陳江楓,藍(lán)煥師,梁露鋒,覃宇奔,胡華宇,甘 濤,張燕娟,黃祖強(qiáng)

(1.非糧生物質(zhì)酶解國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//廣西農(nóng)墾明陽生化有限公司//廣西農(nóng)墾明陽淀粉發(fā)展有限公司,廣西 南寧 530226;2.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西 南寧 530004)

乙?；矸哿姿狨?ADSP)是淀粉經(jīng)乙酰化和磷酸鹽反應(yīng)得到的一種酯化交聯(lián)變性淀粉[1]。與原淀粉相比,其分子鏈結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、流動性和耐酸性等都得到增強(qiáng)[2-3],應(yīng)用于肉類食品中,可提高加熱糊化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使淀粉和肉蛋白間結(jié)合力增強(qiáng),水分和膠質(zhì)更緊密結(jié)合,結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,因而提高了肉制品的保水性[4-5]。

目前ADSP生產(chǎn)工藝成熟,但主要采用濕法工藝制備[6-7],存在污水量大、不易回收、成本高等缺點(diǎn)。機(jī)械活化固相反應(yīng)是指在固相條件下,固體顆粒因機(jī)械力而受到剪切、摩擦、碰撞、沖擊等作用,能更好地混合、滲透、活化反應(yīng)物,并在短時間內(nèi)產(chǎn)生高激發(fā)態(tài)活性組分,從而提高化學(xué)反應(yīng)速率,縮短反應(yīng)時間,提高生產(chǎn)效率[8-9]。課題組前期研究結(jié)果表明,機(jī)械活化能有效破壞淀粉長鏈結(jié)構(gòu),降低黏度[10-11],因而采用機(jī)械活化法制備的ADSP有可能與傳統(tǒng)液相法產(chǎn)品性能存在極大差異,這為其在新領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用提供思路。陳淵等[12-13]研究采用機(jī)械活化淀粉制備乙?；p淀粉酯,但其是先機(jī)械活化淀粉再進(jìn)行交聯(lián)酯化反應(yīng),淀粉受機(jī)械力作用分子量顯著降低,因此所得到的淀粉酯產(chǎn)品冷糊黏度較低。

本課題以木薯淀粉為原料,乙酸酐為乙?；噭?三偏磷酸鈉為交聯(lián)劑,采用機(jī)械活化固相一步反應(yīng)法制備ADSP。以產(chǎn)品冷糊黏度為評價指標(biāo),分別研究機(jī)械活化時間、乙酸酐用量、交聯(lián)劑用量、機(jī)械活化溫度和球磨轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品黏度的影響,得出較優(yōu)的制備工藝條件。并采用XRD、SEM、FTIR等對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1 材料與方法

1.1 主要原料及試劑

木薯淀粉,食用級,廣西農(nóng)墾明陽淀粉發(fā)展有限公司;乙酸酐,分析純,成都市科龍化工試劑廠;三偏磷酸鈉,分析純,美國SIGMA-ALDRICH公司;無水乙醇,分析純,廣東汕頭西隴化工股份有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

DF-101B型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,鞏義市英裕予華儀器廠;NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì),長沙思辰儀器科技有限公司;Agilent8453E紫外-可見分光光度計(jì),安捷倫科技公司;UitimaIV組合型X-射線衍射儀,日本理學(xué)公司;S-570型掃描電子顯微鏡,日本日立公司;Nicolet IS 10型傅立葉變換紅外光譜儀,日本島津公司;TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀,美國FTC公司;自制球磨機(jī),參見文獻(xiàn)[14]。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1乙?；矸哿姿狨サ闹苽?/p>

準(zhǔn)確稱取30 g木薯淀粉(干基),乙酸酐為酯化劑,三偏磷酸鈉為交聯(lián)劑,一起放入球磨罐中,在一定轉(zhuǎn)速、溫度下反應(yīng)一定時間,產(chǎn)品經(jīng)分離、洗滌、干燥、粉碎后進(jìn)行分析。

1.3.2冷糊黏度測定

在150 mL燒杯中加入準(zhǔn)確稱量的定量淀粉樣品,加蒸餾水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的淀粉乳,并在燒杯口蓋上保鮮膜以防溶劑蒸發(fā),隨后將燒杯放在恒溫水浴中,沸水浴持續(xù)糊化20 min,并補(bǔ)水保持原有體積,冷卻至30℃恒溫,采用NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì),4#轉(zhuǎn)子,控制轉(zhuǎn)速12 r/min,測定其黏度。平行測定3次,取平均值[15]。

1.4 表征分析

采用X-射線衍射儀對不同淀粉樣品的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,掃描條件為:射線Cukα輻射,Ni片濾波,40 kV電壓,30 mA電流,在5°≤2θ≤40°之間連續(xù)掃描。采用掃描電子顯微鏡在放大倍數(shù)500、2 000下觀察并拍照,分析樣品的表面結(jié)構(gòu)。利用紅外光譜儀分析樣品的分子基團(tuán),分辨率4 cm-1,掃描范圍:400～4 000 cm-1[16-17]。

1.5 乙酰化二淀粉磷酸酯對魚丸品質(zhì)的影響

將冷凍魚糜解凍,加入占魚糜質(zhì)量20%的ADSP,再添加適量糖、味精、水,一起擂潰攪拌;攪拌后的魚漿灌入模具中成型,經(jīng)加熱處理后冷卻冷藏,得到魚丸。將魚丸切成25 mm×25 mm的圓柱體,在室溫下采用FTC TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行全質(zhì)構(gòu)分析,測試前校正高度35 mm,形變25%,觸發(fā)力0.2 N,穿刺距離12 mm,測試速度60 mm/s,平行測定三次。

1.6 數(shù)據(jù)處理

測定和分析結(jié)果采用Excel和Origin9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制,所有結(jié)果采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)械活化時間對產(chǎn)品冷糊黏度的影響

固定淀粉用量30 g,球磨轉(zhuǎn)速100 r/min,機(jī)械活化溫度30℃,三偏磷酸鈉用量為2%,乙酸酐用量為5%,考察機(jī)械活化時間對產(chǎn)品冷糊黏度的影響,結(jié)果如圖1所示。在30～90 min機(jī)械活化時間范圍內(nèi),ADSP的冷糊黏度先增后降,機(jī)械活化時間為60 min時最高。這是因?yàn)榈矸叟c交聯(lián)劑和乙酸酐進(jìn)行交聯(lián)酯化反應(yīng)的同時,還存在著交聯(lián)酯化淀粉的水解等副反應(yīng)。反應(yīng)開始階段,機(jī)械活化激發(fā)強(qiáng)化了淀粉及反應(yīng)試劑的活性,交聯(lián)酯化占主導(dǎo)地位,此時冷糊黏度上升;但隨著球磨時間的延長,機(jī)械力作用更多是破壞淀粉的長鏈結(jié)構(gòu),同時酯化反應(yīng)的進(jìn)行使體系含水量增大,副反應(yīng)增強(qiáng),產(chǎn)品易結(jié)塊,淀粉冷糊黏度下降。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,機(jī)械活化時間為60 min時對交聯(lián)酯化反應(yīng)較適宜。

圖1 機(jī)械活化時間對產(chǎn)品冷糊黏度的影響

2.2 酯化劑用量對產(chǎn)品冷糊黏度的影響

固定淀粉用量30 g,球磨轉(zhuǎn)速為100 r/min,機(jī)械活化溫度30℃,三偏磷酸鈉用量2%,機(jī)械活化時間60 min,考察乙酸酐用量對產(chǎn)品冷糊黏度的影響,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,酯化淀粉的冷糊黏度隨乙酸酐用量的增加呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢,當(dāng)乙酸酐用量為5%時,淀粉冷糊黏度最大。這是因?yàn)殡S著乙酰基含量增多,一方面減弱了淀粉分子間的氫鍵作用,另一方面淀粉鏈上接的極性?；鶊F(tuán)增多,增大了鏈枝杈數(shù),再加上交聯(lián)作用淀粉分子增大,提高了淀粉的稠度,淀粉的冷糊黏度增加。但因乙酸酐是酸性液體,用量過多會增大體系的濕度,導(dǎo)致球磨時易發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象,不利反應(yīng)進(jìn)行,而且淀粉體系pH值下降,淀粉發(fā)生水解,從而使淀粉的冷糊黏度急劇下降。因此,乙酸酐用量為5%比較合適。

圖2 乙酸酐用量對產(chǎn)品冷糊黏度的影響

2.3 交聯(lián)劑用量對產(chǎn)品冷糊黏度的影響

固定淀粉用量30 g,球磨轉(zhuǎn)速100 r/min,機(jī)械活化溫度30℃,乙酸酐用量5%,機(jī)械活化時間60 min,考察三偏磷酸鈉用量對產(chǎn)品冷糊黏度的影響,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,當(dāng)三偏磷酸鈉用量在一定范圍內(nèi)增大時,酯化淀粉的冷糊黏度先緩慢增大后明顯下降,在三偏磷酸鈉用量為2%時達(dá)到最大。這是因?yàn)檫m度的三偏磷酸鈉在淀粉進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)時,能夠抑制淀粉顆粒的膨脹和黏度降低,從而保持淀粉一定的冷糊黏度。但三偏磷酸鈉用量過多時,淀粉過度交聯(lián),會抑制淀粉顆粒的膨脹,淀粉無法完全糊化,導(dǎo)致淀粉的冷糊黏度下降[18]。因此,三偏磷酸鈉的用量2%時最佳。

2.4 機(jī)械活化溫度對產(chǎn)品冷糊黏度的影響

固定淀粉用量30 g,球磨轉(zhuǎn)速100 r/min,三偏磷酸鈉用量2%,機(jī)械活化時間60 min,乙酸酐用量5%,考察機(jī)械活化溫度對產(chǎn)品冷糊黏度的影響,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,隨著機(jī)械活化溫度的升高,酯化淀粉的冷糊黏度呈現(xiàn)先增加后下降趨勢。這是因?yàn)樯邷囟瓤梢蕴岣哂H核取代反應(yīng)的速率,有利于交聯(lián)酯化反應(yīng),使得淀粉的冷糊黏度升高。但溫度過高,副反應(yīng)速率加快,水解反應(yīng)速率大于交聯(lián)酯化反應(yīng)速率;而且溫度高時乙酸酐更容易揮發(fā)分解,造成參與反應(yīng)的乙酸酐減少,不利于反應(yīng)的進(jìn)行,導(dǎo)致淀粉的冷糊黏度下降。因此機(jī)械活化溫度以40℃為宜。

圖4 機(jī)械活化溫度對產(chǎn)品冷糊黏度的影響

2.5 球磨轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品冷糊黏度的影響

固定淀粉用量30 g,三偏磷酸鈉用量2%,機(jī)械活化時間60 min,乙酸酐用量5%,機(jī)械活化溫度40℃,考察機(jī)械球磨轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品冷糊黏度的影響,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,隨著機(jī)械球磨轉(zhuǎn)速的增大,淀粉酯化的冷糊黏度逐漸減小。這是因?yàn)榍蚰マD(zhuǎn)速的提高,淀粉受到的沖擊、剪切作用加強(qiáng),鏈分子變短,即使發(fā)生酯化反應(yīng)得到的產(chǎn)品也是短鏈分子居多,因此冷糊黏度下降明顯。由圖可看出,球磨轉(zhuǎn)速在100 r/min之前,酯化淀粉的冷糊黏度下降相對較慢,當(dāng)球磨轉(zhuǎn)速大于100 r/min后,黏度下降迅速,因此可以根據(jù)食品加工的實(shí)際情況選擇不同球磨轉(zhuǎn)速的交聯(lián)淀粉酯。一般情況下,取球磨轉(zhuǎn)速在100 r/min時較為適宜。

圖5 球磨轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品冷糊黏度的影響

2.6 XRD分析

淀粉的X-射線衍射圖譜分為A、B、C三種類型,各有其明顯特征峰,A型對應(yīng)的衍射圖譜在2θ為15°、17°、18°和23°處有較強(qiáng)衍射峰,B型是在2θ為5.6°、17°、22°和24°處有強(qiáng)的衍射峰,C型是A型和B型的混合[19]。在X-射線衍射圖譜中,明顯的尖峰代表淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu),彌散衍射峰代表淀粉的無定形結(jié)構(gòu),尖峰衍射越高,半峰寬越小,說明淀粉結(jié)晶度越高。圖6中,a表示原淀粉,b為100 r/min活化處理的原淀粉,c表示球磨100 r/min的ADSP。由圖6可以看出,木薯原淀粉在15°、17°、18°和23°處都有明顯的衍射峰出現(xiàn),屬于明顯的A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。對比原淀粉和機(jī)械活化淀粉,可以看到a與b形狀相似,但機(jī)械活化淀粉的尖峰變緩和,說明低轉(zhuǎn)速的機(jī)械球磨不會改變淀粉的結(jié)晶類型,但是低轉(zhuǎn)速機(jī)械活化使得淀粉的晶粒變小,結(jié)晶度變小。對比b、c可以得到,淀粉經(jīng)過交聯(lián)酯化后X衍射圖譜幾乎沒有變化,說明交聯(lián)酯化作用對淀粉的結(jié)晶類型沒有影響。

圖6 不同樣品的X-衍射曲線

2.7 SEM分析

圖7為不同樣品在放大倍數(shù)為500和2 000倍數(shù)下的掃描電鏡圖。圖中a1、a2是木薯原淀粉的電鏡圖,可以看出木薯原淀粉的顆粒大多呈圓形或者橢圓形,其棱角分明,大小不一,表面比較光滑,邊緣清晰,有很少部分的裂縫,沒有被破壞的現(xiàn)象,說明原淀粉表面完整。圖中b1、b2是球磨轉(zhuǎn)速為100 r/min的ADSP,與木薯原淀粉相比,顆粒表面較粗糙,有一定粘連,顆粒形貌變化明顯。說明機(jī)械活化使淀粉分子的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞,化學(xué)試劑與淀粉的混合更加均勻,也更容易進(jìn)入到淀粉分子的內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)酯化反應(yīng)。

圖7 不同樣品的掃描電鏡圖(1:×500;2:×2 000)

2.8 FTIR分析

如圖8所示,a表示原淀粉,b表示球磨100 r/min的ADSP。3 417 cm-1處為淀粉中游離-OH的伸縮振動特征峰;2 926 cm-1處為-CH2的伸縮振動吸收峰;1 001、1 089、1 174 cm-1分別是伯醇、仲醇、叔醇的C-O鍵的伸縮振動吸收峰。由圖8可以看出,ADSP相對于原淀粉,由原淀粉在1 638 cm-1的特征峰分裂為雙峰1 560 cm-1和1 653 cm-1,其中1 653 cm-1處的伸縮振動吸收峰為C=O的特征峰,在淀粉分子上引入了乙?；?其結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,證明發(fā)生了酯化反應(yīng)[13]。但是P-O-C鍵的伸縮振動特征峰在1 010 cm-1處,與淀粉分子的伯醇C-O鍵不容易區(qū)分開來,不能確定淀粉分子是否已經(jīng)與三偏磷酸鈉發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),這可能是因?yàn)榻宦?lián)程度較低,所以觀察不到新的交聯(lián)特征峰[20-21]。

圖8 不同樣品的FTIR圖

2.9 機(jī)械活化乙酰化二淀粉磷酸酯對魚丸品質(zhì)的影響

全質(zhì)構(gòu)分析又稱二次咀嚼實(shí)驗(yàn),是采用質(zhì)構(gòu)儀模擬人口腔咀嚼食物的運(yùn)動,連續(xù)兩次壓縮樣品,記錄應(yīng)力和時間對應(yīng)關(guān)系,并計(jì)算得出硬度、咀嚼性、彈性、膠黏性、內(nèi)聚性等性能指標(biāo)。傳統(tǒng)生產(chǎn)魚丸多采用形成凝膠能力較強(qiáng)的魚,如烏賊、海鰻和鯊魚等,價格較高,導(dǎo)致魚丸制作成本高,經(jīng)濟(jì)利益得不到最大化[22]。因此研究變性淀粉添加在魚丸加工中的質(zhì)構(gòu)特性具有重要意義。表1為原淀粉和交聯(lián)酯化淀粉對魚丸質(zhì)構(gòu)的影響,a為添加了原淀粉的魚丸,b為機(jī)械活化ADSP制備的魚丸。由表1可知,ADSP制備的魚丸硬度、咀嚼性、彈性和膠黏性降低,內(nèi)聚性有提高,這表明ADSP可改善魚丸的硬度和咀嚼性,對人的口感有提高;內(nèi)聚性的提高有助于魚丸產(chǎn)品的抗壓縮能力,對產(chǎn)品的保存和貯運(yùn)是有益的。

表1 添加不同淀粉樣對魚丸質(zhì)構(gòu)的影響

3 結(jié)論

(1)以木薯淀粉為原料,乙酸酐為乙酰化試劑,三偏磷酸鈉為交聯(lián)劑,采用機(jī)械活化固相法制備乙?；矸哿姿狨?以產(chǎn)品冷糊黏度為評價指標(biāo),分別研究機(jī)械活化時間、乙酸酐用量、交聯(lián)劑用量、機(jī)械活化溫度和球磨轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品黏度的影響,得出較優(yōu)的制備工藝條件為:木薯原淀粉30 g,機(jī)械活化時間60 min,乙酸酐用量5%,三偏磷酸鈉用量2%,機(jī)械活化溫度40℃,球磨轉(zhuǎn)速100 r/min,產(chǎn)品冷糊黏度為27 000 mPa·s。

(2)采用XRD、SEM、FTIR等對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。XRD分析結(jié)果表明,交聯(lián)酯化作用不會改變淀粉的晶型結(jié)構(gòu),機(jī)械活化作用可破壞淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu);SEM分析表明,機(jī)械活化破壞淀粉的顆粒形貌,交聯(lián)酯化也會改變淀粉顆粒表面的形貌;FTIR表明,淀粉成功發(fā)生了酯化反應(yīng),但由于交聯(lián)程度較低,不能確定交聯(lián)鍵的伸縮振動吸收峰。

(3)對制備的ADSP進(jìn)行魚丸應(yīng)用試驗(yàn),全質(zhì)構(gòu)分析結(jié)果表明,ADSP可改善魚丸的硬度和咀嚼性,并提高魚丸的內(nèi)聚性,這有助于改善魚丸的口感品質(zhì)和抗壓縮能力。