氧化交聯甘薯淀粉的性質研究及結構表征

劉 超，王春艷，鐘 耕，2，*，孟凡冰

（1.西南大學食品科學學院，重慶400716；2.重慶市特色食品研究工程中心，重慶400716）

氧化交聯甘薯淀粉的性質研究及結構表征

劉 超1，王春艷1，鐘 耕1，2，*，孟凡冰1

（1.西南大學食品科學學院，重慶400716；2.重慶市特色食品研究工程中心，重慶400716）

采用氧化交聯對甘薯淀粉進行改性處理，提高了淀粉的白度，改善了淀粉糊的穩定性和抗老化性，并對改性淀粉的結構進行表征。研究結果表明：淀粉變性后，淀粉糊凍融穩定性提高，凝沉性減弱，抗老化性能較強；變性淀粉粘度變化較小，且具有較好的耐酸性能，但是耐堿性較差；具有很好的抗剪切性；抗酶解性能增強。氧化交聯乙?；憾犭p淀粉酯在1729cm-1處產生了新的吸收峰，并確定該吸收峰為酯羰基的伸縮振動峰。利用掃描電鏡和X射線衍射分析，表明甘薯淀粉的改性沒有改變其晶體結構，交聯反應基本發生在淀粉顆粒的無定形區。

甘薯淀粉，改性，性質，結構，研究

淀粉作為一種可再生天然資源，已成為重要的工業原料。甘薯［Lpomoea batatas（L.）Lam.；sweet potato］在我國種植區域廣、產量大，是一種富含淀粉的植物，淀粉含量可高達30%左右（如豫薯王［1］），甘薯中提取的淀粉可生產粉絲、變性淀粉、淀粉糖、檸檬酸等產品［2-4］。淀粉能與多官能團試劑起酯化交聯反應［5-6］，如三偏磷酸鈉、甲醛、混合酸酐等。不同交聯劑的酯化存在差別，如醋酸酐和己二酸的混合酸酐與淀粉反應得到的是乙?；矸奂憾狨?，具有良好的增稠、穩定及粘結性能，適用于不同食品加工中應用［7］。目前，對淀粉磷酸、醋酸酯的研究較多，而對交聯淀粉酯（乙?；憾犭p淀粉酯）的研究較少，尤其是缺乏對甘薯淀粉乙?；憾犭p淀粉酯的研究。交聯淀粉的交聯程度對淀粉的性質影響很大，實驗發現，較低交聯程度的乙?；憾犭p淀粉酯淀粉糊具有良好的熱穩定性能、凝膠性能和凍融穩定性能［8］。由于甘薯中含有多酚氧化酶（polyphenoloxidase，PPO）和還原糖［9-10］，在甘薯原淀粉（native starch，NS）生產過程中，淀粉色澤易變暗，加工適應性下降，制約了它的進一步深加工和應用［11-13］。本實驗使用雙氧水作氧化劑，適度處理甘薯淀粉增白工藝，雙氧水在反應后產物為水，不產生污染，是較為理想的綠色工藝［14］。甘薯淀粉氧化交聯（modified starch，MS）后淀粉色澤變白，而且抗老化性、凍融穩定性也得到改善，解決了制約甘薯淀粉應用的主要因素，同時擴大了甘薯淀粉的應用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘薯淀粉 市購食用甘薯淀粉，水分含量11.2%，經乙醇、乙醚、蒸餾水等洗滌后，在40℃通風干燥，備用；氫氧化鈉、鹽酸、濃硫酸、磷酸氫二鈉、雙氧水、醋酸酐、葡萄糖淀粉酶（EC3.2.1.1，美國SIGMA公司）等 所用化學試劑除注明外，均為分析純。

全自動測色色差計 TC-P2A，北京奧依克儀器公司；差示掃描量熱儀 NETZSCH DSC200F3，德國耐馳儀器制造有限公司；X-射線衍射儀 X’Pert PRO，荷蘭帕納科公司；高速冷凍離心機 GL-20G-II型，上海嘉鵬科技有限公司；掃描電子顯微鏡1000BSEM，AMRAY公司；傅里葉紅外光譜分析儀Spectrum100，美國Perkin Elmer公司；Visco-Amylo-Graph微型糊化粘度儀 德國布拉班德公司；數字式粘度計 SNB-1型，上海精密儀器有限公司；酸度計HANNA 211，意大利HANNA公司；電子天平FA1004型，上海精科天平廠；可見光分光度計721，上海菁華科技儀器有限公司；磁力加熱攪拌器79-1型，江蘇金壇金城國勝實驗儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 氧化交聯淀粉的制備 配制40%（質量分數，下同）的淀粉乳，用 3%氫氧化鈉調節 pH為10.0～11.0，添加淀粉質量分數4.0%～4.5%的過氧化氫，在35～38℃溫度下反應3～3.5h，反應完成后過濾；調節pH為9.0～9.5，混合酸酐交聯劑（已二酸∶醋酸酐=1∶30，質量分數）用量為淀粉（d.b.）質量分數的3.5%～4.0%，反應溫度40.0～45.0℃，反應時間2h，所得產品經過濾、洗滌、干燥，得成品。

經測定［15-17］，氧化甘薯淀粉的白度為98.94（L*值），原淀粉的白度為88.38（L*值），改性淀粉的白度變化顯著（p＜0.05），氧化淀粉的羧基含量為0.0638%；復合變性淀粉的乙?；繛?.11%，上清液體積達到7.3mL。

1.2.2 淀粉糊特性的測定［18］采用Brabender粘度計測定淀粉糊的粘度曲線。將淀粉（d.b.）配制成6%（w/v）的淀粉溶液，倒入粘度計的測量杯中，充分攪拌。從30℃開始升溫，以3℃/min的速率加熱到95℃，保溫30min，再以3℃/min的速率冷卻到50℃，在此溫度保溫30min。

1.2.3 淀粉糊凍融穩定性的測定［19］配制 6%（w/v，d.b.）的淀粉溶液，于沸水浴中加熱攪拌20min，冷卻，用熱水調整糊至起始質量，取10mL淀粉糊液于離心管中，在-15℃冰箱內放置24h，取出自然解凍，在3000r/min下離心20min，去上清液（若無水析出，則反復凍融直至有水析出），稱取沉淀物質量，計算其析水率。

1.2.4 淀粉糊透光率與凝沉性的測定［20］配制1%（w/v，d.b.）的淀粉乳液，在沸水浴中攪拌30min，快速冷卻至25℃，用熱水調整至起始質量，以蒸餾水作參比，在650nm波長下測定其透光率T1。靜置24h后，再測定上層清夜的透光率T2，其差值表示凝沉程度。

1.2.5 淀粉糊抗老化性的測定［21］將樣品調制成3%（w/v，d.b.）的淀粉乳，在95℃水浴中加熱并攪拌30min，然后測定其粘度，再將樣品冷卻至室溫測定其冷粘度。在室溫下將樣品靜置3、5、7d，分別測其粘度。最后重新升溫后再測定其熱粘度，計算粘度的變化。變性淀粉的冷熱黏度差值和放置一定時間后的黏度變化都可以表示其抗老化性，冷熱差值越大，黏度穩定性越差，其抗老化性越差；反之，則抗老化性越強。

1.2.6 淀粉糊抗酸、抗堿穩定性的測定［22］將濃度2%的淀粉乳調配成pH4.0、6.0、8.0、10.0、12.0的乳狀液，在沸水浴中充分糊化后冷卻至室溫，修正溶液pH，以30r/min的轉速測定各種淀粉糊的粘度。

1.2.7 淀粉糊抗剪切特性的測定［22］將淀粉樣品配成3%的糊液，在25℃溫度下以1000r/min的剪切速率進行攪拌，每隔10min用粘度計測定糊的表觀黏度，由糊粘度隨剪切時間延長下降幅度判斷抗剪切能力。

1.2.8 淀粉的酶解率測定［23］1.00g淀粉（W）溶于30mL磷酸緩沖液（0.2mol/L，pH6.0），沸水浴中加熱30min，待冷卻到25℃后加入320單位α-淀粉酶。65℃ 搖床內酶解3.5h后，用5mL 1.0%（w/v）硫酸終止酶解反應，離心后用80%乙醇洗滌未被酶解產物，再次離心后于80℃烘箱內將沉淀物干燥至恒重（P），同時每個樣品在不加酶條件下做同樣操作以?？扇苄蕴牵ˋ）。淀粉酶解率表示為酶解后淀粉減重率，按下式計算：

1.2.9 淀粉顆粒形態觀察［24］SEM實驗條件：用導電膠將樣品粘貼在樣品臺上，離子濺射金膜約30min，之后用AMRAY-1000BSEM觀察并拍照。

1.2.10 變性淀粉的紅外結構表征［25］測試樣品采用溴化鉀壓片法，在Spectrum100型FT-IR儀器上測定，掃描波數范圍4000～400cm-1，分辨率為4cm-1，掃描64次后平均值得到紅外光譜圖。

1.2.11 晶體結構觀察 X射線衍射［26］用荷蘭帕納科公司X′Pert PRO型衍射儀對淀粉進行衍射圖譜繪制。X-射線衍射條件為：X-射線源，Cu靶，濾波片：石墨單色器，管壓40kV，管流40mA，發散狹縫DS= 1°，接收狹縫RS=0.15mm，散射狹縫SS=1°，掃描速度4°/min，步寬2θ=0.03°，掃描范圍3.5～40°。

1.2.12 熱 力 學 性 質 測 定［27］用 NETZSCH DSC200F3型差示掃描量熱分析儀測定。具體步驟為：用十萬分之一電子天平精確稱取7.5mg淀粉樣品，置鋁盒中，加2.5mL蒸餾水，然后用配套鋁蓋密封，室溫平衡1h，以10℃/min的加熱速率使鋁盒溫度從30℃上升到100℃。以密封空白鋁盒作為對照。每樣品重復測定2次。采用配套分析程序PC Series DSC-7Multi-tasking Software Version2.1記錄并計算吸熱曲線上的起始溫度（Onset Temperature，To）、峰值溫度（Peak Temperature，Tp）、終止溫度（Conclusion Temperature，Tc）和糊化時的熱焓變化（Enthalpy of Transition，ΔH）。

1.2.13 數據處理及統計分析 實驗數據以“平均值±標準差”表示，方差分析采用統計軟件DPS7.05［28］。

2 結果與討論

2.1 淀粉糊化特性的測定

2.1.1 淀粉糊粘度曲線 表1及圖1、圖2顯示甘薯淀粉及變性淀粉的Brabender粘度曲線。

圖1 甘薯淀粉的Brabender粘度曲線特征值

圖2 變性淀粉的Brabender粘度曲線特征值

由粘度曲線特征值可以看出，變性后的甘薯淀粉糊化時間為10.25min，比原淀粉糊化開始時間8.5min要長，而淀粉交聯后的糊化開始溫度80.7°C，較原淀粉73.3°C高。這是因為淀粉交聯后，分子中存在共價鍵連接，分子間束縛增大，水分子滲透入淀粉分子內部的難度加大，淀粉分子不易發生糊化，糊化時所需溫度也更高。但是復合變性淀粉的峰值粘度只有18BU，較原淀粉318BU低得多，這是由于復合變性淀粉經過了氧化反應，淀粉長鏈分子被打斷，鏈長變短，所以其糊化峰值粘度大大降低。另外，原淀粉的崩解值和回升值均高于復合變性淀粉，說明復合變性淀粉具有較好的粘度穩定性。

2.1.2 淀粉糊凍融穩定性的測定 在冷凍食品中應用的淀粉糊，需要在低溫下冷凍，或者經多次的冷凍、融化，食品仍能保持原有的質構。原淀粉糊在低溫時凝沉更明顯，經冷凍和重新融化后，膠體結構被破壞，析出游離水。淀粉糊的凍融次數越多，析水量越少，其凍融穩定性越好，越適于低溫增稠之用。實驗測定了原淀粉和氧化交聯淀粉在pH6.5時樣品糊的凍融次數，結果列于表2?？梢钥闯龅矸劢宦摵?，凍融次數增加，析水率下降，凍融穩定性提高。這是由于引進交聯作用使淀粉分子空間位阻大，糊在水中的分散體穩定，冷凍、解凍不破壞其結構，具有較強的凍融性。

表2 淀粉糊的凍融穩定性

表1 淀粉的Braband粘度曲線特征值

表3 原淀粉及變性淀粉透光率變化

表4 淀粉糊的抗老化性對比

2.1.3 淀粉糊透光率與凝沉性、酶解率的測定 稀的淀粉糊放置一定時間后會逐漸變混濁、分層沉淀，出現上層清液、下方沉淀物的現象。原淀粉糊的這種現象主要是淀粉分子鏈間經氫鍵結合成束狀結構，而使其溶解度降低的結果。甘薯淀粉經氧化和酯化交聯后，淀粉糊的凝沉性質發生變化，反映變性淀粉取代基團的特性。

對原淀粉與復合變性淀粉的透光率進行測定的結果見表3?？梢钥闯?，甘薯原淀粉透光率很小，這與淀粉糊液的色澤也有關。淀粉氧化交聯后，光通過淀粉糊時產生的折射較小，透光率明顯增大。且靜置24h后，變性淀粉透光率的差值較小，原淀粉透光率差值很大，這說明淀粉變性后凝沉性較弱。

2.1.4 淀粉糊抗老化性的測定 變性淀粉的冷熱黏度差值和放置一定時間后的黏度變化都可以表示其抗老化性，冷熱差值越大，黏度穩定性越差，其抗老化性越差；反之，則抗老化性越強。

從表4可以看出，甘薯原淀粉的冷熱黏度差值較大，達到了0.073Pa·s，而甘薯氧化交聯淀粉的冷熱黏度差值較小，為0.036Pa·s。這說明甘薯原淀粉老化傾向較大，抗老化性能弱；甘薯氧化交聯淀粉的老化傾向較小，抗老化性能較強。

從表4中也可以看出，氧化交聯復合變性淀粉粘度穩定性很高，在室溫下靜置3d后，粘度變化很?。╬＞0.05），若再加熱仍基本能恢復原來的熱粘度水平。而甘薯原淀粉粘度變化則很大，靜置3d后再加熱，粘度降低較多（p＜0.05），說明了復合變性淀粉的抗老化性較原淀粉強。

原淀粉及變性淀粉被α-淀粉酶水解程度見表3。結果表明甘薯原淀粉在酶解過程中，酶解率為98.8%，而氧化交聯淀粉酶解率降低為93.95%。這說明淀粉經交聯后，抗酶解性能增強。

2.1.5 淀粉糊抗酸、抗堿穩定性的測定 淀粉糊粘度穩定與否，對產品質量有很大影響。要根據食品加工的要求，選擇適當的條件，以保證產品的特性粘度、結構和口感。

介質pH對各淀粉表觀粘度的影響（圖3）表明：天然甘薯淀粉在強酸、強堿條件下粘度降低，pH為7時粘度最高；而氧化交聯淀粉在酸性環境中很穩定，粘度變化較?。╬＞0.05），但在堿的作用下粘度下降（p＜0.05），這是由于酯化交聯淀粉在堿性條件下分解，淀粉失去了交聯狀態。這說明氧化交聯淀粉具有較好的耐酸性能，但是耐堿性較差。

圖3 淀粉糊的抗酸、抗堿穩定性

2.1.6 淀粉糊的抗剪切特性 濃度6.0%的樣品糊粘度在25.0℃時，隨剪切時間的變化情況如圖4所示。高速攪拌產生的剪切力，使原淀粉顆粒破裂，粘度降低。交聯淀粉剪切時，淀粉顆粒和分散于糊中的淀粉分子鏈有一定的破裂作用。但是，由于樣品中交聯鍵的作用，淀粉分子較大，結構較堅固，分散液較穩定，即使承受一定的外力，結構也不易破壞，所以剪切只能使淀粉糊粘度輕微下降，交聯提高了抗剪切能力。

圖4 淀粉糊的抗剪切特性

2.2 淀粉的形態觀察

掃描電鏡分析可以對交聯淀粉的微觀結構進行分析。

圖5（左）為甘薯原淀粉放大500倍的照片，可以看出甘薯淀粉顆粒的形狀多為圓形，此外，還有多邊形等，其表面光滑，無裂紋。甘薯淀粉顆粒上面還聯有許多小球，這些小球是淀粉顆粒成長過程中形成的。

圖5（右）為少數顆粒形貌發生明顯變化的甘薯氧化交聯顆粒在掃描電子顯微鏡下放大500倍的照片。通過照片可以看出，除淀粉顆粒表面具有凹痕外，部分淀粉顆粒本身的外形發生了明顯的變化，出現了爆裂孔。出現這種現象的原因是由于伴隨著交聯反應，淀粉顆粒發生了一定程度的膨脹，部分顆粒形成了由內向外的爆裂膨脹的裂口，爆裂膨脹的裂口在淀粉顆粒被干燥以后發生了收縮，從而形成了所觀察到的爆裂孔，但是甘薯淀粉顆?？傮w情況變化不大。

圖5 甘薯淀粉的掃描電鏡圖（左為原淀粉，右為變性淀粉）

2.3 淀粉的紅外結構表征

改性淀粉與原甘薯淀粉比較，在氫鍵區、飽和碳氫鍵區、指紋區吸收峰的形狀、位置基本相同（見圖6）。所不同的是在官能團區中原淀粉在1654cm-1有一強吸收，而甘薯氧化交聯淀粉此處分裂為雙峰1729cm-1和 1652cm-1。其中 1729cm-1處的強吸收峰，表示有酯羰基存在。氫鍵區3400～3200cm-1寬帶強吸收為氫鍵締合伸縮振動吸收峰，在飽和碳氫鍵區2932cm-1強吸收為—CH碳氫鍵反對稱伸縮振動峰，在指紋區1158cm-1強吸收峰為C—O—C鍵伸縮振動峰。以及576、765、859、1017cm-1是淀粉的特征吸收峰。同時，低交聯淀粉酯紅外光譜中的其它官能團的特征紅外吸收峰并沒有明顯的變化，說明經改性后的低交聯甘薯淀粉酯并未破壞原淀粉的基本結構，交聯反應只是在原來淀粉鏈上增加了新的交聯基團［29］。

圖6 變性淀粉紅外光譜圖

2.4 淀粉顆粒晶體結構觀察

在淀粉顆粒中，結晶束間區域的分子排列沒有平行規律性，較雜亂，為無定型區。因此，淀粉顆粒有的區域，分子排列是有規律的，為結晶區，有的區域里分子的排列無規律，為無定型區。甘薯原淀粉和原淀粉經混合酸酐的交聯反應是發生在結晶區還是無定形區，取代度的變化對淀粉晶體結構有無影響，都可以用X射線衍射的分析方法進行分析［30］。

本文采用X射線衍射的方法對甘薯氧化淀粉進行研究，通過比較甘薯原淀粉與變性淀粉的X射線衍射圖樣，從而作出判斷。

由圖7和表5的數據可知，甘薯原淀粉在2θ為5.5、14.9、16.9、18.0、23.9°處，出現明顯的衍射峰，其余16.9°處為強峰，3處為中等強度的峰，故甘薯淀粉的結晶結構為C型，即含A型、B型結晶的混合結構。而經過復合變性后的氧化低交聯乙?；憾犭p淀粉酯在5.4、14.9、17.0、18.0、22.9°處出現明顯的衍射峰，位置與強度與原淀粉基本相同，說明甘薯淀粉的變性主要發生在淀粉的非結晶區，變性并未改變其晶體結構。

表5 淀粉X-射線衍射值

圖7 甘薯淀粉X射線衍射圖譜

2.5 差示掃描量熱法對糊化溫度和糊化過程中熱力特性的測定

用DSC可以在較寬松的范圍內研究有關變性淀粉的糊化溫度，根據相變結果可以估算相變焓值［31］。淀粉糊化過程中熱力特性如表6，淀粉DSC曲線見圖8。

表6 淀粉熱力學性質

甘薯原淀粉的起始糊化溫度較已有的研究結果高，這可能是因為實驗條件的不同所致。本實驗的加水量較低，會影響淀粉的糊化［3］。復合變性淀粉的To，Tp和Tc比原淀粉高，原因可能是，一方面混合酸酐的加入，使得甘薯淀粉發生交聯，淀粉分子間的作用力除了氫鍵以外，還存在共價鍵連接，分子間束縛增大，運動速率減慢，水分子滲透入淀粉分子內部的難度加大，淀粉分子難以溶入到水分子體系中以實現有序到無序的轉變；從曲線的變化規律可見，在10～100℃的范圍內存在著一個非常明顯的吸熱峰，為甘薯淀粉的糊化相變吸熱峰，在相變發生的起點出現了一個非常明顯的轉折點，這也是淀粉多晶體系發生了明顯相變的一個標志。

圖8 淀粉DSC曲線，從上到下為復合變性淀粉、甘薯原淀粉

3 結論

3.1 復合變性淀粉經過了氧化反應，淀粉長鏈分子被打斷，鏈長變短，所以其糊化峰值粘度降低，但淀粉糊的熱、冷穩定性均提高。復合變性淀粉的起始溫度To，峰值溫度Tp和終止溫度Tc比原淀粉高，糊化時的熱焓變化ΔH增加。

3.2 復合變性淀粉與原淀粉相比，凍融次數增加，析水率下降，凍融穩定性提高；原淀粉的冷熱黏度差值較大，而氧化交聯淀粉的冷熱黏度差值較小，粘度穩定性也很高，這說明紅薯原淀粉抗老化性能弱，而甘薯變性淀粉的老化傾向較小，抗老化性能較強。

3.3 氧化交聯淀粉具有較好的耐酸性能，但是耐堿性較差。在剪切力作用下，復合變性淀粉粘度變化較小，具有很好的抗剪切性。淀粉經交聯后，抗酶解性能增強。

3.4 薯氧化交聯淀粉在1729cm-1處產生了新的吸收峰，并確定該吸收峰為酯羰基的伸縮振動峰，從而表征了本研究所制備的氧化低交聯甘薯淀粉己二酸的化學結構。

3.5 經X射線衍射分析，變性淀粉出現衍射峰的位置與強度與原淀粉基本相同，說明甘薯淀粉經變性后沒有改變它的晶體類型，變性反應基本發生在淀粉顆粒的無定形區。

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Investigations on the properties and structure of oxidized cross-linked sweet potato starch

LIU Chao1，WANG Chun-yan1，ZHONG Geng1，2，*，MENG Fan-bing1
（1.College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400716，China；2.Engineering Technique Research Center of Chongqing for Special Food，Chongiqng 400716，China）

The sweet potato starch was modified by the methods of oxidized cross-linking to improve its whiteness，and paste stability and anti-retrogradation.And the structure of modified starch was also characterized.The results showed that after being modified，the starch paste freeze-thaw stability increased，retrogradation decreased，antiretrogradation capacity increased.The change of paste viscosity was not obvious，and better acid resistance，shear resistance and enzyme hydrolysis resistance obtained，but with poor alkali resistance.The molecules of oxidized low cross-linked acetylated distarch adipate had been analyzed.The new absorption peak of carbonyl group had been found in 1729cm-1，by which the moleculer structure of oxidized cross-linked acetylated distarch adipate had been proven.The modified reaction was proved to take place in the non-crystalline region of the starch granules by the ways of SEM and X-ray diffraction.

sweet potato starch；modification；properties；sturcture；investigation

TS235.2

A

1002-0306（2011）01-0118-06

2009-12-30 *通訊聯系人

劉超（1985-），男，碩士研究生，研究方向：現代食品加工理論與技術。

重慶市自然科學基金項目（CSTC，2009BB1249）資助。