司美雙,欒茗然,張健雯,吳修利

(長春大學 食品科學與工程學院,吉林 長春,130022)

淀粉作為可生物降解和可再生高分子材料備受關(guān)注,但天然淀粉糊液存在不穩(wěn)定、易老化等缺點,限制了其在食品工業(yè)中的應用,通過改性處理,可提高其應用范圍。交聯(lián)是常用的改性方法,交聯(lián)劑作為生物聚合物分子間的橋梁,與淀粉分子發(fā)生羥基反應,從而使淀粉分子形成多維空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[1],加強了淀粉顆粒之間的結(jié)合作用,提高了淀粉糊和凝膠的黏度、抗剪切能力以及凍融穩(wěn)定性[2]。

常用的交聯(lián)劑有甲醛、三氯氧磷、環(huán)氧氯丙烷、三偏磷酸鈉(sodium trimetaphosphate,STMP)等[3]。其中環(huán)氧氯丙烷效果好,但其具有毒性,易燃,且致畸、致癌,三氯氧磷、甲醛也具有一定毒性,生產(chǎn)過程中存在安全隱患,不宜用于食用變性淀粉的生產(chǎn)[4]。STMP屬于食品級磷酸鹽且無毒無害,作為原料制備的淀粉衍生物具有較高的食用安全性,被廣泛應用于食品工業(yè)中,聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織認為食用STMP無需制定每日允許攝入量[5]。相關(guān)研究表明以STMP為交聯(lián)劑,制備芭蕉芋交聯(lián)淀粉,改性后的淀粉具有良好的凍融穩(wěn)定性、抗老化性、彈性及剪切穩(wěn)定性[6]。六偏磷酸鈉(sodium hexametaphosphate,SHMP)與STMP同為以P2O5為原料制備的偏磷酸鈉鹽,根據(jù)GB 2760—2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》,其也可作為穩(wěn)定劑應用到淀粉中。但近些年對SHMP作為磷酸化劑改性淀粉的研究較少,郭耀東等[7]以SHMP改性馬鈴薯淀粉,產(chǎn)品經(jīng)過改性后凍融穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、耐酸堿性能明顯提高。但以2種磷酸鹽制備淀粉磷酸酯進行理化性質(zhì)對比分析目前還鮮有報道。

本研究以玉米淀粉為原料,分別采用STMP和SHMP改性玉米淀粉,并從反應機理上探究2種玉米淀粉磷酸酯理化性質(zhì)的差異,為玉米淀粉磷酸酯應用到不同食品領域提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉,江蘇味門食品有限公司;STMP、SHMP,西隴化工股份有限公司;HCl、H2SO4、HNO3,北京化工廠;豬胰α-淀粉酶(50 U/mg),Sigma-Aldrich公司;糖化酶(105U/g),大連美侖生物技術(shù)有限公司?；瘜W試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

TDL-5-1型低速離心機,上海安亭科學儀器廠;UV-2700型紫外可見分光光度計,島津儀器有限公司;VISCOGRAPH-E型Brabender黏度儀,德國布拉班德(Brabender)公司;NICOLETIS 5型傅里葉紅外儀,賽默飛世爾科技有限公司。

1.3 研究方法

1.3.1 淀粉磷酸酯的制備及結(jié)合磷含量測定

參考李明宇[8]的方法制備玉米淀粉磷酸酯,將淀粉配制成質(zhì)量濃度為400 g/L的淀粉乳,調(diào)節(jié)pH至10.5,分別加入淀粉質(zhì)量干基0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的STMP及SHMP,45 ℃充分反應2 h。反應結(jié)束后調(diào)節(jié)pH至6.5,用蒸餾水反復洗滌3次,抽濾,45 ℃干燥,過0.15 mm篩,得到淀粉樣品,參考GB 5009.87—2016《食品安全國家標準 食品中磷的測定》進行結(jié)合磷含量的分析。

1.3.2 Brabender黏度曲線測定

將60 g/L淀粉乳100 mL置于測試杯中,混合均勻,設置樣品從30 ℃開始,以5 ℃/min的速率升溫至95 ℃,保溫5 min,再以同樣的速率冷卻至50 ℃,保溫5 min,測定樣品糊化過程。

1.3.3 凍融穩(wěn)定性及透明度測定

參考李玉娥等[9]的方法,凍融穩(wěn)定性用析水率來表示,配制40 g/L淀粉乳,沸水浴30 min后冷卻,取10 mL于15 mL離心管中,放入-18 ℃冰箱中24 h,室溫下解凍,3 000 r/min離心20 min,去除上清液,稱量沉淀物質(zhì)量,計算析水率。透明度用透光率表示,將10 g/L淀粉乳置于沸水浴中加熱30 min,冷卻后,以蒸餾水為空白,在620 nm波長下測定其透光率,如公式(1)所示:

(1)

式中:m1,淀粉乳質(zhì)量,g;m2,沉淀物質(zhì)量,g。

1.3.4 溶解度及膨潤力測定

參考秦維[10]的方法,略作改動。將20 g/L的淀粉乳置于90 ℃下水浴30 min,處理后冷卻到室溫,4 000 r/min離心10 min。溶解度和膨潤力分別按公式(2)和公式(3)計算:

(2)

(3)

式中:m0,淀粉樣品質(zhì)量,g;m1,上清液干重,g;m2,離心后沉淀物質(zhì)量,g。

1.3.5 淀粉抗消化性測定

參考薛慧等[11]的AOAC-DNS法測定淀粉的抗消化性,抗性淀粉含量按公式(4)計算:

(4)

式中:M,葡萄糖含量,g;W,分析樣品的干重,g;0.1為待測液體積,mL;0.9為葡萄糖與脫水葡萄糖之間的換算系數(shù)。

1.3.6 傅里葉變換紅外光譜分析

樣品烘至恒重后與干燥KBr充分混合,壓片成型進行檢測,檢測波數(shù)范圍400～4 000 cm-1。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

用Origin 2018作圖,用SPSS 23中Duncan檢驗進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米淀粉磷酸酯結(jié)合磷含量

淀粉磷酸酯取代程度通常可用結(jié)合磷或沉降積來表示,取代度大小與結(jié)合磷,呈正相關(guān)而與沉降積呈線性負相關(guān)[12]。由圖1可知,隨著STMP和SHMP用量的增加,2種淀粉結(jié)合磷含量均增大,可能是因為單位體積磷酸鹽濃度的增大使其與淀粉的接觸幾率增多,促使參與反應的分子相對增加。方志林[13]和楊文英等[14]研究結(jié)果中,馬鈴薯淀粉經(jīng)磷酸鹽改性處理制備磷酸酯淀粉時,沉降積間接呈現(xiàn)出的取代度變化規(guī)律與本研究一致,即隨2種磷酸鹽用量增加,沉降積均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。

圖1 STMP/SHMP用量對玉米淀粉磷酸酯結(jié)合磷含量的影響

淀粉1個羥基酯化為磷酸鹽時,形成淀粉磷酸單酯,而淀粉2個羥基被同一磷酸鹽酯化,則形成的是淀粉磷酸雙酯,淀粉磷酸雙酯屬于交聯(lián)淀粉[15]。添加相同量的STMP和SHMP,前者生成的淀粉磷酸酯結(jié)合磷含量明顯高于后者。何傳波[16]應用STMP作為交聯(lián)劑得到的主要是淀粉磷酸雙酯,而應用SHMP得到是淀粉磷酸單酯。

2.2 黏度參數(shù)分析

淀粉磷酸雙酯會隨結(jié)合磷含量增加糊化溫度上升[5],而淀粉磷酸單酯則會使淀粉糊化溫度降低[17]。由表1可以看出,隨著STMP含量的增加,淀粉磷酸酯糊化溫度呈上升趨勢,這是因為交聯(lián)反應增加了淀粉顆粒強度,提高了糊液的起始糊化溫度。田龍等[15]將小麥淀粉與STMP交聯(lián)反應,生成物為以淀粉磷酸雙酯為主的單酯和雙酯混合物,且含量隨著反應條件的改變而不同[15]。這也是相比較原淀粉,糊化溫度先降低后升高的原因。而SHMP呈下降趨勢,可能與反應生成較多的淀粉磷酸單酯有關(guān)。

表1 Brabender黏度曲線特征值

在磷酸鹽添加量為0.5%時,STMP淀粉磷酸酯糊液峰值黏度、熱糊黏度(95 ℃保溫5 min)和冷糊黏度(50 ℃保溫5 min)均高于原淀粉及SHMP淀粉磷酸酯,且隨著磷酸鹽含量的增加,淀粉糊各黏度特征值逐漸降低,這是因為交聯(lián)反應程度較低時,抑制了淀粉團?？扇芪锏娜艹?增強了淀粉團的機械強度,提高了淀粉糊黏度。隨著磷酸鹽的增加,伴隨氫鍵的破壞和交聯(lián)鍵的生成,進一步抑制了淀粉的溶脹,淀粉黏度開始下降,甚至淀粉糊化困難,黏度較原淀粉顯著降低,這與寇婷婷等[18]的研究結(jié)果一致。袁立軍[19]在研究STMP木薯交聯(lián)淀粉時也發(fā)現(xiàn)同樣的變化規(guī)律。SHMP淀粉磷酸酯黏度較原淀粉增加,磷酸化反應之后,淀粉產(chǎn)物的親水性增強,顆粒容易吸水膨脹,導致膠體溶液中分散相的總?cè)莘e增大,淀粉黏度升高[17]。

STMP淀粉磷酸酯的崩解值、回升值低于原淀粉且隨STMP用量增加而減小,說明反應提高了STMP淀粉磷酸酯的熱糊穩(wěn)定性及冷糊穩(wěn)定性,而SHMP淀粉磷酸酯的崩解值、回升值不但沒有降低甚至略有提高,說明淀粉SHMP改性后沒有改善淀粉的老化性質(zhì),老化速率在磷酸化后反而增加。

2.3 溶解度和膨潤力分析

淀粉溶解度反映的是淀粉糊化時在水中的溶解能力[20],膨潤力反映淀粉與水之間相互作用的大小,在熱膨脹過程中的吸水能力可用膨潤力大小來表示[21]。如圖2所示,改性后STMP淀粉磷酸酯溶解度及膨潤力較原淀粉出現(xiàn)先升高后降低趨勢,可能因為STMP添加量較低時有少量單酯生成,隨著STMP的增加主要生成淀粉磷酸雙酯。淀粉分子鏈之間產(chǎn)生交聯(lián),導致分子鏈之間相互干擾的機會增多[16]。SHMP改性后淀粉的溶解度及膨潤力高于原淀粉,因為水分子在反應后能更好地滲透到淀粉顆粒中,有利于淀粉分子的浸出,另外淀粉磷酸單酯的形成可以提高淀粉的溶解度及膨潤力[22]。隨著SHMP含量的增加,淀粉的溶解度及膨潤力呈下降趨勢,因為隨著磷酸鹽用量增加,出現(xiàn)淀粉磷酸雙酯生成,交聯(lián)鍵的形成會降低淀粉顆粒膨脹度,抑制淀粉浸出,導致溶解度及膨潤力下降[23]。相同磷酸鹽含量下STMP淀粉磷酸酯的溶解度與膨潤力遠低于SHMP淀粉磷酸酯。證明SHMP淀粉磷酸酯主要為單酯,而STMP淀粉磷酸酯主要為雙酯。

a-溶解度;b-膨潤力

2.4 凍融穩(wěn)定性和透明度分析

淀粉在凍融過程中重塑了水分子在淀粉糊液和淀粉凝膠間的分布,淀粉糊的析水率越低,凍融穩(wěn)定性越好。由圖3可知,與原淀粉相比,淀粉磷酸酯凍融穩(wěn)定性均有所提高,在相同磷酸鹽添加量的條件下,SHMP玉米淀粉磷酸酯的穩(wěn)定性高于STMP玉米淀粉磷酸酯。反應過程引入了磷酸根負離子基團,無論淀粉鏈空間障礙還是電荷斥力作用,均導致淀粉分子不易重新排列和相互締結(jié),由于淀粉分子間不易取向形成氫鍵,淀粉糊液的分散體系相對穩(wěn)定,所以其結(jié)構(gòu)不論凍、融都不容易受到破壞,促使淀粉糊凍融穩(wěn)定性提高[9,24]。

a-析水率;b-透光率

淀粉糊的透光率越高意味透明度越好。由圖3可知,STMP淀粉磷酸酯透明度較原淀粉降低,且隨著磷酸鹽添加量的增加呈降低趨勢,這是因為STMP淀粉磷酸酯主要以磷酸雙酯為主,由于STMP與淀粉產(chǎn)生的交聯(lián)作用,導致分子質(zhì)量增大,阻礙了光的透射量,光散射增強,從而使淀粉糊液透光率降低[25]。而SHMP淀粉磷酸酯的透明度高于STMP淀粉磷酸酯及原淀粉,這可能與SHMP與淀粉反應生成的主要產(chǎn)物為淀粉磷酸單酯有關(guān)。淀粉磷酸單酯為淀粉陰離子衍生物,存在靜電斥力,使淀粉分子鏈間不易取向形成氫鍵,光透過淀粉糊產(chǎn)生的折射會減小,因此透光率升高。

2.5 抗消化性分析

由于抗性淀粉在小腸中不能被酶解,只在大腸中被微生物發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸,因而對于改善腸道環(huán)境具有積極作用[26]。由圖4可知,隨著STMP和SHMP的增加,2種淀粉磷酸酯的抗性淀粉含量不斷增加,且明顯高于原淀粉,相同磷酸鹽添加量的STMP淀粉磷酸酯抗性含量高于SHMP淀粉磷酸酯。改性反應中,磷酸根基團引入淀粉分子中生成磷酸酯,形成一定的空間位阻,阻礙了酶分子攻擊,而STMP淀粉磷酸酯更多的磷酸雙酯使淀粉分子的羥基間聯(lián)合起來,形成空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使淀粉顆粒內(nèi)部架構(gòu)得到保護[27]。而另一方面,隨著磷酸鹽的增加,淀粉分子的羥基不斷被取代,形成團粒狀結(jié)構(gòu),使淀粉酶不能充分與底物淀粉鏈的結(jié)合位點接觸,所以導致抗消化性提高[4]。

圖4 玉米淀粉磷酸酯及原淀粉的抗性淀粉含量

2.6 紅外光譜分析

a-紅外譜圖;b-去卷積紅外譜圖

淀粉在(1 047/1 022)cm-1峰強度比值R表示淀粉分子在短程范圍內(nèi)的結(jié)晶程度和晶體有序性,以表明淀粉無定形態(tài)的減少或有序結(jié)構(gòu)的增加,其比值越大,顆粒內(nèi)有序度越高,結(jié)構(gòu)更趨于穩(wěn)定[30]。對紅外光譜800～1 200 cm-1譜段進行去卷積處理,如圖5-b所示。與原淀粉相比,淀粉磷酸化反應提高了淀粉內(nèi)部的有序程度,且2.0%添加量STMP淀粉磷酸酯有序度高于2.0% SHMP淀粉磷酸酯,主要因為STMP反應過程中磷酸基團以架橋的形式將淀粉分子結(jié)合起來,形成了多維的空間結(jié)構(gòu),使分子之間結(jié)合得更加緊密,結(jié)晶排列有序性增加[29]。

3 結(jié)論與討論

STMP和SHMP制備的玉米淀粉磷酸酯,在Brabender黏度特性、溶解度、膨潤力及透明度等性質(zhì)方面存在較大差異。與原淀粉相比,STMP玉米淀粉磷酸酯起始糊化溫度先下降后上升,黏度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,淀粉糊的熱穩(wěn)定性與冷穩(wěn)定性較原淀粉均有提高,而SHMP玉米淀粉磷酸酯的起始糊化溫度均低于原淀粉,淀粉糊黏度均高于原淀粉,并隨著SHMP增加各黏度值變化較穩(wěn)定;SHMP玉米淀粉磷酸酯的溶解度、膨潤力及透明度均高于原淀粉及STMP玉米淀粉磷酸酯;2種玉米淀粉磷酸酯凍融穩(wěn)定性和抗性淀粉含量均高于原淀粉;通過紅外光譜去卷積處理,可知交聯(lián)反應提高了淀粉內(nèi)部的有序程度,且STMP玉米淀粉磷酸酯有序度高于SHMP玉米淀粉磷酸酯。

淀粉磷酸單酯具有透明度、溶解度、膨潤力、黏度高和糊化溫度低的特點,而淀粉磷酸雙酯會降低淀粉的透明度、溶解度、膨潤力,并使糊化溫度升高[31-32]。孫平等[33]研究發(fā)現(xiàn),玉米淀粉經(jīng)過STMP交聯(lián)后,產(chǎn)物為磷酸單酯和雙酯混合物,其中以磷酸雙酯為主。于浩[34]研究指出,在磷酸酯淀粉的生產(chǎn)及應用中,STMP可用來制備淀粉磷酸雙酯,而SHMP常用于制備淀粉磷酸單酯。本研究中STMP和SHMP改性的淀粉磷酸酯性質(zhì)分別符合淀粉磷酸雙酯和淀粉磷酸單酯特征,結(jié)果與上述學者研究相一致。