乙?；u丙基復(fù)合改性玉米淀粉物化特性研究

趙 凱 雷 鳴 劉麗艷 李 君 劉 寧 楊春華 陳鳳蓮

(食品科學(xué)與工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；哈爾濱商業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150076)

淀粉作為一種可再生資源，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，起到增稠、膠體穩(wěn)定、凝膠形成等作用[1]。但是原淀粉自身存在一定的品質(zhì)缺陷，如凝膠及糊的穩(wěn)定性差；溶解、分散性差；糊及凝膠的透光率低；易老化等。食品工業(yè)的很多應(yīng)用中需要對(duì)原淀粉進(jìn)行改性處理，以改善其加工性能，提高糊及凝膠的穩(wěn)定性；改善糊的透明性及凝膠光澤；引入疏水基團(tuán)以提高乳化性；延緩老化等[2]。醚化及酯化處理是淀粉改性常用方法，其目的是在原淀粉中引入乙?；?、羥丙基等具有空間位阻作用的基團(tuán)，改進(jìn)淀粉的加工性能及后期的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性[3,4]。

有關(guān)羥丙基淀粉及乙酰化(醋酸酯)淀粉的制備及性質(zhì)，國(guó)內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[5,6]。但是，關(guān)于乙?；u丙基復(fù)合改性淀粉的制備及相關(guān)性質(zhì)研究，國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道較少。目前主要集中于制備工藝優(yōu)化、改善食品加工性能、改性次序確定等方面[7-10]。Granza等[11]研究了乙?；u丙基復(fù)合改性對(duì)菜豆(Carioca bean)淀粉性質(zhì)的影響，表明復(fù)合改性能提高原淀粉的凍融穩(wěn)定性，凝膠性也較原淀粉有所改善。對(duì)于不同改性程度對(duì)淀粉顆粒、糊及熱焓性質(zhì)的影響方面則缺乏深入研究。

本研究以來(lái)源最為廣泛的玉米淀粉為原料制備不同取代度的乙?；u丙基復(fù)合改性淀粉，采用掃描電子顯微鏡、X-射線(xiàn)衍射儀(XRD)、紅外光譜儀和差示掃描量熱儀(DSC)對(duì)淀粉的物化特性進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)乙?；u丙基淀粉顆粒形貌、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、糊的性質(zhì)以及熱焓特性等的研究，為乙?；u丙基復(fù)合改性淀粉的制備和應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉；羥丙基淀粉、乙酰化淀粉、乙?；u丙基淀粉：實(shí)驗(yàn)室自制；水合茚三酮、亞硫酸氫鈉、無(wú)水硫酸鈉、氫氧化鈉、環(huán)氧丙烷、乙酸酐、鹽酸、酚酞、濃硫酸、無(wú)水乙醇等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DSC4000差示掃描量熱儀；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；TDL-5-A離心機(jī)；DHG-9420A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；FW80-I高速萬(wàn)能粉碎機(jī)；722E 型可見(jiàn)分光光度計(jì)；S-3400N 掃描電子顯微鏡。

1.3 方法

1.3.1 乙?；矸?、羥丙基淀粉及乙?；u丙基復(fù)合改性淀粉的制備[10]

1.3.1.1 羥丙基淀粉的制備

將40%濃度的淀粉乳置于三口瓶中，加入一定量的Na2SO4和NaOH溶液，混合、密閉、充入氮?dú)?，排出空氣，在水浴加熱條件下，加入一定量的環(huán)氧丙烷，將三口瓶的瓶口密封，攪拌、反應(yīng)一段時(shí)間，所得產(chǎn)品用2 mol /L的H2SO4滴定至中性，離心、水洗、干燥、粉碎，即得成品。

1.3.1.2 乙?；矸鄣闹苽?/p>

將40%濃度的淀粉乳在25 ℃下攪拌1 h，然后用3%的NaOH調(diào)整pH=8.0，逐滴加入乙酸酐，同時(shí)用3%的NaOH將pH保持在8.0～8.4 范圍內(nèi)，反應(yīng)一段時(shí)間后，用0.5 mol /L的HCl將pH調(diào)至6.5，離心、洗滌(用去離子水洗滌2次，95%的乙醇洗滌1次)，然后將其放入40 ℃的烘箱中干燥、粉碎、即得成品。

1.3.1.3 乙?；u丙基復(fù)合改性淀粉的制備

按1.3.1.1制備羥丙基淀粉，以羥丙基淀粉為原料，對(duì)其進(jìn)行乙?；男裕唧w操作同1.3.1.1和1.3.1.2。

1.3.2 乙?；u丙基淀粉的紅外光譜分析

將淀粉樣品與干燥的溴化鉀混合壓片進(jìn)行紅外掃描，以觀(guān)察淀粉樣品的分子基團(tuán)變化，掃描范圍在4 000～450 cm-1。

1.3.3 乙酰化羥丙基淀粉的結(jié)晶特性

將樣品在100%相對(duì)濕度平衡24 h，然后采用X射線(xiàn)衍射儀對(duì)淀粉的結(jié)晶特性進(jìn)行分析。特征射線(xiàn)Cu靶，管壓40 kV，電流100 mA，測(cè)量角度2θ=2°～40°，步長(zhǎng)0.02°，掃描速度4(°)/min[12]。

1.3.4 淀粉糊透明度的測(cè)定

將淀粉配成1%(m/V)的淀粉乳，取50 mL淀粉乳放入100 mL燒杯中，置于沸水浴中加熱攪拌30 min，并保持原有體積。然后冷卻至室溫，用1 cm比色皿在620 nm波長(zhǎng)下測(cè)定糊的透光率，以蒸餾水作為空白[13]。

1.3.5 淀粉糊凝沉穩(wěn)定性的測(cè)定

將淀粉配成1%(m/V)的淀粉乳，置于沸水浴中加熱攪拌30 min，冷卻至室溫，移入量筒中，在室溫下靜置，每隔一定時(shí)間記錄上層清液或下方沉淀物的體積。用清液體積占糊總體積的百分比來(lái)表示糊的凝沉性質(zhì)[14]。

1.3.6 淀粉糊凍融穩(wěn)定性的測(cè)定

將樣品加蒸餾水配成6%(m/V)的淀粉乳，在沸水浴中加熱30 min，冷卻至室溫，然后置于-20～-15 ℃的冰箱中冷凍，24 h后取出，自然解凍，重復(fù)5次，在3 000 r/min離心20 min，棄去上清液，稱(chēng)取沉淀物質(zhì)量，計(jì)算析水率[15]。

1.3.7 乙?；u丙基淀粉的熱焓特性

將玉米淀粉與蒸餾水按1∶2(m/m)比例置于DSC鋁盤(pán)中，密封、室溫平衡2 h。以空皿為參比，采用10 ℃/min的升溫速率，從20 ℃升溫到110 ℃，測(cè)定糊化起始溫度(To)，糊化峰值溫度(Tp)，糊化完成溫度(Tc)以及糊化焓(ΔH)。每個(gè)樣品均測(cè)試3次，取平均值。

1.3.8 統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS13.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，采用Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙?；u丙基淀粉的顆粒形貌

圖1為原淀粉及改性淀粉顆粒的表面形貌電鏡圖。由圖1a可以看出，玉米原淀粉顆粒呈現(xiàn)多角形，表面光滑，棱角分明，顆粒表面沒(méi)有腐蝕和損傷的現(xiàn)象，這表明淀粉表面的結(jié)晶結(jié)構(gòu)完整。與原淀粉相比，淀粉經(jīng)過(guò)羥丙基改性后(圖1b～圖1d)，淀粉顆粒大小變化不大，但顆粒表面發(fā)生了非常明顯的變化，部分的顆粒表面變得粗糙，棱角模糊，出現(xiàn)不同程度的凹陷和褶皺，取代度越大，此現(xiàn)象越明顯，并且與較小的顆粒相比，大顆粒的變化更明顯。這與Singh等[16]的報(bào)道一致。由圖1e～圖1g可以看出，淀粉經(jīng)乙?；男院螅w粒表面也發(fā)生了改變，雖然這種變化不如羥丙基化顯著，隨著乙酰化作用的增強(qiáng)，顆粒表面的棱角變小，由多角形逐漸趨向圓形；部分顆粒開(kāi)始融化，變形，這主要是由于淀粉經(jīng)乙酰化作用后，淀粉顆粒中引入了親水性的基團(tuán)，使淀粉分子的氫鍵增加，從而導(dǎo)致淀粉顆粒發(fā)生融化[17]，這與Raina等[18]的研究結(jié)果一致，大米淀粉經(jīng)過(guò)乙?；饔煤蟮矸垲w粒變粗糙，呈現(xiàn)聚集狀。邊緣失去了原有的清晰感，部分顆粒發(fā)生破碎和空洞。與上述兩種單一改性相比較，圖1h～圖1j的變化更為顯著，在羥丙基化的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行乙?；膹?fù)合改性淀粉，顆粒表面變得粗糙，棱角模糊，出現(xiàn)不同程度的凹陷和褶皺，顆粒開(kāi)始融化，變形。其為乙酰化和羥丙基化共同作用的結(jié)果，并且取代度越大，此現(xiàn)象越明顯。

2.2 乙酰化羥丙基淀粉的紅外光譜分析

原淀粉的基本組成單元是脫水葡萄糖，主要特征基團(tuán)是C2和C3所連接的仲醇羥基，C6連接的伯醇羥基以及D-吡喃環(huán)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)特征在紅外光譜圖中具有特征性紅外吸收峰位置。

注：DS代表取代度；MS代表摩爾取代度。圖1 淀粉改性前后的顆粒形貌

圖2 原淀粉及乙?；u丙基復(fù)合改性淀粉紅外光譜圖

2.3 乙?；u丙基淀粉的結(jié)晶特性

淀粉的X射線(xiàn)衍射圖譜分為A、B、C和V型，每一種類(lèi)型都有明顯特征峰，A型對(duì)應(yīng)的衍射圖譜在2θ角為15.3°、17.1°、18.2°和23.5°處有較強(qiáng)的衍射峰，B型在2θ角為5.59°、17.2°、22.2°和24.0°處有較強(qiáng)的衍射峰，C型在2θ角為5.73°、15.3°、17.3°、18.3°和23.5°處有較強(qiáng)的衍射峰，V型在2θ角為7.36°、13.1°和20.1°處有較強(qiáng)的衍射峰。X射線(xiàn)衍射法除了可以鑒定原淀粉的不同外，還可以用來(lái)鑒定淀粉是否經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)變化及顆粒晶體被破壞的程度。淀粉改性前后X射線(xiàn)衍射圖譜如圖3所示。

注：NCS代表玉米原淀粉，MS及DS分別代表羥丙基化改性及乙?；男院笏玫矸鄣娜〈群湍柸〈?，括號(hào)內(nèi)數(shù)值為結(jié)晶度。圖3 原淀粉及改性淀粉X射線(xiàn)衍射圖譜

由圖3可知，玉米原淀粉在15.10°、17.10°、17.98°、23.10°處有明顯的特征峰出現(xiàn)，屬于典型的A型結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出淀粉經(jīng)過(guò)乙?；男?、羥丙基改性及復(fù)合改性后，X射線(xiàn)衍射圖譜并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。玉米淀粉的結(jié)晶度為19.46%，與原淀粉相比，淀粉經(jīng)過(guò)單一及復(fù)合改性后，結(jié)晶度有所降低，并且隨著取代度的升高加劇，說(shuō)明酯化及醚化反應(yīng)主要發(fā)生在顆粒的不定形區(qū)，取代度提高后，部分結(jié)晶區(qū)也會(huì)發(fā)生反應(yīng)。綜上所述，淀粉經(jīng)過(guò)單一的乙酰化、羥丙基化改性以及乙?；u丙基復(fù)合改性后，X射線(xiàn)衍射圖譜均未發(fā)生明顯的變化，結(jié)合掃描電子顯微鏡觀(guān)察結(jié)果淀粉經(jīng)過(guò)改性后其顆粒表面發(fā)生了一些變化，這說(shuō)明乙?；⒘u丙基化單一改性以及乙?；u丙基復(fù)合改性作用主要發(fā)生在淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)，但總體上并沒(méi)有破壞淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

2.4 復(fù)合改性程度對(duì)糊透明度的影響

淀粉糊的透明度是食品加工過(guò)程中的一個(gè)重要影響因素。淀粉糊的透明度與淀粉原料中脂質(zhì)含量以及淀粉改性后接入的基團(tuán)有關(guān)。淀粉糊透明度的高低常用透光率來(lái)表示，圖4為改性對(duì)淀粉糊透光率的影響。

圖4 改性對(duì)淀粉糊透光率的影響

由圖4可知，淀粉經(jīng)乙?；u丙基復(fù)合改性后，糊的透光率均比原淀粉高。當(dāng)羥丙基化程度一定時(shí)，隨著乙酸酐用量的增加，復(fù)合改性淀粉糊的透明度也隨著提高，當(dāng)乙酸酐用量一定時(shí)，隨著羥丙基化程度的增加，糊的透明度隨之提高。同時(shí)復(fù)合改性程度越高，糊的透明度越高。這主要是因?yàn)樵诘矸鄯肿又薪尤肓u丙基和乙?；鶊F(tuán)后，由于基團(tuán)的空間位阻作用，阻礙直鏈淀粉及支鏈淀粉分子鏈間的締合，從而提高淀粉糊的透明度。從圖4可以看出隨著改性程度的提高，糊的透光率也逐漸增加，且復(fù)合改性?xún)?yōu)于單一改性。

2.5 復(fù)合改性程度對(duì)糊凝沉穩(wěn)定性的影響

淀粉乳受熱，顆粒溶脹吸收水分破裂，淀粉分子完全分散于水中而糊化。淀粉糊放置一定的時(shí)間后會(huì)逐漸變混濁、分層沉淀，出現(xiàn)上清液、下方沉淀物的現(xiàn)象，這就是淀粉的凝沉現(xiàn)象[20]。常用淀粉糊在存放過(guò)程中上清液的體積百分?jǐn)?shù)(凝沉體積比)來(lái)衡量淀粉的凝沉性大小。圖5為原淀粉與不同改性程度的乙酰化羥丙基淀粉糊的凝沉穩(wěn)定性。

由圖5可以看出，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，原淀粉及改性淀粉糊的上清液體積都在增加，達(dá)到一定程度后穩(wěn)定。原淀粉在最初的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)迅速凝沉，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且上清液的體積很大，說(shuō)明原淀粉的凝沉性強(qiáng)，凝沉穩(wěn)定性差。而經(jīng)過(guò)乙?；土u丙基化復(fù)合改性的淀粉的凝沉性則明顯減弱，糊穩(wěn)定性較好，并且隨著復(fù)合取代度的增加，上清液的體積越來(lái)越少，凝沉性越來(lái)越弱，即凝沉穩(wěn)定性越來(lái)越好。這主要是因?yàn)榻?jīng)羥丙基化和乙?；瘡?fù)合改性處理后，由于淀粉鏈間的空間位阻增大，淀粉的親水性增強(qiáng)，淀粉不容易凝沉，穩(wěn)定性提高?？梢?jiàn)羥丙基化和乙?；梢蕴岣叩矸鄣哪练€(wěn)定性。

圖5 改性對(duì)淀粉糊凝沉性的影響

2.6 復(fù)合改性程度對(duì)糊凍融穩(wěn)定性的影響

淀粉糊經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融和低速離心后，其淀粉糊析水率的大小可以反映淀粉抗老化能力的強(qiáng)弱。由圖6可知玉米原淀粉的析水率最高，凍融穩(wěn)定性最差。隨著羥丙基化和乙?；潭鹊脑黾?，淀粉的析水率逐漸降低，凍融穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)；隨著復(fù)合取代度的增加，淀粉的析水率降低更為明顯，淀粉凍融穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，這是因?yàn)榈矸酆?jīng)低溫冷凍，由于凝沉作用，淀粉分子間又經(jīng)過(guò)氫鍵結(jié)合成不溶的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，膠體結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，析出游離水。在淀粉中引入羥丙基和乙?；?，由于羥丙基與乙酰基都是親水基團(tuán)，可以起到保水作用，提高了乙?；u丙基淀粉的凍融穩(wěn)定性。同時(shí)羥丙基和乙?；鶊F(tuán)可與直鏈淀粉的脫水葡萄糖羥基形成分子內(nèi)氫鍵，使淀粉分子的膠體結(jié)構(gòu)不易被破壞，同時(shí)由于羥丙基和乙?；拇嬖冢矔?huì)造成支鏈淀粉分支部分的空間障礙，阻礙了淀粉分子間氫鍵的形成，使其不易重新排列和締合，使水分不易析出，增強(qiáng)了淀粉的凍融穩(wěn)定性。

凍融循環(huán)注：1為原淀粉，2～4表示MS分別為0.03、0.07、0.11,a-c依次表示一次、兩次及三次凍融循環(huán)。圖6 改性對(duì)淀粉凍融穩(wěn)定性的影響

2.7 乙?；u丙基淀粉的熱焓特性

淀粉的DSC分析可看作淀粉在過(guò)量水分條件下的糊化過(guò)程，在此過(guò)程中，相變的起始溫度可以看作是糊化的開(kāi)始溫度，而相變的終止溫度可以看作是糊化的終了溫度，相變過(guò)程的焓值可以看作是糊化過(guò)程所需能量[21]，即在相變過(guò)程中雙螺旋結(jié)構(gòu)的解聚和熔融所需要的能量[22，23]。由表1可知，玉米原淀粉的相變起始溫度為64.40 ℃，經(jīng)過(guò)羥丙基改性后，淀粉相變的起始溫度降低，并且隨著取代度的升高逐漸下降。與單一改性和原淀粉相比，淀粉經(jīng)過(guò)乙酰化羥丙基復(fù)合改性后，淀粉相變的起始溫度降低的更顯著，隨著復(fù)合取代度的升高，相變的起始溫度也隨之降低。這主要是因?yàn)榈矸劢?jīng)過(guò)羥丙基改性后，在分子內(nèi)引入了親水性的羥丙基基團(tuán)，其有利于與水分的結(jié)合，同時(shí)由于羥丙基基團(tuán)的引入，增大了淀粉分子間的空間位阻，增大了直鏈淀粉分子之間的空隙，有利于水分子的進(jìn)入，從而使淀粉的糊化變得容易，即相變的起始溫度降低。同理，淀粉經(jīng)過(guò)乙?；u丙基復(fù)合改性后，由于羥丙基和乙?；鶊F(tuán)的引入，使淀粉相變的起始溫度降低。淀粉經(jīng)過(guò)羥丙基改性后，焓值明顯降低，并且取代度越高，下降越明顯。與單一改性和原淀粉相比，淀粉經(jīng)過(guò)乙?；u丙基復(fù)合改性后，焓值顯著下降。這說(shuō)明淀粉經(jīng)過(guò)單一改性和復(fù)合改性后，由于羥丙基和乙酰基基團(tuán)的引入，使淀粉顆粒的部分雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，所以發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)用于解開(kāi)雙螺旋所需的能量低。并且隨著改性程度的增大，破壞作用增強(qiáng)，所需的能量降低。同時(shí)由于羥丙基和乙?；鶊F(tuán)的存在，阻礙了淀粉分子間的氫鍵的締合作用，從而使糊化的過(guò)程變得容易，焓值下降。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明羥丙基改性和乙?；u丙基復(fù)合改性主要發(fā)生在淀粉的無(wú)定形區(qū)，但提高取代程度，部分結(jié)晶區(qū)亦會(huì)參與反應(yīng)過(guò)程，這與XRD部分結(jié)晶度隨取代度增高而降低的結(jié)論一致。

表1 原淀粉及改性淀粉的熱焓特性

注：To：起始溫度；Tp：峰值溫度；Tc：完成溫度；ΔH：糊化焓；數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)。

3 結(jié)論

不同取代度的乙酰化淀粉、羥丙基淀粉及乙?；u丙基復(fù)合改性淀粉與原淀粉性質(zhì)存在較大差異。SEM結(jié)果表明，與原淀粉相比，乙酰化羥丙基復(fù)合改性淀粉顆粒表面變得粗糙，棱角模糊，出現(xiàn)不同程度的凹陷、褶皺、變形，這是乙酰化和羥丙基化共同作用的結(jié)果，并且取代度越大，此現(xiàn)象越明顯；紅外光譜分析結(jié)果表明，淀粉經(jīng)過(guò)乙酰化羥丙基復(fù)合改性處理后，在淀粉分子上引入了新的化學(xué)基團(tuán)；XRD結(jié)果可以看出，乙?；?、羥丙基化單一改性以及乙?；u丙基復(fù)合改性作用主要發(fā)生在淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)，改性后的淀粉仍為A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)；從糊的性質(zhì)分析可以看出，乙?；u丙基復(fù)合改性淀粉糊的透明度、凝沉穩(wěn)定性以及糊的凍融穩(wěn)定性均隨著復(fù)合改性程度的增加而提高；DSC分析結(jié)果顯示，隨著DS及MS的增加，改性淀粉的To、Tp、Tc 及ΔH均降低，說(shuō)明乙?；?、羥丙基化改性增加空間位阻，部分破環(huán)雙螺旋結(jié)構(gòu)，改性后淀粉更易糊化。