司美雙，包尕紅，劉 寧，吳修利

(長(zhǎng)春大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，長(zhǎng)春 130022)(臨沂金鑼文瑞食品有限公司2，臨沂 276036)

淀粉是食物的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也是重要的工業(yè)原料。淀粉的商業(yè)來(lái)源主要有谷物的籽粒、薯類的塊莖和塊根等。近年來(lái)其他非傳統(tǒng)來(lái)源淀粉，如橡實(shí)、芡實(shí)等也逐漸被開(kāi)發(fā)利用[1，2]。由于不同來(lái)源淀粉從粒徑尺寸、微觀形貌到直支鏈含量比、分子質(zhì)量分布和結(jié)晶類型等均有不同，因而理化性質(zhì)也均有一定差異。油莎豆是一種新型的、用途廣泛的經(jīng)濟(jì)作物，其淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)26%～30%[3]。研究發(fā)現(xiàn)，油莎豆淀粉較玉米淀粉具有更好的抗老化性和凝膠質(zhì)構(gòu)性質(zhì)，且屬于慢消化淀粉，應(yīng)用到食品中，可維持餐后血糖穩(wěn)定，有效降低餐后血糖負(fù)荷[4]。但油莎豆淀粉與其他天然淀粉一樣，同樣存在固有的缺陷，如抗剪切和耐熱能力弱，對(duì)熱分解的敏感性高等[5]。為了克服這些限制，通常需要對(duì)淀粉進(jìn)行改性處理。

交聯(lián)改性是變性淀粉最常用的方法之一。工業(yè)生產(chǎn)上常用三偏磷酸鈉(STMP)作為交聯(lián)劑，三偏磷酸鈉屬食品添加劑，用其制備交聯(lián)淀粉具有生產(chǎn)安全且無(wú)有害副產(chǎn)物，合成條件溫和、成本低等優(yōu)勢(shì)，與原淀粉相比，磷酸化交聯(lián)改性淀粉在抗老化性等性能方面得到了提高，糊化溫度高、熱穩(wěn)定性好，有著優(yōu)良的凝膠特性[6]。邵華為[7]發(fā)現(xiàn)STMP交聯(lián)的芭蕉芋淀粉，凍融穩(wěn)定性、凝膠質(zhì)構(gòu)特性及淀粉糊穩(wěn)定性得到提高，且具有較強(qiáng)的剪切穩(wěn)定性。范迎賓等[8]研究甘薯淀粉經(jīng)STMP改性后，抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由14.5%提高到58.7%，抗消化能力提高，可添加到糖尿病患者食品中。而采取油莎豆淀粉為原料，制備油莎豆交聯(lián)淀粉目前還鮮有報(bào)道。本研究探究了交聯(lián)改性對(duì)油莎豆淀粉理化性質(zhì)及顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，為未來(lái)油莎豆淀粉的開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油莎豆淀粉：實(shí)驗(yàn)室自制；三偏磷酸鈉，豬胰α-淀粉酶(50 U/mg)，糖化酶(105U/g)，所有化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DKZW-S6型電子恒溫水浴鍋，UV-2700型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，VISCOGRAPH-E型Brabender黏度儀，NICOLETIS5型傅里葉紅外光譜儀，JSM-6510LA型掃描電子顯微鏡。

1.3 方法

1.3.1 油莎豆交聯(lián)淀粉制備[9]

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%油莎豆淀粉乳pH調(diào)至10.5，分別加入淀粉質(zhì)量干基0.5%、1.0%和2.0%的三偏磷酸鈉，45 ℃反應(yīng)2 h，而后調(diào)節(jié)pH至6.5，蒸餾水洗滌3次，抽濾，45 ℃干燥，過(guò)0.15 mm篩，樣品編號(hào)STMP-0.5%、STMP-1.0%、STMP-2.0%。

1.3.2 結(jié)合磷的測(cè)定

參考GB 5009.87—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中磷的測(cè)定》測(cè)定結(jié)合磷[10]。

1.3.3 溶解度及膨潤(rùn)力的測(cè)定[11]

質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%淀粉乳于10 mL離心管中，分別在60、70、80、90 ℃條件下加熱30 min，每2 min振蕩5 s，冷卻后4 000 r/min離心10 min，上清液干燥至恒重，稱取殘余物質(zhì)量，計(jì)算溶解度(WSI)和膨潤(rùn)力(SP)。

式中：m0為樣品質(zhì)量/g；m1為上清液恒重后質(zhì)量/g；m2為殘余物質(zhì)量/g。

1.3.4 持水性及持油性的測(cè)定[12]

1.0 g淀粉中加入10 mL蒸餾水或大豆油，渦旋振蕩，于室溫下攪拌30 min，3 000 r/min離心 10 min，棄去上清液，稱質(zhì)量，測(cè)定樣品持水性及持油性。

式中：m1為樣品質(zhì)量/g；m2為吸水后或吸油后質(zhì)量/g。

1.3.5 透明度的測(cè)定

質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%淀粉乳于沸水浴中30 min，然后冷卻至30 ℃，用分光光度計(jì)在620 nm處進(jìn)行淀粉糊液透明度的測(cè)定[13]。

1.3.6 直鏈淀粉含量測(cè)定[14]

在0.1 g淀粉樣品中加入10 mL KOH(0.5 mol/L)溶液，80 ℃水浴10 min，定容至50 mL，再吸取樣液2.5 mL，加入20 mL蒸餾水，調(diào)pH至3.0，加碘試劑0.5 mL，定容至50 mL容量瓶中，靜止20 min進(jìn)行測(cè)定。

1.3.7 Brabender黏度曲線測(cè)定

質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的淀粉乳置于黏度儀樣品缽中，以5 ℃/min的速率從30 ℃升溫至95 ℃，保持5 min，再以同樣速率冷卻至50 ℃，保持5 min，測(cè)定樣品黏度曲線。

1.3.8 體外消化特性測(cè)定[15]

稱取0.2 g樣品，加入醋酸鈉緩沖溶液(0.2 mol/L、pH 5.2)，及混合酶液(含290 U/mL豬胰α-淀粉酶和15 U/mL糖化酶)，恒溫振蕩，在20、120 min分別吸取0.5 mL酶解液，采用 DNS 法測(cè)定還原糖含量，計(jì)算快速消化淀粉(RDS)、慢速消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)含量。

RS=(1-RDS-SDS)×100%

式中：C0、C20、C120分別為淀粉酶解前、酶解20 min和酶解120 min時(shí)葡萄糖質(zhì)量濃度/mg/mL；V為反應(yīng)體系總體積/mL；m為淀粉質(zhì)量/mg。

1.3.9 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)

干燥淀粉樣品與溴化鉀研勻壓片成型，檢測(cè)參數(shù)：波數(shù)范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，采用 Omnic 8.0軟件對(duì)紅外光譜1 200 cm-1至800 cm-1進(jìn)行去卷積處理，設(shè)置增強(qiáng)因子1.9，半峰寬19 cm-1，計(jì)算R1 047/1 022 cm-1峰強(qiáng)度比值。

1.3.10 掃描電子顯微鏡(SEM)

取少量樣品置于導(dǎo)電雙面膠上，真空鍍金后進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察，工作電壓20 kV。

1.3.11 數(shù)據(jù)處理

每組實(shí)驗(yàn)平行測(cè)定3次，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，用Origin 2018作圖，IBM SPSS Statistics 23.0 中Duncan檢驗(yàn)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 油莎豆交聯(lián)淀粉結(jié)合磷含量

淀粉結(jié)合磷含量可間接反映磷酸化交聯(lián)淀粉的交聯(lián)程度，當(dāng)反應(yīng)體系中交聯(lián)劑用量增加，淀粉分子與交聯(lián)劑碰撞幾率提高，即參與反應(yīng)的分子相對(duì)增加，更多來(lái)自磷酸鹽中的磷酸基團(tuán)與淀粉分子中醇羥基發(fā)生反應(yīng)形成磷酸酯鍵，從而導(dǎo)致結(jié)合磷含量上升[16]。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，以STMP為交聯(lián)劑進(jìn)行改性時(shí)，淀粉中的結(jié)合磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得超過(guò)0.04%[6]。

表1 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量交聯(lián)淀粉的結(jié)合磷含量

2.2 油莎豆原淀粉及交聯(lián)淀粉溶解度和膨潤(rùn)力

由圖1可知，油莎豆原淀粉與交聯(lián)淀粉的溶解度及膨潤(rùn)力均隨溫度升高而增大，隨著溫度的升高，氫鍵被破壞，使得游離水更易于滲入淀粉顆粒內(nèi)部，促進(jìn)了淀粉吸水膨脹。隨STMP添加量的增加，溶解度及膨潤(rùn)力均呈下降趨勢(shì)，且低于油莎豆原淀粉。這是因?yàn)榻宦?lián)反應(yīng)在淀粉中引入了交聯(lián)鍵，淀粉結(jié)構(gòu)內(nèi)交聯(lián)密度增加，由于鍵強(qiáng)度大于氫鍵強(qiáng)度，顆粒強(qiáng)度提高，限制了淀粉鏈在無(wú)定形區(qū)域的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)減弱了顆粒在水熱處理過(guò)程中的膨脹和隨后的崩解，導(dǎo)致水合力降低，造成淀粉糊化及吸水溶脹困難[17]。

圖1 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量油莎豆交聯(lián)淀粉的溶解度及膨潤(rùn)力

2.3 油莎豆原淀粉及交聯(lián)淀粉持水性、持油性、透明度及直鏈淀粉含量

由表2可知，與原淀粉相比較，交聯(lián)反應(yīng)后的油莎豆淀粉持水性提高，持油性降低，這是因?yàn)橛H水性磷酸基團(tuán)的引入使淀粉極性增強(qiáng)，親水能力增大[18]。淀粉分子中引入帶負(fù)電的磷酸基團(tuán)后由于產(chǎn)生靜電排斥作用，而減少了分子間作用力，從而促進(jìn)了水的吸收[19]。此外，親水性取代基團(tuán)的引入也降低了淀粉分子吸油性能。從表2中還可以看出，隨著STMP添加量的增加，油莎豆交聯(lián)淀粉的持水性與持油性均呈下降趨勢(shì)，這可能因?yàn)榻宦?lián)反應(yīng)不斷加強(qiáng)淀粉顆粒之間的結(jié)合作用，導(dǎo)致淀粉吸水和吸油受到抑制。

表2 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量油莎豆交聯(lián)淀粉的持水性、持油性、透光率及直鏈淀粉含量

交聯(lián)淀粉透明度隨著STMP添加量的增加逐漸下降，且遠(yuǎn)低于原淀粉。用STMP交聯(lián)處理后，淀粉分子的羥基間聯(lián)合起來(lái)形成多維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，淀粉經(jīng)糊化、冷卻后，光線穿過(guò)淀粉糊的能力減弱，因此糊液的透光率下降[20]。

與油莎豆原淀粉相比，淀粉經(jīng)過(guò)交聯(lián)之后直鏈淀粉含量呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)?？赡芤?yàn)橛捎诮宦?lián)反應(yīng)過(guò)程在堿性條件下，淀粉中的支鏈淀粉會(huì)發(fā)生部分降解，導(dǎo)致直鏈淀粉含量升高，此外，隨著STMP添加量的增加，淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生直鏈淀粉浸出，而且交聯(lián)淀粉的平均分子量明顯提高，致使淀粉直鏈含量降低[19]。

2.4 油莎豆原淀粉及交聯(lián)淀粉Brabender黏度性質(zhì)

表3反映了油莎豆原淀粉及交聯(lián)淀粉的糊化特性。隨著STMP添加量增加，淀粉糊峰值黏度呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，崩解值、回升值下降，其中崩解值主要反映淀粉糊的熱穩(wěn)定性，崩解值降低說(shuō)明交聯(lián)后淀粉糊的熱穩(wěn)定性提高；回升值反映淀粉老化的程度，回升值越小，凝膠性越弱，不易老化回生[11]。

表3 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量油莎豆交聯(lián)淀粉的Brabender黏度參數(shù)

交聯(lián)改性后的淀粉糊化溫度升高，說(shuō)明交聯(lián)反應(yīng)增加了淀粉顆粒的強(qiáng)度提高了淀粉的起糊溫度。當(dāng)STMP添加量2%時(shí)，油莎豆交聯(lián)淀粉不呈現(xiàn)糊化黏度特征值。相關(guān)文獻(xiàn)表明，當(dāng)?shù)矸畚催_(dá)到完全糊化溫度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分糊化現(xiàn)象，此時(shí)無(wú)峰值黏度、谷值黏度等特征值出現(xiàn)，加熱后淀粉出現(xiàn)上層渾濁不透明，下層為乳白色的分層現(xiàn)象[21]。袁立軍[22]在研究STMP交聯(lián)改性木薯淀粉時(shí)也發(fā)現(xiàn)了與本研究相似現(xiàn)象。淀粉熱糊黏度受直鏈淀粉浸出程度、直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成、溶脹顆粒之間的摩擦、顆粒膨脹以及浸出的直鏈淀粉與剩余顆粒之間對(duì)游離水競(jìng)爭(zhēng)的影響，而冷糊黏度很大程度上取決于浸出的直鏈淀粉在冷卻時(shí)的回生趨勢(shì)[23]，本研究發(fā)現(xiàn)交聯(lián)改性后的淀粉熱糊黏度和冷糊黏度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。

2.5 油莎豆原淀粉及交聯(lián)淀粉體外消化特性

表4為油莎豆原淀粉及交聯(lián)淀粉的體外消化特性，其中RS是不能被健康人體小腸消化吸收與酶解的淀粉，但可以穩(wěn)定腸道菌群。經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)后，RS含量明顯提升，原因是油莎豆淀粉交聯(lián)磷酸酯基后，形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和空間位阻，致使淀粉酶活性中心與淀粉結(jié)合受阻，抑制或降低了酶對(duì)淀粉糖苷鍵的水解作用，導(dǎo)致交聯(lián)淀粉的抗消化能力提高[24]。

表4 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量油莎豆交聯(lián)淀粉的體外消化特性

2.6 油莎豆原淀粉及交聯(lián)淀粉FT-IR

FT-IR光譜中R1 047/1 022 cm-1的吸光度比可測(cè)量淀粉雙螺旋的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和短程分子有序性的變化，比值越大表明淀粉的有序程度越高[27]。由圖2b可以看出低度交聯(lián)淀粉有序程度降低，當(dāng)STMP添加量為2%時(shí)淀粉的有序性較原淀粉提高，可能是因?yàn)榈徒宦?lián)時(shí)破壞了淀粉分子鏈間或內(nèi)部原有的氫鍵，導(dǎo)致淀粉分子中雙螺旋結(jié)構(gòu)的不規(guī)則排列或解旋。隨著STMP添加量的增加，更多的磷酸基團(tuán)以架橋的形式將淀粉分子結(jié)合起來(lái)，形成多維的空間結(jié)構(gòu)，分子間結(jié)合更加緊密，無(wú)定型區(qū)有序性增加。

2.7 油莎豆淀粉SEM

油莎豆原淀粉及不同STMP添加量的交聯(lián)淀粉顆粒形態(tài)如圖3所示。油莎豆原淀粉呈大小不一的橢圓形或卵形，表面光滑，隨著STMP添加量的增加，交聯(lián)后的淀粉顆粒邊緣變得模糊，表面出現(xiàn)凹痕。馬鈴薯交聯(lián)淀粉及木薯交聯(lián)淀粉研究中也觀測(cè)到了類似的情況，而且通過(guò)X-射線衍射證實(shí)交聯(lián)反應(yīng)不僅發(fā)生在淀粉無(wú)定形區(qū)，而且也破壞了淀粉分子的結(jié)晶區(qū)[27]。

圖3 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量油莎豆交聯(lián)淀粉的掃描電鏡(×5 000)

3 結(jié)論

油莎豆原淀粉經(jīng)過(guò)STMP交聯(lián)后，淀粉的持水性、抗消化性、抗老化性、淀粉糊穩(wěn)定性得以提高，當(dāng)STMP添加量為0.5%時(shí)，淀粉的峰值黏度較原淀粉提高，但隨著STMP添加量的增加峰值黏度降低甚至難以糊化。STMP交聯(lián)反應(yīng)降低了淀粉持油性、溶解度、膨潤(rùn)力、透明度，通過(guò)FT-IR觀察到隨著STMP添加量的增加，淀粉分子中—OH吸收峰強(qiáng)度逐漸減弱，間接證明了交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，去卷積圖譜顯示，當(dāng)STMP添加量為2%時(shí)淀粉的有序性較原淀粉提高，SEM顯示，交聯(lián)后的淀粉顆粒邊緣變得模糊，表面出現(xiàn)凹痕，推斷STMP與淀粉顆粒間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。不同STMP添加量對(duì)油莎豆淀粉理化性質(zhì)及外觀形態(tài)產(chǎn)生了較大影響，可根據(jù)交聯(lián)淀粉的不同理化特性應(yīng)用到不同工業(yè)中，其中低STMP添加量交聯(lián)淀粉糊黏度較高，且糊穩(wěn)定性較好，適合在布丁、色拉調(diào)味料等食品工業(yè)中作為增稠劑和穩(wěn)定劑，而較高STMP添加量交聯(lián)淀粉由于黏度較低甚至不糊化，可根據(jù)其性質(zhì)應(yīng)用到紡織和造紙工業(yè)中。