韌化處理對甘薯淀粉分子結構的影響

李光磊,陳夢雪,曾　潔,李　剛,孫俊良

(河南科技學院食品學院,河南新鄉 453003)

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韌化處理對甘薯淀粉分子結構的影響

李光磊,陳夢雪,曾潔,李剛,孫俊良

(河南科技學院食品學院,河南新鄉 453003)

采用顆粒形貌觀察、紅外光譜掃描、淀粉粒度分析等方法研究了不同韌化時間、韌化溫度和含水量等韌化作用條件對甘薯淀粉分子結構的影響。結果表明,韌化處理后的甘薯淀粉顆粒邊緣有明顯破損現象,顆粒表面結構發生了改變。不同韌化溫度處理后,甘薯淀粉顆粒中位徑、小顆粒淀粉體積分數和紅外結晶指數隨著韌化處理溫度的升高而顯著增加,處理溫度50 ℃時,中位徑增加了0.1 μm,紅外結晶指數由1.44增加到了1.75。不同韌化時間處理后,淀粉顆粒中位徑隨著韌化時間的延長而略有增加,紅外結晶指數相比原淀粉增加了26.39%。不同水分含量韌化處理后,淀粉顆粒中位徑沒有顯著變化,水分含量在85%時紅外結晶指數由原來的1.44升高為1.79。韌化處理導致甘薯淀粉顆粒平均粒徑、結晶度增加,這對增加食品中慢消化淀粉比例,提高食品營養品質具有重要的意義。

甘薯淀粉,韌化處理,淀粉分子結構

我國是世界上最大的甘薯生產國,2013 年我國甘薯種植面積為352 萬hm2,占世界甘薯種植面積的42.72%,我國甘薯總產量為7909萬t,占世界甘薯總產量的71.41%(FAO)。我國甘薯產量在我國位居第4,僅次于水稻、小麥和玉米[1]。隨著科技的進步和研究的深入,甘薯淀粉的應用取得了很大進步,甘薯淀粉經過一定處理后可以加工成藥片黏合劑[2],研究發現以淀粉酶或海藻糖合成酶對甘薯淀粉進行適當的處理可制得麥芽糖或海藻糖[3]等。

韌化過程通常是指在過量水分(>65%)或平衡水分(40%～55%),溫度高于玻璃化溫度(Tg)低于糊化起始溫度(To)的條件下(40～55 ℃)對淀粉進行的熱處理過程[4]。也有研究發現當對玉米淀粉進行高壓處理時,可以在 25 ℃下對其進行韌化處理[5]。韌化是改善淀粉加工性能、改變淀粉基品質特性的一種淀粉物理變性方式,是淀粉顆粒在水熱作用下淀粉內部結構物理重組的過程。韌化處理只涉及水和熱,沒有化學試劑參與,而且淀粉性質改變較為明顯。淀粉在韌化處理時雖然水分充足但溫度低于原淀粉的糊化溫度,所以理論上這種方式處理淀粉不會導致淀粉糊化[6]。目前國家大力提倡綠色食品加工,因此韌化處理是一種行之有效的淀粉改良方法,值得大力推廣。淀粉的韌化處理作為淀粉熱處理的一部分,也是淀粉非化學改性研究的一個重要領域。德國研究者 Sair 在 20 世紀 60 年代對韌化處理進行了研究。隨之,國外出現大量有關韌化處理的文獻報道,包括小麥淀粉、玉米淀粉、大麥淀粉[7]、馬鈴薯淀粉[8]等,結果表明,韌化處理對淀粉顆粒表面結構沒有太大的影響,經韌化處理過的淀粉在光學和電子顯微鏡下觀察,與原淀粉形態基本保持一致。但是,韌化處理能改變淀粉納米顆粒的形貌、晶體的組成方式和大小[9]。研究發現韌化處理可以使淀粉內部結構重組,提高了淀粉顆粒的結晶性[10-13],這為通過熱處理提高淀粉中慢消化淀粉含量、提高食品營養品質奠定基礎。

本文以甘薯淀粉為原料,以韌化處理溫度、處理時間和水分含量為實驗因素,研究韌化處理對甘薯淀粉顆粒形貌、粒度分布以及紅外結晶特性等分子結構的影響,旨在明確韌化處理對甘薯淀粉分子結構的影響規律,以期為韌化處理在淀粉改性中的應用起指導作用。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

甘薯淀粉食品級,上海塞翁福農業發展有限公司;實驗中所用試劑均為分析純。

Quanta 200掃描電子顯微鏡美國FEI公司;BT-9300H激光粒度分布儀丹東百特儀器有限公司;BRUKER TENSOR 27紅外光譜儀德國布魯克公司;SHA-C水浴恒溫振蕩器金壇市杰瑞爾電器有限公司;DHA-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱上海三發科學儀器有限公司;Model PHS-3C PH Meter上海盛磁儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1甘薯淀粉的韌化處理稱取一定量的淀粉樣品置于錐形瓶中,加入適量蒸餾水,調整水分含量至設計水平,震蕩混勻。隨后將錐形瓶置于震蕩水浴鍋中,按實驗設計的時間和溫度進行韌化處理,震蕩速度 100 r/min。待韌化處理完畢后于 3000 r/min下離心10 min,棄去上清液,將沉淀淀粉用蒸餾水清洗2次,置于鼓風干燥箱內40 ℃烘干,過篩,收集樣品。

1.2.2淀粉顆粒形貌觀察將韌化處理后的淀粉樣品進行干燥處理,在紅外燈下用雙面膠將樣品固定在樣品臺上,然后噴金(厚約10 nm),測試時將樣品置于掃描電子顯微鏡中,加速電壓為20 kv,3000倍下觀察淀粉的顆粒形態。

1.2.3淀粉顆粒粒度分布測定稱取一定量的淀粉置于激光粒度分析儀的樣品池中,以蒸餾水為分散劑,開啟超聲波振蕩,使淀粉顆粒分散均勻。當遮光率達到15%～18%時,測定粒度范圍及分布,實驗平行測定三次,取平均值。淀粉顆粒折射率為1.53,分散劑折射率為1.33。

1.2.4淀粉紅外掃描圖譜分析紅外掃描圖譜采用KBr壓片法,具體過程為:稱取約0.008 g的樣品,在紅外燈的照射下,置于瑪瑙研缽中研磨直至研磨均勻為止,再與 0.8 g左右干燥的 KBr粉末充分混合,繼續研磨均勻。將研磨好的淀粉樣品和KBr的混合物粉末倒在硫酸紙上灌注于壓模中,抽真空,緩慢除去壓力,放入到樣品架上,置于紅外譜儀內全波段掃描,繪出紅外光譜圖。

由于淀粉是一種多晶高聚物,在紅外光譜圖上具有特定的結晶敏感吸收帶,其強度與結晶度有關,結晶度增加,結晶區強度增大,結晶度下降,無定形區強度增大。因此利用晶帶可以測定結晶聚合物的結晶度。淀粉紅外結晶指數[14]計算公式為:

式中:N-O′KI表示紅外結晶指數;T1158表示1158 cm-1處C-O-C伸縮振動吸收峰的透光率;T2931表示2931 cm-1處C-CH2-C伸縮振動吸收峰的透光率。

1.2.5數據處理及分析實驗數據采用PASW Statistics18統計分析軟件進行統計處理,采用Originpro8.1對數據作圖。

2　結果與討論

2.1韌化處理對甘薯淀粉顆粒形貌的影響

以含水量為65%(wt%,下同)、時間為24 h、溫度為45 ℃為固定參數,經過韌化處理后考察對甘薯淀粉顆粒形貌的影響,如圖1所示。

圖1　韌化處理對甘薯淀粉顆粒形貌的影響Fig.1　Effect of annealing treatment on sweet potato starch granule surface

甘薯原淀粉顆粒形態呈圓形、橢圓形或多角形,此外還有多邊形等。淀粉顆粒表面光滑,顆粒表面孔徑小,無裂紋,顆粒大小不一并且差別較大,大粒呈卵形且有的帶有凹陷或皺紋,小粒圓形。韌化處理后的甘薯淀粉顆粒邊緣有明顯的破損現象,淀粉顆粒表面的凹坑增多,說明韌化處理時某些內源性淀粉酶利用了附著在甘薯淀粉顆粒表面的直鏈淀粉分子,導致甘薯淀粉的顆粒表面結構發生了改變。關于韌化處理對淀粉顆粒形貌的影響不同研究者得出的結論尚有爭議,Jayakody 等[4]用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察韌化處理小麥、燕麥、扁豆、大麥和馬鈴薯淀粉后,淀粉顆粒的大小和形狀與原淀粉形態基本一致,而Thais等[14]對普通玉米和蠟質玉米的研究,韌化處理后的玉米淀粉顆粒表面孔隙的數量和孔徑增加,普通玉米淀粉顆粒形貌變化比較明顯。

表1　不同韌化處理溫度對甘薯淀粉粒度分布特征的影響

注:同列數據,字母相同表示兩者差異不顯著(p>0.05),不同表示差異顯著(p<0.05)，表3～表6同。

表2　不同韌化處理時間對甘薯淀粉粒度分布特征的影響

2.2韌化處理對甘薯淀粉顆粒粒度分布的影響

2.2.1不同韌化處理溫度對甘薯淀粉顆粒粒度分布的影響以水分含量為65%,處理時間為24 h為固定參數,設計處理溫度分別35、40、45、50、55 ℃五個水平,研究不同的韌化處理溫度對淀粉顆粒分布的影響,如表1所示。

由表1可以看出,甘薯淀粉中位徑D50的測定值平均為14.79 μm,粒徑小于10 μm的小顆粒淀粉占總顆粒的23.82%。甘薯淀粉經不同韌化溫度處理后與原淀粉比較,淀粉的顆粒粒徑范圍沒有變化,中位徑和小顆粒淀粉體積分數隨著韌化處理溫度的升高而明顯增加,到處理溫度為50 ℃時,中位徑增加了0.1 μm,小顆粒淀粉體積分數提高了3.36%。韌化處理過程中隨著韌化溫度的升高,淀粉顆粒發生輕微的可逆潤張,雖然干燥后恢復原狀,但淀粉顆粒中與無定形部分的極性基團相結合的水分很難被去除掉,造成甘薯淀粉顆粒中位徑增加,同時韌化處理過程中淀粉內部結構得以重組,造成淀粉顆粒發生變化,小顆粒淀粉體積分數增加。

2.2.2不同韌化處理時間對甘薯淀粉顆粒粒度分布的影響以水分含量為65%,處理溫度45 ℃為固定參數,設計處理時間分別12、24、36、48、60 h 五個水平,研究不同的韌化處理時間對淀粉顆粒分布的影響,如表2所示。

由表2可知,隨著韌化處理時間的延長,甘薯淀粉的粒徑范圍都在0.402～40.15 μm之間,中位徑雖然也隨著韌化時間的延長而增加,但增加幅度不顯著,從韌化時間12 h到60 h,中位徑只增加了0.02 μm。小顆粒淀粉體積分數略有增加。

2.2.3不同含水量韌化處理后對甘薯淀粉顆粒粒度分布的影響以韌化處理溫度為45 ℃,處理時間為24 h為固定參數,水分含量設計分別為45%、55%、65%、75%、85%五個水平,研究不同的水分含量對淀粉顆粒分布的影響,如表3所示。

由表3可以看出,通過不同含水量的韌化處理后,含水量從45%到75%時甘薯淀粉的中位徑基本沒有什么變化,說明水分含量對甘薯淀粉韌化處理后的平均粒徑基本沒有影響。含水量達到85%時,由于淀粉分子鏈流動性增強,造成淀粉顆粒表面塌陷和邊緣破損現象嚴重,因此出現平均粒徑減小的現象。

表3　不同含水量韌化處理對甘薯淀粉粒度分布特征的影響

2.3韌化處理對甘薯淀粉紅外吸收光譜的影響

2.3.1不同韌化溫度處理對甘薯淀粉紅外光譜的影響以韌化處理的水分含量為65%,處理時間為24 h為固定參數,設計處理溫度分別為35、40、45、50、55 ℃五個水平,研究不同的處理溫度對淀粉紅外光譜的影響,如圖2,表4所示。

圖2　不同韌化處理溫度對甘薯淀粉紅外吸收圖譜的影響Fig.2　Effect of annealing treatment temperature on the FTIR spectrum of sweet potato starch注:a-原淀粉;b-35 ℃;c-40 ℃;d-45 ℃;e-50 ℃;f-55 ℃。

樣品Tλ1158(%)Tλ2931(%)N-O'KI原淀粉37.7750.831.44±0.02a35℃3.3511.601.58±0.01b40℃2.4010.601.66±0.01c45℃5.2017.601.70±0.02d50℃8.7224.811.75±0.02e55℃17.1934.591.66±0.01c

甘薯淀粉的紅外吸收光譜可以劃分成4個主要的區域:800 cm-1以下(葡萄糖吡喃糖環骨架模式振動區域),800～1500 cm-1(指紋區),2800～3000 cm-1(C-H伸縮區域),和3000～3600 cm-1(O-H伸縮區域)。因此3405 cm-1附近為淀粉分子中多羥基的O-H鍵的伸縮振動峰,2930 cm-1附近的峰為亞甲基-CH2的伸縮振動峰,1097 cm-1附近為C-O的伸縮振動峰。由圖2可知,與甘薯原淀粉相比,不同溫度韌化處理后的紅外光譜基本沒有發生變化,沒有新的吸收峰產生。說明甘薯淀粉經不同溫度韌化處理后并未破壞原淀粉的基本結構。由表4可以看出,隨著韌化處理溫度的升高,淀粉紅外結晶指數也隨之增加,到50 ℃時紅外結晶指數由1.44增加到了1.75。經過不同溫度韌化處理后甘薯淀粉顆粒內部支鏈淀粉的無序末端更緊密的糾纏到一起,加強了淀粉顆粒內部無定形區和結晶區淀粉分子鏈之間的相互作用,使無定形區的有序性增加,結晶指數因此升高,且隨著韌化溫度越高,淀粉顆粒中支鏈淀粉的無序末端排列緊密性越高。韌化處理溫度達到55 ℃時,可能由于部分易糊化淀粉顆粒在韌化處理過程中溶脹,因此淀粉結晶性反而下降。

2.3.2不同韌化時間處理對甘薯淀粉紅外光譜的影響以水分含量為65%,處理溫度為45 ℃,設計處理時間分別為12、24、36、48、60 h 五個水平,研究不同的處理時間對淀粉紅外圖譜的影響,如圖3,表5所示。

圖3　不同韌化處理時間對甘薯淀粉紅外吸收圖譜的影響Fig.3　Effect of annealing treatment time on the FTIR spectrum of sweet potato starch注:a-原淀粉;b-12 h;c-24 h;d-36 h;e-48 h;f-60 h。

樣品Tλ1158(%)Tλ2931(%)N-O'KI原淀粉37.7750.831.44±0.02a12h37.7750.831.59±0.02b24h1.888.251.69±0.01c36h5.1017.261.76±0.01d48h6.5521.311.80±0.02e60h18.1938.711.82±0.02e

隨著韌化處理時間的延長,淀粉紅外結晶指數隨之增加,韌化處理60 h時,紅外結晶指數相比原淀粉增加了26.39%。通過韌化處理淀粉內部結構得以重組,隨著韌化時間的延長,淀粉顆粒的晶體結構的有序化程度逐漸增加,結晶性顯著增加。

2.3.3不同含水量韌化處理后對甘薯淀粉紅外光譜的影響以韌化處理溫度為45 ℃,處理時間為24 h,設計水分含量分別為45%、55%、65%、75%、85%五個水平,研究不同的水分含量對淀粉紅外光譜的影響,如圖4,表6所示。

圖4　不同含水量韌化處理對甘薯淀粉紅外吸收圖譜的影響Fig.4　Effect of sample moisture content on the FTIR spectrum of sweet potato starch注:a-原淀粉;b-45%;c-55%;d-65%;e-75%;f-85%。

樣品Tλ1158(%)Tλ2931(%)N-O'KI原淀粉37.7750.831.44±0.02a45%24.0040.491.57±0.01b55%4.7615.471.63±0.01c65%2.8012.401.71±0.02d75%8.1624.161.76±0.01e85%12.8531.861.79±0.02f

甘薯淀粉經不同含水量韌化處理后沒有出現新的吸收峰或某個特征峰的消失,表明韌化處理淀粉前后沒有產生新的基團。由表6可以看出,經過不同含水量韌化處理淀粉的結晶指數都高于原淀粉,且隨著含水量的增加而增加。淀粉顆粒內部無定形區和結晶區淀粉分子鏈羥基之間通過氫鍵締合,具有較強的親水性,隨著水分含量的增加,淀粉分子鏈之間的可移動性增強,導致淀粉顆粒中更多微晶結構的形成,紅外結晶指數增加,其中水分含量在85%時結晶指數由原來的1.44升高為1.79。

3　結論

韌化處理后的甘薯淀粉顆粒邊緣有明顯的破損現象,表面凹坑增多,甘薯淀粉的顆粒表面結構發生了改變。

甘薯淀粉經韌化處理,淀粉顆粒中位徑和小顆粒淀粉體積分數增加,顆粒粒徑范圍沒有變化。甘薯淀粉顆粒中位徑隨著韌化處理溫度的升高而顯著增加,隨著韌化時間和含水量增加,淀粉顆粒中位徑沒有顯著變化。

甘薯淀粉經韌化處理,隨著韌化溫度、時間以及含水量的增加,淀粉紅外結晶指數顯著增加,說明韌化處理加強了淀粉顆粒內部的結晶性,紅外吸收光譜沒有發生明顯變化。

甘薯淀粉經韌化處理后,與甘薯原淀粉相比其顆粒粒徑和結晶度更加完善,有利于慢消化淀粉形成,提高食品營養品質,為改善甘薯淀粉功能特性、拓展甘薯淀粉的應用前景提供基礎。

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Effect of annealing treatment on molecular structure of sweet potato starch

LI Guang-lei,CHEN Meng-xue,ZENG Jie,LI Gang,SUN Jun-liang

(Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China)

Effects of annealing with different annealed time,annealed temperature and moisture content on the starch molecular structure of sweet potato starch were investigated by modern instrument analytical methods including particle morphology observation,starch size distribution analysis,and infrared spectrum scanning. The results showed that the granular shape of sweet potato starch was slightly deformed and there were obviously breakage on the surface of the starch granules after the annealing treatment. The inversed particle size(D50),the volume fraction of small starch particles and the infrared crystalline indices of sweet potato starch were increased by annealing with the increasing of temprature. The infrared crystalline indices was increased from 1.44 to 1.75,and D50 was increased by 0.1 μm when the annealed temperature was 50 ℃. By annealing with different times,the infrared crystalline indices was increased by 26.39% compared with the native sweet potato starch and D50 had a slightly increasing. Annealing with different moisture content had no effect on the inversed starch particle size,and the infrared crystalline indices was increased from 1.44 to 1.79 when the moisture content was 85%. Annealing leads to elevation of the average particle size and crystallinity of sweet potato starch. It is important for making tailor-made carbohydrate foods with rich slowly digestible starch(SDS),and improving the nutritional property of food.

sweet potato starch;annealing;starch molecular structure

2016-03-18

李光磊(1970-)，男，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：淀粉科學與技術，E-mail:lg170_hist@163.com。

河南省高校科技創新團隊支持計劃(13IRTSTHN006)；河南科技學院自然科學重大培育項目(2013ZD04)。

TS236.9

A

1002-0306(2016)17-0106-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.012