不同分子量辛烯基琥珀酸蠟質(zhì)玉米淀粉酯的制備及其性能

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(1.浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江金華 321000;2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品科學(xué)研究所,浙江省果蔬保鮮與加工技術(shù)研究重點實驗室,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部果品產(chǎn)后處理重點實驗室,浙江杭州 310021)

淀粉作為最重要的農(nóng)業(yè)加工品之一,被廣泛應(yīng)用于食品、制藥和輕紡化工等多個領(lǐng)域,但天然淀粉包括蠟質(zhì)玉米淀粉在內(nèi),因性能局限性難以直接滿足各領(lǐng)域的需求[1]。辛烯基琥珀酸淀粉酯(octenyl succinic anhydride modified starch,簡稱OSAS),是淀粉與辛烯基琥珀酸酐(OSA)經(jīng)酯化反應(yīng)得到的改性產(chǎn)物,具有油水兩親的乳化性質(zhì),是近幾年國內(nèi)外變性淀粉研究與開發(fā)的熱點之一[2-4]。OSAS具有安全無毒、生物相溶性好、體內(nèi)可降解等優(yōu)點[5],在食品工業(yè)中常用作乳化劑[6-8]、穩(wěn)定劑[9]和微膠囊壁材[10]等。

淀粉與OSA發(fā)生酯化反應(yīng),生成的OSAS大多屬于高黏度型[11],可適用于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中一些高黏度需求的產(chǎn)品,如在調(diào)和色拉油中作為增稠穩(wěn)定劑等。但是,對于一些黏度要求低的產(chǎn)品,如微膠囊類制品,就需要OSAS在保持原有優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上具有更低的黏度[12]。因此,為了滿足這些產(chǎn)品的生產(chǎn)與應(yīng)用需求,需將制得的高黏度OSAS進行降解,或者將天然淀粉原料先降解處理再進行酯化[13-16]。本文采用水相法制備淀粉酯,再通過β-淀粉酶對其降解,將OSAS大分子降解成不同相對分子質(zhì)量的小片段,通過物性分析和結(jié)構(gòu)表征,探究其分子量與理化性質(zhì)間的相互關(guān)系,以期為OSAS在工業(yè)生產(chǎn)中的更廣泛應(yīng)用及蠟質(zhì)玉米淀粉深加工提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蠟質(zhì)玉米淀粉 甘肅昆侖生化有限責(zé)任公司;辛烯基琥珀酸酐OSA(純度≥99.5%) 山東濟南浩化實業(yè)有限責(zé)任公司;葡聚糖系列標(biāo)準(zhǔn)品(分子量分別為13050、21400、41100、84400、133800和200000 Da) 中國藥品生物制品檢定所;中溫β-淀粉酶(酶活70萬U/mL) 上海源葉生物科技有限公司;無水乙醇、鹽酸和氫氧化鈉 分析純,上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

ZHW-02C型全溫振蕩培養(yǎng)箱 太倉市華美生化儀器廠;SCIENTZ-18N型冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司;UV-1800型紫外分光光度計 日本島津公司;R/S plus型黏度計 BROOKFIELD美國博勒飛公司;LXJ-ⅡB型離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠;TM3000型臺式掃描電子顯微鏡 日本日立公司;Agilent 1100型高效液相色譜儀(G1362A示差折光檢測) 安捷倫科技有限公司;XMTD-8222型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設(shè)備有限公司;DHG-9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實驗室備有限公司; BS200S-WE1型電子天平 余姚金諾電子天平儀器有限公司;VERTEX 70型傅里葉紅外光譜儀 BRUKER德國布魯克公司;FE20型pH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;SHZ-D型循環(huán)水真空泵 杭州明遠儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 辛烯基琥珀酸蠟質(zhì)玉米淀粉酯(OSAS)制備 稱取100 g蠟質(zhì)玉米淀粉置于去離子水中,配制成質(zhì)量分數(shù)為35%的乳液,然后用質(zhì)量分數(shù)2% NaOH(溶液)將乳液pH調(diào)至8.5,滴加無水乙醇稀釋5倍的OSA溶液3 g,控制2 h內(nèi)加完,于恒溫35 ℃水浴中反應(yīng)3 h(反應(yīng)過程中pH保持8.5恒定)。反應(yīng)結(jié)束,用質(zhì)量分數(shù)為2%鹽酸將混合物pH調(diào)至6.5后,將混合物過濾,得濾餅,濾餅再用去離子水和95%乙醇反復(fù)洗滌3次后,置于50 ℃烘箱中平衡24 h,粉碎過100目篩,備用。

1.2.2 OSAS酶解 稱取10 g OSAS(干基)溶于去離子水中,配置成質(zhì)量分數(shù)為35%乳液,用質(zhì)量分數(shù)為2%鹽酸將乳液pH調(diào)至5.0。沸水浴攪拌充分糊化1 h,冷卻至55 ℃后,分別加入質(zhì)量分數(shù)為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(占干OSAS質(zhì)量百分分數(shù))的β-淀粉酶,于55 ℃、120 r/min振蕩培養(yǎng)箱中酶解2 h。酶解結(jié)束后,沸水浴中加熱30 min滅酶,冷凍干燥得到酶解OSAS。

1.2.3 OSAS分子量測定 樣品分子量由凝膠滲透色譜法(GPC)測定[17]。色譜條件為:Agilent 1100型高效液相色譜系統(tǒng),采用TSK G3000 PWxl凝膠柱(300×7.8 mm,7 μm),流動相為超純水,過0.22 μm膜并超聲脫氣,進樣量20 μL,流速1.0 mL/min,檢測器溫度50 ℃,柱溫70 ℃。稱取15 mg酶解樣品于5 mL超純水中,沸水浴充分溶解,趁熱過0.22 μm膜進行分子量分布測定。

1.2.4 黏度測定 準(zhǔn)確稱取 1.0 g樣品(絕干)置于100 mL去離子水中,適當(dāng)攪拌配制成乳液,倒入200 mL高腳燒杯中于常溫進行表觀黏度的測定,使用一號轉(zhuǎn)子,速度選擇40 r/min。

1.2.5 糊透明度測定 準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品(絕干)置于50 mL去離子水中,沸水浴加熱糊化并保溫 20 min,冷卻至室溫后以蒸餾水為空白,使用分光光度計在200～800 nm波長范圍內(nèi)進行全波段掃描,選擇650 nm處得到的透光率來衡量樣品糊透明度。

1.2.6 凝沉性測定 準(zhǔn)確稱取 0.5 g樣品置于50 mL 去離子水中,沸水浴中加熱糊化并保溫20 min,冷卻至室溫后精確量取25 mL樣品糊液置于具塞比色管中,常溫放置觀察分層情況。每隔24 h測定并計算上清液的高度與體積,并按以下公式計算凝沉性(retrogradation property,簡稱RP,%):

式中,V1為樣品糊液體積,mL;V2為上清液體積,mL。

1.2.7 膨脹度測定 準(zhǔn)確稱取3.0 g樣置于150 mL去離子水中,30 ℃恒溫水浴30 min且4000 r/min離心30 min[18]。棄去上清液,稱量沉積物質(zhì)量,按公式計算膨脹度(swelling degree,簡稱SD,%):

式中,m1為樣品干基質(zhì)量,g;m2為離心后沉積物質(zhì)量,g。

1.2.8 FT-IR分析 紅外光譜儀的波長范圍設(shè)定為400～4000 cm-1。分析前,干燥處理好的樣品需與適量KBr混合研磨均勻后進行壓片處理。

1.2.9 SEM分析 將樣品均勻地撒在有膠性物質(zhì)的樣品臺上進行鍍金處理,于掃描電子顯微鏡樣品室中觀察樣品形貌并拍照。放大倍數(shù)為1800倍和5000倍。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實驗均重復(fù)3次,采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析,不同試驗組數(shù)據(jù)間差異顯著范圍均取小于0.05(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 加酶量對OSAS分子量的影響

表1給出了不同分子質(zhì)量葡聚糖標(biāo)品所對應(yīng)的保留時間。圖1給出了酶添加量與OSAS分子量對應(yīng)關(guān)系。高分子量辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯標(biāo)記為L-OSAS(β-淀粉酶添加量為0),較大分子量辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯標(biāo)記為Lr-OSAS(β-淀粉酶添加量0.5%),中分子量辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯標(biāo)記為M-OSAS(β-淀粉酶添加量1.0%),較小分子量辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯標(biāo)記為Sr-OSAS(β-淀粉酶添加量1.5%),小分子量辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯標(biāo)記為S-OSAS(β-淀粉酶添加量2.0%)。

表1 不同分子質(zhì)量葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品保留時間Table 1 Retention time of glucan standardsat different molecular weights

圖1 加酶量對OSAS分子量的影響Fig.1 Effect of amount of enzymeson the molecular weight of OSAS注:不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3、圖5同。

以葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品體積排阻色譜圖中的保留時間tR為橫坐標(biāo),lgMt為縱坐標(biāo)進行作圖,從而得到OSAS的相對分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)曲線:y=-0.3977x+9.7452,R2=0.9952。由圖1可以看出,經(jīng)不同加酶量酶解處理后得到5種OSAS樣品,其分子量在1.0×104～2.0×105Da范圍內(nèi)呈梯度變化,隨加酶量的增加OSAS分子量顯著下降(P<0.05)。

2.2 分子量對 OSAS物理性質(zhì)的影響

2.2.1 分子量對OSAS黏度的影響 OSAS加熱糊化時黏度增大,攪拌困難,加入β-淀粉酶后黏度明顯下降,圖2為不同分子量OSAS的黏度測定結(jié)果。

圖2 不同分子量對OSAS黏度的影響Fig.2 Effects of different molecular weightson the viscosity of OSAS

圖2表明,隨著分子量的減小,OSAS的黏度在0.0035～0.0010 Pa·s呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,尤其Lr-OSAS比L-OSAS黏度下降明顯,說明酶解這一處理方法能明顯降低OSAS的黏度。其實質(zhì)是β-淀粉酶酶解切斷了淀粉間部分相互作用的糖苷鍵,導(dǎo)致淀粉鏈的平均長度減短[12]。

2.2.2 分子量對OSAS糊透明度的影響 不同分子量OSAS糊透明度的測定結(jié)果見圖3。淀粉顆粒糊化后,其透光度越好,透明度就越高。

圖3 不同分子量對OSAS糊透明度的影響Fig.3 Effects of different molecular weightson the transparency of OSAS pastes

淀粉糊化時分子進行重新排列,其相互締合程度是影響淀粉糊透明度的重要因素。如果分子間或分子內(nèi)的締合作用較大,則會引起光的折射,使透光度減弱,即透明度下降;淀粉中支鏈淀粉含量越高,分子間締合作用越小,越不易發(fā)生分子間聚合,則其透明度越高[18-19]。圖3數(shù)據(jù)顯示,隨著OSAS分子量的降低,即隨其支鏈淀粉含量的降低,透光率從L-OSAS的28.6%減小至 S-OSAS的23.1%,5種樣品的糊透明度顯著降低。

圖4 不同分子量對OSAS凝沉性的影響Fig.4 Effects of different molecular weightson the retrogradation property of OSAS

2.2.3 分子量對OSAS凝沉性的影響 由圖4可知,Lr-OSAS、M-OSAS、Sr-OSAS、S-OSAS的凝沉性均明顯低于L-OSAS。淀粉顆粒加熱糊化后,因水分子和熱作用,原本有序的淀粉分子會變得雜亂無序;淀粉糊靜置降溫后,因分子勢能的作用,高能態(tài)的無序狀態(tài)將逐步趨于低能態(tài)的有序化,淀粉糊的凝沉是淀粉分子從無序狀態(tài)到有序重排的老化過程[20]。在β-淀粉酶作用下,淀粉鏈間糖苷鍵被破壞,導(dǎo)致淀粉平均鏈長減短,且生成更多短鏈,分子勢能降低。因此,酶解處理后,分子量的減小會較大程度地削弱淀粉糊的老化作用,凝沉性降低。

2.2.4 分子量對OSAS膨脹度的影響 玉米淀粉顆粒浸入水中會吸水進行有限的可逆膨脹,而膨脹度的大小能夠間接地表示淀粉內(nèi)部鍵結(jié)合的程度。不同分子量OSAS膨脹度測定結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同分子量對OSAS膨脹度的影響Fig.5 Effects of different molecular weightson swelling degree of OSAS

由圖5可以看出,Lr-OSAS、M-OSAS、Sr-OSAS、S-OSAS的膨脹度均小于L-OSAS,且其膨脹度隨著分子量的降低也在2.4～2.1范圍內(nèi)下降。有研究曾發(fā)現(xiàn)淀粉的膨脹主要是支鏈淀粉的特性,而直鏈淀粉起到稀釋劑的作用,其含量增加不利于淀粉的膨脹[18-21]。OSAS在β-淀粉酶酶解處理過程中,支鏈淀粉分子會部分降解,導(dǎo)致直鏈淀粉含量增大、支鏈淀粉含量降低,因此膨脹度減小。

2.3 分子量對 OSAS結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響

2.3.1 分子量對OSAS的 FT-IR影響 由圖6可以看出,在全部樣品FT-IR特征光譜區(qū)域內(nèi),925、1080和1155 cm-1等處都有非常明顯的因C-O鍵伸縮和振動而產(chǎn)生的吸收峰,1649 cm-1處是因烯醇式C=O鍵伸縮振動產(chǎn)生的特征峰,2922 cm-1處是因C-H鍵伸縮振動產(chǎn)生的特征峰,3390 cm-1處是一個O-H鍵的伸縮振動的較大特征峰。與蠟質(zhì)玉米原淀粉光譜比較,5種OSAS的光譜中,均分別在1735 cm-1處出現(xiàn)新的特征峰,原因是OSA與淀粉發(fā)生酯化反應(yīng),經(jīng)酯化變性處理后的淀粉引入了新的酯鍵與葡萄糖上羥基相連,因而檢測到酯羰基的特征峰[22-23]。

圖6 不同分子量OSAS的 FT-IR光譜Fig.6 FT-IR spectra of OSASwith different molecular weights 注A:Lr-OSAS;B:M-OSAS;C:Sr-OSAS;D:S-OSAS;E:L-OSAS;F:蠟質(zhì)玉米淀粉。

另外,除波數(shù) 1735 cm-1外,蠟質(zhì)玉米原淀粉與5種OSAS樣品的FT-IR吸收光譜基本相同;除特征峰吸收強度因樣品分子量的不同而差異明顯外,5種OSAS樣品的光譜圖基本相同。綜上所述,蠟質(zhì)玉米原淀粉和OSA發(fā)生了取代反應(yīng),生成的OSAS中除引入OSA外,酯化變性和酶法降解處理未引入其他成分[24]。

2.3.2 不同分子量OSAS 的SEM分析 由圖7可見,蠟質(zhì)玉米淀粉顆粒表面光滑,而L-OSAS顆粒表面明顯因凹陷而粗糙,但并未產(chǎn)生明顯裂痕,說明OSA基團與蠟質(zhì)玉米淀粉分子酯化作用主要發(fā)生在淀粉顆粒的表面[24-25]。而M-OSAS圖中,其顆粒由規(guī)則的橢球形改變?yōu)椴灰?guī)則狀,推測是由于β-淀粉酶酶解作用導(dǎo)致。

圖7 不同分子量OSAS的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photos of OSAS with different molecular weights 注:A1和A2分別為蠟質(zhì)玉米淀粉1800倍和5000倍放大;B1和B2為L-OSAS1800倍和5000倍放大;C1和C2為M-OSAS1800倍和5000倍放大。

3 結(jié)論

采用水相法制備得到辛烯基琥珀酸蠟質(zhì)玉米淀粉酯(OSAS),利用中溫β-淀粉酶酶解處理,得到5種不同相對分子質(zhì)量的OSAS,經(jīng)凝膠滲透色譜法測得其分子量在1.0×104～2×105Da范圍內(nèi)呈梯度減小。物理性質(zhì)測定結(jié)果表明,OSAS的黏度、糊透明度、凝沉性和膨脹度均隨其分子量減小而降低;結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明,OSA基團與蠟質(zhì)玉米淀粉分子酯化作用主要發(fā)生在淀粉顆粒的表面,酶解處理不會引入其他基團。本研究初步探究了OSAS分子量與其理化性質(zhì)間的相互關(guān)系,能夠為其更廣泛應(yīng)用提供一定的理論參考。