不同化學(xué)方法制備的抗性淀粉理化性質(zhì)及表征研究

牛博文,徐 薇,張 彧

(大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧大連 116034)

紅薯,又名番薯、甘薯等,一年生草本植物,具有喜光、怕冷、耐旱、土壤適應(yīng)力強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)豐富等特點(diǎn)。紅薯生長(zhǎng)周期較短,一年內(nèi)可多次播種且產(chǎn)量較高,在全世界熱帶、亞熱帶地區(qū)廣泛種植,在我國(guó)大部分地區(qū)均可栽植[1]。

淀粉是一種廉價(jià)、可再生、完全可生物降解的高分子化合物,作為每日飲食中最普遍的碳水化合物,是人體主要能源供給物質(zhì),按照不同的營(yíng)養(yǎng)分類(lèi),可分為快速消化淀粉、緩慢消化淀粉和抗性淀粉。抗性淀粉是不能被正常健康人體小腸消化吸收與酶解的淀粉[2],可以在結(jié)腸中被微生物群發(fā)酵或部分發(fā)酵生成短鏈脂肪酸,修改穩(wěn)定腸道菌群,調(diào)節(jié)腸道健康[3]。從自身結(jié)構(gòu)與不同制備方法可以大致分為五種類(lèi)型:物理包埋淀粉(RS1)、抗性淀粉顆粒(RS2)、老化回生淀粉(RS3)、化學(xué)改性淀粉(RS4)與直鏈淀粉—脂質(zhì)復(fù)合物(RS5)[4]。其中,RS4是經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)修飾后,在淀粉分子鏈引入化學(xué)官能團(tuán)或改變分子結(jié)構(gòu),限制淀粉酶作用,常見(jiàn)的方法有酯化、醚化和交聯(lián)。酯化淀粉是指淀粉分子中的羥基被有機(jī)酸或無(wú)機(jī)酸酯化而得到的改性淀粉,錢(qián)大鈞等[5]通過(guò)以玉米淀粉為原料,醋酸乙烯酯為酯化劑,以取代度為指標(biāo),確定最佳工藝條件,并研究其理化性質(zhì),證明酯化淀粉透明度增加,凝沉性增強(qiáng)。醚化淀粉是淀粉中糖苷鍵或活性羥基與醚化劑通過(guò)氧原子連接起來(lái)的淀粉衍生物,彭麗等[6]把大米淀粉作為原料,氯乙酸為醚化劑,制備羧甲基淀粉,并研究了其凍融穩(wěn)定性、透明度、膨脹度等理化性質(zhì)。交聯(lián)淀粉是由含有二元或多元官能團(tuán)的交聯(lián)劑與淀粉分子發(fā)生羥基反應(yīng)(生成二醚鍵、二酯基等基團(tuán)),從而將兩個(gè)或多個(gè)淀粉分子交叉連接起來(lái)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高聚物,郭耀東等[7]使用六偏磷酸鈉交聯(lián)土豆淀粉,并測(cè)定了交聯(lián)土豆淀粉的凍融穩(wěn)定性、膨脹度、溶解度等性能。

目前,對(duì)于抗性淀粉大多是單一研究其制備工藝及理化性質(zhì),本試驗(yàn)通過(guò)酯化[8]、醚化[9]、交聯(lián)[10]三種不同化學(xué)方法制備抗性淀粉,初步分析不同化學(xué)方法所制得的抗性淀粉在結(jié)構(gòu)上的異同,并研究不同結(jié)構(gòu)對(duì)抗性淀粉理化性質(zhì)的影響,以完善多種化學(xué)改性淀粉間的對(duì)比研究,為其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供更多依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅薯淀粉 大連經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)林梅食品有限公司;醋酸、無(wú)水乙醇 天津市富宇精細(xì)化工有限公司;氫氧化鈉、堿性硫酸鈉 天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠;鹽酸、檸檬酸、磷酸氫二鈉 天津市大茂化學(xué)試劑廠;氯乙酸 天津市申泰化學(xué)試劑有限公司;三偏磷酸鈉 阿拉丁試劑有限公司;耐高溫淀粉酶(4萬(wàn)U/g) 源葉生物有限公司;糖化酶(10萬(wàn)U/g) 美倫生物有限公司;所有試劑均為分析純。

B351136409pH計(jì) METTLER TOLEDO儀器有限公司;DK-S26型數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇金城教學(xué)儀器廠;90-1型攪拌器 上海滬西分析儀器廠有限公司;DGG-9240A電熱鼓風(fēng)干燥箱 宏華儀器設(shè)備有限公司;SC-3610低速離心機(jī) 安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司;UV-2600紫外分光光度計(jì) 翱藝儀器(上海)有限公司;ME204E電子天平 METTLER TOLEDO儀器有限公司;SHZ-III循環(huán)式多用真空泵 上海亞榮生化儀器廠;JSM-7800F場(chǎng)發(fā)散掃描電子顯微鏡 日本電子公司;Spectrum two傅立葉變換紅外光譜儀 鉑金埃爾默儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 醋酸酯化淀粉的制備 取35 g紅薯淀粉于100 mL燒杯中,配成40%的淀粉乳液,置于35 ℃的水浴鍋恒溫,均速滴加3%(以淀粉干基為標(biāo)準(zhǔn),w/w)醋酸溶液并攪拌均勻,反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)滴加1 mol/L氫氧化鈉溶液,控制溶液pH為8,反應(yīng)1 h后,滴加0.5 mol/L鹽酸溶液,調(diào)節(jié)溶液pH至中性,停止反應(yīng),過(guò)濾并水洗過(guò)濾物3次,洗去過(guò)濾物中殘余的醋酸,取水洗后的沉淀置于45 ℃烘箱烘干,粉碎后過(guò)100目篩,備用[11]。

1.2.2 羧甲基醚化淀粉的制備 取31.75 g氫氧化鈉顆粒與30 g紅薯淀粉,加入三口燒瓶中,加入85%乙醇溶液配成30%淀粉乳液,攪拌均勻,移入30 ℃恒溫水浴鍋中加熱堿化60 min,加入37.50 g一氯乙酸固體,攪拌均勻,設(shè)置反應(yīng)溫度40 ℃,醚化4 h,反應(yīng)結(jié)束后用鹽酸滴定溶液pH至中性,用85%乙醇沖洗4～5次至溶液中無(wú)氯離子,抽濾得到白色固體或粉末,45 ℃烘干,粉碎,過(guò)100目篩[12]。

1.2.3 磷酸交聯(lián)淀粉的制備 稱(chēng)取30 g淀粉和3 g Na2SO3配成40%淀粉乳,攪拌均勻,緩慢滴加0.3%(以淀粉干基為標(biāo)準(zhǔn),w/w)的三偏磷酸鈉,保證反應(yīng)溫度保持在45 ℃,反應(yīng)4 h,反應(yīng)過(guò)程中保證pH為8.5,反應(yīng)結(jié)束后中和反應(yīng)液為中性,過(guò)濾并水洗過(guò)濾物4～5次,50 ℃烘干,粉碎,過(guò)100目篩[13]。

1.2.4 抗性淀粉分離純化 取1.2.1、1.2.2、1.2.3制得的抗性淀粉,加檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液配成20%淀粉乳,調(diào)節(jié)溶液pH為6,加足量耐高溫α-淀粉酶,沸水浴振蕩30 min,調(diào)節(jié)溶液pH在4～4.5,加適量糖化酶,60 ℃水浴振蕩30 min,取酶解后溶液,3500 r/min離心15 min,水洗三次,去除上清液,取沉淀物在45 ℃烘干,粉碎,過(guò)100目篩[14]。

1.3 理化指標(biāo)測(cè)定與表征分析

1.3.1 抗酶解性 取2 g樣品,溶于20 mLα-淀粉酶,加入20 mL醋酸鈉緩沖液,置于37 ℃水浴鍋振蕩4 h,分別在30、60、90、120、150、240 min取1 mL上清液加6 mL無(wú)水乙醇滅酶,加10 mL去離子水,3000 r/min離心15 min,取上清液定容至100 mL,在620 nm下測(cè)定吸光度[15]。

y=2×(1.5986x-0.057)

式中:y表示還原糖量,x表示吸光度。

1.3.2 持水性 分別稱(chēng)取1 g樣品溶解于15 mL去離子水,分別置于45、55、65、75、85 ℃水浴加熱30 min,冷卻至室溫,3000 r/min離心15 min,棄上清液,稱(chēng)量沉淀重量[16]。

式中:m2表示離心后離心管加沉淀物重量,g;m1表示離心管重量,g。

1.3.3 透明度 取1 g樣品加水配成1%的溶液,沸水浴加熱15 min,冷卻至室溫,以蒸餾水為空白對(duì)照,用紫外分光光度計(jì)在620 nm下測(cè)量透光率。透光率越高,透明度越高[17]。

1.3.4 溶解度和膨潤(rùn)度 取1 g樣品于離心管中溶于100 mL蒸餾水中,在95 ℃水浴振蕩30 min,在3000 r/min離心15 min,取上清液烘干至恒重,稱(chēng)量沉淀和離心管總重,計(jì)算溶解度[18]。

式中:m1表示離心管重量,g;m2表示上清液烘干后恒重,g;m3表示離心后沉淀物加離心管重量,g。

1.3.5 凍融穩(wěn)定性 取2 g樣品于離心管,配成6%淀粉乳,沸水浴加熱20 min,冷卻至室溫,在-20 ℃冷凍24 h,取出自然解凍,在3500 r/min離心15 min,去除上清液,稱(chēng)重,測(cè)定析水率。析水率與凍融性呈反比[19]。

式中:m1表示離心管重量,g;m2表示離心管加淀粉乳重量,g;m3表示離心后離心管加沉淀重量,g。

1.3.6 電鏡掃描 用95%乙醇分別將干燥的樣品分散在金屬載體上,待乙醇揮發(fā)干后,將分散好的樣品顆粒表面噴灑鉑金。用掃描電子顯微鏡放大不同倍數(shù),觀察淀粉和抗性淀粉的形貌特征[20]。

1.3.7 紅外光譜分析 將待測(cè)干燥樣品在l:10比例下與溴化鉀充分混合、研磨,并對(duì)樣品壓片成型,壓片后將其放入紅外光譜儀檢測(cè),設(shè)定的波數(shù)范圍4000～400 cm-1,分辨率為l cm-1[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,分析結(jié)果采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和顯著性差異檢驗(yàn),并用Excel和Origin軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗酶解性

如圖1所示,淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉和交聯(lián)淀粉經(jīng)足量α-淀粉酶酶解0.5 h后,淀粉與交聯(lián)淀粉溶液析出0.18、0.01 g還原糖;酶解1 h后,淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯(lián)淀粉溶液分別析出0.39、0.02、0.07和0.12還原糖;酶解2.5 h后,淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯(lián)淀粉溶液分別析出0.72、0.17、0.13和0.29 g還原糖,繼續(xù)酶解至4 h,溶液中還原糖量無(wú)明顯變化,證明經(jīng)過(guò)三種化學(xué)改性后的淀粉較淀粉具有較強(qiáng)抗酶解性,與羊云龍等[22]描述結(jié)果大致相同。并且,酯化淀粉和羧甲基醚化淀粉酶解后還原糖量大致相同,是因?yàn)閴A液破壞淀粉分子糊化后,淀粉顆粒崩潰,支鏈斷裂形成眾多游離直鏈淀粉,與醋酸分子接觸重排,形成新的酯基位阻結(jié)構(gòu)[23-24],而醚化反應(yīng)中游離糖苷鍵和羥基與氧原子結(jié)合形成新的淀粉衍生物,自由組合成新的更穩(wěn)定的結(jié)晶結(jié)構(gòu),酶分子難進(jìn)入分子內(nèi)部,淀粉難以被酶解[12]。然而,交聯(lián)反應(yīng)中,淀粉顆粒表面分子被磷酸根交聯(lián),束縛淀粉粒形成新的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使淀粉粒不易膨脹、崩潰,保護(hù)內(nèi)部架構(gòu),阻礙酶分子攻擊,但交聯(lián)度較低時(shí),部分淀粉分子被腐蝕,破壞了結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu),分子層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致少量酶分子進(jìn)入分子內(nèi)部,抗酶解能力略低于酯化淀粉和羧甲基醚化淀粉[25]。

圖1 原淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯(lián)淀粉抗酶解性比較

2.2 持水性

由圖2可知,三種抗性淀粉持水性均優(yōu)于原淀粉,其中,羧甲基醚化淀粉持水性最強(qiáng),醋酸酯化淀粉持水性整體略?xún)?yōu)于磷酸交聯(lián)淀粉。這是因?yàn)轸燃谆鸦矸垡?COO-親水性官能團(tuán)、醋酸酯化淀粉引入乙?；倌軋F(tuán)、磷酸交聯(lián)淀粉引入磷酸酯基團(tuán),抑制淀粉分子鏈的結(jié)合,通過(guò)淀粉分子鏈上的羥基產(chǎn)生范德華力,把水分子鎖在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,淀粉分子在水中形成親水性膠體,隨著溫度的升高,淀粉分子逐漸糊化斷裂,生成更多氫鍵。由于基團(tuán)極性不同,所以羧甲基醚化淀粉持水性高于醋酸酯化淀粉，均高于磷酸交聯(lián)淀粉[26]。

圖2 原淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯(lián)淀粉持水性比較

2.3 透明度、溶解度、膨潤(rùn)度

從表1可知,與原淀粉相比,醋酸酯化淀粉和羧甲基醚化淀粉透光率、溶解度和膨潤(rùn)度均有提高,但磷酸交聯(lián)淀粉的透光率、溶解度與膨潤(rùn)度卻明顯低于原淀粉。主要是因?yàn)?酯化反應(yīng)和醚化反應(yīng)均引入了新的親水性基團(tuán),阻礙了分子間締合作用,減弱了光的折射與反射,且分子內(nèi)部發(fā)生膨脹導(dǎo)致淀粉分子體積變大,增加了光的透過(guò)率,使淀粉糊透明度有效提高,溶解度與膨潤(rùn)度隨之增加[27]。

表1 原淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯(lián)淀粉透光率、溶解度、膨潤(rùn)度比較

交聯(lián)反應(yīng)雖然同樣引入親水性磷酸基團(tuán),但分子鏈間連接的交聯(lián)化學(xué)鍵增強(qiáng)了淀粉分子間顆粒強(qiáng)度,親水性減弱,抑制了顆粒分子膨脹,降低了在水中的溶解度,容易發(fā)生凝沉,增加了光的折射與反射,減少了光的透射,因此磷酸交聯(lián)淀粉透明度、溶解度與膨潤(rùn)度降低。

2.4 凍融穩(wěn)定性

淀粉糊在冷凍狀態(tài)下分子間氫鍵作用加強(qiáng),發(fā)生凝沉作用,淀粉分子脫水收縮,導(dǎo)致游離水析出[28]。從表2可以看出,三種改性淀粉析水率均比原淀粉有所下降,因?yàn)槿N改性淀粉均引入親水性基團(tuán),可以使淀粉分子親水力增強(qiáng),減弱分子間氫鍵強(qiáng)度,減小脫水縮合作用,降低淀粉冷凍后的析水率。而羧基極性強(qiáng)于乙酰基強(qiáng)于磷酸基團(tuán),因此羧甲基醚化淀粉析水率小于醋酸酯淀粉小于磷酸交聯(lián)淀粉。

表2 原淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯(lián)淀粉析水率

2.5 顆粒形態(tài)

用掃描電鏡拍攝原淀粉和三種改性淀粉顆粒的照片,如圖3所示。原淀粉顆粒表面光滑,多為大顆粒狀且呈規(guī)律的圓形,許多大顆粒周?chē)接猩倭啃☆w粒淀粉。經(jīng)酯化后淀粉原有顆粒形貌被破壞,顆粒表面凹凸不平,且顆粒與顆粒之間有粘連,說(shuō)明淀粉分子表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均因乙?；募尤攵黄茐?同時(shí)也由于有堿類(lèi)物質(zhì)的加入破壞了顆粒表面[29];經(jīng)羧甲基醚化后淀粉,分子顆粒形貌大致與原淀粉分子相似,顆粒表面覆著許多細(xì)小顆粒,這可能是因?yàn)榍捌谟脡A液處理時(shí)破壞了顆粒結(jié)構(gòu),有一些較小淀粉顆粒被破壞后破碎,與一氯乙酸和氫氧化鈉顆粒一同附著在淀粉顆粒表面,有一些淀粉分子表面出現(xiàn)輕微凹陷,但并不明顯,可能是受到堿液腐蝕,說(shuō)明羧甲基化反應(yīng)主要發(fā)生在分子表面;經(jīng)磷酸交聯(lián)后淀粉顆粒形貌發(fā)生變化,不再呈圓滑規(guī)律的圓形,淀粉分子變成不規(guī)則多面體,分子表面有很多較小凹陷,是因?yàn)槿姿徕c與淀粉分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)腐蝕分子表面。淀粉分子是層狀結(jié)構(gòu),外部為結(jié)晶區(qū),內(nèi)部為非結(jié)晶區(qū),因此很難與化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng),但是交聯(lián)反應(yīng)中磷酸酯基將兩條無(wú)定型支鏈淀粉連接,形成致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),破壞淀粉分子層狀結(jié)構(gòu),因此交聯(lián)反應(yīng)既發(fā)生在結(jié)晶區(qū)也發(fā)生在非結(jié)晶區(qū)[30]。

圖3 原淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯(lián)淀粉形態(tài)觀察

2.6 紅外光譜

圖4 原淀粉與醋酸酯化淀粉、羧甲基醚化淀粉、磷酸交聯(lián)淀粉紅外圖譜

3 結(jié)論

以紅薯淀粉為原料,經(jīng)醋酸酯化、羧甲基醚化和磷酸酯交聯(lián)后得到三種不同抗性淀粉。通過(guò)測(cè)定抗酶解性,證明三種化學(xué)改性淀粉較原淀粉抗酶解性有很大提高,三種改性淀粉不易被酶解,符合抗性淀粉基本理論,證明了三者均為抗性淀粉;羧甲基醚化淀粉與醋酸酯化淀粉透明度、溶解度與膨潤(rùn)度都有較大提高,但磷酸交聯(lián)淀粉反之下降。三種抗性淀粉持水性和凍融性均優(yōu)于原淀粉,其中羧甲基淀粉具有更好的持水性和凍融性,明顯強(qiáng)于醋酸酯化淀粉與磷酸交聯(lián)淀粉;三種抗性淀粉顆粒原有形貌均有所改變,其中醋酸酯化淀粉和磷酸交聯(lián)淀粉內(nèi)外部結(jié)構(gòu)均被破壞,已失去淀粉原有形貌,說(shuō)明在分子內(nèi)外部均發(fā)生化學(xué)反應(yīng),改變?cè)矸蹆?nèi)外結(jié)構(gòu)。羧甲基醚化淀粉只在分子表面有輕微變化,說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)并未進(jìn)入分子內(nèi)部,只發(fā)生在分子表面;經(jīng)傅立葉紅外光譜測(cè)定,證實(shí)醋酸酯化淀粉和羧甲基淀粉均產(chǎn)生新的化學(xué)鍵和新官能團(tuán)乙?；汪燃谆?磷酸交聯(lián)淀粉雖未產(chǎn)生新的化學(xué)鍵,但是生成了新的磷酸酯基團(tuán)。

通過(guò)上述分析結(jié)果可知,抗性淀粉總體性能均優(yōu)于淀粉,其中酯化淀粉和醚化淀粉理化性質(zhì)較相似,且整體結(jié)果優(yōu)于交聯(lián)淀粉,更能改善食品的光澤度和冷凍性,為食品添加劑等領(lǐng)域的應(yīng)用打下了良好的理論基礎(chǔ)。