不同化學方法制備的抗性淀粉理化性質及表征研究

牛博文,徐 薇,張 彧

(大連工業大學食品學院,遼寧大連 116034)

紅薯,又名番薯、甘薯等,一年生草本植物,具有喜光、怕冷、耐旱、土壤適應力強、營養豐富等特點。紅薯生長周期較短,一年內可多次播種且產量較高,在全世界熱帶、亞熱帶地區廣泛種植,在我國大部分地區均可栽植[1]。

淀粉是一種廉價、可再生、完全可生物降解的高分子化合物,作為每日飲食中最普遍的碳水化合物,是人體主要能源供給物質,按照不同的營養分類,可分為快速消化淀粉、緩慢消化淀粉和抗性淀粉。抗性淀粉是不能被正常健康人體小腸消化吸收與酶解的淀粉[2],可以在結腸中被微生物群發酵或部分發酵生成短鏈脂肪酸,修改穩定腸道菌群,調節腸道健康[3]。從自身結構與不同制備方法可以大致分為五種類型:物理包埋淀粉(RS1)、抗性淀粉顆粒(RS2)、老化回生淀粉(RS3)、化學改性淀粉(RS4)與直鏈淀粉—脂質復合物(RS5)[4]。其中,RS4是經過一系列化學修飾后,在淀粉分子鏈引入化學官能團或改變分子結構,限制淀粉酶作用,常見的方法有酯化、醚化和交聯。酯化淀粉是指淀粉分子中的羥基被有機酸或無機酸酯化而得到的改性淀粉,錢大鈞等[5]通過以玉米淀粉為原料,醋酸乙烯酯為酯化劑,以取代度為指標,確定最佳工藝條件,并研究其理化性質,證明酯化淀粉透明度增加,凝沉性增強。醚化淀粉是淀粉中糖苷鍵或活性羥基與醚化劑通過氧原子連接起來的淀粉衍生物,彭麗等[6]把大米淀粉作為原料,氯乙酸為醚化劑,制備羧甲基淀粉,并研究了其凍融穩定性、透明度、膨脹度等理化性質。交聯淀粉是由含有二元或多元官能團的交聯劑與淀粉分子發生羥基反應(生成二醚鍵、二酯基等基團),從而將兩個或多個淀粉分子交叉連接起來的網狀結構高聚物,郭耀東等[7]使用六偏磷酸鈉交聯土豆淀粉,并測定了交聯土豆淀粉的凍融穩定性、膨脹度、溶解度等性能。

目前,對于抗性淀粉大多是單一研究其制備工藝及理化性質,本試驗通過酯化[8]、醚化[9]、交聯[10]三種不同化學方法制備抗性淀粉,初步分析不同化學方法所制得的抗性淀粉在結構上的異同,并研究不同結構對抗性淀粉理化性質的影響,以完善多種化學改性淀粉間的對比研究,為其在不同領域的應用提供更多依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅薯淀粉 大連經濟開發區林梅食品有限公司;醋酸、無水乙醇 天津市富宇精細化工有限公司;氫氧化鈉、堿性硫酸鈉 天津市東麗區天大化學試劑廠;鹽酸、檸檬酸、磷酸氫二鈉 天津市大茂化學試劑廠;氯乙酸 天津市申泰化學試劑有限公司;三偏磷酸鈉 阿拉丁試劑有限公司;耐高溫淀粉酶(4萬U/g) 源葉生物有限公司;糖化酶(10萬U/g) 美倫生物有限公司;所有試劑均為分析純。

B351136409pH計 METTLER TOLEDO儀器有限公司;DK-S26型數顯恒溫水浴鍋 金壇金城教學儀器廠;90-1型攪拌器 上海滬西分析儀器廠有限公司;DGG-9240A電熱鼓風干燥箱 宏華儀器設備有限公司;SC-3610低速離心機 安徽中科中佳科學儀器有限公司;UV-2600紫外分光光度計 翱藝儀器(上海)有限公司;ME204E電子天平 METTLER TOLEDO儀器有限公司;SHZ-III循環式多用真空泵 上海亞榮生化儀器廠;JSM-7800F場發散掃描電子顯微鏡 日本電子公司;Spectrum two傅立葉變換紅外光譜儀 鉑金埃爾默儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 醋酸酯化淀粉的制備 取35 g紅薯淀粉于100 mL燒杯中,配成40%的淀粉乳液,置于35 ℃的水浴鍋恒溫,均速滴加3%(以淀粉干基為標準,w/w)醋酸溶液并攪拌均勻,反應過程中持續滴加1 mol/L氫氧化鈉溶液,控制溶液pH為8,反應1 h后,滴加0.5 mol/L鹽酸溶液,調節溶液pH至中性,停止反應,過濾并水洗過濾物3次,洗去過濾物中殘余的醋酸,取水洗后的沉淀置于45 ℃烘箱烘干,粉碎后過100目篩,備用[11]。

1.2.2 羧甲基醚化淀粉的制備 取31.75 g氫氧化鈉顆粒與30 g紅薯淀粉,加入三口燒瓶中,加入85%乙醇溶液配成30%淀粉乳液,攪拌均勻,移入30 ℃恒溫水浴鍋中加熱堿化60 min,加入37.50 g一氯乙酸固體,攪拌均勻,設置反應溫度40 ℃,醚化4 h,反應結束后用鹽酸滴定溶液pH至中性,用85%乙醇沖洗4～5次至溶液中無氯離子,抽濾得到白色固體或粉末,45 ℃烘干,粉碎,過100目篩[12]。

1.2.3 磷酸交聯淀粉的制備 稱取30 g淀粉和3 g Na2SO3配成40%淀粉乳,攪拌均勻,緩慢滴加0.3%(以淀粉干基為標準,w/w)的三偏磷酸鈉,保證反應溫度保持在45 ℃,反應4 h,反應過程中保證pH為8.5,反應結束后中和反應液為中性,過濾并水洗過濾物4～5次,50 ℃烘干,粉碎,過100目篩[13]。

1.2.4 抗性淀粉分離純化 取1.2.1、1.2.2、1.2.3制得的抗性淀粉,加檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液配成20%淀粉乳,調節溶液pH為6,加足量耐高溫α-淀粉酶,沸水浴振蕩30 min,調節溶液pH在4～4.5,加適量糖化酶,60 ℃水浴振蕩30 min,取酶解后溶液,3500 r/min離心15 min,水洗三次,去除上清液,取沉淀物在45 ℃烘干,粉碎,過100目篩[14]。

1.3 理化指標測定與表征分析

1.3.1 抗酶解性 取2 g樣品,溶于20 mLα-淀粉酶,加入20 mL醋酸鈉緩沖液,置于37 ℃水浴鍋振蕩4 h,分別在30、60、90、120、150、240 min取1 mL上清液加6 mL無水乙醇滅酶,加10 mL去離子水,3000 r/min離心15 min,取上清液定容至100 mL,在620 nm下測定吸光度[15]。

y=2×(1.5986x-0.057)

式中:y表示還原糖量,x表示吸光度。

1.3.2 持水性 分別稱取1 g樣品溶解于15 mL去離子水,分別置于45、55、65、75、85 ℃水浴加熱30 min,冷卻至室溫,3000 r/min離心15 min,棄上清液,稱量沉淀重量[16]。

式中:m2表示離心后離心管加沉淀物重量,g;m1表示離心管重量,g。

1.3.3 透明度 取1 g樣品加水配成1%的溶液,沸水浴加熱15 min,冷卻至室溫,以蒸餾水為空白對照,用紫外分光光度計在620 nm下測量透光率。透光率越高,透明度越高[17]。

1.3.4 溶解度和膨潤度 取1 g樣品于離心管中溶于100 mL蒸餾水中,在95 ℃水浴振蕩30 min,在3000 r/min離心15 min,取上清液烘干至恒重,稱量沉淀和離心管總重,計算溶解度[18]。

式中:m1表示離心管重量,g;m2表示上清液烘干后恒重,g;m3表示離心后沉淀物加離心管重量,g。

1.3.5 凍融穩定性 取2 g樣品于離心管,配成6%淀粉乳,沸水浴加熱20 min,冷卻至室溫,在-20 ℃冷凍24 h,取出自然解凍,在3500 r/min離心15 min,去除上清液,稱重,測定析水率。析水率與凍融性呈反比[19]。

式中:m1表示離心管重量,g;m2表示離心管加淀粉乳重量,g;m3表示離心后離心管加沉淀重量,g。

1.3.6 電鏡掃描 用95%乙醇分別將干燥的樣品分散在金屬載體上,待乙醇揮發干后,將分散好的樣品顆粒表面噴灑鉑金。用掃描電子顯微鏡放大不同倍數,觀察淀粉和抗性淀粉的形貌特征[20]。

1.3.7 紅外光譜分析 將待測干燥樣品在l:10比例下與溴化鉀充分混合、研磨,并對樣品壓片成型,壓片后將其放入紅外光譜儀檢測,設定的波數范圍4000～400 cm-1,分辨率為l cm-1[21]。

1.4 數據處理

結果表示為平均值±標準差,分析結果采用Excel軟件進行數據統計分析,對數據進行單因素方差分析和顯著性差異檢驗,并用Excel和Origin軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 抗酶解性

如圖1所示,淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉和交聯淀粉經足量α-淀粉酶酶解0.5 h后,淀粉與交聯淀粉溶液析出0.18、0.01 g還原糖;酶解1 h后,淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯淀粉溶液分別析出0.39、0.02、0.07和0.12還原糖;酶解2.5 h后,淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯淀粉溶液分別析出0.72、0.17、0.13和0.29 g還原糖,繼續酶解至4 h,溶液中還原糖量無明顯變化,證明經過三種化學改性后的淀粉較淀粉具有較強抗酶解性,與羊云龍等[22]描述結果大致相同。并且,酯化淀粉和羧甲基醚化淀粉酶解后還原糖量大致相同,是因為堿液破壞淀粉分子糊化后,淀粉顆粒崩潰,支鏈斷裂形成眾多游離直鏈淀粉,與醋酸分子接觸重排,形成新的酯基位阻結構[23-24],而醚化反應中游離糖苷鍵和羥基與氧原子結合形成新的淀粉衍生物,自由組合成新的更穩定的結晶結構,酶分子難進入分子內部,淀粉難以被酶解[12]。然而,交聯反應中,淀粉顆粒表面分子被磷酸根交聯,束縛淀粉粒形成新的空間網狀結構,使淀粉粒不易膨脹、崩潰,保護內部架構,阻礙酶分子攻擊,但交聯度較低時,部分淀粉分子被腐蝕,破壞了結晶區結構,分子層結構發生改變,導致少量酶分子進入分子內部,抗酶解能力略低于酯化淀粉和羧甲基醚化淀粉[25]。

圖1 原淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯淀粉抗酶解性比較

2.2 持水性

由圖2可知,三種抗性淀粉持水性均優于原淀粉,其中,羧甲基醚化淀粉持水性最強,醋酸酯化淀粉持水性整體略優于磷酸交聯淀粉。這是因為羧甲基醚化淀粉引入-COO-親水性官能團、醋酸酯化淀粉引入乙酰基官能團、磷酸交聯淀粉引入磷酸酯基團,抑制淀粉分子鏈的結合,通過淀粉分子鏈上的羥基產生范德華力,把水分子鎖在網狀結構中,淀粉分子在水中形成親水性膠體,隨著溫度的升高,淀粉分子逐漸糊化斷裂,生成更多氫鍵。由于基團極性不同,所以羧甲基醚化淀粉持水性高于醋酸酯化淀粉，均高于磷酸交聯淀粉[26]。

圖2 原淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯淀粉持水性比較

2.3 透明度、溶解度、膨潤度

從表1可知,與原淀粉相比,醋酸酯化淀粉和羧甲基醚化淀粉透光率、溶解度和膨潤度均有提高,但磷酸交聯淀粉的透光率、溶解度與膨潤度卻明顯低于原淀粉。主要是因為,酯化反應和醚化反應均引入了新的親水性基團,阻礙了分子間締合作用,減弱了光的折射與反射,且分子內部發生膨脹導致淀粉分子體積變大,增加了光的透過率,使淀粉糊透明度有效提高,溶解度與膨潤度隨之增加[27]。

表1 原淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯淀粉透光率、溶解度、膨潤度比較

交聯反應雖然同樣引入親水性磷酸基團,但分子鏈間連接的交聯化學鍵增強了淀粉分子間顆粒強度,親水性減弱,抑制了顆粒分子膨脹,降低了在水中的溶解度,容易發生凝沉,增加了光的折射與反射,減少了光的透射,因此磷酸交聯淀粉透明度、溶解度與膨潤度降低。

2.4 凍融穩定性

淀粉糊在冷凍狀態下分子間氫鍵作用加強,發生凝沉作用,淀粉分子脫水收縮,導致游離水析出[28]。從表2可以看出,三種改性淀粉析水率均比原淀粉有所下降,因為三種改性淀粉均引入親水性基團,可以使淀粉分子親水力增強,減弱分子間氫鍵強度,減小脫水縮合作用,降低淀粉冷凍后的析水率。而羧基極性強于乙酰基強于磷酸基團,因此羧甲基醚化淀粉析水率小于醋酸酯淀粉小于磷酸交聯淀粉。

表2 原淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯淀粉析水率

2.5 顆粒形態

用掃描電鏡拍攝原淀粉和三種改性淀粉顆粒的照片,如圖3所示。原淀粉顆粒表面光滑,多為大顆粒狀且呈規律的圓形,許多大顆粒周圍附有少量小顆粒淀粉。經酯化后淀粉原有顆粒形貌被破壞,顆粒表面凹凸不平,且顆粒與顆粒之間有粘連,說明淀粉分子表面和內部結構均因乙酰基的加入而被破壞,同時也由于有堿類物質的加入破壞了顆粒表面[29];經羧甲基醚化后淀粉,分子顆粒形貌大致與原淀粉分子相似,顆粒表面覆著許多細小顆粒,這可能是因為前期用堿液處理時破壞了顆粒結構,有一些較小淀粉顆粒被破壞后破碎,與一氯乙酸和氫氧化鈉顆粒一同附著在淀粉顆粒表面,有一些淀粉分子表面出現輕微凹陷,但并不明顯,可能是受到堿液腐蝕,說明羧甲基化反應主要發生在分子表面;經磷酸交聯后淀粉顆粒形貌發生變化,不再呈圓滑規律的圓形,淀粉分子變成不規則多面體,分子表面有很多較小凹陷,是因為三偏磷酸鈉與淀粉分子發生化學反應腐蝕分子表面。淀粉分子是層狀結構,外部為結晶區,內部為非結晶區,因此很難與化學試劑發生反應,但是交聯反應中磷酸酯基將兩條無定型支鏈淀粉連接,形成致密網狀結構,破壞淀粉分子層狀結構,因此交聯反應既發生在結晶區也發生在非結晶區[30]。

圖3 原淀粉與酯化淀粉、醚化淀粉、交聯淀粉形態觀察

2.6 紅外光譜

圖4 原淀粉與醋酸酯化淀粉、羧甲基醚化淀粉、磷酸交聯淀粉紅外圖譜

3 結論

以紅薯淀粉為原料,經醋酸酯化、羧甲基醚化和磷酸酯交聯后得到三種不同抗性淀粉。通過測定抗酶解性,證明三種化學改性淀粉較原淀粉抗酶解性有很大提高,三種改性淀粉不易被酶解,符合抗性淀粉基本理論,證明了三者均為抗性淀粉;羧甲基醚化淀粉與醋酸酯化淀粉透明度、溶解度與膨潤度都有較大提高,但磷酸交聯淀粉反之下降。三種抗性淀粉持水性和凍融性均優于原淀粉,其中羧甲基淀粉具有更好的持水性和凍融性,明顯強于醋酸酯化淀粉與磷酸交聯淀粉;三種抗性淀粉顆粒原有形貌均有所改變,其中醋酸酯化淀粉和磷酸交聯淀粉內外部結構均被破壞,已失去淀粉原有形貌,說明在分子內外部均發生化學反應,改變原淀粉內外結構。羧甲基醚化淀粉只在分子表面有輕微變化,說明化學反應并未進入分子內部,只發生在分子表面;經傅立葉紅外光譜測定,證實醋酸酯化淀粉和羧甲基淀粉均產生新的化學鍵和新官能團乙酰基和羧甲基,磷酸交聯淀粉雖未產生新的化學鍵,但是生成了新的磷酸酯基團。

通過上述分析結果可知,抗性淀粉總體性能均優于淀粉,其中酯化淀粉和醚化淀粉理化性質較相似,且整體結果優于交聯淀粉,更能改善食品的光澤度和冷凍性,為食品添加劑等領域的應用打下了良好的理論基礎。