交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的制備及其糊化性能

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(1.南昌大學(xué)食品學(xué)院,江西南昌 330047; 2.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,江西南昌 330047)

淀粉是很多食物的主要成分,它由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成,以淀粉顆粒的形式存在。目前,在食品行業(yè)中常用的淀粉有大米淀粉、玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉等[1]。大米淀粉顆粒較小,可應(yīng)用于焙烤、奶制品、肉制品和醬汁等行業(yè)，作為脂肪分子的替代品,其致敏性較低,也可應(yīng)用于嬰幼兒食品[2]。在實際應(yīng)用中,原淀粉經(jīng)常被改良成不同的產(chǎn)品以滿足一定的功能特性,利用交聯(lián)和酯化作用改良淀粉是較常用的方法[3-4]。

交聯(lián)淀粉的強度要明顯高于原淀粉,具有較好的酸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[5]。Shukri等研究表明:交聯(lián)玉米淀粉具有較強的抗性,交聯(lián)后的玉米淀粉中可食用纖維總量和抗性淀粉含量均得到顯著提高[1]。酯化淀粉具有更好的乳化性能,經(jīng)辛烯基琥珀酸酐(OSA)酯化后形成的淀粉酯在許多國家已經(jīng)被允許應(yīng)用于食品工業(yè)中[3]。近年來,報道了利用玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、小麥淀粉、木薯淀粉等淀粉原料制備辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSAS)的工藝或理化性能[3,4,6-8]。

淀粉的酯化方法主要有濕法和干法,其中濕法工藝成熟,但流程長、污染大;干法流程短但成本相對較高。近年來研究發(fā)現(xiàn)低濃度濕法具有更高的酯化效率[9-10],但目前還鮮有報道利用該法對大米淀粉或交聯(lián)淀粉的酯化。本研究將交聯(lián)與酯化組合處理大米淀粉,利用該法制備了交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯(CLOSRS),通過單因素和正交實驗優(yōu)化酯化反應(yīng)條件,并對CLOSRS的理化指標(biāo)和糊化特性進(jìn)行了分析。本研究可為CLOSRS在食品工業(yè)上的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米淀粉 江西金農(nóng)生物科技有限公司;辛烯基琥珀酸酐(OSA) Sigma公司;三偏磷酸鈉 天津市大茂化學(xué)試劑廠;鹽酸、NaOH、乙醇等試劑 均為分析純。

TGL-16C型離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠;UV-1600PC型紫外可見分光光度計 上海美譜達(dá)儀器有限公司;RVA-TEC MASTER 瑞典Perten公司;DELTA320型H計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋 上海賀德實驗設(shè)備有限公司;DGG-9240AD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的制備 參考Woo等[11]報道的方法制備交聯(lián)大米淀粉。將50 g大米淀粉(干基)與70 mL蒸餾水混合后,利用1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)淀粉乳液pH至11.5,再加入0.3%淀粉干基重量的三偏磷酸鈉作為交聯(lián)劑,于45 ℃下反應(yīng)3 h。反應(yīng)結(jié)束后,利用1 mol/L的HCl溶液將乳液pH調(diào)至6.5,再加入蒸餾水進(jìn)行水洗,除去未反應(yīng)的交聯(lián)劑,過濾后在40 ℃下烘干獲得交聯(lián)大米淀粉。

參考Khalil等[9]方法利用低濃度濕法獲得交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯。該法特點是用較濕法工藝更少的蒸餾水配制低濃度的淀粉乳。首先，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的交聯(lián)大米淀粉乳(沉降積為1.9 mL),再用1 mol/L的NaOH溶液將乳液pH調(diào)至 7～10.5,加入1%～8%交聯(lián)淀粉干基重的OSA乙醇溶液,在一定溫度下反應(yīng)一段時間。反應(yīng)結(jié)束后,將乳液過濾、洗滌,于60 ℃下烘干,粉碎過篩獲得交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯(CLOSRS)。

1.2.2 交聯(lián)度測定 交聯(lián)度用沉降積大小來間接表示,沉降積越大,交聯(lián)度越小。稱取0.5 g絕干樣品,用蒸餾水配制成2%的溶液,置于90 ℃水浴中保溫5 min,取出冷卻。將糊液裝入10 mL離心管中,于4000 r/min轉(zhuǎn)速下離心3 min,倒出上清液,讀取體積,計算沉降積(mL)。

沉降積=10-V

式中,V為上清液體積,mL。

1.2.3 取代度(DS)測定 準(zhǔn)確稱取2 g樣品,加入15 mL 2.5 mol/L的HCl-異丙醇溶液,攪拌30 min,再加入100 mL 90%(v/v)的異丙醇溶液繼續(xù)攪拌10 min,過濾,并用90%的異丙醇溶液洗滌濾渣至無Cl-存在為止(用0.1 mol/L的AgNO3溶液檢測)。獲得的濾渣加入300 mL蒸餾水,煮沸20 min,冷卻,以酚酞作指示劑用0.1 mol/L的NaOH溶液滴定,以原淀粉作為空白對照[12]。DS計算公式如下:

式中,v為滴定過程中消耗NaOH溶液的體積,mL;c為NaOH溶液的實際濃度,mol/L;m為樣品質(zhì)量,g。

1.2.4 單因素實驗 以取代度為考核指標(biāo),分別考察OSA用量、酯化時間、酯化溫度和pH四個因素對交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響。根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果,固定OSA用量4%、酯化溫度80 ℃、pH9、酯化時間2.5 h中三個條件,對第4個指標(biāo)進(jìn)行單因素實驗,單因素實驗因素條件為酯化時間1.0～4.0 h,OSA用量為1%～8%,酯化溫度為65～100 ℃,pH為7～10.5。

1.2.5 正交實驗 選定酯化溫度(A)、pH(B)、OSA用量(C)、酯化時間(D)作為四個因素,各取三個水平,以取代度為衡量指標(biāo),進(jìn)行正交實驗。使用L9(34)正交表對交聯(lián)大米淀粉酯化工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，見表1。

表1 正交實驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.6 交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的理化性質(zhì) 理化性質(zhì)和糊化性能的檢測樣品均來自于單因素和正交實驗的樣品,在正交實驗的優(yōu)化條件下最高取代度為0.0198,作為取代度最高的樣品(CLOSRS(DS=0.0198)),將大米淀粉(RS)作為參照,在取代度0.0198以下取4個取代度分布較為均勻且相對較為穩(wěn)定的樣品,分別為:OSA用量單因素實驗中1%濃度時DS為0.0109的樣品(CLOSRS(DS=0.0109))、酯化時間單因素實驗中1.5 h和3.5 h條件下DS為0.0146和0.0172的樣品(CLOSRS(DS=0.0146)和CLOSRS(DS=0.0172))、酯化溫度單因素實驗中95 ℃下DS為0.0183的樣品(CLOSRS(DS=0.0183)),分別做后續(xù)實驗。

1.2.6.1 溶解度測定 參考涂宗財?shù)确椒╗13],配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的不同取代度的交聯(lián)大米淀粉乳,取50 mL在50 ℃下攪拌30 min,再以3000 r/min離心30 min,獲取的上清液先水浴蒸干再放入105 ℃烘箱中烘干至恒重,獲得溶解淀粉量A,以大米淀粉(RS)作為參照,則溶解度按下式計算。

式中,W為淀粉干基重量,g。

1.2.6.2 透明度測定 透明度利用透光率來表征。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的不同取代度的交聯(lián)大米淀粉乳,置于沸水浴中30 min,再冷卻至室溫,以蒸餾水作空白,用紫外分光光度計在640 nm處測量淀粉糊的透光率[3],以大米淀粉(RS)作為參照。

1.2.6.3 凍融穩(wěn)定性測定 凍融穩(wěn)定性利用折水率來表征。用蒸餾水配制濃度為3 g/100 mL的不同取代度的交聯(lián)大米淀粉乳,攪拌均勻,置于沸水浴中加熱25 min,取出冷卻后放置于-18 ℃冷凍24 h,取出自然解凍3 h,反復(fù)凍融循環(huán)5次,再在3000 r/min離心15 min,棄去上清液,稱取沉淀物質(zhì)量,以大米淀粉(RS)作為參照,計算折水率[14]。

式中,m1為冷凍前淀粉糊質(zhì)量,g;m2為離心后沉淀物質(zhì)量,g。

1.2.6.4 糊化性能 采用快速黏度測定儀(RVA)測定樣品的糊化性質(zhì),參考劉成梅等的方法[15],稱取3 g樣品(大米淀粉和不同取代度的交聯(lián)大米淀粉乳),加入25 mL蒸餾水混合于鋁盒中,在50 ℃下保持1 min,以12 ℃/min速率升至95 ℃,在95 ℃條件下保持2.5 min,再以12 ℃/min速率下降至50 ℃,在50 ℃條件下維持2 min,攪拌器在起始10 s內(nèi)轉(zhuǎn)動速率為960 r/min,以后保持在160 r/min。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 8.0軟件作圖,顯著性差異采用ANOVA單因素方差分析,p<0.05時表示有差異,每個實驗都重復(fù)三次。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 OSA用量對取代度的影響 通常淀粉酯的制備工藝中影響最大的因素是酯化劑的類型和用量。本研究首先考查了酯化劑即辛烯基琥珀酸酐(OSA)用量對酯化反應(yīng)的影響,其結(jié)果如圖1所示。圖1表明隨著OSA用量的增加淀粉酯的取代度也在增加,但其增加的幅度有明顯的差別。在OSA用量1%～4%范圍內(nèi)增加的幅度很大,而超過4%之后增加的趨勢趨于平穩(wěn),在4%和8%的用量時的取代度分別為0.0204和0.0213,雖然用量增加一倍,其取代度卻變化不大。石海信等報道交聯(lián)木薯淀粉酯的制備工藝和優(yōu)化條件,結(jié)果表明OSA用量在2%～6%范圍內(nèi)取代度有較大幅度的增加[10],其OSA用量比本研究更高,可能是由于木薯淀粉和大米淀粉分子結(jié)構(gòu)的影響,交聯(lián)后的木薯淀粉分子與OSA結(jié)合度更高。而Shi等研究表明OSA用量在2%之后木薯淀粉酯的取代度增加幅度并不大,其酯化反應(yīng)效率則逐漸降低[16];Ruan等發(fā)現(xiàn)OSA用量在2%～10%范圍內(nèi)馬鈴薯淀粉酯取代度逐漸上升,且其上升幅度差別不大,而其酯化反應(yīng)效率卻一直處于下降趨勢[17]。以上兩篇報道均使用未交聯(lián)的淀粉進(jìn)行酯化,淀粉的分子結(jié)構(gòu)較為松散,與OSA酯化反應(yīng)相對偏弱。

圖1 OSA用量對交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響Fig.1 Effect of amount of OSA on DS of CLOSRS

酯化反應(yīng)是在OSA與交聯(lián)淀粉充分接觸的情況下發(fā)生的,增加OSA用量,它們的接觸幾率不斷提升,酯化反應(yīng)的概率增加,但是當(dāng)OSA用量增加到一定量后,其接觸幾率變化并不大,這可能是受到OSA不溶于水作用的影響[17]。因此,酯化反應(yīng)效率在OSA用量增加到一定量時反而下降。此外,交聯(lián)淀粉的分子大于原淀粉分子[1],在酯化反應(yīng)時可能會影響OSA與之接觸的幾率,從而影響酯化反應(yīng)的發(fā)生。因此,考慮到OSA的利用效率,交聯(lián)大米淀粉酯化反應(yīng)的OSA用量宜在4%。

2.1.2 酯化時間對取代度的影響 酯化時間對交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響見圖2。在1.0～2.5 h范圍內(nèi),取代度隨著反應(yīng)時間的增加而增加,當(dāng)超過2.5 h后,反應(yīng)時間越長,其取代度有不同程度的下降。下降的原因是由于OSA的消耗以及酯化反應(yīng)的逆反應(yīng)增多。因此,反應(yīng)時間為2.5 h較為適宜。文獻(xiàn)報道[16-18]辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成工藝中,適宜的反應(yīng)時間在3～4 h左右。本文使用交聯(lián)淀粉酯化反應(yīng),適宜的反應(yīng)時間更短,說明交聯(lián)淀粉在進(jìn)行酯化反應(yīng)時的進(jìn)度比原淀粉更快,但其取代度并不一定更高。

圖2 酯化時間對交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響Fig.2 Effect of esterification time on DS of CLOSRS

2.1.3 酯化溫度對取代度的影響 酯化溫度對交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響如圖3所示。由圖3可以看出,在65～85 ℃范圍內(nèi)隨著酯化溫度的增加,淀粉酯的取代度也在升高,而超過85 ℃之后,其取代度逐漸下降,在85 ℃時達(dá)到最高取代度0.0202。溫度的升高增加了大米淀粉顆粒的膨脹程度以及OSA的溶解度和OSA與淀粉顆粒的接觸面,故反應(yīng)的取代度升高。在高溫時OSA的水溶性增加,其水解作用也增加,當(dāng)水解作用達(dá)到一定程度后就會降低其與淀粉顆粒的接觸幾率,從而降低酯化反應(yīng)的發(fā)生,使取代度下降。因此,適宜的酯化溫度為85 ℃。Shi等[16]和Ruan等[17]研究發(fā)現(xiàn)酯化溫度在35 ℃時制備淀粉酯較為合適,比本文的最適酯化溫度低了很多,這可能是由于交聯(lián)淀粉的抗性更強,需要在更高的溫度下才能達(dá)到適宜的膨脹程度。

表3 交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的理化性質(zhì)Table 3 Physicochemical properties of CLOSRS

圖3 溫度對交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響Fig.3 Effect of esterification temperature on DS of CLOSRS

注：同行數(shù)據(jù)右上角字母相同表示差異不顯著(p>0.05),不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.1.4 pH對取代度的影響 pH對淀粉酯化反應(yīng)有重要影響。堿性條件有利于淀粉的羥基與酸酐發(fā)生酯化反應(yīng)[19]。pH對交聯(lián)辛烯基琥珀酸酯大米淀粉取代度的影響見圖4。由圖4可以看出,當(dāng)pH小于9.0或大于9.5時，對酯化反應(yīng)有較大影響,其取代度有明顯的下降趨勢,可見堿性過強也不利于酯化反應(yīng)的進(jìn)行。pH為9.0和9.5時,交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度分別為0.0190和0.0198,差別不大,故交聯(lián)大米淀粉酯化反應(yīng)pH宜選擇在9.5。這與石海信等報道的交聯(lián)木薯淀粉酯的最適反應(yīng)pH范圍類似[10]。Shi等報道的最適pH為8.2[16],Ruan等報道的最適pH為8.0[17],這兩篇報道的最適pH要低于本研究,可能是由于交聯(lián)淀粉的抗性較強,需要在更強的堿性條件下反應(yīng)。

圖4 pH對交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度的影響Fig.4 Effect of esterification pH on DS of CLOSRS

2.2 酯化反應(yīng)工藝參數(shù)優(yōu)化

在單因素實驗基礎(chǔ)上,選擇酯化溫度(A)、pH(B)、OSA用量(C)和酯化時間(D)四個因素,以取代度為評價指標(biāo),利用L9(34)正交表對交聯(lián)大米淀粉酯化條件進(jìn)行優(yōu)化,其正交實驗設(shè)計與結(jié)果見表2。

由表2中的極差大小可知,影響交聯(lián)大米淀粉酯化的主次順序依次為:C(OSA用量)>D(酯化時間)>A(酯化溫度)>B(pH)。制備交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的最佳工藝條件為:A2B2C2D2,即酯化溫度85 ℃、pH9.5、OSA用量4.0%、酯化時間2.5 h。在最佳工藝條件下,交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯取代度為0.0198。

表2 正交實驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Design and results of orthogonal test

2.3 交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的理化性質(zhì)

交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的溶解度、透明度和凍融穩(wěn)定性如表3所示。

表4 交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的糊化性能Table 4 Pasting properties of CLOSRS

注：同列數(shù)據(jù)右上角字母相同表示差異不顯著(p>0.05),不同表示差異顯著(p<0.05)。

由表3可知,交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的溶解度隨著取代度的增加而增加,酯化能提高交聯(lián)辛烯基琥珀酸酯大米淀粉的溶解度。這是由于經(jīng)過酯化后,疏水性的淀粉分子長鏈上同時引入了疏水基團(tuán)和親水基團(tuán),其中的親水基團(tuán)提高了產(chǎn)品的溶解度,取代度越高引入的親水基團(tuán)越多,溶解度越大。此外,由于交聯(lián)會抑制水溶性,故在同等取代度條件下,交聯(lián)淀粉酯的溶解度可能會低于原淀粉酯的溶解度[5]。Singhum等研究表明,取代度為0.0216的淀粉酯溶解度為19.5 g/100 g[3]。

由表3可知,交聯(lián)淀粉酯化后的透明度有不同程度的提高,隨著取代度的增加,透明度逐漸增加,但是在低取代度時增加不明顯,而在兩個較高取代度條件下有了較大改善。一方面酯化反應(yīng)增加了淀粉親水性,使其能形成較為均勻的膠體,故增加了透光率[20]。另一方面交聯(lián)淀粉由于分子變大,會妨礙體系的均勻性,也可能增加折射現(xiàn)象,故影響了樣品的透光率。因此,只有當(dāng)酯化取代度足夠高時,淀粉酯的透明度才會表現(xiàn)出較為明顯的改善。

折水率越低,凍融穩(wěn)定性越好。由表3可知,經(jīng)過酯化后交聯(lián)淀粉凍融穩(wěn)定性顯著上升,而且隨著取代度的增加凍融穩(wěn)定性增強?？琢顣缘妊芯啃料┗晁崤从衩椎矸埘サ男再|(zhì)表明,凍融穩(wěn)定性有所減弱[20]。宋曉燕等研究辛烯基琥珀酸早秈米淀粉酯的性質(zhì)表明,酯化改性后原淀粉折水率下降,但其下降幅度不大[21]。本研究中凍融穩(wěn)定性明顯增強的原因與交聯(lián)淀粉的性質(zhì)有關(guān)。交聯(lián)淀粉具有較高的凍融穩(wěn)定性,在酯化后強化了它的作用,這為交聯(lián)淀粉酯應(yīng)用于冷凍食品提供了理論依據(jù)。

2.4 交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯糊化性質(zhì)

不同取代度交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的糊化性質(zhì)見表4,大米淀粉經(jīng)過交聯(lián)酯化后,其糊化性質(zhì)發(fā)生了顯著變化,且不同取代度的交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯也表現(xiàn)出不同的糊化性質(zhì)。峰值黏度是衡量淀粉持水性的指標(biāo)[3],最終黏度表示淀粉糊化后形成凝膠的強度[22]。與原大米淀粉相比,CLOSRS的峰值黏度、最低黏度和最終黏度值均明顯上升,且均隨著取代度的升高而增加,最大取代度CLOSRS的峰值黏度和最終黏度分別為5326 cp和5599 cp,表明CLOSRS的持水性明顯增加,凝膠強度明顯增強。Thirathumthavornd等報道了不同聚合度的大米淀粉和木薯淀粉經(jīng)過OSA酯化后的峰值黏度都升高了3倍左右[6]。Ruan等研究發(fā)現(xiàn)不同濃度淀粉、不同反應(yīng)轉(zhuǎn)速下馬鈴薯淀粉酯化后的黏度也得到了不同程度的提升[17]。據(jù)Vandeputte等報道峰值黏度主要受淀粉顆粒膨脹程度的影響[23]。交聯(lián)大米淀粉經(jīng)OSA酯化后,其上的親水基團(tuán)將有利于水分子滲入淀粉顆粒之中,從而引起峰值黏度的上升。

大米淀粉經(jīng)過交聯(lián)酯化后的崩解值和回生值均明顯降低,且隨著取代度的提高而下降,而糊化溫度也有一定程度的下降,如最大取代度下的崩解值、回生值和糊化溫度分別為87、273 cp和76.32 ℃,均明顯低于原淀粉的數(shù)值。崩解值和回生值的下降表明淀粉酯的熱穩(wěn)定性上升,回生性降低,抗老化能力提升。糊化溫度的降低表明樣品更易糊化[15]。宋曉燕等發(fā)現(xiàn)不同取代度的糯玉米淀粉酯的糊化溫度也有不同程度的下降,且隨著取代度的升高而降低[24]。Sandhu等研究發(fā)現(xiàn)不同顆粒大小的馬鈴薯淀粉在不同pH條件下經(jīng)OSA酯化后,其回生值和成糊溫度表現(xiàn)出不同的趨勢,大顆粒和小顆粒淀粉在pH為4時回生值均下降,糊化溫度均上升,小顆粒淀粉在pH為6和8時回生值升高,糊化溫度降低,大顆粒淀粉則回生值上升,糊化溫度也上升[3]。淀粉酯的熱穩(wěn)定性、回生性和糊化溫度與OSA引入淀粉分子中的疏水基團(tuán)有關(guān),OSA分子與淀粉酯化后,使得淀粉分子間形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),而本文中利用交聯(lián)淀粉進(jìn)行酯化,更加強化了這種結(jié)構(gòu),故交聯(lián)淀粉酯表現(xiàn)出較高的熱穩(wěn)定性和較低的回生性,但由于強度增加其糊化溫度下降不是很明顯。

3 結(jié)論

影響交聯(lián)淀粉酯化的主次順序依次為:OSA用量>酯化時間>酯化溫度>pH。制備交聯(lián)辛烯基琥珀酸大米淀粉酯的最佳工藝條件為:酯化溫度85 ℃、pH9.5、OSA用量4.0%、酯化時間2.5 h。在最佳工藝條件下,交聯(lián)淀粉酯的取代度為0.0198。

相比于原大米淀粉,CLOSRS的溶解度、透明度和凍融穩(wěn)定性均得到提升,尤其是凍融穩(wěn)定性提升效果明顯。糊化性能方面,CLOSRS的峰值黏度、最低黏度和最終黏度明顯升高,但崩解值和回生值明顯下降,糊化溫度也有不同程度降低。CLOSRS表現(xiàn)出更高的持水性、凝膠強度和熱穩(wěn)定性以及抗老化的能力。

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