不同分子量辛烯基琥珀酸蠟質玉米淀粉酯的制備及其性能

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(1.浙江師范大學化學與生命科學學院,浙江金華 321000;2.浙江省農業科學院食品科學研究所,浙江省果蔬保鮮與加工技術研究重點實驗室,農業農村部果品產后處理重點實驗室,浙江杭州 310021)

淀粉作為最重要的農業加工品之一,被廣泛應用于食品、制藥和輕紡化工等多個領域,但天然淀粉包括蠟質玉米淀粉在內,因性能局限性難以直接滿足各領域的需求[1]。辛烯基琥珀酸淀粉酯(octenyl succinic anhydride modified starch,簡稱OSAS),是淀粉與辛烯基琥珀酸酐(OSA)經酯化反應得到的改性產物,具有油水兩親的乳化性質,是近幾年國內外變性淀粉研究與開發的熱點之一[2-4]。OSAS具有安全無毒、生物相溶性好、體內可降解等優點[5],在食品工業中常用作乳化劑[6-8]、穩定劑[9]和微膠囊壁材[10]等。

淀粉與OSA發生酯化反應,生成的OSAS大多屬于高黏度型[11],可適用于工業生產應用中一些高黏度需求的產品,如在調和色拉油中作為增稠穩定劑等。但是,對于一些黏度要求低的產品,如微膠囊類制品,就需要OSAS在保持原有優良性能的基礎上具有更低的黏度[12]。因此,為了滿足這些產品的生產與應用需求,需將制得的高黏度OSAS進行降解,或者將天然淀粉原料先降解處理再進行酯化[13-16]。本文采用水相法制備淀粉酯,再通過β-淀粉酶對其降解,將OSAS大分子降解成不同相對分子質量的小片段,通過物性分析和結構表征,探究其分子量與理化性質間的相互關系,以期為OSAS在工業生產中的更廣泛應用及蠟質玉米淀粉深加工提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蠟質玉米淀粉 甘肅昆侖生化有限責任公司;辛烯基琥珀酸酐OSA(純度≥99.5%) 山東濟南浩化實業有限責任公司;葡聚糖系列標準品(分子量分別為13050、21400、41100、84400、133800和200000 Da) 中國藥品生物制品檢定所;中溫β-淀粉酶(酶活70萬U/mL) 上海源葉生物科技有限公司;無水乙醇、鹽酸和氫氧化鈉 分析純,上海國藥集團化學試劑有限公司。

ZHW-02C型全溫振蕩培養箱 太倉市華美生化儀器廠;SCIENTZ-18N型冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司;UV-1800型紫外分光光度計 日本島津公司;R/S plus型黏度計 BROOKFIELD美國博勒飛公司;LXJ-ⅡB型離心機 上海安亭科學儀器廠;TM3000型臺式掃描電子顯微鏡 日本日立公司;Agilent 1100型高效液相色譜儀(G1362A示差折光檢測) 安捷倫科技有限公司;XMTD-8222型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司;DHG-9146A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗室備有限公司; BS200S-WE1型電子天平 余姚金諾電子天平儀器有限公司;VERTEX 70型傅里葉紅外光譜儀 BRUKER德國布魯克公司;FE20型pH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;SHZ-D型循環水真空泵 杭州明遠儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 辛烯基琥珀酸蠟質玉米淀粉酯(OSAS)制備 稱取100 g蠟質玉米淀粉置于去離子水中,配制成質量分數為35%的乳液,然后用質量分數2% NaOH(溶液)將乳液pH調至8.5,滴加無水乙醇稀釋5倍的OSA溶液3 g,控制2 h內加完,于恒溫35 ℃水浴中反應3 h(反應過程中pH保持8.5恒定)。反應結束,用質量分數為2%鹽酸將混合物pH調至6.5后,將混合物過濾,得濾餅,濾餅再用去離子水和95%乙醇反復洗滌3次后,置于50 ℃烘箱中平衡24 h,粉碎過100目篩,備用。

1.2.2 OSAS酶解 稱取10 g OSAS(干基)溶于去離子水中,配置成質量分數為35%乳液,用質量分數為2%鹽酸將乳液pH調至5.0。沸水浴攪拌充分糊化1 h,冷卻至55 ℃后,分別加入質量分數為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(占干OSAS質量百分分數)的β-淀粉酶,于55 ℃、120 r/min振蕩培養箱中酶解2 h。酶解結束后,沸水浴中加熱30 min滅酶,冷凍干燥得到酶解OSAS。

1.2.3 OSAS分子量測定 樣品分子量由凝膠滲透色譜法(GPC)測定[17]。色譜條件為:Agilent 1100型高效液相色譜系統,采用TSK G3000 PWxl凝膠柱(300×7.8 mm,7 μm),流動相為超純水,過0.22 μm膜并超聲脫氣,進樣量20 μL,流速1.0 mL/min,檢測器溫度50 ℃,柱溫70 ℃。稱取15 mg酶解樣品于5 mL超純水中,沸水浴充分溶解,趁熱過0.22 μm膜進行分子量分布測定。

1.2.4 黏度測定 準確稱取 1.0 g樣品(絕干)置于100 mL去離子水中,適當攪拌配制成乳液,倒入200 mL高腳燒杯中于常溫進行表觀黏度的測定,使用一號轉子,速度選擇40 r/min。

1.2.5 糊透明度測定 準確稱取0.5 g樣品(絕干)置于50 mL去離子水中,沸水浴加熱糊化并保溫 20 min,冷卻至室溫后以蒸餾水為空白,使用分光光度計在200～800 nm波長范圍內進行全波段掃描,選擇650 nm處得到的透光率來衡量樣品糊透明度。

1.2.6 凝沉性測定 準確稱取 0.5 g樣品置于50 mL 去離子水中,沸水浴中加熱糊化并保溫20 min,冷卻至室溫后精確量取25 mL樣品糊液置于具塞比色管中,常溫放置觀察分層情況。每隔24 h測定并計算上清液的高度與體積,并按以下公式計算凝沉性(retrogradation property,簡稱RP,%):

式中,V1為樣品糊液體積,mL;V2為上清液體積,mL。

1.2.7 膨脹度測定 準確稱取3.0 g樣置于150 mL去離子水中,30 ℃恒溫水浴30 min且4000 r/min離心30 min[18]。棄去上清液,稱量沉積物質量,按公式計算膨脹度(swelling degree,簡稱SD,%):

式中,m1為樣品干基質量,g;m2為離心后沉積物質量,g。

1.2.8 FT-IR分析 紅外光譜儀的波長范圍設定為400～4000 cm-1。分析前,干燥處理好的樣品需與適量KBr混合研磨均勻后進行壓片處理。

1.2.9 SEM分析 將樣品均勻地撒在有膠性物質的樣品臺上進行鍍金處理,于掃描電子顯微鏡樣品室中觀察樣品形貌并拍照。放大倍數為1800倍和5000倍。

1.3 數據處理

所有實驗均重復3次,采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件進行數據處理與分析,不同試驗組數據間差異顯著范圍均取小于0.05(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 加酶量對OSAS分子量的影響

表1給出了不同分子質量葡聚糖標品所對應的保留時間。圖1給出了酶添加量與OSAS分子量對應關系。高分子量辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯標記為L-OSAS(β-淀粉酶添加量為0),較大分子量辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯標記為Lr-OSAS(β-淀粉酶添加量0.5%),中分子量辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯標記為M-OSAS(β-淀粉酶添加量1.0%),較小分子量辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯標記為Sr-OSAS(β-淀粉酶添加量1.5%),小分子量辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯標記為S-OSAS(β-淀粉酶添加量2.0%)。

表1 不同分子質量葡聚糖標準品保留時間Table 1 Retention time of glucan standardsat different molecular weights

圖1 加酶量對OSAS分子量的影響Fig.1 Effect of amount of enzymeson the molecular weight of OSAS注:不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3、圖5同。

以葡聚糖標準品體積排阻色譜圖中的保留時間tR為橫坐標,lgMt為縱坐標進行作圖,從而得到OSAS的相對分子質量標準曲線:y=-0.3977x+9.7452,R2=0.9952。由圖1可以看出,經不同加酶量酶解處理后得到5種OSAS樣品,其分子量在1.0×104～2.0×105Da范圍內呈梯度變化,隨加酶量的增加OSAS分子量顯著下降(P<0.05)。

2.2 分子量對 OSAS物理性質的影響

2.2.1 分子量對OSAS黏度的影響 OSAS加熱糊化時黏度增大,攪拌困難,加入β-淀粉酶后黏度明顯下降,圖2為不同分子量OSAS的黏度測定結果。

圖2 不同分子量對OSAS黏度的影響Fig.2 Effects of different molecular weightson the viscosity of OSAS

圖2表明,隨著分子量的減小,OSAS的黏度在0.0035～0.0010 Pa·s呈現逐漸下降的趨勢,尤其Lr-OSAS比L-OSAS黏度下降明顯,說明酶解這一處理方法能明顯降低OSAS的黏度。其實質是β-淀粉酶酶解切斷了淀粉間部分相互作用的糖苷鍵,導致淀粉鏈的平均長度減短[12]。

2.2.2 分子量對OSAS糊透明度的影響 不同分子量OSAS糊透明度的測定結果見圖3。淀粉顆粒糊化后,其透光度越好,透明度就越高。

圖3 不同分子量對OSAS糊透明度的影響Fig.3 Effects of different molecular weightson the transparency of OSAS pastes

淀粉糊化時分子進行重新排列,其相互締合程度是影響淀粉糊透明度的重要因素。如果分子間或分子內的締合作用較大,則會引起光的折射,使透光度減弱,即透明度下降;淀粉中支鏈淀粉含量越高,分子間締合作用越小,越不易發生分子間聚合,則其透明度越高[18-19]。圖3數據顯示,隨著OSAS分子量的降低,即隨其支鏈淀粉含量的降低,透光率從L-OSAS的28.6%減小至 S-OSAS的23.1%,5種樣品的糊透明度顯著降低。

圖4 不同分子量對OSAS凝沉性的影響Fig.4 Effects of different molecular weightson the retrogradation property of OSAS

2.2.3 分子量對OSAS凝沉性的影響 由圖4可知,Lr-OSAS、M-OSAS、Sr-OSAS、S-OSAS的凝沉性均明顯低于L-OSAS。淀粉顆粒加熱糊化后,因水分子和熱作用,原本有序的淀粉分子會變得雜亂無序;淀粉糊靜置降溫后,因分子勢能的作用,高能態的無序狀態將逐步趨于低能態的有序化,淀粉糊的凝沉是淀粉分子從無序狀態到有序重排的老化過程[20]。在β-淀粉酶作用下,淀粉鏈間糖苷鍵被破壞,導致淀粉平均鏈長減短,且生成更多短鏈,分子勢能降低。因此,酶解處理后,分子量的減小會較大程度地削弱淀粉糊的老化作用,凝沉性降低。

2.2.4 分子量對OSAS膨脹度的影響 玉米淀粉顆粒浸入水中會吸水進行有限的可逆膨脹,而膨脹度的大小能夠間接地表示淀粉內部鍵結合的程度。不同分子量OSAS膨脹度測定結果如圖5所示。

圖5 不同分子量對OSAS膨脹度的影響Fig.5 Effects of different molecular weightson swelling degree of OSAS

由圖5可以看出,Lr-OSAS、M-OSAS、Sr-OSAS、S-OSAS的膨脹度均小于L-OSAS,且其膨脹度隨著分子量的降低也在2.4～2.1范圍內下降。有研究曾發現淀粉的膨脹主要是支鏈淀粉的特性,而直鏈淀粉起到稀釋劑的作用,其含量增加不利于淀粉的膨脹[18-21]。OSAS在β-淀粉酶酶解處理過程中,支鏈淀粉分子會部分降解,導致直鏈淀粉含量增大、支鏈淀粉含量降低,因此膨脹度減小。

2.3 分子量對 OSAS結構性質的影響

2.3.1 分子量對OSAS的 FT-IR影響 由圖6可以看出,在全部樣品FT-IR特征光譜區域內,925、1080和1155 cm-1等處都有非常明顯的因C-O鍵伸縮和振動而產生的吸收峰,1649 cm-1處是因烯醇式C=O鍵伸縮振動產生的特征峰,2922 cm-1處是因C-H鍵伸縮振動產生的特征峰,3390 cm-1處是一個O-H鍵的伸縮振動的較大特征峰。與蠟質玉米原淀粉光譜比較,5種OSAS的光譜中,均分別在1735 cm-1處出現新的特征峰,原因是OSA與淀粉發生酯化反應,經酯化變性處理后的淀粉引入了新的酯鍵與葡萄糖上羥基相連,因而檢測到酯羰基的特征峰[22-23]。

圖6 不同分子量OSAS的 FT-IR光譜Fig.6 FT-IR spectra of OSASwith different molecular weights 注A:Lr-OSAS;B:M-OSAS;C:Sr-OSAS;D:S-OSAS;E:L-OSAS;F:蠟質玉米淀粉。

另外,除波數 1735 cm-1外,蠟質玉米原淀粉與5種OSAS樣品的FT-IR吸收光譜基本相同;除特征峰吸收強度因樣品分子量的不同而差異明顯外,5種OSAS樣品的光譜圖基本相同。綜上所述,蠟質玉米原淀粉和OSA發生了取代反應,生成的OSAS中除引入OSA外,酯化變性和酶法降解處理未引入其他成分[24]。

2.3.2 不同分子量OSAS 的SEM分析 由圖7可見,蠟質玉米淀粉顆粒表面光滑,而L-OSAS顆粒表面明顯因凹陷而粗糙,但并未產生明顯裂痕,說明OSA基團與蠟質玉米淀粉分子酯化作用主要發生在淀粉顆粒的表面[24-25]。而M-OSAS圖中,其顆粒由規則的橢球形改變為不規則狀,推測是由于β-淀粉酶酶解作用導致。

圖7 不同分子量OSAS的SEM照片Fig.7 SEM photos of OSAS with different molecular weights 注:A1和A2分別為蠟質玉米淀粉1800倍和5000倍放大;B1和B2為L-OSAS1800倍和5000倍放大;C1和C2為M-OSAS1800倍和5000倍放大。

3 結論

采用水相法制備得到辛烯基琥珀酸蠟質玉米淀粉酯(OSAS),利用中溫β-淀粉酶酶解處理,得到5種不同相對分子質量的OSAS,經凝膠滲透色譜法測得其分子量在1.0×104～2×105Da范圍內呈梯度減小。物理性質測定結果表明,OSAS的黏度、糊透明度、凝沉性和膨脹度均隨其分子量減小而降低;結構表征結果表明,OSA基團與蠟質玉米淀粉分子酯化作用主要發生在淀粉顆粒的表面,酶解處理不會引入其他基團。本研究初步探究了OSAS分子量與其理化性質間的相互關系,能夠為其更廣泛應用提供一定的理論參考。