球磨-辛烯基琥珀酸酯化檳榔芋淀粉的特性研究

劉燦燦,李 濤,萬 成,黃 群,宋洪波,2,*

(1.福建農林大學食品科學學院,福建福州 350002;2.福建省特種淀粉品質科學與加工技術重點實驗室,福建福州 350002)

檳榔芋(Colocasiaesculenta(L). Schott)又稱香芋、荔浦芋,天南星科,芋屬,魁芋類,主產于福建、廣西等沿海地區[1]。該品種地下球莖圓正,形似橢圓,因其外皮粗糙,剖而觀之,內呈檳榔紋,故名“檳榔芋”。檳榔芋產量高,但其深加工開發程度遠不及山藥、馬鈴薯、甘薯等根莖類農作物[2]。由于檳榔芋含水量高,不易貯藏,約30%的檳榔芋在貯藏中腐爛,造成極大的資源浪費,因此開展檳榔芋深加工利用十分必要[3]。檳榔芋中淀粉含量豐富,約占總干物質的85%以上[4]。由于原淀粉存在糊化溫度高、糊黏度低、不溶于冷水等問題,不利于其在工業上應用[5]。

辛烯基琥珀酸(Octenyl Succinic Anhydride,OSA)淀粉酯是一類酯化淀粉,由美國Caldwell和Wurzburg[6]首次制備,并于1953年申請專利。1972年,美國FDA批準其在食品中使用[7]。淀粉經酯化改性后,具有親水性和親油性,可用于水包油型乳液的乳化穩定劑,也可增加乳液黏度,因此可作為乳化劑、增稠劑,前景廣闊[8]。由于淀粉顆粒具有結構緊密的結晶區,導致OSA很難滲透到其內部,酯化反應較難進行,因此取代度較低[9]。球磨作為一種物理改性方法,產生的機械力可以使淀粉的分子結構、晶體結構等發生變化,增加冷水溶解度,亦可促進其化學反應活性[10]。

本研究通過球磨-酯化復合改性檳榔芋淀粉,分析其結構及糊化特性,為擴大其在食品加工中的應用范圍和新產品研發提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

檳榔芋 福建省福鼎市;辛烯基琥珀酸酐(優級純) 美國Sigma公司;篩絹 福州鑫偉誠實驗儀器有限公司;檸檬酸、氯化鈉、碳酸氫鈉、溴化鉀、異丙醇(分析純) 國藥集團化學試劑有限公司。

QM-3SP04型行星球磨機 南京南大儀器有限公司;Phenom ProX型臺式掃描電子顯微鏡 荷蘭Phenom公司;Nicolet iS5型傅立葉變換紅外光譜儀 美國Thermo Scientific公司;Ultima IV型X-射線粉末衍射儀 日本Rigaku公司;DSC1型差示掃描量熱儀 瑞士Mettler Toledo公司;RVA-TecMaster型快速粘度儀 瑞典Perten公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原淀粉的制備 檳榔芋經揀選、清洗、去皮,切成5 mm×5 mm方塊,置于復配護色劑(0.05%檸檬酸,0.10%氯化鈉,0.35%碳酸氫鈉)中室溫護色30 min,加入3倍蒸餾水打漿,漿液依次過紗布,100目、200目篩絹后,靜置沉降12 h,離心(4000 r/min,15 min),80%乙醇洗3次,水洗3次,反復除雜,于40 ℃干燥24 h,粉碎過100目篩,制得原淀粉(簡稱為NS)[11]。置于干燥器中儲存備用。

1.2.2 酯化淀粉的制備 參照Zhang等[12]的方法有所修改。稱取一定量原淀粉(NS),配制成35%(W/W)淀粉乳,加入5%(W/W)NaOH溶液,調節并維持pH至8.0,加入3%(W/W)OSA,35 ℃下勻速攪拌,反應4 h;用濃度為3%(V/V)HCl 溶液調節pH至6.5,離心(5000 r/min,10 min,下同),再用80%乙醇洗3次,水洗3次,于40 ℃干燥24 h,粉碎過100目篩,制得酯化淀粉(簡稱為ES)。置于干燥器中儲存備用。

1.2.4 復合改性淀粉的制備 由于淀粉經球磨處理后冷水溶解度顯著增加,使黏度增大,因此只能采用較低濃度的球磨淀粉乳進行進一步酯化反應。稱取一定量球磨淀粉(BMS),配制成10%(W/W)淀粉乳,酯化反應過程基本按照1.2.2的方法進行,差別在于反應時間為3 h。制得的球磨-辛烯基琥珀酸淀粉酯,簡稱復合改性淀粉(命名為CS)。置于干燥器中儲存備用。

1.2.5 常規化學成分分析 淀粉、水分、蛋白質、脂肪、粗纖維、灰分的測定分別按照GB 5009.9-2016、GB 5009.3-2016、GB 5009.5-2016、GB 5009.6-2016、GB/T 5009.10-2003、GB 5009.4-2016。

1.2.6 取代度(DS)測定 參照Królikowska等[14]的方法,并稍作修改。DS的計算公式如下:

式(1)

式(1)中:A為滴定時NaOH消耗的體積(mL);M為NaOH溶液的摩爾濃度(mol/L);W為淀粉試樣的干重(g);0.210為辛烯基琥珀酸基團的毫摩爾質量(g/mmol);0.162為無水葡萄糖單元的毫摩爾質量(g/mmol)。

1.2.7 顆粒形貌觀察 將適量樣品,用導電膠固定在樣品臺上,噴金處理,采用掃描電子顯微鏡觀察,放大倍數5000×和20000×,加速電壓15 kV[15]。

1.2.8 紅外結構表征 取1～2 mg淀粉試樣與KBr以1∶100比例混合,充分研磨,灌注于壓模中,抽真空壓片,20 MPa壓力下保持60 s,壓至透明,掃描范圍4000～400 cm-1,分辨率0.8 cm-1,掃描次數64[16]。

1.2.9 晶體結構分析 采用X-射線衍射儀測定,管壓40 kV,電流40 mA,Cu靶,2θ角范圍5～35 °,掃描速率6 °/min,掃描步長0.02 °[17]。采用MDI Jade 6.0分析軟件處理實驗數據,相對結晶度的計算參照Nara等[18]的方法。

老道沒等王祥說完就接過話茬：“你這批玉器因為是不祥之物，內行人自是不會沾手，若是單單當作普通玉石來賣?！崩系勒f道略微遲疑了一會兒，“我想不會超過3萬元吧，如果仔細鑒定可能還有價值提升的空間，但是最多不會超過5萬，而且說不定露出馬腳，3萬都值不到?！?/p>

1.2.10 熱特性分析 準確稱取3.4 mg淀粉置于坩堝內,加入6.6 μL去離子水,鎖緊壓蓋后于4 ℃平衡24 h,測試前于20 ℃平衡10 min,以空坩堝為對照,溫度范圍20～100 ℃,升溫速率10 ℃/min[19]。

1.2.11 糊化特性分析 采用快速粘度儀(RVA),按照美國谷物化學家協會(AACC)規定標準方法standard 1進行測定。取一定量淀粉,加入裝有25 g蒸餾水的鋁盒中,配成6.0%(W/W)淀粉乳,混勻后放入RVA中。程序設定如下:RVA起始溫度50 ℃下保持1 min,然后于3 min 42 s內升溫到95 ℃,保持2.5 min,再于3 min 48 s內降溫至50 ℃,保溫2 min,總計13 min;攪拌器在起始10 s內轉速為960 r/min,其后保持160 r/min。

1.2.12 統計分析 應用DPS 7.05軟件分析,采用Duncan新復極差法檢驗組間差異顯著性(p<0.05);使用Microsoft Excel 2003進行數據統計分析,數據表示為平均值±標準差(n=3);采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 主要化學成分

測定檳榔芋原淀粉的主要化學成分,結果見表1。

表1 檳榔芋原淀粉的主要化學成分(%)

由表1可知,制備的檳榔芋原淀粉雜質含量較少,換算干基的淀粉純度約為97.82%。

2.2 不同酯化改性處理對取代度的影響

由表2可知,CS較ES的取代度顯著增加(p<0.05)。這是由于酯化改性首先在淀粉顆粒表面進行,且主要發生在無定形區;如果結晶區結構緊密,不利于化學反應的進行,則產品取代度低[20]。淀粉經球磨后,顆粒表面受損,比表面積增加,淀粉牢固氫鍵和晶體結構的破壞可能導致具有活性的羥自由基暴露,反應活性位點增加,有利于酯化反應進行,因此取代度增加[21]。

表2 不同酯化改性淀粉樣品的取代度

2.3 顆粒形貌分析

如圖1所示,NS顆粒表面光滑,呈多角形,棱角顯著,顆粒大小均一,通過掃描電鏡標尺估算,顆粒直徑約為1～3 μm。ES形狀和大小沒有明顯變化,在顆粒表面出現輕微的腐蝕[20]。BMS顆粒表面十分粗糙,有的表面出現凹陷,有的甚至被沖擊成扁長狀,顆粒破碎明顯,這主要是淀粉顆粒受摩擦、碰撞、沖擊、剪切等機械力的作用引起的[22]。CS顆粒已熔融為一體,在視野中無完整淀粉顆粒存在,可能是由于球磨后,淀粉內部晶體結構受到嚴重損傷,再用濕法酯化改性時,淀粉首先在水中溶脹,再與OSA反應,導致沒有完整的淀粉顆粒存在,經干燥粉碎后,形狀變得更不規則[13]。

圖1 檳榔芋原淀粉和不同改性淀粉的掃描電鏡顯微照片(5000×和20000×)

2.4 紅外表征

如圖2所示,3400 cm-1附近較寬的吸收峰與分子間或分子內羥基(O-H)伸縮振動有關,2931 cm-1附近主要由亞甲基(-CH2)的C-H不對稱伸縮振動產生的,1647 cm-1附近的峰與淀粉內部結合水的H-O-H彎曲振動有關,1157、1082、1022 cm-1附近明顯的吸收峰是由C-O的伸縮振動引起的,符合淀粉特征振動吸收峰[17,23]。

表3 檳榔芋原淀粉和不同改性淀粉的相對結晶度

圖2 檳榔芋原淀粉和不同改性淀粉的紅外光譜圖

與NS相比,BMS紅外光譜圖中各特征基團吸收峰位置、形狀均無明顯變化,既沒有新的吸收峰出現也沒有某個特征峰的消失,說明經球磨處理并沒有基團的消失和出現,是一種典型的物理改性方法。但ES和CS在1725 cm-1和1572 cm-1處出現了兩個新的吸收峰,其中1725 cm-1為羰基C=O的伸縮振動特征吸收峰,說明淀粉與OSA發生了酯化反應,并以酯鍵形式與淀粉葡萄糖單元上的羥基相連;辛烯基琥珀酸淀粉酯是在堿性條件下合成的,其以辛稀基琥珀酸淀粉納的形式存在,由于RCOO-羧基的不對稱伸縮振動,在波數1572 cm-1也出現一個特征峰[20]。但1725 cm-1和1572 cm-1處特征吸收峰的強度并不大,說明OSA基團的酯化程度較低;與ES相比,CS在1725 cm-1和1572 cm-1處吸收峰的相對強度更大,這與其取代度的測定結果吻合。除波數1725 cm-1和1572 cm-1外,ES、CS與NS的紅外吸收光譜圖基本一致,說明除了引入OSA基團外并未引入其它雜質。

2.5 晶體結構

如圖3所示,NS和ES在衍射角2θ為15.2°和23.2°處出現較強的衍射峰,在17.2°和18.1°處出現雙峰結構,說明結晶類型均為A型[24]。由此可見,ES的衍射峰位置基本沒有發生改變,表明酯化反應主要發生在無定形區和顆粒表面,并沒有改變淀粉的晶體結構[20]。然而,ES的相對結晶度略低于NS,這歸因于酯化改性后,淀粉分子鏈上的羥基部分被酯基取代,破壞了淀粉分子間或分子內氫鍵,使淀粉的結構變得松散,結晶度下降[25]。BMS呈現廣泛分布的彌散峰特征,屬于典型的無定形區衍射圖譜,這說明淀粉中分子間和分子內氫鍵受到強烈機械力的顯著破壞,導致晶體結構的變形,微晶大小的變化和結晶度的降低,使其衍射峰減少[26]。CS與BMS相比,2θ為15°、23°處衍射峰強度增強,晶體結構發生改變,結晶度從5.33%增加到6.13%,這是因為酯化改性后淀粉鏈段部分裂解,重新取向、結晶,從而結晶度升高[13]。

圖3 檳榔芋原淀粉和不同改性淀粉的X-射線衍射圖譜

2.6 熱特性

糊化溫度與淀粉顆粒微晶的完美程度相關,糊化焓與結晶度有關[20];ΔH主要反映了糊化時破壞淀粉雙螺旋結構所需要的能量,但并不包括破壞淀粉內部全部晶體結構所需的能量[27]。

如表4所示,與NS相比,改性淀粉的熱特性均發生了顯著改變。ES的To、Tp、Tc,R和ΔH均顯著低于NS(p<0.05),這是因為疏水性長鏈烯基基團的引入,削弱了淀粉分子間氫鍵作用力,使緊密晶體結構變得松散,有助于淀粉顆粒在較低溫度下吸水膨脹[25];大型長鏈烯基基團引入淀粉分子的骨架,增強了其結構的柔韌性,也有助于降低其糊化溫度和焓值[28]。BMS的To、Tp、Tc更低、R更窄和ΔH更小,是由于球磨使淀粉顆粒受到損傷,晶體結構破壞所致。CS的To、Tp、Tc最低,R和ΔH介于ES和BMS之間,可能的原因是淀粉分子結構發生重排,交聯程度較BMS增加所致。

表4 檳榔芋原淀粉和不同改性淀粉的熱力學特性參數

2.7 糊化特性

由圖4可知,檳榔芋原淀粉和不同改性淀粉的糊化曲線均呈現先增大后減小再增大趨勢。這是由于在糊化過程中,水分子破壞了淀粉分子間氫鍵,使之溶脹溶于水中,黏度增加。

圖4 檳榔芋原淀粉和不同改性淀粉的糊化曲線

達到峰值粘度(PV)后,溫度不變,繼續攪拌,黏度快速降低,這是由于機械攪拌對淀粉糊產生剪切力,引起膨脹淀粉顆粒破裂所致。PV與最低粘度(TV)的差值記為破損值(BD),表示高溫剪切過程中顆粒的脆性和淀粉糊的穩定性。下降到50 ℃,黏度升高,這是由于部分相鄰淀粉分子鏈間以氫鍵相連,重排所致[29]。最終粘度(FV)與TV的差值記為回生值(SB),反映淀粉糊的抗老化能力。黏度開始增大時的溫度也稱為糊化溫度(GT),淀粉的高糊化溫度表現出較高的抗腫脹和破裂的能力。

由表5可知,與NS相比,ES具有較低的GT、峰值時間(PT)和較高的PV、TV、FV,并且差異顯著(p<0.05)。PT的降低表示經OSA改性后,ES淀粉顆粒需要更少時間(PT)達到最大程度的腫脹。PV、TV、FV均顯著增加(p<0.05),是由于大型長鏈烯基基團的引入使淀粉分子量增加,在水溶液中相互纏繞更緊密;另一方面是因為疏水烯基長鏈在ES中的締合作用可以通過疏水相互作用形成網絡結構[30]。長鏈烯基基團引起的空間位阻影響淀粉鏈間結構重組,淀粉分子有序結構被破壞,改變了淀粉親水性和氫鍵,淀粉顆粒內水分的滲透增加,使淀粉分子更易糊化,GT降低[31]。BMS較NS的GT顯著降低(p<0.05),由84.33 ℃降低到67.93 ℃,是由于顆粒破碎,晶體結構遭到破壞,使其在低溫下可以吸收大量水分;PV、TV、FV值均顯著降低(p<0.05),是由于吸水腫脹的完整顆粒數目減少所致;SB顯著降低(p<0.05),是因為經球磨后,淀粉大分子被破壞,分子間相互作用小于NS所致[32]。與NS、ES、BMS相比,CS具有最高的PV和最低的GT,這是由于顆粒微晶的破壞有助于水分子擴散到顆粒內部,長鏈烯基基團的引入也增加了淀粉分子的兩親性[33],使GT顯著降低(p<0.05),同時,大量大型長鏈烯基基團的引入,使淀粉內部網絡結構加強[31],PV顯著增加(p<0.05)。

表5 檳榔芋原淀粉和不同改性淀粉的糊化特性參數

3 結論

3.1 酯化淀粉顆粒形貌無明顯變化,其晶體結構也基本未破壞;紅外光譜圖1725、1572 cm-1處出現兩個新特征峰,說明發生了酯化反應;由于長鏈烯基基團的引入,其糊化溫度(To、Tp、Tc)降低、淀粉糊黏度(PV、TV、FV)升高。

3.2 球磨淀粉的顆粒破碎明顯,晶體結構遭到嚴重破壞,但化學結構未改變;糊化溫度及糊黏度均顯著降低(p<0.05)。

3.3 檳榔芋淀粉經球磨處理再進行酯化反應,球磨處理使淀粉顆粒崩裂、破碎、晶體結構破壞,具有活性的羥基暴露,促進酯化反應進行,因此復合改性淀粉的取代度由僅酯化改性淀粉的0.01756增加到0.01994,且在紅外光譜圖1725、1572 cm-1處特征峰強度增強,酯化度增高;糊化溫度明顯降低(p<0.05),峰值溫度為65.69 ℃;糊黏度顯著升高(p<0.05),峰值黏度為5063.67 mPa·s。因此,復合改性淀粉具有優良的低溫糊化和增稠性能。

[1]陳子意. 檳榔芋全粉擠壓膨化特性的研究[D]. 福州:福建農林大學,2015.

[2]王曉丹,陸國權,常銀子. 醋酸酯化芋艿改性淀粉的制備及其性質研究[J]. 食品工業科技,2015,36(3):128-132.

[3]Aboubakar,Njintang Y N,Scher J,et al. Physicochemical,thermal properties and microstructure of six varieties of taro(Colocasiaesculenta,L. Schott)flours and starches[J]. Journal of Food Engineering,2008,86(2):294-305.

[4]Zhu F. Structure,properties,and applications of aroid starch[J]. Food Hydrocolloids,2016,52:378-392.

[5]杜秀杰,陳發河,吳光斌. 檳榔芋淀粉物性研究[J]. 中國糧油學報,2012,27(7):52-57.

[6]Caldwell C G,Wurzburg O B. Polysaccharide derivatives of substituted dicarboxylic acids:US,US 2661349 A[P]. 1953.

[7]Song X Y,Chen Q H,Hui R,et al. Synthesis and paste properties of octenyl succinic anhydride modified early Indica,rice starch[J]. 生物醫學與生物技術,2006,7(10):800-805.

[8]Marku D,Wahlgren M,Rayner M,et al. Characterization of starch Pickering emulsions for potential applications in topical formulations[J]. International Journal of Pharmaceutics,2012,428(1-2):1-7.

[9]張正茂,闞玲. 機械活化玉米淀粉的辛烯基琥珀酸酐酯化改性[J]. 食品科學,2015,36(8):86-91.

[10]陳淵,李家貴,黃祖強,等. 醋酸酯化對機械活化玉米淀粉微生物降解性能的影響[J]. 食品工業科技,2010(9):110-113.

[11]Jiang Q,Gao W,Shi Y,et al. Physicochemical properties and invitro,digestion of starches from different Dioscorea,plants[J]. Food Hydrocolloids,2013,32(2):432-439.

[12]Zhang Z,Zhao S,Xiong S. Physicochemical properties of indica,rice starch modified by mechanical activation and octenyl succinic anhydride[J]. Starch-St?rke,2016.

[13]Tan X,Zhang B,Chen L,et al. Effect of planetary ball-milling on multi-scale structures and pasting properties of waxy and high-amylose cornstarches[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies,2015,30:198-207.

[14]Królikowska K,Fortuna T,Pietrzyk S,et al. Effect of modification of octenyl succinate starch with mineral elements on the stability and rheological properties of oil-in-water emulsions[J]. Food Hydrocolloids,2017,66:118-127.

[15]Wang S,Zhang X,Wang S,et al. Changes of multi-scale structure during mimicked DSC heating reveal the nature of starch gelatinization[J]. Scientific Reports,2016,6:28271.

[16]Miao M,Li R,Jiang B,et al. Structure and physicochemical properties of octenyl succinic esters of sugary maize soluble starch and waxy maize starch[J]. Food Chemistry,2014,151(20):154-160.

[17]Hong J,Zeng X A,Buckow R,et al. Nanostructure,morphology and functionality of cassava starch after pulsed electric fields assisted acetylation[J]. Food Hydrocolloids,2016,54:139-150.

[18]Nara S,Komiya T. Studies on the relationship between water-satured state and crystallinity by the diffraction method for moistened potato starch[J]. Starch-St?rke,1983,35(12):407-410.

[19]Huang T T,Zhou D N,Jin Z Y,et al. Effect of repeated heat-moisture treatments on digestibility,physicochemical and structural properties of sweet potato starch[J]. Food Hydrocolloids,2016,54:202-210.

[20]Bao Z,Mei J Q,Bo C,et al. Digestibility,physicochemical and structural properties of octenyl succinic anhydride-modified cassava starches with different degree of substitution[J]. Food Chemistry,2017,229:136-141

[21]Zhang Y,Tao G,Hu H,et al. A Green Technology for the preparation of high fatty acid starch esters:Solid-phase synthesis of starch laurate assisted by mechanical activation with stirring ball mill as reactor[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2014,53(6):2114-2120.

[22]Tian Y L,Ying M,Shi F Y,et al. The effect of ball milling treatment on structure and porosity of maize starch granule[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies,2011,12(4):586-593.

[23]Gu F,Li B Z,Xia H,et al. Preparation of starch nanospheres through hydrophobic modification followed by initial water dialysis.[J]. Carbohydrate Polymers,2015,115(115):605-612.

[24]Li W,Cao F,Fan J,et al. Physically modified common buckwheat starch and their physicochemical and structural properties[J]. Food Hydrocolloids,2014,40(10):237-244.

[25]Zhenga Y,Hu L,Ding N,et al. Physicochemical and structural characteristics of the octenyl succinic ester of ginkgo starch[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2017,94(Pt A):566-570.

[26]Roa D F,Santagapita P R,Buera M P,et al. Ball milling of amaranth starch-enriched fraction. Changes on particle size,starch crystallinity,and functionality as a function of milling energy[J]. Food & Bioprocess Technology,2014,7(9):2723-2731.

[27]Ming M,Tao Z,Bo J. Characterisations of kabuli and desi chickpea starches cultivated in China.[J]. Food Chemistry,2009,113(4):1025-1032.

[28]Sharma M,Singh A K,Yadav D N,et al. Impact of octenyl succinylation on rheological,pasting,thermal and physicochemical properties of pearl millet(Pennisetumtyphoides)starch[J]. LWT-Food Science and Technology,2016,73:52-59.

[29]Li W,Shan Y,Xiao X,et al. Physicochemical properties of A-and B-starch granules isolated from hard red and soft red winter wheat[J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry,2013,61(26):6477-6484.

[30]Chen H M,Huang Q,Fu X,et al. Ultrasonic effect on the octenyl succinate starch synthesis andsubstitution patterns in starch granules[J]. Food Hydrocolloids,2014,35(3):636-643.

[31]Ovando-Martinez M,Whitney K,Ozsisli B,et al. Physicochemical properties of octenyl succinic esters of cereal,tuber and root starches[J]. Journal of Food Processing & Preservation,2017,41(1):1-9.

[32]Zhang Z M,Zhao S M,Xiong S B. Morphology and physicochemical properties of mechanically activated rice starch[J]. Carbohydrate Polymers,2010,79(2):341-348.

[33]Li N,Niu M,Zhang B,et al. Effects of concurrent ball milling and octenyl succinylation on structure and physicochemical properties of starch[J]. Carbohydrate Polymers,2017,155:109-116.