银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备及消化性能评价

郑 义 张焕新 苏怡乐 刘 萍 丁 宁 姚 成

(江苏农牧科技职业学院1，泰州 225300)(南京工业大学2，南京 211816)

银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备及消化性能评价

郑 义1，2张焕新1苏怡乐1刘 萍1丁 宁1姚 成2

(江苏农牧科技职业学院1，泰州 225300)(南京工业大学2，南京 211816)

以银杏淀粉为原料，对水相法制备辛烯基琥珀酸淀粉酯的工艺进行了研究。在辛烯基琥珀酸酐添加质量分数为3.0%不变的情况下，通过单因素试验考察淀粉乳浓度、反应时间、反应温度、pH等因素对产品取代度和反应效率的影响。在此基础上，通过正交试验优化了制备银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的最佳工艺参数：银杏淀粉质量分数40.0%，反应温度45.0 ℃，pH 8.0，反应时间4.0 h。在此工艺条件下，银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度可以达到0.019 36，反应效率74.42%。淀粉消化性能试验表明银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯对胰淀粉酶水解作用具有良好的抵抗能力，慢消化及抗消化特性显著。

银杏淀粉 辛烯基琥珀酸淀粉酯 取代度 消化性

辛烯基琥珀酸淀粉酯(Octenyl succinic anhydride modified starch，简称OSA starch)是由辛烯基琥珀酸酐(OSA)与淀粉在碱性或弱碱性条件下反应所制取的酯化产品[1]，商品名为纯胶(Pure Gum)，是一种安全性高的乳化增稠剂。1972年被列入美国食品添加剂范畴，联合国粮农组织和世界卫生组织(FAO/WHO)对其评价为：酸酐的最大处理量是3.0%，取代度约0.02，日需量无需特殊规定，可将其用于食品，使用范围没有限制。1997年，在国内被批准作为食品添加剂使用，2001年使用范围被扩大到其用量可根据需求添加，无需控制[2]。由于分子中同时引入了亲水和疏水2个基团，因此辛烯基琥珀酸淀粉酯有着其他淀粉无法兼有的优良乳化性能和增稠性能[3]，被广泛的应用于饮料乳浊液、乳化香精、微胶囊粉末、色拉调味油以及制药、化妆品、纺织和造纸等行业[4]。目前，有关辛烯基琥珀酸淀粉酯的研究主要集中在原料选择、酯化条件筛选、理化性质、结构解析及在工业生产中的应用等方面[5,6]。制备原料通常选择支链淀粉含量较高的蜡质玉米、水稻、马铃薯淀粉[5,7-10]，以高直链淀粉制备辛烯基琥珀酸淀粉酯以及对辛烯基琥珀酸淀粉酯消化性能的相关研究鲜有文献报道[11]。

银杏(GinkgobilobaL.)，又名“白果”，属银杏科落叶乔木是已知的最古老的物种树，被称为“生活化石”，是我国重要的经济及绿化植物，资源丰富。银杏中淀粉大约含600～700 g/kg(干基)，其中直链淀粉质量分数33.0%，远高于普通玉米淀粉17.6%[12]，是制备抗性淀粉较为理想的原料。目前，由于我国银杏加工技术薄弱，成熟时大片果实无人采摘，不仅造成资源的极大浪费，同时削弱了果农种植银杏的积极性。以银杏淀粉为原料，旨在对银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备工艺、消化性能进行研究和评价，为其在食品工业中的应用和银杏深加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

银杏淀粉：实验室自制(大佛指银杏，购于江苏泰兴农产品批发市场)；辛烯基琥铂酸酐：北京百灵威科技有限公司；盐酸、氢氧化钠、乙醇(均为分析纯)：上海国药试剂有限公司；实验所用水均为蒸馏水。

1.2 仪器与设备

TGL-10B高速台式离心机：北京新诺立华仪器有限公司；PHSJ-3F型酸度计：上海精密仪器仪表有限公司；DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱：上海圣欣科学仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯湿法制备方法[13]

向20 g银杏淀粉(干基)中加入蒸馏水，配制一定质量浓度的淀粉悬浊液(25.0%～45.0%)。在1.5 h内缓慢滴加用无水乙醇稀释5倍的辛烯基琥珀酸酐(OSA)，用2.0%的NaOH和0.05 mol/L的HCl调整体系的pH值，继续反应到反应所需时间。反应过程中保持温度不变，待反应结束后用0.05 mol/L的HCl调节pH至6.0，终止反应。将混合物离心分离，用70%的乙醇水溶液反复洗涤，过滤，50 ℃干燥48 h，过100目筛。

1.3.2 取代度和反应效率的测定方法[14]

精确称取1.5 g银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯样品，分散在50 mL 95%的乙醇水溶液中，搅拌10 min以除去未反应的酸酐，随后加入15 mL 2.5 mol/L的盐酸-乙醇溶液，继续搅拌30 min。将样品倒入布氏漏斗抽滤，用蒸馏水洗涤至无Cl-离子(用0.1 mol/L的AgNO3溶液检测)。将样品分散于100 mL水溶液中，沸水浴30 min。用0.1 mol/L的NaOH标准溶液滴定，酚酞为指示剂，滴定至粉红色。未改性的淀粉作空白对照，根据式(1)和式(2)计算取代度和反应效率。

(1)

(2)

式中：0.162为葡萄糖单元的分子量/1 000；0.210为辛烯基琥珀酰基/1 000；V样品为滴定银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯耗NaOH的量/mL；V空白为滴定未改性淀粉所耗的NaOH的量/mL；A为NaOH溶液的实际摩尔浓度/mol/L；W为干燥的辛烯基琥珀酸淀粉酯淀粉的质量/g；W空为未改性淀粉的质量/g；WOSA为辛烯基琥珀酸酐的质量/g。

1.3.3 消化性能测定

采用Dimantov提出的In-Vitro消化模型[15]。分别称取一定量的淀粉样品浸入模拟人工小肠液中，置于37 ℃水浴中轻微振荡，在不同时间段(30、60、90、120、150、180 min)吸取上清液取样，采用3,5-二硝基水杨酸法测定上清液中还原糖含量，计算消化率。

1.4 制备工艺试验设计

1.4.1 单因素试验

单因素试验主要研究淀粉乳浓度、反应时间、反应温度、pH等因素对产品取代度和反应效率的影响。基本条件设定为：OSA的添加质量分数为3.0%(淀粉干基比，w/w)保持不变，淀粉乳质量浓度为35.0%，pH 8.5，反应温度40 ℃，反应时间3.0 h。改变影响酯化反应的其中一个因素，其他因素保持不变，分别考察各因素对取代度和反应效率的影响，每组处理重复3次。

1.4.2 正交试验

依据单因素试验确定因素水平范围，以取代度为考察指标，采用四因素三水平正交试验设计L9(34)，优化银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备条件组合，各因素与水平见表1。

表1 正交试验因素水平表

2 结果与分析

2.1 淀粉浓度对酯化反应的影响

取不同浓度的银杏淀粉乳，反应温度为40 ℃，调整体系pH 8.5，1.5 h内缓慢滴加3.0%的OSA(淀粉干基比，m/m)后，继续反应3.0 h，以取代度DS和反应效率RE为指标，考察淀粉乳浓度对酯化反应的影响，结果见图1。

图1 淀粉乳质量浓度对取代度和反应效率的影响

由图1可以看出：淀粉乳质量浓度从25.0%增加至40.0%时，DS和RE快速增长；继续增加淀粉乳质量浓度至45.0%时，DS和RE却开始降低。主要原因是淀粉和OSA均不溶于水，酯化反应是一种非均相反应，随着淀粉质量浓度的增加，淀粉与OSA接触的概率增大，DS和RE相应增大。但当淀粉质量浓度超过40.0%后，体系含水量过低，淀粉颗粒收缩而无法吸水膨胀，不利于酸酐进入淀粉颗粒的无定型区，且体系内分子流动性减弱、难以搅拌均匀。因此，DS和RE随之减小，且反应效率减小迅速。所以，酯化反应的比较合适的淀粉质量浓度范围为30.0%～40.0%。

2.2 反应温度对酯化反应的影响

取质量浓度为35.0%银杏淀粉乳浊液，保持体系pH 8.5，反应时间3.0 h，OSA的添加质量分数为3.0%，考察淀粉反应温度对酯化反应的影响，结果见图2。

图2 反应温度对取代度和反应效率的影响

银杏淀粉难溶于冷水，因此温度对酯化反应具有显著影响。由图2知：反应温度在30.0～35.0 ℃时，DS和RE随温度的升高增加缓慢，表明淀粉分子间氢键强度大，热运动较弱，在温度较低情况下反应速度较慢；继续升高温度(35.0～40.0 ℃)，淀粉分子间氢键断裂，溶解度迅速增大，淀粉在水中的膨胀度增加，有助于OSA在淀粉颗粒内的快速扩散，表现在DS和RE迅速增大至最大值0.017 05，68.22%；继续增加反应温度，淀粉黏度增大，分子间阻力增大，而且OSA在水相中的溶解度增加，水解反应加快提高，导致DS和RE迅速减小。因此，此酯化反应的最适温度应当在40.0 ℃左右。

2.3 反应pH对酯化反应的影响

取质量浓度为35.0%银杏淀粉乳浊液，反应温度40.0 ℃，反应时间3.0 h，OSA的添加质量分数为3.0%，改变反应体系的pH，考察淀粉pH变化对酯化反应的影响，结果见图3。

由图3可知：体系的pH对酯化反应的影响较大。pH在7.5～8.0范围内，DS和RE随pH的增大快速增大，pH升高至8.0时，DS和RE分别达最大值0.014 33，67.92。主要原因在于随着pH的增大，淀粉分子的羟基大量被激活，有利于酸酐基团的亲核反应，酯化反应增加迅速，DS和RE随pH的增大。当pH>8.5时，DS和RE呈现明显下降趋势，主要原因为pH值过高时，OSA易与碱发生中和反应；并且生成的银杏淀粉酯水解速度加快，导致酯化反应的DS和RE降低。因此，酯化反应的最适宜的pH应在弱碱性范围7.5～8.5。

图3 反应pH对取代度和反应效率的影响

2.4 反应时间对酯化反应的影响

取质量浓度为35.0%银杏淀粉乳浊液，保持体系pH 8.5，反应温度40 ℃，OSA的添加质量分数为3.0%，考察淀粉反应时间对酯化反应的影响，结果见图4。

图4 反应时间对取代度和反应效率的影响

淀粉酯化反应是一种可逆的化学反应，反应时间对淀粉酯化反应较大影响。由图4知：反应时间1.0 h增加至3.0 h，DS和RE快速增加，表明反应底物银杏淀粉、OSA浓度高，酯化反应速率较大；反应时间在3.0～4.0 h时，随着底物浓度的降低，反应速度减小，表现在DS和RE增加缓慢；反应达到平衡时(4.0 h)，DS和RE分别达最大值0.012 1，53.85%。随着反应时间的进一步延长(>4.0 h)，水解反应成为主导反应，DS和RE呈现下降趋势。所以，酯化反应的比较合适的反应时间为3.0～5.0 h。

2.5银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备最佳工艺条件的确定

依据正交设计L9(34)确定9组优化试验。在不同因素水平组合条件下制备银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯，以取代度为考察指标，确定最佳制备工艺条件，结果与分析见表2及表3。

表2 正交试验设计组合及试验结果

表3 正交试验方差分析

注：将极差最小的因素D作为误差项。

对不同因素水平组合试验结果进行极差分析，由表2可知：各因素对酯化反应取代度的影响大小依次为：淀粉乳质量浓度(A)﹥反应温度(B)﹥pH值(C)﹥反应时间(D)，银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯制备最优工艺组合为：A3B3C2D2，即：淀粉质量浓度40.0%，反应温度45.0 ℃，pH 8.0，反应时间4.0 h。以极差最小的因素D(反应时间)作为误差项，对试验结果进行方差分析(表3)，由表3可知：在试验选定的水平范围内，pH对酯化反应取代度的影响较小(P>0.05)，而银杏淀粉乳质量浓度和反应温度对酯化反应取代度具有显著影响(P<0.05)，其中银杏淀粉乳质量浓度对酯化反应取代度影响极显著(P<0.01)。因此，利用水相法制备辛烯基琥珀酸淀粉酯时，银杏淀粉乳浓度和反应温度的控制是获得高取代度淀粉酯的关键因素。在此工艺条件下制备银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯(重复3次处理并测定取代度和反应效率)进行验证试验，平均取代度和反应效率分别为0.019 36，74.42%，相对误差分别为2.27%，3.18%(<5.0%)，表明采用正交试验优化得到的工艺参数具有较高可信度。

2.6 银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯消化性分析

采用In-Vitro系统测定银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯在人体模拟小肠液中消化程度随时间的变化，研究其抗消化特性，结果见图5。由图5可知，消化时间在0～20.0 min，银杏淀粉和辛烯基琥珀酸淀粉酯在α-淀粉酶的作用下发生快速水解，但银杏淀粉消化率(58.81%)显著大于辛烯基琥珀酸淀粉酯消化率(30.11%)；20.0～120.0 min，辛烯基琥珀酸淀粉酯消化率随时间的增加而增大(30.11%～49.20%)，但银杏淀粉消化率增加缓慢(58.81%～75.82%)；消化时间大于120.0 min时，二者消化率随时间的延长变化不大，辛烯基琥珀酸淀粉酯的消化率(50.83%)远小于银杏淀粉(77.93%)。Englyst等人将淀粉进行分类，以20 min内被α-淀粉酶和真菌葡萄糖淀粉酶消化的淀粉为快消化淀粉(ready digestible starch，RDS)、20～120 min内消化的为慢消化淀粉(slowy digestible Starch，SDS)，120 min仍不能消化的为抗性淀粉(resistant starch，RS)[16]。辛烯基琥珀酸淀粉酯对胰淀粉酶水解作用具有良好的抵抗能力，具有显著慢消化及抗消化的特性。胰淀粉酶对淀粉的水解作用是固液两相反应，胰淀粉酶分子首先由液相扩散到淀粉颗粒表面，然后渗入其中并对淀粉分子的糖苷键进行水解。显然，普通银杏淀粉经过酯化反应，引入OSA基团，在糖苷键和α-淀粉酶之间形成分子间的位阻，削弱与α-淀粉酶的结合能力，导致其抗性增加。这与Heacock等[17,18]提出OSA酯化反应是一种有效制备慢消化淀粉和抗性淀粉的方法研究结果相一致。

图5 银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯消化性能

3 结论

3.1 通过单因素试验和正交试验确定了银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯制备最优工艺组合：淀粉质量浓度40.0%，反应温度45.0 ℃，pH 8.0，反应时间4.0 h。在此工艺条件下，制备所得银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度0.019 36，反应效率74.42%，符合食品工业的需要，说明采用正交试验优化得到的工艺参数具有较高可信度。

3.2 淀粉消化性能试验表明：银杏辛烯基琥珀酸淀粉酯对胰淀粉酶水解作用具有良好的抵抗能力，慢消化及抗消化的特性显著。这一特性对其作为药物或食品活性物质的传递载体，起到靶向释放的功能具有重要作用，在制药和食品工业有着潜在的、巨大应用前景。

[1]Caldwell C G,Hills F,Wurzburg O B.Polysaccharide derivatives of substitut dicarboxylic acids.United State Patent,2661349.1953

[2]刘莲芳.中国食品添加剂的新品种、新近展[J].食品工业科技,1999,20(3)：1-3

Liu L F.New varieties and development of Chinese food additives[J].Science and Technology of Food Industry,1999,20(3)：1-3

[3]林红辉,郑为完,赵伟学,等.辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成及应用研究[J].食品科学,2008,29(8)：314-317

Lin H H,Zheng W W,Zhao W X,et al.Study on Synthesis and Application of Starch Octenylsuccinate[J].Food Science,2008,29(8)：314-317

[4]柳志强,杨 鑫,高嘉安,等.辛烯基琥珀酸淀粉酯研究进展[J].食品与发酵工业,2003,29(4)：81-85

Liu Z Q,Yang X,Gao J A,et al.Research Advance in Octenyl Succinic Acid Modified Starch[J].Food and Fermentation Industries,2003,29(4)：81-85

[5]Gross R A.Distribution of octenyl succinate groups in octenyl succinic anhydride modified waxy maize starch[J].Starch/Stärke,2000,52：196-204

[6]Jeon Y S,Lowell A V,Gross R A.Studies of starch esterification：reactions with alkenyl succinates in aqueous slurry systems[J].Starch-Stärke,1999,51(2-3)：90-93

[7]宋晓燕,阮 晖,许 琼,等.糯玉米辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备及其RVA谱特性分析[J].中国粮油学报,2006,21(1)：55-59

Song X Y,Ruan H,Xu Q,et al.Preparation and RVA Profile Analysis of Octenyl Succinic An hydride Modified Waxy Corn Starch[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association,2006,21(1)：55-59

[8]杨宝玲,陈烨.玉米淀粉-辛烯基琥珀酸淀粉酯制备亚麻油微胶囊[J].农业工程学报,2010(7)：364-368

Yang B L,Chen Y.Preparation of microcapsules of flaxseed oil by blends of maize starch-octenyl succinic anhydride starch[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2010(7)：364-368

[9]许琼,何国庆,宋晓燕.马铃薯辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备研究[J].中国食品学报,2006,6(6)：19-24

Xu Q,He G Q,Song X Y.Studies on the Prepar ation of Octenyl Succinic Anhydride Modified Potato Starch[J].Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology,2006,6(6)：19-24

[10]胡飞,何熙.辛烯基琥珀酸淀粉酯的表面性质(Ⅱ)[J].食品与生物技术学报,2005,24(3)：30-33

Hu F,He X.Surface Properties of Starch Octenyl Succinate Anhydride(Ⅱ)[J].Journal of Food Science and Biotechnology,2005,24(3)：30-33

[11]Song X,He G,Ruan H,et al.Preparation and properties of octenyl succinic anhydride modified early indica rice starch[J].Starch-Stärke,2006,58(2)：109-117

[12]敖自华,王 璋,许时婴.银杏淀粉的分离和纯化[J].食品科学,2001,22(1)：23-26

Ao Z H,Wang Z,Xu S Y.Separation and Purification of Ginkgo Starch[J].Food Science,2001,22(1)：23-26

[13]宋晓燕.早籼米辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备及其理化性质的研究[D].杭州：浙江大学,2007

Song X Y.Preparation and Physicochemical Properties of Octenyl Succinic Anhydride Modified Early Indica Rice Starches[D].Hangzhou：Zhejiang University,2007

[14]凌关庭.食品添加剂手册(第2版)[M].北京:化学工业出版社,1995.883

Ling G T.Handbook of food additives(Second Edition)[M].Beijing：Chemical Industry Press,1995.883

[15]Dimantov A,Kesselman E,Shimoni E.Surface characterization and dissolution properties of high amylose corn starch-pectin coatings[J].Food Hydrocolloids,2004,18(1)：29-37

[16]Englyst H N,Hudson G J.The classification and measurement of dietary carbohydrates[J].Food chemistry,1996,57(1)：15-21

[17]Heacock P M,Hertzler S R,Wolf B.The glycemic,insulinemic,and breath hydrogen responses in humans to a food starch esterified by 1-octenyl succinic anhydride[J].Nutrition Research,2004,24(8)：581-592

[18]Han J A,BeMiller J N.Preparation and physical characteristics of slowly digesting modified food starches[J].Carbohydrate polymers,2007,67(3)：366-374

Preparation and Digestible Evaluation of Octenyl Succinic Anhydride Modified Ginkgo Starch

Zheng Yi1,2Zhang Huanxin1Su Yile1Liu Ping1Ding Ning1Yao Cheng2

(Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College1,Taizhou 225300)(Nanjing Tech University2,Nanjing 211816)

The preparation of octenyl succinic anhydride(OSA)starch from Ginkgo starch in aqueous slurry systems was studied.The effects of starch concentration,reaction time,reaction temperature,pH value on the degree of substitution(DS)and the reaction efficiency(RE)of product were systematically investigated by single-factor experiments when the adding mass fraction of octenyl succinic anhydride remained as 3.0%.Orthogonal experiments were carried out to determine the suitable parameters for the preparation of OSA-starch from ginkgo in aqueous slurry systems as follows：concentration of starch slurry 40.0%(in proportion to water,m/m),reaction temperature 45.0 ℃,pH of reaction system 8.0,reaction period 4.0 h.Under this condition,the degree of substitution was 0.019 36 and the reaction efficiency was 74.42%.Moreover,the prepared product showed lower hydrolysis degree of in vitro,indicating its higher resistance to porcine pancreatic α-amylase digestibility.

Ginkgo starch,octenyl succinic anhydride modified starch,degree of substitution(DS),digestibility

TS239

A

1003-0174(2017)10-0039-06

泰州市科技支撑工业项目(TG201421)，江苏省“青蓝工程”(20160418)，江苏省高等学校大学生创新创业训练计划(20150809)

2016-07-22

郑义，女，1976年出生，副教授，药物分析及合成

张焕新，男，1972年出生，教授，粮食、油脂及植物蛋白工程