張佳艷 - 熊建文 n- 秦戰(zhàn)軍 - 趙 萍
(廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院食品與化學(xué)工程系,廣西 柳州 545616)
相較于其他類型的糧食作物,馬鈴薯淀粉具有糊化溫度低、糊透明度高、黏度高等優(yōu)點(diǎn),然而馬鈴薯淀粉的抗酸、抗熱與抗剪切等加工特性較差,限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用,因此近年來常采用物理、化學(xué)方法對馬鈴薯淀粉進(jìn)行改性,以提高其加工穩(wěn)定性。交聯(lián)改性是常用的一種化學(xué)改性方法,通過使用交聯(lián)劑引入新的化學(xué)鍵使淀粉的穩(wěn)定性增強(qiáng)[1]。常用的交聯(lián)劑有環(huán)氧丙烷[2]、環(huán)氧氯丙烷[3]、三偏磷酸鈉[4]、六偏磷酸鈉[5]等。目前中國多采用單一交聯(lián)劑對馬鈴薯淀粉進(jìn)行改性,鮮有復(fù)合交聯(lián)劑對馬鈴薯淀粉進(jìn)行改性的研究報(bào)道,而采用復(fù)合交聯(lián)劑并以微波輔助法制備馬鈴薯交聯(lián)淀粉的研究則尚未有報(bào)道。本研究擬采用三偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉為復(fù)合交聯(lián)劑,采用微波輔助法制備馬鈴薯交聯(lián)淀粉,并將其性質(zhì)與復(fù)合交聯(lián)劑水浴法、單一交聯(lián)劑微波輔助法制備得到的交聯(lián)淀粉的性質(zhì)進(jìn)行比較,探討復(fù)合交聯(lián)劑及微波效應(yīng)對馬鈴薯淀粉性質(zhì)的影響,以期為馬鈴薯交聯(lián)淀粉產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)。
1.1.1 材料與試劑
馬鈴薯淀粉:干基含量為87.5%,直鏈淀粉∶支鏈淀粉為23∶77,西亞試劑有限公司;
胰α-淀粉酶(50 U/mg)、糖化酶(400 U/mg):美國Sigma公司;
三偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、3,5-二硝基水楊酸:阿拉丁生化科技有限公司;
其他試劑均為分析純。
1.1.2 儀器設(shè)備
微波合成反應(yīng)工作站:MAS-IIPLUS型,上海新儀微波化學(xué)科技有限公司;
紫外可見分光度計(jì):UV-5100型,上海元析儀器有限公司;
快速黏度儀:Techmaster RVA型,瑞典波通儀器公司;
場發(fā)射掃描電鏡:Su8010型,日本日立高新技術(shù)公司;
差示掃描量熱分析儀:DSC8500 型,美國Perkin Elmer公司。
1.2.1 馬鈴薯交聯(lián)淀粉制備
(1) 復(fù)合交聯(lián)劑微波法:準(zhǔn)確稱取25 g馬鈴薯淀粉(干基)與雙蒸水混合,制備得到濃度為40%的淀粉乳濁液,將12%三聚磷酸鈉/三偏磷酸鈉(質(zhì)量比20∶80)復(fù)合交聯(lián)劑與10%無水硫酸鈉加入淀粉乳中(均以淀粉干基計(jì))[6],攪拌均勻,放置微波合成反應(yīng)工作站中,設(shè)置功率為450 W,在45 ℃ 下反應(yīng)2 min,微波反應(yīng)過程中,同時(shí)進(jìn)行磁力攪拌以保證加熱的均勻性。微波反應(yīng)后,采用1 mol/L的HCl溶液調(diào)整淀粉乳液的pH至6.0~6.5,以終止交聯(lián)反應(yīng),采用4 000 r/min 離心5 min,真空抽濾,用雙蒸水洗滌7次,50 ℃下烘干過夜,粉碎后過80目篩,得到白色粉末狀物質(zhì)即為馬鈴薯交聯(lián)淀粉。
(2) 單一交聯(lián)劑微波法:采用12%的三偏磷酸鈉(以淀粉干基計(jì))代替復(fù)合交聯(lián)劑,其他反應(yīng)條件同1.2.1(1)。
(3) 復(fù)合交聯(lián)劑水浴法:采用水浴設(shè)備代替微波設(shè)備進(jìn)行交聯(lián),交聯(lián)條件為70 ℃、3 h[7],其他反應(yīng)條件同1.2.1(1)。
1.2.2 結(jié)合磷含量測定 按GB/T 22427—2008《淀粉及其衍生物磷總含量測定》執(zhí)行。
1.2.3 抗性淀粉含量測定 參照文獻(xiàn)[8]對馬鈴薯淀粉的抗性淀粉進(jìn)行酶解,酶解后采用3,5-二硝基水楊酸法[9]對葡萄糖含量進(jìn)行測定。
1.2.4 溶解度與膨脹度測定 準(zhǔn)確稱取0.5 g淀粉放入預(yù)先稱重好的離心管中,加入40 mL蒸餾水,加熱至85 ℃并保持30 min,期間持續(xù)攪拌以防止塊狀物生成。加熱結(jié)束冷卻至室溫,以4 000 r/min離心15 min。上清液轉(zhuǎn)移至預(yù)先稱重好的培養(yǎng)皿中并置于130 ℃下干燥2 h,稱重。按式(1)、(2)計(jì)算溶解度與膨脹度[6]。
(1)
(2)
式中:
S——溶解度,%;
A——上清液干燥后的質(zhì)量,g;
W——淀粉樣品的質(zhì)量,g;
T——膨脹度,g/g;
P——離心沉淀物的質(zhì)量,g;
S——溶解度,%。
1.2.5 淀粉熱力特性測定 采用差式熱量掃描儀測定馬鈴薯淀粉及交聯(lián)淀粉的熱力特性。將淀粉樣品與雙蒸水以1∶3(質(zhì)量比)的比例混合,倒入鋁盒中密封,室溫下平衡1 h,然后將鋁盒以4 ℃/min的速度加熱至120 ℃,以密封空鋁盒作為參照,用銦對熱量儀的溫度進(jìn)行校準(zhǔn)[10]。記錄起始溫度(To)、最高溫度(Tp)、結(jié)束溫度(Tc)與糊化焓(ΔH)。
1.2.6 糊化性質(zhì)測定 采用快速黏度測定儀(Rapid Visco Analyzer,RVA)對馬鈴薯淀粉及交聯(lián)淀粉的糊化特性進(jìn)行測定。用蒸餾水配制得到10%的淀粉乳,將淀粉乳充分?jǐn)嚢韬蠓胖萌肟焖兖ざ葴y定儀中,由室溫升至50 ℃并保持1 min,3.67 min內(nèi)上升到95 ℃,保持2.5 min,然后下降到50 ℃并保持2 min[11],記錄這一過程的糊化溫度、峰值黏度、最低黏度、消減值、最終黏度與回生值。
1.2.7 淀粉顆粒形態(tài)測定 采用掃描電鏡對馬鈴薯淀粉及交聯(lián)淀粉的顆粒形態(tài)進(jìn)行測定。淀粉樣品在105 ℃下干燥4~5 h后,固定在載物臺上,在真空條件下噴金[12],放入掃描電鏡中觀察,拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌圖像,加速電壓為3 kV,放大倍數(shù)為1 000倍。
交聯(lián)淀粉性質(zhì)測定試驗(yàn)均重復(fù)3次,用SPSS軟件中的方差分析對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析,顯著性水平為P<0.05。
結(jié)合磷含量反映交聯(lián)程度,結(jié)合磷含量越高,交聯(lián)程度越高。由表1可知,當(dāng)其他反應(yīng)條件相同時(shí),微波輔助制備的交聯(lián)淀粉的結(jié)合磷含量與抗性淀粉含量要高于水浴法所制備的,表明采用微波設(shè)備對馬鈴薯淀粉進(jìn)行交聯(lián),具有快速、高效的優(yōu)勢。同樣在微波條件下,采用復(fù)合交聯(lián)劑的結(jié)果要高于單一交聯(lián)劑,表明在用量相同時(shí),相較于單一交聯(lián)劑,復(fù)合交聯(lián)劑能夠提高反應(yīng)速率與抗性淀粉含量,與Yangsheng等[13]的報(bào)道結(jié)果類似。
表1馬鈴薯淀粉與交聯(lián)淀粉的結(jié)合磷含量與抗性淀粉含量?
Table 1 Phosphorus and resistant starch content of potato starch and potato cross-linked starch %
? 同列上標(biāo)字母不同表明數(shù)據(jù)間具有顯著性差異(P<0.05)。
由表2可知,3種方法交聯(lián)后,交聯(lián)淀粉的膨脹度均低于原淀粉,復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉的膨脹度下降得最為顯著。推測交聯(lián)后淀粉的膨脹度受交聯(lián)程度的影響,交聯(lián)程度越高,膨脹度越低[14]。另外,復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法的膨脹度低于單一交聯(lián)劑微波輔助法的,也可能是由于交聯(lián)劑的交聯(lián)速度不同造成,交聯(lián)速度越快對膨脹度的抑制作用越強(qiáng),表明復(fù)合交聯(lián)劑的交聯(lián)速度要高于單一交聯(lián)劑,與文獻(xiàn)[15]研究結(jié)果一致。
溶解度結(jié)果顯示,無論采用何種方法進(jìn)行交聯(lián),交聯(lián)后馬鈴薯淀粉的溶解度均低于原淀粉的。以復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉溶解度最小。這是因?yàn)榻宦?lián)淀粉的溶解度受膨脹度的影響,膨脹度越低,溶解度越低[12]。
表2馬鈴薯淀粉與交聯(lián)淀粉的溶解度與膨脹度?
Table 2 Solubility and swelling power of potato starch and potato cross-linked starch %
? 同列上標(biāo)字母不同表明數(shù)據(jù)間具有顯著性差異(P<0.05)。
糊化焓(ΔH)可作為淀粉顆粒內(nèi)由氫鍵斷裂引起的淀粉分子失序的指標(biāo),能一定程度上反映淀粉糊化所需要的能量。ΔH越高表明淀粉糊化所需的能量越高,淀粉分子的熱穩(wěn)定性越好。由表3可知,ΔH隨著結(jié)合磷含量的增加而提高,與 Liu等[16]報(bào)道的結(jié)果一致。說明將復(fù)合交聯(lián)劑與微波技術(shù)結(jié)合對馬鈴薯淀粉進(jìn)行交聯(lián)改性可以有效改善馬鈴薯原淀粉熱穩(wěn)定性差的問題。
交聯(lián)后糊化溫度升高,以復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉上升得最為顯著,而單一交聯(lián)劑微波輔助法的除了Tp略有上升,其他糊化溫度與原淀粉無顯著性差異,而復(fù)合交聯(lián)劑水浴法得到的交聯(lián)淀粉的Tp略低于原淀粉的,推測是交聯(lián)程度不同引起的。Yoneya等[17]的報(bào)道與之類似:與極低濃度與高濃度的交聯(lián)劑相比,采用0.01%的POCl3交聯(lián)得到的交聯(lián)淀粉的To、Tp與ΔH值均小于馬鈴薯原淀粉與其他濃度的交聯(lián)淀粉。說明在某一特定交聯(lián)劑濃度條件下制備的交聯(lián)淀粉的熱穩(wěn)定性甚至?xí)陀谠矸?,可能是較低水平的交聯(lián)降低了可糊化淀粉的比例,從而導(dǎo)致糊化焓值較低。
消減值為峰值黏度與最低黏度的差值。由表4可知,3種方法制備的交聯(lián)淀粉的消減值均低于原淀粉的,是由于交聯(lián)反應(yīng)過程中淀粉之間形成的交聯(lián)鍵能夠使淀粉顆粒在高溫與高剪切條件下盡量保持完整,降低黏度的損失,因此較低的消減值意味著較好的熱穩(wěn)定性與剪切穩(wěn)定性。復(fù)合交聯(lián)劑微波法制備的交聯(lián)淀粉的熱穩(wěn)定性與剪切穩(wěn)定性要優(yōu)于其他2種方法制備的。
回升值是最終黏度與最低黏度的差值,由表4還可知,相較于原淀粉,交聯(lián)淀粉的回升值均明顯提高,表明交聯(lián)反應(yīng)使淀粉更容易發(fā)生老化,而單一交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉的回升值最低,復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉的回升值最高,表明單一交聯(lián)劑微波法制備的交聯(lián)淀粉較不容易發(fā)生老化,而復(fù)合交聯(lián)劑微波法制備得到的交聯(lián)淀粉較容易發(fā)生老化,實(shí)際生產(chǎn)可以結(jié)合該特性對淀粉進(jìn)行特異性改性以制備所需性質(zhì)的改性淀粉。
由圖1可知,馬鈴薯原淀粉顆粒呈橢圓狀,表面光滑。交聯(lián)后復(fù)合交聯(lián)劑水浴法與單一交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉顆粒部分被破壞,表面變得粗糙,出現(xiàn)凹槽,而復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備的交聯(lián)淀粉除了表面粗糙、出現(xiàn)凹槽之外,還出現(xiàn)了淀粉顆粒聚集、斷裂現(xiàn)象。
表3 馬鈴薯原淀粉與交聯(lián)淀粉的糊化特性?Table 3 Gelatinization properties of potato starch and potato cross-linked starch
? 同列上標(biāo)字母不同表明數(shù)據(jù)間具有顯著性差異(P<0.05)。
表4 馬鈴薯原淀粉與交聯(lián)淀粉的黏度特性?Table 4 Pasting properties of potato starch and potato cross-linked starch
? 同列上標(biāo)字母不同表明數(shù)據(jù)間具有顯著性差異(P<0.05)。
圖1 馬鈴薯原淀粉與交聯(lián)淀粉的掃描電鏡圖Figure 1 The SEM image of potato starch and potato cross-linked starch (×1 000)
將微波技術(shù)與復(fù)合交聯(lián)劑結(jié)合制備交聯(lián)淀粉,不僅能夠增強(qiáng)淀粉的熱穩(wěn)定性與抗剪切穩(wěn)定性,還能夠顯著提高交聯(lián)淀粉的抗性淀粉含量,抗性淀粉含量的增加使交聯(lián)淀粉的保健功能顯著增強(qiáng)。同時(shí),該制備方法快速、高效,具有良好的應(yīng)用前景,可為馬鈴薯交聯(lián)淀粉產(chǎn)品的工業(yè)化開發(fā)提供理論依據(jù)。為更好地采用復(fù)合交聯(lián)劑微波輔助法制備指定性質(zhì)的交聯(lián)淀粉,需對該法對淀粉骨架上的交聯(lián)位置和程度的影響進(jìn)行進(jìn)一步的研究,而準(zhǔn)確定位淀粉磷酸化的水平和位置是相當(dāng)復(fù)雜的,因此,在后續(xù)研究中,將借助核磁共振技術(shù)探討交聯(lián)的位置及程度。
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