干燥方法對山藥粉性質的影響

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(1.齊魯工業大學(山東省科學院)食品科學與工程學院,生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室,山東濟南 250353;2.諸城興貿玉米開發有限公司,山東諸城 262200)

山藥(薯蕷屬薯蕷科)是非洲、亞洲、中南美洲重要的塊莖作物,新鮮山藥含有水分(70%～80%)、碳水化合物(22%～31%),蛋白質(1.1%～3.1%)和脂肪(0.16%～0.6%)[1]。山藥是藥食同源植物,含有粘蛋白、薯蕷皂苷、尿囊素、膽堿、植物甾醇、低聚糖和必需氨基酸等活性成分[2],可被作為中藥用于治療糖尿病、腹瀉、哮喘、黃疸等疾病[3]。新鮮山藥含水量較高,不易貯存,在貯存過程中容易發生腐爛、發霉現象,很多時候山藥被制成粉作為原料使用。

山藥制粉不僅解決了新鮮山藥貯存難題,同時提高了山藥的利用率。山藥粉可以用于面制品、乳制品、方便食品[4-6],國內外學者發現通過自然晾干、硫熏干燥、熱風干燥、冷凍干燥、微波干燥和太陽能干燥等不同方法制備的各種山藥粉性質不同,山藥粉尿囊素含量和總黃酮含量也存在顯著性差異,太陽能干燥的山藥粉比冷凍干燥的山藥粉具有更高的糊化溫度、峰值溫度和終止溫度[7-8]。由此可見干燥方法對山藥粉的生物活性成分等影響顯著。選擇合適的干燥方法來制備山藥粉是山藥制粉過程必須要考慮的問題。前人研究更多的關注了山藥活性成分在干燥過程中的變化,但是在加工應用過程中,山藥全粉的理化性質如流變性等對加工影響至關重要。

由于山藥粉的主要成分是淀粉,不同加工過程中山藥淀粉呈現出的理化性質的差異對山藥粉的性質影響較大。本研究以鐵棍山藥為原料,系統研究真空干燥、冷凍真空干燥和噴霧干燥三種干燥方法對山藥生/熟粉的流變特性、黏度特性、消化性質等的影響及與淀粉相關性質的關系,并對其形成的規律進行研究,為山藥粉的制備及在相關食品中應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鐵棍山藥(產地山東菏澤) 濟南十里鋪市場,選取表面光滑無機械傷的山藥,4 ℃冷庫貯藏備用;豬胰α-淀粉酶(100 U/mg)、糖化酶(100000 U/mL) 上海源葉生物科技有限公司;其他化學試劑 為分析純。

JMS-50D型分體式高速膠體磨 廊坊市廊通機械有限公司;B-209型小型噴霧干燥儀 瑞士步琦有限公司;DZF-6032型真空干燥箱 上海恒科儀器有限公司;LGJ-10型真空冷凍干燥機 北京松源華興科技發展有限公司;YP2012型電子天平 上海光正醫療儀器有限公司;BSA224S-SW型電子天平 塞多利斯科學儀器有限公司;RE-2000A型旋轉蒸發器 上海賢德實驗儀器有限公司;Fei Quanta 200型掃描電子顯微鏡 美國FEI公司;GI20全自動體外模擬消化系統 澳大利亞NI公司;MCR-302型流變儀 奧地利安東帕有限公司;RVA-TecMaster快速粘度分析儀 瑞典波通儀器公司;DSC-214型差示掃描量熱儀 德國NETZSCH集團。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理 參照張子琪等[9]和狄建兵等[10]的方法,稍作修改。新鮮山藥洗凈、去皮,切成3～4 mm的薄片,置于護色液(2.0%檸檬酸+0.1%抗壞血酸水溶液)護色30 min,山藥護色、洗凈后不經熟化進行干燥處理制備山藥生粉。山藥護色后,沸水煮制30 min,將煮制后的溶液進行濃縮,和山藥片一起進行干燥處理制備山藥熟粉。

1.2.2 干燥方法

1.2.2.1 真空干燥 經前處理的山藥片45 ℃、100 Pa真空度下進行干燥24 h,樣品經研缽研磨并過80目篩得真空干燥山藥生/熟粉。

1.2.2.2 噴霧干燥 經前處理的山藥切片和水按照1∶4(重量比)的比例混合,經膠體磨均質處理,在進口溫度170 ℃,出口溫度80 ℃條件下進行噴霧干燥,樣品過80目篩得噴霧干燥山藥生/熟粉。

1.2.2.3 冷凍真空干燥 經前處理的山藥片-18 ℃預凍12 h,真空度50～60 Pa,冷肼溫度-40 ℃,時間為48 h的條件下進行冷凍干燥,樣品經研缽研磨并過80目篩得冷凍真空干燥山藥生/熟粉。

1.2.3 山藥粉主要成分測定 參照GB 5009.4-2016測定灰分含量;參照GB 5009.6-2016測定脂肪含量;參照GB 5009.5-2016測定蛋白質含量;參照GB 5009.3-2016測定水分含量;參照王震宙的方法,采用蒽銅比色法測定多糖含量[11];總淀粉含量的測定參照趙娜等[12]的方法。

1.2.4 流變特性 參照Sodhi等[13]的方法,稍作修改。使用安東帕流變儀,采用動態振蕩模式,圓筒轉子,間隙為0 mm,應變和頻率分別為1%和1 Hz。制備10%的山藥粉溶液,取19 mL溶液加入到圓筒的刻度線位置,下降轉子到一定位置,加硅油進行密封。以2 ℃/min 的速率從30 ℃加熱到100 ℃,再以同樣速率從100 ℃降到30 ℃,根據圖譜分析儲能模量(G′)和損耗模量(G″)的變化。穩態流變掃描:將10%的山藥粉懸濁液95 ℃糊化20 min,熱糊上樣,冷卻至25 ℃保持5 min,并在25 ℃下,剪切速率從0.1～100 s-1進行掃描,記錄過程中樣品表觀黏度隨著剪切速率的變化。

1.2.5 糊化特性 參照Kim等[14]方法,稍作修改。用快速粘度分析儀測定山藥粉的糊化特性。將山藥粉(2.5 g)轉移到RVA鋁罐中,加入25 mL蒸餾水。將樣品在50 ℃保持1 min,以10 ℃/min的速度加熱到95 ℃,在95 ℃保留2.5 min,然后以10 ℃/min的速度從95 ℃冷卻到50 ℃并在50 ℃保持2 min,轉速保持在160 rpm/min。粘度表示為快速粘度單位(cP)。記錄糊化溫度、峰值粘度、谷值粘度、最終粘度、崩解值和消減值等參數。

1.2.6 微觀顆粒形態 參照Chen等[15]的方法,稍作修改。用掃描電子顯微鏡觀察山藥粉的形態特征。使用雙面粘合導電膠帶將山藥粉固定在鋁短棒上,涂覆金粉使樣品導電,然后在放大倍數2000倍下,以20 kV的加速電壓進行掃描,拍攝圖像。

1.2.7 消化特性 采用Englyst等[16]的方法,稍作修改。測定山藥粉中快消化淀粉(RDS),慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)的相對含量。取山藥粉樣品置于測試管中,添加35 mL醋酸鈉緩沖液(pH5.2,0.2 mol/L),混勻后以2 min的間隔加入10 mL的豬胰α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL),置于在37 ℃恒溫水浴下振蕩,轉速為150 r/min,用全自動體外模擬消化系統測定水解產物20和120 min的葡萄糖含量。RDS、SDS、RS的值由測定的G20、G120和總淀粉(TS)值計算。淀粉的值表示為葡萄糖mg×0.9。產物中快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)的百分比表示如下:

RDS(%)=G20×0.9/TS×100

SDS(%)=(G120-G20)×0.9/TS×100

RS(%)=[TS-(RDS+SDS)]/TS×100

式中:G20是20 min后釋放的葡萄糖(mg/dL);G120是120 min后釋放的葡萄糖(mg/dL);TS是每個測試樣品的淀粉總重量(mg)。

1.3 數據處理

采用Excel 2010軟件統計數據,所有數據為3次以上重復試驗的平均值和標準誤差;采用SPSS 18.0對數據進行差異顯著性分析,數據處理間差異顯著性檢驗采用Duncan法，并用Origin 8.0軟件繪制作圖。

2 結果與分析

2.1 主要成分分析

表1 山藥粉主要成分分析(%)Table 1 Main composition analysis of yam flours(%)

圖1 升溫和降溫過程中不同山藥粉G′和G″的變化Fig.1 Changes of G′ and G″ of different yam flours during heating and cooling

不同干燥方法制備的山藥粉主要成分分析如表1所示。經不同干燥方法制備的山藥粉,其灰分含量、脂肪含量無顯著差異(P>0.05)。不同山藥粉的含水量存在一定的差異,除真空干燥生粉外,其他樣品差異性不顯著(P>0.05),其中噴霧干燥山藥熟粉的含水量最高(6.49%)。噴霧干燥山藥粉的多糖含量和蛋白質含量與其他樣品相比存在顯著性差異(P<0.05),其中噴霧干燥熟粉的多糖含量(11.86%)和蛋白質含量(7.80%)最低,這是因為噴霧干燥時干燥不充分,多糖物質吸濕黏度增加,粘附在干燥倉壁上造成多糖含量損失[17]。蛋白質-多糖之間的相互作用可能是造成蛋白質含量損失的原因,噴霧干燥過程中,部分與多糖共價相連的蛋白質隨多糖一起粘附在器壁上,導致蛋白質含量減少[18]。山藥粉的淀粉含量范圍為66.21%～68.88%,其中真空干燥制備山藥粉淀粉含量較高。噴霧干燥熟粉的總淀粉含量最低(66.21%),這是因為噴霧干燥時的高溫導致淀粉水解成游離糖,導致總淀粉含量損失[19]。冷凍干燥山藥粉的淀粉含量與之前的研究基本保持一致[12]。

2.2 山藥粉流變特性

圖1顯示了不同山藥粉的G′和G″隨溫度的變化情況。三種山藥生粉的G′和G″在加熱初期數值較小,上升緩慢,當溫度到達83 ℃左右時,G′和G″迅速上升,山藥粉經過熟化處理,真空干燥熟粉的G′和G″先緩慢后迅速上升,冷凍干燥熟粉的G′和G″迅速上升,G′和G″的迅速增加是由于隨溫度的增加,淀粉顆粒組分滲出與水分子的結合形成溶膠,另一方面膨脹的淀粉顆粒與溶出的直鏈淀粉形成致密的三維網絡結構[20]。繼續升溫,真空干燥熟粉和冷凍真空干燥熟粉的G′分別在72.87和79.88 ℃出現峰值(1328.2和3110.8 Pa),對于G″,真空干燥熟粉在70.54 ℃達到峰值(261.15 Pa)而冷凍真空干燥的G″在65.89 ℃達到峰值(403.09 Pa)以后,呈現出先下降后上升的趨勢,G″的下降是由于分子交聯結構增多導致相對位移阻力減少,隨后小分子支鏈淀粉溶出增多導致凝膠黏性增加,所以G″又上升[21]。與上述樣品不同,噴霧干燥熟粉樣品在開始升溫時就具有較高的G′和G″,這是因為噴霧干燥熟粉樣品顆粒較小,能夠與水分快速結合,成糊性好。當冷卻終止時,冷凍真空干燥熟粉的G′(2304.4 Pa)和G″(39.15Pa)最高,其凝膠剛性最強,黏彈性最好。

表2 不同方法干燥的山藥粉的糊化特性Table 2 Pasting properties of yam flour by different drying methods

不同山藥粉糊表觀黏度隨剪切速率的變化如圖2所示。隨剪切速率的增加,六種山藥粉糊的表觀黏度開始急劇下降,隨后逐漸趨于平緩,表現出非牛頓流體的特性。山藥粉糊中的淀粉分子鏈在靜置狀態下相互纏繞,妨礙淀粉分子的運動,當剪切速率增大時,淀粉分子鏈被拉直,因此出現剪切變稀現象[22]。在低剪切速率0.01～1 s-1范圍內,三種山藥熟粉糊的表觀黏度低于山藥生粉糊的表觀黏度。山藥熟粉糊的表觀黏度較低是因為山藥熟粉糊經歷過兩次糊化,制備過程蒸煮后,支鏈淀粉可能與水分子結合形成了更加堅固的結構,當山藥熟粉二次糊化時,該結構阻止了水分子再次進入山藥淀粉分子,因此導致山藥熟粉糊的表觀黏度低于山藥生粉糊[23]。山藥熟粉糊中,冷凍真空干燥熟粉糊的表觀黏度高于噴霧干燥和真空干燥的山藥熟粉糊,可能是因為冷凍真空干燥的山藥熟粉,淀粉與蛋白質的結合程度較低,使其具有較高的膠黏性。高剪切速率1～100 s-1范圍內,六種山藥粉糊的表觀黏度相當,在高剪切速率下,淀粉分子來不及取向,故表觀黏度不再發生變化。

圖2 不同山藥粉糊的表觀黏度隨剪切速率的變化Fig.2 Changes of apparent viscosity of different yam flours with shear rate

2.3 糊化特性

不同方法干燥的山藥粉的RVA黏度特性如表2所示。由表2可以看出,山藥熟粉的黏度高于山藥生粉,這可能是由于淀粉顆粒的大小和形狀、支鏈淀粉的鏈度、結晶區域的大小和穩定性的差異造成的[8]。三種干燥山藥熟粉中,冷凍真空干燥熟粉顯示出最高的最終黏度和消減值,說明其在低溫下更容易形成凝膠,成糊性最好,這與其流變特性保持一致。冷凍真空干燥熟粉較高的峰值黏度是由于其具有較大的淀粉顆粒及疏松的結構,水分能夠快速進入到淀粉顆粒中[24],劉亞男[25]的研究與本結果相似。與冷凍真空干燥熟粉和噴霧干燥熟粉比，真空干燥熟粉谷值黏度較低的原因可能是由于淀粉顆粒間的聯合力較差[8]。冷凍真空干燥熟粉的最終黏度較高是由于加熱過程中從顆粒中滲出的直鏈淀粉分子在冷卻過程中重新結合形成網絡結構。三種干燥熟粉中,與冷凍真空干燥熟粉和噴霧干燥熟粉比，真空干燥熟粉的成糊溫度較高的原因可能是由于糊化過程中蛋白質與淀粉的競爭性吸水,導致其溶脹能力變差[21]。

2.4 微觀形貌特征

通過不同方法干燥的山藥粉的掃描電子顯微鏡圖像如圖3所示。由圖3可以看出,三種方法干燥的山藥生粉的顆粒均呈卵形或橢圓形,表面光滑,無壓痕或裂隙,顆粒尺寸為8～50 μm,該結果與高曉旭等[26]研究結果保持一致。其顆粒周圍散布著由破損的細胞壁組成的薄片,其主要成分為細胞壁中纖維素等[27]。糊化后的山藥熟粉,淀粉顆粒被破壞,山藥粉成塊狀或不規則形狀,表面粗糙,有褶皺。由于淀粉糊化后重新結合[15],真空干燥熟粉和冷凍真空干燥熟粉的粒徑變大。冷凍真空干燥熟粉的結構比真空干燥熟粉的結構松散且多孔,這是因為干燥過程中山藥細胞組織中的冰晶直接升華,形成多孔結構[28]。噴霧干燥熟粉的淀粉粒徑變小,表面出現嚴重皺縮和凹陷,且小粒徑淀粉出現聚集現象,這是由于噴霧干燥先均質后進行干燥,對淀粉顆粒粉碎變小造成的。

圖3 不同干燥方法的山藥粉掃描電鏡圖(2000×)Fig.3 Scanning electron micrograph of yam flour by different drying methods(2000×)注:圖A為真空干燥生粉;B為真空干燥熟粉;C為冷凍真空干燥生粉;D為冷凍真空干燥熟粉;E為噴霧干燥生粉;F為噴霧干燥熟粉。

2.5 山藥粉中淀粉的消化特性

受山藥粉中蛋白質等成分的影響,山藥粉中淀粉的消化性質和純山藥淀粉存在差異,山藥粉中淀粉-蛋白質的相互作用會阻礙淀粉與酶的接觸進而降低淀粉的消化率[29]。同時加工方法亦會對山藥粉中各淀粉組分的含量造成影響(不同方法干燥山藥粉的不同淀粉組分含量如圖3所示)。在三種干燥方法干燥的山藥生/熟粉中,山藥熟粉的RDS含量明顯高于山藥生粉,因為山藥熟粉的有序顆粒結構被破壞,促進了酶的物理可及性[30]。山藥熟粉中,噴霧干燥熟粉的RDS含量最高,這與其顆粒較小有關[31]。對于SDS,與對應的山藥生粉相比,真空干燥和冷凍真空干燥熟粉的SDS含量明顯提高,而噴霧干燥熟粉的SDS含量減少,噴霧干燥熟粉SDS含量的減少與其RDS含量的大幅度增加有關。山藥生粉的RS含量明顯高于山藥熟粉,這是因為山藥生粉中淀粉顆粒完整,分子結構較為緊密,使淀粉酶較難進入淀粉內部,其有序的晶體結構限制了淀粉顆粒的溶脹,使酶難以吸附[32],真空干燥生粉的RS含量最高是因為在淀粉顆粒中,部分直鏈淀粉形成雙螺旋結構,對淀粉酶水解具有較高的抗性[33],使淀粉水解較少。山藥粉經糊化后,淀粉的水合作用增強,原有結晶結構被破壞,無定形區結構增強,因此山藥熟粉的RS含量較少。三種山藥熟粉中,真空干燥熟粉樣品中RS含量最高,這與其粗糙的表面,較大的粒徑和致密的結晶結構有關。噴霧干燥熟粉的RS含量最低,可能是因為其具有較大的表面積,另一方面,噴霧干燥的高壓蒸汽為二次加熱過程,使淀粉糊化更加完全,可消化淀粉提高。

圖4 干燥方法對山藥粉中淀粉組分的影響Fig.4 Different starch contents of yam flour prepared by different drying methods

3 結論

利用不同干燥方法制備了山藥生/熟粉,通過比較其流變特性、糊化特性及消化性能的差異,結果表明與冷凍真空干燥生粉相比,冷凍真空干燥制備的山藥熟粉能較好的保留山藥粉的原有理化特性,具有較高的峰值黏度和最終黏度,同時其具有較高的粘彈性,適合做糊劑的配料。真空干燥山藥熟粉具有比冷凍真空干燥熟山藥粉較低的消減值,不易回生,更適合作為湯料的配料。對于噴霧干燥山藥熟粉,由于其具有較小的顆粒及相對較差的糊化特性,更適合做即時性沖調制品。在實驗過程中僅以鐵棍山藥為原料進行制粉,不同品種山藥其淀粉性質存在差異,后續可以對不同品種山藥淀粉的性質進行研究。通過不同干燥方法對比山藥粉的品質,為山藥粉的制備方法選取提供理論參考,不同方法各有利弊,具體實踐應用仍需結合生產成本綜合考慮,以適應不同的生產需求。