1研究背景

作為一種常見的生物大分子，淀粉在食品、醫(yī)藥、化工等領域得到廣泛應用。為了滿足不同加工質地的要求，開發(fā)性能可控和可調節(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、物理和酶法等不同方法對淀粉進行增稠，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、反應過程簡單、反應條件可控性高和成本低等優(yōu)點而備受關注。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，無法滿足應用需求。一些研究發(fā)現(xiàn)，檸檬酸分子上的三個羧基可以與淀粉鏈上的游離羥基發(fā)生酯化反應，從而將相鄰淀粉分子的長鏈連接起來，從而增強淀粉分子長鏈之間的交聯(lián)作用，最終改善淀粉凝膠的性能。然而，低溫水相反應環(huán)境降低了羧基與羥基之間的碰撞反應可能性，使得淀粉顆粒的緊密排列結構無法被迅速破壞，淀粉鏈上的羥基得不到充分暴露，導致交聯(lián)反應差。最近的研究表明，帶電陽離子能夠通過靜電相互作用減小淀粉分子鏈與交聯(lián)分子之間的反應距離，從而增大反應機率。

中國農(nóng)業(yè)大學吳敏副教授團隊在《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，用于調控淀粉凝膠的性能。研究表明，通過這種協(xié)同交聯(lián)反應，可以在低溫下（90°C）制備高凝膠性能高的交聯(lián)淀粉。文章對于交聯(lián)淀粉的線性和非線性流變性質進行了全面表征，并定量研究了協(xié)同交聯(lián)反應對淀粉凝膠性能的增強效應。結果顯示，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）比沒有協(xié)同交聯(lián)改性的淀粉凝膠（SC，G' = 318 ± 9）增加了879%；同時，可以通過改變離子濃度來調節(jié)淀粉凝膠的彈性模量。非線性流變學Lissajous曲線分析結果顯示，協(xié)同交聯(lián)凝膠體系具有更強的抗變形能力。此外，通過掃描電子顯微鏡對協(xié)同交聯(lián)凝膠的蜂窩狀多孔結構和較小孔徑分布進行了表征。XPS、FTIR和XRD結果表明，協(xié)同交聯(lián)增強效應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)模制備可調性能的食品級交聯(lián)淀粉凝膠。  

2實驗方法

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)擠出過程中與淀粉均勻混合。通過調節(jié)擠出過程中的水進料速率來調整樣品中交聯(lián)劑的濃度。為了研究單一交聯(lián)劑體系和復合交聯(lián)劑體系之間的差異，設置了多種交聯(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。使用無水碳酸鈉調節(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。調節(jié)pH至6.5，得到溶液B。采用類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的雙螺桿擠壓機對改性淀粉樣品進行加工。將擠出機筒溫設置為60 80 90 90 80 °C，水進料速率設置為41.52 mL/min，進料速率設置為11.03 g/min。在擠出樣品質量穩(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，保持其他擠出機參數(shù)恒定，制備CA交聯(lián)改性淀粉凝膠樣品（SC）。類似地，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)方案和制備過如圖1所示。

表1每個樣本組的交聯(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)程度的測定

使用快速粘度分析儀（RVA，Rapid-15，上海保圣）計算相對交聯(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。每個樣品一式三份進行分析。交聯(lián)的相對度（Lc）使用以下公式計算：

其中A和B分別是未改性和交聯(lián)淀粉的峰值粘度。

3實驗結果

檸檬酸-淀粉的酯化改性程度通過檸檬酸-淀粉二酯鍵的濃度來定量化，結果如表3所示。樣品S和S-0.5Ca²⁺沒有檸檬酸提供羧基參與酯化交聯(lián)反應，因此測得的二酯化度（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，可以得出結論，陽離子的添加可以有效增強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。天然淀粉和未進行交聯(lián)改性的S樣品在DMSO溶液中迅速溶解，并在48小時后溶解。而改性的SC和SC-0.5Ca²⁺在48小時內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，不同淀粉長鏈之間的交聯(lián)鍵抑制了淀粉在DMSO中的溶解。樣品的相對交聯(lián)程度（Lc）通過粘度法進一步確定，結果如表3所示。結果顯示，與無鈣離子的SC（6.3 ± 0.3%）相比，添加鈣離子的SC-0.5Ca²⁺（17.5 ± 0.8%）的相對交聯(lián)程度顯著增強。

表3 在交聯(lián)改性前后，淀粉凝膠的關鍵應變（γ_c）、關鍵應變下的儲存模量（G_cr）、內聚能密度（E_c）和雙酯化程度（DDE）如下所示：

結果以標準差±的平均值表示 （n = 3）.A-G小寫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。