支鏈聚合度對菠蘿蜜種子淀粉理化特性的影響

張雨桐張彥軍朱科學徐 飛李士澤吳 剛譚樂和

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

菠蘿蜜(ArtocarpusheterophyllusLam.)為?？?Moraceae)，起源于印度，目前在中國海南、廣東和廣西等地均有種植，主栽品種主要是馬來西亞1～6號和11號等。菠蘿蜜由外皮、黃色果肉、鱗莖和種子組成，種子富含大量淀粉，占干物質的60%～80%[1]。前期研究發現菠蘿蜜種子淀粉(jackfruit seed starch，JFSS)具有特殊的功能特性，例如低黏性、小粒徑、高溶解度、強吸水和吸油能力等；并且具有獨特的結構，包括高比例的A鏈(DP 6～12)、低比例的B2鏈(DP 13～24)和B3鏈(DP≥37)以及較短的平均鏈長[2-3]。也有研究[4]報道JFSS是一種包埋微膠囊的新型壁材。因此，JFSS可作為研究淀粉精細結構的優質材料之一。

淀粉作為一種天然高分子物質，廣泛應用于食品加工領域，其理化特性直接關系到淀粉質食品的食用品質及貯藏穩定性等，因此受到食品科研人員的廣泛關注[5]。近年來研究[6-7]發現，淀粉理化特性受淀粉組成(直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例、脂質復合物的量)、分子結構(直鏈淀粉和支鏈淀粉分子量、支鏈淀粉鏈長分布)和結晶結構(結晶類型、結晶區和無定形區的比)等影響。然而，支鏈聚合度對淀粉理化特性影響的研究未見報道。

本課題組[1]前期研究JFSS性質時發現，分離的支鏈淀粉具有不同聚合度，且不同品種JFSS的理化特性存在顯著差異。本研究擬以不同聚合度的支鏈淀粉和不同品種JFSS直鏈淀粉混合成的菠蘿蜜淀粉為研究對象，采用差式掃描量熱儀(Differential scanning calorimetry，DSC)、快速黏度分析儀(Rapid visco analyser，RVA)、X-射線衍射儀(X-ray diffraction，XRD)和衰減全反射傅里葉變化紅外光譜(Attenuated total reflectance-Fourier transformed infrared，ATR-FTIR)比較支鏈聚合度對JFSS理化特性影響的差異性，為解析JFSS分子結構提供理論借鑒；探究不同支鏈聚合度與JFSS理化特性間的相關性，并基于不同支鏈聚合度，分析凍融穩定性、熱特性、糊化特性、結晶結構和短程分子有序度間的相關性，為解析支鏈聚合度對JFSS理化特性的影響機理提供參考，為進一步探究淀粉結構提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

菠蘿蜜種子：海南興隆本地品種(BD)和異國引進品種馬來西亞1號(M1)、馬來西亞5號(M5)、馬來西亞6號(M6)、馬來西亞11號(M11)，中國熱帶農業科學院香料飲料研究所；

硫代硫酸鈉、鹽酸、無水乙醇、甲醇：分析純，西隴科學股份有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

差式掃描量熱儀：Q2000型，美國TA公司；

快速黏度分析儀：TechMaster型，澳大利亞Perten公司；

多功能X-射線衍射儀：D1-system型，英國Bede公司；

衰減全反射傅里葉變換近紅外光譜：Nicolet 6700型，美國Thermo公司；

離心機：LXJ-IIB型，上海安亭科學儀器廠；

冷凍干燥機：Scientz-18ND型，寧波新芝生物科技股份有限公司；

水浴恒溫振蕩器：SHZ-C型，上海博迅實業有限公司醫療設備廠；

電熱恒溫鼓風干燥箱：Blue pard型，上海一恒科學儀器有限公司；

脫殼機：SY-100C型，臺州市鯊魚食品機械有限公司；

多功能磨漿機：HX-PB908型，佛山市海迅電器有限公司；

膠體磨：80型，上?？苿跈C械廠。

1.2 方法

1.2.1 菠蘿蜜種子淀粉的提取 根據文獻[8]修改如下：使用脫殼機將種子去殼，用磨漿機粗粉碎，再于膠體磨細粉碎。過200目篩后，水洗去除可溶性糖。5 000 g/min離心10 min，沉淀與0.5 mol/L硫代硫酸鈉按質量比1∶1混合攪拌36 h。再次離心(5 000 g/min，10 min)，刮去沉淀物上層褐色皮，多次水洗后用1.0 mol/L鹽酸中和至pH 7.0。離心(5 000 g/min，10 min)，沉淀用質量分數50%無水乙醇進一步洗滌。沉淀物冷凍干燥至水分含量低于13%，得到JFSS。

1.2.2 直鏈淀粉和支鏈淀粉的分離 根據文獻[2]修改如下：JFSS加蒸餾水配制成質量分數3%，100 ℃水浴搖床加熱1 h，5 000 g/min離心10 min，沉淀物保存備用，上清液加入1/2體積無水乙醇，靜置12 h后，再次離心(5 000 g/min，10 min)，沉淀為濕直鏈淀粉。上述保存的沉淀物加蒸餾水配制成質量分數3%，100 ℃水浴搖床加熱1 h，離心(5 000 g/min，10 min)，所得沉淀加入甲醇配制成質量分數80%，渦旋5 min，離心(5 000 g/min，10 min)，沉淀即為濕支鏈淀粉。濕直鏈淀粉和支鏈淀粉冷凍干燥至水分含量<13%，即得到直鏈淀粉和支鏈淀粉。

1.2.3 支鏈聚合度的測定 根據文獻[2]修改如下：使用高效尺寸排阻色譜—多角度激光光散射—示差折光聯用技術測定支鏈淀粉的重均分子量(weight-average molar mass，Mw)和數均分子量(number-average molar mass，Mn)。重均聚合度(weight-average degree of polymerization，DPw)、數均聚合度(number-average degree of polymerization，DPn)和分散度(dispersity，D)按式(1)、(2)計算。

(1)

(2)

式中：

DPw——重均聚合度，g/mol；

DPn——數均聚合度，g/mol；

Mw——重均分子量，g/mol；

Mn——數均分子量，g/mol；

162——無水葡萄糖分子量[9]，g/mol；

D——分散度，g/mol。

1.2.4 重組菠蘿蜜種子淀粉的制備 M1直鏈淀粉和不同聚合度支鏈淀粉(M1、M5、M6、M11和BD)按質量比1∶1混合。5種重組JFSS樣品分別命名為M1′、M5′、M6′、M11′和BD′。

1.2.5 凍融穩定性測定 根據文獻[10]修改如下：樣品加蒸餾水配制成質量分數6%，100 ℃水浴搖床加熱30 min，將糊狀物裝入稱重后的離心管中密封。-18 ℃下冷凍24 h，30 ℃ 解凍6 h進行交替冷凍和解凍。5 000 g/min 離心10 min，沉淀物稱重，此凍融循環重復5次。將每個循環后分離水的重量作為脫水收縮的程度。

(3)

式中：

c——脫水收縮，%；

m1——凝膠分離出的液體重量，g；

m2——離心前凝膠總重量，g。

1.2.6 差式掃描量熱儀分析 根據文獻[1]修改如下：2 mg 樣品與4 μL蒸餾水按質量比1∶2混合，鋁坩堝密封，室溫平衡24 h。以10 ℃/min從10 ℃加熱至100 ℃。測定起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)和終止溫度(Tc)，通過對峰面積積分計算樣品凝膠化焓(ΔHg)。

1.2.7 快速黏度分析儀分析 根據文獻[7]修改如下：3 g 樣品加入鋁筒，再加25 mL蒸餾水。前10 s漿速960 r/min 分散樣品，整個試驗的剩余時間漿速保持在160 r/min。漿液50 ℃平衡1 min后，以6 ℃/min加熱至95 ℃，保持5 min，再以6 ℃/min冷卻至50 ℃，保持2 min。記錄峰值黏度(peak viscosity，PV)、谷值黏度(trough viscosity，TV)、崩解值、最終黏度(final viscosity，FV)、回生值、糊化溫度(pasting temperature，PT)和峰值時間。

1.2.8 X-射線衍射儀分析 根據文獻[7]修改如下：分析前，樣品50 ℃平衡至水分恒定9%。衍射條件為銅靶，電壓40 kV，電流200 mA，Cu-Kα輻射波長0.154 nm。起始角度4°，終止角度40°，發散狹峰1°，防發散狹峰1°，接受狹峰0.2 mm，掃描速度4°/min。相對結晶度按式(4)計算。

(4)

式中：

c——相對結晶度，%；

m1——結晶峰面積；

m2——總面積。

1.2.9 衰減全反射傅里葉變化紅外光譜分析 根據文獻[10]修改如下：分辨率4 cm-1，掃描次數64次，空氣為背景。800～1 200 cm-1區域自去卷積。半帶寬26 cm-1，增強因子2.4，計算1 047/1 022 cm-1吸光度高度比。

1.3 統計分析

采用SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析，統計學上P<0.05為顯著，P<0.01為極顯著；Origin 8.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 支鏈聚合度

5種支鏈淀粉的DPw、DPn和D結果見表1，其范圍分別為189 506～431 481，120 370～344 444和1.144～1.574，5種支鏈淀粉的DPw、DPn和D存在顯著差異(P<0.05)。M1支鏈淀粉的DPw和DPn最低，而BD支鏈淀粉的DPw和DPn最高。菠蘿蜜支鏈淀粉與前人[11]報道大宗作物淀粉的DPw結果相比，蠟質大米淀粉的DPw(442 154～928 000)較高，而小麥支鏈淀粉的DPw(4 101～6 463)較低[12]。同時，與DPn的研究結果相比，蠟質大米淀粉(47 483)[13]和大麥支鏈淀粉(5 726～8 000)[14]的DPn較低。產生上述差異的原因可能是不同的淀粉來源、種植環境和淀粉組成等[15]。D表示分子大小差異范圍，M1支鏈淀粉的D最高，M5支鏈淀粉樣品的D最低，這表明M1分子大小差異最大，M5分子大小差異最小。

表1 5種JFSS樣品的支鏈聚合度?

? 同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 凍融穩定性

脫水收縮是反復凍融時水與淀粉凝膠分離的一種現象，可以用于評估淀粉的凍融穩定性[16]。5種JFSS樣品的脫水收縮結果見表2，其脫水收縮范圍分別為62.47%～72.87%(M1′)，61.53%～71.51%(M5′)，58.71%～69.69%(M6′)，57.23%～68.61%(M11′)，56.36%～66.79%(BD′)。以M1′樣品為例，凍融循環從第1次到第5次，脫水收縮從62.47%增加到72.87%。根據Katekhong等[17]報道，淀粉凝膠的脫水收縮取決于凍融循環的次數，與本研究結果相同，表明脫水收縮隨著凍融循環次數的增加而增加。

表2 5次凍融循環的脫水收縮?

? 同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

5次凍融循環JFSS樣品的脫水收縮范圍分別為56.36%～62.47%(1次)，59.83%～65.36%(2次)，61.28%～68.54%(3次)，62.64%～70.46%(4次)，66.79%～72.87%(5次)。5種不同支鏈聚合度的JFSS樣品的脫水收縮存在顯著差異(P<0.05)。以1次循環為例，M1′的脫水收縮最高(62.47%)，BD′的脫水收縮最低(56.36%)，其他4次循環中也發現相同的趨勢。根據上述研究結果可知，隨著支鏈聚合度降低，脫水收縮逐漸升高。為了更好地解析支鏈聚合度對JFSS理化特性的影響，本研究通過DSC、RVA、XRD和FTIF進一步分析JFSS的理化特性。

2.3 熱特性

5種JFSS樣品的熱特性見表3和圖1，其To、Tp、Tc和ΔHg的范圍分別為48.19～52.39，60.39～64.54，75.32～78.47 ℃ 和13.84～15.59 J/g。5種不同支鏈聚合度的JFSS樣品的熱特性存在顯著差異(P<0.05)。Zhang等[3]報道，天然JFSS的To、Tp、Tc和ΔHg分別為70.49～84.91，76.01～87.83，88.31～96.58 ℃和8.66～16.78 J/g。與上述結果對比，本研究中5種JFSS樣品的To、Tp和Tc較低，但ΔHg與天然JFSS相似，可能是由于直鏈和支鏈淀粉的比例不同所導致的。已經報道大米[18]和小麥[19]淀粉的To、Tp、Tc和ΔHg分別為55.6～64.4 ℃、63.0～74.0 ℃、70.9～79.6 ℃、9.0～13.0 J/g和55.2～54.1 ℃、59.7～61.0 ℃、74.7～82.7 ℃、16.3～20.9 J/g，JFSS的To、Tp和Tc與大米和小麥淀粉相似，但ΔHg高于大米淀粉、低于小麥淀粉，上述差異可能是不同的種植環境、淀粉來源和淀粉組成所導致[20-21]。

5種JFSS樣品的To、Tp和Tc隨著支鏈聚合度增加而增加，ΔHg隨著支鏈聚合度增加而降低。M1′的To、Tp和Tc最低，但ΔHg最高，而BD′的To、Tp和Tc最高，但ΔHg最低。正如Zhang等[1]報道，較低轉變溫度的JFSS顯示較高ΔHg，歸因于JFSS形成更多支鏈微晶，但較為無序，形成的結晶并不完美和穩定。因此，M1′形成的晶體不完美，穩定性不均勻，而BD′顯示相反結果。Zhang等[10]表明，ΔHg增加是由于淀粉形成了更多的晶體，因此需要更多能量才能將其熔化。本研究ΔHg的結果表明，與BD′樣品相比，需要更多能量破壞M1′樣品分子間鍵實現凝膠化。凝膠化溫度范圍(R)可以反映凝膠化過程中雙螺旋數量和淀粉微晶不均勻性[1]。M1′樣品的R最高(27.13 ℃)，BD′樣品的R最低(26.08 ℃)。因此，M1′樣品的雙螺旋結構最多但淀粉微晶不均勻，而BD′樣品呈現相反結果。

2.4 糊化特性

如表4和圖2所示，5種JFSS樣品的峰值黏度(PV)、谷值黏度(TV)、崩解值、最終黏度(FV)、回生值和糊化溫度(PT)范圍分別為2 717～4 755，1 971～3 548，746～1 207，3 158～5 751，1 187～2 203 cP和77.55～81.60 ℃。5種不同支鏈聚合度的JFSS樣品的糊化特性存在顯著差異(P<0.05)。天然JFSS的PV、TV、崩解值、FV、回生值和PT分別為2 539～3 233，2 252～2 365，174～981，3 001～4 230，749～1 865 cP和80.15～91.29 ℃[1]。本研究5種JFSS樣品的PV、TV、崩解值、FV、回生值高于天然JFSS，但PT低于天然JFSS，這也是由于直鏈和支鏈淀粉的比例不同所導致。前人報道小麥[22]和蠟質大米[11]淀粉的PV、TV、崩解值、FV、回生值和PT分別為2 380.5 cP、1 567.3 cP、813.3 cP、3 354.5 cP、1 787.5 cP、70.2 ℃和1 535～2 079 cP、583～769 cP、922～1 351 cP、1 168～1 443 cP、585～787 cP、65.5～71.2 ℃。本研究結果高于小麥和蠟質大米淀粉，原因可能是不同的粒徑、膨脹力、直鏈和支鏈淀粉組成以及支鏈淀粉結構等[7, 23]。此外，BD′樣品的峰值時間(7.81 min)顯著低于其他4種樣品的。

表3 不同支鏈聚合度JFSS樣品的熱性質?

? 同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同支鏈聚合度JFSS樣品的DSC熱譜圖

Figure 1 DSC thermographs of five JFSS samples with different degree of amylopectin polymerization

M1′樣品的PV、TV、崩解值、FV和回生值最高，PT最低，BD′樣品的PV、TV、崩解值、FV和回生值最低，但PT最高。糊化溫度與DSC檢測的轉變溫度趨勢一致。PV低表明淀粉顆粒的硬度較低[11]，因此BD′樣品比其他樣品的硬度更低。TV與膨脹力顯著正相關[24]，說明BD′樣品的膨脹力低于其他樣品。崩解值越高，淀粉承受加熱和剪切力的能力越低[3]，FV高表明加熱冷卻淀粉糊的穩定性高。因此，BD′樣品在高溫和機械攪拌下顯示比其他樣品高的穩定性，但BD′樣品加熱冷卻淀粉糊的穩定性低于其他樣品?；厣蹬c淀粉老化顯著相關[11]，說明BD′樣品比其他樣品的老化傾向低。BD′樣品的糊化溫度高于其他樣品(表4)。根據上述研究結果發現，5種JFSS樣品的支鏈聚合度增加，PV、TV、崩解值、FV和回生值減小，PT增加，這意味著支鏈聚合度影響淀粉的糊化特性。RVA結果與DSC獲得的結果一致。

表4 不同支鏈聚合度JFSS樣品的糊化特性?

? 同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

圖2 不同支鏈聚合度JFSS樣品的糊化剖面圖

Figure 2 Pasting profiles of five JFSS samples with different degree of amylopectin polymerization (n=3)

2.5 結晶結構

5種JFSS樣品的結晶結構見表5和圖3。Chen等[25]研究表明，2θ角在約15°和23°處顯示強衍射峰，并在17°和18°附近顯示雙重峰，代表典型的A型結晶結構。因此，5種JFSS樣品均為A型結晶結構，相對結晶度為27.94%～33.22%。5種不同支鏈聚合度的JFSS的相對結晶度存在顯著差異(P<0.05)。天然JFSS的相對結晶度為24.48%～36.89%，呈現A型結晶結構[1]，本研究5種JFSS樣品的相對結晶度低于天然JFSS，但結晶結構相同。Zhang等[10]報道，大米淀粉相對結晶度為31.63%，呈現A型結晶結構，這與本研究5種JFSS樣品的相對結晶度相似，結晶結構相同。大量文獻[26-27]報道支鏈鏈長影響淀粉結晶結構，但本研究發現隨著支鏈淀粉聚合度降低，相對結晶度增加。M1′樣品相對結晶度最高，BD′樣品相對結晶度最低，這意味著支鏈聚合度也影響淀粉相對結晶度。XRD結果與DSC和RVA的結論一致。

2.6 短程分子序列結構

5種JFSS樣品的短程分子序列結構見表5和圖4所示。5種JFSS樣品的吸光度比值(1 047/1 022 cm-1)為1.45～1.56。5種不同支鏈聚合度的JFSS樣品的吸光度的比值存在顯著差異(P<0.05)。Zhang等[10]報道，大米淀粉吸光度比值(1 047/1 022 cm-1)為1.42，5種JFSS樣品的吸光度比值高于大米淀粉。根據Wilson等[28]報道，1 047/1 022 cm-1的吸光度比值可用來探測淀粉短程分子序列的有序度，因此JFSS有序淀粉量高于大米淀粉。M1′的吸光度比值最高，BD′的吸光度比值最低，吸光度比值隨支鏈聚合度降低而增加，與DSC、RVA和XRD的結果一致。

表5不同支鏈聚合度JFSS樣品的相對結晶度和吸光度比值?

Table5RelativecrystallinityandabsorbanceratiosoffiveJFSSsampleswithdifferentdegreeofamylopectinpolymerization(n=3)

樣品相對結晶度/%吸光度比(1 047/1 022 cm-1)M1′33.22±0.22a1.56±0.02aM5′31.78±0.17b1.53±0.03bM6′30.37±0.26bc1.51±0.02cM11′29.11±0.23c1.49±0.03dBD′27.94±0.18d1.45±0.02e

? 同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

圖3 不同支鏈聚合度的5種JFSS樣品的XRD圖譜

Figure 3 XRD patterns of the five JFSS samples with different degree of amylopectin polymerization

圖4 不同支鏈聚合度JFSS樣品的FTIR光譜圖

Figure 4 FTIR spectra of five JFSS samples with different degree of amylopectin polymerization

2.7 相關性分析

由表6可知，DPw和To、Tp顯著正相關(P<0.05)。DPw和脫水收縮、ΔHg、PV、崩解值、FV、相對結晶度、吸光度比值顯著負相關(P<0.05)。上述結果表明，支鏈聚合度與JFSS理化特性存在顯著相關性。

表6 不同支鏈聚合度的5種JFSS樣品和理化特性之間的Pearson相關系數?

? *. 在0.05水平上顯著相關；**. 在0.01水平上顯著相關。

由表6還可以得出，脫水收縮和To、PT顯著負相關(P<0.01)；To和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值、相對結晶度、吸光度比值顯著負相關(P<0.05)；PT和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值顯著負相關(P<0.05)；相對結晶度、吸光度比值和PT顯著負相關(P<0.01)；脫水收縮和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值、相對結晶度、吸光度比值顯著正相關(P<0.05)；To和PT顯著正相關(P<0.01)；ΔHg和PV、崩解值、FV顯著正相關(P<0.05)。PV和崩解值、FV顯著正相關(P<0.05)；崩解值和FV顯著正相關(P<0.05)；FV和回生值顯著正相關(P<0.05)；相對結晶度和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值顯著正相關(P<0.05)；吸光度比值和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值、相對結晶度顯著正相關(P<0.05)。基于不同支鏈聚合度，5種JFSS樣品凍融穩定性、熱特性、糊化特性、結晶結構和短程分子有序度之間顯示出顯著的相關性，同時證實了不同支鏈聚合度影響JFSS的理化特性。

3 結論

通過凍融穩定性、熱特性、糊化特性、相對結晶度和吸光度比值評估了5種不同支鏈聚合度的菠蘿蜜淀粉樣品的理化特性。得出結論：隨著支鏈聚合度降低，脫水收縮增加；低支鏈聚合度的JFSS樣品具有高ΔHg、PV、TV、崩解值、FV、回生值和低To、Tp、Tc、PT；支鏈聚合度逐漸降低，相對結晶度和短程分子有序度增加。Pearson相關分析表明，支鏈聚合度與JFSS樣品理化特性存在顯著相關性，理化特性之間存在顯著相關性。由于淀粉的使用關鍵主要在于其糊狀物的行為，因此支鏈聚合度影響淀粉糊化性質還需進一步研究，關于不同來源淀粉理化性質和結構之間的關系也有待進一步深入研究。