戰(zhàn)曉鳳，鄔應龍*

(四川農(nóng)業(yè)大學食品學院，四川 雅安 625014)

豌豆是世界各地廣泛種植的主要食用豆之一，其產(chǎn)量在豆科類農(nóng)作物中排名第四，僅低于黃豆、花生和干大豆，產(chǎn)量超過1000萬t[1]。傅翠珍等[2]對我國西部地區(qū)豌豆成分進行分析發(fā)現(xiàn)，其籽粒中總淀粉含量為28.70%～58.69%，平均為49.17%，而蛋白質和粗纖維含量分別高達25%和5%左右。豌豆淀粉主要作為制取豌豆?jié)饪s蛋白的副產(chǎn)物，產(chǎn)量巨大[3]。在豌豆淀粉糊化溶液中，由于較多的直鏈淀粉相互作用，致使淀粉更易老化，出現(xiàn)溶液渾濁和水分析出等現(xiàn)象，尤其經(jīng)反復多次凍融，其穩(wěn)定性更差。豌豆淀粉的這類性質限制了其在食品工業(yè)的廣泛應用[4]。據(jù)報道在淀粉分子上引進了一定數(shù)量的羥丙基團可有效地改善淀粉糊的性質，增強淀粉糊的親水性和保水性能，使淀粉糊的透明度和穩(wěn)定性增高，不易沉淀[5]。羥丙基改性在馬鈴薯淀粉[6]、甘薯淀粉[7]、木薯淀粉[8]等薯類淀粉，小麥淀粉[9]、指狀小米淀粉[10]、大米淀粉[11]等谷類淀粉被報道并具有良好的效果，但在更加易老化的豆類淀粉的研究中卻鮮見報道。本研究為制備羥丙基豌豆淀粉對制備工藝中的各主要影響因素進行優(yōu)化，并對其性質進行研究，以期為羥丙基豌豆淀粉進一步開發(fā)利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豌豆淀粉 市售；環(huán)氧丙烷、1,2-丙二醇等試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

HS80恒溫水浴搖床 中國科學院武漢科學儀器廠；7200分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司；HG-9245A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；Super3型快速黏度測試儀 澳大利亞New Port公司；PHS-3C型數(shù)顯酸度計 上海綠宇精密儀器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 羥丙基豌豆的制備

稱取一定量的豌豆淀粉，配成40%(m/m)的淀粉乳，緩慢加入20%(m/m)硫酸鈉，于搖床上混勻30min。之后用1mol/L NaOH溶液調至一定pH值，并將一定量的環(huán)氧丙烷加入淀粉乳中，密閉容器(用氮氣作為保護)。反應攪拌一定時間，待反應結束后，用0.5mol/L硫酸調pH值至5.5。抽濾，蒸餾水洗滌3次，烘干，粉碎，得羥丙基豌豆淀粉。

1.3.2 羥丙基淀粉取代度的測定

以羥丙基改性淀粉中羥丙基含量表示改性淀粉的取代度。羥丙基含量的測定采用分光光度法，淀粉樣品(100mg)加入100mL的容量瓶中，再加入(25mL 0.5mol/L)的硫酸?；旌衔镌诜兴″佒邢敝莲@得澄清的溶液，冷卻后蒸餾水定容至100mL。移液管移取溶液(1mL)到25mL刻度測試管中，插入冷水中，逐滴加入管中8mL濃硫酸。充分混勻后，試管放入沸水中水浴20min。之后將其放入冰水浴中直至溶液冷卻。將茚三酮試劑(0.15g茚三酮溶于10mL 12.5% NaHSO3，0.6mL)加入具塞管中，混勻后放入25℃水浴100min。溶液用濃硫酸定容到25mL，混合充分。然后轉移到1cm比色皿中，10min后，595nm處測定吸光度，淀粉空白作為對照[12-13]。羥丙基淀粉的摩爾取代度(MS) 按下式計算：

式中：H為羥丙基的含量/%；F為試樣或空白樣稀釋倍數(shù)；M樣為在標準工作曲線上對應的丙二醇質量/g；M原為在標準工作曲線上查得的原淀粉空白樣中丙二醇質量/g；W樣為試樣質量/g；W原為原淀粉質量/g；0.7763為丙二醇含量轉換成羥丙基含量的轉換系數(shù)；2.79為羥丙基含量轉換成取代度的轉換數(shù)。

1.3.3 單因素試驗

豌豆淀粉乳40%(m/m)，無水硫酸鈉20%。分別考察環(huán)氧丙烷添加量(2%、6%、10%、14%、18%、22%)，pH值(9.5、10.1、10.7、11.3、11.9)，反應溫度(30、34、38、42、46℃)，反應時間(4、8、12、16、20、24h)?？疾靻我灰蛩貢r，其余條件固定為：環(huán)氧丙烷添加量10%、pH11.3、溫度40℃、時間12h。

1.3.4 響應面試驗

根據(jù)單因素試驗結果，以環(huán)氧丙烷的添加量、反應pH值、反應溫度和反應時間為影響因素，羥丙基的取代度為響應值，利用Design Expert 8.0軟件對4個因素設計四因素三水平的響應面試驗法。因素水平見表1。

表 1 Box-Behnken試驗設計Table 1 Factors and their coded levels for Box-Behnken design

1.3.5 體外消化性的測定

取原淀粉、高取代度(HS)、中等取代度(MS)、低取代度(LS)，考察化學改性對豌豆淀粉體外消化性的影響。

參考Englyst等[14]方法略有改動。分別取100mg淀粉(干基)裝在兩個100mL三角瓶中，加入10mL蒸餾水，混勻后沸水浴15min，冷卻后加入醋酸緩沖液10mL和直徑為10mm的玻璃珠7個混勻，將三角瓶放在37℃搖床中10min后，加入5mL酶液Ⅲ，以此刻為零時，在37℃搖床中以190r/min的轉速搖動，20min后，取其中一個三角瓶煮沸滅活后全部轉移，測定還原糖值，得到G20。再過100min后，再取另外一個三角瓶煮沸滅活全部轉移，測定G120。

快速消化淀粉(RDS)含量/%=(G20－游離葡萄糖)× 0.9/m×100

慢消化淀粉(SDS)含量/%=(G120－G20)×0.9/m×100

抗性淀粉(RS)含量/%=(總葡萄糖－G120)×0.9/m×100

式中：m為樣品質量/mg；G20為反應20min時測得的還原糖含量；G120為反應120min時測得的還原糖含量。

1.3.6 快速黏度儀(rapid visco-analyser，RVA)的測定

稱2.5g不同取代度的羥丙基淀粉(絕干)用移液管加入25mL蒸餾水，于RVA容器中混勻。采用RVA Super3 Standardl標準的程序升溫-降溫循環(huán)：在50℃保持1min，后經(jīng)3.5min加熱到95℃，再在95℃保持3min，然后，在3.5min內降低到50℃，然后在50℃保持2min。每個樣品測定3次。

1.3.7 溶脹度的測定

精確稱取淀粉0.25g，轉移到離心管中(離心管稱質量w1)，在離心管中加入50mL蒸餾水，用可變漩渦混勻器混勻30s，在水浴中選擇34～90℃，保溫1h，之后將懸浮液快速冷卻到室溫，5000×g離心15min。獲得沉淀物，將上清液倒掉后，稱取殘渣質量(w2)。

淀粉溶脹度/%=[(w2－w1)/m－1]×100

式中：m為稱取的淀粉樣品干質量。

2 結果與分析

2.1 反應條件對取代度的影響

從圖1可以看出，羥丙基豌豆淀粉的取代度隨環(huán)氧丙烷添加量升高而逐漸增大。當環(huán)氧丙烷用量少于14%時，產(chǎn)品的取代度提高較快；當其用量超過14%后，取代度的提高程度逐漸趨于緩慢；其他條件一定時，取代度隨pH值的增加，淀粉的分子取代度提高較快，當其pH值超過11.3，羥丙基淀粉分子取代度的提高速度很緩慢；升高溫度可提高淀粉與環(huán)氧丙烷的有效碰撞機率，故使羥丙基反應效率提高，取代度增大。當反應溫度低于42℃時，產(chǎn)品的分子取代度和反應效率隨溫度升高而明顯增大，當溫度超過42℃，產(chǎn)品取代度的提高趨于緩慢，當反應溫度達到50℃以后，淀粉大量糊化；淀粉的取代度隨反應時間延長呈上升趨勢，當反應時間達到20h后趨于穩(wěn)定。

圖 1 反應條件對取代度的影響Fig.1 Effect of reaction condition on substituent degree

2.2 響應面法優(yōu)化羥丙基豌豆淀粉的制備條件

2.2.1 響應面法的試驗設計與結果

在單因素試驗的基礎上，利用響應面法優(yōu)化羥丙基豌豆淀粉制備工藝，根據(jù)Box-Behnken試驗設計原理，以羥丙基取代度為響應值，試驗設計和結果見表2。

表 2 Box-Behnken試驗設計方案及響應值結果Table 2 Box-Behnken experimental design and corresponding results

2.2.2 模型回歸方程方差分析

利用Design Expert 8.0軟件對響應面試驗結果進行多元回歸擬合，對表2的數(shù)據(jù)進行回歸分析后得到模型為二次多項回歸方程，取代度(MS)對反應pH值、環(huán)氧丙烷添加量、反應溫度、反應時間的方程為：MS＝0.10＋0.063A＋0.046B＋0.058C＋0.026D＋0.028AB＋0.037AC＋0.018AD＋0.015BC＋1.068×10-3BD＋8.926×10-3CD－6.090×10-3A2－0.023B2＋5.728×10-3C2－5.145×10-3D2。

對模型進行方差分析結果(表3)可知，用上面所得的方程描述因子回歸得P＜0.0001，方程回歸極顯著，A、B、C、D、AB、AC、AD、B2也極其顯著，說明用上述回歸方程描述各因素與響應值之間的關系時，其因變量和全體自變量之間的線性關系顯著，即這種試驗方法是可靠的。從回歸方程各項方差的進一步檢驗也可知，A、B、C、D都是影響羥丙基取代度的關鍵因子?；貧w模型預測的最佳羥丙基豌豆淀粉制備工藝條件為環(huán)氧丙烷添加量12%、反應溫度40℃、反應pH值為11.3、反應時間18h，此條件下，值得同等高取代度改性淀粉，各因素量值最低。

表 3 二次回歸模型的方差分析結果Table 3 Analysis of variance for the fitted regression equation

利用Design Expert軟件對表2數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合得到二次回歸方程的響應面及其等高線主要見圖2，并對二因素交互作用影響羥丙基取代度進行分析。圖2a為反應時間(18h)和pH值(11.3)不變，環(huán)氧丙烷添加量和反應溫度對產(chǎn)物取代度的交互作用。固定環(huán)氧丙烷的添加量，隨著反應溫度的升高，在40℃以下區(qū)間，產(chǎn)物取代度的變化隨溫度的升高而增加；高于40℃，反應溫度升高對于產(chǎn)物取代度影響不明顯；在環(huán)氧丙烷添加量水平較低時，溫度的升高，產(chǎn)物取代度反而有所降低。圖2b表明，當環(huán)氧丙烷的添加量一定時，pH11.3以下，產(chǎn)物取代度的隨溫度的升高而變大；pH11.3以上，反應pH值變化對于產(chǎn)物取代度影響較弱。圖2c為環(huán)氧丙烷添加量和反應時間對產(chǎn)物取代度的交互作用。環(huán)氧丙烷的添加量一定時，隨著反應時間的延長，反應時間18h以內時，產(chǎn)物取代度隨溫度升高明顯變大；反應時間超過18h，再延長反應時間對于產(chǎn)物取代度影響不明顯。其中，最高取代度不到0.2。圖2d表明，反應時間18h、反應溫度40℃條件下，產(chǎn)物取代度的隨兩者變化而增加較大；18h、40℃以上時，反應溫度及反應時間對于產(chǎn)物取代度影響不大。其中，最高取代度為0.14。

圖 2 各因素交互作用的的響應面及等高線分析Fig.2 Analysis of response surface and contour of any two factors

2.3 體外消化性的測定

表 4 化學改性豌豆淀粉消化性Table 4 Digestibility of chemically modified pea starch

由表4可知，未改性的豌豆淀粉幾乎全部被消化(78.5%RDS，20.3%SDS，1.20%RS)。用環(huán)氧丙烷醚化之后，RS從1.20%增加到32.7%、25.8%和16.1%；總消化性從98.8%降低到67.3%、74.2%和83.9%；SDS均有不同程度降低?？梢酝茰y，羥丙基化可以增加完全糊化后豌豆淀粉抗酶解能力，這是由于引入的羥丙基團起到了空間阻礙作用，使淀粉酶不易與淀粉分子結合成活性復合物。HS的消化性與MS、LS相比，其中RDS降低2.0%和15.0%，RS增加7.1%和16.6%，TDS降低6.9%和16.6%。羥丙基取代度增加其消化性呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，這與Leegwater等[16]的結果相一致。HS的SDS較LS由17.6%降低到12.7%，而RS由25.8%增加到32.7%，可能是通過改性，SDS部分轉化成為RS[15]。

2.4 RVA的測定

圖 3 淀粉的RVA糊化性質Fig.3 Pasting profiles of starches measured by RVA

表 5 不同取代度羥丙基豌豆淀粉RVA特性值Table 5 The RVA value of different substitution degree hydroxypropyl pea starch

如圖3所示，豌豆原淀粉及羥丙基豌豆淀粉糊化曲線，在開始加熱到95℃保溫區(qū)間里，取代度分別為0.05、0.10、0.15的實驗組的糊化曲線相似，具有相近的黏度峰值。冷卻階段，原淀粉比變性淀粉具有較大的黏度回升值。如表5所示，羥丙基化顯著改變了豌豆淀粉的糊化性質，其糊化性質取決于取代度水平。羥丙基化后峰值黏度和崩解值增加，與此同時糊化溫度和回生值降低。類似的現(xiàn)象在玉米淀粉中有所報道[17]。與原淀粉相比，豌豆所有的羥丙基淀粉糊化溫度下降了11～18℃，而峰值黏度增加了74%～109%，降低的糊化溫度和增加的峰值黏度反映了豌豆淀粉顆粒內部相關黏結力強度下降，可能是羥丙基基團促進了滲透，加速了水分子進入淀粉顆粒，改性顆粒的無定形區(qū)域塑化作用的初始速率增加[18]，羥丙基化使低取代度變性淀粉糊峰值黏度提高；當取代度超過0.1，隨取代度增加，峰值黏度會有所降低，主要是淀粉顆粒內聚力變弱。有報道表明低摩爾取代度的羥丙基淀粉(MS≤0.2)具有較低的糊化溫度，如芭蕉芋淀粉降低了8℃[19]，馬鈴薯淀粉6～14℃[20]，羥丙基淀粉的回生值比原淀粉低約16%～59%。變性淀粉上的大量羥丙基基團具有較強空間效應，阻礙了淀粉鏈的靠攏、結晶。

2.5 溶脹度的測定

圖 4 溫度對豌豆原淀粉及其羥丙基淀粉溶脹度的影響Fig.4 Effect of temperature on free swelling capacities of native and hydroxypropyl pea starch

如圖4所示，各淀粉溶脹度隨著溫度升高呈上升趨勢。在36～90℃范圍內，羥丙基豌豆淀粉溶脹度均高于原淀粉。同一測定溫度下，溶脹度隨羥丙基豌豆淀粉取代度增加而升高。一定溫度條件下，引入的羥丙基基團利于淀粉非晶區(qū)對水分子的吸收，增強了吸水性[21]。與原淀粉相比，各取代度的羥丙基豌豆淀粉達到溶脹度最大值的溫度均有提前。且羥丙基取代度越高，溶脹度越大?？赡芤驗榱u丙基的引入削弱淀粉鏈間的結合力，使水合作用加快，增加淀粉顆粒親水性。說明豌豆淀粉經(jīng)羥丙基化可增加其溶脹度。

3 結 論

3.1 在單因素試驗的基礎上，利用響應面法對進行了優(yōu)化，并對4個關鍵因素的最佳水平及其交互作用進行了研究，得出制備羥丙基豌豆淀粉最佳工藝參數(shù)為：環(huán)氧丙烷添加量12%、反應pH11.3、反應溫度40℃、反應時間18h。

3.2 豌豆淀粉經(jīng)羥丙基化后，其性質有很大改觀，表現(xiàn)出良好的體外抗消化性，且抗消化性取決于取代度的高低；淀粉的起始糊化溫度、峰值溫度和峰值時間明顯提前；淀粉溶脹度最大值溫度提前，溶脹度增大。

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