促進玉米直鏈淀粉回生的甘薯淀粉晶種的篩選及表征

郭俊杰,楊 璐,白正晨,孟憲昉,王 倩,連喜軍

(天津商業大學,天津市食品生物技術重點實驗室,生物技術與食品科學學院,天津 300134)

淀粉的回生也稱淀粉的β-化或老化[1-2]。淀粉回生過程的本質就是糊化淀粉分子從高能無序態到有序態轉化的過程。即糊化后的淀粉分子借助氫鍵相互吸引,形成排列有序、高度致密、結晶化的不溶性分子微束[3]。淀粉回生的主導驅動力是范德華力和氫鍵,大量分子內和分子間氫鍵的形成速度決定了淀粉的回生速度[4-8]。淀粉回生結晶過程經歷三個階段:晶核生成、晶核增長和形成規則結晶。

常規回生淀粉的制備方法時間長,收率低(低于45.7%)[9]。而在淀粉回生過程中,晶核將要開始產生之前,加入一定量的晶種,使溶液局部形成合適的過飽和度,溶液受到晶種的刺激后,晶核可以提早形成,且不會引起刺激產生更多的晶核,因此可以培養出粒度均勻、形貌規則的結晶,并可顯著提高淀粉的回生率。添加的晶種相當于淀粉類食品在存儲過程中自身形成的結晶,而目前晶種促進淀粉回生的研究還很少,連喜軍等[10]進行的添加回生淀粉晶種促進玉米淀粉回生的研究表明,晶種中出現了21個面的明顯晶體特征,而該晶種在玉米淀粉糊中長大后晶面減少到12個左右,并顯著提高了玉米淀粉的回生率。孟憲昉等[11]的研究表明,草酸侵蝕馬鈴薯回生淀粉晶種對玉米淀粉回生具有明顯的促進作用。晶種添加影響淀粉從凝膠向晶種聚集的動力,加速淀粉回生。

甘薯淀粉具有很高的分支度,特定的空間結構使淀粉分子鏈不易聚合,更易形成特定的面,從而使淀粉分子在面上有序排列形成規則結晶。而玉米淀粉分支度低,其本身結構受多次重復回生的影響[12],分子量分布范圍明顯變窄[13]。在溶液中,淀粉分子移動快,易于有序聚集在晶核上,從而形成有序排列的規則晶體,同時提高淀粉的回生率。

本文以草酸侵蝕四次回生的甘薯淀粉、甘薯直鏈淀粉、甘薯支鏈淀粉,并以其為晶種添加到四次回生的玉米直鏈淀粉中,研究晶種對玉米直鏈淀粉回生的影響,篩選出對玉米直鏈淀粉回生促進最佳的晶種。通過可見吸收、X-射線衍射、紅外光譜、差熱掃描等的研究,得到甘薯回生淀粉晶種促進玉米直鏈淀粉長晶的原因。以期為提高淀粉的回生率、研究回生淀粉結晶結構提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥粉、玉米淀粉 為市售;高溫α-淀粉酶(酶活力 25000 U/mL) 天津市諾奧科技發展有限公司;氯化鈉、鹽酸、氫氧化鈉、碘、碘化鉀 均為國產分析純。

YX-280D(電腦型)手提式壓力蒸汽滅菌器 合肥華泰醫療設備有限公司;XMTD-204數顯式電熱恒溫水浴鍋 天津歐諾儀器儀表有限公司;DH-101-3BS電熱恒溫鼓風干燥箱 天津市中環實驗電爐有限公司;BCD-229KB海爾冰箱 青島海爾股份有限公司;L535-1湘儀低速離心機 湖南湘儀離心機儀器有限公司;SL2002電子精密天平 上海民橋精密科學儀器有限公司;YD202N電子天平 上海精密科學儀器有限公司;島津UV-2450/2550紫外可見分光光度計 日本Shimadzu公司;D/max-2500X-射線衍射分析儀 日本理學公司;Bio-Rad FES135紅外分光光度計 美國Bio-Rad公司;Q20差熱掃描量熱器 美國TA公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 直、支鏈淀粉的制備

1.2.1.1 支鏈淀粉的制備 在20 L不銹鋼桶中配制13 L 0.15 mol/L的NaOH溶液;將300 g干甘薯淀粉分散于1 L水中,使之完全溶解;將分散的淀粉乳液緩慢倒入NaOH溶液中,邊倒邊攪拌,約攪拌5 min,靜置10 min;將配制的3.6 L 5%的NaCl溶液倒入靜置的溶液中,攪拌均勻,用鹽酸調節pH在6.5～7.5之間,靜置20 h后離心(4000 r/min,5 min),棄去上層液,下層為支鏈淀粉粗提取液。

在支鏈粗提取液中加入10 L 1% NaCl溶液,攪拌均勻靜置20 h,離心(4000 r/min,5 min)后棄去上層液(鹽析),鹽析3～4次,加入適量無水乙醇浸泡24 h,離心(4000 r/min,5 min),再用乙醇洗幾次(用碘液測試變為紫紅色即可),沉淀即為濕甘薯支鏈淀粉。

1.2.1.2 直鏈淀粉的制備 稱取甘薯淀粉100 g,置于1 L的燒杯中,加入750 mL水攪拌均勻,于95 ℃的水浴鍋中加熱并不停攪拌,當淀粉近似透明時,放入壓力蒸汽滅菌器中,121 ℃高壓糊化40 min。然后將冷至室溫的樣品于冰箱內4 ℃老化3 d。將老化后的淀粉用6 mL高溫淀粉酶酶解、過夜,充分洗滌棄去上清液得到一次回生的淀粉。將得到的淀粉用4 mol/L的KOH溶液溶解,濃鹽酸調節pH至中性。向溶液中加入正丁醇(體積為KOH的2～3倍),攪拌、離心(4000 r/min,5 min)后得濕甘薯直鏈淀粉。

用同樣方法制備玉米直鏈淀粉。

1.2.1.3 四次回生的淀粉制備 將玉米直鏈淀粉、甘薯直鏈淀粉、甘薯支鏈淀粉及甘薯原淀粉繼續重復1.2.1.2部分中步驟(糊化、高壓糊化、老化、酶解、水洗),直至得到四次回生的淀粉。

1.2.2 晶種的處理 將四次回生后的濕甘薯淀粉、甘薯直鏈及甘薯支鏈淀粉各20 g分別置于200 mL燒杯中,用0.1 mol/L的草酸溶液100 mL浸泡30 min,置于121 ℃壓力蒸汽滅菌器中高壓處理20 min,取出后水洗離心(4000 r/min,5 min)得到3種晶種,備用。

1.2.3 加晶種長晶 取相當于10 g干淀粉的濕玉米直鏈淀粉于100 mL燒杯中,按照干燥淀粉比例的1.0%(0.1 g)分別加入甘薯淀粉、甘薯直鏈及甘薯支鏈淀粉晶種,在濕的狀態下混合均勻,再加入等質量的蒸餾水,攪拌均勻后置于95 ℃水浴鍋中糊化1 h,然后置于121 ℃高壓鍋中高壓處理40 min,平行做三份。第一份置于40 ℃恒溫培養箱中長晶24 h,干燥后待測;另一份直接置于干燥箱中65 ℃烘干,稱重;第三份加入高溫淀粉酶置于95 ℃水浴鍋中酶解1 h,水洗離心后干燥,稱重,按下式計算出回生率[14-15]。

回生率(%)=(酶解后的淀粉總干重-酶解后晶種干重)/(未酶解的淀粉總干重-晶種干重)

1.2.4 可見吸收光譜分析 將40 mL蒸餾水和約0.1 g濕樣品加入到100 mL的燒杯中,加熱1 h。再加入1滴碘液(KI+I2),慢慢攪拌的均勻后,靜置約30 min,取上層清液進行可見光吸收測定,波長范圍為500～700 nm。

1.2.5 X-射線分析 用銅箔和鎳箔包裹淀粉粉末,采用X-射線衍射儀掃描,掃描電流和電壓分別為27 mA和50 kV。掃描衍射角(2θ)為4～40,步長為0.05,間隔時間為2 s。

1.2.6 紅外光譜分析 將淀粉粉末用光譜純KBr壓片,在27 ℃下用紅外分光光度計Bio-Rad FES135測定淀粉紅外吸收,掃描范圍4 000～400 cm-1。

1.2.7 DSC分析 采用Q20差熱掃描量熱器,在氮氣保護下,對淀粉粉末進行熱性能測試,掃描溫度范圍30～240 ℃,升溫速率5 ℃/min。

1.3 數據處理

運用軟件OriginPro 8.5 繪制圖表,分析不同晶種對玉米直鏈淀粉回生的影響;Jade 6.0分析樣品的X-射線數據;TA Universal Analysis 2000計算樣品的熱性能數據。

2 結果與討論

2.1 晶種促進四次回生的玉米直鏈淀粉的回生率

由表1可知,玉米直鏈淀粉經過四次回生,其回生率為40.2%,而添加晶種可使玉米直鏈淀粉的回生率超過50%。表明這三種晶種均明顯促進了玉米直鏈淀粉的回生。以甘薯直鏈淀粉為晶種,玉米直鏈淀粉回生率可達59.5%,比不添加晶種提高了19.3%。表明該晶種對玉米直鏈淀粉回生的促進作用最大。

表1 晶種促進四次回生的玉米直鏈淀粉回生的回生率Table 1 The four times retrogradation rate of maize amylose promoted by sweet potato seeds

2.2 可見吸收光譜

圖1和圖2分別為草酸處理過的甘薯原淀粉、甘薯直鏈、甘薯支鏈淀粉及以之為晶種促進玉米直鏈淀粉回生長晶的可見吸收光譜圖。

圖1 草酸處侵蝕的甘薯淀粉晶種的可見吸收光譜圖Fig.1 Visible absorption spectra of sweet potato starch seeds treated by oxalic acid

根據文獻,只有聚合度(DP)為30～60的淀粉才可以形成回生淀粉[16-17]。由圖1可知,用草酸處理過的甘薯淀粉樣品均出現可見吸收,由此可得該方法處理的甘薯淀粉保持了雙螺旋結構。從微觀的角度分析,用草酸處理過后,淀粉的結構改變了,即甘薯淀粉分子鏈斷裂了。

碘分子嵌入淀粉的雙螺旋結構內部,形成絡合物的最大吸收波長取決于淀粉分子的重復單元數目[18]。由圖2可知,以草酸處理過的甘薯淀粉、甘薯直鏈淀粉及甘薯支鏈淀粉為晶種促進玉米直鏈淀粉長晶的樣品均出現了明顯的可見吸收,即該方法處理的玉米直鏈淀粉都保持了雙螺旋結構。且無晶種的玉米直鏈淀粉具有最大的可見吸收波長(570 nm),表明玉米直鏈淀粉具有較多的重復單元數目。

圖2 草酸侵蝕的甘薯淀粉晶種促進玉米 直鏈淀粉長晶的可見吸收光譜曲線Fig.2 Visible absorption spectra of retarded maize amylose promoted by oxalic acid treating sweet potato starch seeds

2.3 X-射線衍射分析

圖3和圖4分別為草酸處理過的甘薯淀粉、甘薯直鏈淀粉、甘薯支鏈淀粉及以之為晶種的回生玉米直鏈淀粉XRD曲線。

圖3 草酸侵蝕的甘薯淀粉的XRD曲線Fig.3 XRD spectra of sweet potato starch treated by oxalic acid

圖4 草酸侵蝕的甘薯淀粉晶種促進 玉米直鏈淀粉長晶的XRD曲線Fig.4 XRD spectra of retarded maize amylose promoted by oxalic acid treating sweet potato starch seeds

由圖3可知,經草酸處理過的四次回生甘薯淀粉、直鏈淀粉及支鏈淀粉的衍射峰分別在14、16、21、24°附近出現,說明其結晶結構為A+B型[19],且甘薯支鏈淀粉的衍射峰比較明顯,表明晶面增加,晶體結構特征增加。

由圖4可知,回生直鏈淀粉的晶型為B型[20],衍射角(2θ)為5.2、16.9、22.2、26.6°。以草酸處理甘薯淀粉為晶種回生的玉米直鏈淀粉及四次回生的玉米直鏈淀粉衍射峰在6、17、23、26°附近出現,

圖5 草酸侵蝕的甘薯淀粉晶種及其促進玉米直鏈淀粉長晶的紅外譜圖Fig.5 IR spectra of sweet potato starch treated by oxalic acid and retarded maize amylose promoted by sweet potato starch seeds注:a. 甘薯淀粉;b. 甘薯直鏈淀粉;c. 甘薯支鏈淀粉;d. 甘薯淀粉為晶種;e. 甘薯直鏈淀粉為晶種;f. 甘薯支鏈淀粉為晶種。

為B型結晶結構。表明玉米直鏈淀粉在甘薯淀粉晶種上明顯生長,且保持了甘薯淀粉晶種的形貌結構,即甘薯淀粉晶種顯著地促進了玉米直鏈淀粉長晶。

2.4 紅外光譜分析

草酸侵蝕的甘薯淀粉晶種及其對玉米直鏈淀粉回生長晶的紅外表征表明,所有樣品均在3400、2920 cm-1處出現了羥基伸縮振動峰及C-H鍵的伸縮振動峰。羥基與水的變形振動出現在1640 cm-1附近,草酸侵蝕的甘薯淀粉、甘薯直鏈淀粉、甘薯支鏈淀粉及以之為晶種的玉米淀粉長晶后該峰從1649、1639、1629 cm-1遷移至1650、1646、1641 cm-1,以甘薯淀粉和甘薯直鏈淀粉為晶種的玉米直鏈淀粉長晶,羥基與水的變形振動峰變化值較小,表明二者結構較為相似。代表C-O鍵的伸縮振動出現在1155～1160 cm-1,代表O-H鍵彎曲振動的強峰則出現在999～1020 cm-1。

2.5 DSC分析

由圖6a、b、c和表2可知,三種樣品中,甘薯淀粉具有最高的峰值溫度146 ℃,而甘薯支鏈淀粉具有最高的吸熱焓,說明甘薯支鏈淀粉的晶體含量最高,結構更難破壞。以三種淀粉為晶種,玉米直鏈淀粉長晶的譜圖表明,以甘薯直鏈淀粉為晶種的樣品的峰值溫度最高為146 ℃。而三種樣品的焓值差別不大,但均遠高于晶種的焓值,表明三種樣品的結構較為相似,晶體含量也較為接近,但其結構更加穩定。

表2 草酸侵蝕的甘薯淀粉晶種及其添加后回生玉米直鏈淀粉的熱力學性能Table 2 Thermodynamics properties of sweet potato starch treated by oxalic acid and retarded maize amylose promoted by sweet potato starch seeds

圖6 草酸侵蝕的甘薯淀粉晶種及其促進玉米直鏈淀粉長晶的DSC曲線Fig.6 DSC spectra of sweet potato starch treated by oxalic acid and retarded maize amylose promoted by sweet potato starch seeds注:a. 甘薯淀粉;b. 甘薯直鏈淀粉;c. 甘薯支鏈淀粉;d. 甘薯淀粉為晶種;e. 甘薯直鏈淀粉為晶種;f. 甘薯支鏈淀粉為晶種。

3 結論

甘薯淀粉晶種顯著地促進了玉米直鏈淀粉回生,其中甘薯直鏈淀粉晶種對玉米直鏈淀粉的回生的促進最大(回生率59.5%);玉米直鏈淀粉長晶后出現了B型衍射峰,具有明顯的晶體特征;玉米直鏈淀粉在甘薯淀粉上進一步生長,既保持了晶種的晶型，又提高了玉米直鏈淀粉的回生率,并得到了較為規則形貌的玉米淀粉樣品。該研究為提高淀粉的回生率、研究回生淀粉結晶結構提供良好的技術支持。