鷹嘴豆OSA 淀粉酯的制備工藝及理化性質(zhì)研究

杜夢(mèng)瑤，阿依妮尕爾·圖爾迪，王俊楠，張春蘭，2

（1. 塔里木大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2.南疆特色農(nóng)產(chǎn)品深加工兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾 843300）

鷹嘴豆是豆科鷹嘴豆屬的一種越年生草本植物，在我國主要種植于新疆、甘肅、青海等西北地區(qū)。鷹嘴豆具有很高的營養(yǎng)價(jià)值，含有80%的碳水化合物和蛋白質(zhì)，還含有豐富的食用纖維、微量元素和維生素等，尤其是淀粉含量高達(dá)40%～60%[1]。因此，以鷹嘴豆為原料可提取鷹嘴豆淀粉。鷹嘴豆淀粉的持水力和溶解度優(yōu)于玉米淀粉[2]，但透明度、凍融穩(wěn)定性、成膠強(qiáng)度和成膠能力都不如綠豆淀粉[3]，因此需要對(duì)鷹嘴豆淀粉進(jìn)行改性以滿足市場需求。

辛烯基琥珀酸淀粉酯（OSAS） 是以淀粉為原料，辛烯基琥珀酸酐（OSA） 為酯化劑，通過酯化反應(yīng)改性制得的[4]。研究發(fā)現(xiàn)，OSA 改性淀粉的黏度、穩(wěn)定性[5]和抗凝沉性[6]增強(qiáng)，并且具有優(yōu)異的乳化作用[7]，可作為乳化劑用于穩(wěn)定Pickering 乳液[8]。由于OSA淀粉乳化性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在食品[9]、醫(yī)藥、化妝品[10]等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。因此，試驗(yàn)將研究鷹嘴豆OSA 淀粉酯的最佳制備工藝并測定其理化性質(zhì)，為鷹嘴豆OSA 淀粉酯的應(yīng)用提供理論依據(jù)，擴(kuò)大鷹嘴豆淀粉的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鷹嘴豆淀粉（純度86.52%，水分含量8.25%），自制；辛烯基琥珀酸酐，上海源葉生物科技有限公司提供；鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇、異丙醇等，均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

電子分析天平，梅特勒-托多利儀器有限公司產(chǎn)品；恒溫磁力攪拌水浴鍋，杭州菲躍儀器有限公司產(chǎn)品；高速臺(tái)式離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品；電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠產(chǎn)品；pH 計(jì)，上海一恒科技有限公司產(chǎn)品；三孔電熱恒溫水槽，上海新領(lǐng)生物科技有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 鷹嘴豆OSA 淀粉酯的制備

稱取一定質(zhì)量的鷹嘴豆淀粉，用蒸餾水配置成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的淀粉乳，用恒溫磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，控制反應(yīng)溫度，邊攪拌便緩慢添加OSA，控制在1 h 內(nèi)加完。反應(yīng)過程中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH 值8.0～9.0。反應(yīng)一段時(shí)間后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH 值為6.5 左右，結(jié)束反應(yīng)。反應(yīng)完成后用無水乙醇以轉(zhuǎn)速4 000 r/min 離心2～3 遍，再加蒸餾水多次離心。沉淀倒入培養(yǎng)皿中，在45 ℃烘箱中烘干，粉碎過篩，即得到鷹嘴豆OSA 淀粉酯[11]。

1.3.2 取代度的測定

稱取2.0 g 樣品，加入濃度為2.5 mol/L 的鹽酸-異丙醇溶液25 mL，攪拌30 min，添加體積分?jǐn)?shù)90%的異丙醇溶液10 mL，繼續(xù)攪拌10 min。之后再加入少量90%的異丙醇溶液，以轉(zhuǎn)速4 000 r/min 離心10 min（多次）。取沉淀至燒杯，加入30 mL 蒸餾水。在95 ℃下水浴20 min，快速滴入酚酞指示劑3 滴，用氫氧化鈉標(biāo)液（0.1 mol/L） 滴定至變色，且30 s內(nèi)不褪色時(shí)，結(jié)束反應(yīng)。計(jì)算公式如（1） 所示[12]。式中：V——消耗的0.1mol/L 氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；C——?dú)溲趸c標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；m——鷹嘴豆OSA 淀粉酯樣品質(zhì)量，g。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

以淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、OSA 添加量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度為影響因子設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%，25%，30%，35%，40%；OSA 添加量分別為1%，2%，3%，4%，5%；反應(yīng)時(shí)間分別為1，2，3，4，5 h；反應(yīng)溫度分別為25，30，35，40，45 ℃。考查單一因素時(shí)，其他條件固定為淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，OSA 添加量3%，反應(yīng)溫度35 ℃，反應(yīng)時(shí)間3 h。

1.3.4 正交試驗(yàn)

以取代度為指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)結(jié)果選取淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A）、OSA 添加量（B）、反應(yīng)時(shí)間（C）、反應(yīng)溫度（D） 的3 個(gè)水平，采用L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，以得到最佳的酯化反應(yīng)條件。

正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

1.3.5 鷹嘴豆原淀粉及其OSA 改性淀粉的理化性質(zhì)研究

（1） 溶解度及膨脹度的測定。稱取適量淀粉配置成2%的淀粉乳。放入（55，65，75，85，95℃）恒溫磁力攪拌水浴鍋中攪拌30 min，在室溫下冷卻，倒入質(zhì)量為m1的離心管。以轉(zhuǎn)速4 000 r/min 離心10 min，將上清液放入質(zhì)量為m2的培養(yǎng)皿，在105 ℃烘箱中干燥至恒質(zhì)量記為m3，離心管和沉淀記為m4。按公式（2） （3） 進(jìn)行計(jì)算[13]。

式中：m2——培養(yǎng)皿質(zhì)量，g；

m3——烘干至恒質(zhì)量后培養(yǎng)皿質(zhì)量，g；

w——淀粉樣品質(zhì)量，g。

式中：m4——沉淀物加離心管質(zhì)量，g；

m1——離心管的質(zhì)量，g；

w——淀粉樣品質(zhì)量，g；

S——溶解度。

（2） 凍融穩(wěn)定性的測定。稱取淀粉配置成6%的淀粉乳，在95 ℃下糊化20 min，取出后搖勻，冷卻至室溫。置于-18 ℃下冷藏24 h，在室溫下自然解凍6 h。以轉(zhuǎn)速4 000 r/min 離心15 min，去上清液。淀粉的凍融穩(wěn)定性通常用析水率來表示，而凍融穩(wěn)定性則與析水率成反比。按公式（4） 進(jìn)行計(jì)算[14]。

式中：M——淀粉糊質(zhì)量，g；

W——沉淀物質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)取代度的影響淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)取代度的影響見圖1。

圖1 淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)取代度的影響

由圖1 可知，取代度隨淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先上升后下降。在淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從20%增加為30%時(shí)，取代度顯著提高，由于淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，反應(yīng)中OSA 與淀粉顆粒的接觸機(jī)會(huì)越大，從而促進(jìn)酯化反應(yīng)發(fā)生。當(dāng)?shù)矸廴橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，取代度達(dá)到最大值為27.68×10-3。但繼續(xù)增加淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)取代度卻下降，因?yàn)榈矸廴橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時(shí)，反應(yīng)攪拌困難，阻礙淀粉顆粒與OSA 結(jié)合，并且隨著含水量的降低，不利于淀粉顆粒的吸水膨脹，從而影響OSA 進(jìn)入淀粉顆粒參與酯化反應(yīng)[15]。因此，選用淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%時(shí)進(jìn)行酯化反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)果會(huì)較為理想。

2.1.2 OSA 添加量對(duì)取代度的影響

OSA 添加量對(duì)取代度的影響見圖2。

圖2 OSA 添加量對(duì)取代度的影響

由圖2 可知，取代度隨OSA 添加量的增加逐漸上升。因?yàn)楫?dāng)OSA 添加量增加時(shí)，淀粉分子與OSA接觸機(jī)會(huì)增大，更易發(fā)生酯化反應(yīng)。而在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，OSA 添加量過多會(huì)導(dǎo)致成本增加，消耗更多的洗滌溶劑[16]。因此，選用OSA 添加量為3%進(jìn)行酯化反應(yīng)，既節(jié)約成本，反應(yīng)結(jié)果也較為理想。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)取代度的影響

反應(yīng)時(shí)間對(duì)取代度的影響見圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)取代度的影響

由圖3 可知，取代度隨反應(yīng)時(shí)間的增長先上升后下降。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間由1 h 增加至3 h 時(shí)，取代度明顯增加；在反應(yīng)3 h 時(shí)，其取代度最高可達(dá)27.68×10-3；而在反應(yīng)3 h 之后，取代度卻下降。由于在反應(yīng)初始階段，以酯化反應(yīng)為主，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，水解反應(yīng)占主導(dǎo)地位，如果反應(yīng)時(shí)間過長，則有可能導(dǎo)致部分產(chǎn)物被水解[17]。因此，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為3 h 時(shí)，反應(yīng)結(jié)果會(huì)較為理想。

2.1.4 反應(yīng)溫度對(duì)取代度的影響

反應(yīng)溫度對(duì)取代度的影響見圖4。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)取代度的影響

由圖4 可知，取代度隨反應(yīng)溫度的升高先上升后降低。當(dāng)反應(yīng)溫度從25 ℃升高到35 ℃時(shí)，取代度顯著上升；在35 ℃時(shí)，取代度最高為27.68×10-3，但隨著溫度繼續(xù)升高，取代度卻逐漸降低。這是由于隨著溫度升高，OSA 在溶液中更易擴(kuò)散，淀粉的吸水性和膨脹性較強(qiáng)，有利于酯化反應(yīng)發(fā)生。但溫度過高時(shí)，水解反應(yīng)和其他副反應(yīng)加劇，且在堿性條件下，高溫更容易使淀粉糊化，對(duì)酯化過程造成不利影響[18]。因此，當(dāng)反應(yīng)溫度為35 ℃時(shí)，反應(yīng)結(jié)果會(huì)較為理想。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，對(duì)取代度的影響大小為D＞B＞A＞C，即反應(yīng)溫度＞OSA 添加量＞淀粉乳的濃度＞反應(yīng)時(shí)間。以取代度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，確定鷹嘴豆OSA 淀粉酯的最佳制備條件為A3B3C3D1，即淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%，OSA 添加量4%，反應(yīng)時(shí)間4 h，反應(yīng)溫度30 ℃。因?yàn)椋俗顑?yōu)工藝組合并未出現(xiàn)在方案里，需要再次進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，確定是否此工藝條件下制備的鷹嘴豆OSA 淀粉酯取代度最高。

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

通過驗(yàn)證試驗(yàn)可看出，在A3B3C3D1工藝條件下所制備出的鷹嘴豆OSA 淀粉酯的取代度為36.83×10-3，高于試驗(yàn)方案中最大值。因此，鷹嘴豆OSA 淀粉酯的最佳制備工藝為淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%，OSA添加量4%，反應(yīng)時(shí)間4 h，反應(yīng)溫度30 ℃。

2.3 鷹嘴豆原淀粉及其OSA 改性淀粉的理化性質(zhì)研究

2.3.1 溶解度及膨脹度

原淀粉和鷹嘴豆OSA 淀粉酯的溶解度見圖5，原淀粉和鷹嘴豆OSA 淀粉酯的膨脹度見圖6。

圖5 原淀粉和鷹嘴豆OSA 淀粉酯的溶解度

圖6 原淀粉和鷹嘴豆OSA 淀粉酯的膨脹度

由圖5 和圖6 可知，鷹嘴豆OSA 淀粉酯的溶解度和膨脹度在不同溫度下都高于原淀粉。主要是因?yàn)镺SA 對(duì)淀粉進(jìn)行了酯化處理，使淀粉的分子結(jié)構(gòu)松散，有利于水分的滲入和擴(kuò)散，從而提高其溶解度和膨脹度[19]。

2.3.2 凍融穩(wěn)定性

淀粉的凍融穩(wěn)定性通常用析水率來表示，而凍融穩(wěn)定性則與析水率呈反比[20]。

原淀粉和鷹嘴豆OSA 淀粉酯的析水率見圖7。

由圖7 可知，原鷹嘴豆淀粉的析水率（69.51%）與鷹嘴豆OSA 淀粉酯的析水率（56.91%） 相比，鷹嘴豆OSA 淀粉酯的析水率降低，所以鷹嘴豆OSA 淀粉酯的凍融穩(wěn)定性高于原鷹嘴豆淀粉。這是由于OSA 中的羧基被引入到淀粉分子中，增強(qiáng)了反應(yīng)中的羧基和水分子間的相互作用，從而使凍融穩(wěn)定性提高[21]。

圖7 原淀粉和鷹嘴豆OSA 淀粉酯的析水率

3 結(jié)論

以鷹嘴豆淀粉為原料，加入OSA 對(duì)其進(jìn)行改性，通過進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得到鷹嘴豆OSA 淀粉酯的最佳制備工藝為淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%，OSA添加量4%，反應(yīng)時(shí)間4 h，反應(yīng)溫度30 ℃，在此條件下，鷹嘴豆OSA 淀粉酯的取代度為36.83×10-3。與原鷹嘴豆淀粉相比，改性后的鷹嘴豆淀粉的溶解度、膨脹度與凍融穩(wěn)定性都得到明顯改善。