支鏈聚合度對菠蘿蜜種子淀粉凝膠化特性的影響

張雨桐,張彥軍,朱科學,徐 飛,李士澤,譚樂和,董文江

(1.中國熱帶農業(yè)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)

淀粉凝膠化在食品科學領域已得到廣泛研究,因為淀粉質食品適中的糊化度是獲得期望質量的必要條件。凝膠化影響淀粉質食品的功能特性,例如質構、黏度和貨架期等[1]。淀粉在過量水中加熱,半結晶顆粒經歷從有序到無序的結構改變,這一過程被稱為凝膠化[2]。大量文獻報道,淀粉凝膠化受到支鏈淀粉分子結構(分子量和鏈長分布)、淀粉組成和結晶結構等影響[3-4]。然而,支鏈聚合度對淀粉凝膠化特性的影響尚未見報道。

菠蘿蜜(ArtocarpusheterophyllusLam.)為桑科(Moraceae)熱帶地區(qū)典型的果樹之一[5]。種植品種主要為馬來西亞1～6號和11號等[6]。菠蘿蜜由外皮、黃色果肉、鱗莖和種子組成,其中種子富含大量淀粉,占干物質的60%～80%[7]。在菠蘿蜜加工過程中種子通常被作為副產物丟棄,這不僅造成環(huán)境污染,更導致淀粉資源浪費。隨著傳統(tǒng)淀粉供應壓力的不斷增加,菠蘿蜜種子淀粉(jackfruit seed starch,JFSS)作為非傳統(tǒng)來源的淀粉不斷顯示出巨大的潛力,其具有與其他來源淀粉相比不同的功能性質,主要包括高直鏈淀粉含量、高糊化溫度、高凝膠化焓[8]和分支鏈長分布中高比例的A鏈((聚合度,degree of polymerization)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[7],因此JFSS可作為研究支鏈聚合度對淀粉凝膠化特性影響的優(yōu)質材料。

本研究采用掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscopy,SEM)、差式掃描量熱儀(Differential scanning calorimetry,DSC)、快速黏度分析儀(Rapid viscoanalyser,RVA)和衰減全反射傅里葉變化紅外光譜(Attenuated total reflectance-Fouriertransformed infrared,ATR-FTIR)探究不同支鏈聚合度對JFSS凝膠化特性的影響。分析不同支鏈聚合度與JFSS凝膠化特性之間的相關性,并基于不同支鏈聚合度,研究凍融穩(wěn)定性、熱特性、糊化特性和短程分子有序度之間的相關性,以期為進一步探究淀粉結構提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菠蘿蜜種子 海南興隆本地品種(BD)；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(yè)科學院香料飲料研究所提供;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;硫代硫酸鈉、鹽酸、無水乙醇、甲醇 汕頭西隴科學股份有限公司。

HPSEC-MALLS-RI型高效液相色譜 美國Waters公司;S-4800型掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司;Q2000型差式掃描量熱儀 美國TA公司;TechMaster型快速黏度分析儀 澳大利亞Perten公司;Nicolet 6700型衰減全反射傅里葉變換近紅外光譜 美國Thermo公司;LXJ-IIB型離心機 上海安亭科學儀器廠;Scientz-18ND型冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司;SHZ-C型水浴恒溫振蕩器 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠;Blue pard型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;HH-SJ2CD型數顯恒溫磁力攪拌油浴鍋 常州市金壇友誼儀器研究所;SY-100C型脫殼機 臺州市鯊魚食品機械有限公司;HX-PB908型多功能磨漿機 佛山市海迅電器有限公司;80型膠體磨 上海科勞機械廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 菠蘿蜜種子淀粉的提取 種子置于50 ℃干燥箱,外殼略干、內種衣濕潤時用脫殼機去殼。種仁加少量蒸餾水于磨漿機中粗粉碎后,按質量比1∶3與蒸餾水混合,置于膠體磨中細粉碎。過200目篩,三次大量水洗去除可溶性糖,5000×g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,刮去沉淀物上層褐色皮,并多次水洗,用1.0 mol/L鹽酸中和至pH7.0,離心,沉淀用質量分數大量50%無水乙醇洗滌三次。沉淀物冷凍干燥至水分含量小于13%,得到JFSS[9]。

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%,100 ℃水浴搖床加熱1 h,5000×g離心10 min,沉淀物保存?zhèn)溆?上清液加入1/2體積無水乙醇,靜置12 h后,再次離心,沉淀為濕直鏈淀粉。

上述離心后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,5000×g離心10 min,所得沉淀加入甲醇配制成質量分數80%,渦旋5 min,離心,沉淀即為濕支鏈淀粉。所得濕直鏈淀粉和支鏈淀粉50 ℃冷凍干燥至水分含量小于13%,即得到直鏈淀粉和支鏈淀粉[7]。

1.2.3 支鏈聚合度的測定 使用高效尺寸排阻色譜-多角度激光光散射-示差折光聯(lián)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)[7]。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)按下式計算。其中162 g/mol為無水葡萄糖分子量[10]。

1.2.4 凝膠化菠蘿蜜種子淀粉的制備 將M1的直鏈淀粉和不同來源支鏈淀粉(M1、M5、M6、M11和BD)按質量比1∶1混合。5種樣品加蒸餾水配制成水分含量60%,180 ℃油浴磁力攪拌器中完全凝膠化(10 min),冷凍干燥至水分含量小于13%,即為凝膠化JFSS(gelatinized JFSS,GJFSS)。5種GJFSS分別稱為M1′、M5′、M6′、M11′和BD′。

1.2.5 掃描電子顯微鏡分析 取少量GJFSS樣品用導電雙面膠固定在圓形樣品臺上,并噴金粉(10 nm),然后使用20 kV的加速電壓測定樣品。樣品放大倍數為5000[8]。

1.2.6 凍融穩(wěn)定性測定 將GJFSS樣品加蒸餾水配制成質量分數6%的溶液,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。然后5000×g離心10 min,沉淀物稱重,此凍融循環(huán)重復5次。將每個循環(huán)后分離水的重量作為脫水收縮的程度[11]。

1.2.7 差式掃描量熱儀分析 2 mg的GJFSS樣品與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的速率從10 ℃加熱至100 ℃。測定起始溫度(onset temperature,To)、峰值溫度(peak temperature,Tp)和終止溫度(conclusion temperature,Tc),通過對峰面積積分計算樣品凝膠化焓(gelatinization enthalpy,ΔHg)[4]。

1.2.8 快速黏度分析儀分析 3 g的GJFSS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,整個實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的速率加熱至95 ℃,保持5 min,再以6 ℃/min的速率冷卻至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[6]。

1.2.9 衰減全反射傅里葉變化紅外光譜分析 取少量GJFSS樣品,放置在ATR檢測臺上。分辨率4 cm-1,掃描次數64次,空氣為背景。800～1200 cm-1區(qū)域自去卷積。半帶寬26 cm-1,增強因子2.4,計算1047 cm-1/1022 cm-1吸光度高度比[12]。

1.3 數據處理

采用SPSS 19.0軟件對數據進行統(tǒng)計分析,統(tǒng)計學上p<0.05為顯著,p<0.01為極顯著。Origin 8.5軟件進行繪圖處理。

2 結果與分析

2.1 支鏈聚合度

5種支鏈淀粉DPw、DPn和D的結果見表1,其范圍分別為189506～431481、120370～344444和1.144～1.574。5種支鏈淀粉的DPw和DPn存在顯著差異(p<0.05)。M1支鏈淀粉的DPw和DPn最低,BD支鏈淀粉的DPw和DPn最高。菠蘿蜜支鏈淀粉與前人報道大宗作物淀粉的DPw結果相比,蠟質大米淀粉的DPw較高(442154～928000)[13],小麥支鏈淀粉的DPw較低(4101～6463)[14]。同時,與DPn的研究結果對比,蠟質大米淀粉(47483)[15]和大麥支鏈淀粉(5726～8000)[16]的DPn較低。產生上述差異的原因可能是由于不同的淀粉來源、種植環(huán)境和淀粉組成等[4]。D表明分子大小差異范圍，M1支鏈淀粉的D最高,M5支鏈淀粉的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

2.2 顆粒形貌

5種GJFSS樣品的微觀結構如圖1。5種GJFSS顆粒受到顯著破壞,表面出現大量連續(xù)的孔洞。這是由于淀粉顆粒在水中加熱時發(fā)生膨脹,氫鍵斷裂導致顆粒結構崩塌[17]。Zhang等[8]報道天然JFSS顆粒呈圓形、三角形和橢圓形等,與天然JFSS相比,5種GJFSS樣品的顆粒形貌發(fā)生明顯改變,這是由于淀粉結晶區(qū)和無定形區(qū)的相互作用所導致[18]。

圖1 5種GJFSS樣品的形態(tài)(5000×)

5種不同支鏈聚合度GJFSS樣品的微觀結構存在明顯差異。M1′到BD′樣品逐漸顯示出更多的多孔結構。M1′樣品的支鏈聚合度最低,形成了相對致密的海綿狀結構。隨著支鏈聚合度增加,海綿狀結構和孔洞逐漸增加,因此BD′樣品的表面結構十分松散。上述結果表明,支鏈聚合度越小,顆粒孔洞越少,顆粒結構越致密;相反,支鏈聚合度越大,顆粒孔洞越多,顆粒結構越松散。因此,推測支鏈聚合度是影響GJFSS微觀結構的重要因素。

2.3 凍融穩(wěn)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,可用于評估淀粉的凍融穩(wěn)定性。5種GJFSS樣品5次凍融循環(huán)的結果見表2。5種GJFSS樣品的脫水收縮分別為24.56%～47.03%(M1′)、22.37%～45.76%(M5′)、21.62%～44.39%(M6′)、20.29%～43.21%(M11′)和19.34%～41.50%(BD′)。以M1′為例,1到第5次循環(huán)脫水收縮從24.56%增加到47.03%。Katekhong等[19]報道,反復凍融循環(huán)能夠促進相分離和冰晶生長產生海綿狀質地,并且釋放大量的水,脫水收縮取決于凍融循環(huán)的次數。在本研究中,1到5次循環(huán)的脫水收縮結果表明脫水收縮隨著凍融循環(huán)增加,并在其它4種GJFSS中也觀察到了相同的現象。

表2 5次凍融循環(huán)期間的脫水收縮

5種GJFSS樣品5次脫水收縮分別為19.34%～24.56%(1次)、22.17%～28.63%(2次)、29.77%～34.56%(3次)、34.73%～40.22%(4次)和41.50%～47.03%(5次)。5種不同支鏈聚合度GJFSS樣品的脫水收縮存在顯著差異(p<0.05)。以第1次循環(huán)為例,M1′的脫水收縮最高(24.56%),BD′的脫水收縮最低(19.34%),其他4次循環(huán)也存在相同趨勢。因此,隨著支鏈聚合度降低,脫水收縮逐漸增加。Meng等[20]報道,高脫水收縮能夠促進海綿狀結構發(fā)展,但本研究卻得到了不同的結果。Wu等[21]表明,淀粉老化期間脫水收縮導致淀粉鏈結合,形成淀粉的致密結構。可以猜測本研究中高脫水收縮阻止了海綿狀結構發(fā)展,可能是由于5種GJFSS樣品在干燥過程中發(fā)生了部分老化。因此,高脫水收縮形成了淀粉的致密結構,這也證實了在SEM中的假設。

已知具有最低支鏈聚合度的M1′顯示出最高的脫水收縮,形成致密的結構。具有最高支鏈聚合度的BD′顯示最低的脫水收縮,形成松散的結構。為了更好的解析支鏈聚合度對GJFSS凝膠化特性的影響,通過DSC、RVA和FTIR進一步分析GJFSS的凝膠化特性。

2.4 熱力學性質

5種GJFSS樣品的熱力學性質見表3和圖2,其To、Tp、Tc和ΔHg分別為52.15～56.08 ℃、60.22～63.03 ℃、69.53～72.01 ℃和1.05～3.17 J/g。5種不同支鏈聚合度GJFSS樣品的熱力學性質存在顯著差異(p<0.05)。天然JFSS的To、Tp、Tc和ΔHg分別為72.61～84.88 ℃、76.25～87.97 ℃、88.47～96.56 ℃和7.88～16.57 J/g[6]。與天然JFSS相比,5種GJFSS樣品的To、Tp、Tc和ΔHg較低,這可能是由于GJFSS在過量水中加熱時晶體被破壞,形成了不規(guī)則和松散的結構。凝膠化大米淀粉的To、Tp、Tc和ΔHg分別為45.76、55.91、65.54 ℃和0.49J/g[12],GJFSS樣品的To、Tp、Tc和ΔHg高于大米淀粉,差異是由于不同的淀粉來源和淀粉組成所導致[22]。

表3 不同支鏈聚合度的5種GJFSS樣品的熱力學性質

圖2 不同支鏈聚合度的5種GJFSS樣品的DSC熱譜圖

5種GJFSS樣品的To、Tp和Tc隨支鏈聚合度增加,但ΔHg則降低。具有最低To、Tp和Tc的M1′樣品顯示最高的ΔHg,BD′樣品顯示相反的趨勢。Zhang等[6]報道,JFSS可在88.47～96.56 ℃之間發(fā)生凝膠化,因此本研究GJFSS的加熱條件可以完全凝膠化,但仍然檢測到凝膠化峰和ΔHg,這是由于GJFSS在干燥過程中發(fā)生了部分老化。此外,這與脫水收縮的結果一致,即高ΔHg和高脫水收縮相關并形成緊密的結構。Zhang等[6]表明,具有較低To、Tp和Tc的JFSS顯示出較高的ΔHg,歸因于JFSS形成更多支鏈微晶,但順序較少,因此形式不完美。根據上述報道可知,M1′樣品形成的結晶不完美,而BD′顯示相反的結果。Zhang等[12]報道,老化焓增加表明形成了更多結晶,需要更多能量熔化它們,因此熔化M1′樣品形成的支鏈淀粉微晶需要更多的能量。凝膠化溫度范圍(gelatinization temperature range,R)反映凝膠化過程中雙螺旋數量和淀粉微晶不均勻性[8]。M1′樣品的R最高(17.38 ℃),BD′樣品的R最低(15.93 ℃)。所以,M1′樣品具有最多的雙螺旋結構但淀粉微晶不均勻,BD′樣品結果相反。DSC結果與微觀結構和脫水收縮的結果一致。

2.5 糊化特性

5種GJFSS樣品的糊化特性總結在表4和圖3,其峰值黏度(PV)、谷值黏度(TV)、崩解值、最終黏度(FV)、回生值和糊化溫度(PT)分別為1717～2781、1347～1675、370～1106、2153～3180、806～1505 cP和52.10～55.20 ℃。天然JFSS的PV、TV、崩解值、FV、回生值和PT分別為2210～3940、2043～3097、167～1079、3055～4665、979～1878 cP和82.30～91.42 ℃[4]。與天然JFSS相比,GJFSS的PV、TV、FV、回生值和PT均低,這可能是由于GJFSS在過量水中加熱時理化特性發(fā)生改變。已經報道大米和木薯淀粉的PV、TV、崩解值、FV、回生值和PT分別為147.58～209.17、123.83～157.08、23.75～65.75、182.67～273.50、58.83～122.42 cP、85.65～87.22 ℃[23]和577～890、329～456、249～490、416～580、-161～-400 cP、65.4～68.3 ℃[24]。本研究結果與大米淀粉和木薯淀粉明顯不同,產生差異的原因可能是粒徑、溶脹力、直鏈和支鏈淀粉比例以及支鏈結構所導致[6,25]。此外,M11′樣品的峰值時間(5.73 min)顯著(p<0.05)低于其他4種GJFSS樣品(8.00、7.80、6.60和6.40 min)。

表4 不同支鏈聚合度的5種GJFSS樣品的糊化特性

具有較高PV、TV、崩解值、FV和回生值的M1′樣品顯示較低的PT,BD′樣品觀察到相反的結果。糊化溫度與DSC檢測到的轉變溫度趨勢一致。低PV歸因于淀粉顆粒的低剛性[13],本研究結果表明BD′樣品的剛性低于其他樣品。TV和淀粉膨脹力顯著相關[26],表明BD′樣品的膨脹力低于其他樣品。崩解值與淀粉在高溫期間承受加熱和剪切力的能力相關,并且較高的FV表示加熱冷卻淀粉糊的穩(wěn)定性較高[8]。因此,M1′樣品在高溫和機械攪拌下會顯示較低的穩(wěn)定性,但加熱冷卻淀粉糊的穩(wěn)定性高于其他樣品。回生值與淀粉老化正相關,這取決于淀粉冷卻過程中支鏈淀粉鏈的重新結合[13],因此M1′樣品具有比其它樣品更高的老化趨勢。此外,與其他樣品相比,BD′樣品的糊化溫度更高(表4)。本研究發(fā)現隨著支鏈聚合度增加,5種GJFSS樣品的PV、TV、崩解值、FV和回生值降低,但PT增加,這表明支鏈聚合度影響淀粉的糊化特性。RVA結果(圖3)與DSC數據獲得的結果一致。

圖3 不同支鏈聚合度的5種GJFSS樣品的糊化剖面圖

2.6 短程分子序列結構

5種GJFSS樣品的吸光度比(1047 cm-1/1022 cm-1)和FTIR光譜總結在表5和圖4。5種GJFSS樣品的吸光度比范圍為0.32～0.37。5種不同支鏈聚合度GJFSS樣品的吸光度比存在顯著差異(p<0.05)。凝膠化大米淀粉的吸光度比(1047 cm-1/1022 cm-1)為0.32[12],GJFSS樣品的吸光度比高于凝膠化大米淀粉的吸光度比。1047 cm-1/1022 cm-1的吸光度比可以探測淀粉短程分子有序度[27],因此GJFSS的有序淀粉量高于凝膠化大米淀粉。本研究中,M1′樣品顯示最高的吸光度比,其次是M5′、M6′和M11′,而BD′的吸光度比最低。吸光度比隨支鏈聚合度的降低而增加,這與DSC和RVA的結果一致。

表5 不同支鏈淀粉聚合度的5種GJFSS樣品吸光度比(1047cm-1/1022cm-1)

圖4 不同支鏈聚合度的5種GJFSS樣品的FTIR光譜圖

2.7 相關性分析

使用Pearson雙變量相關系數分析不同支鏈聚合度和GJFSS樣品凝膠化特性之間的關系(表6)。DPw和To、PT顯著正相關(r=0.96和0.95,p<0.05)。DPw和脫水收縮、ΔHg、PV、FV、回生值、吸光度比顯著負相關(r=-0.92、-0.89、-0.93、-0.97、-0.94和-0.94,p<0.05)。上述結果表明不同支鏈聚合度與GJFSS樣品凝膠化特性之間存在顯著相關性。

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

5種不同支鏈聚合度GJFSS樣品凝膠化特性間的相關性如表6所示。脫水收縮和To、PT極顯著負相關(r=-0.99和-0.99,p<0.01),但和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值、吸光度比極顯著正相關(r=0.99、0.99、0.97、0.97、0.97和0.99,p<0.01)。To和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值、吸光度比極顯著負相關(r=-0.98、-0.99、-0.97、-0.98、-0.97和-0.99,p<0.01)。To和PT極顯著正相關(r=0.99,p<0.01)。ΔHg和PV、崩解值、FV、回生值顯著正相關(r=0.97、0.97、0.95和0.95,p<0.05)。PV和崩解值、FV、回生值極顯著正相關(r=0.99、0.97和0.97,p<0.01)。崩解值和FV、回生值顯著正相關(r=0.94和0.95,p<0.05)。FV和回生值極顯著正相關(r=0.99,p<0.01)。PT和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值顯著負相關(r=-0.99、-0.98、-0.95、-0.99和-0.98,p<0.05)。吸光度比和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值顯著正相關(r=0.98、0.99、0.97、0.96和0.95,p<0.05),但和PT極顯著負相關(r=-0.98,p<0.01)。基于不同支鏈聚合度,5種GJFSS樣品顯示出凍融穩(wěn)定性、熱力學性質、糊化特性和短程分子有序度之間的顯著相關性。

3 結論

通過顆粒形貌、脫水收縮、熱力學性質、糊化特性和吸光度比評估了5種不同支鏈聚合度GJFSS樣品的凝膠化特性。結果表明,高支鏈聚合度與多孔、疏松的顆粒結構相關。降低支鏈聚合度可以導致脫水收縮增加。低支鏈聚合度具有高ΔHg、PV、TV、崩解值、FV和回生值,以及低To、Tp、Tc和PT。隨著支鏈聚合度減小,短程分子有序度逐漸增加。Pearson相關分析表明,5種不同支鏈聚合度的GJFSS樣品與其凝膠化特性之間存在顯著相關性。基于不同支鏈聚合度的研究發(fā)現,凝膠化特性間也存在顯著相關性。以上結果證實支鏈聚合度影響GJFSS凝膠化特性,本實驗結果可為淀粉凝膠化特性提供新的研究方向和理論參考。