油莎豆辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备及结构表征

韩 墨， 樊 荣， 杨钰婷， 汪雨晴， 吴修利

(长春大学食品科学与工程学院，长春 130022)

油莎豆(CyperusesculentusL.)是集粮、油、牧、饲于一体的优质、高产、高效的经济作物。干油莎豆中淀粉高达25%～45%，油莎豆淀粉属于慢消化淀粉，作为低血糖生成指数食品，可维持餐后血糖稳定，有效减少餐后血糖负荷，提高机体对胰岛素的敏感性[1]。

辛烯基琥珀酸酐(octenyl succinic anhydride, OSA)，又称OSA淀粉酯，商品名为纯胶，由于在淀粉酯化反应时引入了疏水的辛烯基，润湿性增强，使整个淀粉分子具有两亲性，从而改善了天然淀粉耐湿性低、脆性大、与疏水聚合物不相容等缺陷，降低了糊化温度和焓，提高了溶胀力以及糊液黏度和透明度，在食品工业中有广泛的应用，尤其作为乳化剂、包封剂和脂肪替代物等方面[2]。

关于OSA改性不同来源的淀粉已得到广泛关注[3]。OSA淀粉酯目前已被用于生产抗性淀粉。抗性淀粉是健康人体小肠无法消化吸收、但能被结肠中微生物发酵分解的淀粉及其降解产物，具有比膳食纤维更优越的生理功能，对维护肠道健康和降低膳食后血糖浓度等有重要作用[4]。抗性淀粉分为四种类型，OSA淀粉酯属于化学改性抗性淀粉(RS4型)中的一种，研究发现以3% OSA改性的蜡质玉米淀粉经热湿处理后对于人体餐后血糖反应显著低于原淀粉[5]。

目前关于油莎豆OSA淀粉酯的研究鲜有报道。本研究以油莎豆淀粉为原料，选用水相法制备OSA淀粉酯。对OSA淀粉酯的糊液透明度、冻融稳定性、抗性淀粉含量和接触角进行分析，并对淀粉酯结构进行表征，旨在为油莎豆资源开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

油莎豆淀粉：实验室自制，脂肪含量：(0.100±0.053)%、蛋白质含量：(0.141±0.183)%；无水乙醇、氢氧化钠、盐酸：分析纯。

1.2 仪器与设备

UV-270 0型紫外可见分光光度计，NICOLETIS 5型傅里叶红外仪，SL200KS型接触角仪，JSM-6510LA型扫描电子显微镜，D2 PHASER A型X射线衍射仪。

1.3 方法

1.3.1 油莎豆OSA淀粉酯的制备

参考陆兰芳等[6]方法并做适当修改，将25.00 g油莎豆淀粉与去离子水配置成质量分数40%的淀粉乳，置于三口瓶中35 ℃恒温搅拌。在1 h内分别缓慢加入淀粉干基1%、2%、3%的OSA稀释液(用无水乙醇稀释2.5倍)，反应过程滴加2% NaOH溶液维持反应体系pH=8.5，反应2 h后用2%的HCl溶液调整体系pH=6.5终止反应。4 000 r/min离心10 min，弃去上清液，沉淀物依次用去离子水、95%乙醇洗涤各3次，45 ℃烘干，过150 μm筛，即得油莎豆OSA淀粉酯。

1.3.2 取代度(DS)的测定

采用滴定法[7]测定油莎豆OSA淀粉酯取代度。取代度(DS)和反应效率(RE)计算公式见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：W为检测样品质量/g，W1为辛烯基琥珀酸酐的质量/g；W2为油莎豆淀粉的质量/g；162.4为葡萄糖单位的相对分子质量；210为辛烯基琥珀酸酐的相对分子质量；C为NaOH浓度/mol/L；V为滴定消耗NaOH体积/mL。

1.3.3 油莎豆OSA淀粉酯性质检测

1.3.3.1 冻融稳定性检测

油莎豆OSA淀粉酯的冻融稳定性检测参考赵凯[8]等方法。将样品与去离子水配制成质量分数为5%(m/V)的淀粉乳，沸水浴搅拌糊化30 min，并加入去离子水保持淀粉糊原有体积。冷却至室温后将淀粉糊于离心管中，于-18 ℃条件下冷冻18 h。在室温下自然解冻6 h，4 000 r/min离心15 min，弃上清液，称量沉淀物质量。重复进行4 d，析水率计算公式见式(3)。

(3)

式中：m1为淀粉糊的质量/g；m2为沉淀物的质量/g。

1.3.3.2 透明度检测

油莎豆OSA淀粉酯的透明度参考陈燕芳等[9]方法并加以修改。将0.20 g样品与去离子水配制成质量分数为1%的淀粉乳溶液，在95 ℃水浴中加热搅拌30 min。冷却至室温后以去离子水为空白，用紫外可见分光光度计于620 nm处测定透光率。

1.3.3.3 抗性淀粉含量检测

油莎豆OSA淀粉酯抗性淀粉含量采用AOAC-DNS法[10]检测。以葡萄糖为标准物，DNS法绘制还原糖标准曲线，方程为y=1.678 08x+0.063 01(R2=0.999 34)。

抗性淀粉含量(RS)计算公式见式(4)。

(4)

式中：M为葡萄糖含量/g；W为分析样本的干重/g,干重=质量×(100-含水量)/100；0.1为待测液体积/mL；0.9为葡萄糖与脱水葡萄糖之间的换算系数。

1.3.4 傅里叶红外光谱(FT-IR)分析

采用KBr加压法。按1∶180比例将干燥的样品与光谱纯KBr研磨，压成透明薄片，在分辨率4 cm-1，400 0～400 cm-1范围进行全波段扫描，绘制红外光谱图。

1.3.5 扫描电镜分析(SEM)

测试前将样品50 ℃烘干至恒重，少量样品固定在导电胶上，真空镀金处理后置于扫描电子显微镜样品室中，对样品进行观察并拍照。

1.3.6 接触角的测定

采用KBr压片法将淀粉样品压制成圆片，以去离子水为检测液，进行接触角的测定。

1.3.7 X-射线衍射分析

采用X-射线衍射仪对淀粉的晶体结构进行分析。采用Cu-Kα射线(λ=1.542 Å)，电压40 kV，电流30 mA，扫描范围10°～40°，步长0.02°，扫描速率8.00(°)/min。

1.4 数据统计与分析

试验均重复测定3次，取平均值。采用SPSS20.0统计软件进行最小显著性差异(LSD)检验，利用Origin8.5软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同OSA添加量对油莎豆OSA淀粉酯取代度的影响

取代度反映了辛烯基琥珀酸淀粉酯修饰的程度，取代度越高意味着酯化程度越高。由表1可以看出随OSA用量的增加油莎豆OSA淀粉酯取代度增大，反应效率降低。这是因为OSA用量增大时，淀粉分子周围能够参与酯化反应的OSA分子增多，酯化程度增大，取代度增加。但当OSA用量增大时，需使用更多的稀释液和NaOH溶液来维持体系pH的稳定，稀释效应导致水不溶的OSA和淀粉相之间混合不充分，因此反应效率降低[11]。

表1 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯特征参数

根据淀粉消化率和水解时间，淀粉通常分为三个连续的消化部分：快速消化淀粉(<20 min)，慢消化淀粉(20～120 min)和抗性淀粉(>120 min)，消化率的差异归因于许多因素的相互作用，如淀粉颗粒大小、直链淀粉/支链淀粉比例、链长分布、结晶度和淀粉结晶类型，以及淀粉中OSA基团的数量和分布[12]。由表1可知，当OSA用量从1%增加到3%时，制备的油莎豆OSA淀粉酯的抗性淀粉含量呈明显上升趋势，不同反应程度的淀粉酯抗性淀粉含量均高于油莎豆原淀粉。Remya等[13]在比较OSA改性木薯淀粉和马铃薯淀粉制备RS4型抗性淀粉含量时也发现了类似的现象。经OSA反应后，酯化淀粉与淀粉葡糖苷酶和胰淀粉酶的非竞争性抑制剂的作用相似，并且由于淀粉分子中引入的OSA基团导致底物空间位阻效应和疏水环境，阻碍了与酶活性位点结合从而延缓了淀粉的酶解[14]，水解反应效率下降，抗性淀粉含量增加。

OSA淀粉酯具有优良的乳化分散性能，颗粒两亲性是判断颗粒能否稳定乳液的重要标准之一，颗粒能否在油水界面吸附取决于其润湿性，通过测定淀粉在空气-水界面上的接触角评价润湿性的大小[15]。油莎豆淀粉表面接触角为31.88°，与小麦淀粉(29°)、玉米淀粉(45°)、大米淀粉(48°)马铃薯淀粉(63°)相比较均介于15°～129°，形成的乳液可能是O/W类型[16]。随着酯化反应的增加，接触角逐渐增大。显然随油莎豆淀粉分子中引入OSA残基基团数量增加，部分亲水羟基被相对疏水的酯基取代，使酯化淀粉具有两亲性和界面性[17]，接触角变大。吴媛莉[18]等采用OSA对籽粒苋淀粉进行疏水改性制备OSA淀粉酯时也发现了同样的规律。

2.2 糊液透明度分析

从图1可以看出随着用于改性的OSA浓度的增加，淀粉酯糊液透明度逐渐增高。Bhosale等[19]在对改性的OSA糯玉米和苋菜淀粉研究过程也观察到了这种现象。辛烯基琥珀酸酰化引起的淀粉颗粒和分子结构的变化有利于淀粉颗粒中水分的渗透和吸收，导致淀粉颗粒更易膨胀，致使更多光穿过而非反射，因而糊液的透明度提高。

图1 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯糊液透明度

2.3 冻融稳定性分析

冻融稳定性能够反映出淀粉糊液经冻融循环后保持原有胶体结构的特性[20]。由图2可知油莎豆淀粉经过一个冻融周期后析出47.92%的水，这也说明油莎豆淀粉在冷冻存储过程中极易老化。随着OSA修饰油莎豆淀粉程度的增加，油莎豆OSA淀粉酯析水率均明显低于油莎豆淀粉，且析水率随OSA添加量增加逐渐降低，冻融稳定性逐渐增强。油莎豆淀粉分子中引入了疏水基团，可以阻止淀粉分子间氢键形成，大分子基团形成的空间位阻对淀粉中直链、支链分子的重排均造成影响，降低了游离水的析出，因此油莎豆OSA淀粉酯冻融稳定性优于油莎豆淀粉[21]。

图2 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯糊液冻融稳定性

2.4 FT-IR分析

图3 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯红外光谱图

2.5 SEM分析

图4显示油莎豆原淀粉颗粒表面光滑边缘清晰、较大颗粒为卵型，较小颗粒为完整球形。而油莎豆OSA淀粉酯颗粒形态特征基本无明显变化，这说明酯化反应没有影响淀粉颗粒尺寸的变化。淀粉酯颗粒表面边缘依旧清晰光滑，这可能与淀粉酯化程度较低、反应条件比较温和有关。但值得注意的是，酯化反应导致部分淀粉颗粒表面出现轻微腐蚀(箭头处)和细纹，但这些变化并不影响颗粒的原始形状[11]。这表明，油莎豆淀粉酯化反应没有破坏淀粉颗粒的形态结构，反应仅在表面进行，没有渗透到淀粉颗粒内部。而Remya等[13]在研究OSA对木薯淀粉和马铃薯淀粉进行改性时发现，反应后的木薯淀粉没有出现形态学的变化，而酯化后的马铃薯淀粉颗粒表面则出现了裂纹和细孔。

图4 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯扫描电镜图(×5 000)

2.6 X-射线衍射分析

由图5可知油莎豆淀粉在2θ衍射角15°、17°、18°和23°有强的衍射峰，说明其为典型的A-型结构，表明油莎豆淀粉颗粒是由结晶和非结晶两部分组成[25]。与油莎豆淀粉相比，随着OSA添加量的增加，油莎豆OSA淀粉酯X-射线衍射图谱没有明显区别，说明酯化反应主要发生在淀粉的非结晶区[26，27]，淀粉晶型结构并没有发生改变。电镜图上淀粉酯表面出现的轻微侵蚀也证实反应主要发生在淀粉颗粒的表面，该结果与Zheng等[12]的研究一致。

采用软件峰拟合法计算淀粉样品的相对结晶度，相比较油莎豆淀粉相对结晶度(30.13%)，1%、2%、3% OSA添加量的油莎豆OSA淀粉酯相对结晶度分别为26.79%、22.28%和19.45%，即随着取代度增高相对结晶度呈现下降趋势，这表明随着酯化反应进行部分淀粉晶体结构受到破坏。

图5 不同OSA添加量油莎豆OSA淀粉酯X-射线衍射图

3 结论

OSA修饰的淀粉与天然淀粉相比具有良好的功能特性。OSA淀粉酯的理化性质和结构与取代度有很大关联度，研究发现油莎豆OSA淀粉酯的取代度随OSA用量的增加而增大，反应效率与之相反。淀粉酯的糊液透明度随OSA添加量的增加而增高，冻融稳定性增强，糊液析水率低于原淀粉。OSA疏水基团的引入，导致淀粉酯接触角逐渐增大，受空间位阻效应和疏水环境影响，抗酶解能力提高，抗性淀粉含量增加。FT-IR光谱出现新吸收峰，证实OSA与油莎豆淀粉发生了酯化反应。X-射线衍射图谱显示油莎豆OSA淀粉酯保持典型的A-型结构，但相对结晶度随着OSA添加量的增大而下降，说明酯化反应过程中部分淀粉晶体结构受到了破坏，SEM显示油莎豆OSA淀粉酯部分颗粒表面出现了轻微腐蚀和裂纹。