非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯制備過程及性質的研究

白云霏，沈 群，胡小松，劉培玲，2，*

（1.中國農業大學食品科學與營養工程學院農業部果蔬加工開放重點實驗室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京100083；2.內蒙古工業大學化工學院，內蒙古呼和浩特 010051）

非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯制備過程及性質的研究

白云霏1，沈 群1，胡小松1，劉培玲1，2，*

（1.中國農業大學食品科學與營養工程學院農業部果蔬加工開放重點實驗室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京100083；2.內蒙古工業大學化工學院，內蒙古呼和浩特 010051）

將原料木薯淀粉（40%淀粉乳，w/w）依次通過三偏磷酸鈉交聯、非晶顆粒態結構轉變，醋酸酐酯化三步合成法制備非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯。利用正交實驗確定最佳工藝條件。三偏磷酸鈉交聯木薯淀粉最佳水平組合為：三偏磷酸鈉用量為0.5%，反應時間60min，反應溫度50℃，pH11；非晶顆粒態轉變條件為85℃溶脹5s，淀粉顆粒的偏光十字消失；酯化反應最佳水平組合為醋酸酐用量6%，反應時間90min，溫度20℃，pH8。三步合成法制備的非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯具有更加突出的抗老化、抗酸性、抗剪切力，在高溫和降溫處理中能保持適中的粘度和良好的粘度穩定性、易于糊化，具有良好的開發應用前景。

非晶顆粒態淀粉，交聯，酯化，制備，性質

Abstract：Tapioca starch was treated by cross-linking，with sodium trimetaphosphate，non-crystalline granular changing and esterifiing with acetic anhydride to get modified starch.The optimal conditions obtained from orthogonal experiments were：cassava concentration was 40%，the crosslinking agent concentration was 0.5%，reaction temperature was 50℃，reaction time was 60min，pH11.Non-crystalline granular changing was achieved by heating at 85℃ in water area for 5s，which was confirmed by disappearance of birefringence in polarized microscopy.The optimal conditions of esterified reaction were：concentration of esterification was 6%，reaction temperature was 20℃，reaction time was 90min，pH8.The triple modified tapioca starch was proved that had better quality in pasting properties，anti-starch aging，anti-acid and anti-shearing ability.

Key words：non-crystalline granular starch；cross-link；esterification；preparation；properties

隨著食品工業的發展和變性淀粉生產技術的進步，變性淀粉以良好的穩定性、抗酸性、抗老化能力等特性日益受到食品加工業重視。使用變性淀粉的食品品種也幾乎涉及所有食品領域。淀粉分子通過交聯可增強顆粒的堅韌性，可廣泛用于罐頭膠凝劑、灌裝湯汁、醬、嬰兒食品等。淀粉乙酸酯是在淀粉中引入少量酯基團，增強淀粉的親水性，降低糊化溫度、穩定性好。交聯和酯化使淀粉兼具交聯淀粉和酯化淀粉兩者優點[1]。非晶顆粒態淀粉是一種特殊的淀粉物態形式，是介于淀粉的多晶顆粒態和糊化態的中間體系，具有顆粒性，但無結晶性[2]。一方面，由于非晶顆粒態淀粉的結晶結構被破壞，偏光十字消失，與其他試劑作用時會更均勻，極大提高其生物消化活性；另一方面，內部分子鏈排列松散，與其他試劑作用時會更容易，因此可以作為原淀粉的代替品，制備各種變性淀粉和酶降解產物[3]。本研究以木薯淀粉為原料，依次通過三偏磷酸鈉交聯、非晶顆粒態轉變、醋酸酐酯化三步合成法制備非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯。增加非晶顆粒態轉變過程，是為了破壞交聯淀粉內部結晶區，形成疏松均勻的無定形結構，從而使酯化劑能均勻、高效的作用，解決了醋酸酯化反應的不穩定性和酯化度較小的局限性，提高了反應效率和原料利用率[4]，從而獲得比較穩定、兼有交聯和酯化淀粉優點的復合變性淀粉。并通過原淀粉、交聯淀粉醋酸酯和非晶顆粒態交聯淀粉醋酸酯性質間的比較，探究非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯的獨特性質和應用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉 食品級，廣西武鳴安寧淀粉有限公司；三偏磷酸鈉、乙酸酐、醋酸、鹽酸、氫氧化鈉等 均為分析純，北京化工廠。

NDJ-I型旋轉式粘度計 上海天平儀器廠；恒溫磁力攪拌器 浙江省樂清市樂成電器廠；微量進樣器 上海高欣玻璃儀器廠；離心機 上海安亭科學儀器廠；HYP-U型消化爐 上海纖檢儀器有限公司；59XA型多功能顯微鏡：配有Smart V250D攝像頭 上海永亨光學儀器制造有限公司；Tec master型快速粘度分析儀 澳大利亞Newport Scientific儀器公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯合成最佳工藝確定 美國食品藥物管理局（FDA）法案規定，乙酰基含量在2.5%以下，結合磷含量在0.04%以下的變性淀粉才可用于食品加工。因此，以交聯沉降積、酯化反應效率為指標（測定方法均引自《淀粉化學品及其應用》[5]），選取最佳交聯酯化工藝，并經高溫溶脹結構變性，最終按照最佳條件得到非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯。

1.2.1.1 交聯反應及最佳反應條件的確定 以水為介質，配成40%的淀粉乳，加入不同水平三偏磷酸鈉于反應器中，開始恒溫攪拌。反應過程中加入3%～4%的NaOH溶液調節使pH維持恒定，反應完全后用2%鹽酸調pH為6～7，洗滌、冷凍干燥、過80目篩，得交聯淀粉，交聯合成的正交實驗因素水平表見表1。

表1 交聯反應正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment for crosslinking reaction

1.2.1.2 非晶顆粒態轉變條件確定 將1.2.1.1方法確定最佳工藝組合的交聯淀粉乳（40%）進行非晶顆粒態結構轉變實驗，采用高溫溶脹[6]的方法，將交聯反應最佳條件制備的淀粉樣品分別取樣，基于節約能源和成本的考慮，參考相關文獻，設計加熱到55、65、75、85、95℃，并在有足夠水分情況下充分攪拌中保溫5s，達到該溫度完全溶脹的效果。反應停止迅速取樣，利用偏光顯微鏡（40×10）觀察顆粒的變化狀態，當淀粉顆粒的偏光十字全部消失，且顆粒狀態保持良好，證明顆粒的結晶結構被破壞，達到非晶化，從而獲得非晶顆粒態轉變的最佳條件。

1.2.1.3 酯化反應及最佳反應條件的確定 將最佳工藝組合的非晶顆粒態交聯淀粉乳（40%）加入不同水平的酯化劑乙酸酐，控制反應時間、溫度、pH，反應完成后用2%鹽酸調pH6～7，洗滌、冷凍干燥、過80目篩，得到產品非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯。酯化合成的正交實驗因素水平表見表2。

表2 酯化反應正交實驗因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment for esterification reaction

1.2.2 非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯與原淀粉、交聯木薯淀粉醋酸酯性質比較 通過對三種淀粉（木薯原淀粉、經1.2.1.1和1.2.1.3確定的最佳條件合成的交聯木薯淀粉醋酸酯、經1.2.1確定的最佳條件制備的非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯）的RVA糊化特性、冷熱粘度、透明度、抗酸性和抗剪切特性的測定，探究變性淀粉樣品的性質，為實際應用提供依據，以下性質實驗的測試結果均為三次以上測量的平均值。

1.2.2.1 RVA糊化特性的測定 根據AACC76-21方法[7]的規定，測試過程如下：3.0g淀粉樣品（水分含量12%為基準），加入25.0mL蒸餾水制成淀粉懸濁液，在50℃平衡1min，以9℃/min的速度升溫至95℃，并保持2.25min，以相同速率降溫到50℃，保持2min，攪拌槳速度160rmp/s。

1.2.2.2 冷、熱粘度的測定 配制3%的淀粉乳；調至pH6，在水浴中加熱至93℃；保持93℃攪拌30min；冷卻至30℃，分別測其粘度（93℃下測得的粘度為熱粘度，30℃下測得的粘度為冷粘度）。

1.2.2.3 透明度的測定 配制1%的淀粉乳，置于沸水浴中加熱攪拌15min，冷卻至室溫，在620nm波長下，以蒸餾水的透光率為100%，測定淀粉糊的透光率。

1.2.2.4 抗酸性的測定 配制3%的淀粉乳，置于90℃中加熱攪拌15min，后將糊液放到冷水浴中冷卻至22℃，分別測其粘度；然后加醋酸調至冷糊液pH3，并用玻璃棒攪拌5min后，再分別測其粘度。

1.2.2.5 穩定性的測定 配制3%的淀粉乳，調至pH6；將淀粉乳置于水浴中加熱至95℃，一份攪拌30min，一份不攪拌30min；置于冷水浴中冷卻到22℃，分別測粘度。

2 結果與討論

2.1 木薯淀粉交聯、結構改性、酯化最佳路徑條件確定

以交聯劑用量、pH、反應時間、溫度為研究對象，設計正交實驗，并以沉降積為指標進行比較，結果見表3。

表3 交聯反應正交實驗結果及其極差分析Table 3 Results and range analysis of orthogonal experimental for crosslinking reaction

淀粉交聯度同溶脹度存在著線性關系，可以通過測定沉降積來間接的表示淀粉交聯度，交聯度與沉降積呈線性負相關，即沉降積越小，交聯度越大，結構性能越強。由表2可知，RC＞RB＞RA＞RD于是得出影響三偏磷酸鈉交聯木薯淀粉的主要因素為溫度，其次是pH和交聯劑用量，時間影響最小。故制備三偏磷酸鈉交聯木薯淀粉的最佳水平組合為：A3B4C4D2，即交聯劑用量0.5%，pH11，反應溫度50℃，反應時間60min，合成交聯淀粉樣品經結合磷含量測試，均符合食品級。

通過高溫溶脹及偏光十字顯微觀察，得到結構改性的條件，將最優路徑制備的交聯淀粉乳分別加熱到55、65、75、85、95℃，并保溫攪拌充分溶脹5s，立即取樣用顯微鏡（40×10）觀察，原淀粉、各溫度溶脹的交聯淀粉取樣偏光十字效果如圖1所示。

圖1 木薯原淀粉及交聯木薯淀粉不同溫度溶脹5s的偏光顯微圖Fig.1 Polarized light micrographs of native and crosslinked tapioca starch swelled 5s at different temperatures

原木薯淀粉顆粒具有較明顯的偏光十字，叉點位于顆粒的中心，呈現垂直的十字交叉，為結晶狀態。經50℃交聯反應以后，55℃加熱溶脹，偏光十字依然非常清晰，沒有達到非晶化的要求，65、75℃溶脹已經逐漸多地出現偏光十字的部分消失，但視野中仍然可見偏光十字和結晶痕跡，85℃保溫充分溶脹5s視野中已不見偏光十字，效果非常顯著，非晶顆粒態交聯淀粉在保持顆粒狀態的前提下，顆粒內部的結晶結構被破壞而消失，多晶態變為非晶態，淀粉粒偏光十字消失，整個淀粉粒均一、松散，與酯化劑的作用會效率更高，且反應會更均勻。95℃保溫溶脹，淀粉糊已經透明，在灰光下可見破裂的淀粉粒，此時已經糊化，顆粒結構消失，已為過度狀態不可取。可以得出，85℃溶脹5s是已完全達到且易于達到目標的非晶化反應條件。

以酯化劑用量、反應時間、溫度、pH為研究對象，設計正交實驗，并以反應效率為指標進行比較，結果見表4。

表4 酯化反應正交實驗結果及其極差分析Table 4 Results and range analysis of orthogonal experimental for esterification reaction

由表4可知，RB＞RD＞RA＞RC，于是得出影響木薯醋酸酯淀粉的主要因素為反應時間，次要因素為pH和醋酸酐用量，反應溫度影響最小。由k值可知制備木薯淀粉醋酸酯的最佳水平組合為A2B2C1D1。即醋酸酐用量6%，反應時間90min，溫度20℃，pH8。

2.2 原淀粉、交聯木薯淀粉醋酸酯和非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯性質比較

2.2.1 RVA糊化特性的測定結果 快速粘度分析儀（RVA）可用于快速測定木薯淀粉的糊化特性，利用RVA測試溫度變化過程中樣品粘度的變化情況，從而表征變性淀粉粘度的變化特性。糊化溫度顯示了粘度值開始陡然增加時的溫度，差距不大，而峰粘度維持時間上經非晶態的淀粉長于其他。非晶顆粒態淀粉由于經過結構變性，非晶淀粉整個顆粒是均勻非晶化、松散的淀粉顆粒，所以非晶淀粉顆粒更容易乙酰化，取代度和原淀粉相比有較大幅度的提高，酯化能增強淀粉的親水性[8]，其整體粘度比交聯酯化淀粉低，低谷粘度高于原淀粉。崩解值顯示了非晶化的淀粉易于溶脹淀粉粒的解體。峰值粘度和糊化溫度的變化可能來源于淀粉經非晶化時結晶結構的變化。

表5 RVA曲線上各粘度特性值Table 5 Viscosity values of RVA curves for starch samples

圖2 三種淀粉樣品的RVA曲線Fig.2 RVA curves for three starch samples

回升值即終值粘度與低谷粘度的差值明顯小，反映了極強的短期抗老化能力。淀粉的老化現象主要是淀粉分子鏈間經氫鍵結合成束狀，而使其溶解度降低的結果。老化性與交聯度密切相關，交聯淀粉醋酸酯可能由于交聯度大使分子間相互結合變大而易于老化，且交聯使糊化難度加大[9]，無法完全糊化形成好的持水結構。經過高溫溶脹物理變性淀粉在非晶化過程中結晶結構消失，反應活性增強，在酯化過程中更利于反應和糊化，具有更大的結合水分子的能力，抗老化性好，凝沉穩定性強。淀粉質食品在儲藏過程中發生的凝膠強度、硬度、口感、透明度、黏彈性等功能特性變化與淀粉老化動態過程有著密切關系，老化會對淀粉質食品的質構特征產生顯著影響[10]，所以良好的抗老化性在維持食品良好的品質、口感等方面起著重要的作用。如應用于谷類即食粥等制品的增稠劑和抗淀粉老化劑，焙烤食品表面涂膜劑等，具有很大優勢。

2.2.2 冷、熱粘度的測定結果 由表6可知，原淀粉在30℃和93℃的冷、熱粘度差值最大，交聯淀粉醋酸酯的冷熱粘度差值較原淀粉有很大程度的降低，而經非晶顆粒化的交聯淀粉醋酸酯粘度差更小。粘度差值反映了淀粉的粘度穩定性、抗老化性，差值越小穩定性越好。目前食品中加入變性淀粉，主要是利用其受熱糊化后產生的粘度使產品具有要求的組織結構和性質。需在較高溫度下進行熱加工或濕熱滅菌的食品，高溫往往破壞淀粉的結構，使其失去增稠能力，變性淀粉的粘度穩定性好，能保持食品良好的組織狀態。例如肉汁罐頭、湯汁罐頭等需要經過高溫殺菌和調節pH保藏中且不需過高粘度和凝膠性的產品，加入此種變性淀粉能保持經高溫前后同樣的質構品質、不易老化，均一穩定、有自然的粘稠感、可延長保藏期。且經非晶顆粒化的淀粉酯化效率更高，酯化能增強淀粉的親水性，降低淀粉糊化溫度，且因結構變性具有了適中的粘度。熱加工前后的產品粘度效果穩定、適宜，基本不發生老化和粘度波動現象。

表6 冷熱粘度測定結果的比較（mPa·s）Table 6 Comparison of viscosity measurement results at high and low temperatures（mPa·s）

2.2.3 透明度的測定結果 從表7中我們可以看出，交聯淀粉醋酸酯透明度比原淀粉有了很大提高，這可能是因為酯化反應引入的乙酰基是親水基團，它阻礙了淀粉分子間的締合作用，減弱了光線的折射和反射強度，大大提高了淀粉糊的透明度[11]，這說明三偏磷酸鈉復合變性淀粉克服了原淀粉透光率低的缺陷。而非晶顆粒態的淀粉由于經過了高溫溶脹的過程，淀粉粒糊化較容易，在淀粉前處理過程中糊化最為完全，呈現出的淀粉糊透明度低于其他可能糊化不完全的淀粉。易于糊化的特性使非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯作為添加劑應用于食品中不需經過單獨的加熱，食品加工溫度就易于滿足糊化條件，作為增稠劑可大大節約能源、簡化加工工序。

表7 620nm波長處測得的樣品透明度結果的比較Table 7 Comparison of transparency results measured at 620nm wavelength

2.2.4 抗酸性的測定結果 從表8分析得到，加酸后，原淀粉、交聯淀粉醋酸酯的粘度均增大，而經非晶顆粒化的淀粉在酸性環境幾乎沒有粘度變化。一般食品的加工條件是酸性，這就要求用作增稠劑的變性淀粉具有很好的耐酸穩定性。當pH=3時，原淀粉和交聯淀粉醋酸酯粘度均上升，且經交聯后粘度上升更加明顯，這可能是由于交聯后的淀粉更不易糊化，加酸更加促進淀粉顆粒破裂，效果大于淀粉糊被酸性的破壞，糊化完全、粘度上升，而粘度的高低與取代度和交聯度有關。經過高溫溶脹結構變性的淀粉加酸之前已經完全糊化，酸的作用就是破壞淀粉分子結構使粘度下降，說明經結構變性后的淀粉具有更加優越的抗酸性。抗酸性極好的特性在酸性食品介質如果漿制品、果蔬罐頭、酸乳等生產中作用顯著，在酸性介質中加入作為適當增加稠度的淀粉制品，就必須保持酸度調節和滅菌前后粘稠度的穩定性，非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯很好地滿足了這些需求，且作為穩定劑成本低廉、原料廣泛。

表8 抗酸性測定結果的比較Table 8 Comparison of anti-acid ability measurement results

2.2.5 穩定性的測定結果 本實驗的穩定性測定反映糊化過程中機械剪切力帶來的影響。由表9顯示，原淀粉和交聯淀粉醋酸酯在糊化過程中攪拌粘度均大于未攪拌粘度，且經交聯后的淀粉攪拌之后粘度升高更加顯著。這是由于糊化的攪拌屬于機械剪切，剪切力加劇了淀粉分子的破裂，加速了糊化過程和程度，經交聯變性的淀粉分子更堅韌，不加剪切力的高溫難以糊化，故加攪拌后增稠更加明顯。而經溶脹的非晶化改性淀粉，只要均一分布于水中，在實驗條件下很易糊化，攪拌對淀粉分子的機械剪切力對粘度起破壞作用，其在剪切力下粘度下降很小，表現出優良的穩定性。

表9 穩定性測定結果的比較Table 9 Comparison of anti-shearing ability measurement results

3 結論

本實驗將原料木薯淀粉通過先用三偏磷酸鈉交聯、再高溫溶脹使其轉變為非晶顆粒態，最后以醋酸酐為酯化劑三步合成非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯。結合正交實驗確定：三偏磷酸鈉交聯木薯淀粉的主要影響因素為溫度，其次是pH和交聯劑用量，時間影響最小，最佳水平組合為：交聯劑用量0.5%，反應時間60min，反應溫度50℃，pH11；85℃高溫溶脹交聯淀粉乳5s，經偏光十字顯微圖證明形成非晶顆粒結構；制備木薯醋酸酯淀粉的主要影響因素為反應時間，次要因素為pH和醋酸酐用量，反應溫度影響最小，最佳水平組合為醋酸酐用量6%，反應時間90min，溫度20℃，pH8。

與原淀粉、交聯淀粉醋酸酯比較，非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯具有更加突出的抗老化凝沉、抗酸性、抗剪切力的特性，在高溫和降溫處理中能保持適中的粘度和良好的粘度穩定性，適用于易老化、酸性介質、強剪切力食品環境，且由于粘度優于一般淀粉增稠劑；易于糊化、耐加工性強，減少加工過程中的過多工序和耗能的加工步驟、節約能源、降低成本、延長貯藏期。在谷類、酸乳、多種類罐藏食品、飲料、膨化、即食食品等的加工中作為粘稠度調節劑、抗淀粉老化劑、穩定劑、成膜保護劑等應用，具有廣闊的開發前景。

交聯木薯淀粉醋酸酯在食品中起增稠、凝膠等各種作用，具有良好的交聯特性和極高的粘度，但在需要較好的抗酸性、抗老化、抗剪切，要保持產品原有性狀或不需過高粘度的環境中，使用即受限。而非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯彌補了這一缺陷同時在上述性質中表現更優。

性質分析中已例舉非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯在不同產品中的應用，具有相似需求的產品可以加以借鑒。而隨著現代食品工業的發展，新型變性淀粉的應用需求不斷擴大，廣泛應用于產品添加劑和改良劑中起到改善性狀、提高品質的作用。除了傳統變性淀粉作為增稠劑的作用外，非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯為食品加工提供更廣闊的空間，還能極大限度地保持天然食品在加工中品質的穩定，滿足消費者對食品加工的期待。

此外，非晶顆粒態淀粉分子鏈相互連接成的立體網絡具有分子微孔和內部包埋空間，能夠選擇性包埋緩慢釋放的淀粉立體式結構。因此，其作為分子包埋壁材，為食品功能因子活性穩態化加工領域提供一種具有廣泛意義的新型微膠囊壁材和成型包埋保護技術。在節約能源、提高穩定性和生物活性等方面有待更深入研究。

當然，不同的淀粉制品因為其性質而確定其應用的適應性。非晶顆粒態交聯木薯淀粉醋酸酯雖有其獨特穩定的性質，但高峰粘度并不出眾，當需要極高粘度淀粉制品或高效增稠劑、保水劑、膠黏劑時就不宜選用。食品企業可根據各種變性淀粉的獨特性質選擇最適合的產品進行添加和利用，以達到最優的效果。

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Study on the preparation and properties of modified tapioca starch by cross-linking，non-crystalline granular changing and acetylating

BAI Yun-fei1，SHEN Qun1，HU Xiao-song1，LIU Pei-ling1，2，*
（1.Engineering Research Centre for Fruits and Vegetables Processing，Ministry of Education，Key Laboratory of Fruits and Vegetables Processing，Ministry of Agriculture，College of Food Science and Nutrition Engineering，China Agriculture University，Beijing100083，Chnia；2.College of Chemistry Engineering,Inner Mongolia University of Technology，Hohhot010051，Chnia）

TS201.2

A

1002-0306（2012）16-0122-06

2011－04－18 *通訊聯系人

白云霏（1989-），女，本科，研究方向：淀粉及其衍生物。

國家自然科學基金項目（21006043）；內蒙古自然科學基金項目（2009MS1205）；廣西武鳴安寧淀粉有限公司資助項目。