陈 渊1，杨家添1，谢秋季1,2，韦庆敏1，苏菲静1，梁宏翩1，黄祖强2,*
（1.广西农产品加工重点实验室（培育基地），广西高校桂东南特色农产资源高效利用重点实验室，玉林师范学院化学与食品科学学院，广西 玉林 537000；2.广西大学化学化工学院，广西 南宁 530004）
摘 要：以木薯淀粉为原料，氯乙酸钠为醚化剂，氢氧化钠为催化剂，采用机械活化固相化学反应法制备羧甲基淀粉。以取代度为评价指标，通过单因素和正交试验设计优化确定最佳制备工艺，采用傅里叶红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）、X-射线衍射（X-ray diffraction，XRD）、扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）对羧甲基淀粉的结构进行表征，并考察羧甲基淀粉的理化特性。结果表明，最佳工艺参数为淀粉与氯乙酸钠物质的量比1∶1、反应温度50 ℃、反应时间1.5 h、氢氧化钠溶液质量分数18.8%、搅拌速率380 r/min、球磨介质堆体积500 mL，在此条件下制备的羧甲基淀粉取代度为0.540 1。FTIR、XRD、SEM检测进一步证实木薯淀粉发生了羧甲基化反应。理化特性结果显示，羧甲基淀粉的黏度升高，溶解度增大，吸水性、保水性、冻融稳定性、抗酸碱性、抗酶解性等均得到较好的提高。
关键词：机械活化固相化学反应法；羧甲基淀粉；取代度；表征；理化特性
羧甲基淀粉是淀粉在碱性条件下与一氯乙酸或其钠盐进行醚化反应生成的一种冷水可溶性的阴离子淀粉醚，其钠盐具有无毒、无味、易吸潮的性质，常温下为白色或微黄色粉末状固体，溶于水后会形成胶体状溶液。羧甲基淀粉的分子单元结构与羧甲基纤维素相同[1]，在性质上有很多类似之处，可部分替代羧甲基纤维素，已广泛应用于造纸、纺织、印染、医药、胶黏剂、化妆品、建材、食品、皮革和油田开发助剂等众多领域[2-3]，在改善产品性能、降低成本、提高淀粉的应用范围方面具有积极意义和很好的发展前景。
目前羧甲基淀粉的制备方法主要有溶媒法和干法。采用溶媒法合成时，羧甲基淀粉不易得，容易糊化，副反应多，醚化剂利用率低。为了克服溶媒法的缺点，近年有较多干法制备羧甲基淀粉的研究报道[4-6]。这些方法的反应条件温和、能耗低、操作简便、原料利用率高、无三废排放，是一种经济高效的生产工艺。但是，在目前的干法工艺条件下，淀粉与反应试剂之间一般不能充分混合均匀，反应均匀性差。主要原因是由于淀粉半结晶的超分子结构特点，难于被各种反应试剂所接触，限制了化学试剂向淀粉分子内部的渗透，从而导致其反应效率低和均匀性差。另外，传统的一步、多步加碱法，也不足以完全破坏淀粉的结晶结构。在这种非均相体系中，醚化反应主要发生在淀粉的非晶区，醚化剂很难触及结晶区域的羟基基团，最终导致反应不均匀，取代基多分布于淀粉颗粒表面，平均取代度（degree of substitution，DS）不高，原料利用率低，导致产品的溶解性能较差，产物性能不稳定，使其应用受到限制。因此，寻求有效的淀粉预处理方法以破坏其结晶结构，并能在低热条件下使反应物分子获得反应和加速扩散所需的能量，更好地改善醚化试剂与淀粉大分子的接触状态和反应性，提高反应速率是实现淀粉干法醚化的关键问题。
机械力化学方法是对某种材料反应体系引入机械能量（如球磨），通过机械力化学效应不仅可使反应体系的物理化学性质和结构发生变化，而且也使体系的自由能升高，活性增加，降低化学反应活化能，诱发各种固态化学反应[7]。罗永春等[8]以LiAlH4和AlCl3为原料，采用机械球磨固相化学反应方法成功制备出非晶态AlH3的储氢材料。陈渊、胡华宇等[9-14]针对天然高聚物干法反应及其产品存在的问题，以自制搅拌球磨机作为机械活化固相反应器，利用固相反应中机械力的作用，使纤维素、淀粉反应体系的运动程度加剧，体系能量增高，物质之间碰撞几率增加，显著改善反应物的接触状态，有效解决固相反应所存在的反应均匀性差、合成温度较高、原料和产物在高温下热解比较严重、产品品质较差等问题，在温和条件下合成了不同链长的淀粉、纤维素酯等衍生物，反应效率高、工艺简单、成本低、环境污染小。谭义秋等[15-21]采用先机械活化后反应的强化反应效果，对淀粉进行不同程度的机械活化预处理，然后进行羧甲基化反应，成功制备了高DS的羧甲基淀粉，产物的理化特性明显改善，吸附性能提高。但目前用机械活化固相化学反应法制备羧甲基淀粉的研究鲜见报道。本实验以自制搅拌球磨机作为机械活化固相反应器，木薯淀粉为原料，氯乙酸钠为醚化剂，将机械活化法与固相化学反应相结合，在强有力机械剪切作用下实现淀粉与氯乙酸钠之间的醚化反应，一步法制备出不同DS的羧甲基淀粉。考察醚化剂用量、催化剂用量、反应时间、反应温度、球磨机搅拌速率、球磨介质堆体积等因素与DS的关系，并在此基础上采用正交试验确定制备羧甲基淀粉的最佳工艺条件。用傅里叶红外光谱（Fourier transform infrared spectrometry，FTIR）、X-射线衍射（X-ray diffraction，XRD）、扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）对产物的结构进行表征，探讨淀粉醚化机理，并测定木薯羧甲基淀粉的黏度、溶解度、冻融稳定性、吸水性、保水性、抗老化性以及抗酶解性等理化特性，为实现羧甲基淀粉的工业化生产、扩大其应用提供一定参考依据。
木薯淀粉（食品级） 广西隆安县金源淀粉有限公司；氯乙酸钠（分析纯） 天津市光复精细化工研究所；氢氧化钠（分析纯） 广东汕头市光华化学厂；无水乙醇（分析纯） 广东光华化学厂有限公司。
自制的搅拌球磨机，由普通钻床（φ16 mm）经过改装而成，主要由内直径0.115 m、高0.170 m、有效容积1 200 mL、带循环水进出夹层的不锈钢罐组成，球磨介质为半径3 mm的氧化锆球；DHG-9076A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司；SHZ-88型水浴恒温振荡器 江苏金坛市医疗仪器厂；SHB-III型循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；SNB-1型旋转黏度计 上海昕瑞仪器仪表有限公司。
1.3.1 羧甲基淀粉的制备方法
称取质量分数为18.8%（占淀粉干基）的氢氧化钠，木薯原淀粉50 g（干基），混匀，碱化1 h之后加入氯乙酸钠36 g（与淀粉干基物质的量比为1∶1），充分混匀后静置24 h。装好球磨机，接好恒温水箱管路，加入一半磨球，加入淀粉样品混合物后再加入另一半磨球，调节搅拌速率为380 r/min，50 ℃恒温反应90 min。将磨球和样品分开，用90%乙醇溶液洗涤样品至中性，抽滤至无氯离子（用硝酸银检验），产物在50 ℃条件下干燥、粉碎、干燥、过120 目筛、装袋，转入干燥器中备用。
1.3.2 羧甲基淀粉DS的测定方法
羧甲基淀粉DS测定法按照文献[22]方法进行。准确称取0.5 g羧甲基淀粉样品，置于100 mL小烧杯中，加入2 mol/L HCl（70%乙醇溶液配制而成）溶液30 mL，用保鲜膜封住烧杯口，然后用电动磁力搅拌器搅拌1 h，过滤，用体积分数90%乙醇溶液洗涤酸化后的样品至洗涤液中不含氯离子（采用倾泻法进行）。将滤饼转移到250 mL锥形瓶中，用40 mL 0.1 mol/L NaOH标准溶液溶解，在微热条件下，使溶液呈透明状，立即用0.1 mol/L的HCl标准溶液返滴至酚酞指示剂的红色刚褪去，记录所消耗的HCl标准溶液的体积，按式（1）计算淀粉所消耗的NaOH的物质的量（A）。由于在碱处理过程中，引起淀粉少量的降解，消耗碱量。为消除此影响，需要用原淀粉进行空白滴定。空白实验：准确称取折算成绝干样的原淀粉约0.5 g（与样品等质量），测定步骤与上述相同，按式（1）计算原淀粉所消耗的NaOH的物质的量（A空白），用A空白修正A后再按式（2）计算羧甲基淀粉DS。
式中：A为中和1 g酸式羧甲基淀粉所消耗的NaOH的物质的量/mmol；V（NaOH）为加入使淀粉皂化的NaOH标准溶液的体积/mL；V（HCl）为滴定过量的皂化后消耗的HCl标准溶液的体积/mL；C（NaOH）为使淀粉皂化的NaOH标准溶液的浓度/（mol/L）；C（HCl）为滴定过量NaOH标准溶液的HCl标准溶液的浓度/（mol/L）；M为用于测定的酸式羧甲基淀粉的质量/g；0.162为淀粉的失水葡萄糖单元的物质的量/mmol；0.058为失水葡萄糖单元中一个羟基被羧甲基取代后，失水葡萄糖单元毫摩尔质量的净增值。
1.3.3 单因素试验
根据前期实验结果，主要考察反应时间（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h）、淀粉与氯乙酸钠物质的量比（1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5）、氢氧化钠质量分数（14.8%、16.8%、18.8%、20.8%、22.8%）、反应温度（30、40、50、60、70 ℃）、球磨介质堆体积（300、400、500、600、700 mL）以及搅拌速率（220、300、380、450、520 r/min）因素对淀粉醚化反应的影响。以DS为试验指标进行单因素试验。试验中独立样本t检验（显著性检验为t检验）采用SPSS 18.0软件进行统计学分析处理。
1.3.4 正交试验
在单因素试验的基础上，选取淀粉与氯乙酸钠物质的量比、反应时间、反应温度、氢氧化钠质量分数4 个因素进行四因素三水平L9（34）的正交试验，以DS为试验指标，正交试验因素与水平如表1所示。
表1 醚化反应正交试验因素与水平
Table 1 Factors and levels used for orthogonal array design
1.3.5 羧甲基淀粉的表征
采用FTIR对木薯淀粉样品的分子基团进行表征。将2 mg试样和200 mg KBr混合压片进行测试，扫描范围4 000～500 cm-1；采用XRD对木薯淀粉样品的结晶结构进行观察。具体操作条件为特征射线Cukα、Ni片滤波、电压40 kV、电流30 mA、测量范围（2θ）5°～80°；将样品用双面胶固定在样品台上喷金，采用SEM对木薯淀粉样品的形貌与结构进行观察。
1.3.6 羧甲基淀粉黏度的测定
淀粉黏度的测定参考文献[5]的方法进行。取不同DS的羧甲基淀粉配成质量分数为2%的淀粉乳液，在温热条件下，缓慢地搅拌至试样完全糊化，室温下放置5～10 h后，放入恒温水浴槽中，控制溶液温度在（30±0.5）℃，用SNB-1型黏度计测定黏度（2号转子）。
1.3.7 凝沉性的测定
淀粉凝沉特性的测定参考文献[23]的方法进行。取不同DS的羧甲基淀粉，在250 mL的容量瓶中配制成1%的淀粉糊，把淀粉糊倒入10 mL量筒里，室温下密封且垂直静置，每隔1 周观察记录上层清液体积下层沉降积，抗老化性能强的淀粉表现为沉降积小，以沉降积表示凝沉性特征。
1.3.8 溶解度的测定
淀粉溶解度的测定参考文献[24]的方法进行。取不同DS的羧甲基淀粉，在室温下边搅拌边缓慢倒入蒸馏水，配成质量分数为2%溶液100 mL，再用玻璃棒快速搅拌2 min，然后倒入塑料离心管，5 000 r/min离心20 min。取上清液于小烧杯中，110 ℃干燥至质量恒定，得到被溶解羧甲基淀粉的质量，按公式（3）计算溶解度：
式中：A为上清液蒸干至质量恒定后的质量/g；W为淀粉样品的质量/g（干基）。
1.3.9 保水性的测定
淀粉保水性的测定参考文献[25]的方法进行。取不同DS的羧甲基淀粉，加水配成质量分数为2.5%乳液20 mL，水浴搅拌加热，在保持乳液体积不变的情况下使之完全糊化，静置冷却至室温。准确称量干燥的有盖塑料离心管，记录数据，将部分糊化溶液移入离心管并盖紧密封，再次准确称量记录数据，2 500 r/min离心1 h，离心完毕后尽快用毛细胶头滴管把塑料离心管中的水吸出。再次准确称其质量，记录数据。保水性即淀粉充分糊化后形成均匀的凝胶，在受外力作用下脱水越少或仍不脱水，保水率越大则说明保水性越好。保水率的计算见式（4）：
式中：W0为干燥的有盖塑料离心管质量/g；W1为刚加入糊化溶液的离心管总质量/g；W2为离心去水后的离心管总质量/g。
1.3.10 吸水性的测定
淀粉吸水性的测定参考文献[25]的方法进行。称取1 g（干基）左右的不同DS羧甲基淀粉于烧杯中，加100 mL蒸馏水，室温下静置1 d，100 目筛过筛，等到水滴完毕，量出并记录水的体积。吸水量的计算见公式（5）：
式中：V为滤出水的体积/mL；W0为样品质量（干基）/g；100为加入水的体积/mL。
1.3.11 冻融稳定性的测定
淀粉冻融性稳定性的测定参考文献[26]的方法进行。取不同DS羧甲基淀粉配成质量分数为6%的乳液，温热至完全糊化，静置冷却至室温。准确称量干燥的有盖塑料离心管，记录数据m0，将部分糊化溶液移入离心管并盖紧密封，再次准确称量记录数据m1，放入-18～-20 ℃的冰箱中，冰冻1 d后取出解冻。3 000 r/min离心20 min，如有分层，弃去上清液，准确称取沉淀物的质量记入数据m2，反复冷冻几次，按公式（6）计算析水率，记录样品冷冻次数以及最先出水的析水率。样品最先出水且析水率越高，样品的冻融稳定性越差。
1.3.12 抗酸碱性的测定
淀粉抗酸碱性的测定参考文献[27]的方法进行。取不同DS羧甲基淀粉，配制成质量分数为2.5%的淀粉乳液，调节pH值为3.0、7.0、11.0，温热至完全糊化均匀，冷却到25 ℃，分别测定各个样品的不同pH值的黏度。
1.3.13 抗酶解性的测定
淀粉抗酶解性的测定参考文献[28]的方法进行。取不同DS羧甲基淀粉，配成质量分数为6%的乳液80 mL，温热至完全糊化后转移至250 mL锥形瓶中，敞口放置，每隔12 h观察霉菌出现情况，记录霉菌出现时间。
2.1.1 反应时间对醚化反应的影响
图1 反应时间对醚化反应的影响
Fig. 1 Effect of reaction time on DS
从图1可以看出，随着反应时间的不断延长，羧甲基淀粉DS呈现先增大后减小的趋势，由反应0.5 h时的0.347 7增大到反应时间为1.5 h的0.533 1，此后羧甲基淀粉DS随着反应时间的延长而下降。可能原因是，在反应时间小于1.5 h时，淀粉的结晶结构还未被机械力充分破坏，淀粉颗粒表面的包裹作用使醚化剂氯乙酸钠不能渗透到淀粉内部进行反应，淀粉DS较低。当反应时间达到1.5 h时，淀粉紧密的结晶结构进一步被破坏，淀粉与氯乙酸钠反应的接触面积不断增大，醚化试剂容易渗透到淀粉中进行醚化反应[9,29]。当反应时间超过1.5 h后，由于反应时间过长，破碎的淀粉小颗粒在机械力作用下部分重新发生团聚，不利于氯乙酸钠与木薯淀粉颗粒接触；另一方面，随着反应时间延长，氯乙酸钠与氢氧化钠生成羟乙酸钠等副反应增多，形成的羧甲基淀粉在强机械力作用下也易结块变性，造成DS下降。使用SPSS系统进行数据分析，数据在5%显著水平内，不同反应时间之间淀粉DS差异显著，1.5 h为最佳的反应时间。
2.1.2 淀粉与氯乙酸钠物质的量比对醚化反应的影响
图2 淀粉与氯乙酸钠物质的量比对醚化反应的影响
Fig. 2 Effect of molar ratio of starch to sodium choroacetate on DS
从图2可以看出，羧甲基淀粉DS随着氯乙酸钠物质的量的增大而不断上升，当淀粉与氯乙酸钠物质的量比为1∶1时，淀粉DS达到0.533 1，但当淀粉与氯乙酸钠物质的量比超过1∶1后淀粉DS反而下降。这可能是因为随着氯乙酸钠物质的量的不断增大，氯乙酸与淀粉在机械活化作用下相互间的碰撞大大增加，从而使氯乙酸钠与淀粉充分接触，可以较大程度地促进淀粉醚化反应的进行。但随着氯乙酸钠用量不断增大，加大了副反应的进行，从而使得生成羟基乙酸钠的几率加大[30]，因此羧甲基淀粉DS反而会呈现下降的趋势。使用SPSS系统进行数据分析，数据在5%显著水平内，不同氯乙酸钠用量之间淀粉DS差异显著，最佳制备淀粉与氯乙酸钠物质的量比为1∶1。
2.1.3 氢氧化钠质量分数对醚化反应的影响
图3 氢氧化钠质量分数对醚化反应的影响
Fig. 3 Effect of sodium hydroxide concentration on DS
从图3可以看出，随着氢氧化钠质量分数的增大，羧甲基淀粉DS呈现先上升后下降的趋势。碱能破坏淀粉的结晶结构，并使淀粉上的羟基变成亲核能力较强的负氧离子，进行亲核取代反应，但当碱用量超过一定值时，过多中和氯乙酸钠，降低反应效率，从而降低DS[31]。同时，过量的碱会在淀粉周围形成一层胶化层，使淀粉被胶化层包裹起来，阻止了醚化剂氯乙酸钠与淀粉充分接触发生作用，从而导致羧甲基淀粉DS降低。使用SPSS系统进行数据分析，数据在5%显著水平内，不同氢氧化钠用量之间淀粉DS差异显著，氢氧化钠的最佳用量为18.8%。
2.1.4 反应温度对醚化反应的影响
图4 反应温度对醚化反应的影响
Fig. 4 Effect of temperature on DS
从图4可以看出，羧甲基淀粉DS随着反应温度的升高，先上升后下降，在50 ℃时羧甲基淀粉的DS最高为0.533 1，之后大大降低。在一定温度范围内，随着温度的升高，淀粉的膨胀程度不断加强，淀粉的平均能量增加，使淀粉分子的运动速率提高，可以有效地破坏淀粉分子中的氢键，从而有利于醚化剂与淀粉充分接触[20]，从而可以提高淀粉的反应活性，在一定温度范围内，羧甲基淀粉DS随着温度的升高而呈现增大趋势。但在温度过高时淀粉很容易发生糊化结块，同时温度过高会导致副反应加剧，导致淀粉DS下降。使用SPSS系统进行数据分析，数据在5%显著水平内，不同反应温度之间淀粉DS差异显著，最佳反应温度为50 ℃。
2.1.5 球磨介质堆体积对醚化反应的影响
图5 球磨介质堆体积对醚化反应的影响
Fig. 5 Effect of volume of ball milling medium on DS
从图5可以看出，在球磨介质堆体积小于500 mL范围内，羧甲基淀粉DS随着球磨介质堆体积的增大而增大，在体积大于500 mL后，羧甲基淀粉DS下降。若球磨介质太少时，在机械活化过程中，淀粉与醚化剂间的碰撞次数少，产生的能量下降，使得球磨效率下降[9]，从而影响醚化反应的进行，导致羧甲基淀粉DS不高。若球磨介质过多，在机械活化过程中，淀粉会被往上挤而覆盖在球磨介质的上面，使淀粉不能被充分活化，反应效率下降。使用SPSS系统进行数据分析，数据在5%显著水平内，不同球磨介质堆体积之间淀粉DS差异显著，最佳球磨介质堆体积为500 mL。
2.1.6 搅拌速率对醚化反应的影响
图6 搅拌速率对醚化反应的影响
Fig. 6 Effect of stirring speed on DS
由图6可知，羧甲基淀粉的DS随着搅拌速率的增大而增大，在380 r/min时DS最高，之后下降。搅拌速率太低时，在机械活化过程中产生的机械力小，导致淀粉分子的晶体结构未被充分破坏，醚化剂氯乙酸钠与淀粉仅在淀粉分子颗粒表面进行，而醚化剂未能渗透到淀粉分子内部进行反应，从而所合成的羧甲基淀粉DS不高。而随着搅拌速率的增加，氯乙酸钠与淀粉的碰撞次数的增加以及淀粉分子结晶结构被破坏，结晶度下降，从而促进醚化反应的进行，反应效率增大，羧甲基淀粉DS较大。而后搅拌速率过快，机械力增大，使得淀粉与醚化剂反应生成的醚键发生断裂，同时也有可能是氯乙酸钠还未来得及与淀粉进行醚化反应就被强大的机械力分离，从而导致羧甲基淀粉DS下降[9]。使用SPSS系统进行数据分析，数据在5%显著水平内，不同搅拌速率之间淀粉DS差异显著，最佳搅拌速率为380 r/min。
采用L9（34）正交试验表进行淀粉与氯乙酸钠物质的量比、反应温度、反应时间、氢氧化钠质量分数四因素三水平正交试验，结果如表2所示。
表2 机械活化木薯淀粉氯乙酸钠醚化正交试验设计及结果
Table 2 Orthogonal array design with experimental results
由表2可知，氯乙酸钠用量对DS的影响最大，其次是氢氧化钠用量、反应温度、反应时间的影响最小。因此，在所选择的试验范围内，各因素最优水平组合应为A2B2C2D2。确定机械活化固相反应法制备羧甲基淀粉的最佳工艺条件为淀粉与氯乙酸钠物质的量比1∶1、反应温度50 ℃、反应时间1.5 h、氢氧化钠质量分数18.8%。按照最优条件A2B2C2D2，进行2 次平行验证实验，反应制备得到的羧甲基淀粉DS为0.540 1。
2.3.1 FTIR分析
图7 原淀粉及不同DS羧甲基淀粉的FTIR图
Fig. 7 FTIR spectra of native starch and carboxymethyl starch with different DS
从图7可以看出，羧甲基淀粉除了与木薯原淀粉的3 340、2 926、1 007 cm-1波数附近处有相同的吸收峰之外，在1 613 cm-1出现了羧酸盐—COO-的不对称伸缩振动强吸收峰，在1 420 cm-1处出现了羧酸盐—COO-的对称伸缩振动弱吸收峰[21,32]，表明木薯淀粉成功接上了醚键，并且随着DS的增加羧酸盐的特征吸收峰增强。
2.3.2 XRD分析
图8 原淀粉及不同DS羧甲基淀粉的XRD图
Fig. 8 X-ray diffraction curves of native starch and carboxymethyl starch with different DS
比较图8a、8b可知，反应0.5 h的羧甲基淀粉与木薯原淀粉的衍射尖峰的趋势大体一致，但强度减弱，醚化程度较小。从8a、8c、8d曲线可以看出，DS为0.432 6、0.533 1的羧甲基淀粉由原来的尖峰变为馒头峰，原淀粉的尖峰几乎完全消失。这主要是由于机械活化过程中的挤压、剪切作用及淀粉醚化反应使得淀粉的结晶结构遭到破坏，结晶度降低[33]。
2.3.3 SEM分析
图9 原淀粉及不同DS羧甲基淀粉的SEM图
Fig. 9 SEM images of native starch and carboxymethyl starch with different DS
从图9a、9c可以看出，木薯原淀粉外观颗粒表面光滑，多为圆形，少量为圆形破碎后的不规整形貌。通过观察9c、9d发现，经过机械活化固相化学反应法制备的羧甲基淀粉的颗粒大部分由原淀粉的圆形变为无规则的团聚状。当DS达到0.432 6后，淀粉变颗粒为块状（图9e、9f）。当DS达到0.533 1时，淀粉颗粒变为较大的块状，且表面腐蚀严重（图9g、9h）。羧甲基淀粉颗粒形貌与原淀粉不同，进一步说明淀粉发生了醚化反应。主要原因是羧甲基淀粉在制备过程中受到了挤压，在机械剪切力的作用下分子降解，淀粉分子间氢键断裂，结晶区被破坏；另一方面，醚化反应也会破坏淀粉颗粒的形貌。
表3 不同DS羧甲基淀粉的黏度、凝沉性、溶解度、保水性、吸水性
Table 3 Starch paste viscosity, retrogadation properties, solubility,water-absorbing and water retaining capacity of carboxymethyl starch with different DS
从表3可以看出，淀粉在经过羧甲基化后其黏度、凝沉性、溶解度、保水性、吸水性均比原淀粉好，并且随着DS的增大呈现较好的趋势。由于引入的羧甲基阴离子基团变多，淀粉分子之间的排斥力增大，结构疏松，因此黏度也增加[7]。在其作为增稠剂和稳定剂时，在相同的浓度下，糊液黏度越高，效果越好。羧甲基基团具有亲水性，增强了淀粉分子的亲水性，因此羧甲基淀粉糊液不易出现凝沉现象，保水性高，稳定性好[23]。淀粉在经过羧甲基化后其溶解度大大增强，冷水便可以溶胀，并且吸水性和保水性得到加强。羧甲基淀粉中的羧甲基基团具有亲水性，是亲水性淀粉，结构疏松，水分子进入淀粉颗粒内部，使得淀粉分子溶出。因此，相比原淀粉，羧甲基淀粉的溶解度提高，保水性能增强。此外，羧甲基属于阴离子，带负电荷，使得分子间相互排斥，淀粉分子结构松散，增大接触面积，羧甲基吸水性能增强[25]。
表4 不同DS羧甲基淀粉的冻融稳定性、抗酸碱性、抗酶解性
Table 4 Freeze-thaw stability, and acid, alkali and enzyme resistance of carboxymethyl starch with different DS
从表4可以看出，淀粉在经过羧甲基化后，其冻融稳定性、抗酸碱性以及抗酶解性均得到较大的提高，并且随DS的增大呈现较好的规律。其中DS为0.533 1的羧甲基淀粉的冻融稳定性、抗酸碱性以及抗酶解性最好。淀粉糊在冷冻过程中，淀粉分子易于形成凝胶结构，羧甲基淀粉的冻融稳定性较好。pH值对羧甲基淀粉的黏度影响较大，过酸过碱都会使黏度下降[27]。在实际中，适当调制糊液的中和度，可使产品的稳定性升高。淀粉糊在冷冻过程中，淀粉分子易于形成凝胶结构，分子定向重新排列，形成氢键，在自然解冻下，把淀粉里的水排出体系，相比于原淀粉，羧甲基淀粉的冻融稳定性较好，这是因为羧甲基基团具有较强的亲水性，虽然在凝胶束周围会有以冰晶形式存在的水分，由于羧甲基的吸附性能较强而使水分不容易析出[28]。糊化之后的淀粉溶液，放置在空气中一段时间会产生霉菌，霉菌体内有能产生消化酶的基因，能消化吸收淀粉糊分子中的α-（l,4）糖苷键，使得淀粉大分子变成小分子，淀粉糊的性质发生变化。从表4可以看出，木薯淀粉引入羧甲基后，淀粉糊的抵抗生物降解能力明显提高，这主要因为羧甲基基团对霉菌的消化有阻碍作用，α-（1,4）糖苷键得以保存，霉菌的生长受到了阻止，并且随DS的增加，阻碍霉菌生长的能力越明显[28]，这有利于羧甲基淀粉在水果保鲜、涂料、油田钻井、黏合剂等方面的应用。
采用机械活化固相化学反应法制备羧甲基木薯淀粉，开展制备工艺、产物结构表征和理化特性的研究，主要结论为利用机械活化与固相醚化反应同时进行的方式制备羧甲基木薯淀粉，有利于破坏淀粉颗粒的结晶结构，降低结晶度，醚化试剂容易渗透到淀粉颗粒内部发生反应，对反应有明显的促进作用，使常规条件下热力学上认为不可能进行的反应得以进行，可在温和条件下制备不同DS羧甲基淀粉；通过正交试验对工艺条件的优化，机械活化固相化学反应法制备羧甲基木薯淀粉的最佳工艺条件为淀粉与氯乙酸钠物质的量比1∶1、反应温度50 ℃、反应时间1.5 h、氢氧化钠质量分数18.8%、搅拌速率380 r/min、球磨介质堆体积500 mL，在此条件下制备羧甲基淀粉的DS为0.540 1；FTIR图谱显示，淀粉经醚化变性后，在1 613 cm-1和1 420 cm-1处出现了羧酸盐—COO-的特征吸收峰，说明木薯淀粉已成功接上羧基，发生了羧甲基化反应。XRD图谱分析表明，木薯淀粉在球磨机内受到挤压、剪切和醚化作用，淀粉分子结晶度下降。SEM表明，机械活化变性后的淀粉颗粒表面状态和粒度都与原淀粉有明显差别，淀粉颗粒大部分为块状结构；淀粉接入羧甲基基团后，具有了较好的理化特性，且随着DS的增加，黏度、凝沉性、溶解度、保水性、吸水性、冻融稳定性、抗酸碱性、抗酶解性能都有所提高，可以满足多方面的需要；机械活化固相化学反应法制备羧甲基淀粉，制备方法简单，经济又环保，可实现工业化生产。
参考文献：
[1] 安俊健, 李新平. 羧甲基淀粉钠(CMS)的合成与应用现状[J]. 湖南造纸, 2005(1): 27-30. DOI:10.3969/j.issn.1672-3066.2005.01.009.
[2] BROUILLET F, BATAILLE B, CARTILIER L. High-amylose sodium carboxymethyl starch matrices for oral susained drug-release:formulation aspects and in vitro drug-release evaluation[J]. Iternational Journal of Pharmaceutics, 2008, 356(1/2): 52-60. DOI:10.1016/j.ijpharm.2007.12.039.
[3] GHANSHYAM S C, SAROJ C J, MONIKA V. Post functionalization of carboxymethylated starch and acrylonitrile based networks through amidoximation for use as ion sorbents[J]. Carbohydrate Polymers,2006, 66(4): 435-443. DOI:10.1016/j.carbpol.2006.03.030.
[4] 张慧, 侯汉学, 董海洲, 等. 羧甲基淀粉制备干法工艺[J]. 食品与发酵工业, 2005, 31(1): 10-14.
[5] 范庆松, 具本植, 张淑芬, 等. 干法制备高取代度高黏度羧甲基淀粉[J].精细化工, 2005, 22(增刊1): 112-114.
[6] 王磊, 温其标. 半干法快速合成羧甲基淀粉的研究[J]. 食品科技,2006, 31(11): 165-168. DOI:10.3969/j.issn.1005-9989.2006.11.046.
[7] 陈振华, 陈鼎. 机械合金化与固液反应球磨[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005: 492.
[8] 罗永春, 毛松科, 阎汝煦, 等. 机械球磨固相化学反应制备AlH3及其放氢性能[J]. 物理化学学报, 2009, 25(2): 237-241. DOI:10.3866/PKU.WHXB20090207.
[9] 陈渊, 杨家添, 黄祖强, 等. 机械活化固相化学反应制备木薯醋酸酯淀粉[J]. 食品与发酵工业, 2013, 39(7): 135-141.
[10] 胡华宇, 黄红铭, 张燕娟, 等. 机械活化固相法制备月桂酸淀粉酯的工艺研究[J]. 江苏农业科学, 2012, 40(10): 225-227. DOI:10.3969/j.issn.1002-1302.2012.10.084.
[11] HU H Y, LI H X, ZHANG Y J, et al. Green mechanical activationassisted solid phase synthesis of cellulose esters using a co-reactant:effect of chain length of fatty acids on reaction efficiency and structure properties of products[J]. RSC Advances, 2015, 5(27): 20656-20662.DOI:10.1039/C5RA02393A.
[12] HU H Y, LIU W D, SHI J, et al. Structure and functional properties of octenyl succinic anhydride modified starch prepared by a nonconventional technology[J]. Starch-Starke, 2016, 68(1/2): 151-159.DOI:10.1002/star.201500195.
[13] 冼学权, 黄爱民, 胡华宇, 等. 机械活化固相法制备棕榈酸淀粉酯及其性能研究[J]. 广东农业科学, 2015(15): 72-76. DOI:10.3969/j.issn.1004-874X.2015.15.013.
[14] 胡华宇, 罗袁伟, 张燕娟, 等. 木薯酒糟机械活化固相醋酸酯化改性研究[J]. 江苏农业科学, 2013, 41(8): 266-268. DOI:10.3969/j.issn.1002-1302.2013.08.102.
[15] 谭义秋. 机械活化木薯淀粉羧甲基化产物的结构表征[J]. 食品科学,2010, 31(13): 74-77.
[16] 谭义秋, 赵汉民, 农克良, 等. 机械活化木薯淀粉羧甲基化产物糊性质的研究(Ⅰ)[J]. 食品科学, 2010, 31(3): 102-105.
[17] 谭义秋, 黄祖强, 农克良. 机械活化木薯淀粉羧甲基化产物糊性质的研究(Ⅱ)[J]. 食品科学, 2011, 32(15): 30-33.
[18] 谭义秋, 黄祖强, 农克良, 等. 木薯羧甲基淀粉对铜离子的吸附性能[J]. 化学研究与应用, 2010, 22(2): 171-175. DOI:10.3969/j.issn.1004-1656.2010.02.009.
[19] 谭义秋, 黄祖强. 木薯羧甲基淀粉对Cu(Ⅱ)的吸附行为和机理[J]. 精细化工, 2012, 29(1): 57-61; 90.
[20] 谭义秋, 赵汉民, 周树年, 等. 机械活化木薯淀粉干法制备羧甲基淀粉的研究[J]. 粮食与饲料工业, 2009(9): 20-23. DOI:10.3969/j.issn.1003-6202.2009.09.007.
[21] 谭义秋, 黄祖强, 农克良. 高取代度木薯羧甲基淀粉的合成及表征[J].过程工程学报, 2010, 10(1): 173-178.
[22] 张友松. 变性淀粉生产与应用手册[M]. 北京: 中国轻工业出版社,2001: 648-655.
[23] 张杨. 羧甲基玉米淀粉钠-硬脂酸淀粉酯的制备、性质及应用[D].无锡: 江南大学, 2012: 13
[24] 徐忠. 张亚丽. 马铃薯羧甲基淀粉的理化性质及结构分析研究[J].黑龙江商学院学报(自然科学版), 2000, 16(4): 7-12. DOI:10.3969/j.issn.1672-0946.2000.04.002.
[25] 冯承, 张燕萍. 滚筒法制备的交联-羧甲基木薯淀粉的性能研究[J]. 粮食与饲料工业, 2005(4): 23-25. DOI:10.3969/j.issn.1003-6202.2005.04.010.
[26] 王占忠, 刘钟栋, 陈肇锬, 等. 小麦交联淀粉的制备工艺研究[J]. 中国粮油学报, 2004, 19(1): 26-30. DOI:10.3321/j.issn:1003-0174.2004.01.008.
[27] 钟振声, 钟艳萍, 孙昂. 马铃薯交联-羧甲基淀粉的结构与性能[J].华南理工大学学报(自然科学版), 2011(3): 22-27.
[28] 毛杰. 交联-羧甲基淀粉的制备及其理化特性研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2005: 21-24.
[29] 陈渊, 韦庆敏, 杨家添, 等. 机械活化甘蔗渣制备羧甲基纤维素及性能表征[J]. 农业工程学报, 2015, 31(23): 301-302. DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.23.040.
[30] 刘亚伟, 张海俊, 田景霞, 等. 高取代度羧甲基淀粉的制备研究[J]. 粮油食品科技, 2008, 16(3): 47-48. DOI:10.3969/j.issn.1007-7561.2008.03.017.
[31] 范庆松. 干法制备高取代度羧甲基淀粉及应用性能研究[D]. 大连:大连理工大学, 2006: 27-28.
[32] WANG L F, PAN S Y, HU H, et al. Synthesis and properties of carboxymethyl kudzu root starch[J]. Carbohydrate Polymers, 2010,80(1): 174-179. DOI:10.1016/j.carbpol.2009.11.008.
[33] 陈渊, 黄祖强, 谢祖芳, 等. 机械活化醋酸酯淀粉的制备及其生物降解塑料膜性能[J]. 农业工程学报, 2011, 27(5): 298-304.DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2011.05.053.
Preparation, Structural Characterization and Properties of Carboxymethyl Cassava Starch by Mechanical Activation-Assisted Solid-State Reaction
CHEN Yuan1, YANG Jiatian1, XIE Qiuji1,2, WEI Qingmin1, SU Feijing1, LIANG Hongpian1, HUANG Zuqiang2,*
(1. Guangxi Key Laboratory of Farm Products Processing (Cultivation Base), Colleges and Universities Key Laboratory for Eff i cient Use of Agricultural Resources in the Southeast of Guangxi, College of Chemistry and Food Science, Yulin Normal University,Yulin 537000, China; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China）
Abstract:Carboxymethyl cassava starch was synthesized from cassava starch with monochloroacetate (MCA) as an etherifying agent and sodium hydroxide (NaOH) as a catalyst by mechanical activation-assisted solid-state reaction. Onefactor-at-a-time and orthogonal array design methods were used to optimize the preparation conditions for higher degree of substitution (DS). The structure of carboxymethyl cassava starch was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) and its physicochemical properties were systematically investigated. The optimal process parameters that provided maximum DS of 0.540 1 were obtained as follows: molar ratio of starch to sodium chloroacetate 1:1, reaction temperature 50 ℃, reaction time 1.5 h, sodium hydroxide concentration 18.8%, stirring speed 380 r/min, and volume of ball milling medium 500 mL. The etherification reaction of cassava starch was confirmed by FTIR, XRD and SEM. Results of the physicochemical properties showed that the solubility of carboxymethyl cassava starch and the viscosity of starch paste and were significantly increased; water-absorbing capacity,water-retaining capacity, freeze-thaw stability, and acid, alkali and enzyme resistance were also improved compared with the native starch.
Keywords:mechanical activation-assisted solid-state reaction; carboxymethyl starch; degree of substitution;characterization; physicochemical properties
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201802008
收稿日期：2016-11-28
基金项目：广西科学研究与技术开发计划项目（桂科攻1598007-1）；广西教育厅科研项目（KY2015ZD097；LX2014295）；玉林师范学院教授科研启动基金项目（G20140006）；全国大学生创新创业训练计划项目（201510606021；201610606008）
第一作者简介：陈渊（1971—），女，教授，硕士，主要从事天然高分子材料的改性应用和废水处理研究。E-mail：chenyuan197191@163.com
*通信作者简介：黄祖强（1965—），男，教授，博士，主要从事天然产物的机械活化改性及深度加工研究。E-mail：huangzq@gxu.edu.cn
中图分类号：TQ316.6；O636.12
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2018）02-0045-08
引文格式：陈渊, 杨家添, 谢秋季, 等. 木薯羧甲基淀粉的机械活化固相化学法制备、表征及其特性[J]. 食品科学, 2018, 39(2):45-52.
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201802008. http://www.spkx.net.cn
CHEN Yuan, YANG Jiatian, XIE Qiuji, et al. Preparation, structural characterization and properties of carboxymethyl cassava starch by mechanical activation-assisted solid-state reaction[J]. Food Science, 2018, 39(2): 45-52. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201802008. http://www.spkx.net.cn