这种再生的淀粉，性能类 似于原淀粉，因此，使用时必须将调浆工艺中的p h 值控制在6 5 7 5 。 f 水溶性 乙酰化淀粉具有较好的分散性和较大的溶解性，在后整理过程中易于退浆，对环境 基本无污染。 g 抗剪切 这一性质对于加工过程是有利有弊的。剪切变稀使搅拌过程中搅拌器所受的阻力减 小，方便j n - r ：但是在搅拌器附近的流体变稀，而靠近桶壁的流体依然粘稠，造成物料 不均。在加工过程中应注意选择适当的浓度。 h 透明度 由于乙酰化淀粉作为增稠剂广泛的用于糖果、饮料和罐头的生产加工中，所以要求 它尽可能透明，且不会影响食品本身的色泽，因此有必要对淀粉糊的透明度进行研究。 于泓鹏等人的研究表明：随着淀粉取代度的增大，淀粉糊的透明度增加，因为乙酰 化引入的乙酰基团是亲水基团，它阻碍了淀粉分子间的氢键作用，减弱了光线的折射和 反射强度，从而提高了透明度【矧。 1 3 4 乙酰化淀粉在食品工业中的应用 乙酰化淀粉在食品中被广泛用于糖果、饮料、冷食、面制品以及调味品的生产中。 乙酰化淀粉作为食品添加剂并不是基于它的营养价值，而是它们便于食品加工的特性和 提供食品体系某些所要求的性质例。 由于乙酰化淀粉具有粘度大、透明度高、凝沉性弱、贮存稳定等特点，所以在食品 8 化学糊化法研究乙酰化淀粉的性质和结构 工业中常用来作为增稠剂和凝胶剂，以改善食品的组织结构和风味，提高食品的耐储藏 性和冻融稳定性。乙酸根( c h 3 c o o h 一) 的引入，削弱了原淀粉分子间的氢键作用，使 水化作用增强，因此乙酰化淀粉在水中甚至于冷水中膨胀并形成均匀透明的糊液，糊液 粘度大且稳定性好，因而具有良好的增稠性触2 4 】。同样是由于上述官能团的引入阻碍了 淀粉分子间氢键缩合脱水作用，同时使得变性淀粉在高温、高剪切力和低p h 值条件下 能保持较高的粘度稳定性。 在油炸方便面中，使用高粘度的乙酰化淀粉，可提高面条筋力强度，降低断条率， 提高成品率。另外，乙酰化淀粉的存在，可使油炸方便面油耗降低2 - 4 0 ，产品复水 性加快而不糊汤。不干燥的方便湿面中使用乙酰化淀粉，还可降低淀粉的回生程度，使 放置储藏后的湿面仍具有较柔软的口感i ：s l 。 淀粉在乙酰基作用下，凝胶强度下降，当取代度为0 0 3 7 5 或更高一点时，凝胶结构 很少出现，基于这一特点，便可将其添加进糊状食品中。据上海梅林食品厂介绍，如果 用原淀粉做糊一二个月就会凝胶，经灌装后的黍米羹罐头，时间稍长些，打开后就会成 为冻柱状影响食用，而使用乙酰化淀粉做羹效果很好，可以改善凝胶现象f 硼。 乙酰化淀粉常进行复合变性，如交联乙酰化淀粉对于高温、强剪切力和低p h 值影 响具有更高粘度稳定性，低温贮存和冻融稳定性也高，适用于罐头类食品制造，能在不 同温度下储存。羟丙基乙酰化淀粉，羟丙基取代度约为3 , - - - , 6 ，乙酰基取代度约o 5 o 9 ， 为口香糖的好基质，不溶于水，口嚼弹性好。 1 4 乙酰化淀粉的研究现状 目前，对乙酰化淀粉的研究包括几个方面，比如催化剂、直链淀粉含量和颗粒大小 对乙酰化淀粉性质的影响。 w a n g 和w 肌g 【2 刀研究了催化剂对乙酰化淀粉物理和化学性质的影响。用三种催化 剂( 氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙) 分别催化蜡玉米淀粉与乙酸乙烯的反应。与由氢 氧化钠或氢氧化钾催化生成的乙酰化淀粉相比，由氢氧化钙催化生成的乙酰化淀粉显示 不同的糊化温度和b 界限值，这种现象被解释为可能是由于钙的存在引发形成了分子间 的交联。l i u 等【2 8 1 研究发现直链淀粉含量不同的大米淀粉与乙酸乙烯反应生成的乙酰化 淀粉的性质有差异。例如，对普通大米淀粉来说乙酰化以后淀粉的膨胀力和冻一融稳定性 增加，而对于糯米淀粉来说乙酰化以后淀粉的膨胀力和冻融稳定性都降低。 淀粉杂交品种对乙酰化淀粉性质也有影响。从1 1 种蜡玉米和1 9 种凹玉米品种中提 取淀粉，并与乙酸酐反应，不同品种的淀粉在反应效率和淀粉糊性质方面显示出差异姆 3 0 】。 目前，人们对乙酰化淀粉的精细化学结构也进行了研究。用普鲁兰酶水解了用p 一淀 粉酶水解前和用b 淀粉酶水解后的乙酰化磷酸化豌豆淀粉( 取代度0 0 6 ) ，同时将商品 9 陕两科技大学硕士学位论文 羟丙基化磷酸化蜡玉米淀粉做同样处理作为对照1 3 0 ，比较两者分子筛色谱分析的结果， 乙酰化磷酸化豌豆淀粉的谱图与豌豆原淀粉的谱图相近，而羟丙基化磷酸化蜡玉米淀粉 的谱图与蜡玉米原淀粉的谱图有很大差别。从这些结果b i l i a d e r i s 3 q 得出结论，乙酰化反 应发生在淀粉颗粒的特定区域，而羟丙基化在淀粉颗粒内较均匀地发生反应。 c h e n 等【，：】研究了从乙酰化淀粉中分离出的直链淀粉的精细化学结构，主要是a 淀 粉酶、b - 淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的降解性。与从大颗粒乙酰化淀粉中分离出的乙酰化直 链淀粉相比，从小颗粒中分离出的乙酰化直链淀粉的酶降解性低，而且乙酰基团的分布 更靠近非还原性末端，虽然它们的取代度相似。 陈正宏等【3 2 】将由乙酸酐制备获得的乙酰化马铃薯淀粉( d s 0 1 ) 筛分获得不同颗粒 大小的组分，用酶法结合高效分子筛色谱法、高效阴离子交换色谱法、飞行时间质谱法 的分析得出，颗粒大小会影响乙酰基团在支链淀粉分子中的分布。h u a n g 等对豆类乙酰 化淀粉的研究中发现反应试剂的活性对乙酰化淀粉产品的黏度性质和淀粉分子结构有影 响【，】，并提出了乙酰基团在颗粒结构中分布模型的假说：用反应活性较高的乙酸酐制备 时，乙酰基团主要分布在淀粉颗粒的表面和外层；而用反应活性较低的乙酸乙烯制备时， 乙酰基团较均匀地分布在淀粉颗粒的内层和外层。 1 5 淀粉颗粒的分析方法 1 5 1 化学糊化法 一般的糊化方法是将淀粉水溶液加热到6 0 c - - - ，7 5 c 。研究发现某些盐溶液可以使淀 粉在室温下发生糊化d 2 ，这种糊化方法称为化学糊化法。j a n e 和s h e n ( 1 9 9 3 ) 首次报 道了用c a c l 2 溶液对马铃薯原淀粉颗粒进行化学糊化，并研究了颗粒结构。对糊化层和 残存颗粒分别进行碘滴定、凝胶渗透色谱、支链淀粉的支链链长和磷的分析表明，与颗 粒外围相比，颗粒内部的直链淀粉含量较低、直链淀粉的分子量较大、支链淀粉的长b 链较长、磷酸酯的含量较高1 1 2 】。j a n e 和k o c h ( 2 0 0 0 ) 用c a c l 2 溶液使1 1 种不同来源的 淀粉颗粒发生糊化，结果表明颗粒大的淀粉糊化完成所需要的时间长；马铃薯、蜡质马 铃薯、甘薯、玉米和高直链玉米淀粉颗粒的表面糊化均匀；小麦、大麦和高直链大麦淀 粉的糊化主要发生在颗粒的特定区域；蜡质大麦、蜡质玉米和大米淀粉颗粒表面糊化后 无法获得可用于扫描电镜观察的分散颗粒【3 4 】。 1 5 2 酶法 具有明确特性的淀粉分解酶在变性淀粉精细结构分析中的应用已有许多年的历史。 s t e e n e k e n 和w o o r t m a n 3 5 1 用a 淀粉酶和葡萄糖淀粉酶水解甲基化马铃薯淀粉，在颗粒 状态发生取代反应生成的颗粒状甲基化淀粉和在糊化状态发生取代反应生成的非颗粒状 甲基化淀粉的取代度相似。但与非颗粒状甲基化淀粉相比，颗粒状甲基化淀粉释放出更 多的葡萄糖和高取代度的高分子量糊精。他们得出结论，颗粒状甲基化淀粉中甲基的分 1 0 化学糊化法研究乙酰化淀粉的性质和结构 布非常不均匀，而在非颗粒状甲基化淀粉中甲基的分布较均匀。k a v i t h a 和b e m i l l e r 3 6 1 利用g t 淀粉酶和葡萄糖淀粉酶研究了从羟丙基化马铃薯淀粉中分离得到的直链淀粉的结 构，发现取代基的分布是不均匀的。 v a nd e rb u r g t 等1 3 7 1 用a 淀粉酶结合d 淀粉酶研究了取代基在甲基化马铃薯淀粉和甲 基化支链马铃薯淀粉中的分布，结果表明甲基分布在分支点附近。z h u 和b e r t o t t 3 8 1 通过 分子筛色谱分析了用p 淀粉酶水解前和用p 淀粉酶水解后的氧化马铃薯淀粉( m s0 0 4 - 0 0 5 ) 。次氯酸钠反应生成的氧化淀粉的d 一界限值( 4 4 ) 低于原淀粉的b 界限值( 6 6 ) 。然而过氧化氢反应生成的氧化淀粉的p 界限值( 6 0 ) 只是稍低于原淀粉。因此 氧化反应的方法会影响氧化淀粉中羰基碳的分布。k a v i t h a 和b e m i l l e r 【，s 1 也报道了从羟 丙基化马铃薯淀粉中分离得到的支链淀粉的p 界限值低于从原淀粉的分离得到的支链淀 粉的b 界限值，并得出结论有一部分取代基分布在支链淀粉侧链的非还原性末端。 用a 淀粉酶和葡萄糖淀粉酶对在不同条件得到的甲基化直链淀粉进行彻底分解，随 着取代度的提高，酶解得到的葡萄糖量降低f 3 5 1 。用质谱对分解产物的进一步研究表明低 聚产物不同，而且“取代度聚合度的平均值取决于甲基化反应的条件。对低聚物中甲 基在羟基上的具体取代位置的研究显示，在还原末端的葡萄糖单位上通常没有取代基， 而在非还原末端的葡萄糖单位上取代基通常在2 ，6 位或甚至在2 ，6 双取代，与之相反， 所有的3 一位取代基团都在内链的葡萄糖单位上，这表明取代基对两种淀粉酶都有阻碍作 用。 1 6 本课题的主要目的、意义和研究内容 到目前为止，在对乙酰化淀粉的研究中，有关淀粉颗粒内部结构的研究尚在探索阶 段。本文使用化学糊化方法将乙酰化淀粉残存颗粒进行分析，对研究淀粉颗粒结构及颗 粒内部取代基团的分布具有重要意义。通过观察淀粉残存颗粒形貌，测定残存颗粒的性 质，使我们对于乙酰化淀粉的颗粒结构及乙酰基团分布有了进一步认识。 本研究的主要内容包括： ( 1 ) 建立乙酰化淀粉颗粒的化学糊化法。 ( 2 ) 对筛分出的窄分布颗粒的乙酰化淀粉进行化学梯度糊化，并收集残存颗粒。 ( 3 ) 淀粉残存颗粒的取代度，结晶性质，外观形态，热性质测定。 ( 4 ) 乙酰化淀粉颗粒结构初步分析。 化学糊化法研究乙酰化淀粉的性质和结构 2 实验部分 2 1 主要实验材料与实验设备 2 1 1 原料、试剂和药品 表2 i 主要实验原料 t a b 2 - 1p r i m a r ym a t e f i f l s 淀粉样品厂家 乙酰化马铃薯淀粉a t a b i a p 0 1 5 0 乙酰化马铃薯淀粉a t a b i a p 0 1 7 0 天津顶峰淀粉开发有限责任公司 天津顶峰淀粉开发有限责任公司 乙酰化常规马铃薯淀粉荷兰a v e b e 公司 乙酰化蜡质马铃薯淀粉荷兰a v e b e 公司 2 1 2 主要仪器和设备 见表2 3 。 2 2 样品筛分 四种乙酰化马铃薯淀粉样品首先使用3 0 0 目筛( 5 0 0 r e ) 筛分，筛分下去部分粒径小 于5 0 p x n ，筛上残留淀粉粒径大于5 0 p r o ，不同粒径的淀粉分别收集。粒径小于5 0 岫的 颗粒再用5 0 0 目筛( 3 0 1 a m