1研究背景

作為一種常見(jiàn)的生物大分子，淀粉在食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了滿足不同加工質(zhì)地的要求，開(kāi)發(fā)性能可控和可調(diào)節(jié)的功能性淀粉基凝膠制品具有重要意義。為了滿足這些要求，人們采用化學(xué)、物理和酶法等不同方法對(duì)淀粉進(jìn)行增稠，以及改變其凝膠特性。在這些方法中，綠色交聯(lián)改性法由于具有良好的安全性、反應(yīng)過(guò)程簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件可控性高和成本低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。其中，檸檬酸（CA）作為一種交聯(lián)劑，具有優(yōu)異的交聯(lián)能力，以及良好的安全性和食用性，在食品行業(yè)展現(xiàn)出很好的應(yīng)用潛力。

然而，檸檬酸交聯(lián)的溫度需要較高，從而限制了其應(yīng)用。為此，人們嘗試在低溫下制備檸檬酸交聯(lián)改性的淀粉凝膠，但是所得凝膠的交聯(lián)性能不佳，無(wú)法滿足應(yīng)用需求。一些研究發(fā)現(xiàn)，檸檬酸分子上的三個(gè)羧基可以與淀粉鏈上的游離羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，從而將相鄰淀粉分子的長(zhǎng)鏈連接起來(lái)，從而增強(qiáng)淀粉分子長(zhǎng)鏈之間的交聯(lián)作用，最終改善淀粉凝膠的性能。然而，低溫水相反應(yīng)環(huán)境降低了羧基與羥基之間的碰撞反應(yīng)可能性，使得淀粉顆粒的緊密排列結(jié)構(gòu)無(wú)法被迅速破壞，淀粉鏈上的羥基得不到充分暴露，導(dǎo)致交聯(lián)反應(yīng)差。最近的研究表明，帶電陽(yáng)離子能夠通過(guò)靜電相互作用減小淀粉分子鏈與交聯(lián)分子之間的反應(yīng)距離，從而增大反應(yīng)機(jī)率。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳敏副教授團(tuán)隊(duì)在《International Journal of Biological Macromolecules》期刊（IF=8.5）上發(fā)表了“Modulation of the properties of starch gels by a one-step extrusion

modification method based on Ca²⁺-citric acid synergistic crosslinking"的文章（DOI：10.1016/j.ijbiomac.2023.128607。該研究提出了一種基于檸檬酸和Ca²⁺協(xié)同交聯(lián)的一步擠出法，用于調(diào)控淀粉凝膠的性能。研究表明，通過(guò)這種協(xié)同交聯(lián)反應(yīng)，可以在低溫下（90°C）制備高凝膠性能高的交聯(lián)淀粉。文章對(duì)于交聯(lián)淀粉的線性和非線性流變性質(zhì)進(jìn)行了全面表征，并定量研究了協(xié)同交聯(lián)反應(yīng)對(duì)淀粉凝膠性能的增強(qiáng)效應(yīng)。結(jié)果顯示，引入協(xié)同交聯(lián)作用的淀粉凝膠的彈性模量（SC-0.5Ca2+，G' = 3116 ± 36）比沒(méi)有協(xié)同交聯(lián)改性的淀粉凝膠（SC，G' = 318 ± 9）增加了879%；同時(shí)，可以通過(guò)改變離子濃度來(lái)調(diào)節(jié)淀粉凝膠的彈性模量。非線性流變學(xué)Lissajous曲線分析結(jié)果顯示，協(xié)同交聯(lián)凝膠體系具有更強(qiáng)的抗變形能力。此外，通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)協(xié)同交聯(lián)凝膠的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)和較小孔徑分布進(jìn)行了表征。XPS、FTIR和XRD結(jié)果表明，協(xié)同交聯(lián)增強(qiáng)效應(yīng)可能涉及靜電吸引力、氫鍵和酯鍵等多種分子力。該研究提供了一種有效的策略，用于工業(yè)規(guī)模制備可調(diào)性能的食品級(jí)交聯(lián)淀粉凝膠。  

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1交聯(lián)改性淀粉的制備

交聯(lián)劑首先要溶解在水中，以確保在后續(xù)擠出過(guò)程中與淀粉均勻混合。通過(guò)調(diào)節(jié)擠出過(guò)程中的水進(jìn)料速率來(lái)調(diào)整樣品中交聯(lián)劑的濃度。為了研究單一交聯(lián)劑體系和復(fù)合交聯(lián)劑體系之間的差異，設(shè)置了多種交聯(lián)劑溶液，包括檸檬酸溶液、檸檬酸鈣溶液和不同濃度比例的檸檬酸/檸檬酸鈣溶液。具體的溶液制備過(guò)程如下：將15 g檸檬酸溶解在1 L去離子水中，并攪拌至溶解。使用無(wú)水碳酸鈉調(diào)節(jié)pH至6.5，制備溶液A。將1.63 g檸檬酸鈣溶解在1升去離子水中，超聲攪拌至溶解。調(diào)節(jié)pH至6.5，得到溶液B。采用類(lèi)似的方法制備檸檬酸-檸檬酸鈣混合溶液C，其摩爾比為1:0.01（C-0.01Ca²⁺）、1:0.1（C-0.1Ca²⁺）、1:0.5（C-0.5Ca²⁺）和1:1（C-1Ca²⁺）。

采用L/D比為40:1、模孔直徑為5 mm的雙螺桿擠壓機(jī)對(duì)改性淀粉樣品進(jìn)行加工。將擠出機(jī)筒溫設(shè)置為60 80 90 90 80 °C，水進(jìn)料速率設(shè)置為41.52 mL/min，進(jìn)料速率設(shè)置為11.03 g/min。在擠出樣品質(zhì)量穩(wěn)定后收集樣品，并制備控制淀粉組（S）。清潔水箱后，將溶液A倒入水箱，保持其他擠出機(jī)參數(shù)恒定，制備CA交聯(lián)改性淀粉凝膠樣品（SC）。類(lèi)似地，清潔水箱后，將溶液B倒入水箱，制備樣品S-0.5Ca²⁺。同樣，在清潔水箱后，注入溶液C，制備不同比例的協(xié)同交聯(lián)淀粉凝膠樣品，命名為SC-0.01Ca²⁺、SC-0.1Ca²⁺、SC-0.5Ca²⁺和SC-1Ca²⁺。將樣品真空包裝存放在4°C下。每個(gè)樣本組的交聯(lián)劑體系比例如表1所示。樣品的交聯(lián)方案和制備過(guò)如圖1所示。

表1每個(gè)樣本組的交聯(lián)系統(tǒng)組成比例

圖 1.變性淀粉的交聯(lián)方案（a）和制備工藝（b）

2.2交聯(lián)程度的測(cè)定

使用快速粘度分析儀（RVA，Rapid-15，上海保圣）計(jì)算相對(duì)交聯(lián)。交聯(lián)淀粉的水分散體（100 g/kg^?1，總重量30g）以20°C/min的升溫速率從50°C加熱到90°C，保持5分鐘，以相同的速率冷卻至50°C，然后在50°C下再次保持2分鐘。每個(gè)樣品一式三份進(jìn)行分析。交聯(lián)的相對(duì)度（Lc）使用以下公式計(jì)算：

其中A和B分別是未改性和交聯(lián)淀粉的峰值粘度。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

檸檬酸-淀粉的酯化改性程度通過(guò)檸檬酸-淀粉二酯鍵的濃度來(lái)定量化，結(jié)果如表3所示。樣品S和S-0.5Ca²⁺沒(méi)有檸檬酸提供羧基參與酯化交聯(lián)反應(yīng)，因此測(cè)得的二酯化度（DDE）值均為0。添加檸檬酸的樣品SC的DDE值為0.011 ± 0.001，這表明檸檬酸與淀粉之間發(fā)生了反應(yīng)并產(chǎn)生了二酯鍵。值得注意的是，樣品的DDE值隨著鈣離子的添加顯著增加。其中，SC-0.5Ca²⁺具有最大的DDE值為0.046 ± 0.003，表明該樣品的酯化改性最高。因此，可以得出結(jié)論，陽(yáng)離子的添加可以有效增強(qiáng)淀粉和檸檬酸的酯化改性程度。

圖4顯示了改性前后樣品在二甲基亞砜（DMSO）中的溶脹情況。天然淀粉和未進(jìn)行交聯(lián)改性的S樣品在DMSO溶液中迅速溶解，并在48小時(shí)后溶解。而改性的SC和SC-0.5Ca²⁺在48小時(shí)內(nèi)仍保持形狀并且不溶解于DMSO中。這表明SC和SC-0.5Ca²⁺經(jīng)歷了交聯(lián)反應(yīng)，不同淀粉長(zhǎng)鏈之間的交聯(lián)鍵抑制了淀粉在DMSO中的溶解。樣品的相對(duì)交聯(lián)程度（Lc）通過(guò)粘度法進(jìn)一步確定，結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，與無(wú)鈣離子的SC（6.3 ± 0.3%）相比，添加鈣離子的SC-0.5Ca²⁺（17.5 ± 0.8%）的相對(duì)交聯(lián)程度顯著增強(qiáng)。

表3 在交聯(lián)改性前后，淀粉凝膠的關(guān)鍵應(yīng)變（γ_c）、關(guān)鍵應(yīng)變下的儲(chǔ)存模量（G_cr）、內(nèi)聚能密度（E_c）和雙酯化程度（DDE）如下所示：

結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)差±的平均值表示 （n = 3）.A-G小寫(xiě)字母表示樣本之間存在顯著差異（P<0.05）

圖4 交聯(lián)修飾前后DMSO中樣品的溶脹特性。