有机酸-湿热复合处理土豆抗性淀粉的结构特性

周 慧 谢 涛 蒋朝晖 - 易翠平 -

(1. 长沙理工大学化学与生物工程学院，湖南 长沙 410015；2. 湖南工程学院化学化工学院，湖南 湘潭 411104)

有机酸-湿热复合处理土豆抗性淀粉的结构特性

周 慧1ZHOUHui1谢 涛2XIETao2蒋朝晖1JIANGZhao-hui1易翠平1YICui-ping1

(1. 长沙理工大学化学与生物工程学院，湖南 长沙 410015；2. 湖南工程学院化学化工学院，湖南 湘潭 411104)

通过改变淀粉浆浓度、酸的种类及浓度，经酸水解-湿热复合处理(AH-HMT)制备土豆抗性淀粉(AH-HMT RS3)，并研究了其结构特性的变化。结果表明：土豆淀粉经AH-HMT后，除其X-射线衍射图谱仍维持无酸湿热处理抗性淀粉(HMT RS3)的B-型不变外，其平均聚合度(DP)、比表面积(SSA)、微观形貌(MS)及相对结晶度(RC)都发生了或大或小的变化，高浓度酸比低浓度酸引起变性淀粉的平均聚合度与比表面积的降低，以及相对结晶度的增加更显著，但其表面微观结构的变化则要复杂得多。5种酸对土豆抗性淀粉结构的影响从大到小依次为柠檬酸、乙酸、琥珀酸、苹果酸和乳酸。

土豆抗性淀粉；有机酸-湿热复合处理；结构特性

淀粉被广泛应用于食品工业，既可作为主要原材料，也可作为食品添加剂。作为添加剂，淀粉在食品中可起增稠和稳定作用，也可改善食品的质构特征[1]。但是，原淀粉在工业上用途有限。化学和物理改性常被应用于生产具有特殊性质的变性淀粉产品。酸改性在不破坏淀粉颗粒结构情况下，改变了淀粉的理化特性。支链淀粉的短链簇(DP=15～17)构成淀粉结晶部分，酸水解优先发生在晶间区域，产生线性或轻度分支的短片段分子[2]。酸改性也能增加淀粉的溶解性和凝胶强度，降低淀粉的黏度[3]；酸水解还影响淀粉的黏弹性[4]。针对玉米、小麦、木薯、土豆和绿豆等淀粉，已进行过许多酸水解的研究[5-7]。利用湿热、剪切或射线等物理方法制得的改性淀粉，其可接受度更为广泛，因为生产过程中没有使用化学试剂[8]。淀粉的湿热处理是指在一定的温度范围(84～120 ℃)、一定的时间区段 (15 min～16 h) 内，在低湿含量水平(<35 g/100 g)下对淀粉颗粒进行处理的一种物理变性方法[9]。目前，已对玉米、小麦等多种淀粉进行过湿热处理制备改性淀粉的研究[10-11]。湿热处理通常能增加淀粉的糊化温度，缩小或拓宽其DSC热焓范围，改变其X-射线衍射图形、溶胀度和溶解度，以及随之发生的功能改变。

酸水解和湿热处理分别作为淀粉物理改性的手段已被广泛研究[12]，但酸水解结合湿热处理(AH-HMT)应用于土豆淀粉改性尚未见诸于报道。本试验拟阐明5种有机酸(柠檬酸、乙酸、琥珀酸、苹果酸和乳酸)-湿热复合处理对土豆淀粉结构特性的影响，为拓宽土豆淀粉的应用领域提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

土豆淀粉：四川友嘉食品有限公司；

柠檬酸、苹果酸、乙酸、琥珀酸和乳酸：食用级，国药集团化学试剂有限公司；

其他试剂均为分析纯；

电子分析天平：AVY120型，北京赛多利斯天平有限公司；

高压灭菌锅：YXQ-SG46-280S型，西北仪(北京)科技有限公司；

激光粒度分析仪：Mastersizer 2000型，杭州科晓化工仪器设备有限公司；

电子显微镜：S-3400N型，日本日立公司；

全自动X射线衍射仪：D/max2500型，北京理化赛思科技有限公司。

1.2 土豆抗性淀粉AH-HMT RS3的制备

参照Kim等[13]的方法，略做改动。称取适量土豆淀粉置于500 mL锥形瓶中，分散到水中制成淀粉乳(淀粉与水质量比为1∶3.5或1∶1)，分别加入柠檬酸、苹果酸、乙酸、琥珀酸、乳酸5种有机酸(0.25%和0.50%)，混合均匀，将混合淀粉乳液置于高压灭菌锅中110 ℃加热1 h。冷却至室温，储存在4 ℃的环境中12 h，再次循环，将产品置于40 ℃干燥箱烘干，粉碎，过120目筛，即得土豆AH-HMT RS3。

1.3 平均聚合度测定

参照文献[14]。

1.4 粒度分布测定

采用激光粒度分析仪(UK)，参照文献[15]的方法，并略做改动。称取淀粉样品500 mg分散在10 mL的蒸馏水中，并通过175 mm的筛网，不加任何外力(除去较大的团块)，收集的液体悬浮液涡旋混合5 s，以进一步分开附聚颗粒。样品分散液加到水的循环液中，直到15%～20%都被记录下来，循环液用20 kHz超声波处理30 s，除去大团块及附聚物，测定比表面积与粒径d(0.9)。

1.5 微观结构测定

将干燥样品用导电胶黏在样品座上，并置于离子溅射仪中，在样品表面蒸镀一层铂金膜后，再在S-3400N型扫描电子显微镜下进行观察与拍照。

1.6 结晶结构测定

采用连续扫描法，D/max2500型全自动X射线衍射仪测定条件：扫描速率12°/min，扫描范围5°～60°，步长0.04，管压40 kV，管流30 mA。软件Jade 6.5计算样品的结晶度。

1.7 数据处理

所有数据为3个平行试验的平均值，且采用SPSS 20.0进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 平均聚合度

在酸-湿热复合处理淀粉过程中，直链淀粉与支链淀粉分子都会发生断裂，而且酸对α-1,4-糖苷键和α-1,6-糖苷键没有选择性，因此支链淀粉发生的变化更为复杂多变。无酸和有酸-湿热复合变性土豆RS3的平均聚合度(DPs)见表1。在无酸加入时，淀粉浓度对湿热处理淀粉的平均聚合度影响不大。与无酸参与变性处理相比，无论淀粉乳浓度高或低，5种有机酸对土豆AH-HMT RS3的平均聚合度都产生了或大或小的影响，而且高酸浓度比低酸浓度引起变性淀粉的平均聚合度降低更显著。说明有机酸与湿热复合处理对土豆淀粉中的直链淀粉、支链淀粉发生了不同程度的降解作用，降解产物既包含来自支链淀粉分子的直链和支链，也有来自直链淀粉分子的直链[16]。但是，当有机酸浓度不变时，淀粉乳浓度高低对变性淀粉平均聚合的影响则有所不同。如柠檬酸或乙酸参与变性处理时，低浓度淀粉乳对土豆RS3的平均聚合度影响更大，而苹果酸、琥珀酸或乳酸参与复合变性时，结果正好与前两者相反。总体上，这5种有机酸中，以柠檬酸的影响最大，经它处理后的土豆淀粉分子链要更短些，其后依次为乙酸、琥珀酸、苹果酸和乳酸，它们对淀粉分子链的断裂作用可能与其酸性强度、羧基数以及其它基团的存在等有关。

表1 无酸和有酸-湿热处理土豆RS3的平均聚合度

Table 1 Average degree of polymerization of potato RS3 without and with acid and heat-moisture treatments

有机酸浓度/%m淀粉︰m水=1︰1m淀粉︰m水=1︰3.5无酸 0.00108±4105±3柠檬酸0.2559±247±10.5045±340±3苹果酸0.2565±188±60.5054±167±2琥珀酸0.2562±470±10.5050±362±2乳酸 0.2575±696±50.5066±280±3乙酸 0.2561±556±10.5052±145±2

2.2 粒度分布

无酸和有酸-湿热复合变性土豆RS3的粒度分布规律与其平均聚合度的变化规律非常一致，见表2。在无酸加入时，淀粉浓度对湿热处理淀粉的比表面积与d(0.9)的影响不大(P>0.05)。与无酸处理相比，无论淀粉乳浓度高低，高酸浓度比低酸浓度引起变性淀粉比表面积的降低、d(0.9)的增加更明显(P<0.01)。这是由于酸对淀粉的断裂作用越大，产生的短链分子越多，在低温处理过程中，短链分子更易取向发生重组或重排，从而聚集形成更大的颗粒。

2.3 微观结构

文献[17]报道，经湿热法制备的土豆RS3较之原淀粉发生了显著改变，颗粒状结构消失，取而代之的为不规则呈片层状堆积结构。土豆淀粉经酸-湿热复合处理制得的RS3的扫描电镜照片见图1。除柠檬酸0.50%与乙酸0.25%(m淀粉∶m水=1∶3.5)、乳酸0.25%(m淀粉∶m水=1∶1)处理得到的RS3为不规则片层的散乱堆积结构外，其余均为有规则的层状堆积结构，但层与层之间的贴合紧密度不尽相同。例如，柠檬酸0.50%(m淀粉∶m水=1∶1)，乙酸0.50%、琥珀酸0.50%、苹果酸0.25%与乳酸0.25%(m淀粉∶m水=1∶3.5)处理得到的RS3，层与层之间都有较大的间隙，其间填充有小的颗粒或片层起到支撑作用，但经乙酸0.50%处理得到的RS3，其层与层间的间隙则由垂直方向平行排列的片层支撑。其余情况下得到的RS3，其层与层之间贴合得都很紧密，但片层的质地、厚度各尽不同，表面浅沟宽度、深度不一。说明酸对湿热法制备的土豆RS3结构有着进一步的影响，且不仅是有机酸的浓度，酸的分子量大小、空间结构、电离情况均影响淀粉的微观结构。

表2 无酸和有酸-湿热处理土豆RS3的比表面积与d(0.9)Table 2 Specific surface area and d(0.9) of potato RS3 without and with acid and heat-moisture treatments

图1 土豆AH-HMT RS3的扫描电镜照片(×5 000倍)Figure 1 Scanning electron microphotographs of potato RS3 with acid and heat-moisture treatments

2.4 结晶结构

文献[18]报道，湿热处理所得土豆RS3的晶型为B-型，与原淀粉比，其相对结晶度变化不大。在本研究中，尽管有各种有机酸参与变性处理，但它们没有改变土豆RS3晶体原有的B-型结构，经酸-湿热复合变性处理得到的土豆RS3的相对结晶度比原淀粉和无酸湿热处理所得抗性淀粉的都有不同程度的增加(表3)，这与文献[9]和[18]报道的结果正好相反。然而，有研究[19-21]发现，太长的聚合链因熵高而容易受损断裂，而太短的链长则缺少形成稳定双螺旋结构所必需具备的最小长度。由此可见，在土豆淀粉复合变性过程中，由于酸的降解作用一方面能够形成一些适合形成稳定双螺旋结构所需链长的分子链，另一方面短链也能重新聚合形成稳定双螺旋结构所必需的链长，这样极有可能获得形成更稳定的结晶结构的能力，因而相对结晶度出现不同幅度的增加。而且，对土豆淀粉分子链的影响越大，其形成稳定双螺旋结构分子链的机率越高，相对结晶度也可能越高。

3 结论

5种有机酸(柠檬酸、乙酸、琥珀酸、苹果酸和乳酸)-湿热复合处理对土豆RS3的结构特性存在程度不一的影响，高浓度酸比低浓度酸的影响程度要显著些，对土豆淀粉结构的影响程度从大到小依次为柠檬酸、乙酸、琥珀酸、苹果酸和乳酸。淀粉乳浓度对土豆淀粉结构的影响则复杂得多，柠檬酸或乙酸变性处理时，低浓度淀粉乳对RS3的结构特性影响更大，而苹果酸、琥珀酸或乳酸变性处理时，结果正好相反。至于有机酸-湿热复合处理后土豆淀粉的结构特性的变化将对其功能特性有何影响，尚需进一步研究。

表3 无酸和有酸-湿热处理土豆RS3的相对结晶度Table 3 Crystallinities of potato RS3 without and with acid and heat-moisture treatments

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作者简介：颜辉(1971—)，男，江苏科技大学副教授，博士。 E-mail:yanh1006@163.com

收稿日期：2017—01—24

Structural Properties of Potato Resistant Starches Modified by a Combination of Organic Acid and Heat-moisture Treatments

(1.CollegeofChemistryandBiologyScience,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha,Hunan410015,China; 2.CollegeofChemicalEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan,Hunan411104,China)

Resistant starches from potato (RS3) were modified by acid hydrolysis combined with heat-moisture treatment (AH-HMT). The effects of changing the starch slurry concentration, the type of acid and its concentration on the structure of RS3 were also studied. The results showed that after AH-HMT, the X-ray pattern remained practically the same with only small changes in the average degree of polymerization (DP), specific surface area (SSA), microstructure (MS), and relative crystallinity (RC). Compared with untreated RS3, the decrease in DP and SSA and the increase in RC caused by high concentrations of acid were significantly greater than those caused by low concentrations of acid. However, the changes in the surface microstructure of RS3 were much more complex. The influence of the five types of organic acid studied on the structural properties of RS3 varied from strong for citric acid, followed by acetic acid, succinic acid, malic acid to weak for lactic acid.

potato resistant starches; combination of organic acid and heat-moisture treatments; structural properties

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.04.002

王磊，男，上海大学在读硕士研究生。

莫蓓红(1978—)，女，光明乳业股份有限公司高级工程师，硕士。E-mail：mobeihong@brightdairy.com

2017—02—05

镇江市重点研发计划——产业前瞻与共性关键技术(编号：GY2015006)