马铃薯淀粉糊相对分子质量在超声场中的变化规律

摘要：为揭示超声场对淀粉相对分子质量的影响，以马铃薯淀粉糊为研究对象，采用凝胶渗透色谱仪测定了不同超声场条件与不同马铃薯淀粉糊质量浓度对马铃薯淀粉相对分子质量的影响。研究结果表明：马铃薯淀粉糊的数均相对分子质量、重均相对分子质量、峰均相对分子质量都有一定程度的降低，表明超声场中，淀粉分子发生降解，降解程度随作用时间的延长而增大，随超声强度的增大，淀粉分子进一步降解，但降解程度减小；淀粉糊的质量浓度越低受超声场的影响越大。超声作用时间对马铃薯淀粉糊相对分子质量分布宽度的影响规律是：初始阶段降解是一个随机过程，相对分子质量分布变宽；中间阶段转变为一个非随机过程，淀粉糊相对分子质量分布变窄；最后阶段相对分子质量分布趋于一个极限值。

Abstract:The purpose of this study was to evaluate the effect of ultrasonic fi eld on the relative molecular mass of starch.We examined the changes in the relative molecular mass of potato starch as affected by different ultrasonic treatment conditions and different concentrations of starch paste by gel permeation chromatography. The results showed that the number-average relative molecular mass (Mn), weight-average relative molecular mass (MW) and peak-average relative molecular mass (Mp) of potato starch paste were decreased by ultrasonic treatment, indicating that the degradation of starch molecules was increased with irradiation time and decreased with ultrasonic intensity. The effect of ultrasonic fi eld on the starch paste was increased with the decrease in starch paste concentration. The initial stage of the ultrasonic degradation of the starch paste was a random process and then the relative molecular mass distribution became wider.However, the middle stage was a non-random process and the relative molecular mass distribution became narrower.The relative molecular mass distribution tended to a limit value in the fi nal stage.

淀粉是天然高分子，相对分子质量多分散性是淀粉的基本特征之一。研究淀粉相对分子质量及其分布是高分子研究中最基本、最重要的结构参数之一[1]。淀粉的许多性能，如抗张强度、冲击强度以及流变性能、加工性能等均与淀粉的相对分子质量分布相关。淀粉的结构与性能的关系，淀粉的降解与聚合等过程的机理，也与相对分子质量分布密切相关。淀粉的分子降解可以采用多种方法，酸解、氧化、酶解、X射线、超声等[2]，其中超声法前景良好。

超声波在食品工业中的应用主要是利用其声化学作用[3]，声化学研究非常活跃，涉及聚合物科学、有机合成、光电化学、无机化学和高分子化学等多个领域[4-8]。超声波与声波一样，是物质介质中的一种弹性机械波，其频率范围为2×104～2×109Hz[9]。超声处理技术在食品工业中不但可提高产品产率、缩短加工时间、降耗、改善品质[10]，还能破坏有害微生物和细菌结构等[11-13]，能够保证食品质量安全，同时可以提供研发新产品的可能性。超声处理也是使淀粉等多糖降解的有效方法[14]，超声降解是一个非随机过程，靠近分子中心的链结构受影响最大[15]。对超声波这种独特的能量形式是否能够引起淀粉分子的断裂，从而使其相对分子质量及其分布发生变化，前人的研究还不完善。Czechowska-Biskup等[16]研究了360 kHz超声波对壳聚糖和淀粉分子的影响，用特性黏度表征了高频超声场条件下淀粉分子的相对分子质量变化规律，随着超声时间的延长，壳聚糖的相对分子质量降低，随着壳聚糖浓度的增加，相对分子质量逐渐增加，随着超声功率的增加，相对分子质量先减小后增大。Baxter等[17]使用施密特聚合物降解模型分析了壳聚糖相对分子质量随着超声作用时间延长而减少的原因，其解析为羟自由基和机械化学的共同作用的结果，说明超声对相对分子质量的变化有重要影响。Li Yuntao等[18]研究了超声作用对高密度聚乙烯（high-density polyethylene，HDPE）相对分子质量分布的影响及其降解机理。

国内外对不同品种淀粉的颗粒结构[19]、凝胶特性[20]、流变特性和形貌特征[21]等进行了研究。不同淀粉的性质有较大的差异，这些差异与淀粉的相对分子质量分布有关。文献中对马铃薯淀粉超声场中相对分子质量分布的变化鲜见报道。Jacobs等[22]将淀粉溶液置于超声场中研究超声作用对淀粉相对分子质量的降解能力。Isono等[23]将糯米淀粉置于超声场中研究超声时间对分子降解速率的影响，随着超声时间的延长，淀粉分子逐渐降解，相对分子质量逐渐减小。Seguchi等[24]将悬浮于90%二甲亚砜溶液中的小麦淀粉置于超声作用7.5 h后，其平均相对分子质量由最初的约为25×104降至1×104～2×104，但还没有足够充分的实验数据来证明变化规律。因此，研究超声场中马铃薯淀粉糊相对分子质量及其分布变化的基本规律，可以为研究超声场中马铃薯淀粉糊微观结构与宏观性能变化提供基础数据，进一步为揭示超声作用马铃薯淀粉糊的相对分子质量变化动力学提供理论依据。

本实验通过乌氏黏度计测定淀粉糊特性黏度的变化，并结合凝胶渗透色谱（gel permeation chromatography，GPC）技术研究不同超声场参数和不同淀粉糊质量浓度条件下，马铃薯淀粉糊相对分子质量和相对分子质量分布的变化情况，揭示超声作用对马铃薯淀粉分子微观结构影响的一般规律。

1 材料与方法

马铃薯淀粉（优级，水分质量分数14.4%，纯度99.5%）美国国民淀粉公司；标准葡聚糖美国Sigma公司；磷酸二氢钾天津市华东试剂厂；二甲基亚砜天津市化学试剂一厂。

Fabr-Nr型电子天平德国Sartorius公司；UP400S型手提式超声波细胞破碎仪德国Hielscher公司；HH-2数显型超级恒温水浴锅江苏金坛市富华电器有限公司；FW80型高速万能粉碎机天津市泰斯特仪器有限公司；TG16-WS型台式高速离心机上海手术器械厂；KQ5200DE型数控超声波清洗器昆山市超声仪器有限公司；717脉冲自动进样器、1525双泵、2414示差折光检测器高效GPC仪美国Waters公司。

称取马铃薯淀粉2、4、8、16、24、32 g，配成400 mL质量浓度分别为0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0 g/100 mL的悬浮液，搅拌分散，沸水浴中加热糊化30 min，冷却至室温。吸取糊化后的淀粉糊样品100 mL，置于频率25 kHz的超声场中，在冰水浴下调节反应体系的温度为（25.0±1.0）℃，在不同超声强度（75、150、225、300 W/cm2）条件下作用不同的时间（0、1、5、10、30、60 min）。

称取25 mg马铃薯淀粉，加入0.3 mL 4 mol/L氢氧化钾溶液，使马铃薯淀粉充分溶解，加入4 mL水，用2 mol/L盐酸中和，将pH值调至6.5～7.0，用水定容至10 mL，马铃薯淀粉液置于离心机中，4 000 r/min离心20 min，取上层清液4 mL，用0.02 mol/L KH2PO4定容至10 mL，用0.45 μm滤膜过滤。依标样测定的色谱条件（色谱柱：TSK3000、TSK5000PWXL凝胶色谱柱，两柱串联；流动相：0.02 mol/L KH2PO4；柱温：40 ℃；柱压：424×103 Psi；流速：0.6 mL/min）进样，仪器自动绘出被测试样品的相对分子质量分布图。用Breeze GPC软件以标样葡聚糖相对分子质量的对数lgMW对保留时间tR进行回归处理，得样品的数均相对分子质量Mn、重均相对分子质量MW、峰位相对分子质量Mp和相对分子质量分布宽度。

2 结果与分析

马铃薯原淀粉糊的GPC色谱图上有明显的两个吸收峰，即为高相对分子质量峰1和低相对分子质量峰2。高相对分子质量峰对应于淀粉的支链淀粉部分，低相对分子质量峰反映了淀粉的直链淀粉部分。

图1 马铃薯淀粉糊在不同超声作用时间的GPCC曲线
Fig. 1 GPC curves of potato starch paste subjected to ultrasonic treatment for different durations

由图1可知，在超声场中，随着超声作用时间的延长，马铃薯原淀粉糊的高相对分子质量峰1逐渐向低相对分子质量的方向位移，峰形越来越窄，低相对分子质量峰2信号增大。说明在超声场中，马铃薯淀粉分子发生了降解反应，降解反应首先发生于高相对分子质量部分，即链较长的马铃薯淀粉分子链发生断裂。马铃薯淀粉是由直链淀粉和支链淀粉组成，直链淀粉的相对分子质量比支链淀粉小，在超声场中，支链淀粉分子发生降解，大分子数量减少，小分子数量增加。

图2 超声场中0.55 gg/100 mL马铃薯淀粉糊相对分子质量分布受超声作用时间的影响
Fig. 2 Relative molecular mass distribution of potato starch paste subjected to ultrasonic treatment for different durations

在25.0 ℃条件下超声强度为300 W/cm2，频率为25 kHz的超声场中，质量浓度0.5 g/100 mL马铃薯淀粉糊Mn、MW、Mp和相对分子质量分布宽度指数结果如图2所示。

图3 不同超声作用时间0.55 gg/100 mL马铃薯淀粉糊的GPPCC曲线
Fig. 3 GPC curves of 0.5 g/100 mL potato starch subjected to ultrasonic treatment at different times

图4 超声作用时间对0.55 gg /100 mL马铃薯淀粉糊的MW和MW/Mn的影响
Fig. 4 Effect of ultrasonication time onMWandMW/Mnratio of 0.5 g/100 mL potato starch paste

把图2的MW和MW/Mn与超声作用时间数据绘制成图，其关系如图3、4所示。马铃薯淀粉糊的MW与作用时间也有明显的依赖关系（图4）。其规律类似于马铃薯淀粉糊特性黏度与超声作用时间的关系。即在超声作用初期（10.0 min内），马铃薯淀粉糊的MW大幅度下降，其值从3.38×106迅速降至1.08×106；相对分子质量分布曲线向低相对分子质量方向漂移（图3），表明马铃薯淀粉糊在超声作用初期发生严重的断链反应。在超声作用中期（10.0～30.0 min），马铃薯淀粉糊的MW下降幅度变缓，峰值增加明显，但相对分子质量分布出现变窄的趋势，表明在此阶段仍有断链反应发生。在超声作用后期（30.0～60.0 min），马铃薯淀粉糊的MW几乎不再发生变化并趋于一个极限值。总的看来，在所研究的超声时间范围内，马铃薯淀粉糊的MW随超声作用时间的规律是先快速下降后下降速率变平缓最后趋于极限值。从图4可以看出超声作用30.0 min马铃薯淀粉糊MW的极限值约为0.50×106。

相对分子质量分布宽度指数d定义为MW/Mn，也称为多分散系数，用来表征高分子的多分散程度[25]。图4的实验结果表明，马铃薯淀粉糊的相对分子质量分布宽度随超声作用时间的延长先增加后快速下降（0.0～10.0 min内），然后变缓慢（10.0～30.0 min），最后趋于一个极限值（30.0～60.0 min）。这是高分子物质机械力化学降解的特征[16]。说明在超声作用下，相对分子质量大的淀粉分子优先于相对分子质量小的淀粉分子断链而发生降解[26]。在超声作用马铃薯淀粉糊的最初阶段，淀粉糊黏度较大，分子链缠结，分子链的断裂是无规的，可以在任何位置发生断裂。此无规断链过程生成了低相对分子质量的淀粉，相对分子质量分布变宽。超声作用一段时间后，随着低相对分子质量淀粉增加以及平均相对分子质量的减小，淀粉分子的缠结度变小。此时，超声场中淀粉呈现出有规断链的特性，表现为相对分子质量分布宽度变小。在最后阶段，降解停止，相对分子质量分布接近一极限值。

超声强度在超声作用马铃薯淀粉糊中是一个重要参数。固定超声作用时间60.0 min，分别采用75～300 W/cm2范围内不同超声强度的超声波对马铃薯淀粉糊进行处理。把马铃薯淀粉糊的GPC曲线经Breeze软件计算分析所得马铃薯淀粉糊Mn、MW、Mp，如图5所示。

图5 超声场中0.55 gg/100 mL马铃薯淀粉糊相对分子质量分布受超声强度的影响
Fig. 5 Relative molecular mass distribution curves of potato starch paste subjected to ultrasonic treatment at various intensities

图6 不同强度超声场中0.55 gg /100 mL马铃薯淀粉糊的GPPCC曲线
Fig. 6 GPC curves of 0.5 g/100 mL potato starch paste subjected to ultrasonic treatment at various intensities

图7 超声强度对0.5 g/100 mL马铃薯淀粉糊MW和MW/Mn的影响
Fig. 7 Effect of ultrasonic intensity onMWandMW/Mnratio of 0.5 g/10000 mmLL potato starch paste

从图5可知，不同功率的超声作用会导致马铃薯淀粉的相对分子质量及其分布发生明显的变化。随着超声强度的增大，GPC曲线图向低相对分子质量方向移动，相对分子质量分布宽度先增大后逐渐变小。当超声功率为300 W/cm2时，马铃薯淀粉的平均相对分子质量会明显的降低，相对分子质量分布向低相对分子质量级分漂移，表明马铃薯淀粉在超声作用下产生了一定程度的降解。把图6的MW和MW/Mn与超声作用强度数据绘制成图，其关系如图7所示，当超声强度增大时，马铃薯淀粉糊MW降低。因此，超声强度与处理时间具有某种等同效应，因为时间的延长即意味着能量的累积[27]。超声强度为300 W/cm2时，相对分子质量和相对分子质量分布宽度变化较明显，达到最低值。超声强度越大，产生的声压幅值越大，体系分子受到应力的作用也越大，分子链越容易发生断裂。这就意味着，随着超声强度的增大，超声作用对马铃薯淀粉分子结构的影响加剧，分子链断裂进一步增大。超声强度对马铃薯淀粉糊特性黏度影响的研究结果表明，对于马铃薯淀粉糊体系，在相同的作用时间内，存在一个最佳超声强度值，它可以使该体系获得最大影响效果。在本研究的超声强度范围内，认为300 W/cm2对马铃薯淀粉糊相对分子质量的影响是最大的。

2.4 超声场中不同质量浓度马铃薯淀粉糊的相对分子质量分布的变化规律

为了研究马铃薯淀粉糊质量浓度对超声作用马铃薯淀粉糊相对分子质量的影响，固定作用时间10.0 min，超声强度300 W/cm2，马铃薯淀粉糊的质量浓度为0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0 g/100 mL，把马铃薯淀粉糊的GPC曲线经Breeze软件计算分析得到马铃薯淀粉糊Mn、MW、Mp，如图8所示。

图8 超声场中马铃薯淀粉糊相对分子质量分布受淀粉糊质量浓度的影响
Fig. 8 Molecular weight and its distribution curves of potato starch paste at different concentrations

图9 超声场中不同质量浓度马铃薯淀粉糊的GPCC曲线
Fig. 9 GPC curves of ultrasonic treated potato starch paste at different concentrations

图10 超声场中不同质量浓度马铃薯淀粉糊MW和MW/Mn的变化
Fig. 10 Effect of concentrations onMWandMW/Mnratio of potato starch paste

图9 的结果表明，超声作用10.0 min，马铃薯淀粉糊Mn、MW、Mp随质量浓度的增大而增大。说明马铃薯淀粉糊的质量浓度越大，超声波在马铃薯淀粉糊中的衰减程度越大，超声作用于马铃薯淀粉糊的能量越低，超声作用效果降低。把图9的MW和MW/Mn与马铃薯淀粉糊质量浓度数据绘制成图，其关系如图10所示，随着马铃薯淀粉糊的质量浓度增大，MW和MW/Mn增大；马铃薯淀粉糊的质量浓度越大，MW和MW/Mn增大的程度越小，这与Chen[25]和Lorimer[28]等研究的结果一致。Lorimer等[28]在一定温度的超声场条件下处理壳聚糖和葡聚糖溶液，结果显示降解速率与质量浓度相关，得出超声场的降解速率随质量浓度的增大而降低。超声波在媒质中的衰减程度与媒质的结构及物理状态紧密相关。马铃薯淀粉糊的质量浓度越小，媒质的切变黏滞系数和密度越小，超声波在淀粉糊中的衰减程度越小，超声作用于淀粉糊的能量越高，所以淀粉糊的相对分子质量下降程度越大，超声作用后，淀粉相对分子质量越小。所以超声场对稀溶液或稀凝胶的作用较大。因此，质量浓度增大，超声场中马铃薯淀粉糊的降解效果越低，反应结束时马铃薯淀粉糊相对分子质量也大。

3 结论

考察了不同超声作用条件（作用时间、超声强度、淀粉糊质量浓度）对马铃薯淀粉糊相对分子质量和相对分子质量分布的影响。研究结果表明：马铃薯淀粉糊特性黏度随作用时间的延长而降低，马铃薯淀粉糊的Mn、MW、Mp都有一定程度的降低，表明超声场中，淀粉分子发生降解，且随作用时间的延长而增大。马铃薯淀粉糊特性黏度、Mn、MW、Mp随超声强度的增大而降低；超声场对稀淀粉糊的影响更大。超声作用时间对马铃薯淀粉糊相对分子质量分布宽度的影响规律是：初始阶段降解是一个随机过程，相对分子质量分布变宽；中间阶段转变为一个非随机过程，相对分子质量分布变窄；最后阶段相对分子质量分布趋于一个极限值。这表明机械力学效应是超声作用对淀粉糊的主要作用机制。

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LI Chen, LIU Peihua, CHEN Yu, FANG Kun, WEI Qunshu, LEI Caiyu, LI Jianbin*
(College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

李辰, 刘培华, 陈雨, 等. 马铃薯淀粉糊相对分子质量在超声场中的变化规律[J]. 食品科学, 2017, 38(19): 61-67.

LI Chen, LIU Peihua, CHEN Yu, et al. Changes in relative molecular mass of potato starch paste in ultrasonic fi eld[J]. Food Science,2017, 38(19): 61-67. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201719011. http://www.spkx.net.cn

基金项目：国家自然科学基金地区科学基金项目（20864001；31160326）；

广西科学研究与技术开发项目（桂科能10100025）；2016广西区特色本科专业建设项目

作者简介：李辰（1991—），女，硕士研究生，研究方向为糖类生物质利用及污染控制。E-mail：1053892202@qq.com

*通信作者：李坚斌（1970—），女，教授，博士，研究方向为糖类物质生物利用及其污染控制。E-mail：lijb0771@126.com

马铃薯淀粉糊相对分子质量在超声场中的变化规律

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论