王文婷,高天辰,李 雪,李新雨,王 倩,周 靜

(宿州學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院,安徽 宿州 234000)

天然淀粉受其固有性質(zhì)的影響,存在消化性強、穩(wěn)定性差等缺點,往往達不到各行業(yè)的發(fā)展需求,因而,需要利用化學(xué)、物理、酶等方法處理獲得改性淀粉。目前,化學(xué)改性淀粉種類繁多,酯化改性是最常見的一種。檸檬酸通過脫水形成的酸酐與淀粉羥基反應(yīng)生成檸檬酸淀粉酯,具有穩(wěn)定性高、抗消化等特點[1,2]。

青麥仁是一種處于乳熟期、生長飽滿的小麥粒,含有豐富的蛋白質(zhì)、葉綠素、膳食纖維以及α、β兩種淀粉酶,有刺激人體消化、降低血糖的功效,是一種富含營養(yǎng)且深受喜愛的健康食品[2-4]。青麥仁通常用于制造全谷物鮮食蔬菜或餐桌食物,對于青麥仁淀粉改性制備與消化性能的探究鮮有報道。本文以青麥仁為原料,檸檬酸為酯化劑,提取青麥仁原淀粉后進行檸檬酸改性,制備檸檬酸淀粉酯,并探究其影響因素,分析其抗消化性能,對于提高青麥仁的綜合應(yīng)用價值具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試劑

市售青麥仁,豬胰α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶等購自合肥博美生物科技有限責任公司,NaOH、Na2SO3、CH3COONa、C2H5OH、酚酞等購自上海麥克林生化科技股份有限公司,均為分析純。

1.2 試驗方法

1.2.1 青麥仁淀粉的提取

參考封祿田等的方法[5]:0.6% Na2SO3浸泡25 h,除去浸泡液,清水洗凈后加入適量蒸餾水,用破壁法打漿并進行多次勻漿。將漿液過100目篩,隨后調(diào)節(jié)pH,4000 r/min離心10 min,去除上清液,反復(fù)離心,烘干后粉碎即得青麥仁淀粉。

1.2.2 檸檬酸酯化青麥仁淀粉的制備

參考王步樞等[6]的方法:配制質(zhì)量分數(shù)50%的檸檬酸溶液,用10 mol/L NaOH 溶液調(diào)節(jié)其pH值,稱取5 g淀粉充分混合,靜置12 h,45℃烘干至含水量10%左右,研磨成粉末狀,轉(zhuǎn)移至鼓風干燥箱,在一定溫度下反應(yīng)一定時間后,用蒸餾水多次清洗去除未反應(yīng)的檸檬酸,抽濾后50℃干燥,研磨粉碎后得到檸檬酸淀粉酯樣品。

1.2.3 取代度(DS)的測定

參考于密軍等[7]的方法:稱取0.5 g(m1)淀粉酯樣品和50 mL蒸餾水放入錐形瓶內(nèi),搖勻后添加3滴酚酞試劑,用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至微紅色。加入25 mL 0.5 mol/L NaOH溶液,50℃恒溫磁力攪拌器中皂化40 min,用0.5 mol/L HCl溶液滴定直至無色,鹽酸溶液的用量記為V1(mL)。

稱取0.5 g(m2)青麥仁原淀粉按以上步驟測定,記錄HCl溶液的消耗體積為V2(mL)。

按照下列公示計算取代度(DS):

其中,M代表檸檬酸取代基分數(shù);DS代表檸檬酸淀粉酯取代度;162為淀粉相對分子質(zhì)量;156為檸檬酸取代基相對分子質(zhì)量。

1.2.4 單因素試驗設(shè)計方法

在溶液pH值1.5、反應(yīng)溫度140℃、反應(yīng)時間6 h的條件下,設(shè)定檸檬酸與淀粉質(zhì)量比為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8;在檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.5、反應(yīng)溫度140℃、反應(yīng)時間6 h的條件下,設(shè)定溶液pH值為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0;在檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.5、溶液pH值2.0、反應(yīng)溫度140℃的條件下,設(shè)定反應(yīng)時間為4 h、5 h、6 h、7 h、8 h;在檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.5、溶液pH值2.0、反應(yīng)時間5 h的條件下,設(shè)定反應(yīng)溫度為110℃、120℃、130℃、140℃、150℃,按照1.2.2的方法得到檸檬酸酯化淀粉并分析各因素對取代度的影響。

1.2.5 響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化試驗方法

基于上述單因素試驗以及對試驗結(jié)果的分析,確定響應(yīng)面試驗因素與水平(表1)。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平

1.2.6 檸檬酸酯化青麥仁淀粉消化性能的測定

采用DNS法測定葡萄糖標準曲線[8]。以葡萄糖濃度為橫坐標,吸光度值為縱坐標繪制標準曲線,獲得方程:

y=0.9831x-0.0072(R2=0.9992)。

參考ENGLYST等[9]的方法測定檸檬酸酯化青麥仁淀粉的消化性能。準確稱取100 mg原淀粉和不同取代度的酯化淀粉(分別記為w1和w2),加入20.0 mL醋酸緩沖液,置于恒溫水浴振蕩器中37℃振搖20 min,加入2.0 mL酶液,以180 r/min的轉(zhuǎn)速搖動,計時。分別在反應(yīng)20 min和120 min后取出,加20.0 mL無水乙醇并冷卻定容到100 mL容量瓶內(nèi),測定其中還原糖含量,分別記為G20和G120,計算快消化淀粉RDS、慢消化淀粉SDS以及抗性淀粉RS百分含量。

式中,G20代表酶水解20 min產(chǎn)生的葡萄糖含量,G120代表酶水解120 min產(chǎn)生的葡萄糖含量,0.9代表葡萄糖含量轉(zhuǎn)化為淀粉含量的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 檸檬酸與淀粉質(zhì)量比對取代度的影響

圖1 檸檬酸與淀粉質(zhì)量比對取代度的影響

檸檬酸與淀粉質(zhì)量比對檸檬酸淀粉酯的取代度影響較大。檸檬酸與淀粉質(zhì)量比從0.4增加到0.5時,取代度增加了36.20%,并達到最大值;而當檸檬酸與淀粉質(zhì)量比從0.5增加到0.8時,取代度呈迅速下降趨勢,至檸檬酸與淀粉質(zhì)量比為0.8時,取代度下降了36.94%。因此,檸檬酸與淀粉質(zhì)量比為0.5時,檸檬酸淀粉酯的取代度最佳。

2.1.2 溶液pH對取代度的影響

溶液pH對檸檬酸淀粉酯的取代度產(chǎn)生較大的影響。溶液pH從1.0增大到2.0時,取代度增加了68.45%,并達到最大值;而當溶液pH從2.0增大到3.0時,取代度呈明顯下降的趨勢,至溶液pH為3.0時,取代度下降了53.48%。因此,溶液pH為2.0時,檸檬酸淀粉酯的取代度最佳。

圖2 溶液pH對取代度的影響

2.1.3 反應(yīng)時間對取代度的影響

反應(yīng)時間對檸檬酸淀粉酯的取代度影響較大。反應(yīng)時間從4 h增加到5 h時,取代度增加了41.50%,并達到最大值;而當反應(yīng)時間從5 h增加到8 h時,取代度下降明顯,至反應(yīng)時間為8 h時,取代度下降了33.76%。因此,反應(yīng)時間為5 h時,檸檬酸淀粉酯的取代度最佳。

圖3 反應(yīng)時間對取代度的影響

2.1.4 反應(yīng)溫度對取代度的影響

反應(yīng)溫度對檸檬酸淀粉酯的取代度產(chǎn)生較大的影響。反應(yīng)溫度從110℃上升到130℃時,取代度增加了59.78%,并達到最大值;而當反應(yīng)溫度從130℃上升到150℃時,取代度呈迅速下降的趨勢,至反應(yīng)溫度為150℃時,取代度下降了46.92%。因此,反應(yīng)溫度為130℃時,檸檬酸淀粉酯的取代度最佳。

圖4 反應(yīng)溫度對取代度的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

2.2.1 方差結(jié)果與分析

以單因素試驗為依據(jù),利用響應(yīng)面對各影響因素進行優(yōu)化。使用Design-Expert軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析,得到如下的擬合回歸方程:

DS=0.4862+0.0027A+0.0054B+0.0019C+0.0009D-0.0118AB+0.0045AC+0.0045AD+0.0035BC-0.0050BD-0.0068CD-0.0084A2-0.0274B2-0.0169C2-0.0254D2。

從方差分析的回歸模型顯著性檢驗中可看出檸檬酸淀粉酯的取代度受到檸檬酸與淀粉質(zhì)量比和溶液pH的極顯著影響,同時反應(yīng)時間也對其取代度產(chǎn)生了顯著影響。在二次項中,四個因素的二次項均對取代度產(chǎn)生了極為顯著的影響。在交互作用中,檸檬酸與淀粉質(zhì)量比和溶液pH、檸檬酸與淀粉質(zhì)量比和反應(yīng)時間、檸檬酸與淀粉質(zhì)量比和反應(yīng)溫度、溶液pH和反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度的交互作用均對取代度產(chǎn)生了極顯著影響,而溶液pH和反應(yīng)時間的交互作用也較顯著。

表2 回歸模型方差分析結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化分析

根據(jù)圖5所示,等高線圖均呈現(xiàn)出明顯的橢圓形,表明它們之間的交互作用是顯著的。同時,在檸檬酸與淀粉質(zhì)量比和溶液pH交互作用所呈現(xiàn)的三維圖形中,B傾斜方向比A更陡峭,故溶液pH對取代度的影響比檸檬酸與淀粉質(zhì)量比大,同理可得各因素對取代度的影響程度:溶液pH>檸檬酸與淀粉質(zhì)量比>反應(yīng)時間>反應(yīng)溫度。這與方差分析結(jié)果一致。

經(jīng)響應(yīng)面得到最優(yōu)的工藝條件為:檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.514、溶液pH 2.036、反應(yīng)時間5.080 h、反應(yīng)溫度130.125℃,此時檸檬酸淀粉酯的取代度預(yù)測值是0.487。為確保實驗操作的順利進行,對制備工藝進行必要調(diào)整:檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.5、溶液pH 2.0、反應(yīng)時間5.1 h、反應(yīng)溫度130℃,在此條件下,檸檬酸淀粉酯取代度0.481,相對誤差為1.25%,結(jié)果表明該響應(yīng)面優(yōu)化試驗具有可行性。

2.3 檸檬酸酯化青麥仁淀粉消化性能結(jié)果分析

從表3可以看出,隨著取代度的增加,檸檬酸淀粉酯的消化性呈現(xiàn)出差異,其中RDS和SDS的含量逐漸減少,而RS的含量則逐漸上升,當DS為0.312時,RS含量達到(77.32±1.67)%。這是由于檸檬酸與淀粉之間發(fā)生酯化反應(yīng),形成了一種交聯(lián)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致酶與淀粉間的結(jié)合受到阻礙,從而抑制了酶的水解作用,故生成還原糖的含量下降。取代度越大,形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)越緊密,從而使酶更難進入到淀粉內(nèi)部[10]。

3 討論和結(jié)論

隨著檸檬酸與淀粉質(zhì)量比的增大,青麥仁檸檬酸淀粉酯取代度呈先上升后下降。其原因可能是隨著檸檬酸分子數(shù)量的增加,淀粉分子中羥基被取代的數(shù)量也隨之增加,導(dǎo)致取代度的提高。而當檸檬酸分子數(shù)目增大到一定程度時,檸檬酸分子間的空間障礙會增大,使分子與淀粉中的羥基結(jié)合受到阻礙,導(dǎo)致取代度降低[11]。同時,實驗過程中發(fā)現(xiàn)添加較多的檸檬酸會使黏性增加,不易干燥完全,且產(chǎn)品黃色加重,也會對取代度有所影響。

隨著溶液pH增大,取代度呈先上升后下降。其原因可能是pH過低導(dǎo)致生成的檸檬酸淀粉酯酸解,而pH增大,酸性降低,不利于酯化反應(yīng)的進行。隨著反應(yīng)時間的增加,取代度呈先上升后下降可能是反應(yīng)時間過短,檸檬酸不易滲入淀粉顆粒內(nèi)部所致,僅在淀粉表面發(fā)生酯化反應(yīng),反應(yīng)效率低,故取代度相對較低,隨著反應(yīng)時間的增長,更多檸檬酸分子滲透到淀粉顆粒,反應(yīng)效率增大,即取代度增大,但反應(yīng)時間過長,淀粉會熱解,酯鍵斷裂[12,13]。

隨著反應(yīng)溫度的升高,取代度呈先上升后下降。其原因可能是高溫使檸檬酸相鄰兩個羧基分子內(nèi)脫水生成酸酐,與淀粉發(fā)生反應(yīng),從而形成檸檬酸淀粉單酯,當溫度繼續(xù)上升時,檸檬酸會進一步脫水與淀粉反應(yīng)形成檸檬酸淀粉雙酯,即高溫使酯化反應(yīng)進行的更徹底[14]。但是,如果溫度太高,則會引起淀粉的焦糖化,使得產(chǎn)物呈現(xiàn)更深的棕黃色,進而會對取代度產(chǎn)生影響[15]。

在以上單因素試驗的基礎(chǔ)上再采用響應(yīng)面優(yōu)化,最終確定最優(yōu)組合為檸檬酸與淀粉質(zhì)量比0.5、溶液pH2.0、反應(yīng)時間5.1 h、反應(yīng)溫度130℃,此條件下的取代度為0.481。經(jīng)過檸檬酸酯化處理后,青麥仁檸檬酸淀粉酯相比原淀粉消化性能低,且取代度越大,抗消化性越強。