不同偏磷酸钠改性玉米淀粉的理化性质比较

司美双,栾茗然,张健雯,吴修利*

(长春大学 食品科学与工程学院,吉林 长春,130022)

摘 要 为了拓展玉米淀粉的应用范围,以玉米淀粉为原料,通过添加不同含量的三偏磷酸钠(sodium trimetaphosphate,STMP)和六偏磷酸钠(sodium hexametaphosphate,SHMP)制备玉米淀粉磷酸酯,对淀粉样品黏度特性、冻融稳定性、透明度、溶解度、膨润力及抗消化性进行分析,并通过傅里叶变换红外光谱,观测分子结构变化。结果表明,STMP玉米淀粉磷酸酯的冷糊稳定性、热糊稳定性均优于原淀粉和SHMP玉米淀粉磷酸酯,而SHMP玉米淀粉磷酸酯的溶解度、膨润力、透明度高于STMP玉米淀粉磷酸酯,2种玉米淀粉磷酸酯抗性淀粉含量和冻融稳定性均高于原淀粉,红外光谱显示改性反应后玉米淀粉仍保持着基本的化学结构,图谱去卷积结果表明STMP玉米淀粉磷酸酯内部的有序程度高于SHMP玉米淀粉磷酸酯及原淀粉。STMP和SHMP改性玉米淀粉生成磷酸酯理化性质存在差异,其原因可能是前者反应后主要生成淀粉磷酸双酯,而后者则主要生成淀粉磷酸单酯。

关键词 玉米淀粉;三偏磷酸钠;六偏磷酸钠;淀粉磷酸酯;理化特性

淀粉作为可生物降解和可再生高分子材料备受关注,但天然淀粉糊液存在不稳定、易老化等缺点,限制了其在食品工业中的应用,通过改性处理,可提高其应用范围。交联是常用的改性方法,交联剂作为生物聚合物分子间的桥梁,与淀粉分子发生羟基反应,从而使淀粉分子形成多维空间网络结构[1],加强了淀粉颗粒之间的结合作用,提高了淀粉糊和凝胶的黏度、抗剪切能力以及冻融稳定性[2]

常用的交联剂有甲醛、三氯氧磷、环氧氯丙烷、三偏磷酸钠(sodium trimetaphosphate,STMP)等[3]。其中环氧氯丙烷效果好,但其具有毒性,易燃,且致畸、致癌,三氯氧磷、甲醛也具有一定毒性,生产过程中存在安全隐患,不宜用于食用变性淀粉的生产[4]。STMP属于食品级磷酸盐且无毒无害,作为原料制备的淀粉衍生物具有较高的食用安全性,被广泛应用于食品工业中,联合国粮农组织和世界卫生组织认为食用STMP无需制定每日允许摄入量[5]。相关研究表明以STMP为交联剂,制备芭蕉芋交联淀粉,改性后的淀粉具有良好的冻融稳定性、抗老化性、弹性及剪切稳定性[6]。六偏磷酸钠(sodium hexametaphosphate,SHMP)与STMP同为以P2O5为原料制备的偏磷酸钠盐,根据GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》,其也可作为稳定剂应用到淀粉中。但近些年对SHMP作为磷酸化剂改性淀粉的研究较少,郭耀东等[7]以SHMP改性马铃薯淀粉,产品经过改性后冻融稳定性、热稳定性、耐酸碱性能明显提高。但以2种磷酸盐制备淀粉磷酸酯进行理化性质对比分析目前还鲜有报道。

本研究以玉米淀粉为原料,分别采用STMP和SHMP改性玉米淀粉,并从反应机理上探究2种玉米淀粉磷酸酯理化性质的差异,为玉米淀粉磷酸酯应用到不同食品领域提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米淀粉,江苏味门食品有限公司;STMP、SHMP,西陇化工股份有限公司;HCl、H2SO4、HNO3,北京化工厂;猪胰α-淀粉酶(50 U/mg),Sigma-Aldrich公司;糖化酶(105 U/g),大连美仑生物技术有限公司。化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TDL-5-1型低速离心机,上海安亭科学仪器厂;UV-2700型紫外可见分光光度计,岛津仪器有限公司;VISCOGRAPH-E型Brabender黏度仪,德国布拉班德(Brabender)公司;NICOLETIS 5型傅里叶红外仪,赛默飞世尔科技有限公司。

1.3 研究方法

1.3.1 淀粉磷酸酯的制备及结合磷含量测定

参考李明宇[8]的方法制备玉米淀粉磷酸酯,将淀粉配制成质量浓度为400 g/L的淀粉乳,调节pH至10.5,分别加入淀粉质量干基0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的STMP及SHMP,45 ℃充分反应2 h。反应结束后调节pH至6.5,用蒸馏水反复洗涤3次,抽滤,45 ℃干燥,过0.15 mm筛,得到淀粉样品,参考GB 5009.87—2016《食品安全国家标准 食品中磷的测定》进行结合磷含量的分析。

1.3.2 Brabender黏度曲线测定

将60 g/L淀粉乳100 mL置于测试杯中,混合均匀,设置样品从30 ℃开始,以5 ℃/min的速率升温至95 ℃,保温5 min,再以同样的速率冷却至50 ℃,保温5 min,测定样品糊化过程。

1.3.3 冻融稳定性及透明度测定

参考李玉娥等[9]的方法,冻融稳定性用析水率来表示,配制40 g/L淀粉乳,沸水浴30 min后冷却,取10 mL于15 mL离心管中,放入-18 ℃冰箱中24 h,室温下解冻,3 000 r/min离心20 min,去除上清液,称量沉淀物质量,计算析水率。透明度用透光率表示,将10 g/L淀粉乳置于沸水浴中加热30 min,冷却后,以蒸馏水为空白,在620 nm波长下测定其透光率,如公式(1)所示:

析水率

(1)

式中:m1,淀粉乳质量,g;m2,沉淀物质量,g。

1.3.4 溶解度及膨润力测定

参考秦维[10]的方法,略作改动。将20 g/L的淀粉乳置于90 ℃下水浴30 min,处理后冷却到室温,4 000 r/min离心10 min。溶解度和膨润力分别按公式(2)和公式(3)计算:

溶解度

(2)

膨润力

(3)

式中:m0,淀粉样品质量,g;m1,上清液干重,g;m2,离心后沉淀物质量,g。

1.3.5 淀粉抗消化性测定

参考薛慧等[11]的AOAC-DNS法测定淀粉的抗消化性,抗性淀粉含量按公式(4)计算:

抗性淀粉含量

(4)

式中:M,葡萄糖含量,g;W,分析样品的干重,g;0.1为待测液体积,mL;0.9为葡萄糖与脱水葡萄糖之间的换算系数。

1.3.6 傅里叶变换红外光谱分析

样品烘至恒重后与干燥KBr充分混合,压片成型进行检测,检测波数范围400~4 000 cm-1

1.3.7 数据处理

用Origin 2018作图,用SPSS 23中Duncan检验进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 玉米淀粉磷酸酯结合磷含量

淀粉磷酸酯取代程度通常可用结合磷或沉降积来表示,取代度大小与结合磷,呈正相关而与沉降积呈线性负相关[12]。由图1可知,随着STMP和SHMP用量的增加,2种淀粉结合磷含量均增大,可能是因为单位体积磷酸盐浓度的增大使其与淀粉的接触几率增多,促使参与反应的分子相对增加。方志林[13]和杨文英等[14]研究结果中,马铃薯淀粉经磷酸盐改性处理制备磷酸酯淀粉时,沉降积间接呈现出的取代度变化规律与本研究一致,即随2种磷酸盐用量增加,沉降积均呈现逐渐减小趋势。

图1 STMP/SHMP用量对玉米淀粉磷酸酯结合磷含量的影响

Fig.1 Effect of STMP/SHMP dosage on the content of bound phosphorus in corn starch phosphate ester

注:STMP淀粉磷酸酯结合磷含量用不同大写字母表示显著性差异(P<0.05),SHMP淀粉磷酸酯结合磷含量用不同小写字母表明显著性差异(P<0.05)。

淀粉1个羟基酯化为磷酸盐时,形成淀粉磷酸单酯,而淀粉2个羟基被同一磷酸盐酯化,则形成的是淀粉磷酸双酯,淀粉磷酸双酯属于交联淀粉[15]。添加相同量的STMP和SHMP,前者生成的淀粉磷酸酯结合磷含量明显高于后者。何传波[16]应用STMP作为交联剂得到的主要是淀粉磷酸双酯,而应用SHMP得到是淀粉磷酸单酯。

2.2 黏度参数分析

淀粉磷酸双酯会随结合磷含量增加糊化温度上升[5],而淀粉磷酸单酯则会使淀粉糊化温度降低[17]。由表1可以看出,随着STMP含量的增加,淀粉磷酸酯糊化温度呈上升趋势,这是因为交联反应增加了淀粉颗粒强度,提高了糊液的起始糊化温度。田龙等[15]将小麦淀粉与STMP交联反应,生成物为以淀粉磷酸双酯为主的单酯和双酯混合物,且含量随着反应条件的改变而不同[15]。这也是相比较原淀粉,糊化温度先降低后升高的原因。而SHMP呈下降趋势,可能与反应生成较多的淀粉磷酸单酯有关。

表1 Brabender黏度曲线特征值

Table 1 Eigenvalues of Brabender viscosity curve

样品起始糊化温度/℃峰值黏度/BU热糊黏度/BU冷糊黏度/BU崩解值/BU回升值/BU玉米原淀粉79.621517130444159STMP-0.5%73.936133142730113STMP-1.0%74.72242052221927STMP-1.5%79.1111108114312STMP-2.0%83.353515628SHMP-0.5%71.626121236149180SHMP-1.0%71.426821436754187SHMP-1.5%71.227822538053186SHMP-2.0%71.026922137048179

在磷酸盐添加量为0.5%时,STMP淀粉磷酸酯糊液峰值黏度、热糊黏度(95 ℃保温5 min)和冷糊黏度(50 ℃保温5 min)均高于原淀粉及SHMP淀粉磷酸酯,且随着磷酸盐含量的增加,淀粉糊各黏度特征值逐渐降低,这是因为交联反应程度较低时,抑制了淀粉团粒可溶物的溶出,增强了淀粉团的机械强度,提高了淀粉糊黏度。随着磷酸盐的增加,伴随氢键的破坏和交联键的生成,进一步抑制了淀粉的溶胀,淀粉黏度开始下降,甚至淀粉糊化困难,黏度较原淀粉显著降低,这与寇婷婷等[18]的研究结果一致。袁立军[19]在研究STMP木薯交联淀粉时也发现同样的变化规律。SHMP淀粉磷酸酯黏度较原淀粉增加,磷酸化反应之后,淀粉产物的亲水性增强,颗粒容易吸水膨胀,导致胶体溶液中分散相的总容积增大,淀粉黏度升高[17]

STMP淀粉磷酸酯的崩解值、回升值低于原淀粉且随STMP用量增加而减小,说明反应提高了STMP淀粉磷酸酯的热糊稳定性及冷糊稳定性,而SHMP淀粉磷酸酯的崩解值、回升值不但没有降低甚至略有提高,说明淀粉SHMP改性后没有改善淀粉的老化性质,老化速率在磷酸化后反而增加。

2.3 溶解度和膨润力分析

淀粉溶解度反映的是淀粉糊化时在水中的溶解能力[20],膨润力反映淀粉与水之间相互作用的大小,在热膨胀过程中的吸水能力可用膨润力大小来表示[21]。如图2所示,改性后STMP淀粉磷酸酯溶解度及膨润力较原淀粉出现先升高后降低趋势,可能因为STMP添加量较低时有少量单酯生成,随着STMP的增加主要生成淀粉磷酸双酯。淀粉分子链之间产生交联,导致分子链之间相互干扰的机会增多[16]。SHMP改性后淀粉的溶解度及膨润力高于原淀粉,因为水分子在反应后能更好地渗透到淀粉颗粒中,有利于淀粉分子的浸出,另外淀粉磷酸单酯的形成可以提高淀粉的溶解度及膨润力[22]。随着SHMP含量的增加,淀粉的溶解度及膨润力呈下降趋势,因为随着磷酸盐用量增加,出现淀粉磷酸双酯生成,交联键的形成会降低淀粉颗粒膨胀度,抑制淀粉浸出,导致溶解度及膨润力下降[23]。相同磷酸盐含量下STMP淀粉磷酸酯的溶解度与膨润力远低于SHMP淀粉磷酸酯。证明SHMP淀粉磷酸酯主要为单酯,而STMP淀粉磷酸酯主要为双酯。

a-溶解度;b-膨润力

图2 玉米淀粉磷酸酯及原淀粉的溶解度及膨润力

Fig.2 Solubility and swelling power of corn starch phosphate ester and raw starch

2.4 冻融稳定性和透明度分析

淀粉在冻融过程中重塑了水分子在淀粉糊液和淀粉凝胶间的分布,淀粉糊的析水率越低,冻融稳定性越好。由图3可知,与原淀粉相比,淀粉磷酸酯冻融稳定性均有所提高,在相同磷酸盐添加量的条件下,SHMP玉米淀粉磷酸酯的稳定性高于STMP玉米淀粉磷酸酯。反应过程引入了磷酸根负离子基团,无论淀粉链空间障碍还是电荷斥力作用,均导致淀粉分子不易重新排列和相互缔结,由于淀粉分子间不易取向形成氢键,淀粉糊液的分散体系相对稳定,所以其结构不论冻、融都不容易受到破坏,促使淀粉糊冻融稳定性提高[9,24]

a-析水率;b-透光率

图3 玉米淀粉磷酸酯及原淀粉的析水率及透光率

Fig.3 Water evolution rate and light transmittance of corn starch phosphate ester and raw starch

淀粉糊的透光率越高意味透明度越好。由图3可知,STMP淀粉磷酸酯透明度较原淀粉降低,且随着磷酸盐添加量的增加呈降低趋势,这是因为STMP淀粉磷酸酯主要以磷酸双酯为主,由于STMP与淀粉产生的交联作用,导致分子质量增大,阻碍了光的透射量,光散射增强,从而使淀粉糊液透光率降低[25]。而SHMP淀粉磷酸酯的透明度高于STMP淀粉磷酸酯及原淀粉,这可能与SHMP与淀粉反应生成的主要产物为淀粉磷酸单酯有关。淀粉磷酸单酯为淀粉阴离子衍生物,存在静电斥力,使淀粉分子链间不易取向形成氢键,光透过淀粉糊产生的折射会减小,因此透光率升高。

2.5 抗消化性分析

由于抗性淀粉在小肠中不能被酶解,只在大肠中被微生物发酵产生短链脂肪酸,因而对于改善肠道环境具有积极作用[26]。由图4可知,随着STMP和SHMP的增加,2种淀粉磷酸酯的抗性淀粉含量不断增加,且明显高于原淀粉,相同磷酸盐添加量的STMP淀粉磷酸酯抗性含量高于SHMP淀粉磷酸酯。改性反应中,磷酸根基团引入淀粉分子中生成磷酸酯,形成一定的空间位阻,阻碍了酶分子攻击,而STMP淀粉磷酸酯更多的磷酸双酯使淀粉分子的羟基间联合起来,形成空间的网状结构使淀粉颗粒内部架构得到保护[27]。而另一方面,随着磷酸盐的增加,淀粉分子的羟基不断被取代,形成团粒状结构,使淀粉酶不能充分与底物淀粉链的结合位点接触,所以导致抗消化性提高[4]

图4 玉米淀粉磷酸酯及原淀粉的抗性淀粉含量

Fig.4 Resistant starch content of corn starch phosphate ester and raw starch

2.6 红外光谱分析

傅里叶变换红外光谱常用于表征高分子物质组成与结构,可通过吸收峰的位置、强度和形状,获得淀粉中基团或化学键的信息。从图5-a淀粉样品的红外光谱可知,位于3 000~4 000 cm-1处的宽峰为—OH伸缩振动峰,2 930 cm-1处为C—H的伸缩振动峰,1 650 cm-1附近的峰是由分子内氢键形成的。改性后的淀粉酸磷酯,通常在995~1 050 cm-1处存在P—O—C伸缩振动吸收带,1 160 cm-1附近处存在PO基团的红外光谱吸收峰[28],但图上在此范围并没有观察到有明显的新特征峰,但峰的强弱无明显变化,表明反应生成的淀粉磷酸酯含量较低。刘燕等[29]在山药改性淀粉的研究中也有相似报道。改性并没有对淀粉的基本结构造成破坏。

a-红外谱图;b-去卷积红外谱图

图5 玉米淀粉磷酸酯及原淀粉红外谱图及去卷积红外谱图

Fig.5 Original and deconvoluted infrared spectra of corn starch phosphate ester and raw starch

淀粉在(1 047/1 022)cm-1峰强度比值R表示淀粉分子在短程范围内的结晶程度和晶体有序性,以表明淀粉无定形态的减少或有序结构的增加,其比值越大,颗粒内有序度越高,结构更趋于稳定[30]。对红外光谱800~1 200 cm-1谱段进行去卷积处理,如图5-b所示。与原淀粉相比,淀粉磷酸化反应提高了淀粉内部的有序程度,且2.0%添加量STMP淀粉磷酸酯有序度高于2.0% SHMP淀粉磷酸酯,主要因为STMP反应过程中磷酸基团以架桥的形式将淀粉分子结合起来,形成了多维的空间结构,使分子之间结合得更加紧密,结晶排列有序性增加[29]

3 结论与讨论

STMP和SHMP制备的玉米淀粉磷酸酯,在Brabender黏度特性、溶解度、膨润力及透明度等性质方面存在较大差异。与原淀粉相比,STMP玉米淀粉磷酸酯起始糊化温度先下降后上升,黏度呈现先增加后降低的趋势,淀粉糊的热稳定性与冷稳定性较原淀粉均有提高,而SHMP玉米淀粉磷酸酯的起始糊化温度均低于原淀粉,淀粉糊黏度均高于原淀粉,并随着SHMP增加各黏度值变化较稳定;SHMP玉米淀粉磷酸酯的溶解度、膨润力及透明度均高于原淀粉及STMP玉米淀粉磷酸酯;2种玉米淀粉磷酸酯冻融稳定性和抗性淀粉含量均高于原淀粉;通过红外光谱去卷积处理,可知交联反应提高了淀粉内部的有序程度,且STMP玉米淀粉磷酸酯有序度高于SHMP玉米淀粉磷酸酯。

淀粉磷酸单酯具有透明度、溶解度、膨润力、黏度高和糊化温度低的特点,而淀粉磷酸双酯会降低淀粉的透明度、溶解度、膨润力,并使糊化温度升高[31-32]。孙平等[33]研究发现,玉米淀粉经过STMP交联后,产物为磷酸单酯和双酯混合物,其中以磷酸双酯为主。于浩[34]研究指出,在磷酸酯淀粉的生产及应用中,STMP可用来制备淀粉磷酸双酯,而SHMP常用于制备淀粉磷酸单酯。本研究中STMP和SHMP改性的淀粉磷酸酯性质分别符合淀粉磷酸双酯和淀粉磷酸单酯特征,结果与上述学者研究相一致。

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Comparison of physicochemical properties of corn starch-modified by different sodium metaphosphate

SI Meishuang, LUAN Mingran, ZHANG Jianwen, WU Xiuli*

(College of Food Science and Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

ABSTRACT To expand the use of corn starch, using corn starch as raw material, corn starch phosphate esters were prepared by adding different contents of sodium trimetaphosphate (STMP) and sodium hexametaphosphate (SHMP). The viscosity characteristics, freeze-thaw stability, transparency, solubility, swelling power, and digestibility of starch samples were analyzed. The molecular structure changes were also observed by Fourier transform infrared spectroscopy. Results showed that the cold paste stability and hot paste stability of STMP starch phosphate were better than those of the native starch and SHMP starch phosphate ester, however, the solubility, swelling power, and transparency of SHMP starch phosphate ester were higher than the STMP starch phosphate ester. The contents of resistant starch and freeze-thaw stability of the two starch phosphate esters were higher than raw starch. The infrared spectrum showed that the modification did not damage the basic structure of the corn starch, and the result of the deconvolution spectrum showed that the internal order degree of modified STMP corn starch phosphate esters was higher than that of SHMP corn starch phosphate esters and raw starch. The reason for the difference in the physicochemical properties of corn-modified starch from STMP and SHMP may be that the former products mainly were starch phosphate diesters, while the latter was starch phosphate monoester.

Key words corn starch; sodium trimetaphosphate; sodium hexametaphosphate; starch phosphate; physicochemical properties

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.031484

引用格式:司美双,栾茗然,张健雯,等.不同偏磷酸钠改性玉米淀粉的理化性质比较[J].食品与发酵工业,2023,49(15):221-227.SI Meishuang, LUAN Mingran, ZHANG Jianwen, et al.Comparison of physicochemical properties of corn starch-modified by different sodium metaphosphate[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(15):221-227.

第一作者:硕士研究生(吴修利副教授为通信作者,E-mail:395113875@qq.com)

基金项目:长春大学科研培育项目(2019JBC26L37);长春大学科研启动项目(2019JBD26L28);吉林省科技发展项目(2020JB426L01)

收稿日期:2022-03-09,改回日期:2022-04-19