蔬菜、水果及制品中营养成分检测方案

中国粮油学报Journal of the Chinese Cereals and Oils AssociationVol.29，No.8Aug. 20142014年8月第29卷第8期 55第29卷第8期娜等 不同取代度板栗淀粉磷酸酯理化特性研究 不同取代度板栗淀粉磷酸酯理化特性研究 呼 娜 李路宁 吕秀亭 欧阳杰 王丰俊 王建中 (北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083 摘 要 通过改变板栗淀粉酯化反应的时间，制得不同取代度的板栗淀粉磷酸酯，对其理化性质进行研究。结果表明：原板栗栗粉颗粒表面光滑，可见椭圆形、三角形、梨形等；改性后，淀粉颗粒出现不同程度凹陷、破损和裂痕。同时，随着取代度的增加，其透明度、溶解度、膨胀度增加，冻融稳定性提高。质构分析显示，改性后，其凝胶的硬度、脆裂性、胶黏性和咀嚼性降低，内聚性和黏附性增大。差示扫描量热分析显示，改性后，其糊化初始温度、吸热高峰温度和糊化最终温度降低，糊化热焓值显著变小。糊化特性显示，改性后的淀粉糊黏度提高，糊化温度降低，黏度稳定性较好。 关键词 板栗淀粉磷酸酯 取代度 理化特性 中图分类号：TS235.4 文献标识码： A 文章编号：1003-0174(2014)08-0054-06 板栗，又称毛栗、栗子等，是我国主要干果之一。淀粉是板栗的主要成分，质量分数约为40%~60%。。目前有关板栗淀粉研究显示：板栗淀粉糊的透光率介于薯类淀粉和谷类淀粉之间，淀粉颗粒与水的互溶性差，不易达到完全糊化状态2。板栗淀粉糊的凝沉性介于玉米淀粉和马铃薯淀粉之间，凝沉速度较低，凝沉的过程较长。经低温处理后易老化，保水性差。且在湿热处理条件下，板栗淀粉颗粒晶体结构易被破坏，溶解度和膨胀度降低等。由于板栗淀粉在某些理化特性方面存在不足，因此，需要对它进行改性研究，使其有更高的应用价值。 淀粉磷酸酯是应用广泛的变性淀粉之一。与原淀粉相比，具有糊液透明、抗老化、稳定性和保水性好的特性，因此不同取代度的淀粉磷酸酯已广泛应用于食品、纺织、造纸、医药等行业。目前，国内外对淀粉磷酸酯的研究较多，原料多以玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉等为主4-10，而对板栗淀粉磷酸酯的相关研究却鲜见报道。因此，本研究以板栗淀粉为原料，制备了不同取代度的板栗淀粉磷酸酯，在此基础上，研究了不同取代度板栗淀粉磷酸酯的结构特性、质构特性和糊化特性等，旨在为板栗淀粉和板栗 ( 基金项目：林业公益性行业生研专项(201204401) ) ( 收稿日期：2013-07-11 ) ( 作者简介：呼娜，女，1987年出生，硕士，农产品加工与贮藏 ) ( 通讯作者：王建中，男，1951年出生，教授，博士生导师，农产品加工与贮藏 ) 淀粉磷酸酯在食品及其他工业领域中的进一步应用提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 试验材料 板栗产自河北省迁西。 1.2 仪器与设备 DV-1数显型旋转黏度计：上海平轩科学仪器有限公司； Hitachi(日立)S-3400N 扫描电子显微镜：日立高新技术(上海)国际贸易有限公司；200F3型 DSC 差示扫描量热仪：德国 Netzsch公司；TMS-PRO 型质构仪：美国FTC公司。 1.3 试验方法 1.3.1 板栗淀粉的制备 参照徐娟等制备板栗淀粉的方法，并加以改进。0.2%NaOH 溶液脱蛋白，石油醚脱脂。 1.3.2 板栗淀粉磷酸酯的制备 将质量分数为7%的磷酸二氢钠溶液与板栗淀粉混合，配制成质量分数为50%的淀粉乳，加入质量分数为4%的尿素作为催化剂，调节pH为6，在40℃条件下至于磁力搅拌机中搅拌30 min，用抽滤机抽干。然后在40~45℃烘箱内干燥18 h 后，于146℃条件下分别反应60、120、180 min。反应完毕后，用蒸馏水洗涤3~4次，脱除游离的磷酸根，然后干燥、粉碎、过80目筛，制得不同取代度板栗淀粉磷酸酯。 1.3.3 板栗淀粉磷酸酯取代度(DS)的测定 参照薛娟萍等的分光光度法，测定板栗淀粉磷酸酯的取代度。 式中：w，为磷酸酯淀粉总磷质量分数/%。 1.3.4 扫描电镜分析(SEM) 参照呼娜等3方法，对样品的微观形态进行观察。测定条件：剪取少许静电双面胶带贴在扫描电镜载物台上，挑取微量试样(干燥)洒在双面胶上，使其分布均匀，放入镀金器中喷碳镀金。电子枪加速为20kV，放大5000 倍条件下扫描、拍照。 1.3.5 透明度的测定 将样品分别加水配成1%溶液，在沸水浴中加热20 min，使之充分糊化。待糊化完全后，加入蒸馏水保持到原有体积，然后冷却至30℃。用分光光度计在620 nm 下，以蒸馏水为空白，测定淀粉胡的透光率，以透光率表示透明度4。 1.3.6 溶解度和膨胀度的测定 在80℃水浴加热并搅拌质量分数为2%的淀粉乳30 min，再以4000 r/min 离心 20 min，分离上层清液，烘干称重为水溶淀粉质量，计算溶解度，下层为膨胀淀粉部分，由膨胀淀粉质量计算膨胀度2. 水溶溶淀粉解度=质量 -×100% 淀粉样品质量(干) 式中：水溶淀粉质量/g；淀粉样品质量/g 膨胀度= 膨胀淀粉质量 ×100% 淀粉样品质量×(100-溶解度) 式中：膨胀淀粉质量/g；淀粉样品质量/g。 1.3.7 冻融稳定性的测定 将绝干样品加水配成质量分数为3%的淀粉乳，在沸水浴中加热20 min，冷却至室温，置于-15℃的冰箱中冷冻，12h取出，自然解冻5 h，4 000 r/min 离心15 min，弃去上清液，称取沉淀物质量，计算吸水率。上述操作反复7次。1个冻溶周期为18 h。 析水率=(糊质量-沉淀物质量x100%糊质量 式中：糊质量/g；沉淀物质量/g。 1.3.8 淀粉凝胶的质构特性分析(TPA) 淀粉凝胶的制备：配置质量分数8%的淀粉溶液，边搅拌边加热至淀粉溶液糊化，冷却后用塑料薄膜封口，常温下下置12 h，取出，凝胶待测。 测定参数的设备：使用 TMS - PRO 型质构仪，测试探头采用39 mm 的平底探头，测前速度30 mm/s， 测量速度25 mm/s，测后速度25mm/s，压缩量25%。量程250N，初始最小力0.5N。测定样品糊的凝胶质构曲线。 1.3.9差示扫描量热分析( DSC) 用蒸馏水将待测淀粉样品配制成浓度为20%的均匀淀粉乳，准确称取15~20 mg的待测淀粉乳，将样品池压紧密封后放入仪器的样品架上，用空的样品池作参比物，通入氮气，进行升温测试，升温速率5℃/min，温度范围25~120℃，通氮气速率30 mL/min 15]. 1.3.10 糊化特性测定 采用DV-1数显控温型旋转黏度计，设定起始温度为25℃，升温速率为1℃/min，依次测定35、45、55、65、75、85、95℃及95℃保温30 min 时的黏度，以1℃/min 的速率冷却到55℃，测定55℃及55℃保温30 min 时的黏度。绘出黏度变化曲线16。 1.4 数据分析 使用 Excel 对数据进行统统分析，利用 DPS 7.05软件进行显著性分析(P<0.05)。 结果分析 2.1 板栗淀粉磷酸酯的取代度 由表1可以看出，在146℃的反应条件下，随着反应时间的延长，对应的板栗淀粉磷酸酯取代度逐渐增大。其原因可能是，在高温条件下，随着反应时间的延长，淀粉中每个葡萄糖基环羟基上的氢平均被磷酸基团取代的数目不断增加，反应物的结合磷含量逐渐增加，从而使板栗淀粉磷酸酯的取代度增加。 表1 板栗淀粉磷酸酯取代度 样品 反应温度 反应时间 取代度 /℃ /min 板栗淀粉 0 0 0.0000 板栗淀粉磷酸酯1号 146 60 0.047 5±0.001a 板栗淀粉磷酸酯2号 146 120 0.0711±0.002a 板栗淀粉磷酸酯3号 146 180 0.1128±0.006a 注：表中值为平均值±标准差。同一列两平均值后字母相同表示无显著差异，字母不同表示差异达P<0.05水平。采用 Duncan 新复极差法比较。下同。 2.2 扫描电镜分析 图1为不同取代度板栗淀粉磷酸酯在放大5000倍下的电镜扫描图片。由图1a可知，板栗淀粉颗粒表面光滑，无棱角，无裂痕。形状复杂多样，通常可见椭圆形、三角形、梨形，另有不规则形状。改性后， 随着取代度的增加，颗粒表面出现不同程度的凹陷、破损和断裂的痕迹。当DS 为0.0475时，颗粒表面出现轻微的破裂(图1b)。当 DS 为0.0711时，淀粉颗粒表面凹陷程度增大，且裂痕增多(图1c)。当 DS 达到0.1128时，淀粉颗粒表面出现了明显的破损和断裂的痕迹(图1d)。产生这一现象的原因是淀粉颗粒具有独特的层状结构，其内层主要是结构较松散的非结晶区，外层为结构紧致的结晶区。在酯化过程中淀粉层状结构的层间质点结合力较弱，容易受到破坏，产生晶格缺陷，导致结晶度降低。随着酯化程度的增大，非结晶区及螺旋结构的结晶区同时受到破坏”。因此，随着取代度的增加，淀粉酯化程度增大，其颗粒表面受到的破坏程度增强。 图1 不同取代度板栗淀粉磷酸酯颗粒扫描电镜照片(5000×) 2.3 板栗淀粉磷酸酯的透明度 从试验结果(图2)可以看出，板栗淀粉(DS=0.0000)的透光率为11.87%，经改性后，板栗淀粉磷酸酯的透光率均高于板栗淀粉。且取代度越大，透光率越大，即透明度越高。影响透明度的因素主要为膨胀颗粒的大小及直链淀粉与支链淀粉的比例。膨胀颗粒尺寸越大，支链淀粉比例越多，就会增加光的透射量，提高透明度8。取代度越大，说明磷酸基团取代羟基上氢的数目越多，磷酸基团相互排斥阻碍分子相互缔合的能力越强，导致颗粒尺寸增大；此外，磷酸基的引入破坏了直链淀粉的螺旋结构，导致直链含量减少，所以酯化定粉的透明度比板栗淀粉高。 图2不同取代度板栗淀粉磷酸酯糊透明度 2.4 板栗淀粉磷酸酯溶解度和膨胀度 溶解度和膨胀度反映了淀粉与水之间相互作用的大小。由表2可知，不同取代度板栗淀粉磷酸酯的溶解度和膨胀度均高于原板栗淀粉。这主要是因为板栗淀粉经过酯化以后，引入了磷酸基团，极性增强，增大了产物亲水性，因此溶解度增加。另一方面，酯化过程中的高温处理，使其一部分不溶性的大分子降解为可溶性的小分子，同样增加了样品的溶解度。膨胀度的增加同样是由于引入的磷酸基团增加了产物的亲水性，使得淀粉颗粒容易吸水膨胀。取代度越大，淀粉中引入的亲水性基团越多，会使淀粉亲水性进一步增强、淀粉分子体积进一步增大，即膨胀度进一步提高。 表2 不同取代度板栗淀粉磷酸酯溶解度和膨胀度 样品 DS 溶解度/% 膨胀度/% 板栗淀粉 0.0000 11.26±0.32d 20.25±0.49d 板栗淀粉磷酸酯1号0.0475 27.72±0.75c 32.29±0.49c 板栗淀粉磷酸酯2号0.0711 32.13±0.46b 38.04±0.22b 板栗淀粉磷酸酯3号0.1128 40.93±0.55a 47.84±0.43a 2.5 板栗淀粉磷酸酯的冻融稳定性 析水率的高低反映了淀粉冻融稳定性的好坏，析水率低则冻融稳定性好。由图3可知，经过7次冻融循环(1次为18 h)，随着冻融时间的增加，板栗淀粉析水率不断增加。这主要是由于在冻融过程中淀粉分子之间相互作用力增大，淀粉分子在平行取向形成凝胶束，迫使水分子从凝胶中大量挤出，冻融稳定性差。然而，淀粉经过酯化后，冻融稳定性得到改善。板栗淀粉冻融4次后，析水率达68.25%，取代度为0.0475的板栗淀粉磷酸酯冻融4次后，析水率为4.25%。当取代度为0.1128的样品冻融7次后，析水率为9.28%。说明板栗淀粉酯化后冻融稳定性显著改善，且随着取代度增大，冻融稳定性增强。其原因可能是淀粉分子中引入的磷酸基团为带负电的亲水基团，一方面它增大了空间位阻，使得淀 粉在水中的分散体稳定。另一方面，磷酸基团间的静电斥力不仅使淀粉分子不易重排和缔合，反而有利于淀粉的水合，削弱淀粉间结合力，从而使冻融稳定性增强。 图3 不同取代度板栗淀粉磷酸酯的冻融曲线 2.6 质构特性分析 质构分析主要通过模拟人口腔的咀嚼运动，对固体半固体样品进行2次压缩，测试与微机连接，从中可获得以下质构特性参数。硬度仅指使样品发生形变所需要的力；脆裂性是指样品在破裂时所需的力；弹性是指形变样品在去掉挤压力时恢复原状的比率；黏附性是指克服样品表面同其他物质表面接触之间的吸引力所需要的能量；内聚性是指样品内部的收缩力；胶黏性是指半固体样品吞咽前破碎它需要的能量；咀嚼度是指咀嚼固体样品时需要的能量。 由表3可知，板栗淀粉磷酸酯的黏附性和内聚性高于原板栗淀粉，且随着取代度的增大而增大。这可能是因为随着取代度的增大，淀粉中引入的亲水性磷酸基团不断增多，淀粉分子体积不断增大。此外，高温条件下，伴随着副反应交联反应，少量磷酸基团使得淀粉分子交联在一起形成一个空间网络结构。从而使黏附性和内聚性提高。 不同取代度的板栗淀粉磷酸酯的硬度、脆裂性、胶黏性和咀嚼性低于板栗淀粉，且随着取代度的增加，其参数值降低。这是因为磷酸基团取代了淀粉分子羟基上的氢后，阻碍了淀粉链之间氢键的形成，降低了淀粉分子的结晶度，使板栗淀粉颗粒变得松弛，原有的紧密结构被破坏。此外，在板栗淀粉中，直链淀粉分子的双螺旋结构有效地缠绕着其他淀粉颗粒形成了空间稳定的三维网络结构。而磷酸酯化主要发生在直链淀粉上，使其直链淀粉含量降低，三维网络结构遭到破坏，在一定压力下，板栗淀粉磷酸酯凝胶变的脆弱。因此板栗淀粉磷酸酯的硬度、脆裂性、胶黏性和咀嚼性降低。 2.7 差示扫描量热分析 按照淀粉糊化热力学分析，淀粉与水共热时，将吸水膨胀，分子间和分子内的氢键断裂，淀粉分子扩散糊化，有序的晶体向无序的非晶体转化。在此过程中伴随着能量的变化，在 DSC 分析图谱上，表现为吸热峰，此时淀粉的焓变为^H，而相应的温度To、Tp、Tc 分别表示变化过程的糊化初始温度、吸热高峰温度、糊化最终温度。 由表4可以看出，板栗淀粉酯化后，其糊化各阶段所需温度下降，糊化热焓值显著变小，糊化前后温度范围变窄。这说明淀粉分子中引入磷酸基团之后，阻碍了淀粉链之间氢键的形成，降低了分子间的结合力，这不仅发生在无定形区，同时也破坏了部分结晶区，使淀粉颗粒结构变得松弛，原有紧密结构遭到破坏，使其在水介质中加热时淀粉颗粒更容易吸水膨胀，糊化过程变短。另一方面，引入的磷酸基团削弱了淀粉颗粒中微晶之间、微晶和无定形区间高分子链的连接，在糊化过程中无定形区容易水化润胀，导致微晶内的形变，进一步削弱微晶201，使之易于熔融，故AH较小。 样品 硬度/N 脆裂性/N 弹性/m 黏附性/J 内聚性 胶黏性/N 咀嚼性/J 板栗淀粉 17.49±0.24a 19.44±0.15a 5.46±0.12a 0.93±0.05b 0.34±0.11a 7.84±0.21a 44.67±0.18a DS=0.047 5 5.23±0.17b 6.85±0.17b 5.58±0.21a 5.53±0.12a 0.52±0.13a 3.93±0.17b 16.78±0.16b DS =0.0711 3.12±0.14b 3.95±0.14c 5.27±0.15a 7.08±0.13a 0.70±0.11a 2.72±0.14b 9.62±0.13c DS=0.1128 2.48±0.11b 2.63±0.09c 5.09±0.11a 8.19±0.15a 0.83±0.15a 1.21±0.23b 5.74±0.23d 表4不同取代度板栗淀粉磷酸酯 DSC 特征值 样品 DS T /℃ Tp/℃ Tc/℃ R/℃ AH/J/g 板栗淀粉 0.0000 52.5±0.14a 65.7±0.11a 76.4±0.15a 23.9±0.08a 202.1±0.11a 板栗淀粉磷酸酯1号 0.047 5 45.7±0.23b 54.2±0.13b 64.3±0.14b 18.6±0.12b 176.5±0.13b 板栗淀粉磷酸酯2号 0.071 1 39.4±0.18c 49.5±0.15c 51.9±0.12c 13.5±0.11c 146.2±0.08c 板栗淀粉磷酸酯3号 0.1128 33.2±0.13d 37.8±0.13d 42.7±0.19d 9.5±0.09d 108.7±0.12d 2.8 糊化性质分析 如图4所示，板栗淀粉糊的峰值黏度出现在75℃，酯化后随着取代度的增加，样品糊化温度依次降低。这和 DSC 测试结果相一致。在温度小于糊化温度时，由于淀粉粒仅作有限膨胀，淀粉黏度较低，曲线平坦。随加热时间延长，支链淀粉微晶束首先熔融，淀粉粒剧烈膨胀，导致黏度突然上升；随后，直链淀粉向水中扩散，形成凝胶网络，淀粉粒充分膨胀，从而使糊化曲线上升至最高峰，并形成淀粉糊。在温度大于糊化温度时，淀粉粒中支链淀粉分子链进一步伸展，颗粒破裂，直链淀粉进一步向水中分散，导致黏度下降2。在95和55℃保温的过程中，产物黏度变化趋势平缓，说明酯化在降低糊化温度，提高黏度的同时，淀粉糊的黏度稳定性保持良好。温度从95℃降低到55℃的过程冲，淀粉的黏度有所增加。这是因为温度降低，流体流动阻力增大，从而使黏度增加。 与板栗淀粉相比，板栗淀粉磷酸酯在加热过程中的黏度值有显著性的增加。淀粉的黏度与直链淀粉含量成相反关系，且随着取代度的增加，淀粉内的直链淀粉含量降低。这是因为直链淀粉是一种线形多聚物，都是由葡萄糖通过糖苷键连接而成的链状分子，板栗淀粉经过磷酸酯化变性后，磷酸根取代了淀粉链上羟基中的氢，淀粉分子中的氢键受到了破坏，使得直链淀粉含量降低。且支链分子之间形成更大的分子，使淀粉的平均分子质量提高，增加了淀粉糊黏度。 图4 不同取代度板栗淚粉磷酸酯糊黏度变化曲线 3 结论 研究结果表明，酯化反应时间不同，所得板栗淀粉磷酸酯取代度不同。且反应时间越长，取代度越大。 通过扫描电镜观察，板栗淀粉颗粒表面光滑，可 见椭圆形、三角形、梨形等。改性后，随着取代度的增加，表面形态及内部结构会出现不同程度的损伤或侵蚀，表面出现凹陷、裂纹，甚至团粒破裂。 与原板栗淀粉相比，随着取代度的增加，板栗淀粉磷酸酯的透明度、溶解度、膨胀度增加，冻融稳定性提高。质构分析表明，改性后，其凝胶的硬度、脆裂性、胶黏性和咀嚼性降低，内聚性和黏附性增大。DSC 分析表明，改性淀粉随着取代度的增大，糊化初始温度、吸热高峰温度和糊化最终温度降低，糊化热焓值显著变小，糊化前后温度范围变窄。由糊化特性分析可知，酯化在降低糊化温度，提高黏度的同时，淀粉糊的黏度稳定性保持良好。 因此，板栗淀粉经过酯化改性后，弥补了自身理化特性上的不足，更好的改善了板栗淀粉糊的性质，它作为一类添加剂在食品行业与非食品行业能够得到更加广泛的应用。 ( 参考文献 ) ( []徐志祥，高绘菊.板栗淀粉特性研究进展.食品研究 与开发，2004，25(6)：6-8 ) ( 2]李志西，张莉，杜双奎，等.板栗淀粉糊黏度特性的研究叮.中国粮油学报，2001，16(1)：2 8 -31 ) ( 3]李志西，张莉，李巨秀.板栗淀粉特性研究叨.西北农 业大学学报，2000，28(4)：21-27 ) ( [4] Huang R， L i C P， Chen D Y， et al. 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However， after modifying the chestnut starch granules appeared sag and damaged traces； further， part ofinterior of the particles appeared to sag； the transparency， solubility， force of expansion， freeze - thaw stability ofphosphorylated chestnut starch in different DS have been improved significantly compared with original chestnutstarch. The gelatinization temperature of the phosphorylated chestnut starch was lower than that of chestnut starch，with the increase in the DS； the gelatinization temperature of the phosphorylated chestnut starch has been reducedwhile the values of peak viscosity， minimum viscosity and final viscosity were increased. Texture profile analysis indi-cated that， with the increase appearance in the DS， the hardness， frangibility， gumminess and chewiness of phospho-rylated chestnut starch reduced， while the cohesion and adhesion of the increase along with the DS increasing. Ob-served by differential scanning calorimetry， after esterification of starch， the pasting temperature decreased and thepasting enthalpy got lower and the range of pasting temperature got even narrower. Key words phosphorylated chestnut starch， degree of substitution，physicochemical properties