韦爱芬，韦莉敏，朱鸿雁，刘洋

(广西民族大学 化学化工学院 林产化学与工程国家民委重点实验室 广西林产化学与工程重点实验室 广西林产化学与工程协同创新中心，广西 南宁 530008)

羧甲基淀粉(CMS)是淀粉与氯乙酸或其钠盐在碱性条件下发生醚化反应而得，具有糊化温度低[1]、粘度高等优点，但在酸性、高温和含盐环境中稳定性较差，限制了其在某些领域中的应用[2]。对天然淀粉进行复合改性，可克服单一变性淀粉某些性能的缺陷，有利于拓宽淀粉衍生物的应用范围[3-4]。

本文以木薯淀粉为原料，一氯乙酸为醚化剂，三偏磷酸钠(STMP)为交联剂，“一步法”合成了交联羧甲基淀粉(CCMS)，采用红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对淀粉结构进行表征，探讨了交联对羧甲基淀粉性能的影响，旨在为交联羧甲基淀粉的开发应用提供参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

木薯淀粉、酒精均为工业级；一氯乙酸、乙酸、氢氧化钾、三偏磷酸钠、盐酸、乙酸、乙醇、羟基乙酸、铬变酸、浓硫酸、乙酸铵、乙二醇等均为分析纯。

DHG-9000型电热鼓风干燥箱；HH-2型恒温水浴锅；DSX-90型数显搅拌机；DV-3T流变仪；LDZ4-1.2型低速自动平衡离心机；PXWSN-265B型乌氏粘度测定仪；PHS-3C型pH计；Magna-IR550型傅里叶变换红外光谱仪；SUPRA-55-Sapphire场发射扫描电子显微镜；D8 ADVANCE型X射线衍射仪。

1.2 实验方法

1.2.1 交联羧甲基淀粉(CCMS)的制备 称取木薯淀粉250 g置于三口烧瓶中，加入酒精550 mL，水70 mL，加入淀粉绝干质量50%的氯乙酸、42%的氢氧化钠，在搅拌及回流状态下将体系加热升温至70 ℃ 并保持反应4 h，加入交联剂，继续反应2.5 h， 用乙酸调节体系pH至8～8.5，用乙醇洗去未反应的试剂，烘干，制得交联羧甲基淀粉。调整交联剂用量为淀粉绝干质量的0,0.5%,2.5%,5.0%,7.0%,9.5%，可制得不同交联程度的CCMS。交联剂用量为0即得到羧甲基淀粉(CMS，下同)。

1.2.2 沉降积的测定[2]准确称取1.0 g淀粉样品(以干基计)于100 mL烧杯中，加入50 mL蒸馏水制成质量分数为2%的淀粉乳，放入82～85 ℃水浴中保温2 min，取出，自然冷却至室温后倒入10 mL 刻度离心管中，在4 000 r/min转速下离心2 min， 取出离心管，将上层清液移入量筒中，读取上清液的体积。按式(1)计算沉降积。

VC=10-V

(1)

式中V——上清液的体积，mL；

VC——沉降积，mL。

1.2.3 黏度测定 称取10 g淀粉样品(以干基计)，加入10 mL工业酒精湿润样品，加入去离子水将其配成质量分数为2%的淀粉乳，糊化并冷却至室温(25 ℃)后，用流变仪(固定4号转子，转速60 r/min) 测其黏度。

1.2.4 抗酸碱性测定 按1.2.3节方法。用盐酸或氢氧化钠溶液调节淀粉糊液pH分别为3，4，5，6，7，9，11，12，测定其黏度，按式(2)计算抗酸碱稳定性(%)。

(2)

1.2.5 耐温性能的测定 按1.2.3节方法。分别测定淀粉糊液在10，20，30，40，50，60 ℃时的黏度，按式(3)计算耐温稳定性(%)。

(3)

1.2.6 抗剪切性能的测定 按1.2.3节方法。分别在转速为60，80，100，120，140，160，180，200 r/min时测定淀粉糊液的黏度，按式(4)计算抗剪切稳定性(%)。

(4)

1.2.7 特性粘度及分子量的测定[2，5-7]准确称取0.4 g淀粉样品(以干基计)于烧杯中，然后加入1 mL 工业酒精，60 mL 0.15 mol/L KOH溶液，沸水浴中加热轻微搅拌10 min，冷却后转移至100 mL容量瓶中定容。用移液管移取10 mL淀粉溶液于乌氏黏度计中，在25 ℃条件下测定溶液流出时间，重复操作3次，取平均值，则淀粉溶液初始浓度c1的流出时间为t1。分4次逐次加入5 mL 0.15 mol/L KOH，使黏度计中淀粉溶液的浓度分别为2/3c1，1/2c1，2/5c1，1/3c1，分别测定流出时间t2，t3，t4，t5。用0.15 mol/L KOH按上述步骤测定纯溶剂流出时间t0。按式(5)计算样品的相对黏度，按式(6)计算样品的增比黏度。

(5)

(6)

式中ηr——淀粉溶液的相对黏度；

ηsp——淀粉溶液的增比黏度；

tn——淀粉溶液的流经时间，s；

t0——KOH溶液的流经时间，s。

以cr(各点的实际浓度与初始浓度c1的比值) 为横坐标，分别以ηsp/cr和lnηr/cr为纵坐标作图。通过两组点各作直线，外推至cr=0，求得截距H，按式(7)计算特性黏度[η]，按式(8)计算黏均分子量。

(7)

(8)

式中M——黏均分子量；

K——比例常数，其值为8.36×10-3；

∂——与分子形状有关的经验常数，其值为0.77。

1.2.8 红外光谱表征 采用KBr压片法，用傅里叶变换红外光谱仪测定样品的红外光谱图，扫描波长范围500～4 000 cm-1。

1.2.9 X射线衍射表征分析[2，7-9]将干燥的淀粉样品平铺在载玻片上，选择波长为0.154 1 nm的Cu-Kα 射线，角度范围5～60 °，扫描速度10(°)/min，步长0.02 °，用X射线衍射仪进行测试，得到淀粉样品的X射线衍射图谱，利用MDI Jade 6.5软件计算淀粉的结晶度。

1.2.10 扫描电镜表征 取适量干燥的淀粉样品，均匀涂抹在粘有双面导电胶的铜片上，经过喷铂处理后在扫描电镜仪器上进行观察和拍摄。

2 结果与讨论

2.1 交联剂用量对溶胀性能的影响

淀粉沉降积越小，则说明淀粉溶胀程度越低、交联度越高。按1.2.1节方法，改变三偏磷酸钠用量分别为0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，制得不同交联程度的CCMS，测得其沉降积结果见图1。

由图1可知，随着三偏磷酸钠用量增加，沉降积逐渐降低，表明淀粉吸水膨胀性能逐渐降低、交联度逐渐增大。这是因为随着三偏磷酸钠用量的增加，三偏磷酸钠与淀粉活性中心之间发生碰撞的几率增大[10]，交联反应几率增大，引入淀粉分子间的交联化学键增多，交联键密度增大，淀粉颗粒结构紧密，吸水膨胀程度降低，溶胀性低，因而沉降积降低。

2.2 交联剂用量对黏度的影响

按1.2.1节方法，改变三偏磷酸钠用量分别为0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，研究其用量对CCMS黏度的影响，按1.2.3节测定黏度结果见图2。

由图2可知，适度交联能显著提高淀粉的黏度，当STMP用量为2.5%时，黏度达到最高，3 187 mPa·s, 继续增大STMP用量，黏度逐渐降低。这是因为交联酯键的引入使淀粉分子形成新的网状结构，分子链长度增加，糊化过程中的空间位阻增加，淀粉分子运动受限，淀粉黏度增大；当交联剂用量过高时，大量交联酯键的引入使得淀粉分子之间建立起非常紧密的化学架桥，颗粒结构强度过大，水分子在淀粉颗粒内部渗透受阻，抑制了淀粉颗粒膨胀糊化，因而黏度有所降低。

2.3 交联剂用量抗酸碱性能的影响

淀粉糊的抗酸碱能力是淀粉理化特性的一个重要指标,直接影响到淀粉应用性能的好坏。按1.2.1节方法，改变三偏磷酸钠用量分别为0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，研究其对淀粉糊液抗酸碱性能的影响，结果见图3。

由图3可知，随着pH增大，淀粉糊液的黏度先增大后减小，当pH为5时，CMS(STMP为0，下同)、CCMS糊液的黏度均出现最大值，CCMS整体黏度较CMS高，其中，STMP用量为2.5%时淀粉黏度最高。pH在5～7范围内，CCMS的黏度变化较平缓，pH为5时，由式(2)计算得到各STMP用量的淀粉糊液稳定性依次分别为131.6%，110.4%，103.3%，101.8%，110.9%，111.7%；pH在3～5范围内，随着酸性增强，淀粉黏度不断降低，pH为3时，由式(2)计算得到各STMP用量的淀粉糊液稳定性依次分别为46.9%，56.0%，68.1%，69.2%，68.2%，67.4%，STMP用量为5.0%的淀粉糊液稳定性最高；pH在7～12范围内，CMS、CCMS糊液黏度均随STMP用量增加而下降，pH为12时，由式(2)计算得到各STMP用量的淀粉糊液稳定性依次分别为59.5%，78.7%，76.8%，58.9%，57.3%，55.9%，STMP用量为0.5%的淀粉糊液稳定性最高。由此可见，CMS糊液对酸作用稳定性较低，对碱作用稳定性较高，STMP交联提高了淀粉糊液的抗酸性能，低程度STMP交联提高了淀粉糊液的抗碱性能，弱酸性条件下的CCMS糊液黏度及黏度稳定性都高。这是因为CMS在强酸条件下易发生水解，淀粉分子结构中的葡萄糖苷键易降解、断裂，氢键强度减弱，直链分子易于重排凝沉，从而导致淀粉糊液变稀，粘度降低，耐酸稳定性低，而CCMS分子中的交联酯键使其具有较强的空间位阻，阻碍了氢离子对分子内糖苷键的进攻[11]，因而CCMS糊液抗酸稳定性较高；STMP交联淀粉形成的交联键是无机酯键，对碱作用的稳定性较低[2，12]，低程度STMP交联能提高淀粉糊液的抗碱性能，这是淀粉分子中羧甲基基团和交联酯键协同作用的结果，具有恰当的羧甲基基团和交联键之比的交联羧甲基淀粉才体现出优良的抗碱性能。因此，本实验STMP用量为2.5%的淀粉糊液黏度最高且抗酸抗碱性能最优，可大大拓宽淀粉产品的应用范围。

2.4 交联剂用量对耐温性能的影响

按1.2.1节方法，改变三偏磷酸钠用量分别为0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，研究其用量对CCMS耐温性能的影响。STMP用量、温度与CCMS糊液黏度之间的关系见图4。

由图4可知，在实验温度范围内，STMP用量为2.5%时CCMS糊液黏度最高；随着温度的升高，CCMS糊液黏度逐渐降低，随着STMP用量的增加，这种黏度随温度升高而下降的幅度逐渐减小，表明淀粉耐温性能逐渐提高，根据式(3)计算结果，STMP用量为9.5%时CCMS糊液耐温稳定性为61.1%，远高于CMS的37.0%。这是因为淀粉颗粒中淀粉分子间由氢键结合成颗粒结构，受热时，随着水分子渗入到淀粉颗粒内部，氢键强度减弱，颗粒破裂，直链淀粉由螺旋线形分子伸展成直线形，支链淀粉呈松散的网状结构，使淀粉粘度下降，而交联改性使淀粉分子间形成共价键，交联共价键的强度远高于氢键，分子缠绕更加紧密，抑制了淀粉颗粒的膨胀、破裂和黏度下降[13]，随着交联剂用量增大，淀粉交联度的提高，这种抑制作用越大，因而使淀粉糊液的耐温性能提高。

2.5 交联剂用量对抗剪切性能的影响

按1.2.1节方法，改变三偏磷酸钠用量分别为0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，研究其对淀粉糊液抗剪切性能的影响。STMP用量、剪切速率与淀粉糊液黏度之间的关系见图5。

由图5可知，淀粉黏度随剪切速率的增大而减小，呈现“剪切稀化”特性，这是因为淀粉凝胶体系中分子间或分子内的作用力在较高的剪切速率下更容易被破坏[14]。由式(4)计算各STMP添加量的淀粉糊液抗剪切稳定性依次分别为44.5%，45.3%，50.4%，49.0%，48.0%，47.4%，可见，三偏磷酸钠交联有效改善了淀粉糊的抗剪切能力，STMP用量为2.5%时抗剪切性能最佳。这是因为三偏磷酸钠交联改性在淀粉分子间引入了新的化学键，CCMS分子间以酯键共价键形成了网状结构，分子间缠结点增多，氢键作用得到增强，分子不易定向排列，淀粉糊液对机械搅拌产生的剪切力敏感性降低，黏度较为稳定。

2.6 交联剂用量对特性黏度及分子量的影响

淀粉的特性黏度定义为淀粉溶液浓度趋于零时的比浓粘度，即表示单个淀粉分子对溶液黏度的贡献。按1.2.1节方法，改变三偏磷酸钠用量分别为0，0.5%，2.5%，5.0%，7.0%，9.5%，按1.2.7节方法测定淀粉的特性黏度和分子量，结果见图6。

由图6可知，淀粉的特性黏度和分子量均随STMP用量增加而逐渐增大，当STMP用量为9.5%时，特性黏度达到1 310.42 mL/g，分子量达到2.05×105。这是因为淀粉的醇羟基与三偏磷酸钠的官能团形成二酯键，淀粉分子间“架桥”形成多维空间网状结构，淀粉分子量增大。交联化学键的形成，增强淀粉颗粒结构的氢键，淀粉颗粒结构紧密程度得到加强，淀粉分子对溶液黏度的贡献增大，因而特性黏度增大。

2.7 红外光谱分析

图7为木薯淀粉、CMS和STMP为9.5%的CCMS的红外光谱图。

由图7可知，在3 200～3 600 cm-1区间存在一个宽而强的峰，这是典型的木薯淀粉的—OH吸收峰；CMS在1 606.20 cm-1处出现了较强的—COO—反对称伸缩振动吸收峰，在1 422.53 cm-1出现了较强的—COO—对称伸缩振动吸收峰，说明淀粉分子上接入了羧甲基基团，与原淀粉相比，在3 200～3 600 cm-1处的—OH伸缩振动强度减弱，说明羟基位置发生了取代；CCMS在1 004.16 cm-1附近吸收峰强度增加是因为葡萄糖单元上引入了P—O—C基团，由此说明淀粉与STMP发生了交联反应,在淀粉中引入了磷酸根基团,与CMS相比较，其它基团的特征吸收峰并没有明显的变化,说明交联反应并未破坏淀粉的基本化学结构,只是在CMS分子链上增加了新的基团[15]。

2.8 X射线衍射分析

淀粉结晶度是表征淀粉颗粒结晶性质的一个重要参数，其大小直接影响淀粉的理化性能和应用性能。木薯淀粉、CMS和STMP为9.5%的CCMS的X射线衍射图谱见图8。

由图8可知，木薯淀粉在15.3，17.3，18.3，23.5 °处出现了强的特征衍射峰，这是典型的A型结晶结构[2]。淀粉经羧甲基化和交联改性后在15.3，17.3，18.3，23.5 °处的尖峰衍射特征逐渐减弱，且在27.5，31.8，45.6，56.6 °处出现新的特征衍射峰；与CMS相比，CCMS在15.3 °处的衍射峰减弱，在31.8，45.6，56.6 °处的衍射峰明显增强，在13.3，26.1 °处出现了新的衍射峰，这说明CCMS形成了新的结晶区[16]。利用MDI Jade 6.5软件计算得到木薯淀粉、CMS和CCMS的结晶度分别为39.6%，22.5%，26.6%。这是因为淀粉经羧甲基化后糖残基上的羟基被羧甲基基团取代，破坏了淀粉链之间氢键的连接，使淀粉结晶区域紧密度降低，因而CMS结晶度下降，而STMP的官能团以架桥的形式将CMS分子连接形成了网络空间结构，增大了分子间的作用力，减弱了羧甲基化对淀粉颗粒的破坏，无序化程度降低，因而CCMS的结晶度较CMS有所提高。

2.9 扫描电子显微镜分析

采用扫描电子显微镜在1 000倍下对木薯淀粉(图a)、CMS(图b)及STMP为7.0%(图c)、9.5%(图d)的CCMS进行颗粒形貌的观察，结果见图9。

由图9可知，木薯淀粉颗粒表面平整光滑，结构致密；CMS颗粒表面出现凹槽、裂纹和小凸起，表面粗糙，结构脆弱，有颗粒脱落的趋势；CCMS颗粒表面有轻微的凹陷和小凸起，小颗粒附着大颗粒，随着STMP用量增大，淀粉表面颗粒出现裂痕，附着、聚集及层状结构愈加明显。这说明淀粉交联羧甲基化反应不仅发生在淀粉颗粒表面,也发生在淀粉颗粒内部。

3 结论

(1)与羧甲基淀粉相比，交联羧甲基淀粉的溶胀性能降低，黏度、抗酸碱性能、耐温性能及抗剪切性能提高。

(2)FTIR证实了淀粉分子结构上引入了羧甲基基团和磷酸酯基团；XRD结果表明，交联减弱了羧甲基化对淀粉颗粒的破坏，降低了淀粉颗粒结构的无序化程度，交联羧甲基淀粉的结晶度略高于羧甲基淀粉；SEM证实了交联羧甲基化反应不仅发生在淀粉颗粒表面,也发生在淀粉颗粒内部。

(3)经三偏磷酸钠适度交联的羧甲基淀粉具有更优越的综合性能，可在食品、日用化工、化妆品等领域推广应用。