王 玲,陳永富,陸財源,張 盛,鄭溫時,韓小瑜,王永江,*

(1.浙江省農產(chǎn)品化學與生物加工技術重點實驗室,浙江省農業(yè)生物資源生化制造協(xié)同創(chuàng)新中心,浙江科技學院生化/輕工學院,浙江杭州 310023;2.杭州瑞霖化工有限公司,浙江杭州 311500)

辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSAS)是一種改性淀粉,由淀粉和辛烯基琥珀酸酐(OSA)在弱堿性條件下合成的,商品名為純膠。該產(chǎn)品由Caldwell & Wurzburg在1953年首次研發(fā)成功,并獲得專利保護[1],作為乳化劑和穩(wěn)定劑等在食品、化妝品以及藥品等領域有著廣泛的用途。

本課題組前期研究表明,用市場購置的原淀粉直接與OSA反應制備產(chǎn)品時,不僅反應速度慢,而且產(chǎn)物的取代度也比較低,水溶性、乳化及包埋性能等與進口產(chǎn)品相比存在較大的差距[2]。通過X射線衍射(XRD)和熱特性(DSC)分析發(fā)現(xiàn),原淀粉存在結晶區(qū),結構較為致密,因而OSA只能與淀粉表面或少數(shù)無定型區(qū)域自由羥基發(fā)生反應,很難滲透到淀粉的結構內部,從而造成取代度偏低,并直接影響產(chǎn)品理化性能。

為獲得高性能的辛烯基琥珀酸淀粉酯,盧海鳳[3]等用醇溶劑法制備非晶顆粒態(tài)辛烯基琥珀酸淀粉酯,研究了產(chǎn)品取代度與吸油率的關系,發(fā)現(xiàn)隨著取代度的增加,淀粉酯的吸油率逐漸增大。高媛媛等[4]采用微波手段制備了非晶態(tài)糯玉米淀粉酯,結果發(fā)現(xiàn)酯化產(chǎn)物的乳化性有較大提高,并隨著取代度的增大而逐漸增強。石穎等[5]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過非晶化處理的玉米淀粉,其酯化反應的效率及產(chǎn)物的取代度都高于未經(jīng)處理的玉米淀粉。Chen等[6]通過球磨法制備了非晶態(tài)辛烯基琥珀酸淀粉酯,發(fā)現(xiàn)隨著球磨時間的延長,顆粒淀粉的結晶結構逐漸消失以及凝膠化峰逐漸降低,而反應效率及產(chǎn)物的取代度逐漸增大。張正茂等[7]通過機械活化的玉米淀粉與辛烯基琥珀酸酐反應制備出平均取代度為0.0203的酯化產(chǎn)物,研究發(fā)現(xiàn)機械活化對玉米淀粉OSA酯化反應有明顯的增強作用。

雖然人們對非晶態(tài)玉米淀粉及其酯化產(chǎn)物的乳化、包埋及糊化等性能做了研究,但總體還缺乏系統(tǒng)性,比如有的只研究非晶態(tài)淀粉的制備;有的雖然對非晶態(tài)淀粉酯的性能進行了研究,但只針對一種性能和為數(shù)不多的取代度,也未與進口產(chǎn)品進行對比分析,結構和理化性能的關系也未進行深入的探討。鑒于此,本文在制備非晶態(tài)蠟質玉米淀粉的基礎上,將其和OSA反應制備了系列不同取代度(DS)的OSA淀粉酯,測定了其乳化和包埋性能,并與國民純膠進行比較,進一步對DS、淀粉結構及分子量與其性能間的關系進行了深入的探討。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蠟質玉米淀粉 杭州瑞霖化工有限公司;辛烯基琥珀酸酐,分析純 Sigma公司;異丙醇、NaOH、95%乙醇，均為分析純 上海凌峰化學試劑有限公司;HCl,分析純 無錫市佳妮有限公司;酚酞,分析純 江蘇強盛功能化學股份有限公司;無水乙醇,分析純 杭州高晶精細化工有限公司;DMSO-d6 上海泰坦科技有限公司;TFA色譜純 上海拓旸生物科技有限公司;國民純膠(DS=0.0204) 杭州瑞霖化工有限公司。

QM-3SP2型行星式球磨機 南京南大儀器有限公司;Biofuge Primo R型臺式高速離心機 上海實驗器材有限公司;IKA T18 ULTRA-TURRAX型高速均質機 上海珂淮儀器有限公司;Bruker Vertex 70 FTIR型傅里葉紅外光譜儀 德國布魯克公司;VERTEX 70/70V型X-射線衍射儀 德國布魯克公司;DSC200F3型差示掃描量熱儀 德國耐馳儀器公司;BRUKER AV-400型核磁共振儀(400M) 德國布魯克公司;FreeZone型冷凍干燥機 美國LABCONCO公司;Waters2414型GPC 美國Waters公司;DAWN8+型8角度激光光散射儀 美國Wyatt公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 非晶態(tài)蠟質玉米淀粉的制備 在室溫下用行星球磨機對淀粉進行研磨,研磨條件為[8]:球料比為4∶7,球的質量比為5∶4,轉速為450 r/min,球磨時間分別為40、50、150、160 h。

1.2.2 不同取代度(晶態(tài)、非晶態(tài))辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備 分別稱取20 g原淀粉和不同研磨時間的淀粉,加水配制成12.5%(m/m)的乳液,加入到250 mL的三口燒瓶中,用堿(0.1 mol/L NaOH)調pH至8.5,35 ℃水浴中預膨脹0.5 h,然后滴加3%(淀粉干基的量)的辛烯基琥珀酸酐(OSA),分別反應一定時間,并用0.1 mol/L NaOH維持pH在8.5左右。反應結束后用0.1 mol/L HCl調節(jié)pH為中性,用濾紙過濾,水洗三次,乙醇洗兩次,50 ℃真空干燥24 h得目標產(chǎn)物[9]。

1.2.3 非晶態(tài)淀粉酯取代度及反應效率(RE)的測定 稱取5.0 g辛烯基琥珀酸淀粉酯于燒杯中,用5.0 mL 90%異丙醇潤濕,然后加入25 mL鹽酸-異丙醇溶液(21 mL鹽酸+79 mL 90%的異丙醇)攪拌0.5 h,再加入100 mL 90%異丙醇溶液繼續(xù)攪拌10 min,過濾,用90%異丙醇淋洗至沒有Cl-為止。然后將濾渣置于燒杯中加蒸餾水300 mL于沸水浴中加熱攪拌10 min,趁熱用0.1 mol/L NaOH滴定到終點[10]。

DS的計算公式如下:

式(1)

式中:0.1624:葡萄糖殘基的摩爾質量,kg/mol;0.210:辛烯基琥珀酸酐的摩爾質量,kg/mol;A:為每克辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSAS)所消耗的0.1 mol/L NaOH標準溶液的物質的量/mmol。

RE的計算公式如下:

式(2)

1.2.4 核磁(1HNMR)及紅外(FI-IR)表征1HNMR:將干燥好的樣品用DMSO-d6溶解,加入少量的TFA后置于核磁共振樣品室內,設置條件參數(shù)進行掃描,繪制核磁共振譜線進行分析[11]。測定條件為:頻率為400.13 MHz,溫度為(25±0.1) ℃,以TMS(四甲基硅烷)的位移為基準。FT-IR:將干燥好的樣品和KBr混合研磨后進行壓片處理,然后將壓好的薄片置于紅外光譜儀中進行掃描,掃描范圍為4000～400 cm-1。

1.2.5 X射線粉末衍射 將干燥好的樣品填裝到樣品板的凹槽中,用平整光滑的玻璃板適當壓緊,將其置于X-射線衍射儀中進行掃描分析。測定條件:電流為40 mA、電壓為40 kV、掃描速度為5.5 °/min、步長為0.02°、掃描速度為0.2秒/步、掃描范圍為2θ=5°～60°[12]。

1.2.6 熱分析 稱取2.2 mg樣品于DSC的樣品盤(6.7 mm×2.5 mm)中,加蒸餾水12.5 μL,充分攪拌。然后以60～70 mL/min的速度通入氮氣,空白對照;樣品盤和參照盤迅速從40 ℃加熱到100 ℃(5 ℃/min),分析淀粉的熱躍遷;每一個樣品被連續(xù)分析三次,然后記錄相應峰的T0(起始溫度)、Tp(峰值溫度)、Tc(終值溫度)以及ΔHg(焓變)[13]。

1.2.7 乳化能力和乳化穩(wěn)定性的測定 稱取0.5 g樣品于150 mL燒杯中,加入75 mL蒸餾水,置于沸水浴中加熱,待樣品完全糊化后繼續(xù)保溫10 min,冷卻到室溫后往燒杯里加入25 mL的食用油,并以9500 r/min的速度均質3 min。將乳狀液以3000 r/min的速度離心20 min,記錄離心管中乳狀液的高度及液體的總高度,按公式(3)計算乳化能力;室溫放置24 h后,仍然以3000 r/min的速度離心20 min,記錄離心管中乳化層高度以及液體總高度,按公式(4)計算乳化穩(wěn)定性(ES)[14]。

式(3)

乳化穩(wěn)定性(%)=[1-(離心管中仍保持的乳化層高度/離心管中液體的總高度)]×100

式(4)

1.2.8 微膠囊的制備與包埋率的測定 微膠囊的制備:將10 g樣品分散于60 mL的去離子水中,在55 ℃下磁力攪拌30 min,然后緩慢加入6.7 g調和油,冷卻至室溫后用13500 r/min速度均質3 min,然后將乳化液凍干得微膠囊產(chǎn)品[15]。

包埋率測定:準確稱取3 g的上述樣品記為m,用20 mL的石油醚浸提3 min,用砂芯漏斗(微孔濾膜的孔徑為0.45 μm)抽濾,將濾液轉入到質量為m1的小燒杯中,然后置于105 ℃的鼓風干燥箱中干燥2 h后稱重(m2)。

1.2.9 分子量的測定 將干燥好的樣品用流動相配制成3 mg/mL樣品液,然后經(jīng)過濾器過濾(所用濾膜的孔徑為0.22 μm)后注射進GPC-8角度激光光散射聯(lián)用儀中,收集有關數(shù)據(jù)并進行分析。測定條件為:柱溫45 ℃(柱子為Waters公司UltrahydrogelTM7.8×300 mm),流速1 mL/min,流動相為0.1 mol/L NaNO3+0.05%NaN3溶液。

2 結果與討論

2.1 OSA淀粉酯的紅外和核磁表征

對原淀粉及自制非晶態(tài)淀粉酯用紅外和核磁表征,并與國民純膠進行比較,結果如圖1和圖2所示。

圖1 原淀粉、國民純膠以及自制非晶態(tài)淀粉酯的FT-IR譜圖Fig.1 The FT-IR spectra of original starch,national OSA-starch and homemade amorphous OSA-starch

圖2 自制OSA淀粉酯和國民純膠的NMR圖Fig.2 The1HNMR spectra of homemade amorphous OSA-starch and national OSA-starch

由圖1可知,與原淀粉相比,自制非晶態(tài)淀粉酯(DS=0.0203,以研磨150 h淀粉為原料,反應時間2.5 h,按實驗方法制得)同國民純膠一樣在波數(shù)為1563 cm-1和1745 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰,分別屬于C=C以及酯羰基C=O雙鍵產(chǎn)生的伸縮振動峰[16],說明研磨淀粉與辛烯基琥珀酸酐發(fā)生了酯化反應。

由圖2可知,自制的非晶態(tài)淀粉酯(DS=0.0203)與國民純膠一樣在0.89 ppm和2.0 ppm位移處出現(xiàn)了新的吸收峰,它們分別對應的是OSA的-CH3質子吸收峰和連接羧基和酯基的亞甲基的質子峰[11],進一步證明成功制備了OSA淀粉酯。

2.2 淀粉的晶態(tài)結構變化對反應效率和淀粉酯取代度的影響

以原淀粉和研磨時間分別為40、50、150和160 h的淀粉作為原料,反應時間2.5 h,按實驗方法制得了DS分別為0.0074、0.0129、0.0144、0.0203和0.0238的OSA淀粉酯,考察研磨時間對DS及RE的影響,結果如圖3所示。

圖3 不同研磨時間制備的OSA-淀粉酯與DS和RE的關系Fig.3 The relationship between different milling time and DS,RE

由圖3可知,同樣都是反應2.5 h,原淀粉制備的酯化產(chǎn)物的DS及RE都比較低。隨著研磨時間的增加,酯化產(chǎn)物的DS及RE也隨著提高,特別是當?shù)矸垩心r間達到150 h、160 h時,由其制備的酯化產(chǎn)物的DS增加至0.0203、0.0238,RE增加至85%、99%。為了探討產(chǎn)生上述結果的原因,我們對原淀粉及不同研磨時間的淀粉進行了XRD表征,如圖4所示。

圖4是原淀粉和不同球磨時間淀粉的XRD譜圖?？梢园l(fā)現(xiàn),原淀粉在2θ=15°、17°、18°和23°處出現(xiàn)了較強的衍射峰,表明是典型的A型晶體結構[17]。當球磨時間為40 h和50 h時,雖然衍射峰高有所降低,但是淀粉內部晶體結構并沒有發(fā)生明顯改變。而當球磨時間延長到150 h,衍射峰徹底消失,說明淀粉的晶體結構完全被破壞。此時,淀粉變?yōu)闊o定型態(tài),OSA可以較容易地滲透到淀粉內部與自由羥基發(fā)生反應,這可能就是導致酯化產(chǎn)物的DS及RE得到顯著提高的主要原因。

圖4 原淀粉和不同球磨時間淀粉的XRD譜圖Fig.4 The XRD spectra of original starch and the starch with different ball milling time

2.3 非晶態(tài)淀粉酯取代度與乳化性能的關系

以研磨150 h淀粉為原料,反應時間分別取2.25、2.5、2.75、3 h,按實驗方法制備了4種DS分別為0.0186、0.0203、0.0217和0.0230的淀粉酯,研究DS與乳化穩(wěn)定性和乳化能力的關系,并與DS為0.0183的晶態(tài)淀粉酯[2](由原淀粉在淀粉乳濃度為10%、OSA用量為淀粉干基的6%、反應溫度為40 ℃、反應時間為5 h、pH為8.5～9的條件下制得)和DS為0.0204國民純膠相比較,結果如圖5所示。

圖5 自制不同取代度淀粉酯和國民純膠的乳化性能Fig.5 The emulsification of crystalline state of pure gel(DS=0.02),national OSA-starch and homemade amorphous OSA-starch of different DS

由圖5可知,以研磨150 h淀粉為原料制得的具有不同DS的OSA淀粉酯均呈現(xiàn)出較好的乳化能力和乳化穩(wěn)定性。當DS為0.0186時,淀粉酯的乳化能力和乳化穩(wěn)定性比DS相近的(DS=0.0183)晶態(tài)淀粉酯分別要高出12.8%和14.3%。特別是當DS=0.0203時,淀粉酯的乳化能力和乳化穩(wěn)定性分別達到了68.0%和67.3%,比DS相近的國民純膠還要略好。

對上述用研磨150 h淀粉自制的不同DS的淀粉酯及DS=0.0204國民純膠進行XRD表征,結果如圖6所示。

圖6 國民純膠以及自制不同取代度淀粉酯的XRD譜圖Fig.6 The XRD spectra of national OSA-starch and homemade amorphous OSA-starch with different DS

通過對國民純膠和上述不同DS淀粉酯的XRD分析(如圖6)發(fā)現(xiàn),以研磨150 h淀粉為原料制得的不同DS的淀粉酯的內部結構與國民純膠一樣,均變?yōu)榉蔷B(tài)的結構。

進一步用DSC分析也發(fā)現(xiàn)(如圖7),國民純膠以及上述自制不同取代度的淀粉酯沒有糊化溫度及焓變值,這進一步說明了淀粉酯的晶體結構完全被破壞[6],這可能就是導致上述自制淀粉酯的乳化能力和乳化穩(wěn)定性明顯好于晶態(tài)淀粉酯的主要原因之一。

圖7 國民純膠以及自制不同取代度非晶態(tài)淀粉酯的DSC譜圖Fig.7 The DSC spectra of national OSA-starch and homemade amorphous OSA-starch with different DS

2.4 非晶態(tài)淀粉酯的取代度與包埋性能的關系

以國民純膠為對照,以不同DS的自制非晶態(tài)淀粉酯作為制備微膠囊的壁材,考察其對油的包埋性,以包埋率作為評價參數(shù),具體測定結果如圖8所示。

圖8 國民純膠以及自制不同取代度非晶態(tài)淀粉酯的包埋率Fig.8 The embedding rate of national OSA-starch and homemade amorphous OSA-starch of different DS

由圖8可知,非晶態(tài)OSA淀粉酯的包埋率隨著DS的增大,呈逐漸升高的趨勢。這是因為隨著DS的增大,引入到淀粉里的OSA基團就越多,其乳化分散性就越好,能有效地降低芯材和壁材形成的乳狀液處的界面張力,從而使芯材更好的被包埋于壁材內,包埋率得到提高[18],但總體比國民純膠遜色。

2.5 不同取代度非晶態(tài)淀粉酯的分子量與乳化包埋性質的關系

為了找出自制產(chǎn)品的包埋率與國民純膠存在差距的原因,我們又進一步測定了不同DS非晶態(tài)淀粉酯和DS為0.0204國民純膠的分子量,如表1所示。

表1 不同取代度自制非晶態(tài)淀粉酯以及國民純膠的分子量與乳化和包埋性能的對應關系Table 1 The relationship between different molecular weight of samples and emulsifying properties and embedding performance

由表1可知,自制不同DS的辛烯基琥珀酸淀粉酯的分子量均比國民純膠大,其乳化能力和乳化穩(wěn)定性與分子量增加沒有明顯對應關系,而包埋率卻隨著分子量的增大而逐漸升高。有研究表明大分子乳化劑的乳化機理與小分子乳化劑不同,其乳化/包埋性能主要受空間位阻影響,通過空間位阻防止分散液滴的聚結以保持乳狀液的穩(wěn)定[19],進一步的研究正在進行當中。

3 結論

用自制的非晶態(tài)淀粉制備了不同DS的辛烯基琥珀酸淀粉酯,通過對DS及反應效率的測定,發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)淀粉可以在較短時間內與OSA反應達到較高的DS及RE;研究了非晶態(tài)淀粉酯的內部結構及DS與乳化、包埋性能的關系,結果表明:酯化產(chǎn)物完全是非晶態(tài)的,沒有糊化溫度和焓變值;乳化性能比晶態(tài)淀粉酯高,但與DS和分子量的增加沒有明顯對應關系,而包埋率則隨著DS和分子量的增加逐漸升高,呈明顯正相關。

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