辛烯基琥珀酸藜麥淀粉酯的制備及性能

姜曉麗，羅志剛,

1.沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院（沈陽 110034）；2.華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（廣州 510641）

藜麥（Chenopodium quinoaWild）是原產(chǎn)于南美洲安迪斯山區(qū)的偽谷物[1]。藜麥是一種具有高蛋白、維生素、礦物質(zhì)和營養(yǎng)成分的高營養(yǎng)假谷物。其蛋白含量達14%～16%，富含人體必需的氨基酸，其中賴氨酸和組氨酸含量最高。與其他谷物和假谷物一樣，淀粉是藜麥種子的主要成分之一。藜麥淀粉的粒徑比較小（約1.5 μm），藜麥中的淀粉含量達52.2%～69.2%[2]，直鏈淀粉含量較低（約10%）。藜麥淀粉支鏈中短鏈含量較高，長鏈的含量較低，這一結(jié)構(gòu)賦予藜麥淀粉獨特的理化性質(zhì)，如較低的糊化溫度、緩慢的回生、高膨脹性和高酶敏感性。藜麥淀粉被認為是一種新穎的淀粉來源，在各種食品和非食品中都有極大的應(yīng)用潛力，被廣泛應(yīng)用于生物膜生產(chǎn)和食品配料（如油）的微膠囊化等方面。

雖然天然淀粉在食品、化工、制藥等領(lǐng)域有所應(yīng)用，但天然淀粉的自身缺陷在一定程度上限制了其更廣闊的工業(yè)應(yīng)用。辛烯基琥珀酸淀粉酯，商品名稱為純膠。它是由辛烯基琥珀酸酐（OSA）和淀粉在堿性條件下發(fā)生反應(yīng)形成的一種重要的化學(xué)變性淀粉。淀粉具有天然的親水性質(zhì)，用OSA對淀粉進行化學(xué)改性，將顆粒表面接枝疏水基團，從而增加疏水性，因此辛烯基琥珀酸淀粉酯（OSA淀粉）具有雙親性[3]。與天然淀粉相比，OSA淀粉同時含有親水基團和疏水基團，所以O(shè)SA淀粉作為乳化劑被廣泛用于穩(wěn)定pickering乳液，該類乳液具有乳化效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。OSA改性可以顯著改善淀粉的糊化、回生、黏度等理化性質(zhì)。OSA淀粉在食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[4]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藜麥（繁峙縣玥晨貿(mào)易有限公司）；辛烯基琥珀酸酐（阿拉丁試劑有限公司）；鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇、異丙醇等（國產(chǎn)分析純）。

1.2 儀器與設(shè)備

掃描電鏡（ZEISS EVO18，德國卡爾蔡司）；傅里葉紅外光譜儀（Vector 33-MIR，德國Brukev Optik）；多位自動進樣X射線衍射儀（X’pert Powder，荷蘭PANalytical）；離心機（TDL-5-A，上海安亭科學(xué)儀器廠）。

1.3 試驗方法

1.3.1 藜麥淀粉的提取

取一定量的藜麥種子烘干，用高速粉碎機將其粉碎后，過孔徑0.200 mm篩，取藜麥粉與質(zhì)量分數(shù)0.2%的氫氧化鈉溶液按照固液比1∶10 g/mL進行混合，攪拌3 h后再靜置18 h。將上述混合物在4 000 r/min條件下離心10 min，離心后去除上層黃色物質(zhì)和下層灰色沉淀。收集中間層的白色沉淀物，在4 000 r/min條件下離心10 min，洗滌，過紗布，重復(fù)上述操作6～7次，調(diào)pH為中性，離心至上層沒有黃色物質(zhì)。將產(chǎn)物放到45 ℃烘箱，48 h烘干，粉碎，過孔徑0.150 mm篩。

1.3.2 辛烯基琥珀酸藜麥淀粉酯的制備[5]

準確稱取30 g藜麥淀粉（干基），與適量蒸餾水配制成質(zhì)量分數(shù)30%的淀粉乳，進行磁力攪拌，控制反應(yīng)溫度35 ℃，邊攪拌邊緩慢添加OSA（添加量為藜麥淀粉干基的1.0%，3.0%，5.0%和7.0%），控制在1 h內(nèi)加完。攪拌反應(yīng)過程中，用3%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH 8.0～9.0。反應(yīng)3 h后，用3%的HCl溶液調(diào)節(jié)pH至6.5左右，終止反應(yīng)。將反應(yīng)產(chǎn)物用蒸餾水洗3遍，乙醇洗3遍，放置于45 ℃烘箱中烘干，干燥后粉碎，過孔徑0.150 mm篩，即得到辛烯基琥珀酸藜麥淀粉酯。

1.3.3 辛烯基琥珀酸藜麥淀粉酯取代度的測定[6]

準確稱取5.0 g樣品（干基）置于200 mL燒杯中，加入25 mL，2.5 mol/L的鹽酸-異丙醇溶液，磁力攪拌30 min，加入50 mL體積分數(shù)90%的異丙醇，繼續(xù)攪拌10 min。將樣品移入布氏漏斗中，用體積分數(shù)90%的異丙醇洗滌至沒有氯離子為止（用0.1 mol/L硝酸銀溶液檢驗），將樣品移入500 mL的燒杯中，加30 mL蒸餾水，沸水浴加熱20 min，加3滴酚酞指示劑，趁熱用0.1 mol/L的氫氧化鈉標準溶液滴定至粉紅色。取代度（DS）按式（1）計算。

式中：V為消耗0.1 mol/L氫氧化鈉標準溶液體積，mL；C為氫氧化鈉標準溶液濃度，0.1 mol/L；m為辛烯基琥珀酸淀粉酯樣品干基質(zhì)量，g。

1.4 辛烯基琥珀酸藜麥淀粉酯結(jié)構(gòu)的測定

1.4.1 FT-IR

用壓片法將原淀粉和OSA淀粉的結(jié)構(gòu)進行鑒定，用FT-IR光譜儀進行光譜掃描，掃描范圍4 000～500 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)32次。記錄樣品的FT-IR圖譜[7]。

1.4.2 SEM

將原淀粉與OSA淀粉均勻分散到導(dǎo)電膠上，把樣品放到鍍膜臺上進行300 s的噴金處理，用掃描電子顯微鏡放大到合適的倍數(shù)，尋找并拍攝具備代表性的顆粒形貌[8]。

1.4.3 XRD

將原淀粉與OSA淀粉進行X射線衍射分析。衍射條件：銅靶電壓40 kV，電流40 mA，CuKa輻射，掃面范圍5°～35°，步長0.02°，掃描速度4°/min[9]。

1.4.4 DSC

采用差示掃描量熱儀DSC-Q20進行熱特性測定，用鋁盒稱取3.0 mg樣品粉末（干基），按質(zhì)量比1∶2的比例加入去離子水，壓蓋密封，以空白鋁盒為對照樣，掃描溫度范圍30～120 ℃，掃描速率10 ℃/min，從120 ℃冷卻到30 ℃，保護氣為氮氣，流速20 mL/min[10]。

1.5 辛烯基琥珀酸藜麥淀粉酯性質(zhì)的測定

1.5.1 取代度對淀粉糊透明度的影響[11]

稱取一定質(zhì)量的樣品，用蒸餾水配制成1%（干基）的淀粉乳，放入100 ℃的水浴中糊化20 min，冷卻至室溫，以蒸餾水為空白對照，用分光光度計在650 nm處測定樣品的透光率。

1.5.2 辛烯基琥珀酸淀粉酯凍融穩(wěn)定性的研究

稱取一定質(zhì)量的樣品，用蒸餾水配制成4%（干基）的淀粉乳，放入100 ℃水浴中糊化20 min，冷卻至室溫，將淀粉糊倒入已知質(zhì)量為m1的離心管中，稱其質(zhì)量m2，放入冰箱中冷凍24 h，取出后自然解凍6 h，將離心管在轉(zhuǎn)速3 000 r/min離心30 min，倒掉上清液，稱其質(zhì)量m3。按式（2）計算析水率。

式中：m1為離心管質(zhì)量，g；m2為離心管加淀粉糊質(zhì)量，g；m3為冷凍離心后離心管加淀粉糊質(zhì)量，g。

1.5.3 辛烯基琥珀酸淀粉酯溶解度的測定[12]

稱取一定量的樣品，用蒸餾水配制成2%（干基）的淀粉乳，放入50 ℃的恒溫水浴搖床溶解30 min，以3 000 r/min離心30 min，把上清液倒入已知質(zhì)量為m1的培養(yǎng)皿中，在105 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，稱其質(zhì)量m2。按式（3）計算溶解度（S）。

式中：m1為培養(yǎng)皿質(zhì)量，g；m2為上清液蒸干至恒質(zhì)量后培養(yǎng)皿質(zhì)量，g；w為淀粉樣品質(zhì)量，g。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

全部試驗重復(fù)測定3次，取平均值，使用Origin 8.5軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 酯化反應(yīng)對OSA淀粉結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 FT-IR

圖1是原淀粉和OSA淀粉（取代度為0.016 2，0.027 0）的傅里葉紅外光譜圖。由圖1可以看出，原淀粉在1 645，1 154，1 085和1 023 cm-1處出現(xiàn)的特征峰，分別由淀粉內(nèi)的結(jié)合水和C—O的伸縮振動產(chǎn)生。3 385 cm-1處為淀粉的O—H的伸縮振動峰，2 930 cm-1處出現(xiàn)C—H的非對稱伸縮振動吸收峰。與原淀粉相比，OSA淀粉在1 728 cm-1和1 571 cm-1處增加了2個新的特征峰，分別是C＝O酯羰基的伸縮振動峰和RCOO—的羧酸鹽的不對稱拉伸振動峰[6,13]，表明原淀粉與OSA發(fā)生酯化反應(yīng)，成功引入OS基團。

圖1 原淀粉和OSA淀粉的紅外光譜圖

2.1.2 微觀結(jié)構(gòu)

圖2是藜麥原淀粉和OSA淀粉的掃描電鏡圖。藜麥原淀粉的顆粒尺寸較小，具有不規(guī)則的多邊形結(jié)構(gòu)，表面光滑，但顆粒完整。經(jīng)過改性處理后，OSA淀粉顆粒表面沒有明顯變化，淀粉顆粒形態(tài)幾乎沒有變化，仍然呈現(xiàn)不規(guī)則的多邊形結(jié)構(gòu)，表明改性反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉顆粒表面，對淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響[14]。

圖2 原淀粉與OSA淀粉的SEM

2.1.3 XRD

圖3是原淀粉和OSA淀粉的X射線衍射圖譜。原淀粉在射角15.0°，17.1°，18.0°和23.0°具有較強的衍射峰，為典型的A型結(jié)晶淀粉[7]。此外，取代度分別為0.016 2和0.027 0的OSA淀粉的衍射峰與原淀粉幾乎一致，酯化反應(yīng)未改變淀粉的晶體類型，酯化反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉的無定型區(qū)，這可能是由于淀粉的無定形區(qū)域相比于結(jié)晶區(qū)更易于發(fā)生酯化反應(yīng)，從而不會對淀粉顆粒的晶型產(chǎn)生影響[13]。

圖3 原淀粉和OSA淀粉的XRD圖譜

2.1.4 DSC

表1是原淀粉和OSA淀粉的熱力學(xué)特征參數(shù)。藜麥原淀粉的熱力學(xué)特征參數(shù)值較高，而經(jīng)過酯化改性處理后OSA淀粉的熱力學(xué)特征參數(shù)值均有所降低，并且隨著OSA取代度升高而逐漸下降。糊化焓（?H）表示破壞淀粉顆粒結(jié)構(gòu)所需能量，因此，OSA淀粉糊化溫度和焓值的降低可能是由于酯化反應(yīng)引入的帶負電的疏水性烯基削弱淀粉分子之間的氫鍵作用，使水分更容易進入淀粉顆粒內(nèi)部，有助于淀粉在較低溫度下溶脹，從而逐漸降低OSA淀粉的糊化焓。同樣，將OS基團引入生物聚合物的骨架中可增強結(jié)構(gòu)柔性，進一步促進OSA淀粉糊化溫度降低[15-18]。

表1 藜麥原淀粉及OSA淀粉的熱力學(xué)特征參數(shù)

2.2 辛烯基琥珀酸淀粉的理化性質(zhì)分析

2.2.1 透明度

淀粉加熱后會形成淀粉糊，當光線照射時，會因為分子結(jié)構(gòu)的特征而發(fā)生一系列的光學(xué)現(xiàn)象，通過淀粉糊的光束越多，其透明度越高。從表2可以看出，OSA淀粉的透明度顯著低于原淀粉，并且隨著取代度增加，OSA淀粉的透明度逐漸降低。這可能是由于改性處理后，在原淀粉分子上引入OS基團，使淀粉糊的黏度增加，并起到阻礙部分光線通過的作用，從而導(dǎo)致透光率降低[11]。此外，原淀粉分子空間結(jié)構(gòu)經(jīng)酯化反應(yīng)后發(fā)生改變，使通過的光束量減少，也引起透明度的下降[19]。

表2 不同取代度OSA淀粉的透明度

2.2.2 凍融穩(wěn)定性

凍融穩(wěn)定性一般是以析水率作為參考指標，淀粉的析水率越低，表明淀粉的凍融穩(wěn)定性越好[7]。由表3可以看出，與原淀粉相比，OSA淀粉的凍融穩(wěn)定性有明顯的提高，隨著取代度增加，OSA淀粉的析水率逐漸降低，表明OSA淀粉的凍融穩(wěn)定性逐漸增強。這可能是由于酯化反應(yīng)為淀粉分子引入羧基，使得其與水分子的作用加強，水分子不易析出，淀粉凍融穩(wěn)定性增強[20-21]。凍融穩(wěn)定性的增強也能夠反映淀粉老化程度的降低，由于改性引入的OS基團增加淀粉分子之間的空間效應(yīng)，從而阻止糊化的淀粉在低溫儲存時淀粉分子鏈的重排[22]。這一性質(zhì)有利于辛烯基琥珀酸淀粉酯在冷凍食品中應(yīng)用。

表3 不同取代度OSA淀粉的凍融穩(wěn)定性

2.2.3 溶解度

淀粉顆粒的溶解度體現(xiàn)結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)分子鏈的結(jié)合程度，也反映直鏈淀粉分子間氫鍵的結(jié)合程度[23]。由表4可以看出，與原淀粉相比，OSA淀粉的溶解度明顯增大，并且隨著取代度的增加，OSA淀粉的溶解度也隨之上升。這是由于經(jīng)OSA酯化改性處理后，淀粉分子結(jié)構(gòu)變得疏松，這有利于水分子進入淀粉顆粒內(nèi)部，并在淀粉糊中擴散，從而增大水分子與淀粉分子的接觸面積，因此OSA淀粉的溶解性得到顯著提高[18]。

表4 不同取代度OSA淀粉的溶解度

3 結(jié)論

采用水相法制備辛烯基琥珀酸淀粉酯，F(xiàn)T-IR結(jié)果證明淀粉分子成功引入OS基團。SEM觀察發(fā)現(xiàn)酯化反應(yīng)對淀粉顆粒表面沒有產(chǎn)生較大影響。XRD結(jié)果表明酯化反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉的無定型區(qū)域。理化研究結(jié)果表明淀粉的透明度、糊化溫度和糊化焓隨著取代度增加而降低，而溶解度和凍融穩(wěn)定性隨著取代度增加而增加。