檸檬酸酯化青麥仁淀粉的制備及其消化性能的研究

王文婷,高天辰,李 雪,李新雨,王 倩,周 靜

(宿州學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院,安徽 宿州 234000)

天然淀粉受其固有性質(zhì)的影響,存在消化性強(qiáng)、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn),往往達(dá)不到各行業(yè)的發(fā)展需求,因而,需要利用化學(xué)、物理、酶等方法處理獲得改性淀粉。目前,化學(xué)改性淀粉種類繁多,酯化改性是最常見的一種。檸檬酸通過脫水形成的酸酐與淀粉羥基反應(yīng)生成檸檬酸淀粉酯,具有穩(wěn)定性高、抗消化等特點(diǎn)[1,2]。

青麥仁是一種處于乳熟期、生長飽滿的小麥粒,含有豐富的蛋白質(zhì)、葉綠素、膳食纖維以及α、β兩種淀粉酶,有刺激人體消化、降低血糖的功效,是一種富含營養(yǎng)且深受喜愛的健康食品[2-4]。青麥仁通常用于制造全谷物鮮食蔬菜或餐桌食物,對于青麥仁淀粉改性制備與消化性能的探究鮮有報(bào)道。本文以青麥仁為原料,檸檬酸為酯化劑,提取青麥仁原淀粉后進(jìn)行檸檬酸改性,制備檸檬酸淀粉酯,并探究其影響因素,分析其抗消化性能,對于提高青麥仁的綜合應(yīng)用價(jià)值具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試劑

市售青麥仁,豬胰α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶等購自合肥博美生物科技有限責(zé)任公司,NaOH、Na2SO3、CH3COONa、C2H5OH、酚酞等購自上海麥克林生化科技股份有限公司,均為分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 青麥仁淀粉的提取

參考封祿田等的方法[5]:0.6% Na2SO3浸泡25 h,除去浸泡液,清水洗凈后加入適量蒸餾水,用破壁法打漿并進(jìn)行多次勻漿。將漿液過100目篩,隨后調(diào)節(jié)pH,4000 r/min離心10 min,去除上清液,反復(fù)離心,烘干后粉碎即得青麥仁淀粉。

1.2.2 檸檬酸酯化青麥仁淀粉的制備

參考王步樞等[6]的方法:配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的檸檬酸溶液,用10 mol/L NaOH 溶液調(diào)節(jié)其pH值,稱取5 g淀粉充分混合,靜置12 h,45℃烘干至含水量10%左右,研磨成粉末狀,轉(zhuǎn)移至鼓風(fēng)干燥箱,在一定溫度下反應(yīng)一定時(shí)間后,用蒸餾水多次清洗去除未反應(yīng)的檸檬酸,抽濾后50℃干燥,研磨粉碎后得到檸檬酸淀粉酯樣品。

1.2.3 取代度(DS)的測定

參考于密軍等[7]的方法:稱取0.5 g(m1)淀粉酯樣品和50 mL蒸餾水放入錐形瓶內(nèi),搖勻后添加3滴酚酞試劑,用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至微紅色。加入25 mL 0.5 mol/L NaOH溶液,50℃恒溫磁力攪拌器中皂化40 min,用0.5 mol/L HCl溶液滴定直至無色,鹽酸溶液的用量記為V1(mL)。

稱取0.5 g(m2)青麥仁原淀粉按以上步驟測定,記錄HCl溶液的消耗體積為V2(mL)。

按照下列公示計(jì)算取代度(DS):

其中,M代表檸檬酸取代基分?jǐn)?shù);DS代表檸檬酸淀粉酯取代度;162為淀粉相對分子質(zhì)量;156為檸檬酸取代基相對分子質(zhì)量。

1.2.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

在溶液pH值1.5、反應(yīng)溫度140℃、反應(yīng)時(shí)間6 h的條件下,設(shè)定檸檬酸與淀粉質(zhì)量比為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8;在檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.5、反應(yīng)溫度140℃、反應(yīng)時(shí)間6 h的條件下,設(shè)定溶液pH值為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0;在檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.5、溶液pH值2.0、反應(yīng)溫度140℃的條件下,設(shè)定反應(yīng)時(shí)間為4 h、5 h、6 h、7 h、8 h;在檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.5、溶液pH值2.0、反應(yīng)時(shí)間5 h的條件下,設(shè)定反應(yīng)溫度為110℃、120℃、130℃、140℃、150℃,按照1.2.2的方法得到檸檬酸酯化淀粉并分析各因素對取代度的影響。

1.2.5 響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)方法

基于上述單因素試驗(yàn)以及對試驗(yàn)結(jié)果的分析,確定響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平(表1)。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平

1.2.6 檸檬酸酯化青麥仁淀粉消化性能的測定

采用DNS法測定葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線[8]。以葡萄糖濃度為橫坐標(biāo),吸光度值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,獲得方程:

y=0.9831x-0.0072(R2=0.9992)。

參考ENGLYST等[9]的方法測定檸檬酸酯化青麥仁淀粉的消化性能。準(zhǔn)確稱取100 mg原淀粉和不同取代度的酯化淀粉(分別記為w1和w2),加入20.0 mL醋酸緩沖液,置于恒溫水浴振蕩器中37℃振搖20 min,加入2.0 mL酶液,以180 r/min的轉(zhuǎn)速搖動,計(jì)時(shí)。分別在反應(yīng)20 min和120 min后取出,加20.0 mL無水乙醇并冷卻定容到100 mL容量瓶內(nèi),測定其中還原糖含量,分別記為G20和G120,計(jì)算快消化淀粉RDS、慢消化淀粉SDS以及抗性淀粉RS百分含量。

式中,G20代表酶水解20 min產(chǎn)生的葡萄糖含量,G120代表酶水解120 min產(chǎn)生的葡萄糖含量,0.9代表葡萄糖含量轉(zhuǎn)化為淀粉含量的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 檸檬酸與淀粉質(zhì)量比對取代度的影響

圖1 檸檬酸與淀粉質(zhì)量比對取代度的影響

檸檬酸與淀粉質(zhì)量比對檸檬酸淀粉酯的取代度影響較大。檸檬酸與淀粉質(zhì)量比從0.4增加到0.5時(shí),取代度增加了36.20%,并達(dá)到最大值;而當(dāng)檸檬酸與淀粉質(zhì)量比從0.5增加到0.8時(shí),取代度呈迅速下降趨勢,至檸檬酸與淀粉質(zhì)量比為0.8時(shí),取代度下降了36.94%。因此,檸檬酸與淀粉質(zhì)量比為0.5時(shí),檸檬酸淀粉酯的取代度最佳。

2.1.2 溶液pH對取代度的影響

溶液pH對檸檬酸淀粉酯的取代度產(chǎn)生較大的影響。溶液pH從1.0增大到2.0時(shí),取代度增加了68.45%,并達(dá)到最大值;而當(dāng)溶液pH從2.0增大到3.0時(shí),取代度呈明顯下降的趨勢,至溶液pH為3.0時(shí),取代度下降了53.48%。因此,溶液pH為2.0時(shí),檸檬酸淀粉酯的取代度最佳。

圖2 溶液pH對取代度的影響

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對取代度的影響

反應(yīng)時(shí)間對檸檬酸淀粉酯的取代度影響較大。反應(yīng)時(shí)間從4 h增加到5 h時(shí),取代度增加了41.50%,并達(dá)到最大值;而當(dāng)反應(yīng)時(shí)間從5 h增加到8 h時(shí),取代度下降明顯,至反應(yīng)時(shí)間為8 h時(shí),取代度下降了33.76%。因此,反應(yīng)時(shí)間為5 h時(shí),檸檬酸淀粉酯的取代度最佳。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對取代度的影響

2.1.4 反應(yīng)溫度對取代度的影響

反應(yīng)溫度對檸檬酸淀粉酯的取代度產(chǎn)生較大的影響。反應(yīng)溫度從110℃上升到130℃時(shí),取代度增加了59.78%,并達(dá)到最大值;而當(dāng)反應(yīng)溫度從130℃上升到150℃時(shí),取代度呈迅速下降的趨勢,至反應(yīng)溫度為150℃時(shí),取代度下降了46.92%。因此,反應(yīng)溫度為130℃時(shí),檸檬酸淀粉酯的取代度最佳。

圖4 反應(yīng)溫度對取代度的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 方差結(jié)果與分析

以單因素試驗(yàn)為依據(jù),利用響應(yīng)面對各影響因素進(jìn)行優(yōu)化。使用Design-Expert軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,得到如下的擬合回歸方程:

DS=0.4862+0.0027A+0.0054B+0.0019C+0.0009D-0.0118AB+0.0045AC+0.0045AD+0.0035BC-0.0050BD-0.0068CD-0.0084A2-0.0274B2-0.0169C2-0.0254D2。

從方差分析的回歸模型顯著性檢驗(yàn)中可看出檸檬酸淀粉酯的取代度受到檸檬酸與淀粉質(zhì)量比和溶液pH的極顯著影響,同時(shí)反應(yīng)時(shí)間也對其取代度產(chǎn)生了顯著影響。在二次項(xiàng)中,四個(gè)因素的二次項(xiàng)均對取代度產(chǎn)生了極為顯著的影響。在交互作用中,檸檬酸與淀粉質(zhì)量比和溶液pH、檸檬酸與淀粉質(zhì)量比和反應(yīng)時(shí)間、檸檬酸與淀粉質(zhì)量比和反應(yīng)溫度、溶液pH和反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度的交互作用均對取代度產(chǎn)生了極顯著影響,而溶液pH和反應(yīng)時(shí)間的交互作用也較顯著。

表2 回歸模型方差分析結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化分析

根據(jù)圖5所示,等高線圖均呈現(xiàn)出明顯的橢圓形,表明它們之間的交互作用是顯著的。同時(shí),在檸檬酸與淀粉質(zhì)量比和溶液pH交互作用所呈現(xiàn)的三維圖形中,B傾斜方向比A更陡峭,故溶液pH對取代度的影響比檸檬酸與淀粉質(zhì)量比大,同理可得各因素對取代度的影響程度:溶液pH>檸檬酸與淀粉質(zhì)量比>反應(yīng)時(shí)間>反應(yīng)溫度。這與方差分析結(jié)果一致。

經(jīng)響應(yīng)面得到最優(yōu)的工藝條件為:檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.514、溶液pH 2.036、反應(yīng)時(shí)間5.080 h、反應(yīng)溫度130.125℃,此時(shí)檸檬酸淀粉酯的取代度預(yù)測值是0.487。為確保實(shí)驗(yàn)操作的順利進(jìn)行,對制備工藝進(jìn)行必要調(diào)整:檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.5、溶液pH 2.0、反應(yīng)時(shí)間5.1 h、反應(yīng)溫度130℃,在此條件下,檸檬酸淀粉酯取代度0.481,相對誤差為1.25%,結(jié)果表明該響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)具有可行性。

2.3 檸檬酸酯化青麥仁淀粉消化性能結(jié)果分析

從表3可以看出,隨著取代度的增加,檸檬酸淀粉酯的消化性呈現(xiàn)出差異,其中RDS和SDS的含量逐漸減少,而RS的含量則逐漸上升,當(dāng)DS為0.312時(shí),RS含量達(dá)到(77.32±1.67)%。這是由于檸檬酸與淀粉之間發(fā)生酯化反應(yīng),形成了一種交聯(lián)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致酶與淀粉間的結(jié)合受到阻礙,從而抑制了酶的水解作用,故生成還原糖的含量下降。取代度越大,形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)越緊密,從而使酶更難進(jìn)入到淀粉內(nèi)部[10]。

3 討論和結(jié)論

隨著檸檬酸與淀粉質(zhì)量比的增大,青麥仁檸檬酸淀粉酯取代度呈先上升后下降。其原因可能是隨著檸檬酸分子數(shù)量的增加,淀粉分子中羥基被取代的數(shù)量也隨之增加,導(dǎo)致取代度的提高。而當(dāng)檸檬酸分子數(shù)目增大到一定程度時(shí),檸檬酸分子間的空間障礙會增大,使分子與淀粉中的羥基結(jié)合受到阻礙,導(dǎo)致取代度降低[11]。同時(shí),實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)添加較多的檸檬酸會使黏性增加,不易干燥完全,且產(chǎn)品黃色加重,也會對取代度有所影響。

隨著溶液pH增大,取代度呈先上升后下降。其原因可能是pH過低導(dǎo)致生成的檸檬酸淀粉酯酸解,而pH增大,酸性降低,不利于酯化反應(yīng)的進(jìn)行。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,取代度呈先上升后下降可能是反應(yīng)時(shí)間過短,檸檬酸不易滲入淀粉顆粒內(nèi)部所致,僅在淀粉表面發(fā)生酯化反應(yīng),反應(yīng)效率低,故取代度相對較低,隨著反應(yīng)時(shí)間的增長,更多檸檬酸分子滲透到淀粉顆粒,反應(yīng)效率增大,即取代度增大,但反應(yīng)時(shí)間過長,淀粉會熱解,酯鍵斷裂[12,13]。

隨著反應(yīng)溫度的升高,取代度呈先上升后下降。其原因可能是高溫使檸檬酸相鄰兩個(gè)羧基分子內(nèi)脫水生成酸酐,與淀粉發(fā)生反應(yīng),從而形成檸檬酸淀粉單酯,當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí),檸檬酸會進(jìn)一步脫水與淀粉反應(yīng)形成檸檬酸淀粉雙酯,即高溫使酯化反應(yīng)進(jìn)行的更徹底[14]。但是,如果溫度太高,則會引起淀粉的焦糖化,使得產(chǎn)物呈現(xiàn)更深的棕黃色,進(jìn)而會對取代度產(chǎn)生影響[15]。

在以上單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上再采用響應(yīng)面優(yōu)化,最終確定最優(yōu)組合為檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.5、溶液pH2.0、反應(yīng)時(shí)間5.1 h、反應(yīng)溫度130℃,此條件下的取代度為0.481。經(jīng)過檸檬酸酯化處理后,青麥仁檸檬酸淀粉酯相比原淀粉消化性能低,且取代度越大,抗消化性越強(qiáng)。