磷酸化协同超声波处理对玉米淀粉改性的研究

2021-08-27张立娟李昕杨深怡郑琳琳佟永薇

食品研究与开发 2021年15期

张立娟，李昕，杨深怡*，郑琳琳，佟永薇

（1.天津市食品研究所有限公司，天津 301609；2.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030）

淀粉是一种天然植物多糖，由葡萄糖分子经过聚合作用而形成，淀粉除直接食用外还广泛应用于造纸、食品和医药工业中[1]。为了满足工业应用的要求和开辟淀粉的新用途，需要对天然淀粉进行改性，使其成为性能更好、应用范围更广的改性淀粉[2]。为改变淀粉的透明性、凝胶力、热黏度、成膜性、稳定性以及糊化温度等固有特性，可以在天然淀粉的基础上，利用酶法、物理或化学处理改变淀粉颗粒性质和淀粉分子大小或在分子结构上引入所需要的官能团[3]。

交联淀粉属于改性淀粉中的一种，通过交联使淀粉分子间形成网状结构，常用的交联剂有三聚磷酸钠、三氯氧磷、三偏磷酸钠、甲酸等[4]。交联淀粉分子具有高凝胶强度、耐水、耐酸、黏度大、溶解性低、流动性低、膜强度较高等优点[5]。在食品工业中，交联淀粉可作为结构改良剂、增稠剂、稳定剂等，应用于冷冻食品、乳制品、肉制品等食品中[6-7]。

超声波是一种特殊的能量形式，超声处理能造成局部高温、高压及起到空化作用，可以提高化学反应的发生速度[8]。对淀粉溶液进行超声波处理，产生的空穴效应和机械振荡效应使淀粉分子链发生断裂，并对连接淀粉分子之间的氢键进行破坏，改变分子结构，最后促进淀粉分子与化学试剂的反应，提高反应效率和速率。具有耗能低、环境污染少以及操作简单方便等特性的超声波处理技术，是一种淀粉改性的新型处理方法[9]。

本研究选用玉米淀粉为试验原料，以三聚磷酸钠为交联剂，采用超声波处理，对淀粉进行交联，研究三聚磷酸钠浓度、超声功率、超声时间、温度对玉米淀粉的交联度、透明度、凝胶强度和糊化特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

三聚磷酸钠、氢氧化钠（分析纯）：天津市天力化学试剂有限公司；玉米淀粉：吉林省杞参食品有限公司。

1.2 仪器与设备

超声波萃取仪（XH-2008D）：北京祥鹄科技发展有限公司；电热鼓风干燥箱（101型）：北京市永光明医疗仪器厂；快速黏度分析仪（RVA-Ezi）：Newport公司；紫外可见分光光度计（TU-1950）：北京普析通用仪器有限责任公司；电子分析天平（ME204）：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；色差仪（ZE-6000）：日本电色仪器株式会社；酸度计（PB25）：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；质构分析仪（TA-XT plus）：英国SMS公司；台式高速离心机（TG16-WS）：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

1.3 玉米淀粉改性处理

参考吴兴刚等[10]的方法并作改动，称取玉米淀粉50.0 g，加入75 mL蒸馏水配制成40%的淀粉乳，使用10%的氢氧化钠溶液调节体系pH值为10.0，分别加入不同量的三聚磷酸钠（干淀粉质量的1%、2%、3%、4%、5%），在不同温度（20、30、40、50、60℃）和不同超声时间（10、20、30、40、50、60 min）下进行超声波处理（超声功率 900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400 W）。处理后的样品经3次水洗、抽滤后，在60℃恒温干燥箱中烘干过夜，并将干燥的淀粉磨碎过60目筛后密封，置于干燥器中备用。

1.4 方法

1.4.1 交联度测定

参考潘远凤[11]的检测方法并略作改动。称取0.3 g淀粉于试管，加入15mL去离子水配制成2%的淀粉乳，85℃水浴加热2 min。取10 mL淀粉乳以6 000 r/min离心3 min，测定上清液体积，对同一样品重复3次完整测定过程，取平均值。按式（1）计算沉降积，以此表征玉米淀粉的交联度。

式中：V为上清液的体积，mL。

1.4.2 透明度测定

参考Vatanasuchart等[12]的检测方法并略作改动。制备质量浓度为0.2%的玉米淀粉乳，于85℃加热糊化并保温20 min，冷却至室温（25℃）后用紫外可见分光光度计测定650 nm下的透明度，每个样品测定3次，并取平均值，蒸馏水为空白。

1.4.3 淀粉凝胶强度测定

参照廖卢艳等[13]的方法略作修改。制备质量分数为14%的淀粉溶液，搅拌加热至淀粉糊化，室温（25℃）冷却过夜后进行测试。质构仪设定参数：测试速率0.50 mm/s，压缩行程10.000 mm，测定凝胶强度。

1.4.4 淀粉糊化特性测定

参照GB/T 24853—2010《小麦、黑麦及其粉类和淀粉糊化特性测定快速粘度仪法》进行测定[14]。称取玉米淀粉3.5 g置于配套铝盒内，加入25 mL蒸馏水，最终得到糊化温度、保持强度、最终黏度、峰值黏度、衰减度及回生值等。

2 结果与分析

2.1 磷酸化协同超声波处理对玉米淀粉交联度的影响

淀粉在发生交联反应时分子之间会形成更多的氢键，增大淀粉分子并稳定分子结构从而抑制淀粉溶胀，最终导致其沉降积减小，即淀粉的沉降积与交联度呈现线性负相关，测定沉降积可以反映淀粉的交联度[15]。磷酸化协同超声处理对玉米淀粉交联度的影响见图1。

图1 磷酸化协同超声处理对玉米淀粉交联度的影响Fig.1 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on the crosslinking degree of corn starch

由图1a可知，随着三聚磷酸钠浓度的增加，玉米淀粉的沉降积呈现先降低后迅速增加的趋势，在三聚磷酸钠浓度为2%时淀粉的沉降积最低，其交联程度最大。这是由于交联剂使得淀粉分子之间形成更多的磷酸酯键，提高平均分子量，加强了淀粉分子颗粒结构之间的相互作用抑制淀粉溶胀，最终导致沉降积下降[16]。随着三聚磷酸钠浓度的进一步增大，沉降积不断增加，可能是因为没有反应的三聚磷酸钠含量越来越多，分散在水溶液中，促使淀粉的溶胀[16]。由图1b可知，随着超声功率的增加，玉米淀粉的沉降积整体上呈现先增加再降低的趋势，在超声波功率为1 300 W时沉降积最低，其交联程度最大。超声功率900 W～1 200 W时，随着超声功率的提高淀粉的沉降积呈升高的趋势，超声波破坏了在交联反应中形成的淀粉磷酸酯键，淀粉颗粒之间的相互作用力被削弱，最终沉降积相对上升，即交联度下降[17]。随着超声波功率的进一步加强，使得淀粉颗粒分子发生机械振荡，造成淀粉分子链断裂改变结晶结构，提高交联剂与淀粉分子的反应速率，增加交联度，最终沉降积下降[18-19]。由图1c可知，随着超声时间延长，沉降积逐步降低。长时间的超声波处理促使更多的淀粉与三聚磷酸钠发生交联反应，反应时间越长反应越充分，最后淀粉颗粒之间的相互作用增强，沉降积持续下降，所以交联度逐渐增大。由图1d可知，随着温度的升高，沉降积整体呈现降低的趋势，在温度为60℃时沉降积为最低。随着温度逐渐升高，加快了玉米淀粉与三聚磷酸钠交联反应速率，快速形成较多的磷酸酯键，稳定了淀粉的分子结构，抑制淀粉溶胀，使得淀粉沉降积减小，交联度逐渐增大。

2.2 磷酸化协同超声波处理对玉米淀粉透明度的影响

淀粉糊透明度反映了淀粉与水结合能力，与分子链长短及淀粉的分子结构有很大关系[20]。玉米淀粉在磷酸化协同超声波处理后，改性淀粉糊的透明度都比原玉米淀粉糊大。超声波破坏了淀粉分子的结构，淀粉分子内部的结构紧密性降低，更方便游离水渗入其中，从而提高淀粉颗粒在水中的溶解度，降低了光线的反射率和折射率，且由于在淀粉分子中引入磷酸酯键，淀粉的亲水性增强，最后导致淀粉糊的透光度升高[21]。磷酸化协同超声波处理对玉米淀粉透明度的影响见图2。

图2 磷酸化协同超声波处理对玉米淀粉透明度的影响Fig.2 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on the transparency of corn starch

由图2a可知，透明度随着三聚磷酸钠浓度的增加出现先增加后减小的趋势，在三聚磷酸钠浓度为4%时淀粉的透明度最高。三聚磷酸钠的增溶作用使淀粉磷酸酯更好地溶解在水中，故透明度上升[22]。由图2b可知，随着超声功率的升高，透明度呈现先增加后平缓减小的趋势，在超声波功率为1 100 W时，透明度最高。由图2c可知，随着超声时间的增加，透明度呈现先增加后减小再增加的趋势，在超声40 min时透明度最高。透明度增加的原因是超声促进磷酸酯键的生成，引入的官能团带同种电荷，促使淀粉分子之间相互排斥，增大了分子间距离，提高淀粉糊透明度[23]。淀粉糊透明度下降是由于淀粉交联度变大抑制淀粉的膨胀，这些较大的颗粒导致体系的散射增强，表现为透明度降低。由图2d可知，随着温度的升高，透明度呈先增加后减小再增加的趋势，在温度为20℃时淀粉的透明度最低。

2.3 磷酸化协同超声波处理对玉米淀粉凝胶强度的影响

在糊化过程中，淀粉分子之间通过双螺旋的形式彼此缠绕，糊化后的淀粉冷却后形成的凝胶呈现三维网状结构[24]。凝胶强度与淀粉分子的双螺旋结构有关，网状结构的致密性与凝胶强度呈正相关，10个单元以上的长链利于形成双螺旋结构，有助于提高凝胶强度，而6个～9个单元的短链则会抑制双螺旋结构的形成[25]。与原淀粉相比，改性后的淀粉凝胶强度都增大，可能是改性生成的磷酸酯淀粉亲水性增强且带同种电荷，易于形成三维网状结构且提高三维网状结构的稳定性，交联产生的磷酸酯键越多，淀粉糊化后仍能保持良好的完整性，使得淀粉凝胶强度变大[26]。磷酸化协同超声波处理对改性玉米淀粉凝强硬度的影响见图3。

图3 磷酸化协同超声波处理对改性玉米淀粉凝胶强度的影响Fig.3 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on strength of modified corn starch gel

由图3a可知，随着三聚磷酸钠浓度（1%～5%）的增加，凝胶强度呈现先减小后增加的趋势，并且在三聚磷酸钠浓度为3%时凝胶强度最小。随着三聚磷酸钠的浓度的增加，参与磷酸化反应而生成的短链淀粉含量先减少后增加，使得凝胶强度发生变化[27]。由图3b可知，随着超声功率的增加，凝胶强度呈现先增加后减小的趋势，并且在功率为1 200 W时有最大值出现。过大的超声功率会破坏更多直链淀粉的双螺旋结构，导致凝胶强度下降[28]。由图3c可知，随着超声时间的增加，凝胶强度呈先增加再减小的趋势，并且在20 min时有最大值出现。超声波作用时间过长，超声波能破坏支链淀粉的结构，导致凝胶强度下降。由图3d可知，随着温度的增加，凝胶强度先增加后减小，30℃反应获得的磷酸酯淀粉凝胶强度最大。

2.4 磷酸化协同超声波处理对玉米淀粉糊化特性的影响

糊化是淀粉的重要性质，快速黏度分析仪可以测量淀粉的指标包括峰值黏度、糊化温度、衰减度和回升值，用以表征淀粉的糊化特性，进而反映淀粉分子中直链淀粉含量的情况[29-30]。与原淀粉相比，经过磷酸化协同超声波处理后的磷酸酯淀粉的糊化温度都相应降低，而峰值黏度、衰减度和回升值升高。淀粉颗粒受到超声波的机械振荡作用，表面及内部结晶结构被破坏，最后导致糊化温度下降[31]。淀粉的峰值黏度取决于直链淀粉含量，两者呈负相关关系。在发生交联反应的淀粉中，引入新的官能团，破坏氢键、氧键，降低直链淀粉的含量。改性使得淀粉交联，使得淀粉的平均分子质量增大，表现为淀粉糊峰值黏度增加[32]。衰减度高表明淀粉的热稳定性较差，回升值高表明淀粉易老化，抗老化能力变差[33]。磷酸化协同超声波处理对玉米淀粉糊化特性的影响见图4。

图4 磷酸化协同超声波处理对玉米淀粉糊化特性的影响Fig.4 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on gelatinization properties of corn starch

由图4a和图4b可知，随着三聚磷酸钠浓度的增加，经过磷酸化协同超声波处理后的淀粉的糊化温度逐步降低，生成的磷酸酯使得改性淀粉的结构松散。峰值黏度随三聚磷酸钠浓度的增大而增加，表明生成的磷酸酯使得淀粉链之间的相互作用加强。随着三聚磷酸钠浓度的增加，经过磷酸化协同超声波处理后的改性淀粉的衰减度呈现先增大后波动增大的趋势，回生值呈现先快速增高后波动下降的趋势。与原淀粉相比，磷酸化协同超声改性得到的含有较多磷酸酯基团的改性淀粉热稳定性较差且更易老化。

由图4c和图4d可知，随着超声功率的增加，经过磷酸化协同超声波处理后的淀粉的糊化温度逐步降低，峰值黏度随超声功率的增加呈先增加后减小的趋势，在功率为1 100 W时峰值黏度达到最大值。经过磷酸化协同超声波处理后的改性淀粉的衰减度先增加后减小，在功率为1 100 W时出现最大值，回生值整体上呈现逐步增加的趋势。较大功率的超声处理使得淀粉的热稳定性变差且更易老化。

由图4e和图4f可知，随着超声时间的增加，经过磷酸化协同超声波处理后的磷酸酯淀粉的糊化温度整体上呈现先减小再增加的趋势，处理30 min的改性磷酸酯淀粉的糊化温度最低。峰值黏度随超声时间的增加而先增加后减小，在30 min时出现最大值。衰减度呈现先增加后降低的趋势，在30 min时出现最大值。回生值整体上呈现增加的趋势，在60 min时出现最大值。超声时间过长对淀粉的糊化特性有负面影响，应选择较短的超声时间。

由图4g和图4h可知，随着温度的增加，经过磷酸化协同超声波处理后的改性淀粉的糊化温度呈现先下降后增加的趋势，在30℃处理获得改性淀粉的糊化温度最低。改性淀粉的峰值黏度随温度的增加呈现先增加再下降的趋势，在30℃处理获得改性淀粉的峰值黏度最高。衰减度随温度的增加呈现先增加再下降的趋势，回生值随温度的增加呈现增大的趋势。温度过高对改性淀粉的糊化特性有负面影响，应选择较低的温度进行改性。