不同提取方法對面包果淀粉性質的影響

鐘雪瑤,王少曼,張彥軍,*,譚樂和,于寒松,*,徐 飛,吳 剛

(1.吉林農業大學食品科學與工程學院,吉林長春 130000;2.中國熱帶農業科學院香料飲料研究所,海南萬寧 571533)

面包果(Artocarpusaltilis(Parkinson)Fosberg)是桑科(Moraceae)菠蘿蜜屬(Artocarpus)特色熱帶果樹,原產于南太平洋的玻利尼西亞和西印度群島,是當地的主要糧食作物。目前,在我國海南、廣東、臺灣等地引種栽培[1],產業發展處于試種階段。由于面包果中具有高含量的碳水化合物(76.7%),多年來其一直被作為重要的能量來源[2],且其鮮果果實營養豐富,富含淀粉(12.76%)、膳食纖維(5.19%)、蛋白質(0.95%)和多種人體必需礦物質[3]。然而,在我國面包果的功能用途尚未被人們普遍認知。面包果中的淀粉可作為有待開發利用的優質淀粉新資源,將面包果轉化成淀粉將提供一種更穩定的儲存形式,并增加其通用性。

淀粉的提取工藝是影響淀粉品質的重要因素,堿法、濕磨法、表面活性劑法、酶法和超聲波法是目前提取淀粉的主要方法[4]。劉文菊等[5]采用濕磨法提取的綠豆淀粉溶解度大且提取率低;何義萍等[6]對堿法和超聲輔助酶法分離燕麥淀粉進行比較,試驗結果顯示超聲輔助酶法的淀粉提取率較高且節約能耗,對環境污染小。目前對面包果的研究主要集中在面包果的形態特征和面包果淀粉的物理化學改性方面[7-8],Marta等[9]對采用濕磨法提取的面包果淀粉進行四種熱改性,比較對面包果淀粉理化性質的影響;Siswoyo等[10]通過堿法制備面包果淀粉,并研究退火對淀粉凝膠特性的影響。對面包果淀粉的不同提取方法比較尚未研究報道。

因此,本實驗采用濕磨法、堿法、中性蛋白酶法三種不同方法提取面包果淀粉,并對其提取率、破損率、組分含量、形貌、溶解度和膨脹力進行比較分析,綜合考察不同提取方法對面包果淀粉性質的影響,為面包果淀粉的提取和進一步開發利用提供一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

面包果 中國熱帶農業科學院香料飲料研究所提供;中性蛋白酶Protex-7 L(酶活力≥200000 U/g) Novozyme公司;破損淀粉-酶試劑盒、淀粉-酶試劑盒 愛爾蘭Megazyme公司;其他試劑 均為國產分析純。

AL104型電子天平 美國梅特勒-托利多儀器有限公司;HX-PB908多功能料理機 奧克斯集團有限公司;Master-s-plus UVF型全自動超純水系統 上海和泰;Avanti JXN-26型高速冷凍離心機 貝克曼庫爾特商貿有限公司;JDG-0.2真空冷凍干燥機 蘭州科技真空凍干技術有限公司;RH-600A高速多功能粉碎機 榮浩五金廠;盛藍HZ-2010 K多層恒溫搖床 常州市三盛儀器制造有限公司;MB45型快速水分測定儀 美國梅特勒-托利多儀器有限公司;NDA701杜馬斯定氮儀 意大利VELP;DHG-9625 A電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;DK-98-IIA型電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司;DLSB-5 L/10低溫冷卻循環泵 鞏義市予華儀器有限責任公司;SPECORD 250 PLUS紫外-可見分光光度儀 德國耶拿分析儀器股份公司;Phenom Prox臺式顯微能譜一體機 荷蘭Phenom公司;SBC-12離子濺射儀 北京中科科美科技股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 濕磨法提取面包果淀粉 將新鮮的面包果去除皮之后清洗干凈,切成片,按固液比1∶5 g/mL比例加入蒸餾水,置于多功能料理機中磨漿20 s,漿液用100目網篩過濾,濾渣再水洗過濾三次,收集合并濾漿,室溫靜置2 h,棄去上清液,絮狀物經蒸餾水洗滌表面后離心(8000 r/min,15 min),輕輕刮去沉淀物上層淡黃色物質,沉淀物反復水洗離心兩次,收集沉淀物真空冷凍干燥(-20 ℃冰箱中冷凍12 h,55 ℃下真空冷凍干燥12 h)。

1.2.2 堿法提取面包果淀粉 參考胡美杰等[11]方法做適當修改。將新鮮的面包果去除皮之后清洗干凈,切成片,按固液比1∶5 g/mL比例加入蒸餾水,置于多功能料理機中磨漿20 s。加入0.2% NaOH,分裝于錐形瓶中,55 ℃搖床(130 r/min)反應24 h,反應結束后用100目網篩過濾,濾渣再水洗過濾三次,收集合并濾漿,室溫靜置2 h,棄去上清液,絮狀物經蒸餾水洗滌表面后離心(8000 r/min,15 min),輕輕刮去沉淀物上層淡黃色物質,沉淀物反復水洗離心兩次,收集沉淀物真空冷凍干燥(-20 ℃冰箱中冷凍12 h,55 ℃下真空冷凍干燥12 h)。

1.2.3 中性蛋白酶法提取面包果淀粉 參考張正茂等[12]的方法做適當修改。將新鮮的面包果去除皮之后清洗干凈,切成片,按固液比1∶5 g/mL比例加入蒸餾水,置于多功能料理機中磨漿20 s,加入0.15%中性蛋白酶液,分裝于錐形瓶中,55 ℃搖床(130 r/min)反應24 h,反應結束后用100目網篩過濾,濾渣再水洗過濾三次,收集合并濾漿,室溫靜置2 h,棄去上清液,絮狀物經蒸餾水洗滌表面后離心(8000 r/min,15 min),輕輕刮去沉淀物上層淡黃色物質,沉淀物反復水洗離心兩次,收集沉淀物真空冷凍干燥(-20 ℃冰箱中冷凍12 h,55 ℃下真空冷凍干燥12 h)。

1.2.4 面包果淀粉提取率的測定 面包果淀粉提取率(%)=提取得到的面包果淀粉質量(干基g)/原料面包果中淀粉含量(干基g)×100

1.2.5 面包果淀粉破損率的測定 參考符瓊[13]的方法做適當修改。采用破損淀粉-酶試劑盒方法(Megazyme)進行淀粉破損率的測定。

1.2.6 面包果淀粉化學成分分析 水分含量的測定:快速水分測定儀;蛋白質含量的測定:依據GB 5009.5-2016采用燃燒法測定[14];脂類含量的測定:依據GB 5009.6-2016采用索氏抽提法測定[15];灰分含量的測定:依據GB 5009.4-2016采用第一法測定[16]。

1.2.7 面包果淀粉形貌觀察 參考Zhang等[17]的方法做適當修改。將淀粉樣品烘干,粘在導電膠上,然后用離子濺射儀真空噴金20 s,使用10 kV加速電壓下的掃描電鏡觀察并拍攝。

1.2.8 面包果淀粉溶解度和膨脹度的測定 參考宮冰[18]的方法做適當修改。稱取一定量的樣品,配制成質量分數為1%的淀粉乳,取20 mL置于離心管中,分別于55、65、75、85和95 ℃水浴加熱30 min,每5 min用玻璃棒攪拌一次。水浴加熱的樣品冷卻后離心(4000 r/min,12 min),上清液倒入已知質量的蒸發皿中,置于105 ℃烘箱中烘干至恒重,即為溶解的淀粉質量A(g);離心管中沉淀物質量為D(g),淀粉樣品質量為W(g),按下列公式計算溶解度S和膨脹度P。

1.3 數據處理

每組試驗均重復3次,運用Origin 2018和SPSS 22.0軟件進行統計分析,采用不同的字母表示0.05水平的顯著性差異,數據以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同提取方法對面包果淀粉的提取率和破損率的影響

課題組前期測定面包果的淀粉含量為12.76%[3],不同方法制備的面包果淀粉提取率和破損率如表1所示。濕磨法、堿法、中性蛋白酶法的提取率分別為23.90%、66.25%、66.05%,堿法提取的面包果淀粉提取率最高,但與中性蛋白酶法提取的面包果淀粉提取率并無顯著性差異(P>0.05)。與濕磨法相比,堿法和中性蛋白酶法制得的面包果淀粉提取率顯著提高(P<0.05)。中性蛋白酶法相較于堿法而言處理手段更加溫和,其制備的面包果淀粉提取率略低于堿法可能是因為面包果淀粉的結構致密,與蛋白質緊密相連,酶不易將蛋白質水解,與淀粉分離較堿法困難[19]。另外,從提取的淀粉破損率層面分析可看出,堿法提取的面包果淀粉破損率最大(4.20%),是中性蛋白酶法(2.28%)破損率的1.84倍,說明中性蛋白酶法對面包果淀粉顆粒的破壞程度較小,能更好的保留面包果淀粉顆粒的完整性[20]。而濕磨法對面包果淀粉破損程度(1.92%)雖最輕,但只比中性蛋白酶法破損率略低,其提取率卻遠低于中性蛋白酶法。

表1 不同方法制備的面包果淀粉提取率和破損率

2.2 不同提取方法對面包果淀粉提取物中化學成分的影響

不同提取方法對面包果淀粉提取物中化學成分的影響結果如表2所示,其主要反映的是三種提取方法制得的面包果淀粉提取物中蛋白質和脂肪的殘留量。三種方法所得淀粉中蛋白質含量的變化范圍為0.38%～2.61%,脂肪含量變化范圍為0.10%～0.55%。其中采用濕磨法提取的面包果淀粉中蛋白質和脂肪殘留量最高,分別為2.61%和0.55%。由于蛋白質的親水性,濕磨法所得面包果淀粉的水分含量和灰分含量相應地也最高(12.97%和0.36%)。堿法提取的面包果淀粉中蛋白質殘留量最低(0.38%),是由于堿性溶液可能會破壞蛋白質分子中的氫鍵,從而使蛋白質分子更好的溶解在堿溶液中,提高蛋白質分子和淀粉的分離效果[21]。對比三種方法的蛋白質和脂肪殘留量,中性蛋白酶法與殘留量最少的堿法相差幅度較小,而與殘留量最大的濕磨法相差幅度較大。

表2 不同方法制備的面包果淀粉中化學成分含量

2.3 不同提取方法制備的面包果淀粉掃描電鏡分析

由掃描電鏡觀察得到的三種方法提取面包果淀粉的微觀形貌如圖1所示,可以看出面包果淀粉顆粒較小,直徑小于10 μm(基于SEM顯微照片的比例),顆粒大多數呈多面體形,棱角圓滑,有的呈球形和橢圓形,顆粒表面光滑,這與Nwokocha等[22]的描述一致。采用不同提取方法得到的面包果淀粉顆粒形貌存在一定差異,濕磨法提取的面包果淀粉表面有明顯蛋白質殘留,且部分表面有裂痕和孔洞;采用堿法提取的面包果淀粉則破損最嚴重,表面光滑度明顯下降,分散的淀粉顆粒較少,大多數淀粉顆粒之間因破損嚴重而明顯粘連,這與表1中堿法提取的淀粉破損率最大相互佐證;而采用中性蛋白酶法提取面包果淀粉顆粒比堿法更為規整,且淀粉分子表面也較為光滑。淀粉在加工研磨過程中由于機械力的作用會對淀粉分子外部形態和內部結構造成損傷,破損淀粉會影響淀粉本身的功能性質和營養品質,如小麥粉在加工成面條或者餃子粉時,破損淀粉含量過高會更容易導致產品品質劣質[23]。本實驗中的堿法提取的面包果淀粉破損大,可能會對其產品加工特性產生不利影響。

圖1 不同提取方法制備的面包果淀粉微觀形貌(5000×)

2.4 不同提取方法制備的面包果淀粉溶解度和膨脹度

淀粉的溶解主要是吸水膨脹的淀粉顆粒解體后直鏈淀粉逸出擴散在水中的結果,反映了糊化之后的淀粉溶解于水中的含量。從圖2a可看出,在55～95 ℃的溫度作用下,不同方法提取面包果淀粉的溶解度均隨溫度的升高而明顯增大,這是由于溫度的升高導致淀粉分子內的化學鍵斷裂,從緊密排列變為疏松狀態,吸水量和分子流動性迅速增加,促進了顆粒破裂后的淀粉分子在水中的分散。面包果淀粉的溶解度75 ℃后迅速增加,黃歡等[24]研究報道表明從70 ℃開始,馬鈴薯淀粉的溶解度亦顯著增加。在不同溫度下,濕磨法提取的面包果淀粉溶解度最大,其溶解度在4.82%～16.84%之間,這可能是由于其溶解析出直鏈淀粉含量最高,殘留蛋白質含量最多且濕磨法提取的面包果淀粉部分表面有裂痕和孔洞,在溶解過程中殘留蛋白質和顆粒破裂后的淀粉分子在水中的分散較多。堿法和中性蛋白酶法提取的面包果淀粉溶解度相差較小,分別為1.77%(55 ℃)、10.96%(95 ℃)和1.92%(55 ℃)、11.54%(95 ℃)。膨脹度是淀粉顆粒在水懸浮液中受熱后的疏松吸水能力。圖2b中,隨著溫度的升高,不同方法提取面包果淀粉的膨脹度均表現出增大現象。這一結果與吳會琴等[25]對白蕓豆和小利馬豆淀粉的觀察結果一致。在55～75 ℃之間,三種方法提取的淀粉膨脹度都增加緩慢,75 ℃后面包果淀粉大量吸收水分而發生不可逆膨脹,相對應地其溶解度也呈劇烈上升趨勢。濕磨法提取的面包果淀粉在不同溫度下的膨脹度也最大,分別為4.58%(55 ℃)、16.27%(95 ℃),濕磨法的面包果淀粉溶解度大,大量直鏈淀粉從淀粉顆粒中溢出,使淀粉顆粒吸收更多的水分,導致淀粉顆粒吸水膨脹,即膨脹度增大。堿法和中性蛋白酶法提取的面包果淀粉膨脹度分別為1.52%(55 ℃)、10.45%(95 ℃)和1.41%(55 ℃)、10.62%(95 ℃),在誤差范圍內無顯著差異(P>0.05)。

圖2 不同溫度下面包果淀粉的溶解度和膨脹度

3 結論

利用不同方法提取的面包果淀粉在性質方面存在一定差異。濕磨法所制備面包果淀粉的破損率雖最小,但其提取率最低,同時蛋白質和脂肪殘留量也較多。堿法提取的面包果淀粉的提取率高,蛋白質和脂肪殘留量也最少,但其破損情況最為嚴重,造成淀粉顆粒間彼此粘連嚴重,同時堿法提取過程中會產生大量堿性廢液,不僅增加了廢水處理的成本,還會對環境造成污染。中性蛋白酶法制得面包果淀粉的提取率與堿法的無顯著性差異(P>0.05),并且其破損率遠小于堿法,中性蛋白酶法提取的面包果淀粉顆粒比堿法更為規整。三種方法所制備的面包果淀粉的溶解度和膨脹度均隨溫度的升高而升高,其中濕磨法制得的淀粉溶解度和膨脹度最大,堿法、中性蛋白酶法則無顯著性差異(P>0.05)。綜合分析對比濕磨法、堿法、中性蛋白酶法三種不同的提取方法對面包果淀粉性質的影響,中性蛋白酶法提取率高、破損率低、蛋白質和脂肪殘留量低、淀粉顆粒規整,為面包果淀粉提取的最佳方法,如果綜合考慮淀粉工業化生產經濟環保問題,中性蛋白酶法可作為面包果淀粉的一種新型綠色提取工藝。