銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備及消化性能評價

鄭 義 張煥新 蘇怡樂 劉 萍 丁 寧 姚 成

(江蘇農牧科技職業學院1，泰州 225300)(南京工業大學2，南京 211816)

銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備及消化性能評價

鄭 義1，2張煥新1蘇怡樂1劉 萍1丁 寧1姚 成2

(江蘇農牧科技職業學院1，泰州 225300)(南京工業大學2，南京 211816)

以銀杏淀粉為原料，對水相法制備辛烯基琥珀酸淀粉酯的工藝進行了研究。在辛烯基琥珀酸酐添加質量分數為3.0%不變的情況下，通過單因素試驗考察淀粉乳濃度、反應時間、反應溫度、pH等因素對產品取代度和反應效率的影響。在此基礎上，通過正交試驗優化了制備銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的最佳工藝參數：銀杏淀粉質量分數40.0%，反應溫度45.0 ℃，pH 8.0，反應時間4.0 h。在此工藝條件下，銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度可以達到0.019 36，反應效率74.42%。淀粉消化性能試驗表明銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯對胰淀粉酶水解作用具有良好的抵抗能力，慢消化及抗消化特性顯著。

銀杏淀粉 辛烯基琥珀酸淀粉酯 取代度 消化性

辛烯基琥珀酸淀粉酯(Octenyl succinic anhydride modified starch，簡稱OSA starch)是由辛烯基琥珀酸酐(OSA)與淀粉在堿性或弱堿性條件下反應所制取的酯化產品[1]，商品名為純膠(Pure Gum)，是一種安全性高的乳化增稠劑。1972年被列入美國食品添加劑范疇，聯合國糧農組織和世界衛生組織(FAO/WHO)對其評價為：酸酐的最大處理量是3.0%，取代度約0.02，日需量無需特殊規定，可將其用于食品，使用范圍沒有限制。1997年，在國內被批準作為食品添加劑使用，2001年使用范圍被擴大到其用量可根據需求添加，無需控制[2]。由于分子中同時引入了親水和疏水2個基團，因此辛烯基琥珀酸淀粉酯有著其他淀粉無法兼有的優良乳化性能和增稠性能[3]，被廣泛的應用于飲料乳濁液、乳化香精、微膠囊粉末、色拉調味油以及制藥、化妝品、紡織和造紙等行業[4]。目前，有關辛烯基琥珀酸淀粉酯的研究主要集中在原料選擇、酯化條件篩選、理化性質、結構解析及在工業生產中的應用等方面[5,6]。制備原料通常選擇支鏈淀粉含量較高的蠟質玉米、水稻、馬鈴薯淀粉[5,7-10]，以高直鏈淀粉制備辛烯基琥珀酸淀粉酯以及對辛烯基琥珀酸淀粉酯消化性能的相關研究鮮有文獻報道[11]。

銀杏(GinkgobilobaL.)，又名“白果”，屬銀杏科落葉喬木是已知的最古老的物種樹，被稱為“生活化石”，是我國重要的經濟及綠化植物，資源豐富。銀杏中淀粉大約含600～700 g/kg(干基)，其中直鏈淀粉質量分數33.0%，遠高于普通玉米淀粉17.6%[12]，是制備抗性淀粉較為理想的原料。目前，由于我國銀杏加工技術薄弱，成熟時大片果實無人采摘，不僅造成資源的極大浪費，同時削弱了果農種植銀杏的積極性。以銀杏淀粉為原料，旨在對銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備工藝、消化性能進行研究和評價，為其在食品工業中的應用和銀杏深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

銀杏淀粉：實驗室自制(大佛指銀杏，購于江蘇泰興農產品批發市場)；辛烯基琥鉑酸酐：北京百靈威科技有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、乙醇(均為分析純)：上海國藥試劑有限公司；實驗所用水均為蒸餾水。

1.2 儀器與設備

TGL-10B高速臺式離心機：北京新諾立華儀器有限公司；PHSJ-3F型酸度計：上海精密儀器儀表有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海圣欣科學儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯濕法制備方法[13]

向20 g銀杏淀粉(干基)中加入蒸餾水，配制一定質量濃度的淀粉懸濁液(25.0%～45.0%)。在1.5 h內緩慢滴加用無水乙醇稀釋5倍的辛烯基琥珀酸酐(OSA)，用2.0%的NaOH和0.05 mol/L的HCl調整體系的pH值，繼續反應到反應所需時間。反應過程中保持溫度不變，待反應結束后用0.05 mol/L的HCl調節pH至6.0，終止反應。將混合物離心分離，用70%的乙醇水溶液反復洗滌，過濾，50 ℃干燥48 h，過100目篩。

1.3.2 取代度和反應效率的測定方法[14]

精確稱取1.5 g銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯樣品，分散在50 mL 95%的乙醇水溶液中，攪拌10 min以除去未反應的酸酐，隨后加入15 mL 2.5 mol/L的鹽酸-乙醇溶液，繼續攪拌30 min。將樣品倒入布氏漏斗抽濾，用蒸餾水洗滌至無Cl-離子(用0.1 mol/L的AgNO3溶液檢測)。將樣品分散于100 mL水溶液中，沸水浴30 min。用0.1 mol/L的NaOH標準溶液滴定，酚酞為指示劑，滴定至粉紅色。未改性的淀粉作空白對照，根據式(1)和式(2)計算取代度和反應效率。

(1)

(2)

式中：0.162為葡萄糖單元的分子量/1 000；0.210為辛烯基琥珀?；?1 000；V樣品為滴定銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯耗NaOH的量/mL；V空白為滴定未改性淀粉所耗的NaOH的量/mL；A為NaOH溶液的實際摩爾濃度/mol/L；W為干燥的辛烯基琥珀酸淀粉酯淀粉的質量/g；W空為未改性淀粉的質量/g；WOSA為辛烯基琥珀酸酐的質量/g。

1.3.3 消化性能測定

采用Dimantov提出的In-Vitro消化模型[15]。分別稱取一定量的淀粉樣品浸入模擬人工小腸液中，置于37 ℃水浴中輕微振蕩，在不同時間段(30、60、90、120、150、180 min)吸取上清液取樣，采用3,5-二硝基水楊酸法測定上清液中還原糖含量，計算消化率。

1.4 制備工藝試驗設計

1.4.1 單因素試驗

單因素試驗主要研究淀粉乳濃度、反應時間、反應溫度、pH等因素對產品取代度和反應效率的影響?；緱l件設定為：OSA的添加質量分數為3.0%(淀粉干基比，w/w)保持不變，淀粉乳質量濃度為35.0%，pH 8.5，反應溫度40 ℃，反應時間3.0 h。改變影響酯化反應的其中一個因素，其他因素保持不變，分別考察各因素對取代度和反應效率的影響，每組處理重復3次。

1.4.2 正交試驗

依據單因素試驗確定因素水平范圍，以取代度為考察指標，采用四因素三水平正交試驗設計L9(34)，優化銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備條件組合，各因素與水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表

2 結果與分析

2.1 淀粉濃度對酯化反應的影響

取不同濃度的銀杏淀粉乳，反應溫度為40 ℃，調整體系pH 8.5，1.5 h內緩慢滴加3.0%的OSA(淀粉干基比，m/m)后，繼續反應3.0 h，以取代度DS和反應效率RE為指標，考察淀粉乳濃度對酯化反應的影響，結果見圖1。

圖1 淀粉乳質量濃度對取代度和反應效率的影響

由圖1可以看出：淀粉乳質量濃度從25.0%增加至40.0%時，DS和RE快速增長；繼續增加淀粉乳質量濃度至45.0%時，DS和RE卻開始降低。主要原因是淀粉和OSA均不溶于水，酯化反應是一種非均相反應，隨著淀粉質量濃度的增加，淀粉與OSA接觸的概率增大，DS和RE相應增大。但當淀粉質量濃度超過40.0%后，體系含水量過低，淀粉顆粒收縮而無法吸水膨脹，不利于酸酐進入淀粉顆粒的無定型區，且體系內分子流動性減弱、難以攪拌均勻。因此，DS和RE隨之減小，且反應效率減小迅速。所以，酯化反應的比較合適的淀粉質量濃度范圍為30.0%～40.0%。

2.2 反應溫度對酯化反應的影響

取質量濃度為35.0%銀杏淀粉乳濁液，保持體系pH 8.5，反應時間3.0 h，OSA的添加質量分數為3.0%，考察淀粉反應溫度對酯化反應的影響，結果見圖2。

圖2 反應溫度對取代度和反應效率的影響

銀杏淀粉難溶于冷水，因此溫度對酯化反應具有顯著影響。由圖2知：反應溫度在30.0～35.0 ℃時，DS和RE隨溫度的升高增加緩慢，表明淀粉分子間氫鍵強度大，熱運動較弱，在溫度較低情況下反應速度較慢；繼續升高溫度(35.0～40.0 ℃)，淀粉分子間氫鍵斷裂，溶解度迅速增大，淀粉在水中的膨脹度增加，有助于OSA在淀粉顆粒內的快速擴散，表現在DS和RE迅速增大至最大值0.017 05，68.22%；繼續增加反應溫度，淀粉黏度增大，分子間阻力增大，而且OSA在水相中的溶解度增加，水解反應加快提高，導致DS和RE迅速減小。因此，此酯化反應的最適溫度應當在40.0 ℃左右。

2.3 反應pH對酯化反應的影響

取質量濃度為35.0%銀杏淀粉乳濁液，反應溫度40.0 ℃，反應時間3.0 h，OSA的添加質量分數為3.0%，改變反應體系的pH，考察淀粉pH變化對酯化反應的影響，結果見圖3。

由圖3可知：體系的pH對酯化反應的影響較大。pH在7.5～8.0范圍內，DS和RE隨pH的增大快速增大，pH升高至8.0時，DS和RE分別達最大值0.014 33，67.92。主要原因在于隨著pH的增大，淀粉分子的羥基大量被激活，有利于酸酐基團的親核反應，酯化反應增加迅速，DS和RE隨pH的增大。當pH>8.5時，DS和RE呈現明顯下降趨勢，主要原因為pH值過高時，OSA易與堿發生中和反應；并且生成的銀杏淀粉酯水解速度加快，導致酯化反應的DS和RE降低。因此，酯化反應的最適宜的pH應在弱堿性范圍7.5～8.5。

圖3 反應pH對取代度和反應效率的影響

2.4 反應時間對酯化反應的影響

取質量濃度為35.0%銀杏淀粉乳濁液，保持體系pH 8.5，反應溫度40 ℃，OSA的添加質量分數為3.0%，考察淀粉反應時間對酯化反應的影響，結果見圖4。

圖4 反應時間對取代度和反應效率的影響

淀粉酯化反應是一種可逆的化學反應，反應時間對淀粉酯化反應較大影響。由圖4知：反應時間1.0 h增加至3.0 h，DS和RE快速增加，表明反應底物銀杏淀粉、OSA濃度高，酯化反應速率較大；反應時間在3.0～4.0 h時，隨著底物濃度的降低，反應速度減小，表現在DS和RE增加緩慢；反應達到平衡時(4.0 h)，DS和RE分別達最大值0.012 1，53.85%。隨著反應時間的進一步延長(>4.0 h)，水解反應成為主導反應，DS和RE呈現下降趨勢。所以，酯化反應的比較合適的反應時間為3.0～5.0 h。

2.5銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備最佳工藝條件的確定

依據正交設計L9(34)確定9組優化試驗。在不同因素水平組合條件下制備銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯，以取代度為考察指標，確定最佳制備工藝條件，結果與分析見表2及表3。

表2 正交試驗設計組合及試驗結果

表3 正交試驗方差分析

注：將極差最小的因素D作為誤差項。

對不同因素水平組合試驗結果進行極差分析，由表2可知：各因素對酯化反應取代度的影響大小依次為：淀粉乳質量濃度(A)﹥反應溫度(B)﹥pH值(C)﹥反應時間(D)，銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯制備最優工藝組合為：A3B3C2D2，即：淀粉質量濃度40.0%，反應溫度45.0 ℃，pH 8.0，反應時間4.0 h。以極差最小的因素D(反應時間)作為誤差項，對試驗結果進行方差分析(表3)，由表3可知：在試驗選定的水平范圍內，pH對酯化反應取代度的影響較小(P>0.05)，而銀杏淀粉乳質量濃度和反應溫度對酯化反應取代度具有顯著影響(P<0.05)，其中銀杏淀粉乳質量濃度對酯化反應取代度影響極顯著(P<0.01)。因此，利用水相法制備辛烯基琥珀酸淀粉酯時，銀杏淀粉乳濃度和反應溫度的控制是獲得高取代度淀粉酯的關鍵因素。在此工藝條件下制備銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯(重復3次處理并測定取代度和反應效率)進行驗證試驗，平均取代度和反應效率分別為0.019 36，74.42%，相對誤差分別為2.27%，3.18%(<5.0%)，表明采用正交試驗優化得到的工藝參數具有較高可信度。

2.6 銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯消化性分析

采用In-Vitro系統測定銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯在人體模擬小腸液中消化程度隨時間的變化，研究其抗消化特性，結果見圖5。由圖5可知，消化時間在0～20.0 min，銀杏淀粉和辛烯基琥珀酸淀粉酯在α-淀粉酶的作用下發生快速水解，但銀杏淀粉消化率(58.81%)顯著大于辛烯基琥珀酸淀粉酯消化率(30.11%)；20.0～120.0 min，辛烯基琥珀酸淀粉酯消化率隨時間的增加而增大(30.11%～49.20%)，但銀杏淀粉消化率增加緩慢(58.81%～75.82%)；消化時間大于120.0 min時，二者消化率隨時間的延長變化不大，辛烯基琥珀酸淀粉酯的消化率(50.83%)遠小于銀杏淀粉(77.93%)。Englyst等人將淀粉進行分類，以20 min內被α-淀粉酶和真菌葡萄糖淀粉酶消化的淀粉為快消化淀粉(ready digestible starch，RDS)、20～120 min內消化的為慢消化淀粉(slowy digestible Starch，SDS)，120 min仍不能消化的為抗性淀粉(resistant starch，RS)[16]。辛烯基琥珀酸淀粉酯對胰淀粉酶水解作用具有良好的抵抗能力，具有顯著慢消化及抗消化的特性。胰淀粉酶對淀粉的水解作用是固液兩相反應，胰淀粉酶分子首先由液相擴散到淀粉顆粒表面，然后滲入其中并對淀粉分子的糖苷鍵進行水解。顯然，普通銀杏淀粉經過酯化反應，引入OSA基團，在糖苷鍵和α-淀粉酶之間形成分子間的位阻，削弱與α-淀粉酶的結合能力，導致其抗性增加。這與Heacock等[17,18]提出OSA酯化反應是一種有效制備慢消化淀粉和抗性淀粉的方法研究結果相一致。

圖5 銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯消化性能

3 結論

3.1 通過單因素試驗和正交試驗確定了銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯制備最優工藝組合：淀粉質量濃度40.0%，反應溫度45.0 ℃，pH 8.0，反應時間4.0 h。在此工藝條件下，制備所得銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度0.019 36，反應效率74.42%，符合食品工業的需要，說明采用正交試驗優化得到的工藝參數具有較高可信度。

3.2 淀粉消化性能試驗表明：銀杏辛烯基琥珀酸淀粉酯對胰淀粉酶水解作用具有良好的抵抗能力，慢消化及抗消化的特性顯著。這一特性對其作為藥物或食品活性物質的傳遞載體，起到靶向釋放的功能具有重要作用，在制藥和食品工業有著潛在的、巨大應用前景。

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Preparation and Digestible Evaluation of Octenyl Succinic Anhydride Modified Ginkgo Starch

Zheng Yi1,2Zhang Huanxin1Su Yile1Liu Ping1Ding Ning1Yao Cheng2

(Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College1,Taizhou 225300)(Nanjing Tech University2,Nanjing 211816)

The preparation of octenyl succinic anhydride(OSA)starch from Ginkgo starch in aqueous slurry systems was studied.The effects of starch concentration,reaction time,reaction temperature,pH value on the degree of substitution(DS)and the reaction efficiency(RE)of product were systematically investigated by single-factor experiments when the adding mass fraction of octenyl succinic anhydride remained as 3.0%.Orthogonal experiments were carried out to determine the suitable parameters for the preparation of OSA-starch from ginkgo in aqueous slurry systems as follows：concentration of starch slurry 40.0%(in proportion to water,m/m),reaction temperature 45.0 ℃,pH of reaction system 8.0,reaction period 4.0 h.Under this condition,the degree of substitution was 0.019 36 and the reaction efficiency was 74.42%.Moreover,the prepared product showed lower hydrolysis degree of in vitro,indicating its higher resistance to porcine pancreatic α-amylase digestibility.

Ginkgo starch,octenyl succinic anhydride modified starch,degree of substitution(DS),digestibility

TS239

A

1003-0174(2017)10-0039-06

泰州市科技支撐工業項目(TG201421)，江蘇省“青藍工程”(20160418)，江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃(20150809)

2016-07-22

鄭義，女，1976年出生，副教授，藥物分析及合成

張煥新，男，1972年出生，教授，糧食、油脂及植物蛋白工程