籽粒莧淀粉的交聯(lián)變性反應(yīng)及其產(chǎn)物理化性質(zhì)研究

吳靜雯，高源遠(yuǎn),2，彭星云,2,

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083；2.植物蛋白與谷物加工北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

籽粒莧籽實(shí)中的淀粉含量高達(dá)60%以上[1]，且籽粒莧淀粉屬于蠟質(zhì)淀粉[2]。籽粒莧淀粉顆粒呈多邊形，表面光滑無(wú)裂紋，大小約0.5～2 μm[3]，是目前已知顆粒最小的天然淀粉之一。小顆粒淀粉因具有顆粒細(xì)小、粒度均勻、低過(guò)敏性等特點(diǎn)，在脂肪替代物、活性物質(zhì)載體材料以及化妝品等多個(gè)方面應(yīng)用潛力巨大[4]。有研究表明，將藜麥淀粉等小顆粒淀粉作為脂肪替代物應(yīng)用在奶酪、蛋黃醬等被期望為更低脂的食品中可有效提高食品的整體質(zhì)量[5]。以大米、糯玉米、小麥和馬鈴薯淀粉為顆粒乳化劑制備Pickering 乳液，其中大米淀粉制備的Pickering 乳液的粒徑最小，乳液穩(wěn)定性最好[6]。不論是作為脂肪替代物，還是作為乳化劑使用，這些食品應(yīng)用場(chǎng)景都對(duì)淀粉的抗熱處理和抗剪切性能，以及黏度穩(wěn)定性提出了更高的要求[7-8]。與常見(jiàn)的天然食品淀粉一樣，籽粒莧淀粉也存在糊化后黏度和膠稠度迅速升高，剪切處理后淀粉糊黏度易大幅下降等性能缺陷[9]，大大限制了其在脂肪替代和乳化包埋等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

為彌補(bǔ)天然淀粉對(duì)熱和剪切處理不穩(wěn)定的缺陷，通常要對(duì)淀粉進(jìn)行交聯(lián)變性處理。目前常使用的交聯(lián)劑有偏磷酸鈉、甲醛、環(huán)氧氯丙烷、三氯氧磷等[10]。其中，三偏磷酸鈉（Sodium trimetaphosphate，STMP）憑借其安全無(wú)毒、反應(yīng)溫和、成本低等優(yōu)勢(shì)而被廣泛使用[11]。交聯(lián)淀粉通過(guò)二淀粉磷酸酯鍵使淀粉分子之間形成化學(xué)締合，使淀粉糊化后保持致密的淀粉網(wǎng)絡(luò)，可顯著增強(qiáng)淀粉糊的熱穩(wěn)定性和剪切穩(wěn)定性[12-13]。與糯玉米淀粉、馬鈴薯淀粉等顆粒尺寸大（通常為數(shù)微米）的常見(jiàn)食品淀粉相比，籽粒莧淀粉顆粒僅為亞微米大小，具有遠(yuǎn)大于常見(jiàn)大顆粒淀粉的比表面積，目前的研究尚未揭示小顆粒淀粉巨大的比表面積是否會(huì)增加籽粒莧淀粉交聯(lián)變性反應(yīng)中淀粉與變性劑的接觸機(jī)會(huì)，從而改變反應(yīng)進(jìn)度或變性程度，進(jìn)而使交聯(lián)籽粒莧淀粉具備區(qū)別于常見(jiàn)食品交聯(lián)淀粉的特殊理化特性，阻礙了籽粒莧淀粉在食品中的應(yīng)用。

為此，本研究以籽粒莧淀粉為原料，STMP 為變性劑，以糯玉米淀粉為對(duì)照，系統(tǒng)比較了兩種淀粉交聯(lián)變性的反應(yīng)過(guò)程及產(chǎn)物的理化性質(zhì)，為利用交聯(lián)變性反應(yīng)提高籽粒莧淀粉應(yīng)用性能和明確不同變性程度的交聯(lián)籽粒莧淀粉的性質(zhì)提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

市售脫殼籽粒莧 產(chǎn)自河北滄州；糯玉米淀粉 普羅星淀粉有限公司提供，其化學(xué)組成（w/w，d.b.）如下：總淀粉含量91.8%，蛋白質(zhì)含量0.2%，灰分含量0.2%，直鏈淀粉和脂肪未檢出；無(wú)水硫酸鈉、三偏磷酸鈉、氫氧化鈉 分析純，上海麥克林生化科技股份有限公司；無(wú)水乙醇 分析純，現(xiàn)代東方（北京）科技發(fā)展有限公司。

DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 上海力辰邦西儀器科技有限公司；PP-24pH 計(jì) 德國(guó)Sartorius 公司；SH220N 石墨消解儀 濟(jì)南海能儀器股份有限公司；L5S 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；RVA 快速黏度分析儀 澳大利亞Newport Scientific 公司；DHR-1 流變儀 美國(guó)TA公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 籽粒莧淀粉的提取和純化 參照夏雪娟等[14]和Kong 等[15-16]的方法，并稍作修改。3.5 kg 脫殼籽粒莧用清水沖洗后，轉(zhuǎn)移到12.25 kg 的0.1%（w/w）NaOH 溶液中，在25 ℃浸泡24 h。浸泡后的種子用蒸餾水沖洗至無(wú)明顯泡沫后，加入24.5 kg 蒸餾水勻漿。將淀粉漿依次過(guò)60、120、250 目篩去除粗雜質(zhì)，收集篩下的淀粉漿，用0.3%（w/w）NaOH 溶液調(diào)pH10.0 后離心（3500 r/min，10 min），棄掉上清液。用藥匙刮去沉淀物上層疏松的黃色富蛋白層，收集下層白色致密的淀粉層，并分散在10.5 kg 蒸餾水中。調(diào)整淀粉漿的pH 至10.0 后，再次離心，刮除富蛋白層，重復(fù)上述步驟直至富蛋白層消失。將最終收集的淀粉沉淀物分散到10.5 kg 蒸餾水中，用HCl 溶液調(diào)pH 至6.8 后離心（3500 r/min，10 min）。將淀粉層分散到75%（v/v）乙醇中離心（3500 r/min，10 min），取沉淀的淀粉分散到無(wú)水乙醇中，抽濾并收集濾紙上形成的淀粉餅。在40 ℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥48 h后，將淀粉餅粉碎過(guò)60 目篩獲得籽粒莧淀粉，其化學(xué)組成（w/w，d.b.）如下：總淀粉含量92.3%，蛋白質(zhì)含量0.6%，灰分含量0.1%，直鏈淀粉和脂肪未檢出。

1.2.2 交聯(lián)淀粉的制備 使用1.2.1 提取的籽粒莧淀粉和市售糯玉米淀粉制備交聯(lián)淀粉，其中以市售糯玉米淀粉為原料制備的交聯(lián)淀粉作為對(duì)照。參考多項(xiàng)淀粉交聯(lián)變性工藝研究數(shù)據(jù)，確定變性工藝參數(shù)[17-21]。此外，溫度、pH、膨脹抑制劑濃度被認(rèn)為是對(duì)反應(yīng)過(guò)程影響最為顯著的三個(gè)因素[18-19]，因此對(duì)每個(gè)工藝條件設(shè)置高、中、低三個(gè)反應(yīng)水平，各不同處理組的變性條件如表1 所示。200 g（d.b.）淀粉分散到蒸餾水中配制成40%（w/w）的淀粉乳，加入5%～15%（w/w）Na2SO4作為膨脹抑制劑，用5%（w/w）的NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH 至9.0～11.0，加熱至反應(yīng)溫度45～55 ℃后，再加2%（以淀粉干重計(jì)）的三偏磷酸鈉（Sodium trimetaphosphate，STMP）。從加入STMP 開(kāi)始計(jì)時(shí)，反應(yīng)10、20、30、60、90、120、240、360、480、1440 min 時(shí)取出占總體積10%的淀粉乳，用0.1 mol/L 鹽酸調(diào)節(jié)pH 至6.5，3500 r/min 離心10 min，棄去上清。將沉淀的淀粉重新分散至蒸餾水中3500 r/min 離心棄去上清，重復(fù)2 次。收集洗滌后的交聯(lián)淀粉，在40 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥24～36 h。干燥后的淀粉粉碎后過(guò)60 目篩，密封存放在50 mL離心管于干燥器中儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

表1 交聯(lián)淀粉制備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design of cross-linked starch preparation

1.2.3 交聯(lián)變性條件對(duì)糯玉米、籽粒莧淀粉反應(yīng)過(guò)程的影響

1.2.3.1 溫度對(duì)糯玉米淀粉、籽粒莧淀粉交聯(lián)變性反應(yīng)的影響 已有研究表明，糯玉米淀粉的糊化溫度在74 ℃左右[22]，籽粒莧淀粉的糊化溫度在72 ℃左右[1]，且常用交聯(lián)變性反應(yīng)溫度需低于淀粉糊化溫度，多為50 ℃[18]。因此，為研究低溫、中溫、高溫條件下淀粉的交聯(lián)變性反應(yīng)過(guò)程，在pH10.0，Na2SO4濃度為10%的條件下，選擇45、50、55 ℃作為反應(yīng)溫度，研究?jī)煞N淀粉在這三種溫度下反應(yīng)的磷取代度的變化過(guò)程。

1.2.3.2 pH 對(duì)糯玉米淀粉、籽粒莧淀粉交聯(lián)變性反應(yīng)的影響 工業(yè)上pH 的選擇范圍一般在9.0～11.0之間，因此本研究在溫度為50 ℃，Na2SO4濃度為10%的條件下，選擇9.0、10.0 和11.0 作為反應(yīng)pH，研究?jī)煞N淀粉在這三種pH 下反應(yīng)的磷取代度的變化過(guò)程。

1.2.3.3 Na2SO4濃度對(duì)糯玉米淀粉、籽粒莧淀粉交聯(lián)變性反應(yīng)的影響 Na2SO4是交聯(lián)反應(yīng)中常用的膨脹抑制劑，添加量一般為10%[20]。為研究膨脹劑濃度在低、中、高三個(gè)水平下對(duì)交聯(lián)反應(yīng)過(guò)程的影響，在溫度為50 ℃，pH10.0 的條件下，選擇5%、10%、15% Na2SO4濃度作為反應(yīng)濃度，研究?jī)煞N淀粉在三種不同膨脹劑濃度下反應(yīng)的磷取代度的變化過(guò)程。

1.2.4 磷取代度的測(cè)定 參照GB 5009.87-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中磷的測(cè)定》分析淀粉樣品的磷含量，進(jìn)一步確定交聯(lián)淀粉的磷取代度。稱(chēng)量1.5 g（精確至0.001 g）淀粉樣品于消化管中，并加入10 mL硝酸、1 mL 高氯酸、2 mL 硫酸，利用石墨消解儀進(jìn)行消解，設(shè)定程序?yàn)椋?20 ℃消解30 min，180 ℃消解2 h，220 ℃消解30 min～2 h，直至消解液呈無(wú)色透明或淡黃色。向冷卻后的消解液中加20 mL 蒸餾水。將消解液轉(zhuǎn)移至100 mL 容量瓶中，多次用蒸餾水洗滌消化管，合并洗滌液于容量瓶中定容至刻度，混勻。以原淀粉作為空白樣品進(jìn)行相同處理。取2 mL 樣品液于25 mL 具塞試管中，加入15 mL 蒸餾水，2.5 mL 5%（v/v）硫酸溶液，2 mL 50 g/L 的鉬酸銨溶液、0.5 mL 硫酸肼-氯化亞錫溶液，繼續(xù)加入蒸餾水定容至25 mL，混勻。室溫靜置20 min 顯色，在660 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度。將樣品吸光度代入磷標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)得到磷含量后，交聯(lián)淀粉樣品的磷取代度（Degree of substitution，DS）通過(guò)式（1）計(jì)算[16]：

式中：W0表示磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；M 表示磷的分子量30.974。

得到樣品取代度后通過(guò)式（2）得到反應(yīng)效率：

反應(yīng)共加入占干物質(zhì)重2%的STMP，當(dāng)加入的STMP 完全反應(yīng)時(shí)，DS理論值為3.20×10-2。

1.2.5 淀粉糊透明度的測(cè)定 參考李欣欣[23]的方法進(jìn)行透明度測(cè)定。稱(chēng)量糯玉米、籽粒莧淀粉及交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)物到50 mL 離心管，加蒸餾水配制成20 mL 1%（w/w）和6%（w/w）的淀粉乳，置于沸水浴中加熱30 min。以蒸餾水作參比，小心取冷卻至室溫的淀粉糊倒入0.75 mL 微量塑料比色皿中，避免氣泡產(chǎn)生，分析樣品在620 nm 處的吸光度。

1.2.6 淀粉溶解度和膨潤(rùn)力的測(cè)定 參考李巖[20]與張繼良[24]的方法測(cè)定淀粉的溶解度（Water soluble index，WSI）與膨潤(rùn)力（Swelling power，SP）。準(zhǔn)確稱(chēng)量質(zhì)量為W0（d.b.）的淀粉，在50 mL 離心管中配制成20 mL 1%（w/w）的淀粉乳，然后將離心管按照1.2.5 所述置于沸水浴中加熱使淀粉糊化。待淀粉糊冷卻至室溫后，在6 ℃，10000 r/min 下離心30 min，將上清液轉(zhuǎn)移至鋁箔干燥皿內(nèi)，使用鼓風(fēng)干燥箱在130 ℃干燥至恒重（W1），同時(shí)稱(chēng)量沉淀質(zhì)量（Ws）。按照下述公式計(jì)算糊化淀粉的溶解度與膨潤(rùn)力，并按上述方法測(cè)定未經(jīng)加熱的原淀粉的溶解度與膨潤(rùn)力。

式中：W0，W1和Ws 分別為淀粉的干質(zhì)量、上清干物質(zhì)質(zhì)量和離心沉淀質(zhì)量。

1.2.7 交聯(lián)淀粉的RVA 糊化特性 參考Peng 等[25]的方法使用快速粘度儀分析淀粉的糊化特性。在RVA 專(zhuān)用鋁盒中，配制6%（w/w，d.b.）的淀粉乳。RVA 測(cè)試的程序?yàn)椋浩鹗紲囟?0 ℃，程序啟動(dòng)前10 s 的轉(zhuǎn)速為960 r/min，之后保持160 r/min 直至結(jié)束；溫度在50 ℃保持60 s 后，在225 s 內(nèi)勻速升溫到95 ℃并保持150 s，然后在225 s 內(nèi)勻速降溫至50 ℃后保持120 s。淀粉的RVA 黏度曲線(xiàn)和糊化特性參數(shù)使用ThermoCline for Windows version 3（TCW3）軟件分析。

1.2.8 交聯(lián)淀粉糊化沉積物的制備 配制50 mL 3%（w/w）交聯(lián)淀粉乳，按照1.2.5 所述在沸水浴加熱30 min，冷卻至室溫后，在6 ℃，10000 r/min 離心30 min，棄掉上清液，收集下層的沉淀物用于交聯(lián)淀粉糊化沉積物的性質(zhì)評(píng)價(jià)。

1.2.9 交聯(lián)淀粉糊化沉積物的抗剪切性 使用組織研磨器對(duì)1.2.8 得到的糊化沉積物進(jìn)行剪切破碎（1000 r/min，1 min），取剪切處理前后的樣品，用流變儀分析黏度。采用平板-平板檢測(cè)系統(tǒng)，夾具平板直徑4.0 cm，設(shè)置間隙1.0 mm。取1 g 左右的糊化沉積物放于平板上，刮去平板邊緣外的多余樣品。設(shè)定流變溫度為25 ℃，設(shè)定流變儀剪切速率為50 s-1，剪切時(shí)長(zhǎng)1 min，記錄樣品黏度。

1.2.10 交聯(lián)淀粉糊化沉積物的流變性質(zhì) 動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)定參考程?hào)|等[26]的方法。使用流變儀進(jìn)行流變性質(zhì)的測(cè)定。選用平板-平板檢測(cè)系統(tǒng)，夾具平板直徑4.0 cm，設(shè)置間隙為1.0 mm。每次實(shí)驗(yàn)取1 g 左右糊化沉積物，待夾具平板下降至設(shè)定間隙距離后，刮去平板邊緣外多余的樣品。在25 ℃下，頻率設(shè)定為1 Hz，測(cè)定應(yīng)變?cè)?%～100%范圍內(nèi)儲(chǔ)能模量（G'）和損耗模量（G''）的變化。在25 ℃下，選擇掃描應(yīng)變3.0%，測(cè)定由低頻率（0.2 Hz）至高頻率（10 Hz）內(nèi)儲(chǔ)能模量（G'）和損耗模量（G''）隨角頻率的變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（Means±SD，n=3）表示，數(shù)據(jù)通過(guò)Excel，SPSS 18.0 和Origin 2022 進(jìn)行處理和作圖。每個(gè)實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)2 次。

2 結(jié)果與分析

2.1 籽粒莧、糯玉米淀粉交聯(lián)反應(yīng)極限取代度的比較

極限取代度代表反應(yīng)條件下，反應(yīng)近乎完全、試劑利用程度幾乎達(dá)到飽和時(shí)的取代水平。極限取代度的高低可以用于判斷該條件下反應(yīng)發(fā)生的難易程度。實(shí)驗(yàn)1.2.2 中共獲得了磷取代度在0.03×10-3～3.92×10-3、磷取代度增長(zhǎng)率在0.01×10-6～36.98×10-6min-1的70 個(gè)糯玉米交聯(lián)淀粉樣品和磷取代度在0～3.57×10-3、磷取代度增長(zhǎng)率在0.01×10-6～30.02×10-6min-1的70 個(gè)籽粒莧交聯(lián)淀粉樣品。為探究籽粒莧淀粉與糯玉米淀粉在不同變性條件下STMP 的極限使用效率，前期首先分析了7 種反應(yīng)條件下籽粒莧淀粉與糯玉米淀粉在0～24 h 內(nèi)，交聯(lián)淀粉磷取代度隨時(shí)間的變化情況。結(jié)果表明，糯玉米淀粉在處理6（表1）和籽粒莧淀粉在處理4（表1）條件下反應(yīng)時(shí)，磷取代度在第24 h 的增長(zhǎng)速率最大。繼而對(duì)這兩種反應(yīng)條件下糯玉米、籽粒莧淀粉磷取代度和磷取代度增長(zhǎng)率隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行分析，兩種淀粉磷取代度和磷取代度增長(zhǎng)率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖1所示。由圖1 可知，反應(yīng)前8 h 的磷取代度的增速較大，反應(yīng)后期磷取代度的增速放緩，第24 h 糯玉米淀粉的磷取代度增長(zhǎng)率為0.66×10-6min-1，僅為初始反應(yīng)速率的2.8%；籽粒莧淀粉的磷取代度增長(zhǎng)率為0.57×10-6min-1，為初始反應(yīng)速率的3.8%，可視為反應(yīng)已基本完成。因此選擇反應(yīng)24 h 時(shí)樣品的磷取代度來(lái)代表各種反應(yīng)條件下淀粉交聯(lián)變性的極限取代度。

圖1 糯玉米、籽粒莧淀粉的磷取代度與磷取代度增長(zhǎng)率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.1 Phosphorus substitution degree and phosphorus substitution degree’s growth rate with time in waxy corn starch and amaranth starch

由此，收集7 種反應(yīng)條件下糯玉米與籽粒莧淀粉的第24 h 的磷取代度，與理論取代度比較得到相應(yīng)處理下的反應(yīng)效率，整理得到糯玉米淀粉、籽粒莧淀粉在不同溫度、pH、Na2SO4濃度反應(yīng)條件下的極限取代度情況和反應(yīng)效率，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 糯玉米、籽粒莧淀粉在不同溫度（A）、pH（B）、Na2SO4 濃度（C）反應(yīng)條件下的極限取代度和反應(yīng)效率比較Fig.2 Comparison of limiting substitution and reaction efficiency of waxy corn starch and amaranth starch under various temperature (A),pH (B) and Na2SO4 concentration (C)reaction conditions

由圖2 可知，對(duì)于糯玉米淀粉，反應(yīng)溫度為55 ℃條件下與溫度為45 ℃和50 ℃條件下的極限取代度差異顯著（P＜0.05），且隨著反應(yīng)pH 的提高，不同pH 條件下糯玉米淀粉的極限取代度具有顯著差異（P＜0.05），而提高Na2SO4濃度對(duì)糯玉米淀粉的極限取代度的提升作用影響較小，說(shuō)明提高溫度和pH 有利于糯玉米淀粉的交聯(lián)變性反應(yīng)，而提高Na2SO4濃度對(duì)糯玉米淀粉交聯(lián)變性的促進(jìn)作用較小；且pH為9、Na2SO4濃度為5%的兩種反應(yīng)條件下糯玉米淀粉的極限取代度很低，說(shuō)明降低pH 與Na2SO4濃度不利于糯玉米淀粉交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生。對(duì)于籽粒莧淀粉，隨著溫度和Na2SO4濃度的提高對(duì)淀粉極限取代度的提升沒(méi)有提高pH 的影響大，且隨著反應(yīng)pH的提高，不同pH 條件下籽粒莧淀粉的極限取代度具有顯著差異（P＜0.05），說(shuō)明提高pH 有利于籽粒莧淀粉交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，而提高溫度和Na2SO4濃度對(duì)籽粒莧淀粉交聯(lián)變性的促進(jìn)作用較小。

此外，幾乎在所有反應(yīng)條件下，籽粒莧淀粉的極限取代度均低于糯玉米淀粉的極限取代度，這可能與籽粒莧淀粉的尺寸和結(jié)構(gòu)組成有關(guān)。籽粒莧的比表面積雖大于糯玉米淀粉，但籽粒莧淀粉顆粒缺少類(lèi)似糯玉米淀粉的通道結(jié)構(gòu)，而糯玉米淀粉在顆粒內(nèi)外表面間存在通道[27]，STMP 浸入淀粉顆粒后與淀粉羥基的接觸面積增大，更有利于與變性劑反應(yīng)。此外，籽粒莧淀粉的結(jié)晶度在24.5%～27.9%之間[28]，高于糯玉米淀粉的結(jié)晶度，說(shuō)明籽粒莧淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)更加致密，不利于其與變性劑的接觸，使得淀粉顆粒的比表面積對(duì)交聯(lián)反應(yīng)的促進(jìn)作用低于缺少通道結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)的抑制作用，二者在各種反應(yīng)條件下的反應(yīng)效率均符合這一規(guī)律。

2.2 交聯(lián)變性條件對(duì)糯玉米、籽粒莧淀粉反應(yīng)過(guò)程的影響

由于兩種淀粉的交聯(lián)反應(yīng)在8～24 h 內(nèi)取代度的增幅很小，因此主要選擇取代度增加顯著的0～8 h 作為窗口來(lái)討論溫度、pH、Na2SO4濃度對(duì)兩種淀粉交聯(lián)反應(yīng)過(guò)程的影響。

2.2.1 溫度對(duì)糯玉米淀粉、籽粒莧淀粉交聯(lián)變性反應(yīng)的影響 溫度在交聯(lián)變性反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中可以促進(jìn)親核酯化反應(yīng)發(fā)生，加速淀粉分子運(yùn)動(dòng)，提高溫度還有利于淀粉鏈間氫鍵斷裂，讓更多變性試劑分子與淀粉羥基接觸[19]。在反應(yīng)溫度選擇時(shí)應(yīng)防止淀粉糊化，因此不宜用過(guò)高的溫度。在pH10.0，Na2SO4濃度為10%的條件下，本研究考察了不同溫度（45、50、55 ℃）對(duì)糯玉米淀粉、籽粒莧淀粉交聯(lián)變性反應(yīng)的影響，兩者的磷取代度隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖3 所示。

圖3 溫度對(duì)糯玉米淀粉（A）、籽粒莧淀粉（B）交聯(lián)反應(yīng)過(guò)程的影響Fig.3 Effects of temperature on cross-linking reaction of waxy corn starch (A) and amaranth starch (B)

由圖3A 可知，糯玉米淀粉的交聯(lián)反應(yīng)速率隨反應(yīng)溫度的升高而提升，且從50 ℃升至55 ℃時(shí)的增幅比從45 ℃升至50 ℃之間的增幅更大，這說(shuō)明50 ℃以上的高溫更能促進(jìn)糯玉米淀粉的交聯(lián)反應(yīng)，這可能與溫度升高改變了糯玉米顆粒的膨脹性有關(guān)，使其更容易與STMP 發(fā)生反應(yīng)。在55 ℃時(shí)，交聯(lián)反應(yīng)在前120 min 較快，此后明顯變慢；而在50 ℃反應(yīng)時(shí)，拐點(diǎn)發(fā)生在240 min；在45 ℃反應(yīng)時(shí)幾乎沒(méi)有拐點(diǎn)。由圖3B 可知，籽粒莧淀粉的交聯(lián)反應(yīng)盡管也隨溫度升高而加快，但相比于糯玉米淀粉，籽粒莧淀粉在不同溫度條件下的反應(yīng)速率變化幅度不大，增幅有限。這說(shuō)明提高溫度對(duì)籽粒莧淀粉的交聯(lián)反應(yīng)的影響小，這可能與其缺少類(lèi)似糯玉米淀粉的通道結(jié)構(gòu)[23]及其具有較大結(jié)晶度[24]有關(guān)，使得反應(yīng)主要在顆粒表面的無(wú)定形區(qū)進(jìn)行，從而限制了籽粒莧淀粉與變性劑的接觸。

2.2.2 pH 對(duì)糯玉米淀粉、籽粒莧淀粉交聯(lián)變性反應(yīng)的影響 淀粉羥基在堿性環(huán)境中電離形成活性氧負(fù)離子，有利于與交聯(lián)試劑發(fā)生親核反應(yīng)。因此，受pH 影響的淀粉氧負(fù)離子數(shù)量直接決定反應(yīng)發(fā)生的難易程度和反應(yīng)速率[20]，但當(dāng)堿濃度過(guò)高時(shí)，淀粉結(jié)構(gòu)受到破壞，淀粉容易糊化[29]。在溫度為50 ℃，Na2SO4濃度為10%的條件下，本研究考察了不同pH（9.0、10.0、11.0）對(duì)糯玉米淀粉、籽粒莧淀粉交聯(lián)變性反應(yīng)的影響，兩者的磷取代度隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖4 所示。

圖4 pH 對(duì)糯玉米淀粉（A）、籽粒莧淀粉（B）交聯(lián)反應(yīng)過(guò)程的影響Fig.4 Effects of pH on cross-linking reaction of waxy corn starch (A) and amaranth starch (B)

兩種淀粉在pH9.0 的條件下幾乎不發(fā)生反應(yīng)，磷取代度在反應(yīng)8 h 后仍維持在較低水平（≤0.3×10-3），這主要是在pH9.0 條件下，淀粉氧負(fù)離子的濃度低，反應(yīng)困難所致[26]。隨著反應(yīng)pH 增加，兩種淀粉的取代度增長(zhǎng)均加快，說(shuō)明pH 是調(diào)控兩種淀粉交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)程的有效因素，兩種淀粉對(duì)pH 的敏感度均較高。由圖4A 可知，糯玉米淀粉在pH 為10.0和11.0 條件下，交聯(lián)反應(yīng)磷取代度的變化曲線(xiàn)均會(huì)在第240 min 產(chǎn)生拐點(diǎn)。而圖4B 中，籽粒莧淀粉在pH11.0 條件下的拐點(diǎn)產(chǎn)生在第360 min，pH10.0 條件下幾乎呈線(xiàn)性變化。在相同pH 條件下，兩種淀粉電離出的淀粉氧負(fù)離子數(shù)目相近，但籽粒莧淀粉的反應(yīng)速率均低于糯玉米淀粉，說(shuō)明籽粒莧作為典型小顆粒淀粉，雖具有遠(yuǎn)大于常見(jiàn)大顆粒淀粉的比表面積，但這一特性并未增加其與變性劑的接觸機(jī)會(huì)，進(jìn)而提高反應(yīng)速率。

2.2.3 Na2SO4濃度對(duì)糯玉米淀粉、籽粒莧淀粉交聯(lián)變性反應(yīng)的影響 Na2SO4是交聯(lián)反應(yīng)中常用的膨脹抑制劑，其主要作用是抑制淀粉在堿熱條件下發(fā)生膨脹后糊化。當(dāng)膨脹抑制劑加入量過(guò)少時(shí)，淀粉極易膨大，使溶液黏度增大抑制反應(yīng)進(jìn)行；當(dāng)膨脹抑制劑的濃度過(guò)高時(shí)，雖然可以較好地抑制淀粉膨脹，但也會(huì)阻礙交聯(lián)劑與淀粉的反應(yīng)[27]。在溫度為50 ℃，pH10.0 的條件下，本研究考察了不同Na2SO4濃度（5%、10%、15%）對(duì)糯玉米淀粉、籽粒莧淀粉交聯(lián)變性反應(yīng)的影響，兩者的磷取代度隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖5 所示。

由圖5A 可知，隨膨脹抑制劑濃度的升高，在Na2SO4濃度從5%提升到10%時(shí)，糯玉米淀粉在反應(yīng)各階段的磷取代度均提高了2 倍以上；而Na2SO4濃度從10%提至15%時(shí)，反而導(dǎo)致相同反應(yīng)時(shí)間下糯玉米淀粉的磷取代度下降，說(shuō)明適合糯玉米淀粉交聯(lián)變性的Na2SO4濃度在15%以下。由圖5B 可知，反應(yīng)的前120 min，三種Na2SO4濃度下的磷取代度隨時(shí)間增長(zhǎng)的曲線(xiàn)幾乎重合，但在反應(yīng)超過(guò)120 min后，隨Na2SO4濃度的增加，磷取代度增加更快，15%Na2SO4濃度下反應(yīng)的速率最高。這可能與籽粒莧淀粉在長(zhǎng)時(shí)間堿熱（≥2 h）處理后，開(kāi)始膨脹并糊化有關(guān)，而更高的Na2SO4濃度會(huì)促進(jìn)籽粒莧淀粉的糊化從而減小結(jié)晶度，淀粉分子微晶束由緊密結(jié)合狀態(tài)變成疏松伸展?fàn)顟B(tài)[30]，更有利于淀粉顆粒與交聯(lián)反應(yīng)試劑的接觸。

2.3 不同取代度交聯(lián)淀粉的理化性質(zhì)

2.3.1 不同取代度交聯(lián)淀粉的透明度、溶解度和膨潤(rùn)力 在工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中，企業(yè)會(huì)綜合考量機(jī)器能耗、時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)性等因素，一般要求反應(yīng)2～4 h[31-32]就可達(dá)到預(yù)期變性度，且所得樣品應(yīng)耗試劑少、能耗少。因此，從7 種反應(yīng)條件下第2 h、第4 h獲得的14 個(gè)樣品中選擇出具有代表性的樣品，進(jìn)行不同取代度交聯(lián)淀粉的透明度、溶解度和膨潤(rùn)力分析。

2.3.1.1 不同取代度交聯(lián)淀粉的透明度 淀粉糊的透明度是淀粉類(lèi)產(chǎn)品的重要特征[21]，直接影響食品的加工方法和產(chǎn)品的可接受性，且淀粉糊的透光率與透明度呈正相關(guān)關(guān)系[10]。不同取代度交聯(lián)淀粉的透明度結(jié)果如圖6 所示。兩種淀粉在進(jìn)行交聯(lián)變性后透明度都明顯降低，這可能是由于交聯(lián)反應(yīng)使淀粉顆粒分子之間結(jié)合更加緊密，光線(xiàn)更不容易透過(guò)[33]。相較于糯玉米淀粉，相近磷取代度的籽粒莧交聯(lián)淀粉糊的透明度更低。對(duì)于糯玉米淀粉，當(dāng)?shù)矸蹪舛葹?%時(shí)，原淀粉的透光率在45%左右，與已有文獻(xiàn)報(bào)道的范圍相似[34]，當(dāng)磷取代度超過(guò)DS=0.12×10-3時(shí)，淀粉糊的透明度發(fā)生明顯下降。當(dāng)?shù)矸蹪舛忍嵘?%時(shí)，低磷取代度糯玉米淀粉糊（DS=0.12×10-3）的透明度有較大提升，接近于原淀粉透明度；隨著淀粉磷取代度增加，交聯(lián)糯玉米淀粉的透光率明顯下降。對(duì)于籽粒莧淀粉，當(dāng)?shù)矸蹪舛葹?%時(shí)，淀粉糊透明度隨磷取代度升高而降低，且磷取代度超過(guò)DS=0.82×10-3時(shí)，淀粉糊透明度維持在較低水平。當(dāng)濃度提升至6%時(shí)，籽粒莧原淀粉的透明度接近于糯玉米原淀粉，這可能與6%濃度下體系內(nèi)無(wú)多余水分，淀粉變成連續(xù)相，折射光減弱而透光率增強(qiáng)有關(guān)。此外，當(dāng)磷取代度增加至DS=0.12×10-3時(shí)，淀粉糊的透明度驟降；隨著磷取代度的繼續(xù)增大，淀粉糊透明度維持在較低水平。

圖6 1%（A）和6%（B）淀粉濃度下不同磷取代度交聯(lián)淀粉的透明度Fig.6 Transparency of cross-linked starch with different degrees of phosphorus substitution at 1% (A) and 6% (B) starch concentrations

2.3.1.2 不同取代度交聯(lián)淀粉的溶解度和膨潤(rùn)力圖7 為磷取代度對(duì)糯玉米和籽粒莧淀粉的溶解度與膨潤(rùn)力的影響。由圖7 可知，隨著磷取代度的增加，兩種淀粉的溶解度和膨潤(rùn)力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，且當(dāng)DS=0.12×10-3時(shí)淀粉的溶解度與膨潤(rùn)力發(fā)生明顯下降，當(dāng)DS=0.80×10-3左右時(shí)，溶解度與膨潤(rùn)力下降至較低水平，并在取代度DS＞0.80×10-3時(shí)保持此低水平，與透明度的變化趨勢(shì)相符。這是因?yàn)榈矸墼诮宦?lián)反應(yīng)中引入的交聯(lián)鍵的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于氫鍵，限制了淀粉鏈在無(wú)定形區(qū)域的運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)抑制了淀粉顆粒在水熱過(guò)程中的膨脹與崩解[35]。此外，在相近磷取代度下，籽粒莧交聯(lián)淀粉糊的溶解度與膨潤(rùn)力比糯玉米淀粉糊更低，與透明度的結(jié)果一致。

圖7 不同磷取代度交聯(lián)淀粉的溶解度（A）和膨潤(rùn)力（B）Fig.7 Solubility (A) and swelling power (B) of cross-lined starch with different degrees of phosphorus substitution

2.3.2 取代度對(duì)淀粉糊化行為的影響 在7 種反應(yīng)條件下，依照不同交聯(lián)反應(yīng)時(shí)間取樣，共獲得了DS在0.03×10-3～3.92×10-3的70 個(gè)糯玉米交聯(lián)淀粉樣品和DS 在0～3.57×10-3的70 個(gè)籽粒莧交聯(lián)淀粉樣品。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，兩種交聯(lián)淀粉在DS=0.85×10-3以上時(shí)，黏度響應(yīng)極弱，因此選取磷取代度在DS=0.12×10-3～0.85×10-3之間的樣品進(jìn)行RVA 分析，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 部分取代度糯玉米交聯(lián)淀粉（A）、籽粒莧交聯(lián)淀粉（B）RVA 曲線(xiàn)Fig.8 RVA curve of partial phosphorus substitution degree waxy corn (A) and amaranth cross-linked starch (B)

圖8A 中的糯玉米淀粉，其原淀粉的RVA 曲線(xiàn)符合蠟質(zhì)淀粉的特征，有較高的峰值黏度和較大的衰減值，說(shuō)明原淀粉黏度高但黏度穩(wěn)定性較差。當(dāng)進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)后，DS=0.15×10-3時(shí)的糯玉米交聯(lián)淀粉的峰值黏度高于原淀粉的峰值黏度且衰減值變小，但回生值大幅上升，說(shuō)明此取代度下的糯玉米交聯(lián)淀粉具有良好的增稠作用和剪切穩(wěn)定性，但容易回生。當(dāng)DS 在0.36×10-3時(shí)峰值黏度下降至原淀粉的1/2 左右，且黏度持續(xù)增加；在DS=0.44×10-3時(shí)峰值黏度在200 cP 左右，黏度呈增加趨勢(shì)；說(shuō)明DS 在0.36×10-3～0.44×10-3的糯玉米交聯(lián)淀粉具有一定的增稠能力，但增稠能力比更低取代度的交聯(lián)淀粉要低。當(dāng)DS 在0.67×10-3及以上時(shí)，交聯(lián)淀粉的黏度明顯下降，基本失去增稠能力，但在糊化過(guò)程中黏度保持平穩(wěn)，剪切穩(wěn)定性更強(qiáng)。

圖8B 中的籽粒莧淀粉，由于顆粒尺寸的原因，原淀粉的黏度比糯玉米淀粉低很多，但籽粒莧原淀粉也有較明顯的蠟質(zhì)淀粉的黏度特征，有峰值黏度也有一定的衰減值和回生值，但衰減值和回生值更低。這表明，天然籽粒莧淀粉的增稠作用雖弱于糯玉米淀粉，但其黏度穩(wěn)定性更好，剪切穩(wěn)定性更強(qiáng)。當(dāng)進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)后，DS=0.18×10-3時(shí)黏度已低于原淀粉，與DS=0.37×10-3的淀粉保持相近的400 cP 左右的峰值黏度，并且都有較小的衰減值，最終黏度均有小幅上升；DS=0.42×10-3時(shí)峰值黏度下降至200 cP，但黏度較為平穩(wěn)，回生值僅為20 cP 左右；DS=0.66×10-3時(shí)峰值黏度降至70 cP 左右，說(shuō)明DS 在0.18×10-3～0.66×10-3的籽粒莧淀粉具有一定的增稠能力和剪切穩(wěn)定性。當(dāng)DS=0.82×10-3及以上時(shí)，交聯(lián)淀粉的峰值黏度降至50 cP 左右，基本失去增稠能力，但黏度保持平穩(wěn)，剪切穩(wěn)定性更強(qiáng)。

綜上，DS 在0.18×10-3～0.66×10-3的籽粒莧交聯(lián)淀粉具有一定的增稠能力和剪切穩(wěn)定性，但相較于相近取代度的糯玉米淀粉，其增稠能力較弱，剪切穩(wěn)定性更強(qiáng)；DS 高于0.66×10-3的籽粒莧交聯(lián)淀粉基本失去增稠能力，但剪切穩(wěn)定性更強(qiáng)。

2.3.3 不同交聯(lián)度淀粉糊化沉積物的抗剪切性分析

脂肪在食品中應(yīng)用時(shí)常需要經(jīng)過(guò)高速剪切、攪打等高強(qiáng)度的加工過(guò)程，因此淀粉類(lèi)脂物能否在高強(qiáng)度剪切作用下保持穩(wěn)定是影響產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素。2.3.2 的研究發(fā)現(xiàn)，DS 高于0.8×10-3的兩種交聯(lián)淀粉樣品的抗剪切性能強(qiáng)，因此對(duì)以DS=0.85×10-3的糯玉米交聯(lián)淀粉和DS=0.82×10-3的籽粒莧交聯(lián)淀粉為原料制備得到的的糊化沉積物進(jìn)行抗剪切性分析，結(jié)果如表2 所示。對(duì)糯玉米、籽粒莧交聯(lián)淀粉的糊化沉積物進(jìn)行劇烈剪切后，兩種淀粉的糊化沉積物表現(xiàn)出不同性質(zhì)。DS 為0.85×10-3的糯玉米淀粉糊化沉積物出現(xiàn)明顯剪切增稠的現(xiàn)象，剪切穩(wěn)定性弱；反之，DS 為0.82×10-3的籽粒莧淀粉糊化沉積物黏度保持較好，黏度變化率在10%以下，具有較強(qiáng)的剪切穩(wěn)定性。由此說(shuō)明，與糯玉米淀粉相比，較高取代度的籽粒莧交聯(lián)淀粉糊化沉積物具有良好的剪切性，可用于食品加工中脂肪替代物等的應(yīng)用。這可能是由于籽粒莧淀粉具有極小的顆粒直徑，剪切時(shí)受到的剪切力矩和應(yīng)力小，更易于保留顆粒的完整性，表現(xiàn)出較強(qiáng)的剪切穩(wěn)定性[20]。

表2 不同交聯(lián)度淀粉糊化沉積物的抗剪切性比較Table 2 Comparison of the shear resistance of starch-dextruded deposits with different degrees of cross-linking

2.3.4 不同交聯(lián)度淀粉糊化沉積物的動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性分析 淀粉凝膠的流變行為對(duì)淀粉制備的食品的加工能力、質(zhì)構(gòu)特性和食用質(zhì)量起到重要作用[36]。為研究具有良好剪切穩(wěn)定性的高取代度糯玉米、籽粒莧淀粉作為脂肪替代物的可行性，對(duì)DS=0.85×10-3的糯玉米交聯(lián)淀粉的糊化沉積物和DS=0.82×10-3的籽粒莧交聯(lián)淀粉糊化沉積物進(jìn)行動(dòng)態(tài)黏彈性分析，結(jié)果如圖9 所示。通常，G'指儲(chǔ)能模量，反映彈性；G"指損耗模量，反映黏性[37]。對(duì)于兩種淀粉的糊化沉積物而言，在1%～10%的應(yīng)變范圍內(nèi)，兩種淀粉的G'始終大于G''，顯示出彈性性質(zhì)[36]。比較兩種淀粉糊化沉積物的G'大小，發(fā)現(xiàn)在未流動(dòng)時(shí)，籽粒莧淀粉糊化沉積物具有更高的儲(chǔ)存模量G'，說(shuō)明籽粒莧淀粉糊化沉積物的塑形能力越強(qiáng)[38]，不易變形[37]。因此，相較于糯玉米交聯(lián)淀粉，籽粒莧交聯(lián)淀粉更適合食品加工中脂肪替代物等的應(yīng)用。

圖9 糯玉米交聯(lián)淀粉糊化沉積物（A）和籽粒莧交聯(lián)淀粉糊化沉積物（B）動(dòng)態(tài)模量隨應(yīng)變變化曲線(xiàn)Fig.9 Curves of dynamic modulus as a function of strain for cross-linked starch paste deposits of waxy corn (A) and amaranth (B)

3 結(jié)論

本研究以糯玉米淀粉作為對(duì)照，STMP 為變性劑，探究了溫度、pH、Na2SO4濃度對(duì)籽粒莧淀粉交聯(lián)變性反應(yīng)過(guò)程的影響，并對(duì)其交聯(lián)變性產(chǎn)物的理化性質(zhì)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，升高溫度對(duì)籽粒莧淀粉的促進(jìn)作用不明顯；提高pH 和Na2SO4濃度會(huì)促進(jìn)籽粒莧淀粉的交聯(lián)變性。交聯(lián)變性會(huì)降低籽粒莧淀粉的透明度、溶解度與膨潤(rùn)力；DS 在0.8×10-3以下的籽粒莧交聯(lián)淀粉具有一定的黏性和剪切穩(wěn)定性，可在食品中用作增稠劑，但其增稠能力要弱于相似取代度的糯玉米交聯(lián)淀粉；DS 在0.8×10-3以上的籽粒莧交聯(lián)淀粉基本失去增稠能力，但黏度穩(wěn)定性和剪切穩(wěn)定性增強(qiáng)，具有脂肪替代物等的應(yīng)用潛力。

? The Author(s) 2024.This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).