交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的制備及其糊化性能

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(1.南昌大學食品學院,江西南昌 330047; 2.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

淀粉是很多食物的主要成分,它由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成,以淀粉顆粒的形式存在。目前,在食品行業中常用的淀粉有大米淀粉、玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉等[1]。大米淀粉顆粒較小,可應用于焙烤、奶制品、肉制品和醬汁等行業，作為脂肪分子的替代品,其致敏性較低,也可應用于嬰幼兒食品[2]。在實際應用中,原淀粉經常被改良成不同的產品以滿足一定的功能特性,利用交聯和酯化作用改良淀粉是較常用的方法[3-4]。

交聯淀粉的強度要明顯高于原淀粉,具有較好的酸穩定性和熱穩定性[5]。Shukri等研究表明:交聯玉米淀粉具有較強的抗性,交聯后的玉米淀粉中可食用纖維總量和抗性淀粉含量均得到顯著提高[1]。酯化淀粉具有更好的乳化性能,經辛烯基琥珀酸酐(OSA)酯化后形成的淀粉酯在許多國家已經被允許應用于食品工業中[3]。近年來,報道了利用玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、小麥淀粉、木薯淀粉等淀粉原料制備辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSAS)的工藝或理化性能[3,4,6-8]。

淀粉的酯化方法主要有濕法和干法,其中濕法工藝成熟,但流程長、污染大;干法流程短但成本相對較高。近年來研究發現低濃度濕法具有更高的酯化效率[9-10],但目前還鮮有報道利用該法對大米淀粉或交聯淀粉的酯化。本研究將交聯與酯化組合處理大米淀粉,利用該法制備了交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯(CLOSRS),通過單因素和正交實驗優化酯化反應條件,并對CLOSRS的理化指標和糊化特性進行了分析。本研究可為CLOSRS在食品工業上的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米淀粉 江西金農生物科技有限公司;辛烯基琥珀酸酐(OSA) Sigma公司;三偏磷酸鈉 天津市大茂化學試劑廠;鹽酸、NaOH、乙醇等試劑 均為分析純。

TGL-16C型離心機 上海安亭科學儀器廠;UV-1600PC型紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司;RVA-TEC MASTER 瑞典Perten公司;DELTA320型H計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HH-4型數顯恒溫水浴鍋 上海賀德實驗設備有限公司;DGG-9240AD型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的制備 參考Woo等[11]報道的方法制備交聯大米淀粉。將50 g大米淀粉(干基)與70 mL蒸餾水混合后,利用1 mol/L的NaOH溶液調節淀粉乳液pH至11.5,再加入0.3%淀粉干基重量的三偏磷酸鈉作為交聯劑,于45 ℃下反應3 h。反應結束后,利用1 mol/L的HCl溶液將乳液pH調至6.5,再加入蒸餾水進行水洗,除去未反應的交聯劑,過濾后在40 ℃下烘干獲得交聯大米淀粉。

參考Khalil等[9]方法利用低濃度濕法獲得交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯。該法特點是用較濕法工藝更少的蒸餾水配制低濃度的淀粉乳。首先，配制質量分數為12%的交聯大米淀粉乳(沉降積為1.9 mL),再用1 mol/L的NaOH溶液將乳液pH調至 7～10.5,加入1%～8%交聯淀粉干基重的OSA乙醇溶液,在一定溫度下反應一段時間。反應結束后,將乳液過濾、洗滌,于60 ℃下烘干,粉碎過篩獲得交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯(CLOSRS)。

1.2.2 交聯度測定 交聯度用沉降積大小來間接表示,沉降積越大,交聯度越小。稱取0.5 g絕干樣品,用蒸餾水配制成2%的溶液,置于90 ℃水浴中保溫5 min,取出冷卻。將糊液裝入10 mL離心管中,于4000 r/min轉速下離心3 min,倒出上清液,讀取體積,計算沉降積(mL)。

沉降積=10-V

式中,V為上清液體積,mL。

1.2.3 取代度(DS)測定 準確稱取2 g樣品,加入15 mL 2.5 mol/L的HCl-異丙醇溶液,攪拌30 min,再加入100 mL 90%(v/v)的異丙醇溶液繼續攪拌10 min,過濾,并用90%的異丙醇溶液洗滌濾渣至無Cl-存在為止(用0.1 mol/L的AgNO3溶液檢測)。獲得的濾渣加入300 mL蒸餾水,煮沸20 min,冷卻,以酚酞作指示劑用0.1 mol/L的NaOH溶液滴定,以原淀粉作為空白對照[12]。DS計算公式如下:

式中,v為滴定過程中消耗NaOH溶液的體積,mL;c為NaOH溶液的實際濃度,mol/L;m為樣品質量,g。

1.2.4 單因素實驗 以取代度為考核指標,分別考察OSA用量、酯化時間、酯化溫度和pH四個因素對交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響。根據預實驗結果,固定OSA用量4%、酯化溫度80 ℃、pH9、酯化時間2.5 h中三個條件,對第4個指標進行單因素實驗,單因素實驗因素條件為酯化時間1.0～4.0 h,OSA用量為1%～8%,酯化溫度為65～100 ℃,pH為7～10.5。

1.2.5 正交實驗 選定酯化溫度(A)、pH(B)、OSA用量(C)、酯化時間(D)作為四個因素,各取三個水平,以取代度為衡量指標,進行正交實驗。使用L9(34)正交表對交聯大米淀粉酯化工藝參數進行優化，見表1。

表1 正交實驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.6 交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的理化性質 理化性質和糊化性能的檢測樣品均來自于單因素和正交實驗的樣品,在正交實驗的優化條件下最高取代度為0.0198,作為取代度最高的樣品(CLOSRS(DS=0.0198)),將大米淀粉(RS)作為參照,在取代度0.0198以下取4個取代度分布較為均勻且相對較為穩定的樣品,分別為:OSA用量單因素實驗中1%濃度時DS為0.0109的樣品(CLOSRS(DS=0.0109))、酯化時間單因素實驗中1.5 h和3.5 h條件下DS為0.0146和0.0172的樣品(CLOSRS(DS=0.0146)和CLOSRS(DS=0.0172))、酯化溫度單因素實驗中95 ℃下DS為0.0183的樣品(CLOSRS(DS=0.0183)),分別做后續實驗。

1.2.6.1 溶解度測定 參考涂宗財等方法[13],配制質量分數為2%的不同取代度的交聯大米淀粉乳,取50 mL在50 ℃下攪拌30 min,再以3000 r/min離心30 min,獲取的上清液先水浴蒸干再放入105 ℃烘箱中烘干至恒重,獲得溶解淀粉量A,以大米淀粉(RS)作為參照,則溶解度按下式計算。

式中,W為淀粉干基重量,g。

1.2.6.2 透明度測定 透明度利用透光率來表征。配制質量分數10%的不同取代度的交聯大米淀粉乳,置于沸水浴中30 min,再冷卻至室溫,以蒸餾水作空白,用紫外分光光度計在640 nm處測量淀粉糊的透光率[3],以大米淀粉(RS)作為參照。

1.2.6.3 凍融穩定性測定 凍融穩定性利用折水率來表征。用蒸餾水配制濃度為3 g/100 mL的不同取代度的交聯大米淀粉乳,攪拌均勻,置于沸水浴中加熱25 min,取出冷卻后放置于-18 ℃冷凍24 h,取出自然解凍3 h,反復凍融循環5次,再在3000 r/min離心15 min,棄去上清液,稱取沉淀物質量,以大米淀粉(RS)作為參照,計算折水率[14]。

式中,m1為冷凍前淀粉糊質量,g;m2為離心后沉淀物質量,g。

1.2.6.4 糊化性能 采用快速黏度測定儀(RVA)測定樣品的糊化性質,參考劉成梅等的方法[15],稱取3 g樣品(大米淀粉和不同取代度的交聯大米淀粉乳),加入25 mL蒸餾水混合于鋁盒中,在50 ℃下保持1 min,以12 ℃/min速率升至95 ℃,在95 ℃條件下保持2.5 min,再以12 ℃/min速率下降至50 ℃,在50 ℃條件下維持2 min,攪拌器在起始10 s內轉動速率為960 r/min,以后保持在160 r/min。

1.3 數據分析

采用Origin 8.0軟件作圖,顯著性差異采用ANOVA單因素方差分析,p<0.05時表示有差異,每個實驗都重復三次。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 OSA用量對取代度的影響 通常淀粉酯的制備工藝中影響最大的因素是酯化劑的類型和用量。本研究首先考查了酯化劑即辛烯基琥珀酸酐(OSA)用量對酯化反應的影響,其結果如圖1所示。圖1表明隨著OSA用量的增加淀粉酯的取代度也在增加,但其增加的幅度有明顯的差別。在OSA用量1%～4%范圍內增加的幅度很大,而超過4%之后增加的趨勢趨于平穩,在4%和8%的用量時的取代度分別為0.0204和0.0213,雖然用量增加一倍,其取代度卻變化不大。石海信等報道交聯木薯淀粉酯的制備工藝和優化條件,結果表明OSA用量在2%～6%范圍內取代度有較大幅度的增加[10],其OSA用量比本研究更高,可能是由于木薯淀粉和大米淀粉分子結構的影響,交聯后的木薯淀粉分子與OSA結合度更高。而Shi等研究表明OSA用量在2%之后木薯淀粉酯的取代度增加幅度并不大,其酯化反應效率則逐漸降低[16];Ruan等發現OSA用量在2%～10%范圍內馬鈴薯淀粉酯取代度逐漸上升,且其上升幅度差別不大,而其酯化反應效率卻一直處于下降趨勢[17]。以上兩篇報道均使用未交聯的淀粉進行酯化,淀粉的分子結構較為松散,與OSA酯化反應相對偏弱。

圖1 OSA用量對交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響Fig.1 Effect of amount of OSA on DS of CLOSRS

酯化反應是在OSA與交聯淀粉充分接觸的情況下發生的,增加OSA用量,它們的接觸幾率不斷提升,酯化反應的概率增加,但是當OSA用量增加到一定量后,其接觸幾率變化并不大,這可能是受到OSA不溶于水作用的影響[17]。因此,酯化反應效率在OSA用量增加到一定量時反而下降。此外,交聯淀粉的分子大于原淀粉分子[1],在酯化反應時可能會影響OSA與之接觸的幾率,從而影響酯化反應的發生。因此,考慮到OSA的利用效率,交聯大米淀粉酯化反應的OSA用量宜在4%。

2.1.2 酯化時間對取代度的影響 酯化時間對交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響見圖2。在1.0～2.5 h范圍內,取代度隨著反應時間的增加而增加,當超過2.5 h后,反應時間越長,其取代度有不同程度的下降。下降的原因是由于OSA的消耗以及酯化反應的逆反應增多。因此,反應時間為2.5 h較為適宜。文獻報道[16-18]辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成工藝中,適宜的反應時間在3～4 h左右。本文使用交聯淀粉酯化反應,適宜的反應時間更短,說明交聯淀粉在進行酯化反應時的進度比原淀粉更快,但其取代度并不一定更高。

圖2 酯化時間對交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響Fig.2 Effect of esterification time on DS of CLOSRS

2.1.3 酯化溫度對取代度的影響 酯化溫度對交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響如圖3所示。由圖3可以看出,在65～85 ℃范圍內隨著酯化溫度的增加,淀粉酯的取代度也在升高,而超過85 ℃之后,其取代度逐漸下降,在85 ℃時達到最高取代度0.0202。溫度的升高增加了大米淀粉顆粒的膨脹程度以及OSA的溶解度和OSA與淀粉顆粒的接觸面,故反應的取代度升高。在高溫時OSA的水溶性增加,其水解作用也增加,當水解作用達到一定程度后就會降低其與淀粉顆粒的接觸幾率,從而降低酯化反應的發生,使取代度下降。因此,適宜的酯化溫度為85 ℃。Shi等[16]和Ruan等[17]研究發現酯化溫度在35 ℃時制備淀粉酯較為合適,比本文的最適酯化溫度低了很多,這可能是由于交聯淀粉的抗性更強,需要在更高的溫度下才能達到適宜的膨脹程度。

表3 交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的理化性質Table 3 Physicochemical properties of CLOSRS

圖3 溫度對交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響Fig.3 Effect of esterification temperature on DS of CLOSRS

注：同行數據右上角字母相同表示差異不顯著(p>0.05),不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.1.4 pH對取代度的影響 pH對淀粉酯化反應有重要影響。堿性條件有利于淀粉的羥基與酸酐發生酯化反應[19]。pH對交聯辛烯基琥珀酸酯大米淀粉取代度的影響見圖4。由圖4可以看出,當pH小于9.0或大于9.5時，對酯化反應有較大影響,其取代度有明顯的下降趨勢,可見堿性過強也不利于酯化反應的進行。pH為9.0和9.5時,交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度分別為0.0190和0.0198,差別不大,故交聯大米淀粉酯化反應pH宜選擇在9.5。這與石海信等報道的交聯木薯淀粉酯的最適反應pH范圍類似[10]。Shi等報道的最適pH為8.2[16],Ruan等報道的最適pH為8.0[17],這兩篇報道的最適pH要低于本研究,可能是由于交聯淀粉的抗性較強,需要在更強的堿性條件下反應。

圖4 pH對交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響Fig.4 Effect of esterification pH on DS of CLOSRS

2.2 酯化反應工藝參數優化

在單因素實驗基礎上,選擇酯化溫度(A)、pH(B)、OSA用量(C)和酯化時間(D)四個因素,以取代度為評價指標,利用L9(34)正交表對交聯大米淀粉酯化條件進行優化,其正交實驗設計與結果見表2。

由表2中的極差大小可知,影響交聯大米淀粉酯化的主次順序依次為:C(OSA用量)>D(酯化時間)>A(酯化溫度)>B(pH)。制備交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的最佳工藝條件為:A2B2C2D2,即酯化溫度85 ℃、pH9.5、OSA用量4.0%、酯化時間2.5 h。在最佳工藝條件下,交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度為0.0198。

表2 正交實驗設計與結果Table 2 Design and results of orthogonal test

2.3 交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的理化性質

交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的溶解度、透明度和凍融穩定性如表3所示。

表4 交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的糊化性能Table 4 Pasting properties of CLOSRS

注：同列數據右上角字母相同表示差異不顯著(p>0.05),不同表示差異顯著(p<0.05)。

由表3可知,交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的溶解度隨著取代度的增加而增加,酯化能提高交聯辛烯基琥珀酸酯大米淀粉的溶解度。這是由于經過酯化后,疏水性的淀粉分子長鏈上同時引入了疏水基團和親水基團,其中的親水基團提高了產品的溶解度,取代度越高引入的親水基團越多,溶解度越大。此外,由于交聯會抑制水溶性,故在同等取代度條件下,交聯淀粉酯的溶解度可能會低于原淀粉酯的溶解度[5]。Singhum等研究表明,取代度為0.0216的淀粉酯溶解度為19.5 g/100 g[3]。

由表3可知,交聯淀粉酯化后的透明度有不同程度的提高,隨著取代度的增加,透明度逐漸增加,但是在低取代度時增加不明顯,而在兩個較高取代度條件下有了較大改善。一方面酯化反應增加了淀粉親水性,使其能形成較為均勻的膠體,故增加了透光率[20]。另一方面交聯淀粉由于分子變大,會妨礙體系的均勻性,也可能增加折射現象,故影響了樣品的透光率。因此,只有當酯化取代度足夠高時,淀粉酯的透明度才會表現出較為明顯的改善。

折水率越低,凍融穩定性越好。由表3可知,經過酯化后交聯淀粉凍融穩定性顯著上升,而且隨著取代度的增加凍融穩定性增強。孔令曉等研究辛烯基琥珀酸糯玉米淀粉酯的性質表明,凍融穩定性有所減弱[20]。宋曉燕等研究辛烯基琥珀酸早秈米淀粉酯的性質表明,酯化改性后原淀粉折水率下降,但其下降幅度不大[21]。本研究中凍融穩定性明顯增強的原因與交聯淀粉的性質有關。交聯淀粉具有較高的凍融穩定性,在酯化后強化了它的作用,這為交聯淀粉酯應用于冷凍食品提供了理論依據。

2.4 交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯糊化性質

不同取代度交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的糊化性質見表4,大米淀粉經過交聯酯化后,其糊化性質發生了顯著變化,且不同取代度的交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯也表現出不同的糊化性質。峰值黏度是衡量淀粉持水性的指標[3],最終黏度表示淀粉糊化后形成凝膠的強度[22]。與原大米淀粉相比,CLOSRS的峰值黏度、最低黏度和最終黏度值均明顯上升,且均隨著取代度的升高而增加,最大取代度CLOSRS的峰值黏度和最終黏度分別為5326 cp和5599 cp,表明CLOSRS的持水性明顯增加,凝膠強度明顯增強。Thirathumthavornd等報道了不同聚合度的大米淀粉和木薯淀粉經過OSA酯化后的峰值黏度都升高了3倍左右[6]。Ruan等研究發現不同濃度淀粉、不同反應轉速下馬鈴薯淀粉酯化后的黏度也得到了不同程度的提升[17]。據Vandeputte等報道峰值黏度主要受淀粉顆粒膨脹程度的影響[23]。交聯大米淀粉經OSA酯化后,其上的親水基團將有利于水分子滲入淀粉顆粒之中,從而引起峰值黏度的上升。

大米淀粉經過交聯酯化后的崩解值和回生值均明顯降低,且隨著取代度的提高而下降,而糊化溫度也有一定程度的下降,如最大取代度下的崩解值、回生值和糊化溫度分別為87、273 cp和76.32 ℃,均明顯低于原淀粉的數值。崩解值和回生值的下降表明淀粉酯的熱穩定性上升,回生性降低,抗老化能力提升。糊化溫度的降低表明樣品更易糊化[15]。宋曉燕等發現不同取代度的糯玉米淀粉酯的糊化溫度也有不同程度的下降,且隨著取代度的升高而降低[24]。Sandhu等研究發現不同顆粒大小的馬鈴薯淀粉在不同pH條件下經OSA酯化后,其回生值和成糊溫度表現出不同的趨勢,大顆粒和小顆粒淀粉在pH為4時回生值均下降,糊化溫度均上升,小顆粒淀粉在pH為6和8時回生值升高,糊化溫度降低,大顆粒淀粉則回生值上升,糊化溫度也上升[3]。淀粉酯的熱穩定性、回生性和糊化溫度與OSA引入淀粉分子中的疏水基團有關,OSA分子與淀粉酯化后,使得淀粉分子間形成了網狀結構,而本文中利用交聯淀粉進行酯化,更加強化了這種結構,故交聯淀粉酯表現出較高的熱穩定性和較低的回生性,但由于強度增加其糊化溫度下降不是很明顯。

3 結論

影響交聯淀粉酯化的主次順序依次為:OSA用量>酯化時間>酯化溫度>pH。制備交聯辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的最佳工藝條件為:酯化溫度85 ℃、pH9.5、OSA用量4.0%、酯化時間2.5 h。在最佳工藝條件下,交聯淀粉酯的取代度為0.0198。

相比于原大米淀粉,CLOSRS的溶解度、透明度和凍融穩定性均得到提升,尤其是凍融穩定性提升效果明顯。糊化性能方面,CLOSRS的峰值黏度、最低黏度和最終黏度明顯升高,但崩解值和回生值明顯下降,糊化溫度也有不同程度降低。CLOSRS表現出更高的持水性、凝膠強度和熱穩定性以及抗老化的能力。

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