酶促合成中长链脂肪酸淀粉酯的性质研究

王 艳 辛嘉英，2 武文龙

（哈尔滨商业大学省高校食品科学与工程重点实验室1，哈尔滨 150076）

（中国科学院兰州化学物理研究所羰基合成与选择氧化国家重点实验室2，兰州 730000）

酶促合成中长链脂肪酸淀粉酯的性质研究

王 艳1辛嘉英1，2武文龙1

（哈尔滨商业大学省高校食品科学与工程重点实验室1，哈尔滨 150076）

（中国科学院兰州化学物理研究所羰基合成与选择氧化国家重点实验室2，兰州 730000）

通过对玉米淀粉经中长链脂肪酸酶促酯化改性后的理化性质的分析，考察其性质的变化，阐明其潜在应用价值，为其实际应用提供理论依据。中长链脂肪酸的引入不仅提高了淀粉乳的黏度、凝沉稳定性和冻融稳定性，且获得了良好的乳化性（67%～98%），且乳化效果明显好于明胶（40%）和蔗糖酯（50%），但与单甘脂（75%）相似。与辛烯基琥珀酸淀粉酯和醋酸淀粉酯相比，低取代度中长链脂肪酸淀粉酯的乳化性（92.36%～97.89%）和冻融稳定性（析水率为17%～20%）要优于辛烯基琥珀酸淀粉酯（析水率为47.2%）和醋酸淀粉酯（析水率为68.63%）。因此，酶促合成的中长链脂肪酸淀粉酯可以作为一种新型的、更为安全的乳化剂和冻融稳定剂广泛的应用到食品、医药及化妆品等领域。

玉米淀粉 脂肪酶 中长链脂肪酸淀粉酯 理化性质

淀粉是一种多晶高聚物，因其性质存在冷水不溶性、淀粉糊易老化、在低温下易凝沉、成膜性差等方面的缺陷［1］，限制了天然淀粉在生产中的应用。中长链脂肪酸淀粉酯具有特殊的热塑性、疏水性、乳化性和可生物降解性，它们作为多种石油化工产品的代用品越来越受重视。天然原淀粉经氢氧化钠／尿素混合溶液处理后其粒径变小为接近于纳米级别，结晶度降低，晶型发生转变，这些结构上的变化必然会使原淀粉的一些理化性质发生改变［2］。而疏水性中长链脂肪酸基团的引入，必然会赋予淀粉一些新的理化性质［3］。目前研究较为系统和深入的是硬脂酸淀粉酯［4－6］和油酸淀粉酯［7－8］。但是，国内外对中长链脂肪酸淀粉酯的研究主要集中在其合成方法上［9－11］，而且研究也表明中长链脂肪酸淀粉酯的取代度受到很多因素的影响，其中包括淀粉的种类、酰化试剂的链长、饱和度及种类、制备方法及条件等。但并没有对其理化性质进行全面系统的分析与研究，这就大大影响了中长链脂肪酸淀粉酯的实际应用。

本研究通过对原淀粉、预处理淀粉以及无溶剂体系酶促合成的各种中长链脂肪酸淀粉酯的溶解度、透明度、黏度、凝沉稳定性、冻融稳定性和乳化性的测定研究预处理淀粉及其酯化淀粉在性质上发生的变化，揭示中长链脂肪酸淀粉酯的理化特性与其取代度之间的关系，对比酶促合成的中长链脂肪酸淀粉酯与已经商品化的辛烯基琥珀酸淀粉酯和醋酸淀粉酯在理化性质上的差别与优势。本试验研究酯化改性淀粉在理化性质，为酯化改性淀粉开拓新的应用领域和中长链脂肪酸淀粉酯在食品、药用化工品及化妆品行业中的应用提供借鉴。

1 试验部分

1.1 试验原料

固定化南极假丝酵母脂肪酶Novozym 435（L4777），10 000 U／g：丹麦 Novozymes A／S公司；辛酸淀粉酯、月桂酸淀粉酯、棕榈酸淀粉酯、油酸淀粉酯和硬脂酸淀粉酯（GR）：国药集团化学试剂有限公司；棕榈酸、玉米淀粉、辛酸、月桂酸、棕榈酸、油酸和硬脂酸（AR）：苏州畅通化学有限公司。

1.2 主要仪器

NDJ－9旋转式黏度计：上海精密科学仪器有限公司；Ultra－turrax 725：上海旦鼎国际贸易有限公司；DVT－30滴体积界面张力仪：大昌华嘉商业（中国）有限公司；Mstersizer 2000激光粒度仪：上海奥威科技开发有限公司；Brook field RVOV－O型数字流变：美国博利飞。

1.3 淀粉预处理

根据文献［12］对淀粉进行预处理。

1.4 无溶剂体系酶促中长链淀粉酯的合成

根据文献［13］所获得的最佳淀粉酯合成工艺进行中长链脂肪酸淀粉酯的合成。

1.5 取代度的测定

根据王艳等［14］的研究采用气相色谱法进行产物取代度的测定，首先对产物进行甲酯化获得脂肪酸甲酯，通过气相色谱扫描，以油酸甲酯或月桂酸甲酯（但测定油酸淀粉酯的取代度时内标物用月桂酸淀粉酯）为内标物测定脂肪酸甲酯的含量从而换算出脂肪酸的量。已知脂肪酸的用量便可计算出脂肪酸淀粉酯的取代度。

1.6 冷水溶解度的测定

室温下，取100 mL蒸馏水与1.0 g待测干基样品，低速（约500 r／min）搅拌15 s，高速（1 000 r／min）搅拌2 min，将样品溶液移入250 mL离心管，于6 000 r／min转速下离心15 min，吸取上层清液25 mL于已称重的称量瓶中110℃下干燥6 h后，称重直至恒重，其冷水溶解度计算公式如下［15］：

式中：m1为25 mL上清液中固体质量／g；m0为样品质量／g。

1.7 膨胀度的测定

制取2.0%样品乳，95℃的水浴加热，并搅拌30 min，再以3 000 r／min离心20 min，分离上层清液，烘干至恒重为水溶性样品的量，根据式（2）计算淀粉样品的溶解度；下层为膨胀淀粉部分，烘干至恒重，根据式（3）计算淀粉样品的膨胀度：

式中：C为溶解的淀粉的质量／g；S为样品溶解度／%；P为样品膨胀度／%；W为淀粉样品干重／g；D为膨胀淀粉干重／g。

1.8 黏度的测定

将样品配制成质量分数为15%的乳状液，在沸水浴中糊化后，冷却至室温，25℃下用黏度计测定其黏度，转速从0.3 r／min开始逐渐增加到60 r／min，依次测定样品糊的黏度［16］。

1.9 透明度的测定

称取一定质量的样品，配成质量分数为1.0%的样品乳，在沸水浴中加热糊化，冷却至室温。以蒸馏水为空白，用紫外可见分光光度计和光程为1 cm比色皿在625 nm处测定其透光率［17］。

1.10 凝沉性的测定

称取一定质量的样品，配制质量分数为1.0%的样品乳，于沸水浴中加热糊化，冷却至室温。然后将样品糊放入20 mL的刻度管中，在25℃静置，记录静置24 h后上清液的体积［18］。

1.11 冻融稳定性的测定

称取一定质量的样品，配制成质量分数为6%的乳状液，在沸水浴中糊化搅拌30 min，冷却至室温，于－10～－20℃的冰箱内保存24 h后取出，室温下自然解冻，3 000 r／min离心20 min，分别计算3个冻融周期的吸水百分率［19］。

1.12 乳化性质的测定

称取0.5 g样品分散于一定量的水中，于沸水浴中加热充分糊化（15 min），冷却至室温，于样品糊中加入25 mL大豆色拉油，均质得到乳状液（30 s）。将此乳状液转移至10 mL离心管中，以3 000 r／min离心约15 min，记录乳化层高度和液体总高度。然后将样品放置24 h，以3 000 r／min离心约15 min，记录乳化层高度和液体总高度。按下式计算乳化能力及乳化稳定性［20］。

1.13 数据分析

所有数据的每个水平有3个重复，数据表示为平均值±标准差。显著性分析由SPSS软件完成。

2 结果与讨论

2.1 溶解度的分析

冷水溶解度是考察淀粉物理特性的一个重要指标，它的大小代表着淀粉与水结合能力的强弱，冷水溶解度与淀粉的分子结构、颗粒大小、直链淀粉含量等因素密切相关［2，21］。原淀粉、预处理淀粉及不同取代度的各中长链脂肪酸淀粉酯的冷水溶解度如表1所示：原玉米淀粉的溶解度很低仅为2.51%，经预处理后其冷水溶解度提高到67.55%，再经酯化后，各中长链脂肪酸淀粉酯的溶解度又会有所下降，并且中长链脂肪酸淀粉酯的取代度越大，中长链脂肪酸淀粉酯的溶解度越小。如辛酸淀粉酯，当取代度为0.03时，其冷水溶解度为45.86%；而当其取代度为1.06时，其冷水溶解度仅为10.53%。这主要是由于经预处理后，淀粉颗粒结构被破坏（如图1所示），更多的亲水性羟基与水分子结合，使溶解度显著提高；而酯化反应后由于亲油性中长链脂肪酸的引入，使淀粉的疏水性增强，并且颗粒发生团聚，导致溶解度降低。且与已经商品化的醋酸淀粉酯和辛希基琥珀酸淀粉酯相比，溶解度与醋酸淀粉酯相似，但明显高于辛希基琥珀酸淀粉酯。

表1 不同样品的溶解度

图1 淀粉和淀粉酯的扫描电镜图

2.2 膨胀度的分析

淀粉的膨胀度和溶解度的大小从另一个角度反应出淀粉颗粒结晶区内氢键的结合程度。原玉米淀粉经预处理和酯化反应后其膨胀度的变化如表2所示，在对原淀粉和预处理淀粉的晶体结构分析中，得知淀粉经预处理后其晶体结构遭到破坏，淀粉颗粒中的螺旋结构展开（如图2所示），这必然造成淀粉颗粒膨胀度的下降，由原来的60.35%下降到20.13%。然而，当预处理淀粉与各中长链脂肪酸发生酯化反应后，它们的晶体结构没有发生改变，但由于中长链脂肪酸的空间位阻较大，淀粉颗粒的疏水性增强，使其溶解度有所下降，因而预处理淀粉酯化后膨胀度大大提高（24.56%～56.03%），但是仍然要小于原淀粉（60.35%）。并且随中长链脂肪酸淀粉酯取代度的升高，疏水性的脂肪酸链增多，因此其膨胀度也就越大，如表2中的辛酸淀粉酯，当其取代度为0.03时膨胀度仅为24.56%，而当取代度为1.06时膨胀度却又高达54.24%。然而，不同的脂肪酸淀粉酯即使他们之间取代度均为0.03（如表2中的辛

表2 不同样品的膨胀度

图2 淀粉和淀粉酶的X－射线衍射图

酸淀粉酯和油酸淀粉酯），膨胀度却并不相同，这说明脂肪酸淀粉酯的膨胀度不仅与取代度有关也与脂肪酸本身的碳链长度有关。

2.3 黏度

经测定原淀粉、预处理淀粉以及各中长链脂肪酸淀粉酯的黏度如表3所示。预处理淀粉（21 mPa·s）和脂肪酸淀粉酯（27～68 mPa·s）的黏度明显低于原淀粉（540 mPa·s），且同一种脂肪酸淀粉酯的黏度随取代度的升高而升高（如表3中的辛酸淀粉酯，当其取代度为0.03时黏度仅为27 mPa·s，而当取代度为1.06时黏度却又高达68 mPa·s。），并且相同取代度的不同中长链脂肪酸淀粉酯的黏度也不同，但并没有明显的差别（如表3中的辛酸淀粉酯和油酸淀粉酯）。预处理淀粉酯化改性后，导致其黏度下降的原因归结为2个方面，一方面是淀粉分子的降解，另一方面是中长链脂肪酸的引入，削弱了淀粉颗粒之间氢键结合力，使淀粉颗粒变的松弛，可以在较低温度下进行糊化。但与商品化的醋酸淀粉酯和辛希基琥珀酸淀粉酯相比，各中长链脂肪酸淀粉酯的黏度要明显低于醋酸淀粉酯，略高于辛希基琥珀酸淀粉酯。

表3 不同样品的黏度

2.4 透明度

淀粉经糊化后会形成感官透明的淀粉糊，当光线通过淀粉糊时，便会产生光线的穿透、折射和反射现象。穿透淀粉糊的光线越多，表明糊的透明度越好［23］。玉米原淀粉、预处理淀粉和不同取代度的中长链脂肪酸淀粉酯糊状液的透明度如表4所示，原玉米淀粉糊的透明度并不高（14.12%），但经预处理后淀粉糊的透明度明显升高，达到63.3%。这主要是由于原淀粉不易溶于水，在水中分散性很差，故透明度很低，经预处理后（如图1和图2所示），淀粉结晶区被破坏，颗粒表面及内部均遭到侵蚀，更多的羟基裸露在外面，淀粉与水分子间的缔合增加，溶解度增大，分子之间缔合减少，淀粉链变短，颗粒较易膨胀，从而减弱光的折射和反射，故预处理淀粉糊的透明度提高。然而，当在预处理淀粉中接入中长链脂肪酸后，淀粉糊的透明度逐渐降低（14.03%～58.76%），且接入不同中长链脂肪酸的淀粉糊的透明度也各不相同（如表4中的辛酸淀粉酯和硬脂酸淀粉酯，虽然取代度均为0.03但是透明度相差10%左右），而且同一种脂肪酸淀粉酯的透明度随取代度的增加而升高（如表4中的辛酸淀粉酯，当取代度为0.03时透明度为58.76%；而当取代度为1.06时，透明度仅为25.47%）。这主要是由于在预处理淀粉中接入了疏水性的中长链脂肪酸，阻碍了淀粉分子之间的缔合作用，同时与水分子的结合能力也明显下降，减弱了光线的折射和反射强度，导致透明度下降。并且中长链脂肪酸淀粉酯糊的透明度与中长链脂肪酸的种类及其取代度密切相关。

表4 不同样品的透明度

2.5 凝沉性

淀粉的凝沉实质上是淀粉“老化”的过程。由于食品主要在常温保藏，故在此着重研究了常温下各中长链脂肪酸淀粉酯的凝沉情况，结果如图3所示：原淀粉经预处理后颗粒结构受到破坏，淀粉链变短，淀粉冷水溶解度大大增强，这使淀粉与水分子间缔合增强，分子之间缔合减弱，从而使淀粉糊的稳定性大大提高。然而预处理淀粉酯化后，疏水性中长链脂肪酸基团的接入可以有效地阻止淀粉分子间氢键的形成，从而进一步提高了淀粉糊的凝沉稳定性。一般温度大于50℃或小于－20℃不易凝沉。

表5 不同样品的凝沉性

由图3可以看出，原玉米淀粉经预处理后其抗凝沉性大大提高，不会产生明显的沉降。而预处理淀粉经中长链脂肪酸酯化改性后，各中长链脂肪酸淀粉酯都具有较好的抗凝沉性。在相同的静置时间里，原玉米淀粉糊（9.5 mL）和预处理淀粉糊（12.5 mL）的沉降体积明显比淀粉酯小很多。并随时间的延长，析出更多的清液，使沉降体积减小。而淀粉经酯化变性后，24 h内几乎无清液析出，沉降体积没有明显变化，凝沉性明显降低。并且由表5可以看出各中长链脂肪酸淀粉酯的抗凝沉性随取代度的升高而加强。但凝沉性要略高于相似取代度的醋酸淀粉酯和辛希基琥珀酸淀粉酯。

图3 各样品凝沉性随时间的变化

2.6 乳化性及乳化稳定性

淀粉是一种亲水性高聚物，淀粉分子链上众多的醇羟基赋予其很强的亲水性。当将疏水性的中长链脂肪酸基团引入到淀粉分子链上后，淀粉便具有了一定的疏水亲油性，这就使淀粉成为一种两亲性聚合物，具有很好的表面活性。而中长链脂肪酸淀粉酯的乳化性与中长链脂肪酸的种类及其取代度密切相关。由图4可以看出，各中长链脂肪酸淀粉酯均具有较好的乳化性。且随放置时间的延长乳化性并没有明显的下降。各中长链脂肪酸淀粉酯的乳化性主要取决于其取代度的大小，由图4所示取代度为0.03的辛酸淀粉酯的乳化性（94.23%）要明显高于其他淀粉酯。而乳化稳定性则与所用脂肪酸的种类有关，如图4所示，硬脂酸淀粉酯的取代度（0.36）明显高于棕榈酸淀粉酯和油酸淀粉酯（0.25），但其乳化稳定性却低于这2种淀粉酯。通过与明胶、蔗糖酯和单甘酯等3种常用的乳化剂进行对比发现，一定取代度的中长链脂肪酸淀粉酯的乳化性和乳化稳定性（67%～98%）要高于明胶（40%）和蔗糖酯（50%），但与单甘酯的乳化特性相当（75%）。如表6所示。低取代度中长链脂肪酸淀粉酯的乳化性均高于90%，而高取代度的乳化性也在40%以上。相比之下醋酸淀粉酯基本无乳化性，而高取代度辛烯基琥珀酸淀粉酯和低取代度辛烯基琥珀酸淀粉酯的乳化性无明显差异，在60%～70%之间。

图4 不同样品的乳化性与时间的关系

表6 中长链脂肪酸淀粉酯与辛烯基琥珀酸淀粉和醋酸淀粉酯乳化性对比

2.7 冻融稳定性

析水率反映了淀粉老化的难易程度。淀粉糊随着冷冻时间的增加，凝胶中淀粉分子之间相互作用增大，淀粉分子链在平行取向形成凝胶束时，迫使水分子从凝胶中挤出，即离水作用，从而使冻融稳定性变差。从表7可以看出，所有脂肪酸淀粉酯样品的析水率都远远低于原淀粉（48.75%）和预处理淀粉（23.72%）。低取代度的各中长链脂肪酸淀粉酯在第一个周期的析水率相差不大（22%左右），高取代度的辛酸淀粉酯的冻融稳定性相对来说较好（经过3个冻融周期后，析水率仅为27.82%）。原淀粉经预处理后颗粒结构受到破坏、淀粉链变短、更多的羟基暴露出来跟水分子结合使得淀粉和水分子之间的缔合增强，而淀粉分子之间的缔合减弱，因此预处理淀粉的冻融稳定性高于原淀粉。而疏水性中长链脂肪酸的引入使淀粉分子间的空间位阻变大，进一步抑制了淀粉分子间的重新排列和缔合，因此各中长链脂肪酸淀粉酯的冻融稳定性明显高于原淀粉，并随取代度的增加冻融稳定性增强（经过3个冻融周期取代度为0.03的辛酸淀粉酯的析水率为39.84%，而取代度为1.06的辛酸淀粉酯的析水率仅为27.82%），同时由表7也可以看出所用脂肪酸的碳链长度越长，相应酯化淀粉的冻融稳定性越好（如取代度均为0.03的辛酸淀粉酯和硬脂酸淀粉酯的析水率分别为39.84%和38.23%）。辛烯基琥珀酸淀粉酯和中长链脂肪酸淀粉酯的冻融稳定性均随取代度的升高而升高，且二者在低取代度和高取代度范围内的冻融稳定性无明显的差异。而高取代度和低取代度的醋酸淀粉酯的冻融稳定性基本相同，且明显低于辛烯基琥珀酸淀粉酯和中长链脂肪酸淀粉酯。

表7 不同样品的冻融稳定性

3 结论

原玉米淀粉经预处理和酯化改性后，使其具有良好的乳化性和乳化稳定性（67%～98%），淀粉乳的黏度、凝沉稳定性和冻融稳定性也大大提高，而且这些性质的变化不仅与各中长链脂肪酸淀粉酯的取代度有关（随取代度的升高而升高），还与所用脂肪酸的碳链长度及饱和程度有关（随碳链长度的增加而升高，随不饱和度的增加而降低）。因此，可以根据实际需要来制备不同取代度或者不同种类的中长链脂肪酸淀粉酯，从而提高了其应用价值、扩大其应用范围，使其成为一类通用性更强的添加剂。经研究发现各中长链脂肪酸淀粉酯的乳化效果明显好于明胶（40%）和蔗糖酯（50%），但与单甘脂（75%）相似。这表明中长链脂肪酸淀粉酯可以代替价格昂贵的乳化剂应用到食品、医药以及化妆品行业当中。而低取代度中长链脂肪酸淀粉酯的乳化性（92.36%～97.89%）和冻融稳定性（析水率为17%～20%）要优于辛烯基琥珀酸淀粉酯（析水率为47.2%）和醋酸淀粉酯（析水率为68.63%）。这说明，中长链脂肪酸淀粉酯在乳化性和冻融稳定性方面的应用极具商品化价值。因此，酶促合成的中长链脂肪酸淀粉酯，是一种极具发展前景和商品价值的天然乳化剂和冻融稳定剂。

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The Properties of Enzymatic Synthesis Medium－Long Chain Fatty Acid Esterification of Starch

Wang Yan1Xin Jiaying1，2Wu Wenlong1
（Local Key Laboratory of Food Science and Engineering，Harbin University of Commerce1，Haerbin 150076）（State Key Laboratory of Oxo Synthesis＆Selective Oxidation，Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences2，Lanzhou 730000）

In order to study the properties of starch after esterification of lipase，the physical and chemical properties of native corn starch，pre－treatment starch by NaOH－Urea solution as well as enzymatic synthesis mediumlong chain fatty acid esters of starch has been investigated.The viscosity，retrogradation stability and freeze－thaw stability of starch emulsion were improved after esterification.The addition of medium－long chain fatty acid endowed starch with better emulsifiability（67%～98%）.The emulsifying effectiveness of medium－long chain fatty acid esters on starch was better than that of gelatin（40%）and sucrose ester（50%）while similar to monostearin（75%）.On the comparison，the emulsifiability（92.36%～97.89%）and freeze－thaw stability（leaching rate of water was 17%～20%）of low DSof medium－long chain fatty acid esters of starch were superior to octenyl succinic anhydride starch ester（leaching rate of water of 47.2%）and also the acetate starch ester（leaching rate of water of 68.63%）.Therefore，enzymatic synthesis medium－long chain fatty acid esters of starch could be used in the food industry，medicine and cosmetics as a new emulsifier with better security.

corn starch，lipase，medium－long chain fatty acid esters of starch，physical and chemical properties

TQ917

A

1003－0174（2015）04－0011－07

国家自然科学基金 （21073050），黑龙江省杰出青年基金（jc201106）

2013－12－28

王艳，女，1984年出生，讲师，生物催化

辛嘉英，男，1966年出生，教授，生物催化、食品化学