不同偏磷酸钠改性玉米淀粉的理化性质比较

司美双,栾茗然,张健雯,吴修利

(长春大学 食品科学与工程学院,吉林 长春,130022)

淀粉作为可生物降解和可再生高分子材料备受关注,但天然淀粉糊液存在不稳定、易老化等缺点,限制了其在食品工业中的应用,通过改性处理,可提高其应用范围。交联是常用的改性方法,交联剂作为生物聚合物分子间的桥梁,与淀粉分子发生羟基反应,从而使淀粉分子形成多维空间网络结构[1],加强了淀粉颗粒之间的结合作用,提高了淀粉糊和凝胶的黏度、抗剪切能力以及冻融稳定性[2]。

常用的交联剂有甲醛、三氯氧磷、环氧氯丙烷、三偏磷酸钠(sodium trimetaphosphate,STMP)等[3]。其中环氧氯丙烷效果好,但其具有毒性,易燃,且致畸、致癌,三氯氧磷、甲醛也具有一定毒性,生产过程中存在安全隐患,不宜用于食用变性淀粉的生产[4]。STMP属于食品级磷酸盐且无毒无害,作为原料制备的淀粉衍生物具有较高的食用安全性,被广泛应用于食品工业中,联合国粮农组织和世界卫生组织认为食用STMP无需制定每日允许摄入量[5]。相关研究表明以STMP为交联剂,制备芭蕉芋交联淀粉,改性后的淀粉具有良好的冻融稳定性、抗老化性、弹性及剪切稳定性[6]。六偏磷酸钠(sodium hexametaphosphate,SHMP)与STMP同为以P2O5为原料制备的偏磷酸钠盐,根据GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》,其也可作为稳定剂应用到淀粉中。但近些年对SHMP作为磷酸化剂改性淀粉的研究较少,郭耀东等[7]以SHMP改性马铃薯淀粉,产品经过改性后冻融稳定性、热稳定性、耐酸碱性能明显提高。但以2种磷酸盐制备淀粉磷酸酯进行理化性质对比分析目前还鲜有报道。

本研究以玉米淀粉为原料,分别采用STMP和SHMP改性玉米淀粉,并从反应机理上探究2种玉米淀粉磷酸酯理化性质的差异,为玉米淀粉磷酸酯应用到不同食品领域提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米淀粉,江苏味门食品有限公司;STMP、SHMP,西陇化工股份有限公司;HCl、H2SO4、HNO3,北京化工厂;猪胰α-淀粉酶(50 U/mg),Sigma-Aldrich公司;糖化酶(105U/g),大连美仑生物技术有限公司。化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TDL-5-1型低速离心机,上海安亭科学仪器厂;UV-2700型紫外可见分光光度计,岛津仪器有限公司;VISCOGRAPH-E型Brabender黏度仪,德国布拉班德(Brabender)公司;NICOLETIS 5型傅里叶红外仪,赛默飞世尔科技有限公司。

1.3 研究方法

1.3.1 淀粉磷酸酯的制备及结合磷含量测定

参考李明宇[8]的方法制备玉米淀粉磷酸酯,将淀粉配制成质量浓度为400 g/L的淀粉乳,调节pH至10.5,分别加入淀粉质量干基0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的STMP及SHMP,45 ℃充分反应2 h。反应结束后调节pH至6.5,用蒸馏水反复洗涤3次,抽滤,45 ℃干燥,过0.15 mm筛,得到淀粉样品,参考GB 5009.87—2016《食品安全国家标准 食品中磷的测定》进行结合磷含量的分析。

1.3.2 Brabender黏度曲线测定

将60 g/L淀粉乳100 mL置于测试杯中,混合均匀,设置样品从30 ℃开始,以5 ℃/min的速率升温至95 ℃,保温5 min,再以同样的速率冷却至50 ℃,保温5 min,测定样品糊化过程。

1.3.3 冻融稳定性及透明度测定

参考李玉娥等[9]的方法,冻融稳定性用析水率来表示,配制40 g/L淀粉乳,沸水浴30 min后冷却,取10 mL于15 mL离心管中,放入-18 ℃冰箱中24 h,室温下解冻,3 000 r/min离心20 min,去除上清液,称量沉淀物质量,计算析水率。透明度用透光率表示,将10 g/L淀粉乳置于沸水浴中加热30 min,冷却后,以蒸馏水为空白,在620 nm波长下测定其透光率,如公式(1)所示:

(1)

式中:m1,淀粉乳质量,g;m2,沉淀物质量,g。

1.3.4 溶解度及膨润力测定

参考秦维[10]的方法,略作改动。将20 g/L的淀粉乳置于90 ℃下水浴30 min,处理后冷却到室温,4 000 r/min离心10 min。溶解度和膨润力分别按公式(2)和公式(3)计算:

(2)

(3)

式中:m0,淀粉样品质量,g;m1,上清液干重,g;m2,离心后沉淀物质量,g。

1.3.5 淀粉抗消化性测定

参考薛慧等[11]的AOAC-DNS法测定淀粉的抗消化性,抗性淀粉含量按公式(4)计算:

(4)

式中:M,葡萄糖含量,g;W,分析样品的干重,g;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。

1.3.6 傅里叶变换红外光谱分析

样品烘至恒重后与干燥KBr充分混合,压片成型进行检测,检测波数范围400～4 000 cm-1。

1.3.7 数据处理

用Origin 2018作图,用SPSS 23中Duncan检验进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 玉米淀粉磷酸酯结合磷含量

淀粉磷酸酯取代程度通常可用结合磷或沉降积来表示,取代度大小与结合磷,呈正相关而与沉降积呈线性负相关[12]。由图1可知,随着STMP和SHMP用量的增加,2种淀粉结合磷含量均增大,可能是因为单位体积磷酸盐浓度的增大使其与淀粉的接触几率增多,促使参与反应的分子相对增加。方志林[13]和杨文英等[14]研究结果中,马铃薯淀粉经磷酸盐改性处理制备磷酸酯淀粉时,沉降积间接呈现出的取代度变化规律与本研究一致,即随2种磷酸盐用量增加,沉降积均呈现逐渐减小趋势。

图1 STMP/SHMP用量对玉米淀粉磷酸酯结合磷含量的影响

淀粉1个羟基酯化为磷酸盐时,形成淀粉磷酸单酯,而淀粉2个羟基被同一磷酸盐酯化,则形成的是淀粉磷酸双酯,淀粉磷酸双酯属于交联淀粉[15]。添加相同量的STMP和SHMP,前者生成的淀粉磷酸酯结合磷含量明显高于后者。何传波[16]应用STMP作为交联剂得到的主要是淀粉磷酸双酯,而应用SHMP得到是淀粉磷酸单酯。

2.2 黏度参数分析

淀粉磷酸双酯会随结合磷含量增加糊化温度上升[5],而淀粉磷酸单酯则会使淀粉糊化温度降低[17]。由表1可以看出,随着STMP含量的增加,淀粉磷酸酯糊化温度呈上升趋势,这是因为交联反应增加了淀粉颗粒强度,提高了糊液的起始糊化温度。田龙等[15]将小麦淀粉与STMP交联反应,生成物为以淀粉磷酸双酯为主的单酯和双酯混合物,且含量随着反应条件的改变而不同[15]。这也是相比较原淀粉,糊化温度先降低后升高的原因。而SHMP呈下降趋势,可能与反应生成较多的淀粉磷酸单酯有关。

表1 Brabender黏度曲线特征值

在磷酸盐添加量为0.5%时,STMP淀粉磷酸酯糊液峰值黏度、热糊黏度(95 ℃保温5 min)和冷糊黏度(50 ℃保温5 min)均高于原淀粉及SHMP淀粉磷酸酯,且随着磷酸盐含量的增加,淀粉糊各黏度特征值逐渐降低,这是因为交联反应程度较低时,抑制了淀粉团粒可溶物的溶出,增强了淀粉团的机械强度,提高了淀粉糊黏度。随着磷酸盐的增加,伴随氢键的破坏和交联键的生成,进一步抑制了淀粉的溶胀,淀粉黏度开始下降,甚至淀粉糊化困难,黏度较原淀粉显著降低,这与寇婷婷等[18]的研究结果一致。袁立军[19]在研究STMP木薯交联淀粉时也发现同样的变化规律。SHMP淀粉磷酸酯黏度较原淀粉增加,磷酸化反应之后,淀粉产物的亲水性增强,颗粒容易吸水膨胀,导致胶体溶液中分散相的总容积增大,淀粉黏度升高[17]。

STMP淀粉磷酸酯的崩解值、回升值低于原淀粉且随STMP用量增加而减小,说明反应提高了STMP淀粉磷酸酯的热糊稳定性及冷糊稳定性,而SHMP淀粉磷酸酯的崩解值、回升值不但没有降低甚至略有提高,说明淀粉SHMP改性后没有改善淀粉的老化性质,老化速率在磷酸化后反而增加。

2.3 溶解度和膨润力分析

淀粉溶解度反映的是淀粉糊化时在水中的溶解能力[20],膨润力反映淀粉与水之间相互作用的大小,在热膨胀过程中的吸水能力可用膨润力大小来表示[21]。如图2所示,改性后STMP淀粉磷酸酯溶解度及膨润力较原淀粉出现先升高后降低趋势,可能因为STMP添加量较低时有少量单酯生成,随着STMP的增加主要生成淀粉磷酸双酯。淀粉分子链之间产生交联,导致分子链之间相互干扰的机会增多[16]。SHMP改性后淀粉的溶解度及膨润力高于原淀粉,因为水分子在反应后能更好地渗透到淀粉颗粒中,有利于淀粉分子的浸出,另外淀粉磷酸单酯的形成可以提高淀粉的溶解度及膨润力[22]。随着SHMP含量的增加,淀粉的溶解度及膨润力呈下降趋势,因为随着磷酸盐用量增加,出现淀粉磷酸双酯生成,交联键的形成会降低淀粉颗粒膨胀度,抑制淀粉浸出,导致溶解度及膨润力下降[23]。相同磷酸盐含量下STMP淀粉磷酸酯的溶解度与膨润力远低于SHMP淀粉磷酸酯。证明SHMP淀粉磷酸酯主要为单酯,而STMP淀粉磷酸酯主要为双酯。

a-溶解度;b-膨润力

2.4 冻融稳定性和透明度分析

淀粉在冻融过程中重塑了水分子在淀粉糊液和淀粉凝胶间的分布,淀粉糊的析水率越低,冻融稳定性越好。由图3可知,与原淀粉相比,淀粉磷酸酯冻融稳定性均有所提高,在相同磷酸盐添加量的条件下,SHMP玉米淀粉磷酸酯的稳定性高于STMP玉米淀粉磷酸酯。反应过程引入了磷酸根负离子基团,无论淀粉链空间障碍还是电荷斥力作用,均导致淀粉分子不易重新排列和相互缔结,由于淀粉分子间不易取向形成氢键,淀粉糊液的分散体系相对稳定,所以其结构不论冻、融都不容易受到破坏,促使淀粉糊冻融稳定性提高[9,24]。

a-析水率;b-透光率

淀粉糊的透光率越高意味透明度越好。由图3可知,STMP淀粉磷酸酯透明度较原淀粉降低,且随着磷酸盐添加量的增加呈降低趋势,这是因为STMP淀粉磷酸酯主要以磷酸双酯为主,由于STMP与淀粉产生的交联作用,导致分子质量增大,阻碍了光的透射量,光散射增强,从而使淀粉糊液透光率降低[25]。而SHMP淀粉磷酸酯的透明度高于STMP淀粉磷酸酯及原淀粉,这可能与SHMP与淀粉反应生成的主要产物为淀粉磷酸单酯有关。淀粉磷酸单酯为淀粉阴离子衍生物,存在静电斥力,使淀粉分子链间不易取向形成氢键,光透过淀粉糊产生的折射会减小,因此透光率升高。

2.5 抗消化性分析

由于抗性淀粉在小肠中不能被酶解,只在大肠中被微生物发酵产生短链脂肪酸,因而对于改善肠道环境具有积极作用[26]。由图4可知,随着STMP和SHMP的增加,2种淀粉磷酸酯的抗性淀粉含量不断增加,且明显高于原淀粉,相同磷酸盐添加量的STMP淀粉磷酸酯抗性含量高于SHMP淀粉磷酸酯。改性反应中,磷酸根基团引入淀粉分子中生成磷酸酯,形成一定的空间位阻,阻碍了酶分子攻击,而STMP淀粉磷酸酯更多的磷酸双酯使淀粉分子的羟基间联合起来,形成空间的网状结构使淀粉颗粒内部架构得到保护[27]。而另一方面,随着磷酸盐的增加,淀粉分子的羟基不断被取代,形成团粒状结构,使淀粉酶不能充分与底物淀粉链的结合位点接触,所以导致抗消化性提高[4]。

图4 玉米淀粉磷酸酯及原淀粉的抗性淀粉含量

2.6 红外光谱分析

a-红外谱图;b-去卷积红外谱图

淀粉在(1 047/1 022)cm-1峰强度比值R表示淀粉分子在短程范围内的结晶程度和晶体有序性,以表明淀粉无定形态的减少或有序结构的增加,其比值越大,颗粒内有序度越高,结构更趋于稳定[30]。对红外光谱800～1 200 cm-1谱段进行去卷积处理,如图5-b所示。与原淀粉相比,淀粉磷酸化反应提高了淀粉内部的有序程度,且2.0%添加量STMP淀粉磷酸酯有序度高于2.0% SHMP淀粉磷酸酯,主要因为STMP反应过程中磷酸基团以架桥的形式将淀粉分子结合起来,形成了多维的空间结构,使分子之间结合得更加紧密,结晶排列有序性增加[29]。

3 结论与讨论

STMP和SHMP制备的玉米淀粉磷酸酯,在Brabender黏度特性、溶解度、膨润力及透明度等性质方面存在较大差异。与原淀粉相比,STMP玉米淀粉磷酸酯起始糊化温度先下降后上升,黏度呈现先增加后降低的趋势,淀粉糊的热稳定性与冷稳定性较原淀粉均有提高,而SHMP玉米淀粉磷酸酯的起始糊化温度均低于原淀粉,淀粉糊黏度均高于原淀粉,并随着SHMP增加各黏度值变化较稳定;SHMP玉米淀粉磷酸酯的溶解度、膨润力及透明度均高于原淀粉及STMP玉米淀粉磷酸酯;2种玉米淀粉磷酸酯冻融稳定性和抗性淀粉含量均高于原淀粉;通过红外光谱去卷积处理,可知交联反应提高了淀粉内部的有序程度,且STMP玉米淀粉磷酸酯有序度高于SHMP玉米淀粉磷酸酯。

淀粉磷酸单酯具有透明度、溶解度、膨润力、黏度高和糊化温度低的特点,而淀粉磷酸双酯会降低淀粉的透明度、溶解度、膨润力,并使糊化温度升高[31-32]。孙平等[33]研究发现,玉米淀粉经过STMP交联后,产物为磷酸单酯和双酯混合物,其中以磷酸双酯为主。于浩[34]研究指出,在磷酸酯淀粉的生产及应用中,STMP可用来制备淀粉磷酸双酯,而SHMP常用于制备淀粉磷酸单酯。本研究中STMP和SHMP改性的淀粉磷酸酯性质分别符合淀粉磷酸双酯和淀粉磷酸单酯特征,结果与上述学者研究相一致。