鹰嘴豆OSA 淀粉酯的制备工艺及理化性质研究

杜梦瑶，阿依妮尕尔·图尔迪，王俊楠，张春兰，2

（1. 塔里木大学食品科学与工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.南疆特色农产品深加工兵团重点实验室，新疆阿拉尔 843300）

鹰嘴豆是豆科鹰嘴豆属的一种越年生草本植物，在我国主要种植于新疆、甘肃、青海等西北地区。鹰嘴豆具有很高的营养价值，含有80%的碳水化合物和蛋白质，还含有丰富的食用纤维、微量元素和维生素等，尤其是淀粉含量高达40%～60%[1]。因此，以鹰嘴豆为原料可提取鹰嘴豆淀粉。鹰嘴豆淀粉的持水力和溶解度优于玉米淀粉[2]，但透明度、冻融稳定性、成胶强度和成胶能力都不如绿豆淀粉[3]，因此需要对鹰嘴豆淀粉进行改性以满足市场需求。

辛烯基琥珀酸淀粉酯（OSAS） 是以淀粉为原料，辛烯基琥珀酸酐（OSA） 为酯化剂，通过酯化反应改性制得的[4]。研究发现，OSA 改性淀粉的黏度、稳定性[5]和抗凝沉性[6]增强，并且具有优异的乳化作用[7]，可作为乳化剂用于稳定Pickering 乳液[8]。由于OSA淀粉乳化性和稳定性好等优点，在食品[9]、医药、化妆品[10]等领域被广泛应用。因此，试验将研究鹰嘴豆OSA 淀粉酯的最佳制备工艺并测定其理化性质，为鹰嘴豆OSA 淀粉酯的应用提供理论依据，扩大鹰嘴豆淀粉的应用范围。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鹰嘴豆淀粉（纯度86.52%，水分含量8.25%），自制；辛烯基琥珀酸酐，上海源叶生物科技有限公司提供；盐酸、氢氧化钠、无水乙醇、异丙醇等，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

电子分析天平，梅特勒-托多利仪器有限公司产品；恒温磁力搅拌水浴锅，杭州菲跃仪器有限公司产品；高速台式离心机，上海安亭科学仪器厂产品；电热鼓风干燥箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂产品；pH 计，上海一恒科技有限公司产品；三孔电热恒温水槽，上海新领生物科技有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 鹰嘴豆OSA 淀粉酯的制备

称取一定质量的鹰嘴豆淀粉，用蒸馏水配置成一定质量分数的淀粉乳，用恒温磁力搅拌器进行搅拌，控制反应温度，边搅拌便缓慢添加OSA，控制在1 h 内加完。反应过程中，用质量分数为3%的氢氧化钠溶液调节pH 值8.0～9.0。反应一段时间后，用质量分数为3%的盐酸溶液调节pH 值为6.5 左右，结束反应。反应完成后用无水乙醇以转速4 000 r/min 离心2～3 遍，再加蒸馏水多次离心。沉淀倒入培养皿中，在45 ℃烘箱中烘干，粉碎过筛，即得到鹰嘴豆OSA 淀粉酯[11]。

1.3.2 取代度的测定

称取2.0 g 样品，加入浓度为2.5 mol/L 的盐酸-异丙醇溶液25 mL，搅拌30 min，添加体积分数90%的异丙醇溶液10 mL，继续搅拌10 min。之后再加入少量90%的异丙醇溶液，以转速4 000 r/min 离心10 min（多次）。取沉淀至烧杯，加入30 mL 蒸馏水。在95 ℃下水浴20 min，快速滴入酚酞指示剂3 滴，用氢氧化钠标液（0.1 mol/L） 滴定至变色，且30 s内不褪色时，结束反应。计算公式如（1） 所示[12]。式中：V——消耗的0.1mol/L 氢氧化钠标准溶液的体积，mL；C——氢氧化钠标准溶液的浓度，mol/L；m——鹰嘴豆OSA 淀粉酯样品质量，g。

1.3.3 单因素试验

以淀粉乳质量分数、OSA 添加量、反应时间、反应温度为影响因子设计单因素试验，淀粉乳质量分数分别为20%，25%，30%，35%，40%；OSA 添加量分别为1%，2%，3%，4%，5%；反应时间分别为1，2，3，4，5 h；反应温度分别为25，30，35，40，45 ℃。考查单一因素时，其他条件固定为淀粉乳质量分数30%，OSA 添加量3%，反应温度35 ℃，反应时间3 h。

1.3.4 正交试验

以取代度为指标，通过单因素试验结果选取淀粉乳质量分数（A）、OSA 添加量（B）、反应时间（C）、反应温度（D） 的3 个水平，采用L9（34）正交表进行正交试验，以得到最佳的酯化反应条件。

正交试验因素与水平设计见表1。

表1 正交试验因素与水平设计

1.3.5 鹰嘴豆原淀粉及其OSA 改性淀粉的理化性质研究

（1） 溶解度及膨胀度的测定。称取适量淀粉配置成2%的淀粉乳。放入（55，65，75，85，95℃）恒温磁力搅拌水浴锅中搅拌30 min，在室温下冷却，倒入质量为m1的离心管。以转速4 000 r/min 离心10 min，将上清液放入质量为m2的培养皿，在105 ℃烘箱中干燥至恒质量记为m3，离心管和沉淀记为m4。按公式（2） （3） 进行计算[13]。

式中：m2——培养皿质量，g；

m3——烘干至恒质量后培养皿质量，g；

w——淀粉样品质量，g。

式中：m4——沉淀物加离心管质量，g；

m1——离心管的质量，g；

w——淀粉样品质量，g；

S——溶解度。

（2） 冻融稳定性的测定。称取淀粉配置成6%的淀粉乳，在95 ℃下糊化20 min，取出后摇匀，冷却至室温。置于-18 ℃下冷藏24 h，在室温下自然解冻6 h。以转速4 000 r/min 离心15 min，去上清液。淀粉的冻融稳定性通常用析水率来表示，而冻融稳定性则与析水率成反比。按公式（4） 进行计算[14]。

式中：M——淀粉糊质量，g；

W——沉淀物质量，g。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 淀粉乳质量分数对取代度的影响淀粉乳质量分数对取代度的影响见图1。

图1 淀粉乳质量分数对取代度的影响

由图1 可知，取代度随淀粉乳质量分数的增加先上升后下降。在淀粉乳质量分数从20%增加为30%时，取代度显著提高，由于淀粉乳质量分数越高，反应中OSA 与淀粉颗粒的接触机会越大，从而促进酯化反应发生。当淀粉乳质量分数达到30%时，取代度达到最大值为27.68×10-3。但继续增加淀粉乳质量分数时取代度却下降，因为淀粉乳质量分数过大时，反应搅拌困难，阻碍淀粉颗粒与OSA 结合，并且随着含水量的降低，不利于淀粉颗粒的吸水膨胀，从而影响OSA 进入淀粉颗粒参与酯化反应[15]。因此，选用淀粉乳质量分数30%时进行酯化反应，反应结果会较为理想。

2.1.2 OSA 添加量对取代度的影响

OSA 添加量对取代度的影响见图2。

图2 OSA 添加量对取代度的影响

由图2 可知，取代度随OSA 添加量的增加逐渐上升。因为当OSA 添加量增加时，淀粉分子与OSA接触机会增大，更易发生酯化反应。而在工业生产时，OSA 添加量过多会导致成本增加，消耗更多的洗涤溶剂[16]。因此，选用OSA 添加量为3%进行酯化反应，既节约成本，反应结果也较为理想。

2.1.3 反应时间对取代度的影响

反应时间对取代度的影响见图3。

图3 反应时间对取代度的影响

由图3 可知，取代度随反应时间的增长先上升后下降。当反应时间由1 h 增加至3 h 时，取代度明显增加；在反应3 h 时，其取代度最高可达27.68×10-3；而在反应3 h 之后，取代度却下降。由于在反应初始阶段，以酯化反应为主，随着反应时间的延长，水解反应占主导地位，如果反应时间过长，则有可能导致部分产物被水解[17]。因此，当反应时间为3 h 时，反应结果会较为理想。

2.1.4 反应温度对取代度的影响

反应温度对取代度的影响见图4。

图4 反应温度对取代度的影响

由图4 可知，取代度随反应温度的升高先上升后降低。当反应温度从25 ℃升高到35 ℃时，取代度显著上升；在35 ℃时，取代度最高为27.68×10-3，但随着温度继续升高，取代度却逐渐降低。这是由于随着温度升高，OSA 在溶液中更易扩散，淀粉的吸水性和膨胀性较强，有利于酯化反应发生。但温度过高时，水解反应和其他副反应加剧，且在碱性条件下，高温更容易使淀粉糊化，对酯化过程造成不利影响[18]。因此，当反应温度为35 ℃时，反应结果会较为理想。

2.2 正交试验结果

正交试验结果见表2。

表2 正交试验结果

结果表明，对取代度的影响大小为D＞B＞A＞C，即反应温度＞OSA 添加量＞淀粉乳的浓度＞反应时间。以取代度为衡量标准，确定鹰嘴豆OSA 淀粉酯的最佳制备条件为A3B3C3D1，即淀粉乳质量分数35%，OSA 添加量4%，反应时间4 h，反应温度30 ℃。因为，此最优工艺组合并未出现在方案里，需要再次进行验证试验，确定是否此工艺条件下制备的鹰嘴豆OSA 淀粉酯取代度最高。

验证试验结果见表3。

表3 验证试验结果

通过验证试验可看出，在A3B3C3D1工艺条件下所制备出的鹰嘴豆OSA 淀粉酯的取代度为36.83×10-3，高于试验方案中最大值。因此，鹰嘴豆OSA 淀粉酯的最佳制备工艺为淀粉乳质量分数35%，OSA添加量4%，反应时间4 h，反应温度30 ℃。

2.3 鹰嘴豆原淀粉及其OSA 改性淀粉的理化性质研究

2.3.1 溶解度及膨胀度

原淀粉和鹰嘴豆OSA 淀粉酯的溶解度见图5，原淀粉和鹰嘴豆OSA 淀粉酯的膨胀度见图6。

图5 原淀粉和鹰嘴豆OSA 淀粉酯的溶解度

图6 原淀粉和鹰嘴豆OSA 淀粉酯的膨胀度

由图5 和图6 可知，鹰嘴豆OSA 淀粉酯的溶解度和膨胀度在不同温度下都高于原淀粉。主要是因为OSA 对淀粉进行了酯化处理，使淀粉的分子结构松散，有利于水分的渗入和扩散，从而提高其溶解度和膨胀度[19]。

2.3.2 冻融稳定性

淀粉的冻融稳定性通常用析水率来表示，而冻融稳定性则与析水率呈反比[20]。

原淀粉和鹰嘴豆OSA 淀粉酯的析水率见图7。

由图7 可知，原鹰嘴豆淀粉的析水率（69.51%）与鹰嘴豆OSA 淀粉酯的析水率（56.91%） 相比，鹰嘴豆OSA 淀粉酯的析水率降低，所以鹰嘴豆OSA 淀粉酯的冻融稳定性高于原鹰嘴豆淀粉。这是由于OSA 中的羧基被引入到淀粉分子中，增强了反应中的羧基和水分子间的相互作用，从而使冻融稳定性提高[21]。

图7 原淀粉和鹰嘴豆OSA 淀粉酯的析水率

3 结论

以鹰嘴豆淀粉为原料，加入OSA 对其进行改性，通过进行单因素试验和正交试验得到鹰嘴豆OSA 淀粉酯的最佳制备工艺为淀粉乳质量分数35%，OSA添加量4%，反应时间4 h，反应温度30 ℃，在此条件下，鹰嘴豆OSA 淀粉酯的取代度为36.83×10-3。与原鹰嘴豆淀粉相比，改性后的鹰嘴豆淀粉的溶解度、膨胀度与冻融稳定性都得到明显改善。