氧化板栗淀粉的制备及性质研究

贾一凡,邱增莲,汪 涛,王丰俊

(北京林业大学生物科学与技术学院,林业食品加工与安全北京市重点实验室,北京 100083)

氧化板栗淀粉的制备及性质研究

贾一凡,邱增莲,汪 涛,王丰俊*

(北京林业大学生物科学与技术学院,林业食品加工与安全北京市重点实验室,北京 100083)

以板栗淀粉为原料,双氧水为氧化剂,硫酸铜作催化剂,采用湿法氧化工艺,通过单因素和正交实验,对氧化板栗淀粉的制备工艺进行优化,并对其理化及结构特性进行研究。结果表明,制备氧化板栗淀粉的最佳工艺条件为:pH为6,过氧化氢用量与淀粉比为1∶1(V/W),硫酸铜添加量为淀粉干基的0.03%,时间为8 h。在最佳工艺条件下,验证氧化板栗淀粉的羧基含量达53.79%,氧化程度达到最高。随着羧基含量由26.99%升高至53.79%,其透光率由89.34%升高至91.05%,而其凝沉性降低;扫描电子显微镜分析结果表明,板栗淀粉经过氧化改性后,其颗粒表面变得粗糙,且会产生不同程度的裂痕、腐蚀和破损。

氧化板栗淀粉,羧基含量,透光率,凝沉性,扫描电子显微镜

板栗是我国的主要干果之一[1],其营养成分丰富,果实中富含淀粉、蛋白质、钙、铁、磷及多种维生素。淀粉是板栗的主要成分,含量约为40%～60%[2]。由于板栗淀粉在某些理化特性方面存在不足,例如,板栗淀粉糊的黏度介于玉米淀粉和木薯淀粉之间,而在低温条件下其凝沉性、稳定性则低于玉米淀粉和木薯淀粉[3]。因此,需要对它进行改性研究,使其具有更高的应用价值[4],扩大其应用范围,有利于板栗产业的发展。

氧化淀粉是改性淀粉的一种,它是在一定的介质中,原淀粉与氧化剂发生反应而生成的一种改性淀粉。在食品工业方面,氧化淀粉可以代替琼脂和阿拉伯胶,用于制造胶冻和软糖类食品;可以形成连续、清晰、强韧的薄膜,利于喷雾干燥等。采用不同的氧化工艺,氧化剂和原淀粉可以制成性能各异的氧化淀粉[5]。常用的氧化淀粉是由次氯酸钠氧化改性而来,但这种方法生成的淀粉纯度不高,且易分解放出氯气;而采用双氧水氧化淀粉,得到的产品纯度高,且过量的双氧水最终会分解为水,是较为理想的绿色工艺。

板栗氧化淀粉同原淀粉比较,具有透明度高、溶解度大、成膜性好、应用范围广的优点。目前,国内外有关各种氧化淀粉的生产工艺、反应机理及理化特性等方面的研究内容比较多,例如,Whistler、Schweiger[6]等人做了高水平的双氧水氧化支链淀粉的相关研究;Parovuori、Hamunen[7]等人研究了不同的金属催化剂对马铃薯淀粉进行过氧化氢氧化的影响;少数报道研究了由次氯酸钠和双氧水氧化马铃薯淀粉的结构特征和替代模式[8-10]。然而,对于采用双氧水对板栗淀粉进行氧化改性,并对其理化性质进行研究的报道相对较少。

在非催化剂的条件下,双氧水的氧化速率非常慢,所以一般需要添加金属催化剂,加快反应速率。常用的金属催化剂有Cu2+、Fe2+[11]。双氧水氧化淀粉的生产方法主要有湿法和干法两种,国内外常用湿法工艺生产氧化淀粉,其具体步骤是首先将淀粉与蒸馏水混合,配制成一定浓度的淀粉乳,然后在依次添加催化剂和氧化剂,最后将混合液在特定温度下反应、干燥,得到成品。这种方法反应条件温和,操作简便,使用仪器简单,得到的产品纯度高,实用性非常强[12]。本实验以板栗淀粉为原料,双氧水作氧化剂,硫酸铜溶液作催化剂,采用湿法氧化,研究了氧化板栗淀粉的制备工艺及其理化特性,以期为板栗淀粉的改性提供研究基础,也为氧化淀粉的制备增加新的内容。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

板栗 燕山早丰品种,河北省迁西县;马铃薯淀粉、玉米淀粉、红薯淀粉 购于北京美廉美超市,均为食品级;30%过氧化氢、五水合硫酸铜、氢氧化钠、盐酸、无水亚硫酸钠、硝酸银 均为国产分析纯试剂。

BLENDER800S组织破碎机 WARING COMMERCIAL;JB-3型定时双向磁力恒温搅拌器江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;TD5A台式低速离心机 湖南赫西仪器装备有限公司;DHG-9033B5-Ⅲ电热恒温鼓风干燥箱 上海新苗医疗器械制造有限公司;DK-98-Ⅱ电热恒温水浴锅 天津市泰斯特仪器有限公司;PHSJ-3F实验室pH计 上海精科;SHA-BA水浴恒温振荡器 金坛市荣华仪器制造有限公司;SCIENTZ-12N冷冻干燥机 宁波新芝生物科技股份有限公司;T6紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;Hitachi S-3400N扫描电子显微镜、E1010离子溅射仪 上海(日立)高新技术有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 板栗淀粉的制备 首先将生板栗剥壳去皮并切碎,用0.2% NaOH 溶液浸泡过夜,然后将混合物置于组织破碎机中破碎,依次过80、200目的筛网,最后将筛下物用蒸馏水洗涤3～4次,以4000 r/min 速率离心5 min,直至上清液为无色,除去上清液,将沉淀置于40 ℃烘箱中干燥得到板栗淀粉。

1.2.2 双氧水氧化板栗淀粉的制备 参照陈彦逍等[13]方法,以板栗淀粉为原料,配制40%的板栗淀粉乳,边搅拌边加入一定量的0.4%硫酸铜溶液,用氢氧化钠水溶液或盐酸调节pH至一定值,缓慢加入规定量的双氧水,恒温反应一定时间至所需氧化程度,再调节pH=6.0～6.5,最后加适量10%的亚硫酸钠水溶液终止反应。经洗涤、烘干、粉碎得氧化板栗淀粉。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 反应体系pH对羧基含量的影响 固定淀粉用量5 g,30% H2O2用量为2 mL,反应时间为4 h,反应温度为45 ℃,CuSO4添加量为淀粉干基的0.02%,反应体系pH分别取4、5、6、7、8共5个水平,考察pH对羧基含量的影响。

1.2.3.2 过氧化氢用量对羧基含量的影响 固定淀粉用量5 g,反应时间为4 h,反应温度为45 ℃,反应pH为7,CuSO4添加量为淀粉干基的0.02%,30% H2O2用量分别取1、2、3、4、5、6 mL共6个水平,考察H2O2用量对羧基含量的影响。

1.2.3.3 硫酸铜用量对羧基含量的影响 固定淀粉用量5 g,30% H2O2用量为2 mL,反应时间为4 h,反应温度为45 ℃,反应pH为7,CuSO4添加量分别取淀粉干基的0%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%共5个水平,考察催化剂用量对羧基含量的影响。

1.2.3.4 反应时间对羧基含量的影响 固定淀粉用量5 g,30% H2O2用量为2 mL,反应温度为45 ℃,反应pH为7,CuSO4添加量为淀粉干基的0.02%,反应时间分别取2、4、6、8、10 h共5个水平,考察反应时间对羧基含量的影响。

1.2.4 正交实验 以板栗淀粉为原料,羧基含量为指标,考察pH、过氧化氢、硫酸铜、时间四个因素,安排L9(34)正交表,如表1所示。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment

1.2.5 羧基含量的测定 氧化淀粉的氧化程度,可以用羧基含量来衡量。其中羧基含量越高,氧化程度就越深,其分子降解程度越高,黏度越低。参照GB/T 20374-2006/ISO11214[14],称取1 g淀粉于50 mL的锥形瓶中,加入5 mL 0.1 mol/L HCl,用磁力搅拌器搅拌30 min,用蒸馏水洗涤,以4000 r/min 速率离心5 min,重复3～4次直至上清液无Cl-(硝酸银∶上清液=1∶5,1 min内不出现浑浊或白色沉淀),用20 mL水将沉淀转移至100 mL锥形瓶中,再加入40 mL水,放入沸水浴中搅拌至糊化,再继续搅拌15 min,趁热加入酚酞指示剂4滴,用0.1 mol/L NaOH滴定至粉红色不退(30 s)为终点。总的羧基质量分数,以%计算,计算公式如下:

Wc=[(cVMc×100)/m]×[100/(100-Wm)]

式中:c-滴定用的氢氧化钠溶液的摩尔浓度,mol/L;V-滴定消耗的氢氧化钠溶液的体积,mL;Mc-羧基的毫摩尔质量,Mc=0.045 g/mmol;m-实验样品的质量,g;Wm-实验样品的水分质量分数,%。

1.2.6 透光率的测定 参照杨秋歌等[15]的方法,配成1%淀粉乳,取50 mL置于沸水浴中加热搅拌15 min,并保持原有体积,冷却至30 ℃,将糊液倒入1 cm比色皿中,用分光光度计在620 nm 波长下测定糊液透光率,以蒸馏水为空白(设蒸馏水的透光率为100%)。

1.2.7 凝沉性的测定 参照唐洪波等[16]的方法,配成1%淀粉乳,先测定透光率,静置24 h后,再测定其透光率,计算其差值,表示其凝沉性。

1.2.8 扫描电子显微镜(SEM)测定 参照徐忠等[17]的方法,对不同的淀粉样品进行扫描电子显微镜的检测,具体操作步骤为:首先剪取导电双面胶带,将其固定在载物台上;然后挑取少量的干燥样品均匀地喷洒在胶带上;最后进行喷金处理,并采用20 kV的电子枪加速,在不同的放大倍数下扫描、拍照。

1.3 数据处理

数据利用Microsoft Office Excel 2007 进行处理,利用SPSS 19.0进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 反应体系pH对羧基含量的影响 由图1可以看出,当pH小于7时,随着pH的增加,氧化板栗淀粉的羧基含量也逐渐升高;当pH等于7时,其羧基含量达到最大值;当pH大于7时,其羧基含量降低。这是因为在酸性条件下,淀粉分子之间的氢键较强,反应阻力较大,使氧化反应速率降低,因而羧基含量较低。当pH等于7时,淀粉分子之间的氢键减弱,同时Cu2+会破坏淀粉颗粒结构,使羟基活化,氧化反应速率上升,其羧基含量达到最大。当pH进一步增加至碱性时,催化剂中的Cu2+易形成沉淀,使其催化效果下降,氧化反应速率降低,导致其羧基含量降低。因此,选择适宜的pH为7。

图1 反应体系pH对羧基含量的影响Fig.1 Effect of different pH on the content of carboxyl

2.1.2 过氧化氢用量对羧基含量的影响 由图2可以看出,随着过氧化氢用量的增加,氧化板栗淀粉的羧基含量也在逐渐升高;当过氧化氢用量大于4 mL时,其羧基含量增加趋势变得平缓。这是因为一开始增加氧化剂的用量,氧化反应速率会升高,使得淀粉分子链上更多的羟基氧化成羧基,表现为氧化板栗淀粉的羧基含量升高。当过氧化氢的用量大于4 mL时,氧化剂用量已经饱和,氧化反应速率增加趋势平缓,表现为氧化板栗淀粉的羧基含量增加不明显。综合考虑其成本及氧化剂残留等问题,选择适宜的过氧化氢用量为4 mL。

图2 过氧化氢用量对羧基含量的影响Fig.2 Effect of amount of hydrogen peroxide on the content of carboxyl

2.1.3 硫酸铜用量对羧基含量的影响 由图3可以看出,当不添加硫酸铜时,氧化反应速率较低,氧化板栗淀粉的羧基含量较低;一旦加入硫酸铜,其羧基含量迅速升高,且随着硫酸铜用量的增加,氧化板栗淀粉的羧基含量也在升高;当硫酸铜的用量超过淀粉干基的0.02%时,氧化板栗淀粉的羧基含量增加趋势平缓。这是因为硫酸铜中的Cu2+对氧化反应有着明显的催化作用,增加硫酸铜的用量会使氧化反应速率加快,氧化板栗淀粉的羧基含量迅速升高。但当硫酸铜用量超过淀粉干基的0.02%时,其羧基含量增加不明显,可能是由于Cu2+对淀粉具有一定的络合作用,核心离子被禁锢,催化效果下降,氧化反应速率降低。因此,选择适宜的硫酸铜用量为淀粉干基的0.02%。

图3 硫酸铜用量对羧基含量的影响Fig.3 Effect of amount of copper sulfate on the content of carboxyl

2.1.4 反应时间对羧基含量的影响 由图4可以看出,随着反应时间的增加,氧化板栗淀粉的羧基含量逐渐升高;当反应时间为6 h,氧化板栗淀粉的羧基含量达到最大;当反应时间继续增加,氧化板栗淀粉的羧基含量降低。这是因为当反应时间较短时,氧化反应不充分,其羧基含量较低。随着反应时间的增加,氧化反应逐渐充分发生,其羧基含量升高。当反应时间超过6 h时,氧化程度进一步加深,淀粉分子发生剧烈的局部化学反应,致使淀粉分子高度降解并产生碎片,氧化板栗淀粉的羧基含量降低。因此,选择适宜的反应时间为6 h。

图4 反应时间对羧基含量的影响Fig.4 Effect of reaction time on the content of carboxyl

2.2 正交优化实验

双氧水氧化板栗淀粉的正交实验结果,如表2所示。

表2 正交实验结果Table 2 Results of orthogonal experiment

由表2可知,对氧化板栗淀粉羧基含量的影响顺序为:过氧化氢>硫酸铜>反应时间>pH;最佳工艺条件为:A1B3C3D3,即:pH为6、过氧化氢用量为5 mL、硫酸铜用量为淀粉干基的0.03%、时间为8 h。然后,对实验结果进行方差分析,如表3所示。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

注:*表示差异显著(p<0.05)。

由表3可以看出,过氧化氢对羧基含量影响显著,其他因素pH、硫酸铜、时间对羧基含量影响不显著。根据实验结果分析得出最佳工艺参数:pH为6、过氧化氢用量为5 mL、硫酸铜用量为淀粉干基的0.03%、时间为8 h,双氧水氧化板栗淀粉的羧基含量达到最大值53.79%。

2.3 透光率分析

分别选取不同样品:马铃薯淀粉、玉米淀粉、红薯淀粉、原板栗淀粉、氧化板栗淀粉1号(羧基含量=26.99%,由正交实验中实验号为1的条件制得)及氧化板栗淀粉2号(羧基含量=53.79%,由优化实验中最佳工艺参数条件制得),测定透光率,其结果见表4。

表4 不用样品的透光率测定结果(%)Table 4 Transmittance for different samples(%)

注:利用ANOVA进行显著性分析,同行字母不同表示差异显著(p<0.05)。

由表4可以看出,原板栗淀粉的透光率在玉米淀粉和薯类淀粉之间,即透光率大于玉米淀粉,小于马铃薯淀粉和红薯淀粉;经过氧化改性后,与原板栗淀粉相比,氧化板栗淀粉的透光率显著增加,且氧化度越高,透光率越大。影响透光率的主要因素有:膨胀颗粒的大小和支链淀粉的比例,其膨胀颗粒尺寸越大,支链淀粉比例越多,会增加光的透射量,提高透光率[18]。一般来说,薯类的支链淀粉含量最高,其次是板栗、玉米,所以薯类淀粉的透光率高于板栗淀粉和玉米淀粉。经过氧化改性后,羟基被取代成羧基,羧基具有空间排斥效应及静电效应,会阻碍分子间的相互缔合,导致颗粒尺寸变大;且氧化反应使淀粉颗粒的水合能力增强,在水中的分散性变大,因而透光率提高。

2.4 凝沉性分析

分别选取不同样品:马铃薯淀粉、玉米淀粉、红薯淀粉、原板栗淀粉、氧化板栗淀粉1号(羧基含量=26.99%)及氧化板栗淀粉2号(羧基含量=53.79%),通过测定其透光率前后变化的差值,绘制透光率变化柱形图,分析其凝沉效果,其结果见图5。

图5 透光率变化Fig.5 Change of light transmittance

由图5可以看出,原板栗淀粉的凝沉性比较大,仅小于红薯淀粉;经过氧化改性后,原板栗淀粉的凝沉性明显减小,而且氧化度越高,凝沉性越小。这是因为淀粉经氧化后,一方面,直链淀粉的含量减少,支链淀粉的空间结构会防止分子间的结合,导致糊的凝沉性减弱;另一方面,生成的羧基含量越多,淀粉分子的亲水性越强;且羧基的负电荷可以阻碍淀粉分子链的聚合老化,达到良好的抗凝沉效果。

2.5 扫描电子显微镜分析

分别选取不同样品:原板栗淀粉、氧化板栗淀粉1号(羧基含量=26.99%)及氧化板栗淀粉2号(羧基含量=53.79%),通过SEM分析,得到其在放大倍数为3.00k下的扫描电镜图,如图6所示。

图6 不同样品的扫描电镜图(3.00k×)Fig.6 Scanning electron microscopy(3.00k×)for different samples

由图6可知,不同种类的淀粉,其颗粒形态存在很大的差异。经过氧化改性后,与原板栗淀粉相比,由图6(b、c)可以看出,淀粉颗粒表面变得粗糙,且随着氧化程度的加深,产生不同程度的裂痕、腐蚀和破损。当羧基含量为26.99%时,淀粉大多数的颗粒表面产生裂痕;当羧基含量为53.79%时,颗粒产生腐蚀、破裂。这种现象的发生是由于淀粉颗粒的非结晶区结构松散,结晶区结构紧密,当进行氧化反应时,非结晶区的层间质点结合力弱,会首先遭到破坏,表现为颗粒形态发生破损。随着氧化程度的加深,颗粒的非结晶区破损程度增大,结晶区也存在一定程度的破坏,表现为颗粒遭到腐蚀,产生破裂,不能维持原有形态[19]。

3 结论

通过单因素和正交优化实验,得出了双氧水制备氧化板栗淀粉的最佳工艺参数:pH为6、过氧化氢用量为5 mL、硫酸铜用量为淀粉干基的0.03%、时间为8 h。在此条件下,双氧水氧化板栗淀粉的羧基含量达到最大值53.79%。同时,通过对实验数据的分析与验证,证实数据真实可靠,具有较高的实际应用价值。与原板栗淀粉相比,双氧水氧化板栗淀粉的透光率有明显的提高,且随着氧化淀粉的羧基含量由26.99%升高至53.79%,其透光率由89.34%±0.03%升高至91.05%±0.23%,而凝沉性则随着氧化程度加深而显著降低。原板栗淀粉经氧化改性后,淀粉颗粒表面变得粗糙,且会产生不同程度的裂痕、腐蚀和破损。

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Preparation and properties of chestnut starch oxidized by hydrogen peroxide

JIA Yi-fan,QIU Zeng-lian,WANG Tao,WANG Feng-jun*

(College of Biological Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing Key Laboratory of Forest Food Processing and Safety,Beijing 100083,China)

This wet process involves homemade chestnut starch as a raw material,hydrogen peroxide as an oxidant,and copper sulphate as a catalyst. In this study,the optimized conditions for oxidized chestnut starch and its physicochemical and structural properties were investigated. The results showed that the optimum preparation conditions were as follows:pH6,hydrogen peroxide∶chestnut starch=1∶1(V/W),copper sulfate amount was 0.03% of the dry starch and time for 8 h. Under the optimum process conditions,carboxyl content reached the highest degree of 53.79%. As the carboxyl content increased from 26.99% to 53.79%,light transmittance research showed that transparency improved from 89.34% to 91.05%,however,the retrogradation was reduced by the oxidation at the same time. The SEM indicated that the surface of chestnut starch granules turned into rough,and exhibited different degrees of cracks,corrosion and worn after oxidation.

hydrogen peroxide chestnut starch;carboxyl content;light transmittance;coagulation sink;SEM

2016-08-09

贾一凡(1991-)，女，硕士研究生，主要从事淀粉性质方面的研究,E-mail:jiayifan@bjfu.edu.cn。

*通讯作者:王丰俊(1975-)，男，博士，副教授，主要从事油脂与植物蛋白方面的研究,E-mail:wangfengjun@bjfu.edu.cn。

中央高校基本科研业务费专项资金(TD2012-03)。

TS235.4

B

:1002-0306(2017)04-0242-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.04.037