油莎豆辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備及結(jié)構(gòu)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(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的經(jīng)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(shù)食品，可維持餐后血糖穩(wěn)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(yīng)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(yè)中有廣泛的應(yīng)用，尤其作為乳化劑、包封劑和脂肪替代物等方面[2]。

關(guān)于OSA改性不同來源的淀粉已得到廣泛關(guān)注[3]。OSA淀粉酯目前已被用于生產(chǎn)抗性淀粉?？剐缘矸凼墙】等梭w小腸無法消化吸收、但能被結(jié)腸中微生物發(fā)酵分解的淀粉及其降解產(chǎn)物，具有比膳食纖維更優(yōu)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]?？剐缘矸鄯譃樗姆N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(fā)現(xiàn)以3% OSA改性的蠟質(zhì)玉米淀粉經(jīng)熱濕處理后對于人體餐后血糖反應(yīng)顯著低于原淀粉[5]。

目前關(guān)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(wěn)定性、抗性淀粉含量和接觸角進行分析，并對淀粉酯結(jié)構(gòu)進行表征，旨在為油莎豆資源開發(fā)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(zhì)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(shè)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(zhì)量分數(shù)40%的淀粉乳，置于三口瓶中35 ℃恒溫攪拌。在1 h內(nèi)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(yīng)過程滴加2% NaOH溶液維持反應(yīng)體系pH=8.5，反應(yīng)2 h后用2%的HCl溶液調(diào)整體系pH=6.5終止反應(yīng)。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(yīng)效率(RE)計算公式見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：W為檢測樣品質(zhì)量/g，W1為辛烯基琥珀酸酐的質(zhì)量/g；W2為油莎豆淀粉的質(zhì)量/g；162.4為葡萄糖單位的相對分子質(zhì)量；210為辛烯基琥珀酸酐的相對分子質(zhì)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(zhì)檢測

1.3.3.1 凍融穩(wěn)定性檢測

油莎豆OSA淀粉酯的凍融穩(wěn)定性檢測參考趙凱[8]等方法。將樣品與去離子水配制成質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量。重復(fù)進行4 d，析水率計算公式見式(3)。

(3)

式中：m1為淀粉糊的質(zhì)量/g；m2為沉淀物的質(zhì)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(zhì)量分數(shù)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(zhì)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(shù)。

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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗均重復(fù)測定3次，取平均值。采用SPSS20.0統(tǒng)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(jié)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(yīng)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(yīng)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(wěn)定，稀釋效應(yīng)導(dǎo)致水不溶的OSA和淀粉相之間混合不充分，因此反應(yīng)效率降低[11]。

表1 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯特征參數(shù)

根據(jù)淀粉消化率和水解時間，淀粉通常分為三個連續(xù)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(jié)晶度和淀粉結(jié)晶類型，以及淀粉中OSA基團的數(shù)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(yīng)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(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。經(jīng)OSA反應(yīng)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(dǎo)致底物空間位阻效應(yīng)和疏水環(huán)境，阻礙了與酶活性位點結(jié)合從而延緩了淀粉的酶解[14]，水解反應(yīng)效率下降，抗性淀粉含量增加。

OSA淀粉酯具有優(yōu)良的乳化分散性能，顆粒兩親性是判斷顆粒能否穩(wěn)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(yīng)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(shù)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(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)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(xiàn)象。辛烯基琥珀酸酰化引起的淀粉顆粒和分子結(jié)構(gòu)的變化有利于淀粉顆粒中水分的滲透和吸收，導(dǎo)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(wěn)定性分析

凍融穩(wěn)定性能夠反映出淀粉糊液經(jīng)凍融循環(huán)后保持原有膠體結(jié)構(gòu)的特性[20]。由圖2可知油莎豆淀粉經(jīng)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(wěn)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(wěn)定性優(yōu)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(wěn)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(tài)特征基本無明顯變化，這說明酯化反應(yīng)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(yīng)條件比較溫和有關(guān)。但值得注意的是，酯化反應(yīng)導(dǎo)致部分淀粉顆粒表面出現(xiàn)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(yīng)沒有破壞淀粉顆粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)，反應(yīng)僅在表面進行，沒有滲透到淀粉顆粒內(nèi)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(fā)現(xiàn)，反應(yīng)后的木薯淀粉沒有出現(xiàn)形態(tài)學的變化，而酯化后的馬鈴薯淀粉顆粒表面則出現(xiàn)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(jié)構(gòu)，表明油莎豆淀粉顆粒是由結(jié)晶和非結(jié)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(qū)別，說明酯化反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉的非結(jié)晶區(qū)[26，27]，淀粉晶型結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生改變。電鏡圖上淀粉酯表面出現(xiàn)的輕微侵蝕也證實反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉顆粒的表面，該結(jié)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(jié)晶度，相比較油莎豆淀粉相對結(jié)晶度(30.13%)，1%、2%、3% OSA添加量的油莎豆OSA淀粉酯相對結(jié)晶度分別為26.79%、22.28%和19.45%，即隨著取代度增高相對結(jié)晶度呈現(xiàn)下降趨勢，這表明隨著酯化反應(yīng)進行部分淀粉晶體結(jié)構(gòu)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(jié)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(zhì)和結(jié)構(gòu)與取代度有很大關(guān)聯(lián)度，研究發(fā)現(xiàn)油莎豆OSA淀粉酯的取代度隨OSA用量的增加而增大，反應(yīng)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(wěn)定性增強，糊液析水率低于原淀粉。OSA疏水基團的引入，導(dǎo)致淀粉酯接觸角逐漸增大，受空間位阻效應(yīng)和疏水環(huán)境影響，抗酶解能力提高，抗性淀粉含量增加。FT-IR光譜出現(xiàn)新吸收峰，證實OSA與油莎豆淀粉發(fā)生了酯化反應(yīng)。X-射線衍射圖譜顯示油莎豆OSA淀粉酯保持典型的A-型結(jié)構(gòu)，但相對結(jié)晶度隨著OSA添加量的增大而下降，說明酯化反應(yīng)過程中部分淀粉晶體結(jié)構(gòu)受到了破壞，SEM顯示油莎豆OSA淀粉酯部分顆粒表面出現(xiàn)了輕微腐蝕和裂紋。