支鏈聚合度對菠蘿蜜種子淀粉熱力學特性的影響及老化動力學分析

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(1.黑龍江八一農墾大學食品學院,黑龍江大慶 163319; 2.中國熱帶農業科學院香料飲料研究所,海南萬寧 571533)

菠蘿蜜(ArtocarpusheterophyllusLam.)為桑科(Moraceae),典型的熱帶果樹之一。起源于印度,千年之前引入中國,種植品種主要為馬來西亞1～6號和11號等[1]。菠蘿蜜由外皮、黃色果肉、鱗莖和種子組成,種子占果實總重的8%～15%,并富含大量淀粉,占干物質的60%～80%[2]。菠蘿蜜種子淀粉(jackfruit seed starch,JFSS)可作為填充劑和膠凝劑等,改性JFSS也常應用在食品和非食品工業[3]。

淀粉在過量水存在下加熱,會發生有序到無序相變稱為淀粉凝膠化[4]。凝膠化淀粉低溫儲存時,從無序再轉變為有序狀態,形成重結晶稱為淀粉老化[5]。淀粉老化分短期和長期兩階段,短期老化主要是直鏈淀粉結晶,在幾小時內完成;長期老化主要是支鏈淀粉重結晶,支鏈淀粉呈分支結構,分子結合受限,需較長時間完成。支鏈淀粉重結晶通常采用Avrami方程表述,其可以表述晶核形成和晶體成長初級過程[6]。大部分淀粉重結晶都與支鏈淀粉重組有關,所以支鏈淀粉是影響淀粉老化的重要因素[6]。

前人大量研究表明,分子結構和精細結構是影響淀粉老化的重要因素。Singh等[7]發現,粒徑分布及支鏈淀粉鏈長分布是影響淀粉凝膠化和老化特性的內在因素。Kohyama等[8]發現,支鏈淀粉鏈長分布是影響淀粉凝膠化和老化特性的最主要因素。目前,對分子結構和精細結構影響淀粉老化性質的研究較多,但不同支鏈聚合度對老化性質的影響未見報道。本研究將JFSS分離成直鏈和支鏈淀粉后,按體積比1∶1重新組合成新的淀粉體系,確定支鏈聚合度差異,闡明支鏈聚合度對凝膠化和老化淀粉特性的影響,為JFSS的加工利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菠蘿蜜種子 由中國熱帶農業科學院香料飲料研究所提供,包括海南興隆本地品種(BD)和馬來西亞1號(M1)、馬來西亞5號(M5)、馬來西亞6號(M6)、馬來西亞11號(M11);二甲基亞砜(色譜純) 德國Meker公司;葡聚糖標準品T40 美國Sigma公司;其它試劑 均為國產分析純。

HPSEC-MALLS-RI高效液相色譜系統(配有多角度激光光散射檢測器、示差折光檢測器及Astra數據處理系統) 美國Waters公司;DSC-Q2000差式掃描量熱儀 美國TA公司;LXJ-IIB離心機 上海安亭科學儀器廠;Scientz-18ND冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司;HH-SJ2CD數顯恒溫磁力攪拌油浴鍋 常州市金壇友誼儀器研究所;DHG-9625A電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;SY-100C脫殼機 臺州市鯊魚食品機械有限公司;HX-PB908多功能磨漿機 佛山市海迅電器有限公司;80膠體磨 上海科勞機械廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 菠蘿蜜種子淀粉的制備 菠蘿蜜種子放入50 ℃電熱鼓風干燥箱內烘至外皮略干、內皮濕潤時取出,用脫殼機快速去皮。將去皮后的菠蘿蜜種子與少量蒸餾水混合,置于多功能磨漿機中進行粗粉碎得粗漿,與蒸餾水按質量比1∶3混合后,在膠體磨中細粉碎5 min,過200目篩,以蒸餾水洗滌除去可溶性糖,在4000 r/min條件下離心10 min,沉淀物與0.5 mol/L硫代硫酸鈉溶液按質量比1∶1混合36 h,間隔攪拌,混合物在4000 r/min條件下離心10 min,棄去上清液,刮去沉淀物上層褐色皮,并多次水洗后,用1.0 mol/L鹽酸中和至pH7.0,再在4000 r/min條件下離心10 min,沉淀物用質量分數50%無水乙醇進一步洗滌3次,最后將沉淀物在50 ℃真空冷凍干燥,直至最終水分含量小于13%[1]。

1.2.2 直鏈淀粉和支鏈淀粉的分離 JFSS加蒸餾水配制成質量分數3%,于100 ℃水浴搖床糊化1 h后,在5000×g條件下離心10 min,倒出上清液,沉淀物保存,備用。在上清液中加入1/2體積的無水乙醇,攪拌,靜置12 h后,再次在5000×g條件下離心10 min,沉淀為濕直鏈淀粉。將上述保存備用的沉淀物,加蒸餾水配制成質量分數3%,于100 ℃水浴搖床糊化1 h后,在5000×g條件下離心10 min,所得到的沉淀加入甲醇配制成質量分數80%,充分攪拌后渦旋混合2 min,再次離心(5000 r/min離心10 min),沉淀即為濕支鏈淀粉。所得到的濕直鏈淀粉和濕支鏈淀粉沉淀在50 ℃真空冷凍干燥即得到樣品[9]。

1.2.3 支鏈聚合度的測定

1.2.3.1 樣品處理 支鏈淀粉樣品加入預熱至90 ℃的硝酸鈉-二甲基亞砜溶液(即流動相液體),配制成質量分數為2%的溶液,置于90 ℃恒溫磁力攪拌器中,攪拌10 h后,置于50 ℃水浴鍋中保溫。用臺式離心機以12000×g離心10 min。取上層清液,過0.45 μm聚四氟乙烯濾膜[10]。

1.2.3.2 色譜條件 流動相:50 mmol/L硝酸鈉-二甲基亞砜溶液,流動相使用超聲波脫氣20 min;流速:0.6 mL/min;色譜柱:Styragel HMW 6E DMF和HMW 2 MF串聯并用;柱溫:45 ℃;RI檢測器:40 ℃;進樣量:100 μL。葡聚糖標準品(T40,2 mg/mL)用于MALLS中使用的多角度光電二極管檢測器的歸一化[10]。

1.2.3.3 分析方法 使用數據分析軟件Astra對光散射數據和示差折光檢測器信號進行采集和分析。曲線擬合采用二階Berry模型,計算重均分子量(Mw)和數均分子量(Mn)。重均聚合度(DPw)和數均聚合度(DPn)是通過Mw/162和Mn/162獲得,162為無水葡萄糖分子量(g/mol)。淀粉分散度(D)按下式計算[11]。

重組的5種淀粉加入蒸餾水,使得水分含量分別達到60%,密封,于180 ℃油浴磁力攪拌器中充分糊化,放置冰箱中在4 ℃下分別保存0、1、3、5、7 d[13]。

1.2.5 熱力學參數的測定 采用差示掃描量熱儀(DSC)測定重組JFSS的熱力學參數。將2 mg淀粉與4 μL蒸餾水按質量比1∶2混合,置于鋁坩堝中密封,室溫平衡24 h。以10 ℃/min的加熱速率從10 ℃升溫至100 ℃,同時采用空盤作為參比。測定凝膠化起始溫度(To),峰值溫度(Tp)和終止溫度(Tc),通過對峰面積積分，計算出樣品的凝膠化焓(ΔHg)。每種樣品均測定三次進行分析[13]。

充分凝膠化的淀粉4 ℃下分別保存0、1、3、5、7 d后50 ℃真空冷凍干燥,直至水分含量小于9%再進行測定,測定方法與上述一致,測定其老化所形成結晶體發生熔融作用的To、Tp、Tc及老化焓(ΔHr)。每種樣品均測定三次進行分析[13]。采用下式計算淀粉老化度(RD)[13]。

式中,ΔHr為老化焓,(J/g);ΔHg為凝膠化焓,(J/g);RD為老化度。

1.2.6 老化動力學方程 采用Avrami方程測定重組菠蘿蜜種子淀粉的老化速率和結晶指數[13]。

1-θ=exp(-ktn)

θ=X(t)

ln{-ln[1-X(t)]}=lnk+nlnt

式中,t為結晶時間,(d);θ為t時刻的結晶度,(%);X(t)、x(t)分別為在時間t時測定的相對改變值和測量值;x0為初始老化度(0 d);x∞為最大老化度(7 d);k為結晶速率常數;n為樣品老化過程中成核及晶核生長方式的指數,又稱為Avrami指數,其數值等于生長的空間維數和成核過程的時間維數之和。

計算出各t時刻的ln[-ln(1-X(t))]后,對lnt進行線性回歸,由曲線斜率確定Avrami指數n,曲線截距確定速率常數k。

1.3 統計分析

采用SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析,實驗數據表示為平均值±標準差。統計學上,p<0.05為顯著性差異,p<0.01為極顯著性差異;采用Origin 8.5軟件進行繪圖處理。

2 結果與分析

2.1 菠蘿蜜種子淀粉的支鏈聚合度

5種JFSS的DPw、DPn和D的數據如表1所示。DPw、DPn和D的范圍分別是189506～431481、120370～344444和1.144～1.574,在DPw、DPn中存在顯著差異(p<0.05)。其中BD的DPw和DPn在5種樣品中最高,M1的DPw和DPn在5種樣品中最低。已有研究報道,小麥支鏈淀粉的DPw為4101～6463[14]、玉米支鏈淀粉的DPw為532700[15]、蠟質玉米淀粉的DPw為442154～469800[15-17]、蠟質大米淀粉的DPw為442154～994000[16,18];蠟質玉米淀粉的DPn為19106[17]、蠟質大米的DPn為47483[17]。與已有的研究結果對比,本研究中JFSS的支鏈淀粉DPw低于小麥支鏈淀粉的DPw,高于玉米、蠟質玉米和蠟質大米的支鏈淀粉DPw;JFSS的支鏈淀粉DPn高于蠟質玉米和蠟質大米的DPn,導致這種差異可能是由于植物來源、種植環境和淀粉的組成等不同造成的[1]。淀粉D表示分子大小差別的范圍,M1具有最高的淀粉D,M5具有最低的淀粉D,表明M1的分子大小差別最大,M5的分子大小差別最小。

表1 菠蘿蜜種子淀粉的支鏈聚合度Table 1 Polymerization degree of amylopectin in jackfruit seed starches

2.2 支鏈聚合度對菠蘿蜜種子淀粉凝膠特性的影響

表2 不同支鏈聚合度菠蘿蜜種子淀粉凝膠化溫度及熱焓值Table 2 Gelatinization temperatures and enthalpy of jackfruit seed starches with different polymerization degree of amylopectin

圖1 不同支鏈聚合度的菠蘿蜜種子淀粉凝膠化DSC曲線Fig.1 DSC curves of gelatinization of jackfruit seed starches with different polymerization degree of amylopectin

2.3 支鏈聚合度對菠蘿蜜種子淀粉老化特性的影響

表3 不同支鏈聚合度的菠蘿蜜種子淀粉DSC參數及老化度Table 3 DSC parameters and retrogradation degree of jackfruit seed starches with different polymerization degree of amylopectin

圖2 不同支鏈聚合度菠蘿蜜種子淀粉老化DSC曲線Fig.2 DSC curves of retrogradation of jackfruit seed starcheswith different polymerization degree of amylopectin

圖3 在4 ℃儲存條件下儲存時間與老化度的關系Fig.3 Relationship between storage time and retrogradation degree at 4 ℃

2.4 老化動力學分析

表4 不同支鏈聚合度菠蘿蜜種子淀粉老化動力學參數Table 4 Avrami retrogradation kinetic parameters of jackfruit seed starches with different polymerization degree of amylopectin

圖4 不同支鏈聚合度下ln{-ln[1-X(t)]}與lnt的對應關系Fig.4 Corresponding relation between ln {-ln[1-X(t)]} and lnt at different polymerization degree of amylopectin

2.5 相關性分析

表5為重組JFSS的支鏈淀粉聚合度與Avrami參數間的Pearson雙變量相關分析結果。n值和k值呈顯著負相關(r=-0.888),說明老化速率受到晶體成核方式的顯著影響。DPw(r=0.941)和DPn(r=0.899)與n值呈顯著正相關(p<0.05),表明支鏈淀粉聚合度越高,晶體成核方式越趨近于自發成核;DPw(r=-0.973)與ΔHg呈極顯著負相關(p<0.01),DPn(r=-0.920)與ΔHg呈顯著負相關(p<0.05),DPw(0 d:r=-0.922;1 d:r=-0.923;3 d:r=-0.913;5 d:r=-0.913;7 d:r=-0.928)與儲存0～7 d的ΔHr呈顯著負相關(p<0.05),說明支鏈淀粉聚合度越低,體系中結晶部分越多,不定型區越少,容易老化[13]。

表5 支鏈聚合度與Avrami參數間的Pearson雙變量相關分析Table 5 Pearson bivariate correlation analysis between polymerization degree of amylopectin and Avrami parameters

3 結論

本文通過研究支鏈聚合度對JFSS熱力學特性的影響,并借助Avrami方程,考察支鏈聚合度對JFSS老化性質的影響。支鏈聚合度降低,JFSS老化速率增加,老化后形成的結晶更有序、更致密,且老化程度更高。支鏈聚合度與Avrami指數呈顯著正相關(p<0.05),DPw與ΔHg呈極顯著負相關(p<0.01),DPn與ΔHg呈顯著負相關(p<0.05),DPw與儲存0～7 d的ΔHr均呈現顯著負相關(p<0.05)。所有結果表明,支鏈聚合度是影響淀粉貯藏過程中老化特性的重要結構因素,可為從淀粉精細結構研究淀粉老化特性提供理論參考。