不同三偏磷酸鈉添加量油莎豆交聯抗性淀粉性質研究

司美雙，包尕紅，劉 寧，吳修利

(長春大學食品科學與工程學院1，長春 130022)(臨沂金鑼文瑞食品有限公司2，臨沂 276036)

淀粉是食物的主要營養物質，也是重要的工業原料。淀粉的商業來源主要有谷物的籽粒、薯類的塊莖和塊根等。近年來其他非傳統來源淀粉，如橡實、芡實等也逐漸被開發利用[1，2]。由于不同來源淀粉從粒徑尺寸、微觀形貌到直支鏈含量比、分子質量分布和結晶類型等均有不同，因而理化性質也均有一定差異。油莎豆是一種新型的、用途廣泛的經濟作物，其淀粉質量分數高達26%～30%[3]。研究發現，油莎豆淀粉較玉米淀粉具有更好的抗老化性和凝膠質構性質，且屬于慢消化淀粉，應用到食品中，可維持餐后血糖穩定，有效降低餐后血糖負荷[4]。但油莎豆淀粉與其他天然淀粉一樣，同樣存在固有的缺陷，如抗剪切和耐熱能力弱，對熱分解的敏感性高等[5]。為了克服這些限制，通常需要對淀粉進行改性處理。

交聯改性是變性淀粉最常用的方法之一。工業生產上常用三偏磷酸鈉(STMP)作為交聯劑，三偏磷酸鈉屬食品添加劑，用其制備交聯淀粉具有生產安全且無有害副產物，合成條件溫和、成本低等優勢，與原淀粉相比，磷酸化交聯改性淀粉在抗老化性等性能方面得到了提高，糊化溫度高、熱穩定性好，有著優良的凝膠特性[6]。邵華為[7]發現STMP交聯的芭蕉芋淀粉，凍融穩定性、凝膠質構特性及淀粉糊穩定性得到提高，且具有較強的剪切穩定性。范迎賓等[8]研究甘薯淀粉經STMP改性后，抗性淀粉質量分數由14.5%提高到58.7%，抗消化能力提高，可添加到糖尿病患者食品中。而采取油莎豆淀粉為原料，制備油莎豆交聯淀粉目前還鮮有報道。本研究探究了交聯改性對油莎豆淀粉理化性質及顆粒形態結構的影響，為未來油莎豆淀粉的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油莎豆淀粉：實驗室自制；三偏磷酸鈉，豬胰α-淀粉酶(50 U/mg)，糖化酶(105U/g)，所有化學試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

DKZW-S6型電子恒溫水浴鍋，UV-2700型紫外可見分光光度計，VISCOGRAPH-E型Brabender黏度儀，NICOLETIS5型傅里葉紅外光譜儀，JSM-6510LA型掃描電子顯微鏡。

1.3 方法

1.3.1 油莎豆交聯淀粉制備[9]

將質量分數40%油莎豆淀粉乳pH調至10.5，分別加入淀粉質量干基0.5%、1.0%和2.0%的三偏磷酸鈉，45 ℃反應2 h，而后調節pH至6.5，蒸餾水洗滌3次，抽濾，45 ℃干燥，過0.15 mm篩，樣品編號STMP-0.5%、STMP-1.0%、STMP-2.0%。

1.3.2 結合磷的測定

參考GB 5009.87—2016《食品安全國家標準 食品中磷的測定》測定結合磷[10]。

1.3.3 溶解度及膨潤力的測定[11]

質量分數2%淀粉乳于10 mL離心管中，分別在60、70、80、90 ℃條件下加熱30 min，每2 min振蕩5 s，冷卻后4 000 r/min離心10 min，上清液干燥至恒重，稱取殘余物質量，計算溶解度(WSI)和膨潤力(SP)。

式中：m0為樣品質量/g；m1為上清液恒重后質量/g；m2為殘余物質量/g。

1.3.4 持水性及持油性的測定[12]

1.0 g淀粉中加入10 mL蒸餾水或大豆油，渦旋振蕩，于室溫下攪拌30 min，3 000 r/min離心 10 min，棄去上清液，稱質量，測定樣品持水性及持油性。

式中：m1為樣品質量/g；m2為吸水后或吸油后質量/g。

1.3.5 透明度的測定

質量分數1%淀粉乳于沸水浴中30 min，然后冷卻至30 ℃，用分光光度計在620 nm處進行淀粉糊液透明度的測定[13]。

1.3.6 直鏈淀粉含量測定[14]

在0.1 g淀粉樣品中加入10 mL KOH(0.5 mol/L)溶液，80 ℃水浴10 min，定容至50 mL，再吸取樣液2.5 mL，加入20 mL蒸餾水，調pH至3.0，加碘試劑0.5 mL，定容至50 mL容量瓶中，靜止20 min進行測定。

1.3.7 Brabender黏度曲線測定

質量分數6%的淀粉乳置于黏度儀樣品缽中，以5 ℃/min的速率從30 ℃升溫至95 ℃，保持5 min，再以同樣速率冷卻至50 ℃，保持5 min，測定樣品黏度曲線。

1.3.8 體外消化特性測定[15]

稱取0.2 g樣品，加入醋酸鈉緩沖溶液(0.2 mol/L、pH 5.2)，及混合酶液(含290 U/mL豬胰α-淀粉酶和15 U/mL糖化酶)，恒溫振蕩，在20、120 min分別吸取0.5 mL酶解液，采用 DNS 法測定還原糖含量，計算快速消化淀粉(RDS)、慢速消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)含量。

RS=(1-RDS-SDS)×100%

式中：C0、C20、C120分別為淀粉酶解前、酶解20 min和酶解120 min時葡萄糖質量濃度/mg/mL；V為反應體系總體積/mL；m為淀粉質量/mg。

1.3.9 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)

干燥淀粉樣品與溴化鉀研勻壓片成型，檢測參數：波數范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，采用 Omnic 8.0軟件對紅外光譜1 200 cm-1至800 cm-1進行去卷積處理，設置增強因子1.9，半峰寬19 cm-1，計算R1 047/1 022 cm-1峰強度比值。

1.3.10 掃描電子顯微鏡(SEM)

取少量樣品置于導電雙面膠上，真空鍍金后進行掃描電子顯微鏡觀察，工作電壓20 kV。

1.3.11 數據處理

每組實驗平行測定3次，以平均值±標準差表示，用Origin 2018作圖，IBM SPSS Statistics 23.0 中Duncan檢驗進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 油莎豆交聯淀粉結合磷含量

淀粉結合磷含量可間接反映磷酸化交聯淀粉的交聯程度，當反應體系中交聯劑用量增加，淀粉分子與交聯劑碰撞幾率提高，即參與反應的分子相對增加，更多來自磷酸鹽中的磷酸基團與淀粉分子中醇羥基發生反應形成磷酸酯鍵，從而導致結合磷含量上升[16]。根據相關規定，以STMP為交聯劑進行改性時，淀粉中的結合磷質量分數不得超過0.04%[6]。

表1 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量交聯淀粉的結合磷含量

2.2 油莎豆原淀粉及交聯淀粉溶解度和膨潤力

由圖1可知，油莎豆原淀粉與交聯淀粉的溶解度及膨潤力均隨溫度升高而增大，隨著溫度的升高，氫鍵被破壞，使得游離水更易于滲入淀粉顆粒內部，促進了淀粉吸水膨脹。隨STMP添加量的增加，溶解度及膨潤力均呈下降趨勢，且低于油莎豆原淀粉。這是因為交聯反應在淀粉中引入了交聯鍵，淀粉結構內交聯密度增加，由于鍵強度大于氫鍵強度，顆粒強度提高，限制了淀粉鏈在無定形區域的運動，同時減弱了顆粒在水熱處理過程中的膨脹和隨后的崩解，導致水合力降低，造成淀粉糊化及吸水溶脹困難[17]。

圖1 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量油莎豆交聯淀粉的溶解度及膨潤力

2.3 油莎豆原淀粉及交聯淀粉持水性、持油性、透明度及直鏈淀粉含量

由表2可知，與原淀粉相比較，交聯反應后的油莎豆淀粉持水性提高，持油性降低，這是因為親水性磷酸基團的引入使淀粉極性增強，親水能力增大[18]。淀粉分子中引入帶負電的磷酸基團后由于產生靜電排斥作用，而減少了分子間作用力，從而促進了水的吸收[19]。此外，親水性取代基團的引入也降低了淀粉分子吸油性能。從表2中還可以看出，隨著STMP添加量的增加，油莎豆交聯淀粉的持水性與持油性均呈下降趨勢，這可能因為交聯反應不斷加強淀粉顆粒之間的結合作用，導致淀粉吸水和吸油受到抑制。

表2 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量油莎豆交聯淀粉的持水性、持油性、透光率及直鏈淀粉含量

交聯淀粉透明度隨著STMP添加量的增加逐漸下降，且遠低于原淀粉。用STMP交聯處理后，淀粉分子的羥基間聯合起來形成多維空間網絡結構，淀粉經糊化、冷卻后，光線穿過淀粉糊的能力減弱，因此糊液的透光率下降[20]。

與油莎豆原淀粉相比，淀粉經過交聯之后直鏈淀粉含量呈現先升高后降低趨勢?？赡芤驗橛捎诮宦摲磻^程在堿性條件下，淀粉中的支鏈淀粉會發生部分降解，導致直鏈淀粉含量升高，此外，隨著STMP添加量的增加，淀粉顆粒的結構被破壞，產生直鏈淀粉浸出，而且交聯淀粉的平均分子量明顯提高，致使淀粉直鏈含量降低[19]。

2.4 油莎豆原淀粉及交聯淀粉Brabender黏度性質

表3反映了油莎豆原淀粉及交聯淀粉的糊化特性。隨著STMP添加量增加，淀粉糊峰值黏度呈現先升高后降低趨勢，崩解值、回升值下降，其中崩解值主要反映淀粉糊的熱穩定性，崩解值降低說明交聯后淀粉糊的熱穩定性提高；回升值反映淀粉老化的程度，回升值越小，凝膠性越弱，不易老化回生[11]。

表3 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量油莎豆交聯淀粉的Brabender黏度參數

交聯改性后的淀粉糊化溫度升高，說明交聯反應增加了淀粉顆粒的強度提高了淀粉的起糊溫度。當STMP添加量2%時，油莎豆交聯淀粉不呈現糊化黏度特征值。相關文獻表明，當淀粉未達到完全糊化溫度時，會出現部分糊化現象，此時無峰值黏度、谷值黏度等特征值出現，加熱后淀粉出現上層渾濁不透明，下層為乳白色的分層現象[21]。袁立軍[22]在研究STMP交聯改性木薯淀粉時也發現了與本研究相似現象。淀粉熱糊黏度受直鏈淀粉浸出程度、直鏈淀粉-脂質復合物的形成、溶脹顆粒之間的摩擦、顆粒膨脹以及浸出的直鏈淀粉與剩余顆粒之間對游離水競爭的影響，而冷糊黏度很大程度上取決于浸出的直鏈淀粉在冷卻時的回生趨勢[23]，本研究發現交聯改性后的淀粉熱糊黏度和冷糊黏度均呈現先增大后減小的變化趨勢。

2.5 油莎豆原淀粉及交聯淀粉體外消化特性

表4為油莎豆原淀粉及交聯淀粉的體外消化特性，其中RS是不能被健康人體小腸消化吸收與酶解的淀粉，但可以穩定腸道菌群。經交聯反應后，RS含量明顯提升，原因是油莎豆淀粉交聯磷酸酯基后，形成了網狀結構和空間位阻，致使淀粉酶活性中心與淀粉結合受阻，抑制或降低了酶對淀粉糖苷鍵的水解作用，導致交聯淀粉的抗消化能力提高[24]。

表4 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量油莎豆交聯淀粉的體外消化特性

2.6 油莎豆原淀粉及交聯淀粉FT-IR

FT-IR光譜中R1 047/1 022 cm-1的吸光度比可測量淀粉雙螺旋的結晶結構和短程分子有序性的變化，比值越大表明淀粉的有序程度越高[27]。由圖2b可以看出低度交聯淀粉有序程度降低，當STMP添加量為2%時淀粉的有序性較原淀粉提高，可能是因為低交聯時破壞了淀粉分子鏈間或內部原有的氫鍵，導致淀粉分子中雙螺旋結構的不規則排列或解旋。隨著STMP添加量的增加，更多的磷酸基團以架橋的形式將淀粉分子結合起來，形成多維的空間結構，分子間結合更加緊密，無定型區有序性增加。

2.7 油莎豆淀粉SEM

油莎豆原淀粉及不同STMP添加量的交聯淀粉顆粒形態如圖3所示。油莎豆原淀粉呈大小不一的橢圓形或卵形，表面光滑，隨著STMP添加量的增加，交聯后的淀粉顆粒邊緣變得模糊，表面出現凹痕。馬鈴薯交聯淀粉及木薯交聯淀粉研究中也觀測到了類似的情況，而且通過X-射線衍射證實交聯反應不僅發生在淀粉無定形區，而且也破壞了淀粉分子的結晶區[27]。

圖3 油莎豆原淀粉及不同STMP添加量油莎豆交聯淀粉的掃描電鏡(×5 000)

3 結論

油莎豆原淀粉經過STMP交聯后，淀粉的持水性、抗消化性、抗老化性、淀粉糊穩定性得以提高，當STMP添加量為0.5%時，淀粉的峰值黏度較原淀粉提高，但隨著STMP添加量的增加峰值黏度降低甚至難以糊化。STMP交聯反應降低了淀粉持油性、溶解度、膨潤力、透明度，通過FT-IR觀察到隨著STMP添加量的增加，淀粉分子中—OH吸收峰強度逐漸減弱，間接證明了交聯反應的發生，去卷積圖譜顯示，當STMP添加量為2%時淀粉的有序性較原淀粉提高，SEM顯示，交聯后的淀粉顆粒邊緣變得模糊，表面出現凹痕，推斷STMP與淀粉顆粒間發生化學反應。不同STMP添加量對油莎豆淀粉理化性質及外觀形態產生了較大影響，可根據交聯淀粉的不同理化特性應用到不同工業中，其中低STMP添加量交聯淀粉糊黏度較高，且糊穩定性較好，適合在布丁、色拉調味料等食品工業中作為增稠劑和穩定劑，而較高STMP添加量交聯淀粉由于黏度較低甚至不糊化，可根據其性質應用到紡織和造紙工業中。