通过酸水解法制备的橙肉甘薯淀粉纳米颗粒的特性研究

《Current Research in Green and Sustainable Chemistry》：Characterization of orange-fleshed sweet potato starch nanoparticles produced by acid hydrolysis

本研究以橙肉红薯淀粉为原料，利用不同浓度（5%-15%）的柠檬酸、乙酸和乳酸进行酸水解处理，制备纳米淀粉。通过扫描电镜、透射电镜、FTIR、XRD和差示扫描量热法表征纳米淀粉的物理化学性质及结构特征。结果表明，10%柠檬酸处理可获得最佳纳米淀粉回收效率（88.7%），其溶胀能力降低但溶解性显著提高，粒径分布在241-929 nm，热凝胶温度范围为65.4-89.1℃。该纳米淀粉在食品工业中具有潜在应用价值。

　　本研究探讨了通过使用常见、易得且价格合理的有机酸对橙肉甘薯（OFSP）淀粉进行化学改性，以生产具有纳米级尺寸的淀粉纳米晶体。这一过程旨在提升OFSP淀粉的使用价值，同时减少其在生产过程中可能产生的浪费，从而促进资源的可持续利用。通过使用三种不同的有机酸（醋酸、柠檬酸和乳酸）在5%至15%的浓度范围内进行酸水解处理，研究者评估了改性淀粉在多种物理和化学特性方面的表现，包括膨胀能力、粘度、溶解性、热特性、红外光谱分析以及X射线衍射（XRD）结果。研究还涉及了酸水解处理对淀粉纳米晶体产量和质量的影响，并通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对淀粉纳米晶体的形态特征进行了详细观察。此外，研究还分析了不同酸处理条件对淀粉纳米晶体的粒径分布、水吸收指数（WAI）、蛋白质含量、脂类含量、碳水化合物含量和灰分含量等指标的影响。

### 橙肉甘薯淀粉的特性

橙肉甘薯是一种广泛种植的作物，其根茎部分富含淀粉，约占其干物质的80%。淀粉是其主要的碳水化合物成分，是其在食品加工、工业制造和制药领域的重要原料。然而，天然淀粉由于其较高的粘性和较差的稳定性，在使用过程中容易出现胶凝、回生和凝胶网络破坏等问题，限制了其在某些高浓度应用中的使用。因此，对天然淀粉进行化学改性，使其形成纳米级的淀粉晶体，可以有效改善其性能，从而拓展其应用范围。

酸水解是一种常用的淀粉改性方法，通过将淀粉颗粒中的非结晶区域分解为纳米级的晶体，可以显著提高其溶解性和热稳定性，同时降低其粘度。这种处理方法不仅能够提升淀粉的物理性能，还能改善其在食品加工中的应用特性。例如，通过酸水解处理后，淀粉的膨胀能力下降，但其溶解性显著增强。这一现象在多个研究中得到了验证，表明酸水解可以破坏淀粉分子之间的氢键，从而改变其结构特性。

在本研究中，柠檬酸在10%浓度下的酸水解处理显示出较高的纳米淀粉回收率和良好的性能。与天然淀粉相比，经过柠檬酸处理的淀粉纳米晶体具有较低的膨胀能力，但较高的溶解性和较低的粘度，这使得其在形成凝胶产品方面表现出色。此外，研究还发现，酸处理能够显著提高淀粉的结晶度，从而改善其热稳定性，使其能够在更宽的温度范围内保持稳定的性能。

### 酸水解对淀粉纳米晶体性能的影响

酸水解过程中，不同的酸种类和浓度对淀粉纳米晶体的性能具有显著影响。研究结果表明，随着酸浓度的增加，淀粉纳米晶体的膨胀能力逐渐降低，而溶解性则有所提高。例如，在10%柠檬酸处理下，淀粉纳米晶体的膨胀能力为2.76±0.10 g/g，而其溶解性则达到7.69±0.40%。相比之下，乳酸和醋酸的处理效果则相对较低，其中乳酸在10%浓度下的回收率可达77.6%，而醋酸的回收率则仅为68.2%至71.7%。这表明，柠檬酸在酸水解过程中表现出更强的改性能力，尤其是在提高淀粉纳米晶体的回收率方面。

此外，酸水解还显著降低了淀粉纳米晶体的粘度。在本研究中，经过10%柠檬酸处理的淀粉纳米晶体的粘度为1861±38.9 cP，比天然淀粉的粘度（2970 cP）低了约37%。粘度的降低使得淀粉纳米晶体在高浓度下仍能保持良好的流动性，这对于食品加工和工业应用具有重要意义。同时，酸水解还改变了淀粉的热特性，使其在加热过程中表现出更宽的胶凝温度范围，从65.4°C到89.1°C，这表明酸处理后的淀粉具有更强的热稳定性。

### 淀粉纳米晶体的结构与功能特性

通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的观察，研究者发现经过酸水解处理的淀粉纳米晶体呈现出纳米级的尺寸，范围在50–100 nm之间。这表明酸水解能够有效破坏淀粉颗粒的结构，使其形成更细小的晶体。此外，通过动态光散射（DLS）技术测量，淀粉纳米晶体的平均粒径为184 nm，进一步验证了其纳米特性。

在红外光谱（FTIR）分析中，研究者观察到了多个特征峰，这些峰反映了酸处理对淀粉分子结构的影响。例如，3282.84 cm?1处的峰表明淀粉中存在糖苷键的振动，而3000–3500 cm?1之间的峰则与淀粉中的羟基有关。此外，1500–500 cm?1范围内的峰则显示了C–O键的拉伸振动，这表明酸处理过程中，淀粉分子与酸之间发生了酯化反应，形成了新的化学键。

X射线衍射（XRD）分析结果显示，经过酸处理的淀粉纳米晶体在2θ角度为10°、11°、15°、17°、18°、20°和23°处出现了特征峰。这些峰的出现表明，酸处理能够改变淀粉的结晶结构，使其更有利于工业应用。同时，XRD结果也显示，酸处理后的淀粉纳米晶体在某些方面保持了其原有的晶体结构，表明其在物理处理过程中并未完全破坏。

### 淀粉纳米晶体的应用前景

淀粉纳米晶体因其独特的物理和化学特性，在多个工业领域具有广泛的应用前景。例如，在食品工业中，淀粉纳米晶体可以作为增稠剂、稳定剂和口感改良剂，用于生产高附加值的食品产品。在制药工业中，淀粉纳米晶体可以作为药物载体，用于制备缓释药物或药物微囊。此外，由于其良好的生物降解性和环境友好性，淀粉纳米晶体还被广泛应用于塑料和包装材料的生产中。

本研究的成果表明，使用柠檬酸作为酸水解剂，在5%至15%的浓度范围内，能够有效提高淀粉纳米晶体的回收率和性能。特别是在10%柠檬酸处理下，淀粉纳米晶体表现出较高的回收效率（88.7%），较低的膨胀能力（4.68±0.18 g/g），较高的溶解性（7.69±0.40%）和较低的粘度（1861±38.9 cP），这些特性使其在多种工业应用中表现出色。因此，这一研究不仅为淀粉纳米晶体的生产提供了新的方法，也为提高OFSP淀粉的附加值和减少资源浪费提供了科学依据。

### 结论

综上所述，本研究通过使用有机酸对橙肉甘薯淀粉进行酸水解处理，成功制备了具有纳米级尺寸的淀粉纳米晶体。研究结果表明，柠檬酸在酸水解过程中表现出最佳的改性效果，能够显著提高淀粉纳米晶体的回收率和性能。酸水解处理不仅改变了淀粉的物理和化学特性，还提高了其在食品、制药和工业领域的应用价值。通过这一研究，可以为淀粉纳米晶体的规模化生产和应用提供重要的参考依据，同时也为促进OFSP淀粉的可持续利用提供了新的思路。未来，随着对淀粉纳米晶体研究的深入，其在更多领域的应用潜力将进一步被挖掘，为相关产业带来更多的经济效益和社会价值。