柠檬酸酯化青麦仁淀粉的制备及其消化性能的研究

王文婷,高天辰,李 雪,李新雨,王 倩,周 静

(宿州学院 生物与食品工程学院,安徽 宿州 234000)

天然淀粉受其固有性质的影响,存在消化性强、稳定性差等缺点,往往达不到各行业的发展需求,因而,需要利用化学、物理、酶等方法处理获得改性淀粉。目前,化学改性淀粉种类繁多,酯化改性是最常见的一种。柠檬酸通过脱水形成的酸酐与淀粉羟基反应生成柠檬酸淀粉酯,具有稳定性高、抗消化等特点[1,2]。

青麦仁是一种处于乳熟期、生长饱满的小麦粒,含有丰富的蛋白质、叶绿素、膳食纤维以及α、β两种淀粉酶,有刺激人体消化、降低血糖的功效,是一种富含营养且深受喜爱的健康食品[2-4]。青麦仁通常用于制造全谷物鲜食蔬菜或餐桌食物,对于青麦仁淀粉改性制备与消化性能的探究鲜有报道。本文以青麦仁为原料,柠檬酸为酯化剂,提取青麦仁原淀粉后进行柠檬酸改性,制备柠檬酸淀粉酯,并探究其影响因素,分析其抗消化性能,对于提高青麦仁的综合应用价值具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试剂

市售青麦仁,猪胰α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶等购自合肥博美生物科技有限责任公司,NaOH、Na2SO3、CH3COONa、C2H5OH、酚酞等购自上海麦克林生化科技股份有限公司,均为分析纯。

1.2 试验方法

1.2.1 青麦仁淀粉的提取

参考封禄田等的方法[5]:0.6% Na2SO3浸泡25 h,除去浸泡液,清水洗净后加入适量蒸馏水,用破壁法打浆并进行多次匀浆。将浆液过100目筛,随后调节pH,4000 r/min离心10 min,去除上清液,反复离心,烘干后粉碎即得青麦仁淀粉。

1.2.2 柠檬酸酯化青麦仁淀粉的制备

参考王步枢等[6]的方法:配制质量分数50%的柠檬酸溶液,用10 mol/L NaOH 溶液调节其pH值,称取5 g淀粉充分混合,静置12 h,45℃烘干至含水量10%左右,研磨成粉末状,转移至鼓风干燥箱,在一定温度下反应一定时间后,用蒸馏水多次清洗去除未反应的柠檬酸,抽滤后50℃干燥,研磨粉碎后得到柠檬酸淀粉酯样品。

1.2.3 取代度(DS)的测定

参考于密军等[7]的方法:称取0.5 g(m1)淀粉酯样品和50 mL蒸馏水放入锥形瓶内,摇匀后添加3滴酚酞试剂,用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至微红色。加入25 mL 0.5 mol/L NaOH溶液,50℃恒温磁力搅拌器中皂化40 min,用0.5 mol/L HCl溶液滴定直至无色,盐酸溶液的用量记为V1(mL)。

称取0.5 g(m2)青麦仁原淀粉按以上步骤测定,记录HCl溶液的消耗体积为V2(mL)。

按照下列公示计算取代度(DS):

其中,M代表柠檬酸取代基分数;DS代表柠檬酸淀粉酯取代度;162为淀粉相对分子质量;156为柠檬酸取代基相对分子质量。

1.2.4 单因素试验设计方法

在溶液pH值1.5、反应温度140℃、反应时间6 h的条件下,设定柠檬酸与淀粉质量比为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8;在柠檬酸与淀粉质量比0.5、反应温度140℃、反应时间6 h的条件下,设定溶液pH值为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0;在柠檬酸与淀粉质量比0.5、溶液pH值2.0、反应温度140℃的条件下,设定反应时间为4 h、5 h、6 h、7 h、8 h;在柠檬酸与淀粉质量比0.5、溶液pH值2.0、反应时间5 h的条件下,设定反应温度为110℃、120℃、130℃、140℃、150℃,按照1.2.2的方法得到柠檬酸酯化淀粉并分析各因素对取代度的影响。

1.2.5 响应面设计优化试验方法

基于上述单因素试验以及对试验结果的分析,确定响应面试验因素与水平(表1)。

表1 响应面试验因素与水平

1.2.6 柠檬酸酯化青麦仁淀粉消化性能的测定

采用DNS法测定葡萄糖标准曲线[8]。以葡萄糖浓度为横坐标,吸光度值为纵坐标绘制标准曲线,获得方程:

y=0.9831x-0.0072(R2=0.9992)。

参考ENGLYST等[9]的方法测定柠檬酸酯化青麦仁淀粉的消化性能。准确称取100 mg原淀粉和不同取代度的酯化淀粉(分别记为w1和w2),加入20.0 mL醋酸缓冲液,置于恒温水浴振荡器中37℃振摇20 min,加入2.0 mL酶液,以180 r/min的转速摇动,计时。分别在反应20 min和120 min后取出,加20.0 mL无水乙醇并冷却定容到100 mL容量瓶内,测定其中还原糖含量,分别记为G20和G120,计算快消化淀粉RDS、慢消化淀粉SDS以及抗性淀粉RS百分含量。

式中,G20代表酶水解20 min产生的葡萄糖含量,G120代表酶水解120 min产生的葡萄糖含量,0.9代表葡萄糖含量转化为淀粉含量的转化系数。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 柠檬酸与淀粉质量比对取代度的影响

图1 柠檬酸与淀粉质量比对取代度的影响

柠檬酸与淀粉质量比对柠檬酸淀粉酯的取代度影响较大。柠檬酸与淀粉质量比从0.4增加到0.5时,取代度增加了36.20%,并达到最大值;而当柠檬酸与淀粉质量比从0.5增加到0.8时,取代度呈迅速下降趋势,至柠檬酸与淀粉质量比为0.8时,取代度下降了36.94%。因此,柠檬酸与淀粉质量比为0.5时,柠檬酸淀粉酯的取代度最佳。

2.1.2 溶液pH对取代度的影响

溶液pH对柠檬酸淀粉酯的取代度产生较大的影响。溶液pH从1.0增大到2.0时,取代度增加了68.45%,并达到最大值;而当溶液pH从2.0增大到3.0时,取代度呈明显下降的趋势,至溶液pH为3.0时,取代度下降了53.48%。因此,溶液pH为2.0时,柠檬酸淀粉酯的取代度最佳。

图2 溶液pH对取代度的影响

2.1.3 反应时间对取代度的影响

反应时间对柠檬酸淀粉酯的取代度影响较大。反应时间从4 h增加到5 h时,取代度增加了41.50%,并达到最大值;而当反应时间从5 h增加到8 h时,取代度下降明显,至反应时间为8 h时,取代度下降了33.76%。因此,反应时间为5 h时,柠檬酸淀粉酯的取代度最佳。

图3 反应时间对取代度的影响

2.1.4 反应温度对取代度的影响

反应温度对柠檬酸淀粉酯的取代度产生较大的影响。反应温度从110℃上升到130℃时,取代度增加了59.78%,并达到最大值;而当反应温度从130℃上升到150℃时,取代度呈迅速下降的趋势,至反应温度为150℃时,取代度下降了46.92%。因此,反应温度为130℃时,柠檬酸淀粉酯的取代度最佳。

图4 反应温度对取代度的影响

2.2 响应面优化试验结果

2.2.1 方差结果与分析

以单因素试验为依据,利用响应面对各影响因素进行优化。使用Design-Expert软件对数据进行方差分析,得到如下的拟合回归方程:

DS=0.4862+0.0027A+0.0054B+0.0019C+0.0009D-0.0118AB+0.0045AC+0.0045AD+0.0035BC-0.0050BD-0.0068CD-0.0084A2-0.0274B2-0.0169C2-0.0254D2。

从方差分析的回归模型显著性检验中可看出柠檬酸淀粉酯的取代度受到柠檬酸与淀粉质量比和溶液pH的极显著影响,同时反应时间也对其取代度产生了显著影响。在二次项中,四个因素的二次项均对取代度产生了极为显著的影响。在交互作用中,柠檬酸与淀粉质量比和溶液pH、柠檬酸与淀粉质量比和反应时间、柠檬酸与淀粉质量比和反应温度、溶液pH和反应温度、反应时间和反应温度的交互作用均对取代度产生了极显著影响,而溶液pH和反应时间的交互作用也较显著。

表2 回归模型方差分析结果

2.2.2 响应面优化分析

根据图5所示,等高线图均呈现出明显的椭圆形,表明它们之间的交互作用是显著的。同时,在柠檬酸与淀粉质量比和溶液pH交互作用所呈现的三维图形中,B倾斜方向比A更陡峭,故溶液pH对取代度的影响比柠檬酸与淀粉质量比大,同理可得各因素对取代度的影响程度:溶液pH>柠檬酸与淀粉质量比>反应时间>反应温度。这与方差分析结果一致。

经响应面得到最优的工艺条件为:柠檬酸与淀粉质量比0.514、溶液pH 2.036、反应时间5.080 h、反应温度130.125℃,此时柠檬酸淀粉酯的取代度预测值是0.487。为确保实验操作的顺利进行,对制备工艺进行必要调整:柠檬酸与淀粉质量比0.5、溶液pH 2.0、反应时间5.1 h、反应温度130℃,在此条件下,柠檬酸淀粉酯取代度0.481,相对误差为1.25%,结果表明该响应面优化试验具有可行性。

2.3 柠檬酸酯化青麦仁淀粉消化性能结果分析

从表3可以看出,随着取代度的增加,柠檬酸淀粉酯的消化性呈现出差异,其中RDS和SDS的含量逐渐减少,而RS的含量则逐渐上升,当DS为0.312时,RS含量达到(77.32±1.67)%。这是由于柠檬酸与淀粉之间发生酯化反应,形成了一种交联结构,导致酶与淀粉间的结合受到阻碍,从而抑制了酶的水解作用,故生成还原糖的含量下降。取代度越大,形成的交联结构越紧密,从而使酶更难进入到淀粉内部[10]。

3 讨论和结论

随着柠檬酸与淀粉质量比的增大,青麦仁柠檬酸淀粉酯取代度呈先上升后下降。其原因可能是随着柠檬酸分子数量的增加,淀粉分子中羟基被取代的数量也随之增加,导致取代度的提高。而当柠檬酸分子数目增大到一定程度时,柠檬酸分子间的空间障碍会增大,使分子与淀粉中的羟基结合受到阻碍,导致取代度降低[11]。同时,实验过程中发现添加较多的柠檬酸会使黏性增加,不易干燥完全,且产品黄色加重,也会对取代度有所影响。

随着溶液pH增大,取代度呈先上升后下降。其原因可能是pH过低导致生成的柠檬酸淀粉酯酸解,而pH增大,酸性降低,不利于酯化反应的进行。随着反应时间的增加,取代度呈先上升后下降可能是反应时间过短,柠檬酸不易渗入淀粉颗粒内部所致,仅在淀粉表面发生酯化反应,反应效率低,故取代度相对较低,随着反应时间的增长,更多柠檬酸分子渗透到淀粉颗粒,反应效率增大,即取代度增大,但反应时间过长,淀粉会热解,酯键断裂[12,13]。

随着反应温度的升高,取代度呈先上升后下降。其原因可能是高温使柠檬酸相邻两个羧基分子内脱水生成酸酐,与淀粉发生反应,从而形成柠檬酸淀粉单酯,当温度继续上升时,柠檬酸会进一步脱水与淀粉反应形成柠檬酸淀粉双酯,即高温使酯化反应进行的更彻底[14]。但是,如果温度太高,则会引起淀粉的焦糖化,使得产物呈现更深的棕黄色,进而会对取代度产生影响[15]。

在以上单因素试验的基础上再采用响应面优化,最终确定最优组合为柠檬酸与淀粉质量比0.5、溶液pH2.0、反应时间5.1 h、反应温度130℃,此条件下的取代度为0.481。经过柠檬酸酯化处理后,青麦仁柠檬酸淀粉酯相比原淀粉消化性能低,且取代度越大,抗消化性越强。