1研究背景

作為一種常見的生物大分子，淀粉在食品、醫藥、化工等領域得到廣泛應用。為了滿足不同加工質地的要求，開發性能可控和可調節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點而備受關注。其中，檸檬酸（CA）作為一種交聯劑，具有優異的交聯能力，以及良好的安全性和食用性，在食品行業展現出很好的應用潛力。

然而，檸檬酸交聯的溫度需要較高，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改性的淀粉凝膠，但是所得凝膠的交聯性能不佳，無法滿足應用需求。一些研究發現，檸檬酸分子上的三個羧基可以與淀粉鏈上的游離羥基發生酯化反應，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作用，最終改善淀粉凝膠的性能。然而，低溫水相反應環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分子之間的反應距離，從而增大反應機率。

中國農業大學吳敏副教授團隊在《International Journal of Biological Macromolecules》期刊（IF=8.5）上發表了“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⁺協同交聯的一步擠出法，用于調控淀粉凝膠的性能。研究表明，通過這種協同交聯反應，可以在低溫下（90°C）制備高凝膠性能高的交聯淀粉。文章對于交聯淀粉的線性和非線性流變性質進行了全面表征，并定量研究了協同交聯反應對淀粉凝膠性能的增強效應。結果顯示，引入協同交聯作用的淀粉凝膠的彈性模量（SC-0.5Ca2+，G' = 3116 ± 36）比沒有協同交聯改性的淀粉凝膠（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，協同交聯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同交聯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，協同交聯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，用于工業規模制備可調性能的食品級交聯淀粉凝膠。  

2實驗方法

2.1交聯改性淀粉的制備

交聯劑首先要溶解在水中，以確保在后續擠出過程中與淀粉均勻混合。通過調節擠出過程中的水進料速率來調整樣品中交聯劑的濃度。為了研究單一交聯劑體系和復合交聯劑體系之間的差異，設置了多種交聯劑溶液，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恒定，制備CA交聯改性淀粉凝膠樣品（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，制備不同比例的協同交聯淀粉凝膠樣品，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。每個樣本組的交聯劑體系比例如表1所示。樣品的交聯方案和制備過如圖1所示。

表1每個樣本組的交聯系統組成比例

圖 1.變性淀粉的交聯方案（a）和制備工藝（b）

2.2交聯程度的測定

使用快速粘度分析儀（RVA，Rapid-15，上海保圣）計算相對交聯。交聯淀粉的水分散體（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生了反應并產生了二酯鍵。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⁺經歷了交聯反應，不同淀粉長鏈之間的交聯鍵抑制了淀粉在DMSO中的溶解。樣品的相對交聯程度（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%）的相對交聯程度顯著增強。

表3 在交聯改性前后，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 交聯修飾前后DMSO中樣品的溶脹特性。