上海保圣快速黏度分析仪助力中国农业大学吴敏副教授团队发表文章

1研究背景

作为一种常见的生物大分子，淀粉在食品、医药、化工等领域得到广泛应用。为了满足不同加工质地的要求，开发性能可控和可调节的功能性淀粉基凝胶制品具有重要意义。为了满足这些要求，人们采用化学、物理和酶法等不同方法对淀粉进行增稠，以及改变其凝胶特性。在这些方法中，绿色交联改性法由于具有良好的安全性、反应过程简单、反应条件可控性高和成本低等优点而备受关注。其中，柠檬酸（CA）作为一种交联剂，具有优异的交联能力，以及良好的安全性和食用性，在食品行业展现出很好的应用潜力。

然而，柠檬酸交联的温度需要较高，从而限制了其应用。为此，人们尝试在低温下制备柠檬酸交联改性的淀粉凝胶，但是所得凝胶的交联性能不佳，无法满足应用需求。一些研究发现，柠檬酸分子上的三个羧基可以与淀粉链上的游离羟基发生酯化反应，从而将相邻淀粉分子的长链连接起来，从而增强淀粉分子长链之间的交联作用，最终改善淀粉凝胶的性能。然而，低温水相反应环境降低了羧基与羟基之间的碰撞反应可能性，使得淀粉颗粒的紧密排列结构无法被迅速破坏，淀粉链上的羟基得不到充分暴露，导致交联反应差。最近的研究表明，带电阳离子能够通过静电相互作用减小淀粉分子链与交联分子之间的反应距离，从而增大反应机率。

中国农业大学吴敏副教授团队在《International Journal of Biological Macromolecules》期刊（IF=8.5）上发表了“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。该研究提出了一种基于柠檬酸和Ca²⁺协同交联的一步挤出法，用于调控淀粉凝胶的性能。研究表明，通过这种协同交联反应，可以在低温下（90°C）制备高凝胶性能高的交联淀粉。文章对于交联淀粉的线性和非线性流变性质进行了全面表征，并定量研究了协同交联反应对淀粉凝胶性能的增强效应。结果显示，引入协同交联作用的淀粉凝胶的弹性模量（SC-0.5Ca2+，G' = 3116 ± 36）比没有协同交联改性的淀粉凝胶（SC，G' = 318 ± 9）增加了879%；同时，可以通过改变离子浓度来调节淀粉凝胶的弹性模量。非线性流变学Lissajous曲线分析结果显示，协同交联凝胶体系具有更强的抗变形能力。此外，通过扫描电子显微镜对协同交联凝胶的蜂窝状多孔结构和较小孔径分布进行了表征。XPS、FTIR和XRD结果表明，协同交联增强效应可能涉及静电吸引力、氢键和酯键等多种分子力。该研究提供了一种有效的策略，用于工业规模制备可调性能的食品级交联淀粉凝胶。  

2实验方法

2.1交联改性淀粉的制备

交联剂首先要溶解在水中，以确保在后续挤出过程中与淀粉均匀混合。通过调节挤出过程中的水进料速率来调整样品中交联剂的浓度。为了研究单一交联剂体系和复合交联剂体系之间的差异，设置了多种交联剂溶液，包括柠檬酸溶液、柠檬酸钙溶液和不同浓度比例的柠檬酸/柠檬酸钙溶液。具体的溶液制备过程如下：将15 g柠檬酸溶解在1 L去离子水中，并搅拌至溶解。使用无水碳酸钠调节pH至6.5，制备溶液A。将1.63 g柠檬酸钙溶解在1升去离子水中，超声搅拌至溶解。调节pH至6.5，得到溶液B。采用类似的方法制备柠檬酸-柠檬酸钙混合溶液C，其摩尔比为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比为40:1、模孔直径为5 mm的双螺杆挤压机对改性淀粉样品进行加工。将挤出机筒温设置为60 80 90 90 80 °C，水进料速率设置为41.52 mL/min，进料速率设置为11.03 g/min。在挤出样品质量稳定后收集样品，并制备控制淀粉组（S）。清洁水箱后，将溶液A倒入水箱，保持其他挤出机参数恒定，制备CA交联改性淀粉凝胶样品（SC）。类似地，清洁水箱后，将溶液B倒入水箱，制备样品S-0.5Ca²⁺。同样，在清洁水箱后，注入溶液C，制备不同比例的协同交联淀粉凝胶样品，命名为SC-0.01Ca²⁺、SC-0.1Ca²⁺、SC-0.5Ca²⁺和SC-1Ca²⁺。将样品真空包装存放在4°C下。每个样本组的交联剂体系比例如表1所示。样品的交联方案和制备过如图1所示。

表1每个样本组的交联系统组成比例

图 1.变性淀粉的交联方案（a）和制备工艺（b）

2.2交联程度的测定

使用快速粘度分析仪（RVA，Rapid-15，上海保圣）计算相对交联。交联淀粉的水分散体（100 g/kg⁻¹，总重量30g）以20°C/min的升温速率从50°C加热到90°C，保持5分钟，以相同的速率冷却至50°C，然后在50°C下再次保持2分钟。每个样品一式三份进行分析。交联的相对度（Lc）使用以下公式计算：

其中A和B分别是未改性和交联淀粉的峰值粘度。

3实验结果

柠檬酸-淀粉的酯化改性程度通过柠檬酸-淀粉二酯键的浓度来定量化，结果如表3所示。样品S和S-0.5Ca²⁺没有柠檬酸提供羧基参与酯化交联反应，因此测得的二酯化度（DDE）值均为0。添加柠檬酸的样品SC的DDE值为0.011 ± 0.001，这表明柠檬酸与淀粉之间发生了反应并产生了二酯键。值得注意的是，样品的DDE值随着钙离子的添加显著增加。其中，SC-0.5Ca²⁺具有最大的DDE值为0.046 ± 0.003，表明该样品的酯化改性最高。因此，可以得出结论，阳离子的添加可以有效增强淀粉和柠檬酸的酯化改性程度。

图4显示了改性前后样品在二甲基亚砜（DMSO）中的溶胀情况。天然淀粉和未进行交联改性的S样品在DMSO溶液中迅速溶解，并在48小时后溶解。而改性的SC和SC-0.5Ca²⁺在48小时内仍保持形状并且不溶解于DMSO中。这表明SC和SC-0.5Ca²⁺经历了交联反应，不同淀粉长链之间的交联键抑制了淀粉在DMSO中的溶解。样品的相对交联程度（Lc）通过粘度法进一步确定，结果如表3所示。结果显示，与无钙离子的SC（6.3 ± 0.3%）相比，添加钙离子的SC-0.5Ca²⁺（17.5 ± 0.8%）的相对交联程度显著增强。

表3 在交联改性前后，淀粉凝胶的关键应变（γ_c）、关键应变下的储存模量（G_cr）、内聚能密度（E_c）和双酯化程度（DDE）如下所示：

结果以标准差±的平均值表示 （n = 3）.A-G小写字母表示样本之间存在显著差异（P<0.05）

图4 交联修饰前后DMSO中样品的溶胀特性。