油莎豆辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備及結構表征

韓 墨， 樊 榮， 楊鈺婷， 汪雨晴， 吳修利

(長春大學食品科學與工程學院，長春 130022)

油莎豆(CyperusesculentusL.)是集糧、油、牧、飼于一體的優質、高產、高效的經濟作物。干油莎豆中淀粉高達25%～45%，油莎豆淀粉屬于慢消化淀粉，作為低血糖生成指數食品，可維持餐后血糖穩定，有效減少餐后血糖負荷，提高機體對胰島素的敏感性[1]。

辛烯基琥珀酸酐(octenyl succinic anhydride, OSA)，又稱OSA淀粉酯，商品名為純膠，由于在淀粉酯化反應時引入了疏水的辛烯基，潤濕性增強，使整個淀粉分子具有兩親性，從而改善了天然淀粉耐濕性低、脆性大、與疏水聚合物不相容等缺陷，降低了糊化溫度和焓，提高了溶脹力以及糊液黏度和透明度，在食品工業中有廣泛的應用，尤其作為乳化劑、包封劑和脂肪替代物等方面[2]。

關于OSA改性不同來源的淀粉已得到廣泛關注[3]。OSA淀粉酯目前已被用于生產抗性淀粉?？剐缘矸凼墙】等梭w小腸無法消化吸收、但能被結腸中微生物發酵分解的淀粉及其降解產物，具有比膳食纖維更優越的生理功能，對維護腸道健康和降低膳食后血糖濃度等有重要作用[4]。抗性淀粉分為四種類型，OSA淀粉酯屬于化學改性抗性淀粉(RS4型)中的一種，研究發現以3% OSA改性的蠟質玉米淀粉經熱濕處理后對于人體餐后血糖反應顯著低于原淀粉[5]。

目前關于油莎豆OSA淀粉酯的研究鮮有報道。本研究以油莎豆淀粉為原料，選用水相法制備OSA淀粉酯。對OSA淀粉酯的糊液透明度、凍融穩定性、抗性淀粉含量和接觸角進行分析，并對淀粉酯結構進行表征，旨在為油莎豆資源開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油莎豆淀粉：實驗室自制，脂肪含量：(0.100±0.053)%、蛋白質含量：(0.141±0.183)%；無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸：分析純。

1.2 儀器與設備

UV-270 0型紫外可見分光光度計，NICOLETIS 5型傅里葉紅外儀，SL200KS型接觸角儀，JSM-6510LA型掃描電子顯微鏡，D2 PHASER A型X射線衍射儀。

1.3 方法

1.3.1 油莎豆OSA淀粉酯的制備

參考陸蘭芳等[6]方法并做適當修改，將25.00 g油莎豆淀粉與去離子水配置成質量分數40%的淀粉乳，置于三口瓶中35 ℃恒溫攪拌。在1 h內分別緩慢加入淀粉干基1%、2%、3%的OSA稀釋液(用無水乙醇稀釋2.5倍)，反應過程滴加2% NaOH溶液維持反應體系pH=8.5，反應2 h后用2%的HCl溶液調整體系pH=6.5終止反應。4 000 r/min離心10 min，棄去上清液，沉淀物依次用去離子水、95%乙醇洗滌各3次，45 ℃烘干，過150 μm篩，即得油莎豆OSA淀粉酯。

1.3.2 取代度(DS)的測定

采用滴定法[7]測定油莎豆OSA淀粉酯取代度。取代度(DS)和反應效率(RE)計算公式見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：W為檢測樣品質量/g，W1為辛烯基琥珀酸酐的質量/g；W2為油莎豆淀粉的質量/g；162.4為葡萄糖單位的相對分子質量；210為辛烯基琥珀酸酐的相對分子質量；C為NaOH濃度/mol/L；V為滴定消耗NaOH體積/mL。

1.3.3 油莎豆OSA淀粉酯性質檢測

1.3.3.1 凍融穩定性檢測

油莎豆OSA淀粉酯的凍融穩定性檢測參考趙凱[8]等方法。將樣品與去離子水配制成質量分數為5%(m/V)的淀粉乳，沸水浴攪拌糊化30 min，并加入去離子水保持淀粉糊原有體積。冷卻至室溫后將淀粉糊于離心管中，于-18 ℃條件下冷凍18 h。在室溫下自然解凍6 h，4 000 r/min離心15 min，棄上清液，稱量沉淀物質量。重復進行4 d，析水率計算公式見式(3)。

(3)

式中：m1為淀粉糊的質量/g；m2為沉淀物的質量/g。

1.3.3.2 透明度檢測

油莎豆OSA淀粉酯的透明度參考陳燕芳等[9]方法并加以修改。將0.20 g樣品與去離子水配制成質量分數為1%的淀粉乳溶液，在95 ℃水浴中加熱攪拌30 min。冷卻至室溫后以去離子水為空白，用紫外可見分光光度計于620 nm處測定透光率。

1.3.3.3 抗性淀粉含量檢測

油莎豆OSA淀粉酯抗性淀粉含量采用AOAC-DNS法[10]檢測。以葡萄糖為標準物，DNS法繪制還原糖標準曲線，方程為y=1.678 08x+0.063 01(R2=0.999 34)。

抗性淀粉含量(RS)計算公式見式(4)。

(4)

式中：M為葡萄糖含量/g；W為分析樣本的干重/g,干重=質量×(100-含水量)/100；0.1為待測液體積/mL；0.9為葡萄糖與脫水葡萄糖之間的換算系數。

1.3.4 傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析

采用KBr加壓法。按1∶180比例將干燥的樣品與光譜純KBr研磨，壓成透明薄片，在分辨率4 cm-1，400 0～400 cm-1范圍進行全波段掃描，繪制紅外光譜圖。

1.3.5 掃描電鏡分析(SEM)

測試前將樣品50 ℃烘干至恒重，少量樣品固定在導電膠上，真空鍍金處理后置于掃描電子顯微鏡樣品室中，對樣品進行觀察并拍照。

1.3.6 接觸角的測定

采用KBr壓片法將淀粉樣品壓制成圓片，以去離子水為檢測液，進行接觸角的測定。

1.3.7 X-射線衍射分析

采用X-射線衍射儀對淀粉的晶體結構進行分析。采用Cu-Kα射線(λ=1.542 ?)，電壓40 kV，電流30 mA，掃描范圍10°～40°，步長0.02°，掃描速率8.00(°)/min。

1.4 數據統計與分析

試驗均重復測定3次，取平均值。采用SPSS20.0統計軟件進行最小顯著性差異(LSD)檢驗，利用Origin8.5軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 不同OSA添加量對油莎豆OSA淀粉酯取代度的影響

取代度反映了辛烯基琥珀酸淀粉酯修飾的程度，取代度越高意味著酯化程度越高。由表1可以看出隨OSA用量的增加油莎豆OSA淀粉酯取代度增大，反應效率降低。這是因為OSA用量增大時，淀粉分子周圍能夠參與酯化反應的OSA分子增多，酯化程度增大，取代度增加。但當OSA用量增大時，需使用更多的稀釋液和NaOH溶液來維持體系pH的穩定，稀釋效應導致水不溶的OSA和淀粉相之間混合不充分，因此反應效率降低[11]。

表1 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯特征參數

根據淀粉消化率和水解時間，淀粉通常分為三個連續的消化部分：快速消化淀粉(<20 min)，慢消化淀粉(20～120 min)和抗性淀粉(>120 min)，消化率的差異歸因于許多因素的相互作用，如淀粉顆粒大小、直鏈淀粉/支鏈淀粉比例、鏈長分布、結晶度和淀粉結晶類型，以及淀粉中OSA基團的數量和分布[12]。由表1可知，當OSA用量從1%增加到3%時，制備的油莎豆OSA淀粉酯的抗性淀粉含量呈明顯上升趨勢，不同反應程度的淀粉酯抗性淀粉含量均高于油莎豆原淀粉。Remya等[13]在比較OSA改性木薯淀粉和馬鈴薯淀粉制備RS4型抗性淀粉含量時也發現了類似的現象。經OSA反應后，酯化淀粉與淀粉葡糖苷酶和胰淀粉酶的非競爭性抑制劑的作用相似，并且由于淀粉分子中引入的OSA基團導致底物空間位阻效應和疏水環境，阻礙了與酶活性位點結合從而延緩了淀粉的酶解[14]，水解反應效率下降，抗性淀粉含量增加。

OSA淀粉酯具有優良的乳化分散性能，顆粒兩親性是判斷顆粒能否穩定乳液的重要標準之一，顆粒能否在油水界面吸附取決于其潤濕性，通過測定淀粉在空氣-水界面上的接觸角評價潤濕性的大小[15]。油莎豆淀粉表面接觸角為31.88°，與小麥淀粉(29°)、玉米淀粉(45°)、大米淀粉(48°)馬鈴薯淀粉(63°)相比較均介于15°～129°，形成的乳液可能是O/W類型[16]。隨著酯化反應的增加，接觸角逐漸增大。顯然隨油莎豆淀粉分子中引入OSA殘基基團數量增加，部分親水羥基被相對疏水的酯基取代，使酯化淀粉具有兩親性和界面性[17]，接觸角變大。吳媛莉[18]等采用OSA對籽粒莧淀粉進行疏水改性制備OSA淀粉酯時也發現了同樣的規律。

2.2 糊液透明度分析

從圖1可以看出隨著用于改性的OSA濃度的增加，淀粉酯糊液透明度逐漸增高。Bhosale等[19]在對改性的OSA糯玉米和莧菜淀粉研究過程也觀察到了這種現象。辛烯基琥珀酸酰化引起的淀粉顆粒和分子結構的變化有利于淀粉顆粒中水分的滲透和吸收，導致淀粉顆粒更易膨脹，致使更多光穿過而非反射，因而糊液的透明度提高。

圖1 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯糊液透明度

2.3 凍融穩定性分析

凍融穩定性能夠反映出淀粉糊液經凍融循環后保持原有膠體結構的特性[20]。由圖2可知油莎豆淀粉經過一個凍融周期后析出47.92%的水，這也說明油莎豆淀粉在冷凍存儲過程中極易老化。隨著OSA修飾油莎豆淀粉程度的增加，油莎豆OSA淀粉酯析水率均明顯低于油莎豆淀粉，且析水率隨OSA添加量增加逐漸降低，凍融穩定性逐漸增強。油莎豆淀粉分子中引入了疏水基團，可以阻止淀粉分子間氫鍵形成，大分子基團形成的空間位阻對淀粉中直鏈、支鏈分子的重排均造成影響，降低了游離水的析出，因此油莎豆OSA淀粉酯凍融穩定性優于油莎豆淀粉[21]。

圖2 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯糊液凍融穩定性

2.4 FT-IR分析

圖3 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯紅外光譜圖

2.5 SEM分析

圖4顯示油莎豆原淀粉顆粒表面光滑邊緣清晰、較大顆粒為卵型，較小顆粒為完整球形。而油莎豆OSA淀粉酯顆粒形態特征基本無明顯變化，這說明酯化反應沒有影響淀粉顆粒尺寸的變化。淀粉酯顆粒表面邊緣依舊清晰光滑，這可能與淀粉酯化程度較低、反應條件比較溫和有關。但值得注意的是，酯化反應導致部分淀粉顆粒表面出現輕微腐蝕(箭頭處)和細紋，但這些變化并不影響顆粒的原始形狀[11]。這表明，油莎豆淀粉酯化反應沒有破壞淀粉顆粒的形態結構，反應僅在表面進行，沒有滲透到淀粉顆粒內部。而Remya等[13]在研究OSA對木薯淀粉和馬鈴薯淀粉進行改性時發現，反應后的木薯淀粉沒有出現形態學的變化，而酯化后的馬鈴薯淀粉顆粒表面則出現了裂紋和細孔。

圖4 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯掃描電鏡圖(×5 000)

2.6 X-射線衍射分析

由圖5可知油莎豆淀粉在2θ衍射角15°、17°、18°和23°有強的衍射峰，說明其為典型的A-型結構，表明油莎豆淀粉顆粒是由結晶和非結晶兩部分組成[25]。與油莎豆淀粉相比，隨著OSA添加量的增加，油莎豆OSA淀粉酯X-射線衍射圖譜沒有明顯區別，說明酯化反應主要發生在淀粉的非結晶區[26，27]，淀粉晶型結構并沒有發生改變。電鏡圖上淀粉酯表面出現的輕微侵蝕也證實反應主要發生在淀粉顆粒的表面，該結果與Zheng等[12]的研究一致。

采用軟件峰擬合法計算淀粉樣品的相對結晶度，相比較油莎豆淀粉相對結晶度(30.13%)，1%、2%、3% OSA添加量的油莎豆OSA淀粉酯相對結晶度分別為26.79%、22.28%和19.45%，即隨著取代度增高相對結晶度呈現下降趨勢，這表明隨著酯化反應進行部分淀粉晶體結構受到破壞。

圖5 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯X-射線衍射圖

3 結論

OSA修飾的淀粉與天然淀粉相比具有良好的功能特性。OSA淀粉酯的理化性質和結構與取代度有很大關聯度，研究發現油莎豆OSA淀粉酯的取代度隨OSA用量的增加而增大，反應效率與之相反。淀粉酯的糊液透明度隨OSA添加量的增加而增高，凍融穩定性增強，糊液析水率低于原淀粉。OSA疏水基團的引入，導致淀粉酯接觸角逐漸增大，受空間位阻效應和疏水環境影響，抗酶解能力提高，抗性淀粉含量增加。FT-IR光譜出現新吸收峰，證實OSA與油莎豆淀粉發生了酯化反應。X-射線衍射圖譜顯示油莎豆OSA淀粉酯保持典型的A-型結構，但相對結晶度隨著OSA添加量的增大而下降，說明酯化反應過程中部分淀粉晶體結構受到了破壞，SEM顯示油莎豆OSA淀粉酯部分顆粒表面出現了輕微腐蝕和裂紋。