机械活化固相法制备乙酰化二淀粉磷酸酯

陈江枫,蓝焕师,梁露锋,覃宇奔,胡华宇,甘 涛,张燕娟,黄祖强

(1.非粮生物质酶解国家重点实验室//广西农垦明阳生化有限公司//广西农垦明阳淀粉发展有限公司,广西 南宁 530226;2.广西大学化学化工学院,广西 南宁 530004)

乙酰化二淀粉磷酸酯(ADSP)是淀粉经乙酰化和磷酸盐反应得到的一种酯化交联变性淀粉[1]。与原淀粉相比,其分子链结构、热稳定性、流动性和耐酸性等都得到增强[2-3],应用于肉类食品中,可提高加热糊化的网络结构,使淀粉和肉蛋白间结合力增强,水分和胶质更紧密结合,结构更稳定,因而提高了肉制品的保水性[4-5]。

目前ADSP生产工艺成熟,但主要采用湿法工艺制备[6-7],存在污水量大、不易回收、成本高等缺点。机械活化固相反应是指在固相条件下,固体颗粒因机械力而受到剪切、摩擦、碰撞、冲击等作用,能更好地混合、渗透、活化反应物,并在短时间内产生高激发态活性组分,从而提高化学反应速率,缩短反应时间,提高生产效率[8-9]。课题组前期研究结果表明,机械活化能有效破坏淀粉长链结构,降低黏度[10-11],因而采用机械活化法制备的ADSP有可能与传统液相法产品性能存在极大差异,这为其在新领域的开发应用提供思路。陈渊等[12-13]研究采用机械活化淀粉制备乙酰化双淀粉酯,但其是先机械活化淀粉再进行交联酯化反应,淀粉受机械力作用分子量显著降低,因此所得到的淀粉酯产品冷糊黏度较低。

本课题以木薯淀粉为原料,乙酸酐为乙酰化试剂,三偏磷酸钠为交联剂,采用机械活化固相一步反应法制备ADSP。以产品冷糊黏度为评价指标,分别研究机械活化时间、乙酸酐用量、交联剂用量、机械活化温度和球磨转速对产品黏度的影响,得出较优的制备工艺条件。并采用XRD、SEM、FTIR等对产品结构进行表征。

1 材料与方法

1.1 主要原料及试剂

木薯淀粉,食用级,广西农垦明阳淀粉发展有限公司;乙酸酐,分析纯,成都市科龙化工试剂厂;三偏磷酸钠,分析纯,美国SIGMA-ALDRICH公司;无水乙醇,分析纯,广东汕头西陇化工股份有限公司。

1.2 主要仪器设备

DF-101B型集热式恒温加热磁力搅拌器,巩义市英裕予华仪器厂;NDJ-5S型旋转式黏度计,长沙思辰仪器科技有限公司;Agilent8453E紫外-可见分光光度计,安捷伦科技公司;UitimaIV组合型X-射线衍射仪,日本理学公司;S-570型扫描电子显微镜,日本日立公司;Nicolet IS 10型傅立叶变换红外光谱仪,日本岛津公司;TMS-Pro质构仪,美国FTC公司;自制球磨机,参见文献[14]。

1.3 试验方法

1.3.1乙酰化二淀粉磷酸酯的制备

准确称取30 g木薯淀粉(干基),乙酸酐为酯化剂,三偏磷酸钠为交联剂,一起放入球磨罐中,在一定转速、温度下反应一定时间,产品经分离、洗涤、干燥、粉碎后进行分析。

1.3.2冷糊黏度测定

在150 mL烧杯中加入准确称量的定量淀粉样品,加蒸馏水配成质量分数为6%的淀粉乳,并在烧杯口盖上保鲜膜以防溶剂蒸发,随后将烧杯放在恒温水浴中,沸水浴持续糊化20 min,并补水保持原有体积,冷却至30℃恒温,采用NDJ-5S型旋转式黏度计,4#转子,控制转速12 r/min,测定其黏度。平行测定3次,取平均值[15]。

1.4 表征分析

采用X-射线衍射仪对不同淀粉样品的结晶结构进行表征,扫描条件为:射线Cukα辐射,Ni片滤波,40 kV电压,30 mA电流,在5°≤2θ≤40°之间连续扫描。采用扫描电子显微镜在放大倍数500、2 000下观察并拍照,分析样品的表面结构。利用红外光谱仪分析样品的分子基团,分辨率4 cm-1,扫描范围:400～4 000 cm-1[16-17]。

1.5 乙酰化二淀粉磷酸酯对鱼丸品质的影响

将冷冻鱼糜解冻,加入占鱼糜质量20%的ADSP,再添加适量糖、味精、水,一起擂溃搅拌;搅拌后的鱼浆灌入模具中成型,经加热处理后冷却冷藏,得到鱼丸。将鱼丸切成25 mm×25 mm的圆柱体,在室温下采用FTC TMS-Pro质构仪进行全质构分析,测试前校正高度35 mm,形变25%,触发力0.2 N,穿刺距离12 mm,测试速度60 mm/s,平行测定三次。

1.6 数据处理

测定和分析结果采用Excel和Origin9.0软件进行数据处理和图形绘制,所有结果采用“平均值±标准偏差”表示。

2 结果与讨论

2.1 机械活化时间对产品冷糊黏度的影响

固定淀粉用量30 g,球磨转速100 r/min,机械活化温度30℃,三偏磷酸钠用量为2%,乙酸酐用量为5%,考察机械活化时间对产品冷糊黏度的影响,结果如图1所示。在30～90 min机械活化时间范围内,ADSP的冷糊黏度先增后降,机械活化时间为60 min时最高。这是因为淀粉与交联剂和乙酸酐进行交联酯化反应的同时,还存在着交联酯化淀粉的水解等副反应。反应开始阶段,机械活化激发强化了淀粉及反应试剂的活性,交联酯化占主导地位,此时冷糊黏度上升;但随着球磨时间的延长,机械力作用更多是破坏淀粉的长链结构,同时酯化反应的进行使体系含水量增大,副反应增强,产品易结块,淀粉冷糊黏度下降。由实验结果得出,机械活化时间为60 min时对交联酯化反应较适宜。

图1 机械活化时间对产品冷糊黏度的影响

2.2 酯化剂用量对产品冷糊黏度的影响

固定淀粉用量30 g,球磨转速为100 r/min,机械活化温度30℃,三偏磷酸钠用量2%,机械活化时间60 min,考察乙酸酐用量对产品冷糊黏度的影响,结果如图2所示。由图2可知,酯化淀粉的冷糊黏度随乙酸酐用量的增加呈现先增大后下降的趋势,当乙酸酐用量为5%时,淀粉冷糊黏度最大。这是因为随着乙酰基含量增多,一方面减弱了淀粉分子间的氢键作用,另一方面淀粉链上接的极性酰基基团增多,增大了链枝杈数,再加上交联作用淀粉分子增大,提高了淀粉的稠度,淀粉的冷糊黏度增加。但因乙酸酐是酸性液体,用量过多会增大体系的湿度,导致球磨时易发生结块现象,不利反应进行,而且淀粉体系pH值下降,淀粉发生水解,从而使淀粉的冷糊黏度急剧下降。因此,乙酸酐用量为5%比较合适。

图2 乙酸酐用量对产品冷糊黏度的影响

2.3 交联剂用量对产品冷糊黏度的影响

固定淀粉用量30 g,球磨转速100 r/min,机械活化温度30℃,乙酸酐用量5%,机械活化时间60 min,考察三偏磷酸钠用量对产品冷糊黏度的影响,结果如图3所示。由图3可知,当三偏磷酸钠用量在一定范围内增大时,酯化淀粉的冷糊黏度先缓慢增大后明显下降,在三偏磷酸钠用量为2%时达到最大。这是因为适度的三偏磷酸钠在淀粉进行交联反应时,能够抑制淀粉颗粒的膨胀和黏度降低,从而保持淀粉一定的冷糊黏度。但三偏磷酸钠用量过多时,淀粉过度交联,会抑制淀粉颗粒的膨胀,淀粉无法完全糊化,导致淀粉的冷糊黏度下降[18]。因此,三偏磷酸钠的用量2%时最佳。

2.4 机械活化温度对产品冷糊黏度的影响

固定淀粉用量30 g,球磨转速100 r/min,三偏磷酸钠用量2%,机械活化时间60 min,乙酸酐用量5%,考察机械活化温度对产品冷糊黏度的影响,结果如图4所示。由图4可知,随着机械活化温度的升高,酯化淀粉的冷糊黏度呈现先增加后下降趋势。这是因为升高温度可以提高亲核取代反应的速率,有利于交联酯化反应,使得淀粉的冷糊黏度升高。但温度过高,副反应速率加快,水解反应速率大于交联酯化反应速率;而且温度高时乙酸酐更容易挥发分解,造成参与反应的乙酸酐减少,不利于反应的进行,导致淀粉的冷糊黏度下降。因此机械活化温度以40℃为宜。

图4 机械活化温度对产品冷糊黏度的影响

2.5 球磨转速对产品冷糊黏度的影响

固定淀粉用量30 g,三偏磷酸钠用量2%,机械活化时间60 min,乙酸酐用量5%,机械活化温度40℃,考察机械球磨转速对产品冷糊黏度的影响,结果如图5所示。由图5可知,随着机械球磨转速的增大,淀粉酯化的冷糊黏度逐渐减小。这是因为球磨转速的提高,淀粉受到的冲击、剪切作用加强,链分子变短,即使发生酯化反应得到的产品也是短链分子居多,因此冷糊黏度下降明显。由图可看出,球磨转速在100 r/min之前,酯化淀粉的冷糊黏度下降相对较慢,当球磨转速大于100 r/min后,黏度下降迅速,因此可以根据食品加工的实际情况选择不同球磨转速的交联淀粉酯。一般情况下,取球磨转速在100 r/min时较为适宜。

图5 球磨转速对产品冷糊黏度的影响

2.6 XRD分析

淀粉的X-射线衍射图谱分为A、B、C三种类型,各有其明显特征峰,A型对应的衍射图谱在2θ为15°、17°、18°和23°处有较强衍射峰,B型是在2θ为5.6°、17°、22°和24°处有强的衍射峰,C型是A型和B型的混合[19]。在X-射线衍射图谱中,明显的尖峰代表淀粉的结晶结构,弥散衍射峰代表淀粉的无定形结构,尖峰衍射越高,半峰宽越小,说明淀粉结晶度越高。图6中,a表示原淀粉,b为100 r/min活化处理的原淀粉,c表示球磨100 r/min的ADSP。由图6可以看出,木薯原淀粉在15°、17°、18°和23°处都有明显的衍射峰出现,属于明显的A型结晶结构。对比原淀粉和机械活化淀粉,可以看到a与b形状相似,但机械活化淀粉的尖峰变缓和,说明低转速的机械球磨不会改变淀粉的结晶类型,但是低转速机械活化使得淀粉的晶粒变小,结晶度变小。对比b、c可以得到,淀粉经过交联酯化后X衍射图谱几乎没有变化,说明交联酯化作用对淀粉的结晶类型没有影响。

图6 不同样品的X-衍射曲线

2.7 SEM分析

图7为不同样品在放大倍数为500和2 000倍数下的扫描电镜图。图中a1、a2是木薯原淀粉的电镜图,可以看出木薯原淀粉的颗粒大多呈圆形或者椭圆形,其棱角分明,大小不一,表面比较光滑,边缘清晰,有很少部分的裂缝,没有被破坏的现象,说明原淀粉表面完整。图中b1、b2是球磨转速为100 r/min的ADSP,与木薯原淀粉相比,颗粒表面较粗糙,有一定粘连,颗粒形貌变化明显。说明机械活化使淀粉分子的结晶结构破坏,化学试剂与淀粉的混合更加均匀,也更容易进入到淀粉分子的内部发生交联酯化反应。

图7 不同样品的扫描电镜图(1:×500;2:×2 000)

2.8 FTIR分析

如图8所示,a表示原淀粉,b表示球磨100 r/min的ADSP。3 417 cm-1处为淀粉中游离-OH的伸缩振动特征峰;2 926 cm-1处为-CH2的伸缩振动吸收峰;1 001、1 089、1 174 cm-1分别是伯醇、仲醇、叔醇的C-O键的伸缩振动吸收峰。由图8可以看出,ADSP相对于原淀粉,由原淀粉在1 638 cm-1的特征峰分裂为双峰1 560 cm-1和1 653 cm-1,其中1 653 cm-1处的伸缩振动吸收峰为C=O的特征峰,在淀粉分子上引入了乙酰基,其结构发生了变化,证明发生了酯化反应[13]。但是P-O-C键的伸缩振动特征峰在1 010 cm-1处,与淀粉分子的伯醇C-O键不容易区分开来,不能确定淀粉分子是否已经与三偏磷酸钠发生交联反应,这可能是因为交联程度较低,所以观察不到新的交联特征峰[20-21]。

图8 不同样品的FTIR图

2.9 机械活化乙酰化二淀粉磷酸酯对鱼丸品质的影响

全质构分析又称二次咀嚼实验,是采用质构仪模拟人口腔咀嚼食物的运动,连续两次压缩样品,记录应力和时间对应关系,并计算得出硬度、咀嚼性、弹性、胶黏性、内聚性等性能指标。传统生产鱼丸多采用形成凝胶能力较强的鱼,如乌贼、海鳗和鲨鱼等,价格较高,导致鱼丸制作成本高,经济利益得不到最大化[22]。因此研究变性淀粉添加在鱼丸加工中的质构特性具有重要意义。表1为原淀粉和交联酯化淀粉对鱼丸质构的影响,a为添加了原淀粉的鱼丸,b为机械活化ADSP制备的鱼丸。由表1可知,ADSP制备的鱼丸硬度、咀嚼性、弹性和胶黏性降低,内聚性有提高,这表明ADSP可改善鱼丸的硬度和咀嚼性,对人的口感有提高;内聚性的提高有助于鱼丸产品的抗压缩能力,对产品的保存和贮运是有益的。

表1 添加不同淀粉样对鱼丸质构的影响

3 结论

(1)以木薯淀粉为原料,乙酸酐为乙酰化试剂,三偏磷酸钠为交联剂,采用机械活化固相法制备乙酰化二淀粉磷酸酯,以产品冷糊黏度为评价指标,分别研究机械活化时间、乙酸酐用量、交联剂用量、机械活化温度和球磨转速对产品黏度的影响,得出较优的制备工艺条件为:木薯原淀粉30 g,机械活化时间60 min,乙酸酐用量5%,三偏磷酸钠用量2%,机械活化温度40℃,球磨转速100 r/min,产品冷糊黏度为27 000 mPa·s。

(2)采用XRD、SEM、FTIR等对产品的结构进行表征。XRD分析结果表明,交联酯化作用不会改变淀粉的晶型结构,机械活化作用可破坏淀粉结晶结构;SEM分析表明,机械活化破坏淀粉的颗粒形貌,交联酯化也会改变淀粉颗粒表面的形貌;FTIR表明,淀粉成功发生了酯化反应,但由于交联程度较低,不能确定交联键的伸缩振动吸收峰。

(3)对制备的ADSP进行鱼丸应用试验,全质构分析结果表明,ADSP可改善鱼丸的硬度和咀嚼性,并提高鱼丸的内聚性,这有助于改善鱼丸的口感品质和抗压缩能力。