两种乙酰化马铃薯淀粉流变及凝胶特性的对比研究

蒲华寅，郭 瑾，李艳芳，白 芸，黄峻榕

(陕西科技大学 食品与生物工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

马铃薯淀粉是薯类淀粉的一种，由于具有较为独特的性质而优于其他淀粉，如糊化温度低、黏度大、透明度高等.乙酰化淀粉是淀粉与乙酰化试剂发生酯化反应将乙酰基团(CH3CO-)引入淀粉中得到的一类淀粉酯，其糊化温度低、抗凝沉性和冻融稳定性好[1]，使其部分性质更优于原淀粉，从而使其更加适用于工业化应用.

乙酸乙烯和乙酸酐是工业上常用的两种乙酰化试剂.目前对于乙酰化淀粉的研究主要包括对其在挂面、速冻水饺等食品[2,3]中的应用；乙酰化淀粉的制备方法[4]；乙酸酐制备的乙酰化淀粉在分子结构、颗粒结构等方面的研究[5,6]，对乙酰化淀粉在流变和凝胶特性方面的对比研究较少.本实验旨在通过对马铃薯原淀粉及乙酰化淀粉流变和凝胶特性的研究，探究两种乙酰化对马铃薯淀粉流变学和凝胶特性的影响，为乙酰化淀粉的应用及深加工提供理论依据.

1 实验部分

1.1 材料与仪器

(1)主要材料：马铃薯淀粉，青海威思顿薯业集团有限责任公司；乙酸酐、乙酸乙烯均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司.

(2)主要仪器： AR2000动态流变仪，美国TA公司；FEIQ45型环境扫描电镜，日本日立集团；TA.XT plus型物性分析仪，美国Stable Micro System公司；CTFD-12S冷冻干燥机，青岛永合创信电子科技有限公司；SC-05型低速离心机，安徽中科中佳科学测定仪器有限公司；VECTOR-22型红外光谱仪：德国布鲁克公司.

1.2 实验方法

1.2.1 乙酰化淀粉的制备及取代度的测定

采用两种乙酰化试剂(乙酸乙烯、乙酸酐)进行低取代度的乙酰化，得到对应的两种乙酰化淀粉，乙酰化淀粉的制备过程及其取代度的测定方法参照严青、初丽君[7,8]的实验方法.

1.2.2 乙酰化淀粉的红外表征

采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对样品的分子结构进行分析[9].取一定量样品放入105 ℃的干燥箱中干燥2 h，冷却至室温后，将少量样品放入玛瑙研钵中，加入溴化钾，混合、研磨、压片后放入傅里叶变换红外光谱仪上进行测试.测试参数为：以空气为空白，分辨率为4 cm-1，波数范围为4 000～400 cm-1.

1.2.3 淀粉流变特性测定

采用AR2000旋转流变仪对原淀粉及两种乙酰化淀粉的黏度特性及流变特性进行测定[10].

(1)淀粉黏度性质测定

配制浓度为6%、8%、10%的淀粉乳，采用标准糊化程序对马铃薯原淀粉及其乙酰化淀粉的糊化特性进行测定.标准糊化程序如表1所示.

表1 淀粉乳标准糊化程序

(2)淀粉线性黏弹区的确定

对淀粉糊进行频率为f=1 Hz的应变扫描测试，确保后续程序中淀粉流变特征值都在线性黏弹区内.测试参数：温度50 ℃，应变量由0.001%变化到10.0%.

(3)淀粉糊动态流变特性的测定

确定线性黏弹区后进行淀粉糊的动态流变特性测定.温度由50 ℃升高至95 ℃，再降低到50 ℃(温度变量单位为5 ℃)，测定弹黏性模量(G′、G″)在升温和降温过程中的变化，测试条件：频率为f=1 Hz，应变为1.0%.

(4)淀粉糊静态流变特性的测定

完成动态流变测试后进行淀粉糊的静态流变测试.不改变测试条件，剪切速率由0.1增大到100，再降低到0.1，测定淀粉糊剪切应力随剪切速率的变化.

(5)数据处理

用OriginPro 9.0软件处理数据.采用幂律方程(τ=Kγn，τ-剪切应力/Pa，K-稠度系数/Pa·Sn，γ-剪切速率/s-1，n-流体指数)对淀粉静态流变曲线数据进行回归分析，得到K、n、R2(复相关系数)和滞后环面积.

1.2.4 淀粉凝胶特性测定

(1)淀粉凝胶质构特性测定

样品经过流变仪测定其流变特性后，将淀粉凝胶收集于小铝盒中，放入4 ℃冰箱中冷藏24 h后取出，进行质构测定.测试条件：选择二次按压(TPA)模式，探头为P/0.5，下压距离为6 mm，测前速度及测后速度均为3 mm/s，测中速度为1 mm/s，每个样品均测试三次.

(2)淀粉凝胶冻融稳定性的测定

原淀粉及其乙酰化淀粉凝胶冻融稳定性的测定参照董贝贝[11]的实验方法.

(3)淀粉凝胶微观结构的观察

将冻干后的淀粉凝胶切成大小均匀的正方块(长、宽、高均为5 mm)贴于导电胶上，喷金后，将带有样品的载物台放入扫描电镜的进样室，在真空条件下进行观察.

2 结果与讨论

2.1 乙酰化淀粉的红外表征分析结果和取代度

红外表征分析结果：与原淀粉相比，两种乙酰化淀粉分别在1 733 cm-1、1 375 cm-1和1 254 cm-1处出现了新的吸收峰(如图1所示).1 733 cm-1处的吸收峰是羰基的特征吸收峰，1 375 cm-1和1 254 cm-1处的吸收峰是乙酸酯的特征吸收峰[8]，因此确定在两种乙酰化淀粉分子中引入了乙酰基团.乙酸乙烯和乙酸酐乙酰化淀粉的取代度分别为0.101和0.093.

图1 马铃薯原淀粉(NPS)及两种乙酰化淀粉(乙酸乙烯VA和乙酸酐AA)的红外光谱图

2.2 淀粉的流变特性

2.2.1 淀粉的黏度特性

淀粉的黏度曲线反应了淀粉在糊化过程中黏度的变化趋势，并得到各个特征点，如峰值黏度、谷值黏度、终黏度及糊化温度等.原淀粉颗粒的黏度曲线属于典型的A型(在水中逐渐加热时，黏度曲线会有明显急剧的上升阶段，且峰值黏度较高，随后黏度大幅下降，在后续的降温过程中，黏度又会出现小幅度的回升).乙酰化淀粉的黏度曲线与原淀粉的相似(如图2所示).

(a)6%浓度

(b)8%浓度

(c)10%浓度图2 马铃薯原淀粉(NPS)及两种乙酰化淀粉(乙酸乙烯VA和乙酸酐AA)的黏度曲线

三个浓度条件下，原淀粉的糊化温度(62.2 ℃～63.2 ℃)都高于乙酰化淀粉的(58.0 ℃～60.4 ℃).随着浓度的增大，原淀粉和乙酰化淀粉的黏度值都大幅增加.6%浓度时，乙酸乙烯乙酰化淀粉的峰值黏度最小；8%和10%浓度时，两种乙酰化淀粉的峰值黏度(7 958～13 060 cP)均高于原淀粉的(7 815～11 170 cP).6%和8%浓度时，两种乙酰化淀粉的谷值黏度(1 882～3 279 cP)和终黏度(3 054～5 292 cP)均大于原淀粉的对应值(分别为1 530～2 485 cP和2 686～4 408 cP).可能是由于乙酰化后，淀粉的分子结构发生变化，使直链淀粉与支链淀粉之间的相互作用增强，溶液黏度增加[12].浓度为10%时，两种乙酰化淀粉的终黏度(5 968～6 756 cP)与原淀粉的(6 203 cP)相近.这可能是由于随着浓度的增加，淀粉分子密度的增大使得分子链之间缠结作用加剧，乙酰基团的影响相对减小.因此乙酰化淀粉适宜在较低浓度下使用.

两种乙酰化淀粉的黏度也存在差异.6%、8%和10%浓度时，乙酸酐乙酰化淀粉的峰值黏度(4 725 cP、8 672 cP、13 060 cP)都大于乙酸乙烯乙酰化淀粉的(4 239 cP、7 958 cP、11 680 cP).可能是由于乙酰基团在淀粉颗粒内外层分布不同造成.Huang等[13]研究提出，乙酸酐乙酰化淀粉的乙酰基团大部分位于淀粉颗粒表面的直链淀粉上，而乙酸乙烯乙酰化淀粉的乙酰基团在淀粉颗粒的内外层均有分布，说明乙酸酐在乙酰化反应中仅作用于淀粉颗粒的特定部分，而乙酸乙烯的乙酰化反应则贯穿整个淀粉颗粒.在流动过程中，直链淀粉比支链淀粉更易被拉伸取向，流动性增强，故乙酰基插入直链淀粉中会产生较大的阻力，因此乙酸酐乙酰化淀粉相比于乙酸乙烯乙酰化淀粉具有较高的黏度值.

2.2.2 淀粉的动态流变特性

动态流变特性是指给流体在一定的频率下施以不变的力时，淀粉糊在不同温度下表现出的黏弹性行为，包括弹性模量G′和黏性模量G″.弹性模量越大，物质受力时变形程度越小，淀粉糊变形后恢复的能力越强；黏性模量越大，体系抵抗流动能量越强，体系越不易流动[14].

在升温过程中，弹黏性模量逐渐减小，在降温过程中又逐渐增加.升温时所有淀粉的弹黏性模量均大于降温时的，且所有淀粉的弹性模量均大于黏性模量(如图3所示)，说明马铃薯原淀粉及其乙酰化淀粉表现出倾向于固体特征.

乙酸酐乙酰化淀粉的弹黏性模量最高(6%浓度下50 ℃时弹黏性模量依次为56.3 Pa、16.2 Pa)，其次是原淀粉的(39.4 Pa、17.3 Pa)，乙酸乙烯乙酰化淀粉的最小(36.9 Pa、11.1 Pa)，说明淀粉糊的弹黏性与其内部结构的差异密切相关.相比于原淀粉，乙酰化淀粉的弹黏性模量随温度变化较平缓(如图3所示)，是因为直链淀粉上的乙酰基团使淀粉分子难聚集、靠近，减弱淀粉分子间相互作用，在变温过程中，淀粉分子的运动对淀粉糊的影响作用较小[7]，故乙酰化淀粉不易回生，热稳定性较好，说明其增稠和稳定效果较好，可将其应用于食品添加剂.

图3 马铃薯原淀粉(NPS)及两种乙酰化淀粉(乙酸乙烯VA和乙酸酐AA)的动态流变曲线(升温时所有淀粉的弹黏性模量均大于降温时的弹黏性模量)

两种乙酰化淀粉相比，乙酸酐乙酰化淀粉糊的弹黏性模量在升温和降温过程中变化的幅度较小，模量差值随着温度的变化也较小，故乙酸酐乙酰化淀粉的热稳定性更好.这是由于乙酸酐乙酰化淀粉的乙酰基团主要集中于直链淀粉分子上，而直链淀粉分子的重排引起淀粉的短期回生[15]，故乙酸酐乙酰化淀粉在短期内难以回生，热稳定性好，体系强度较好，用于食品增稠剂时，稳定效果更佳.

2.2.3 淀粉的静态流变特性

在三个浓度条件下，原淀粉及其乙酰化淀粉的静态流变曲线变化趋势相似(如图4所示)，浓度的改变和乙酰化并未改变马铃薯淀粉糊的流体类型，均表现为假塑性流体.所有淀粉糊流变曲线均形成梭形的滞后环结构，这是由于随着剪切应力的增大，缠绕的淀粉链被分散，结构破坏，剪切应力减小时，被破坏的结构又逐渐恢复，其恢复的速度小于被破坏的速度所造成的.滞后环面积的大小表示触变性的强弱[16].滞后环面积越大，触变性越强，形成凝胶的能力就越差.

随着浓度的增大，各淀粉的滞后环面积明显增大(如表2所示).相较于原淀粉，两种乙酰化淀粉糊的滞后环面积随浓度增大的幅度较小(浓度从8%增大到10%时，滞后环面积增大的幅度分别为：乙酸酐乙酰化淀粉34%、乙酸乙烯乙酰化淀粉55%、原淀粉131%)，这是由于乙酰基团的空间阻碍，分子间氢键作用随浓度变化较小.

图4马铃薯原淀粉(NPS)及两种乙酰化淀粉(乙酸乙烯VA和乙酸酐AA)的静态流变曲线

表2 马铃薯原淀粉(NPS)及两种乙酰化淀粉(乙酸乙烯VA和乙酸酐AA)的静态流变参数

在6%和8%浓度时，乙酸酐乙酰化淀粉的滞后环面积最大，其次是乙酸乙烯乙酰化淀粉的，原淀粉糊的最小(如表2所示)，可能是由于乙酸酐乙酰化淀粉的黏度最大，分子间作用力最强，使其结构被破坏后恢复性较差，故其触变性最大.因此在低浓度时，乙酰化淀粉相比于原淀粉更适合于食品加工.10%浓度时，原淀粉滞后环面积较大，乙酰化淀粉的较小，说明马铃薯原淀粉的触变性对较高浓度更为敏感.滞后环面积越大，样品的触变性越强，剪切稳定性越差，越不利于食品的保型及加工制作[17].

流动系数n用来表征淀粉糊的流体性能[18]，原淀粉及乙酰化淀粉糊的n值均小于1，说明各淀粉均为假塑性流体，而乙酰化并未改变马铃薯淀粉的流体类型.而稠度系数K(反应流体的黏稠度)随着淀粉浓度的增大而增大，各浓度下均是乙酰化淀粉的K值大于原淀粉的.

2.3 淀粉的凝胶特性

2.3.1 淀粉凝胶的微观结构

从扫描电镜图可以看出(如图5所示)，不同浓度的原淀粉及其乙酰化淀粉凝胶均呈现三维网状结构.随着浓度的增大，相同体积内淀粉分子数量增多，凝胶的网孔结构更加紧凑密集，凝胶内部空隙变小，网孔尺寸也就逐渐减小(原淀粉凝胶6%：198μm、8%：168μm、10%：113μm).高浓度淀粉凝胶的均匀性比低浓度的差，说明淀粉分子数量增多的同时也增大了凝胶系统的不稳定性.

(a)NPS-6% (b)VA-6% (c)AA-6%

(d)NPS-8% (e)VA-8% (f)AA-8%

(g)NPS-10% (h)VA-10% (i)AA-10%图5 马铃薯原淀粉(NPS)及两种乙酰化淀粉凝胶(乙酸乙烯VA和乙酸酐AA)的扫描电镜图

与原淀粉凝胶相比，乙酰化淀粉凝胶的微观结构较差，网孔轮廓不清晰.原因可能是其形成的网孔结构的强度较为脆弱，部分网孔相互挤压融合导致网孔壁断裂、塌陷.相较于乙酸乙烯乙酰化淀粉凝胶，乙酸酐乙酰化淀粉凝胶的结构较为松散，部分凝胶出现塌陷和层状，是由于其部分淀粉分子相互聚集而未整体结合造成，同时直链淀粉的含量影响淀粉凝胶的形成，乙酸酐乙酰化淀粉的乙酰基团主要分布在直链淀粉上，对凝胶的形成影响更大，故乙酸酐乙酰化淀粉凝胶结构更为松散脆弱.

2.3.2 淀粉凝胶的质构特性

淀粉凝胶是淀粉糊冷却后淀粉分子重新以氢键形式结合形成的三维网状结构.

原淀粉凝胶的硬度和胶黏性较大，并随着浓度的增大而增大，乙酰化淀粉凝胶的较小，且随浓度的增大无明显变化，各淀粉的硬度和胶黏性之间差异显著(如表3所示).乙酰基团插入造成的空间位阻使直链淀粉分子难以相互聚集靠近，淀粉分子间形成氢键的可能性更小，淀粉分子与水形成氢键的可能性更大[13]，并且直链淀粉含量对淀粉凝胶硬度影响较大[19].故相比于原淀粉，乙酰化淀粉凝胶的网络强度降低，内部结合度也较低.

表3 马铃薯原淀粉(NPS)及两种乙酰化淀粉凝胶(乙酸乙烯VA和乙酸酐AA)的质构特征值

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

在三个浓度下，原淀粉及乙酰化淀粉凝胶的弹性和内聚性相对较小，且弹性无显著差异(如表3所示).有研究者认为凝胶在受到较大力度的挤压时，部分结构被破坏，其弹性和内聚性失去分析意义.Seetapan等[20]和张磊等[15]也发现了此现象，原因可能是乙酰化淀粉凝胶的网孔强度和内部结合度较低，在下压过程中容易被探头破坏，发生轻微形变，同时胶黏性较高，使其与探头粘黏，使乙酰化淀粉凝胶的弹性、内聚性无参考价值.

2.3.3 淀粉凝胶的冻融稳定性

淀粉凝胶的冻融稳定性可以反映淀粉与水相互结合的能力.淀粉的析水率越大，凝胶的冻融稳定性越差，淀粉跟水的结合力越弱.原淀粉凝胶在前二个冻融循环中有较大的析水率，在后续的冻融循环中析水较少.乙酸乙烯乙酰化淀粉凝胶的析水率逐渐增多.乙酸酐乙酰化淀粉凝胶在后四个循环中析水较多，且第四个冻融循环达到最大析水率(如表4所示).原淀粉与乙酰化淀粉凝胶析水率的差异可能与冻融过程对凝胶结构的破坏程度有关[21].

表4 马铃薯原淀粉(NPS)及两种乙酰化淀粉凝胶(乙酸乙烯VA和乙酸酐AA)的析水率

综合比较，乙酸乙烯乙酰化淀粉凝胶的冻融稳定性最好，其次是原淀粉凝胶的，乙酸酐乙酰化淀粉凝胶的最差.其原因可能为三种淀粉的内部结构不同，分子间相互作用不同，因而造成淀粉分子与水分子相互结合能力有所不同.两种乙酰化淀粉凝胶析水率的差异也与乙酰基团在直链淀粉、支链淀粉分子的分布不同有关[22].有研究发现，位于支链淀粉上的乙酰基团在一定程度上可以增强淀粉与水之间的相互作用，使淀粉凝胶的冻融稳定性增强.乙酸酐乙酰化淀粉的乙酰基团大部分位于直链淀粉上，乙酸乙烯乙酰化淀粉的乙酰基团在直链淀粉上的较少，故乙酸乙烯乙酰化淀粉凝胶的冻融稳定性最好.

3 结论

乙酸酐乙酰化淀粉有最大的黏度特征值(峰值黏度、谷值黏度、终黏度).与原淀粉相比，乙酰化增强了马铃薯淀粉糊的热稳定性，其中乙酸酐乙酰化淀粉的热稳定性更好.原淀粉及其乙酰化淀粉均为假塑性流体且存在剪切稀化现象.相比于原淀粉，乙酰化增大了马铃薯淀粉的触变性，而乙酸酐乙酰化淀粉的触变性较强.在较低浓度(6%)时，乙酰基团对淀粉糊化和流变特性的影响比较高浓度(8%、10%)时更为明显.

原淀粉凝胶的网络结构强度最大且最为均匀(113～198μm)，乙酰化淀粉凝胶的网状结构强度较低，易被破坏，凝胶的网孔尺寸在较大的范围内变动(9～276μm).与原淀粉相比，乙酰化淀粉形成凝胶的能力较差，但两种乙酰化淀粉凝胶之间差异不大.原淀粉及乙酸酐乙酰化淀粉凝胶的冻融稳定性较差，而乙酸乙烯乙酰化淀粉凝胶的冻融稳定性较好.

该研究发现在较低浓度时，乙酰化对糊化和流变特性更为敏感，为工业生产中在不同浓度下选择合适的淀粉原料提供理论依据.