復(fù)合交聯(lián)劑對(duì)微波輔助制備馬鈴薯交聯(lián)淀粉性質(zhì)的影響

張佳艷 - 熊建文 n- 秦戰(zhàn)軍 - 趙 萍

(廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院食品與化學(xué)工程系，廣西 柳州 545616)

相較于其他類(lèi)型的糧食作物，馬鈴薯淀粉具有糊化溫度低、糊透明度高、黏度高等優(yōu)點(diǎn)，然而馬鈴薯淀粉的抗酸、抗熱與抗剪切等加工特性較差，限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用，因此近年來(lái)常采用物理、化學(xué)方法對(duì)馬鈴薯淀粉進(jìn)行改性，以提高其加工穩(wěn)定性。交聯(lián)改性是常用的一種化學(xué)改性方法，通過(guò)使用交聯(lián)劑引入新的化學(xué)鍵使淀粉的穩(wěn)定性增強(qiáng)[1]。常用的交聯(lián)劑有環(huán)氧丙烷[2]、環(huán)氧氯丙烷[3]、三偏磷酸鈉[4]、六偏磷酸鈉[5]等。目前中國(guó)多采用單一交聯(lián)劑對(duì)馬鈴薯淀粉進(jìn)行改性，鮮有復(fù)合交聯(lián)劑對(duì)馬鈴薯淀粉進(jìn)行改性的研究報(bào)道，而采用復(fù)合交聯(lián)劑并以微波輔助法制備馬鈴薯交聯(lián)淀粉的研究則尚未有報(bào)道。本研究擬采用三偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉為復(fù)合交聯(lián)劑，采用微波輔助法制備馬鈴薯交聯(lián)淀粉，并將其性質(zhì)與復(fù)合交聯(lián)劑水浴法、單一交聯(lián)劑微波輔助法制備得到的交聯(lián)淀粉的性質(zhì)進(jìn)行比較，探討復(fù)合交聯(lián)劑及微波效應(yīng)對(duì)馬鈴薯淀粉性質(zhì)的影響，以期為馬鈴薯交聯(lián)淀粉產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉：干基含量為87.5%，直鏈淀粉∶支鏈淀粉為23∶77，西亞試劑有限公司；

胰α-淀粉酶(50 U/mg)、糖化酶(400 U/mg)：美國(guó)Sigma公司；

三偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、3,5-二硝基水楊酸：阿拉丁生化科技有限公司；

其他試劑均為分析純。

1.1.2 儀器設(shè)備

微波合成反應(yīng)工作站：MAS-IIPLUS型，上海新儀微波化學(xué)科技有限公司；

紫外可見(jiàn)分光度計(jì)：UV-5100型，上海元析儀器有限公司；

快速黏度儀：Techmaster RVA型，瑞典波通儀器公司；

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡：Su8010型，日本日立高新技術(shù)公司；

差示掃描量熱分析儀：DSC8500 型，美國(guó)Perkin Elmer公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 馬鈴薯交聯(lián)淀粉制備

(1) 復(fù)合交聯(lián)劑微波法：準(zhǔn)確稱(chēng)取25 g馬鈴薯淀粉(干基)與雙蒸水混合，制備得到濃度為40%的淀粉乳濁液，將12%三聚磷酸鈉/三偏磷酸鈉(質(zhì)量比20∶80)復(fù)合交聯(lián)劑與10%無(wú)水硫酸鈉加入淀粉乳中(均以淀粉干基計(jì))[6]，攪拌均勻，放置微波合成反應(yīng)工作站中，設(shè)置功率為450 W，在45 ℃ 下反應(yīng)2 min，微波反應(yīng)過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行磁力攪拌以保證加熱的均勻性。微波反應(yīng)后，采用1 mol/L的HCl溶液調(diào)整淀粉乳液的pH至6.0～6.5，以終止交聯(lián)反應(yīng)，采用4 000 r/min 離心5 min，真空抽濾，用雙蒸水洗滌7次，50 ℃下烘干過(guò)夜，粉碎后過(guò)80目篩，得到白色粉末狀物質(zhì)即為馬鈴薯交聯(lián)淀粉。

(2) 單一交聯(lián)劑微波法：采用12%的三偏磷酸鈉(以淀粉干基計(jì))代替復(fù)合交聯(lián)劑，其他反應(yīng)條件同1.2.1(1)。

(3) 復(fù)合交聯(lián)劑水浴法：采用水浴設(shè)備代替微波設(shè)備進(jìn)行交聯(lián)，交聯(lián)條件為70 ℃、3 h[7]，其他反應(yīng)條件同1.2.1(1)。

1.2.2 結(jié)合磷含量測(cè)定 按GB/T 22427—2008《淀粉及其衍生物磷總含量測(cè)定》執(zhí)行。

1.2.3 抗性淀粉含量測(cè)定 參照文獻(xiàn)[8]對(duì)馬鈴薯淀粉的抗性淀粉進(jìn)行酶解，酶解后采用3，5-二硝基水楊酸法[9]對(duì)葡萄糖含量進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4 溶解度與膨脹度測(cè)定 準(zhǔn)確稱(chēng)取0.5 g淀粉放入預(yù)先稱(chēng)重好的離心管中，加入40 mL蒸餾水，加熱至85 ℃并保持30 min，期間持續(xù)攪拌以防止塊狀物生成。加熱結(jié)束冷卻至室溫，以4 000 r/min離心15 min。上清液轉(zhuǎn)移至預(yù)先稱(chēng)重好的培養(yǎng)皿中并置于130 ℃下干燥2 h，稱(chēng)重。按式(1)、(2)計(jì)算溶解度與膨脹度[6]。

(1)

(2)

式中：

S——溶解度，%；

A——上清液干燥后的質(zhì)量，g；

W——淀粉樣品的質(zhì)量，g；

T——膨脹度，g/g；

P——離心沉淀物的質(zhì)量，g；

S——溶解度，%。

1.2.5 淀粉熱力特性測(cè)定 采用差式熱量掃描儀測(cè)定馬鈴薯淀粉及交聯(lián)淀粉的熱力特性。將淀粉樣品與雙蒸水以1∶3(質(zhì)量比)的比例混合，倒入鋁盒中密封，室溫下平衡1 h，然后將鋁盒以4 ℃/min的速度加熱至120 ℃，以密封空鋁盒作為參照，用銦對(duì)熱量?jī)x的溫度進(jìn)行校準(zhǔn)[10]。記錄起始溫度(To)、最高溫度(Tp)、結(jié)束溫度(Tc)與糊化焓(ΔH)。

1.2.6 糊化性質(zhì)測(cè)定 采用快速黏度測(cè)定儀(Rapid Visco Analyzer，RVA)對(duì)馬鈴薯淀粉及交聯(lián)淀粉的糊化特性進(jìn)行測(cè)定。用蒸餾水配制得到10%的淀粉乳，將淀粉乳充分?jǐn)嚢韬蠓胖萌肟焖兖ざ葴y(cè)定儀中，由室溫升至50 ℃并保持1 min，3.67 min內(nèi)上升到95 ℃，保持2.5 min，然后下降到50 ℃并保持2 min[11]，記錄這一過(guò)程的糊化溫度、峰值黏度、最低黏度、消減值、最終黏度與回生值。

1.2.7 淀粉顆粒形態(tài)測(cè)定 采用掃描電鏡對(duì)馬鈴薯淀粉及交聯(lián)淀粉的顆粒形態(tài)進(jìn)行測(cè)定。淀粉樣品在105 ℃下干燥4～5 h后，固定在載物臺(tái)上，在真空條件下噴金[12]，放入掃描電鏡中觀察，拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌圖像，加速電壓為3 kV，放大倍數(shù)為1 000倍。

1.3 數(shù)據(jù)分析

交聯(lián)淀粉性質(zhì)測(cè)定試驗(yàn)均重復(fù)3次，用SPSS軟件中的方差分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)合磷與抗性淀粉含量分析

結(jié)合磷含量反映交聯(lián)程度，結(jié)合磷含量越高，交聯(lián)程度越高。由表1可知，當(dāng)其他反應(yīng)條件相同時(shí)，微波輔助制備的交聯(lián)淀粉的結(jié)合磷含量與抗性淀粉含量要高于水浴法所制備的，表明采用微波設(shè)備對(duì)馬鈴薯淀粉進(jìn)行交聯(lián)，具有快速、高效的優(yōu)勢(shì)。同樣在微波條件下，采用復(fù)合交聯(lián)劑的結(jié)果要高于單一交聯(lián)劑，表明在用量相同時(shí)，相較于單一交聯(lián)劑，復(fù)合交聯(lián)劑能夠提高反應(yīng)速率與抗性淀粉含量，與Yangsheng等[13]的報(bào)道結(jié)果類(lèi)似。

表1馬鈴薯淀粉與交聯(lián)淀粉的結(jié)合磷含量與抗性淀粉含量?

Table 1 Phosphorus and resistant starch content of potato starch and potato cross-linked starch %

? 同列上標(biāo)字母不同表明數(shù)據(jù)間具有顯著性差異(P<0.05)。

2.2 膨脹度與溶解度分析

由表2可知，3種方法交聯(lián)后，交聯(lián)淀粉的膨脹度均低于原淀粉，復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉的膨脹度下降得最為顯著。推測(cè)交聯(lián)后淀粉的膨脹度受交聯(lián)程度的影響，交聯(lián)程度越高，膨脹度越低[14]。另外，復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法的膨脹度低于單一交聯(lián)劑微波輔助法的，也可能是由于交聯(lián)劑的交聯(lián)速度不同造成，交聯(lián)速度越快對(duì)膨脹度的抑制作用越強(qiáng)，表明復(fù)合交聯(lián)劑的交聯(lián)速度要高于單一交聯(lián)劑，與文獻(xiàn)[15]研究結(jié)果一致。

溶解度結(jié)果顯示，無(wú)論采用何種方法進(jìn)行交聯(lián)，交聯(lián)后馬鈴薯淀粉的溶解度均低于原淀粉的。以復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉溶解度最小。這是因?yàn)榻宦?lián)淀粉的溶解度受膨脹度的影響，膨脹度越低，溶解度越低[12]。

表2馬鈴薯淀粉與交聯(lián)淀粉的溶解度與膨脹度?

Table 2 Solubility and swelling power of potato starch and potato cross-linked starch %

? 同列上標(biāo)字母不同表明數(shù)據(jù)間具有顯著性差異(P<0.05)。

2.3 淀粉熱力特性分析

糊化焓(ΔH)可作為淀粉顆粒內(nèi)由氫鍵斷裂引起的淀粉分子失序的指標(biāo)，能一定程度上反映淀粉糊化所需要的能量。ΔH越高表明淀粉糊化所需的能量越高，淀粉分子的熱穩(wěn)定性越好。由表3可知，ΔH隨著結(jié)合磷含量的增加而提高，與 Liu等[16]報(bào)道的結(jié)果一致。說(shuō)明將復(fù)合交聯(lián)劑與微波技術(shù)結(jié)合對(duì)馬鈴薯淀粉進(jìn)行交聯(lián)改性可以有效改善馬鈴薯原淀粉熱穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

交聯(lián)后糊化溫度升高，以復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉上升得最為顯著，而單一交聯(lián)劑微波輔助法的除了Tp略有上升，其他糊化溫度與原淀粉無(wú)顯著性差異，而復(fù)合交聯(lián)劑水浴法得到的交聯(lián)淀粉的Tp略低于原淀粉的，推測(cè)是交聯(lián)程度不同引起的。Yoneya等[17]的報(bào)道與之類(lèi)似：與極低濃度與高濃度的交聯(lián)劑相比，采用0.01%的POCl3交聯(lián)得到的交聯(lián)淀粉的To、Tp與ΔH值均小于馬鈴薯原淀粉與其他濃度的交聯(lián)淀粉。說(shuō)明在某一特定交聯(lián)劑濃度條件下制備的交聯(lián)淀粉的熱穩(wěn)定性甚至?xí)陀谠矸?，可能是較低水平的交聯(lián)降低了可糊化淀粉的比例，從而導(dǎo)致糊化焓值較低。

2.4 RVA結(jié)果分析

消減值為峰值黏度與最低黏度的差值。由表4可知，3種方法制備的交聯(lián)淀粉的消減值均低于原淀粉的，是由于交聯(lián)反應(yīng)過(guò)程中淀粉之間形成的交聯(lián)鍵能夠使淀粉顆粒在高溫與高剪切條件下盡量保持完整，降低黏度的損失，因此較低的消減值意味著較好的熱穩(wěn)定性與剪切穩(wěn)定性。復(fù)合交聯(lián)劑微波法制備的交聯(lián)淀粉的熱穩(wěn)定性與剪切穩(wěn)定性要優(yōu)于其他2種方法制備的。

回升值是最終黏度與最低黏度的差值，由表4還可知，相較于原淀粉，交聯(lián)淀粉的回升值均明顯提高，表明交聯(lián)反應(yīng)使淀粉更容易發(fā)生老化，而單一交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉的回升值最低，復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉的回升值最高，表明單一交聯(lián)劑微波法制備的交聯(lián)淀粉較不容易發(fā)生老化，而復(fù)合交聯(lián)劑微波法制備得到的交聯(lián)淀粉較容易發(fā)生老化，實(shí)際生產(chǎn)可以結(jié)合該特性對(duì)淀粉進(jìn)行特異性改性以制備所需性質(zhì)的改性淀粉。

2.5 掃描電鏡結(jié)果分析

由圖1可知，馬鈴薯原淀粉顆粒呈橢圓狀，表面光滑。交聯(lián)后復(fù)合交聯(lián)劑水浴法與單一交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉顆粒部分被破壞，表面變得粗糙，出現(xiàn)凹槽，而復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉除了表面粗糙、出現(xiàn)凹槽之外，還出現(xiàn)了淀粉顆粒聚集、斷裂現(xiàn)象。

表3 馬鈴薯原淀粉與交聯(lián)淀粉的糊化特性?Table 3 Gelatinization properties of potato starch and potato cross-linked starch

? 同列上標(biāo)字母不同表明數(shù)據(jù)間具有顯著性差異(P<0.05)。

表4 馬鈴薯原淀粉與交聯(lián)淀粉的黏度特性?Table 4 Pasting properties of potato starch and potato cross-linked starch

? 同列上標(biāo)字母不同表明數(shù)據(jù)間具有顯著性差異(P<0.05)。

圖1 馬鈴薯原淀粉與交聯(lián)淀粉的掃描電鏡圖Figure 1 The SEM image of potato starch and potato cross-linked starch (×1 000)

3 結(jié)論

將微波技術(shù)與復(fù)合交聯(lián)劑結(jié)合制備交聯(lián)淀粉，不僅能夠增強(qiáng)淀粉的熱穩(wěn)定性與抗剪切穩(wěn)定性，還能夠顯著提高交聯(lián)淀粉的抗性淀粉含量，抗性淀粉含量的增加使交聯(lián)淀粉的保健功能顯著增強(qiáng)。同時(shí)，該制備方法快速、高效，具有良好的應(yīng)用前景，可為馬鈴薯交聯(lián)淀粉產(chǎn)品的工業(yè)化開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。為更好地采用復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備指定性質(zhì)的交聯(lián)淀粉，需對(duì)該法對(duì)淀粉骨架上的交聯(lián)位置和程度的影響進(jìn)行進(jìn)一步的研究，而準(zhǔn)確定位淀粉磷酸化的水平和位置是相當(dāng)復(fù)雜的，因此，在后續(xù)研究中，將借助核磁共振技術(shù)探討交聯(lián)的位置及程度。

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