CN104211819B - 一种芋头淀粉纳米颗粒的制备方法、改性方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芋头淀粉纳米颗粒的制备方法、改性方法和在淀粉复合膜中的应用，将芋头淀粉用pH为5.0的磷酸缓冲溶液配制成质量浓度为10‑25％的淀粉溶液，搅拌均匀后，将淀粉溶液置于沸水中糊化20‑40min,将糊化后的淀粉溶液冷却，加入普鲁兰酶，酶解6‑10h，普鲁兰酶的加入量为25‑35ASPU/g淀粉，离心，将离心得到的上清液沸水浴加热10‑15min，终止反应，将样品在4℃中贮存6‑10h后洗涤至中性，置于‑18℃条件下冷冻20‑28h，然后用冻干机干燥，即得芋头淀粉纳米颗粒。制备的淀粉纳米颗粒采用辛烯基琥珀酸酐进行改性。本发明制备方法制备时间短，纳米颗粒的得率高，对环境无污染，绿色高效；将制备的淀粉纳米颗粒加入到淀粉复合膜中，显著改善了复合膜的性能。

Description

一种芋头淀粉纳米颗粒的制备方法、改性方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种芋头淀粉纳米颗粒的制备方法、改性方法及其应用。

背景技术

我国芋头资源十分丰富，但是芋头开发和利用的程度较低，主要是直接食用或药用，深加工程度远远低于马铃薯、甘薯等。芋头含水量较高，收获后如果没有合适的贮藏条件，应尽快地将其加工利用，否则极易腐败变质。在芋头的加工成商品的过程中会产生大量的芋头废料，造成严重的资源浪费。另外芋头母大都被丢弃，到处放置，污染环境。从芋头废料和芋头母提取芋头淀粉，变废为宝，不仅使得资源得到合理利用，提高经济效益，另外对于调整农业产业结构、增加农民收入和带动种植积极性具有重要意义。

与其他种类的淀粉(玉米、马铃薯、绿豆等)相比,芋头淀粉有很多不同的性质。芋头淀粉颗粒较小、均匀并且表面光滑，粒度分布广。芋头淀粉颗粒形状大都为多角形和不规则圆形，颗粒较小(颗粒直径大约为1-5.19μm)，为非粮食来源的淀粉中最小的一种。芋头淀粉结晶晶型为A型，其糊化温度为63.4～77.5℃。芋头淀粉性能优良，应用广泛。芋头淀粉可添加到婴儿和病人的辅助营养食品中；可以作为脂肪替代品；在饮料中作为增稠剂和稳定剂；还可以代替滑石粉用在化妆品中。

随着石油、煤炭等原料日益枯竭，以及由合成高分子材料的引起的环境污染和安全问题，致使人们越来越关注取之不尽、用之不竭，可生物降解，对环境友好的可再生天然高分子(淀粉、蛋白质等)。用天然高分子材料生物降解材料，不仅可以减轻合成高分子材料对人类生存环境的污染及其原料日益枯竭的压力，实现资源的可持续发展，而且还可以创造良好的经济效益。淀粉具有资源丰富、价廉易得、可生物降解，生物安全性高、对环境友好等优点，是开发全生物降解材料领域的最好的原料之一。淀粉具有较好的成膜性，但是淀粉膜机械性能较差，阻气、阻水性差，易回生，严重限制了淀粉膜的应用。随着纳米技术的不断发展以及纳米复合材料的提出，纳米颗粒作为增强剂添加到高分子材料基体中，可以使得纳米复合材料显示处更独特更优异的性质。

最初添加到淀粉膜中的纳米填充剂主要为无机纳米粒子，但无机纳米粒可能会对人体健康安全及生存环境存在潜在的影响。淀粉纳米颗粒为天然的多糖聚合物纳米颗粒，不但具有可再生、可降解等优点，而且结构致密、刚度大、透湿率低，是淀粉膜的最适填充剂。淀粉纳米颗粒现有的制备方法主要为酸解法，但其制备时间较长，纳米颗粒的得率较低，且浓酸污染环境。因此，寻求一种绿色、高效、低成本的淀粉纳米颗粒的制备方法仍然是今后研究的主要方向。另外对淀粉纳米颗粒进行改性，能够降低淀粉纳米颗粒的亲水性和极性，赋予淀粉纳米颗粒一定的疏水功能，降低淀粉膜和淀粉纳米颗粒界面之间的相互作用，可以有效的改善因过强的界面作用导致断裂伸长率降低的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种芋头淀粉纳米颗粒的制备方法、改性方法及其应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种芋头淀粉纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

(1)芋头淀粉的制备：将芋头块茎洗净，去皮，切成小块，然后将芋头小块与水按质量体积比为1g：(2～4)mL混合，匀浆得芋头浆液，将得到的芋头浆液与pH值为9.0-11.0的NaOH溶液，按体积比为1:1.5-2.5混合，在20-30℃条件下放置60-100min；然后过滤，离心，将离心得到的沉淀物水洗至中性，干燥，粉碎，即得芋头淀粉；

(2)芋头淀粉纳米颗粒的制备：将步骤(1)制备得到的芋头淀粉用磷酸缓冲溶液配制成质量浓度为10-25％的淀粉溶液，搅拌均匀后，将淀粉溶液置于沸水中糊化20-40min,将糊化后的淀粉溶液冷却至50-60℃，加入普鲁兰酶，酶解6-10h，普鲁兰酶的加入量为25-35ASPU/g淀粉，离心，将离心得到的上清液沸水浴加热10-15min，终止反应，将样品在4℃中贮存6-10h后用去离子水洗涤至中性，置于-18℃条件下冷冻20-28h，然后用冻干机干燥，即得。

所述步骤(1)中，所述的离心速度为3000r/min，离心时间为15min；干燥温度为40℃，干燥时间为8h。

所述步骤(2)中，磷酸缓冲溶液的pH为5.0。

所述步骤(2)中，酶解反应的温度为50-60℃，优选为58℃。

本方法制备得到的芋头淀粉纳米颗粒的粒径为25-100nm，晶型为B+V型，结晶度为45.54-58.08％。

一种芋头淀粉纳米颗粒的改性方法，包括以下步骤：

将芋头淀粉纳米颗粒、水、无水乙醇按1g:(20～30)mL:(20～30)mL混合，超声20-40min，得到芋头淀粉纳米颗粒悬浮液；将0.1-0.2mol/L的氢氧化钠水溶液滴加到芋头淀粉纳米颗悬浮液中，调节芋头淀粉纳米颗粒悬浮液的pH值为8.0-9.0，缓慢地逐滴加入质量浓度为20-25％的辛烯基琥珀酸酐乙醇溶液，芋头淀粉纳米颗粒与辛烯基琥珀酸酐加入量的质量比为1:0.5-1，不断搅拌，并滴加0.1-0.2mol/L的氢氧化钠溶液始终保持芋头淀粉纳米颗粒悬浮液的pH值在8.0和9.0之间，反应2-3h后，调节芋头淀粉纳米颗粒悬浮液的pH值为6.5-7.0，离心，弃去上清液，用体积分数为70％乙醇洗涤离心3次后，置于-18℃条件下冷冻20-28h，然后用冻干机干燥，得到辛烯基琥珀酸酐改性芋头淀粉纳米颗粒。

本发明制备的芋头淀粉纳米颗粒或辛烯基琥珀酸酐改性芋头淀粉纳米颗粒在制备淀粉复合材料中的应用。

具体的应用方法为：将玉米淀粉、甘油加入到去离子水中，搅拌均匀后置于沸水中糊化20-40min，糊化后的溶液冷却至50℃，待用，玉米淀粉、甘油、去离子水的加入质量的比为：(7～8)：(2～4)：100mL；

将芋头淀粉纳米颗粒或辛烯基琥珀酸酐改性芋头淀粉纳米颗粒溶于50mL去离子水中，超声10-20min，使淀粉纳米颗粒溶液分散均匀，芋头淀粉纳米颗粒或辛烯基琥珀酸酐改性芋头淀粉纳米颗粒占玉米淀粉干重的质量比例为0-5％；

将配制好的50mL芋头淀粉纳米颗粒溶液添加到糊化后的溶液中，形成混合液，混合液30rpm搅拌30min后，真空脱气，倒入培养皿中，在40-50℃干燥6-10h；干燥好的淀粉膜保存在干燥器中(25℃，相对湿度67％)，保证膜中水分的平衡。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明采用酶解回生法制备芋头淀粉纳米颗粒，制备时间短，纳米颗粒的得率高，对环境无污染，绿色高效；

(2)本发明制备的芋头淀粉纳米颗粒结晶度高于原淀粉，纳米颗粒分子链之间的相互作用增强，热稳定性增加；

(3)本发明通过对芋头淀粉纳米颗粒进行辛烯基琥珀酸酐酯化改性，在芋头淀粉纳米颗粒分子上引入疏水性的烯基长链，赋予芋头淀粉纳米颗粒一定的疏水性；

(4)本发明通过将制备的芋头淀粉纳米颗粒或改性的芋头淀粉纳米颗粒加入到淀粉复合膜中，显著的改善复合膜的力学性能。

附图说明

图1a、图1b为本发明实施例1的芋头淀粉的扫描电镜图；

图2a为本发明实施例1的芋头淀粉纳米颗粒的透视电镜图；

图2b为本发明实施例2的芋头淀粉纳米颗粒的透视电镜图；

图2c为本发明实施例3的芋头淀粉纳米颗粒的透视电镜图；

图2d为本发明实施例4的芋头淀粉纳米颗粒的透视电镜图；

图3为芋头淀粉纳米颗粒的X-衍射图，其中，A为芋头淀粉，B为本发明实施例1,C为本发明实施例2，D为本发明实施例3，E为本发明实施例4制备的芋头淀粉纳米颗粒；

图4为芋头淀粉纳米颗粒的红外光谱图，其中，A为芋头淀粉，B为本发明实施例1,C为本发明实施例2，D为本发明实施例3，E为本发明实施例4制备的芋头淀粉纳米颗粒；

图5为芋头淀粉纳米颗粒的热重曲线图，其中，A为芋头淀粉，B为本发明实施例1,C为本发明实施例2，D为本发明实施例3，E为本发明实施例4制备的芋头淀粉纳米颗粒；

图6a淀粉复合膜的抗拉强度测定结果；

图6b淀粉复合膜的断裂伸长率测定结果；

图7a为本发明比较例制备的淀粉膜的表面扫描电镜图；

图7b为本发明实施例7制备的淀粉膜的表面扫描电镜图；

图7c为本发明实施例8制备的淀粉膜的表面扫描电镜图；

图7d为本发明实施例9制备的淀粉膜的表面扫描电镜图；

图7e为本发明实施例10制备的淀粉膜的表面扫描电镜图；

图7f为本发明实施例10制备的淀粉膜的表面扫描电镜图；

图8a为本发明比较例制备的淀粉膜的断面扫描电镜图；

图8b为本发明实施例7制备的淀粉膜的断面扫描电镜图；

图8c为本发明实施例8制备的淀粉膜的断面扫描电镜图；

图8d为本发明实施例9制备的淀粉膜的断面扫描电镜图；

图8e为本发明实施例10制备的淀粉膜的断面扫描电镜图；

图8f为本发明实施例10制备的淀粉膜的断面扫描电镜图；

图9为淀粉膜的X-衍射图，其中，A为芋头淀粉纳米颗粒，B为比较例，C为实施例7，D为实施例8，E为实施例9,F为实施例10，G为实施例11制备的淀粉膜；

图10为淀粉纳米颗粒分散性试验结果，其中，A为实施例1制备的淀粉纳米颗粒，B为实施例12制备的改性淀粉纳米颗粒，C为实施例13制备的改性淀粉纳米颗粒；

图11为淀粉纳米颗粒的红外光谱图，其中，A为实施例1制备的淀粉纳米颗粒，B为实施例12制备的改性淀粉纳米颗粒，C为实施例13制备的改性淀粉纳米颗粒；

图12为淀粉纳米颗粒的X-衍射图，其中，A为实施例1制备的淀粉纳米颗粒，B为实施例12制备的改性淀粉纳米颗粒，C为实施例13制备的改性淀粉纳米颗粒；

图13为淀粉纳米颗粒的热重曲线图，其中，A为实施例1制备的淀粉纳米颗粒，B为实施例12制备的改性淀粉纳米颗粒，C为实施例13制备的改性淀粉纳米颗粒。

具体实施方式

结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1

芋头淀粉纳米颗粒的制备：

(1)芋头淀粉的制备：将芋头块茎洗净，去皮，切成小块，然后将芋头小块与水按质量体积比为1g：2mL混合，用植物组织捣碎机匀浆3min，得芋头浆液，将得到的芋头浆液与pH值为10.0的NaOH溶液，按体积比为1:2混合，在25℃条件下放置80min；然后用80目的筛子过滤，3000r/min离心15min，将离心得到的沉淀物水洗至中性，于40℃烘箱中干燥8h，粉碎，过100目筛，即得芋头淀粉；

(2)芋头淀粉纳米颗粒的制备：将步骤(1)制备得到的芋头淀粉用pH为5.0的磷酸缓冲溶液配制成质量浓度为10％的淀粉溶液，搅拌均匀后，将淀粉溶液置于沸水中糊化30min,糊化过程不断搅拌，将糊化后的淀粉溶液冷却至58℃，加入普鲁兰酶，在58℃条件下酶解8h，普鲁兰酶的加入量为30ASPU/g淀粉，3000r/min离心5min，将离心得到的上清液沸水浴加热10min，终止反应，将样品在4℃中贮存8h后用去离子水洗涤至中性，置于-18℃条件下冷冻24h，然后用冻干机干燥，即得。

实施例2

芋头淀粉纳米颗粒的制备：

将步骤(2)中，淀粉溶液配制成质量浓度为15％，其余制备步骤同实施例1，制备得到芋头淀粉纳米颗粒。

实施例3

芋头淀粉纳米颗粒的制备：

将步骤(2)中，淀粉溶液配制成质量浓度为20％，其余制备步骤同实施例1，制备得到芋头淀粉纳米颗粒。

实施例4

将步骤(2)中，淀粉溶液配制成质量浓度为25％，其余制备步骤同实施例1，制备得到芋头淀粉纳米颗粒。

1.扫描电镜测定

采用扫描电子显微镜(型号：JSM840，日本Topcon Corp公司)，观察芋头淀粉的微观结构。先将导电胶粘结在铜台上，然后将本实施例1制得的样品均匀的撒在上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末，喷金，用扫描电镜观察，结果见图1a、图1b。由图1a-图1b可以看出：本实施例制备的芋头淀粉颗粒比完整，颗粒大小不一，粒径大小主要集中在1-5μm，颗粒的形状主要是多边形和椭圆形。

2.透射电镜测定

取本发明实施例1至4制备的芋头淀粉纳米颗粒样品置于质量浓度为0.5％的十二烷基硫酸钠溶液中，搅拌均匀后，放在超声波振荡器中振动15min后，再用镊子夹住铜网在溶液中轻轻地捞一下，将铜网干燥后，用透射电镜观察，拍照，结果见图2a至图2d。由图2a-图2b可以看出：芋头淀粉纳米颗粒分散较好没有聚集，形状不规则。不同淀粉质量浓度(10％,15％,20％,25％)制备的纳米颗粒粒径大小差别不大，主要粒径大小在25nm和100nm之间。淀粉纳米颗粒可能是由支链淀粉经普鲁兰酶脱支下来的短直链回生形成的。普鲁兰酶可以专一性的水解支链淀粉分支点中α-D-1,6糖苷键，切下整个分支结构，形成直链。经支链淀粉脱支形成的短直链可以形成双螺线结构。因此，脱支后的芋头淀粉溶液4℃贮存8h回生形成结晶结构，得到芋头淀粉纳米颗粒。按下式计算淀粉纳米颗粒的得率：

$Y=\frac{m}{M}\×100\%$

其中Y表示淀粉纳米颗粒的得率；m表示冻干后样品的干重；M表示芋头淀粉的干重。

经计算，实施例2制得的淀粉纳米颗粒得率在70％以上。

3.X-衍射测定

将本发明实施例1至4制备的芋头淀粉纳米颗粒样品干燥磨碎后，采用X-衍射专用窗片制片。X-射线管为铜-钴放，波长范围为1.54nm；管压40kV，管流40mA，扫描区域为衍射角为3°～60°；衍射速度为0.02°衍射角/3s。X-衍射结果见图3。由图3可知芋头原淀粉在2θ为15.2°、17.0°、18.0°和23.0°附近有明显的衍射峰，其中在2θ为17.0°和18.0°附近的衍射峰为相连的双峰，X衍射图谱为A型。酶解回生后得到的芋头淀粉纳米颗粒在5.7°、14.5°、17.0°、19.52°、22.2°和24.0°(2θ)处有明显的衍射峰，其中5.7°(2θ)为B型的特征峰，14.5°和19.52°(2θ)为V型的特征峰。所以，芋头淀粉纳米颗粒的晶型为B+V型。

由图3可知，芋头淀粉的相对结晶度为38.92％。由质量浓度为10％，15％，20％和25％芋头淀粉溶液制得的芋头淀粉纳米颗粒的结晶度分别为45.54％，58.08％，54.64％和52.13％，明显高于芋头原淀粉。结晶度主要受晶体的大小、支链淀粉含量和链长度、双螺旋之间的相互作用程度和结晶区的双螺旋方向等因素影响。芋头淀粉纳米颗粒的结晶度随着芋头淀粉溶液浓度的增加先增加后降低。在低浓度的淀粉溶液(10％)，支链淀粉脱支得到的短链在回生过程中之间的相互碰撞机会较少，导致较少的双螺旋结构形成和较低的结晶度。质量浓度为15％芋头淀粉溶液制得的芋头淀粉纳米颗粒的结晶度最高。当淀粉溶液浓度继续增加时(＞15％)，短直链移动困难导致链之间的相互作用降低，致使纳米颗粒的结晶对度低。

4.红外光谱测定

采用KBr压片法进行压片，取适量(1-2mg)烘干的样品加入100-200mg KBr，置于玛瑙研钵中，在红外灯照射下充分研磨至粉末状。用压片机将样品压成片，制成的片要薄且均匀，将压好的片放入样品夹，用红外光谱仪(型号：FTIR-8400，日本岛津制作所)，对薄片进行测试。

扫描波数范围为4000～400cm^-1，分辨率为4cm^-1，采用DTGS检测器，空气为空白，扫描64次后取平均值，结果见图4。由图4可知：芋头淀粉和芋头淀粉纳米颗粒在3000-3800cm^-1有明显的吸收峰，此峰为OH的伸缩振动峰，OH为强极性基团，缔合现象非常显著，除游离OH峰外，还可以产生分子内及分子间氢键的吸收峰。与原淀粉相比，纳米颗粒的O-H的伸缩振动峰的强度增加，形成的峰变宽且峰向低波数方向移动，从3436cm^-1(图4中A)分别移动到3399(图4中B),3400(图4中C),3400(图4中D)和3392cm^-1(图4中E)。由此可以推断芋头淀粉纳米颗粒分子间的相互作用加强。淀粉的α-1,6糖苷键被普鲁兰酶水解后产生较多的短直链，有更多的羟基形成氢键导致分子间的相互作用加强。在2930cm^-1附近的吸收峰是淀粉和淀粉纳米颗粒C-H的对称和不对称伸缩振动和弯曲振动等的振动耦合和弗米共振等的复合表现。在1000-1200cm^-1附近的吸收峰为多糖骨架的C-O伸缩振动。950cm^-1附近的吸收峰是α-1,4糖苷键骨架振动。与原淀粉相比，C–O–C峰向低波数移动，说明淀粉分子链之间的氢键作用变强。

5.热重分析

开启热重分析仪的电源，打开冷却水，用电子分析天平称取3-4mg实施例1-4制备的样品放入坩埚内；以10℃/min的速率从25℃等速升温至600℃，纪录TG曲线，结果见图5。由图5可以看出，样品的热重曲线可以分为三个阶段：第一阶段失重主要是样品中水分的散失；第二阶段失重为淀粉的分解；最后的失重是由于样品碳化导致的。芋头淀粉和淀粉纳米颗粒热重曲线有明显的差别。芋头淀粉的主要的质量损失发生在265-315℃，在298℃有最大降解速率。芋头淀粉纳米颗粒的结晶度要明显高于原淀粉，热稳定性增加。

实施例5

改性芋头淀粉纳米颗粒的制备：

将本发明实施例2制得的芋头淀粉纳米颗粒、水、无水乙醇按1g:25mL:25mL混合，超声30min，得到芋头淀粉纳米颗粒悬浮液；将0.1mol/L的氢氧化钠水溶液滴加到芋头淀粉纳米颗悬浮液中，调节芋头淀粉纳米颗粒悬浮液的pH值为8.0-9.0，缓慢地逐滴加入质量浓度为20％的辛烯基琥珀酸酐乙醇溶液，芋头淀粉纳米颗粒与辛烯基琥珀酸酐加入量的质量比为1:0.5，不断搅拌，并滴加0.1mol/L的氢氧化钠溶液始终保持芋头淀粉纳米颗粒悬浮液的pH值在8.0和9.0之间，反应2h后，调节芋头淀粉纳米颗粒悬浮液的pH值为6.8，3000r/min离心5min，弃去上清液，用体积分数为70％乙醇洗涤离心3次后，置于-18℃条件下冷冻24h，然后用冻干机干燥，得到辛烯基琥珀酸酐改性芋头淀粉纳米颗粒。

实施例6

改性芋头淀粉纳米颗粒的制备：

将芋头淀粉纳米颗粒与辛烯基琥珀酸酐加入量的质量比调整为1:1，其余制备步骤同实施例5，得到改性的芋头淀粉纳米颗粒。

实施例7

淀粉复合膜的制备：

(1)将7.5g玉米淀粉、3g甘油加入到100mL去离子水中，搅拌均匀后置于沸水中糊化30min，糊化过程不断搅拌，糊化后的溶液冷却至50℃，待用；

(2)将实施例2制得的芋头淀粉纳米颗粒0.075g溶于50mL去离子水中，超声15min，使淀粉纳米颗粒溶液分散均匀；

(3)将配制好的50mL芋头淀粉纳米颗粒溶液添加到糊化后的溶液中，形成混合液，混合液30rpm搅拌30min后，真空脱气，倒入直径为15cm的培养皿中，在45℃干燥8h；干燥好的淀粉膜保存在干燥器中(25℃，相对湿度67％)，保证膜中水分的平衡。

实施例8

淀粉复合膜的制备：

将芋头淀粉纳米颗粒的加入量调整为0.15g,其余制备步骤同实施例7，得到淀粉复合膜。

实施例9

将芋头淀粉纳米颗粒的加入量调整为0.225g,其余制备步骤同实施例7，得到淀粉复合膜。

实施例10

将芋头淀粉纳米颗粒的加入量调整为0.3g,其余制备步骤同实施例7，得到淀粉复合膜。

实施例11

将芋头淀粉纳米颗粒的加入量调整为0.375g,其余制备步骤同实施例7，得到淀粉复合膜。

实施例12

步骤(2)中，将实施例5制备的改性芋头淀粉纳米颗粒0.3g溶于50mL去离子水中，超声15min，使淀粉纳米颗粒溶液分散均匀，其余制备步骤同实施例7，得到淀粉复合膜。

实施例13

步骤(2)中，将实施例6制备的改性芋头淀粉纳米颗粒0.3g溶于50mL去离子水中，超声15min，使淀粉纳米颗粒溶液分散均匀，其余制备步骤同实施例7，得到淀粉复合膜。

比较例

淀粉复合膜的制备：

不添加芋头淀粉纳米颗粒，其余制备步骤同实施例7，得到淀粉复合膜。

淀粉复合膜性能试验

1.淀粉复合膜厚度的测定

选取本发明实施例7至11制备的相对均匀的复合膜，用千分尺在膜上随机的选5个点准确的测膜的厚度，然后求平均值。结果见表1。

2.淀粉复合膜不透明度的测定

选择本发明实施例7至11制备的光滑无缺陷的淀粉膜，将其剪切成1cm×4cm的长方形条，并贴在比色皿的一侧，用紫外-可见分光光度计测定淀粉膜在600nm下的透光率，以空比色皿作对照，每个样品测定三次，取平均值。结果见表1。

3.淀粉复合膜水蒸气透过性能测定

水蒸气透过系数(WVP,water vapor permeability)采用拟杯子法测定。将无水氯化钙粉碎成粉末状后在105℃干燥24h。称取5g干燥好的无水氯化钙放入称量瓶中，选取均匀、无破损的膜，测量其厚度。用石蜡将待测的样品膜密封在称量瓶的瓶口处，将称量瓶称重。然后将各个称量瓶放入底部加入蒸馏水的干燥器(25℃，相对湿度100％)中，平衡2h。然后，每隔12h称重一次。每次的称量时间要尽可能的缩短。WVP的计算方法如下：

WVP＝Δm×d/(A×t×ΔP)

其中：d—膜的厚度(m)；Δm—t时间内增加的质量(g)；A—被测膜的面积(m²)；t—每两次称重间隔的的时间(h)；ΔP—膜两侧的水蒸气压差(Pa)。

水蒸气透过性能测定结果见表1。

表1 淀粉膜厚度、不透明度和WVP的测定结果

注：同一列字母相同表示差异不显著，字母不同表示差异显著，P＜0.05。

由表1可以看出，本发明制备的淀粉膜的厚度为148-162.5μm。透明度是在食品包装应用过程中的一个非常重要特征。从表1可以看到随着淀粉纳米颗粒的添加量的增加，复合膜的不透明度呈增大趋势。实施例11制备的淀粉复合膜的不透明度最大。这可能是由于淀粉纳米颗粒嵌入到淀粉膜的空隙中，这阻止了部分光线的透过，从而导致更高的不透明度。具有较高不透明度的复合膜可以开发用来包装对光敏感(受到光照易引起酸败)的食品。

水蒸气透过系数(WVP)是衡量薄膜阻隔性能的一个重要指标。由表1可以看出，淀粉添加量≤10％时，淀粉纳米复合膜的WVP先随着淀粉纳米颗粒添加量的增加而降低。淀粉添加量为10％时，复合膜的WVP最低，为1.20(10^-7gPa^-1h^-1m^-1)。这可能是由于淀粉纳米颗粒在淀粉基体中分散较好，膜的紧密性增加，水分子的扩散路径变得曲折，减少了水分子透过的可能。

4.淀粉复合膜的含水量、溶胀度和溶解度测定

选取本发明实施例7至11制备的均匀的膜，将其剪切成1cm×4cm的长方形条，称取其质量(M₁)，然后将膜置于烘箱中105℃下干燥至恒重，称其质量(M₂)，然后将其放置培养皿中，加入20ml的蒸馏水，室温下放置24h，称取湿膜的重量(M₃)，于105℃条件下干燥24h，称重(M₄)。计算公式如下：

结果见表2。

表2 淀粉复合膜的含水量、溶胀度和溶解度测定结果

注：同列字母相同表示差异不显著，字母不同表示差异显著，P＜0.05。

由表2可以看出，随着淀粉纳米颗粒添加量的增加，淀粉纳米复合膜的溶解度、溶胀度和含水量呈降低趋势。复合膜的溶解度由33％(纳米颗粒添加量0％)降到15.8％(纳米颗粒添加量15％)，说明淀粉纳米颗粒添加后能增加膜在水中的稳定性。添加淀粉纳米颗粒后，小尺寸的淀粉纳米颗粒进入玉米淀粉分子链中之后，占据了一部分自由水的体积，从而使得复合膜的含水量降低。填充物淀粉纳米颗粒与玉米淀粉链之间紧密相贴，使水分子进入的机会减少，抑制了复合膜的溶胀。

5.淀粉复合膜机械性能的测定

选取比较均匀、光滑的淀粉膜，将其切成1cm×10cm的长方形条,用物性测定仪(TA-XT.plus)做拉伸测定，拉伸速度为100mm/min，测定条件为67％，25℃。抗拉强度(TS，tensilestrength)和断裂伸长率(EB,elongation at break)的计算方法如下：

$\mathrm{TS}=\frac{F}{S}$

$\mathrm{EB}=\frac{L-L_0}{L_0}\×100\%$

其中：TS—抗拉强度(MPa)；F—拉伸的最大应力(N)；S—膜的横截面积(m²)；EB—断裂伸长率(％)；L₀—膜的原长度(m)；L—膜断裂时的长度(m)。

淀粉复合膜的抗拉强度测定结果见图6a，断裂伸长率的测定结果见图6b。由图6a可以看出：随着淀粉纳米颗粒添加量的增加，淀粉纳米复合膜的抗拉强度也随之增加。但当淀粉纳米颗粒添加量大于10％后，复合膜的抗拉强度随之降低。淀粉纳米颗粒添加量为10％时，复合膜的抗拉强度高达2.87MPa，比未添加纳米颗粒的淀粉膜提高了2.6倍。复合膜抗拉强度的提高是由于淀粉纳米颗粒有很高的比表面积，在基体中分散比较好，另与膜基体—玉米淀粉有相同的多糖结构，使淀粉纳米颗粒—淀粉膜的两相界面通过氢键产生很好的交互作用，这就致使外界应力从基体材料转移到淀粉纳米颗粒上，从而提高了淀粉纳米复合材料的强度。当淀粉纳米颗粒添加量为15％时，复合膜的抗拉强度降低，可能是由于淀粉纳米颗粒发生了团聚现象，导致相分离，减少了纳米颗粒与基体界面之间相互作用，使复合膜的抗拉强度降低。

断裂伸长率反映了膜的延展性。由图6b可以看出，未添加淀粉纳米颗粒的淀粉膜的断裂伸长率高达84.2％，但随着淀粉纳米添加的增加，复合膜的断裂伸长率而降低。淀粉纳米颗粒作为增强剂添加到淀粉膜中，与膜基体—玉米淀粉有相同的多糖结构，使两者之间的界面形成更多的氢键，相互作用变强，从而导致复合膜中淀粉纳米颗粒周围的淀粉大分子链段可移动性降低，使复合膜的断裂伸长率降低。另外填充物在复合膜中分散不均匀，同样会导致复合膜的的断裂伸长率下降。

辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉纳米颗粒对膜的抗拉强度(TS)和断裂伸长率(EB)的影响见表3。

表3 辛烯基琥珀酸酐改性淀粉纳米颗粒对淀粉复合膜机械性能的影响

由表3可以看出，添加辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉纳米颗粒淀粉膜的抗拉强度比添加淀粉纳米颗粒淀粉膜的抗拉强度要低，但是其断裂伸长率明显高于添加淀粉纳米颗粒淀粉膜的断裂伸长率。辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉纳米颗粒对淀粉膜的抗拉强度的增强效果低于淀粉纳米颗粒，原因可能是辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉纳米颗粒有一定的疏水基团，减弱了与亲水性基体(玉米淀粉)之间的结合作用，导致两相界面之间传递作用力的能力有限，从而致使添加辛烯基琥珀酸酐改性淀粉纳米颗粒淀粉膜的抗拉强度小于添加淀粉纳米颗粒淀粉膜。实施例13的复合膜的断裂伸长率大于实施例12的淀粉膜，这是因为实施例13中改性淀粉纳米颗粒的羟基取代度(0.036±0.0002)大于实施例12改性淀粉纳米颗粒的羟基取代度(0.024±0.0004)，所以引入到淀粉纳米颗粒上的疏水基团比较多，大大减小了纳米填充剂和基体界面之间的相互作用，使得淀粉纳米颗粒周围的淀粉大分子的可移动性，纳米复合材料的断裂伸长率提高。另外，淀粉纳米颗粒经辛烯基琥珀酸酐改性后，能够引入酸酐链段，与淀粉大分子作用，使得填充剂和基体界面的粘弹性增加，断裂伸长率提高。

6.淀粉复合膜的扫描电镜测定

用扫描电镜观察本发明实施例7至11制备的淀粉纳米复合膜的表面和断面，将淀粉膜样品剪成长条状，放在液氮中迅速冷冻后，折断，将断面喷金，另再取一些膜，将膜表面喷金。在电镜下观察膜表面和断面的形貌。不同淀粉纳米颗粒添加量对纳米淀粉复合膜表面形貌的影响如图7a至图7f所示，其中图7a、图7b、图7c、图7d、图7e和图7f所代表的淀粉纳米颗粒添加量分别为0％、0.5％、2％、5％、10％和15％。由图7a可见，未添加淀粉纳米颗粒的玉米淀粉膜表面比较光滑平整，结构紧密。添加淀粉纳米颗粒后，复合膜的表面变的粗糙，表面出现小突起，且随着淀粉纳米颗粒添加量的增加，粗糙程度增大，表面上的颗粒越来越多(图7b、图7c、图7d、图7e和图7f)。淀粉纳米颗粒添加量为0.5％、2％、5％和10％时，没有观察到明显的纳米颗粒的聚集。但是添加量为15％时，部分淀粉纳米颗粒发生了聚集作用(图7f)。这说明低添加量的淀粉纳米颗粒在复合膜中分散较好。淀粉纳米颗粒发生聚集也是造成复合膜抗拉强度下降的主要原因。

不同淀粉纳米颗粒添加量(0％、0.5％、2％、5％、10％和15％)对纳米淀粉复合膜断裂面形貌的影响如图8a至图8f所示。纯的玉米淀粉膜的断裂面比较均匀、平整(图8a)。淀粉纳米颗粒添加后，淀粉纳米复合膜的断面变得粗糙，纳米颗粒添加的越多，粗糙程度越大。

7.淀粉复合膜的X衍射测定

将淀粉复合膜切成一定2cm×2cm的小片，用X-射线衍射仪测定。测定条件：Cu-Kα射线，波长范围为1.54nm；管压40kV，管流40mA，扫描区域为衍射角为4°～40°；扫描速度为4°/min。结果见图9。(其中图A、B、C、D、E和F所代表的淀粉纳米颗粒添加量分别为0％、0.5％、2％、5％、10％和15％。)由图9可知，未添加淀粉纳米颗粒的玉米淀粉膜和添加0.5％、2％、5％、10％和15％纳米颗粒的复合膜在2θ为17.23°、19.23°和22.00°附近有明显的衍射峰。淀粉纳米颗粒的添加没有改变玉米淀粉膜的晶型。

8.淀粉复合膜的热特定性分析

采用差式扫描热量仪(DSC)对样品的热特性就行测定。称取3～4mg样品放入小铝盒中，测试范围为25～250℃，测试速度为10min/℃。结果见表4。

表4 淀粉复合膜的热特定性测定结果

由表4可以看出，原淀粉膜的To为171.75℃，添加淀粉纳米颗粒后，复合膜的To和Tm增加。淀粉纳米复合膜的To和Tm增加可能是由于淀粉纳米颗粒添加后，填充物和复合膜基体之间的相互作用增强，使复合膜的热稳定性增加。

改性芋头淀粉纳米颗粒性能试验

1.分散性实验

分散性实验是表征淀粉纳米颗粒极性的一种简单、有效的方法。在将淀粉纳米颗粒和辛烯基琥珀酸酐改性淀粉纳米颗粒加入到水和氯仿的混合溶剂(1mg/mL)，观察其在混合溶剂中的分散性。结果见图10。水的密度为1g/cm³，氯仿的密度为1.47g/cm³，所以在水和氯仿混合剂中，水在上面，氯仿在下面。由图10可以看出，淀粉纳米颗粒只能分散在水中(图10A)，辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉纳米颗粒不仅颗粒均匀的分散在水中，而且还可以分散在氯仿中。这说明辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉纳米颗粒具有两亲性，用辛烯基琥珀酸酐对淀粉纳米颗粒进行酯化改性，将疏水性的烯基长链引入淀粉纳米颗粒分子中，赋予淀粉纳米颗粒一定的疏水性，并且降低了其极性。

2.红外光谱测定

采用KBr压片法进行压片，取适量(1-2mg)烘干的样品加入100-200mg KBr，置于玛瑙研钵中，在红外灯照射下充分研磨至粉末状。用压片机将样品压成片，制成的片要薄且均匀，将压好的片放入样品夹，用红外光谱仪(型号：FTIR-8400，日本岛津制作所)，对薄片进行测试。

扫描波数范围为4000～400cm^-1，分辨率为4cm^-1，采用DTGS检测器，空气为空白，扫描64次后取平均值，结果见图11。由图11可以清楚的看到，淀粉纳米颗粒经辛烯基琥珀酸酐酯化改性后，在波长1727cm^-1和1572cm^-1有新的吸收峰出现，1727cm^-1处的峰为官能团C＝O伸缩振动特征峰，证明酯键的形成，表明淀粉纳米颗粒辛烯基琥珀酸酐酯化改性成功。与在1572cm^-1处出现的新的特征峰为羧酸盐的不对称拉伸振动。辛烯基琥珀酸酐改性淀粉纳米颗粒是在碱性系统中合成，所以出现1572cm^-1处的羧酸盐峰。实施例13制备的改性淀粉纳米颗粒在1727cm^-1和1572cm^-1处的峰强度要明显高于实施例12制备的改性淀粉纳米颗粒，说明实施例13制备的改性淀粉纳米颗粒的酯化强度要高于实施例12制备的改性淀粉纳米颗粒。经计算得知，实施例13制备的改性淀粉纳米颗粒的羟基取代度为0.036±0.0002高于实施例12制备的改性淀粉纳米颗粒的羟基取代度(0.024±0.0004)。淀粉纳米颗粒的羟基伸缩振动峰出现在3386cm^-1，50％和100％辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉纳米颗粒的羟基伸缩振动峰分别出现在3351cm^-1和3336cm^-1。经酯化改性后，淀粉纳米颗粒羟基伸缩振动峰向低波数移动，说明淀粉纳米颗粒分子上的羟基与酸酐羧基形成的氢键作用变强。

3.X衍射测定

将样品干燥磨碎后，采用X-衍射专用窗片制片。X-射线管为铜-钴放，波长范围为1.54nm；管压40kV，管流40mA，扫描区域为衍射角为3°～60°；衍射速度为0.02°衍射角/3s。结果见图12。由图12可以清楚的看到,酶解回生后得到的芋头淀粉纳米颗粒在5.7°、14.5°、17.0°、19.52°、22.2°和24.0°(2θ)处有明显的衍射峰，其中5.7°(2θ)为B型的特征峰，14.5°和19.52°(2θ)为V型的特征峰。所以，芋头淀粉纳米颗粒的晶型为B+V型。经辛烯基琥珀酸酐改性后，淀粉纳米颗粒的特征衍射峰没有发生变化，所以，辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉纳米颗粒的晶型为B+V型。但是，辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉纳米颗粒的X-衍射峰强度要低于淀粉纳米颗粒，说明淀粉纳米颗粒经辛烯基琥珀酸酐改性后，淀粉纳米颗粒部分结晶结构遭到破坏。这可能是由于改性反应是在碱性体系中进行的，氢氧化钠可能破坏了淀粉纳米颗粒的结构，使辛烯基琥珀酸酐更容易进入淀粉纳米颗粒内部，破坏了淀粉纳米颗粒的结晶结构。

4.热重分析

开启热重分析仪的电源，打开冷却水，用电子分析天平称取3-4mg的样品放入坩埚内；以10℃/min的速率从25℃等速升温至600℃，纪录TG曲线，结果见图13。从图13可以看出，样品第一次质量损失主要发生在50-110℃之间，为样品中水分的散失；第二阶段失重为样品的分解，主要发生在210-320℃；第三阶段的失重是主要是由于样品碳化导致的。芋头淀粉纳米颗粒和辛烯基琥珀酸酐酯化改性淀粉纳米颗粒热重曲线有明显的差别。实施例13制备的改性淀粉纳米颗粒主要发生在200-285℃，在275℃有最大降解速率。实施例12制备的改性淀粉纳米颗粒主要发生在250-315℃，在285℃有最大降解速率。由此可以得出，芋头淀粉纳米颗粒热稳定性＞实施例12制备的改性淀粉纳米颗粒热稳定性＞实施例13制备的改性淀粉纳米颗粒热稳定性。淀粉纳米颗粒经辛烯基琥珀酸酐酯化改性后热稳定性降低，这对应了X-衍射的结果。

Claims (5)

1.一种芋头淀粉纳米颗粒的改性方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)将芋头淀粉纳米颗粒、水、无水乙醇按1g:(20～30)mL:(20～30)mL混合，超声20-40min，得到芋头淀粉纳米颗粒悬浮液；将0.1-0.2mol/L的氢氧化钠水溶液滴加到芋头淀粉纳米颗悬浮液中，调节芋头淀粉纳米颗粒悬浮液的pH值为8.0-9.0，逐滴加入质量浓度为20-25％的辛烯基琥珀酸酐乙醇溶液，芋头淀粉纳米颗粒与辛烯基琥珀酸酐加入量的质量比为1:0.5-1，并滴加0.1-0.2mol/L的氢氧化钠溶液始终保持芋头淀粉纳米颗粒悬浮液的pH值在8.0和9.0之间，反应2-3h；

(2)调节芋头淀粉纳米颗粒悬浮液的pH值为6.5-7.0，离心，洗涤，冷冻，干燥，即得辛烯基琥珀酸酐改性芋头淀粉纳米颗粒；

步骤(1)中，所述芋头淀粉纳米颗粒的制备方法如下：

1)芋头淀粉的制备：将芋头块茎与水按质量体积比为1g：(2～4)mL混合，匀浆得芋头浆液，将得到的芋头浆液与pH值为9.0-11.0的NaOH溶液，按体积比为1:1.5-2.5混合，放置60-100min；然后过滤，离心，将离心得到的沉淀物洗涤至中性，干燥，粉碎，即得芋头淀粉；

2)芋头淀粉纳米颗粒的制备：将步骤(1)制备得到的芋头淀粉用磷酸缓冲溶液配制成质量浓度为10-25％的淀粉溶液，搅拌均匀后，将淀粉溶液置于沸水中糊化20-40min,将糊化后的淀粉溶液冷却至50-60℃，加入普鲁兰酶，酶解6-10h，普鲁兰酶的加入量为25-35ASPU/g淀粉，离心，将离心得到的上清液加热反应10-15min，终止反应，静置6-10h后洗涤至中性，冷冻干燥，即得。

2.如权利要求1所述的芋头淀粉纳米颗粒的改性方法，其特征在于，步骤(2)中，采用体积分数为70％的乙醇离心洗涤三次。

3.如权利要求1所述的芋头淀粉纳米颗粒的改性方法，其特征在于，步骤(2)中，将洗涤后的样品置于-18℃条件下冷冻20-28h，然后用冻干机干燥。

4.权利要求1所述的制备方法制备得到的改性芋头淀粉纳米颗粒在制备淀粉复合材料中的应用。

5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，应用方法为：

将玉米淀粉、甘油加入到去离子水中，搅拌均匀后置于沸水中糊化20-40min，冷却，待用，玉米淀粉、甘油和去离子水的加入质量的比为：(7～8)g：(2～4)g：100mL；

将占玉米淀粉干重的质量比例为0-5％的辛烯基琥珀酸酐改性芋头淀粉纳米颗粒溶于去离子水中，超声10-20min，使淀粉纳米颗粒溶液分散均匀；所述辛烯基琥珀酸酐改性芋头淀粉纳米颗粒加入的质量比例不为0；

将配制好的辛烯基琥珀酸酐改性芋头淀粉纳米颗粒溶液添加到糊化后的溶液中，形成混合液，搅拌，脱气，40-50℃干燥6-10h，即得。