嚴(yán)雨婷 沈舒民 孔祥禮

(浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，原子核農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，浙江 杭州 310058)

高能電子束穿透力強(qiáng)，能引發(fā)電離產(chǎn)生自由基(·OH和·H)，直接作用于淀粉分子可導(dǎo)致其改性[1]。電子束輻照產(chǎn)生的自由基與氧作用產(chǎn)生過(guò)氧化物，使淀粉分子氧化形成羰基、羧基基團(tuán)，也可導(dǎo)致淀粉內(nèi)部糖苷鍵直接斷裂，這些分子變化機(jī)制可應(yīng)用于淀粉理化及功能特征的改性(如黏度降低、溶解度增加、蒸煮特性提高等)。研究表明，隨著輻照劑量的增加，淀粉分子量下降、峰值黏度降低、冷穩(wěn)定性升高、凝沉性減弱[1-2]。經(jīng)輻照后，淀粉制成的薄膜機(jī)械性能增強(qiáng)、溶解度增加，具有作為速溶食品包裝的應(yīng)用前景[3]。

相比原淀粉，辛烯基琥珀酸(octenylsuccinic anhydride，OSA)改性淀粉具有較高的黏度、較低的回生特性、更好的凍融穩(wěn)定性和消化營(yíng)養(yǎng)特性[4]。OSA改性淀粉還具有出色的降低空氣/水界面張力的能力，并且比其他常見(jiàn)的改性淀粉(如醋酸淀粉、磷酸鹽衍生物和氧化淀粉)更適合用作表面活性劑[5]。OSA改性淀粉在制備過(guò)程中，OSA的酸酐鏈斷裂，一端與淀粉分子上的羥基生成酯鍵，另一端生成羧酸。但OSA改性通常為弱改性，因?yàn)榈矸鄣慕Y(jié)晶結(jié)構(gòu)緊密，辛烯基琥珀酸與淀粉的酯化反應(yīng)主要在顆粒表面進(jìn)行，很難滲透到內(nèi)部，從而限制了酯化反應(yīng)的進(jìn)行。即便通過(guò)提高反應(yīng)溫度和延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，其產(chǎn)物取代度增加到一定程度也趨于穩(wěn)定[6]。研究表明，采用一些物理改性技術(shù)可以增強(qiáng)OSA的改性效果，如超聲輔助處理可提高OSA改性淀粉糊化溫度，降低黏度和回生值[7]；水熱處理可顯著提高OSA改性淀粉的取代度和反應(yīng)效率[8]；球磨預(yù)處理則顯著提高了OSA改性淀粉的溶解度、溶脹力和透明度[9]。電子束輻照作為一種物理改性技術(shù)，具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、能耗低、公害少、自動(dòng)化、改性程度穩(wěn)定、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。基于電子束輻照改變淀粉結(jié)構(gòu)的原理，輻照處理后的淀粉OSA基團(tuán)更易于滲透到顆粒內(nèi)部，從而改善OSA改性效果。

芋艿淀粉顆粒極小，通過(guò)一定的改性處理可制成優(yōu)良的淀粉乳液，從而應(yīng)用于食品工業(yè)，但對(duì)芋艿淀粉的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用程度遠(yuǎn)不及玉米、小麥淀粉。目前，國(guó)內(nèi)外鮮有電子束輻照預(yù)處理對(duì)辛烯基琥珀淀粉酯性質(zhì)影響的研究。基于此，本研究采用不同劑量的電子束輻照處理芋艿淀粉，并比較原淀粉輻照預(yù)處理后其酯化改性特征，探究適用于生產(chǎn)與應(yīng)用的輻照處理?xiàng)l件，旨在研究低成本、高效率的電子束輻照改性技術(shù)，提高酯化反應(yīng)效率，解決單一改性效果不明顯的問(wèn)題。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

奉化芋艿樣品由寧波工程學(xué)院奉化研究院提供，于2018年11月收獲后，洗凈置于-20℃冰箱中保存，用于淀粉提??；Mill-Q 超純水，德國(guó) Merk Millipore 公司；豬胰腺α-淀粉酶、淀粉轉(zhuǎn)葡萄糖苷酶，美國(guó) Sigma-Aldrich公司；葡萄糖氧化酶(GOPOD)測(cè)試試劑盒，愛(ài)爾蘭Megazyme公司；氫氧化鈉、氫氧化鉀、鹽酸、碘化鉀、醋酸鈉、冰醋酸、無(wú)水乙醇、辛烯基琥珀酸、酚酞(均為分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；金龍魚(yú)調(diào)和油，益海嘉里集團(tuán)。

1.2 儀器與設(shè)備

漩渦混合器，美國(guó)SI公司；HR2618型攪拌粉碎機(jī)，荷蘭Philips公司；TDZ5-WS離心機(jī)，湖南湘儀公司；Philips XL30/PC掃描電子顯微鏡，荷蘭Philips公司；Siemens D5005 X射線衍射儀，德國(guó)Bruker公司；Q100差示掃描量熱儀，美國(guó)TA公司；傅立葉變換紅外光譜儀，德國(guó)Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 淀粉的分離和提取 根據(jù)Kong等[10]的方法并稍作修改。將芋艿球莖削皮、切片，然后浸入0.25% NaOH水溶液中12 h。使用攪拌粉碎機(jī)粉碎約3 min制成漿液，并逐步過(guò)70(212 μm)、100(149 μm)、270(53 μm)和400(37 μm)目篩。然后將濾液以3 000 r·min-1離心25 min，去除上清液及頂部的黃色蛋白質(zhì)層，重復(fù)上述步驟去凈蛋白層，用鹽酸調(diào)節(jié)pH值為中性。分離出的淀粉放于40℃烘箱中干燥48 h，然后研磨過(guò)70(212 μm)目篩，用密封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 電子束輻照預(yù)處理 電子束輻照處理在浙江大學(xué)紫金港校區(qū)原子核農(nóng)業(yè)研究所進(jìn)行，輻照采用10 MeV/20 kW電子直線加速器。將奉化芋艿淀粉置于輻照?qǐng)鲞M(jìn)行輻照，分別得到 2、4、6、8、10、25、50 kGy輻照劑量的淀粉。

1.3.3 辛烯基琥珀酸酯化改性 分別取10 g已輻照0～50 kGy的淀粉(干基)，用蒸餾水將其配制成30%的淀粉乳，倒入250 mL燒瓶中，加緩沖液調(diào)控pH值至8.0～8.5。將OSA(添加量為淀粉干基的3%)溶于2.5 mL無(wú)水乙醇，在35℃下的恒溫?cái)嚢杷″仯厰嚢柽叺渭覱SA至淀粉乳中，于2 h內(nèi)加完。反應(yīng)至pH值不再變化，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的稀鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值為6.5，終止反應(yīng)。將改性產(chǎn)物以4 000 r·min-1離心10 min，將離心所得沉淀用蒸餾水、75%乙醇、蒸餾水依次洗滌。最后將獲得的辛烯基琥珀酸改性芋艿淀粉(octenylsuccinylated taro strarches,OSTS)在40℃的烘箱中干燥24 h，研磨并過(guò)100目篩(149 μm)。

1.3.4 辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯取代度測(cè)定 使用滴定法[11]測(cè)定辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯的酯化水平。將25 mL 0.5 mol·L-1的NaOH加入辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯的淀粉乳液中(2 g淀粉分散于20 mL Mill-Q水中)，搖動(dòng)24 h，使用酚酞作為指示劑，用0.5 mol·L-1HCl滴定過(guò)量的堿，同時(shí)用原淀粉作為滴定空白。取代度(degree of substitution, DS)由如下公式計(jì)算：

(1)

(2)

式中，OSA substitution指辛烯基琥珀酸取代摩爾數(shù)占樣品質(zhì)量百分比；V為滴定所需的HCl體積；W為樣品重量，g；M為HCl 溶液的摩爾濃度；162是葡萄糖單元的分子量；21 000是100×辛烯基琥珀酰基的分子量；209是辛烯基琥珀酸的分子量減去氫原子的分子量。

1.3.5 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察 采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)[10]。將芋艿淀粉樣品用細(xì)簽挑取少許放置在銅樣臺(tái)上，并用雙面膠帶紙進(jìn)行黏附。電鍍噴金后把樣品置于掃描電子顯微鏡下觀測(cè)。在2 kV加速電壓下放大10 000倍并觀測(cè)拍照，分析芋艿淀粉顆粒的表觀形態(tài)。

1.3.6 X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)測(cè)定和結(jié)晶度計(jì)算 X射線衍射圖測(cè)量使用配備有Cu-Kα(1.54?)輻照的X射線衍射儀進(jìn)行分析。加速電壓和電流分別為40 kV和40 mA，掃描速率為1°·min-1。衍射角(2θ)的掃描范圍為5°至40°，采樣寬度為0.02°。根據(jù)已有方法[12]確定晶體峰，并按照Hayakawa等[13]的方法計(jì)算晶體和非晶區(qū)。結(jié)晶度的計(jì)算如下：

(3)

式中，Ac為X-射線衍射圖上結(jié)晶區(qū)的總面積，Aa為非晶區(qū)的總面積。

1.3.7 傅立葉變換紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)測(cè)定 將淀粉樣品放入OMNI采樣器中，利用ATN支架進(jìn)行全反射光譜掃描。掃描波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，分辨率2 cm-1，以水為空白背景，最終得到樣品的紅外光譜圖。

1.3.8 表觀直鏈淀粉含量(apparent amylose content，AAC)測(cè)定 采用碘試劑法測(cè)定。將400 μL 95%乙醇和3.6 mL 1 mol·L-1的NaOH依次添加到含有40 mg(干重)淀粉樣品的具塞玻璃試管中。通過(guò)渦旋混合器將懸浮液充分混合，迅速沸水浴10 min，冷卻至室溫，蒸餾水定容至10 mL，顛倒混勻。然后取200 μL待測(cè)溶液置于5 mL離心管中，加入3.8 mL的碘(I2)-碘化鉀(KI)-乙酸(1∶1∶1)混合溶液，混勻后室溫靜置10 min。測(cè)定620 nm波長(zhǎng)處吸光值，與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)照測(cè)算得表觀直鏈淀粉含量。

1.3.9 熱力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定 熱力學(xué)性質(zhì)由配備標(biāo)準(zhǔn)品和雙樣品池的差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter，DSC)測(cè)定[14]。將淀粉(2.0 mg，干重)稱(chēng)取到鋁盤(pán)中，并加入6 μL Mill-Q水。密封樣品盤(pán)，并在室溫下平衡2 h，然后以10℃·min-1的加熱速率從30℃升溫到110℃。使用通用分析程序(4.4A版)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算糊化起始溫度(To)，糊化峰值溫度(Tp)，糊化終止溫度(Tc)和糊化焓(ΔH)。

1.3.10 淀粉水溶性指數(shù)和溶脹力測(cè)定 溶脹力和水溶性指數(shù)根據(jù)Li等[15]的方法并略作修改。稱(chēng)取淀粉150 mg(干重)于離心管中，并加入10 mL Milli-Q水。蓋上螺旋蓋后放在渦旋混合儀上10 s，分別于55、65、75、85、95℃水浴中溫育60 min，并以2 min的間隔頻繁混合。然后將試管在冰水浴中冷卻至室溫，并以 3 000 r·min-1離心30 min，然后吸除上清液并稱(chēng)重。渾濁的固體層為上清液，只有粘附在管壁上的物質(zhì)才被認(rèn)為是沉淀物(Ws)。將上清液在100℃的鼓風(fēng)烘箱中干燥至恒重(W1)。水溶性指數(shù)(water solubility index，WSI)和溶脹力(swelling power，SP)的計(jì)算如下：

(4)

(5)。

1.3.11 淀粉體外消化性的測(cè)定 體外消化性的測(cè)定根據(jù)Englyst等[16]的方法并稍作修改。準(zhǔn)確稱(chēng)取淀粉樣品550 mg(干重)至康寧管中，加入10 mL Mill-Q 水，并保持顆粒在水中處于懸濁液狀態(tài)，加熱20 min。冷卻至室溫后，將15個(gè)直徑為0.5 mm的玻璃珠、瓜爾膠(50 mg)和10 mL乙酸鈉緩沖液(0.25 mol·L-1，pH值5.2)添加到每個(gè)試管中。然后加入胰腺α-淀粉酶(50 U)和淀粉葡糖苷酶(35 U)，在37℃振蕩水浴鍋中一起溫育。溫育20 min和120 min后，將水解產(chǎn)物(0.5 mL)轉(zhuǎn)移至20 mL的80%乙醇中終止反應(yīng)。使用葡萄糖氧化酶(GOPOD)試劑盒測(cè)定釋放的葡萄糖的量。使用葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線確定孵育20 min(SD20)和120 min(SD120)后的葡萄糖百分比，以確定消化的淀粉百分比。從而測(cè)算出芋艿淀粉樣品中快速消化淀粉(rapidly digestible starch，RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch，SDS)和抗性淀粉(resistant starch，RS)的含量。

1.3.12 淀粉乳化性的測(cè)定 乳化性的測(cè)定根據(jù)Wakelin等[17]的方法并稍作修改。準(zhǔn)確稱(chēng)取0.225 g淀粉，分散于22.5 mL Mill-Q水中，沸水浴10 min，冷卻至室溫，加入22.5 mL食用調(diào)和油，以10 000 r·min-1均質(zhì)3 min得乳狀液，移入離心管中，靜置。將制備的乳液在25℃下保存2 h、1 d、7 d和30 d，使用數(shù)碼相機(jī)記錄乳液樣品的分層現(xiàn)象。記錄離心管中乳化層高度和液體總高度，按以下公式計(jì)算淀粉乳化指數(shù)(emulsion index, EI)：

(6)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)的結(jié)果均測(cè)量3次。使用SPSS軟件(19.0版，美國(guó)IBM公司)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯取代度

取代度(DS)是每個(gè)葡萄糖單元取代的羥基的平均數(shù)。通過(guò)堿化淀粉，然后反滴定過(guò)量堿的反應(yīng)測(cè)定。DS可用于量化反應(yīng)效率。反應(yīng)效率受反應(yīng)時(shí)間、試劑類(lèi)型、溫度、pH值、淀粉的植物來(lái)源和顆粒位置的影響[18-19]。

辛烯基琥珀酸處理過(guò)的淀粉具有取代度，表明酯化反應(yīng)已完成(表1)。隨著輻照劑量的升高，取代度呈現(xiàn)先升高后降低，然后再升高的趨勢(shì)，表明電子束輻照可提高取代度，但取代度與輻照劑量間無(wú)直接線性關(guān)系。

表1 辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯取代度

2.2 改性芋艿淀粉掃描電子顯微鏡觀察

如圖1所示，未經(jīng)輻照的芋艿淀粉OSA改性后顆粒表面和形狀幾乎不變，可能與OSA 的弱改性有關(guān)。隨著輻照劑量在2～10 kGy范圍內(nèi)不斷增加，從4 kGy開(kāi)始，淀粉顆粒表面變化程度增加，并開(kāi)始出現(xiàn)碎屑狀，顆粒表面形成皺痕和脊?fàn)钔黄?，其?0 kGy劑量淀粉的表面碎屑狀小點(diǎn)最多，輻照劑量達(dá)到25 kGy和50 kGy時(shí)，淀粉顆粒出現(xiàn)明顯的破裂。

圖1 不同電子束輻照劑量預(yù)處理的辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯的掃描電鏡圖

2.3 改性芋艿淀粉X射線衍射和結(jié)晶度

X射線衍射常用于表征淀粉的結(jié)晶類(lèi)型和結(jié)晶度，反映淀粉的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。天然和OSA淀粉的X射線圖譜均在2θ的15.05°、17.09°、17.92°和23.00°處表現(xiàn)出強(qiáng)衍射峰，與A型衍射圖譜相似(圖2)。經(jīng)過(guò)OSA改性的天然芋艿淀粉保留了固有的衍射圖譜，表明酯化作用主要發(fā)生在非晶區(qū)，并保持A型結(jié)構(gòu)。

圖2 不同電子束輻照劑量預(yù)處理的辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯的X射線衍射圖

由表2可知，芋艿原淀粉OSA改性對(duì)于其結(jié)晶度無(wú)顯著影響，但隨著電子束輻照劑量的增加，OSA改性淀粉相對(duì)結(jié)晶度逐漸降低，從28.86%降至23.10%。表明電子束輻照破壞了OSA改性淀粉的雙螺旋堆疊空間結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度的降低對(duì)OSTS的理化特性產(chǎn)生影響，降低了糊化溫度并提高了水溶性指數(shù)(表5、7)。

表2 不同電子束輻照劑量預(yù)處理的辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯顆粒結(jié)晶度

2.4 改性芋艿淀粉傅立葉變換紅外光譜

如圖3所示，與天然芋艿淀粉(natural taro starch, NTS)相比，辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯的吸收曲線中，在1 720 cm-1處有1個(gè)新的吸收峰，這是羰基的伸縮振動(dòng)峰，證明在淀粉上成功地引入了酯基。由于酯化反應(yīng)條件是偏堿性的，而在1 571 cm-1處附近新出現(xiàn)的吸收峰可能是形成羧酸鹽的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰[19]。

注：A：天然淀粉；B：OSA改性芋艿淀粉。

由圖4可知，2 350 cm-1處為不飽和烯烴鍵吸收峰，3 386 cm-1為羥基吸收峰，929 cm-1為D-吡喃葡萄糖的I型吸收帶。隨著輻照劑量的增加，2 350 cm-1處吸收峰增加，表明OSTS經(jīng)電子束輻照后產(chǎn)生了不飽和自由基。在10～50 kGy的高劑量下3 386 cm-1處吸收峰降低，表明高劑量輻照下吡喃葡萄糖環(huán)上的部分羥基被氧化成羰基。與天然芋艿淀粉相比，929 cm-1處吸收峰增加，表明OSTS經(jīng)過(guò)輻照后產(chǎn)生了新的糖苷鍵。電子束輻照通過(guò)改變淀粉分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響了OSTS的相關(guān)分子基團(tuán)的數(shù)量，對(duì)淀粉的成膜性、黏附力及抗凝沉性等都有重要影響。

圖4 不同電子束輻照劑量預(yù)處理的辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯的FTIR光譜圖

傅立葉變換紅外光譜可表征淀粉顆粒的表層結(jié)構(gòu)狀況，反映雙螺旋的短程有序結(jié)構(gòu)。由表3可知，1 047 cm-1/1 022 cm-1峰強(qiáng)度比值中OSA改性(1.53)低于天然芋艿淀粉(1.74)，表明OSA改性在一定程度上破壞了淀粉顆粒表面結(jié)構(gòu)。隨著輻照劑量的增加，1 047 cm-1/1 022 cm-1峰強(qiáng)度比值呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，在6 kGy時(shí)達(dá)到最低值(1.28)，而50 kGy時(shí)又升高到1.50。

表3 不同電子束輻照劑量預(yù)處理的辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯顆粒表面結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.5 改性芋艿淀粉中表觀直鏈淀粉含量

直鏈淀粉含量是決定淀粉的理化與功能特性的重要因素，直接影響淀粉產(chǎn)品在烹煮等加工過(guò)程中的吸水膨脹、受熱糊化以及成品品質(zhì)。由表4可知，經(jīng)過(guò)OSA單改性后的芋艿淀粉AAC值(8.22%)顯著低于天然淀粉(11.93%)，可能是由于OSA改性時(shí)反應(yīng)條件偏堿性，使淀粉顆粒表面略微膨脹以連接OSA基團(tuán)，表面的直鏈淀粉分子可能會(huì)浸出并降低AAC值[4]。

表4 不同電子束輻照劑量預(yù)處理的辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯表觀直鏈淀粉含量

輻照預(yù)處理后的OSA芋艿淀粉，在2～8 kGy輻照劑量下，直鏈淀粉含量從3.55%分別增加到5.48%、5.12%和4.77%；當(dāng)輻照劑量為10 kGy時(shí)，直鏈淀粉含量達(dá)到最大值6.09%；在25 kGy輻照劑量下，直鏈淀粉含量下降為5.30%；在50 kGy輻照劑量下，直鏈淀粉含量最低，為2.95%。

2.6 改性芋艿淀粉熱力學(xué)性質(zhì)

糊化溫度可反映淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如表5所示，與天然芋艿淀粉相比，OSA淀粉的糊化起始溫度(To)，糊化峰值溫度(Tp)和糊化終止溫度(Tc)顯著降低，其中OSA改性芋艿淀粉峰值溫度(Tp)為78.69℃，低于天然淀粉(83.35℃)，OSA改性芋艿淀粉糊化焓(ΔH)為12.31 J·g-1，與天然淀粉(10.85 J·g-1)相比顯著升高。糊化焓可反映糊化過(guò)程中雙螺旋的解旋和氫鍵斷裂所需的能量，用于表征顆粒內(nèi)部的分子有序結(jié)構(gòu)。隨著輻照劑量的增加，糊化溫度不斷降低，而糊化焓則表現(xiàn)為先降低后升高趨勢(shì)。OSTS糊化焓在2 kGy輻照劑量下最高，為12.24 J·g-1，在4 kGy輻照劑量下為6.77 J·g-1，在10 kGy時(shí)升高為11.35 J·g-1，而在50 kGy的高輻照劑量下降低為7.29 J·g-1。

表5 不同電子束輻照劑量預(yù)處理的辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯的熱力學(xué)性質(zhì)

2.7 改性芋艿淀粉溶脹力和水溶性指數(shù)

溶脹力是淀粉在特定溫度下的水合能力，其大小反映了淀粉顆粒內(nèi)部鍵合力的強(qiáng)弱。如表6所示，隨著溫度的升高，所有芋艿淀粉的溶脹力均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，并在75℃時(shí)出現(xiàn)最大值。OSTS 0 kGy在75℃的溶脹力為27.22 g·g-1，與天然芋艿淀粉(7.87 g·g-1)相比，增加了近4倍，表明OSA改性對(duì)淀粉溶脹有顯著影響。

表6 不同電子束輻照劑量預(yù)處理的辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯的溶脹力

隨著輻照劑量的增加，OSTS在95℃時(shí)溶脹力總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在4 kGy輻照劑量時(shí)，增加到15.05 g·g-1；在6、8、10和25 kGy劑量下略有降低，分別為12.09、10.90、12.40和13.01 g·g-1；在50 kGy高劑量輻照下，顯著下降至8.08 g·g-1。

水溶性指數(shù)反映了淀粉在溶脹過(guò)程中的溶出程度。由表7可知，OSA改性提高了芋艿淀粉在95℃高溫下的水溶性指數(shù)，使芋艿淀粉水溶性指數(shù)從72.24%提高到74.77%。隨著輻照劑量在2～50 kGy范圍內(nèi)逐漸增加，OSTS的水溶性指數(shù)也不斷增加，從73.55%提高到88.29%。

表7 不同電子束輻照劑量預(yù)處理的辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯的水溶性指數(shù)

2.8 改性芋艿淀粉體外消化性

淀粉消化性可用于量化淀粉的營(yíng)養(yǎng)功能特征。如表8所示，與天然淀粉相比，OSA改性降低了淀粉的RDS和RS含量，顯著提高了SDS水平。與天然淀粉相比，OSTS 0 kGy的SDS含量增加了1.3倍，RDS和RS含量分別降低了2.59和8.06個(gè)百分點(diǎn)。

表8 不同電子束輻照劑量預(yù)處理的辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯的消化性

隨著輻照劑量(2～50 kGy)的增加，OSA改性淀粉的RDS不斷增加，RDS含量增加從70.16%增加到81.00%，而SDS含量從17.04%降低至4.57%。與OSTS 2 kGy 相比，RS含量先減少后增加，在4和6 kGy的輻照劑量下，RS含量降低至10.21%和11.63%；在8、10、25和50 kGy的輻照劑量下，RS含量升高至15.22%、14.26%、15.65%和14.43%。

2.9 改性芋艿淀粉乳化性

乳化性反映了OSA改性淀粉的表面活性和降低油水兩相界面張力的能力。均質(zhì)2 h后的乳化指數(shù)可用于表征淀粉的乳化能力。如表9所示，電子束輻照預(yù)處理降低了OSTS的乳化指數(shù)，未經(jīng)輻照的OSTS乳化指數(shù)為98.08%，50 kGy輻照劑量的OSTS的乳化指數(shù)最低，為89.91%。

表9 不同電子束輻照劑量預(yù)處理的辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯的乳化指數(shù)

均質(zhì)30 d后的乳化指數(shù)能夠表征淀粉的乳化穩(wěn)定性(emulsion stability，ES)。隨著輻照劑量(0～50 kGy)的增加，OSTS的乳化指數(shù)呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。50 kGy輻照劑量的OSTS的乳化指數(shù)最高，為79.90%，顯著高于未經(jīng)輻照預(yù)處理的OSTS(76.59%)。6 kGy輻照劑量的OSTS的乳化指數(shù)最低，為56.71%，表明高劑量電子束輻照可提高OSTS的乳化穩(wěn)定性，在25和50 kGy輻照條件下制備的乳液穩(wěn)定性高，可作為乳化劑。

3 討論

3.1 電子束輻照預(yù)處理對(duì)OSA改性芋艿淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響

隨著輻照劑量的增加，OSA改性芋艿淀粉的結(jié)晶度不斷降低。這與自由基介導(dǎo)的分子鏈解聚，導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)的有序結(jié)構(gòu)被破壞有關(guān)[2]。輻照后的OSA改性芋艿淀粉分子斷裂，羥基、糖苷鍵和不飽和基團(tuán)增多，與陳祖琴等[20]的結(jié)果一致。輻照分解導(dǎo)致不穩(wěn)定產(chǎn)物的形成，水分子被分解，并轉(zhuǎn)化為羥基自由基、含水電子和自由氫原子[21]。隨著輻照劑量增加，表征長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)的結(jié)晶度逐漸降低，而表征短程結(jié)構(gòu)有序性參數(shù)呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。這表明不同輻照劑量的預(yù)處理對(duì)于淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響存在一定的復(fù)雜性。

3.2 電子束輻照預(yù)處理對(duì)OSA改性芋艿淀粉表觀直鏈淀粉含量的影響

在2 kGy的低劑量輻照下，OSA改性芋艿淀粉的直鏈淀粉含量顯著下降，這與淀粉鏈斷裂有關(guān)，并且與大米淀粉[22]、西米淀粉[23]、木薯淀粉[2]和蓮藕淀粉[24]中的結(jié)果類(lèi)似。在4～10 kGy輻照劑量下，表觀直鏈淀粉含量增加，這可能是由于雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，支鏈淀粉游離出來(lái)，長(zhǎng)支鏈與直鏈淀粉性質(zhì)相似所致。在50 kGy高輻照劑量下的直鏈淀粉含量減少，與支鏈淀粉分子進(jìn)一步分解有關(guān)[25]。

較低的直鏈淀粉含量使淀粉質(zhì)地更黏，易形成透明、穩(wěn)定的糊狀物，適用于造紙工業(yè)。較高的直鏈淀粉含量通常會(huì)導(dǎo)致較高的熱力學(xué)特征值、高持水能力和低消化性，高直鏈淀粉能形成具有成膜特性的牢固凝膠，適用于生產(chǎn)糖果、制作粘合劑產(chǎn)品和可生物降解的塑料替代品。OSA改性芋艿淀粉的直鏈淀粉含量在輻照劑量為10 kGy時(shí)最高，50 kGy時(shí)最低。因此用10 kGy輻照劑量處理的OSA改性芋艿淀粉可作為硬質(zhì)食品添加劑、粘合劑和包封劑。而50 kGy劑量處理的OSA改性芋艿淀粉可用于造紙工業(yè)以及生產(chǎn)高透明度的食品。

3.3 電子束輻照預(yù)處理對(duì)OSA改性芋艿淀粉熱力學(xué)性質(zhì)的影響

與天然芋艿淀粉相比，OSA改性淀粉的糊化溫度顯著降低。這可能是由于改性影響了淀粉晶體結(jié)構(gòu)[26]，辛烯基琥珀酸酐基團(tuán)削弱了內(nèi)部氫鍵，減弱了淀粉大分子之間的相互作用，大基團(tuán)的引入增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)柔性，帶負(fù)電的OSA基團(tuán)相互排斥，使顆粒在較低溫度下溶脹并糊化[27-28]。

隨著輻照劑量的增加，糊化溫度(To、Tp和Tc)逐漸降低，與莧菜淀粉[29]和玉米淀粉[30]中的結(jié)果一致。輻照導(dǎo)致淀粉糊化溫度降低可能是由于輻照引起支鏈淀粉的解聚并破壞了淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)。在低劑量處理下糊化焓下降，主要是受支鏈淀粉的斷裂影響；而在高輻照劑量處理下糊化焓升高可能是由于輻照導(dǎo)致淀粉交聯(lián)進(jìn)而使晶體結(jié)構(gòu)變得非常堅(jiān)固，穩(wěn)定性更高[2]。輻照劑量為10 kGy的OSA改性芋艿淀粉具有較高的耐熱剪切力，可用于制備高溫加工的淀粉產(chǎn)品。輻照劑量為4 kGy的OSA改性芋艿淀粉則適用于制作冷藏和冷凍食品。

3.4 電子束輻照預(yù)處理對(duì)OSA改性芋艿淀粉溶脹性質(zhì)的影響

通過(guò)OSA改性顯著提高了芋艿淀粉的溶脹力和水溶性指數(shù)。在低劑量輻照下，溶脹力升高可能是由于芋艿淀粉顆粒較小。小顆粒淀粉無(wú)定形區(qū)域更多、有序晶體較少、比表面積更大，易被OSA基團(tuán)破壞，吸收和保留水分更快，導(dǎo)致溶脹力高[31-32]。此外，OSA改性淀粉通過(guò)引入疏水性碳鏈削弱內(nèi)部氫鍵，使淀粉分子聚集，也會(huì)升高溶脹力。

電子束輻照破壞了淀粉顆粒，有利于羥基被OSA基團(tuán)取代，在較低溫度下使溶脹力升高。4 kGy輻照預(yù)處理得到的OSA改性芋艿淀粉溶脹力最高，因此制備增稠劑的OSA改性芋艿淀粉最佳電子束輻照預(yù)處理劑量為4 kGy。在50 kGy高劑量下，OSA改性芋艿淀粉溶脹力降低的原因可能是形成了自由基，破壞了支鏈淀粉鏈，從而降低了溶脹力[33]。

隨著輻照劑量的增加，OSA改性芋艿淀粉的溶解度不斷增加，表明電子束輻照預(yù)處理增強(qiáng)了OSA改性對(duì)溶解度的影響。這可能是由于輻照預(yù)處理減少了內(nèi)部的氫鍵束縛，加劇了糊化過(guò)程中直鏈淀粉的浸出[34]。在輻照作用下，淀粉分子結(jié)構(gòu)的喪失使水分子更易進(jìn)入顆粒內(nèi)部結(jié)晶區(qū)。高度溶脹的淀粉顆粒與OSA基團(tuán)形成的聚合物之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致糊狀物黏稠度增加，在增稠劑中有較高的應(yīng)用價(jià)值，例如作為色拉調(diào)味品。

3.5 電子束輻照預(yù)處理對(duì)OSA改性芋艿淀粉消化性的影響

淀粉的消化性不僅直接影響腸胃健康和餐后血糖水平，而且與脂質(zhì)代謝相關(guān)。RDS可在小腸中短時(shí)間內(nèi)被完全水解，迅速升高血糖水平。SDS能被完全消化，且緩慢釋放游離糖。RS在小腸中無(wú)法被酶消化[35]。

與天然芋艿淀粉相比，OSA改性芋艿淀粉RDS和RS含量降低，可能是由于OSA充當(dāng)交聯(lián)劑，阻斷了部分淀粉酶結(jié)合位點(diǎn)而降低了消化率[36]。而SDS含量的增加，可能是由于引入的OSA基團(tuán)與淀粉葡糖苷酶和胰腺α-淀粉酶的非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑相似，延遲了酶從底物的釋放[37]。高SDS含量的淀粉具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[38]，是維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)和防止氧化應(yīng)激的首選碳水化合物[39]。

隨著輻照劑量的增加，OSA改性芋艿淀粉RDS含量增加，SDS含量有增有減，RS含量先減后增?？赡苁怯捎谳椪帐狗肿咏饩?，導(dǎo)致酶易進(jìn)入淀粉裂縫從而增加RDS含量[40]。而SDS和RS含量的增減變化，可能是由于在2～6 kGy的低劑量輻照下，長(zhǎng)支鏈斷裂成短支鏈，RS部分轉(zhuǎn)化為SDS；而在8～50 kGy的高劑量輻照下，淀粉鏈發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，增加對(duì)消化酶的抵抗力，與2～6 kGy的低劑量輻照相比，顯著降低SDS含量，增加RS含量，這與胡少新等[35]的研究結(jié)果一致。表明輻照劑量過(guò)高時(shí)不利于慢消化淀粉的形成，輻照劑量為10 kGy的OSTS具有較高的SDS和RS含量，適用于制備功能性營(yíng)養(yǎng)食品。

3.6 電子束輻照預(yù)處理對(duì)OSA改性芋艿淀粉乳化性的影響

辛烯基琥珀酸芋艿淀粉酯表現(xiàn)出較高的乳化指數(shù)(98.08%)。一方面是由于小顆粒的物理空間限制，使分子鏈不易沉淀并破壞乳液。另一方面是由于芋艿淀粉短支鏈多，親水性較高[41]，有助于乳液在連續(xù)相中更好地分散。

在2～6 kGy的低劑量輻照下，OSA改性芋艿淀粉的乳化穩(wěn)定性降低，而在25～50 kGy的高劑量輻照下，乳化穩(wěn)定性升高，與糊化焓和1 047 cm-1/1 022 cm-1表征的顆粒表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)?？赡苁怯捎诘蛣┝枯椪赵鰪?qiáng)了雙螺旋結(jié)構(gòu)，大分子的空間位阻減少羥基與水的作用，從而降低乳化穩(wěn)定性。而在25 kGy和50 kGy高劑量輻照下，乳化穩(wěn)定性的增強(qiáng)一方面與取代度有關(guān)[42]，取代度越大，引入的OSA基團(tuán)越多，酯化產(chǎn)物的乳化分散性更強(qiáng)。另一方面，輻照產(chǎn)生的自由基，破壞了支鏈淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)，使大分子在乳液中更分散。綜上，25 kGy和50 kGy輻照劑量預(yù)處理后的高乳化穩(wěn)定性O(shè)SA改性芋艿淀粉可作為食品飲料添加劑、日化品表面活性劑、建筑中的水溶性涂料和膠粘劑[18]。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)芋艿淀粉進(jìn)行不同劑量的電子束輻照預(yù)處理，分析輻照預(yù)處理對(duì)辛烯基琥珀酸酯化改性淀粉結(jié)構(gòu)與功能特征的影響，發(fā)現(xiàn)輻照預(yù)處理對(duì)OSA改性芋艿淀粉的顆粒形態(tài)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、理化特性、消化與乳化特征有較大影響，且隨著輻照劑量升高，相關(guān)影響差異顯著。在低劑量輻照預(yù)處理?xiàng)l件下，OSA改性芋艿淀粉的溶脹力增加。而高劑量輻照預(yù)處理?xiàng)l件下，OSA改性芋艿淀粉的水溶性指數(shù)和快消化淀粉含量增加顯著且制成的乳液穩(wěn)定性較高。本研究為辛烯基琥珀酸酯化改性淀粉的預(yù)處理提供了一種新思路，但由于芋艿淀粉顆粒較小，而自然界中不同來(lái)源淀粉差異較大，因此未來(lái)可選擇更多有代表性的淀粉進(jìn)行深入研究。