王健一,湯俊杰,江祥富,郭澤鑌,鄭寶東,*,張 怡,*
(1.福建農林大學食品科學學院,福建 福州 350002;2.福建省特種淀粉品質科學與加工技術重點實驗室,福建 福州 350002)
淀粉作為植物性食物的重要組成部分,是人類膳食中最主要的碳水化合物來源。相較于一般天然高分子聚合物,淀粉具有獨特的膠體性能,在適宜條件下能增加流體或半流體體系的黏度并形成凝膠。因此,除了食品領域,淀粉在材料化工領域也得到廣泛的應用[1]。但天然淀粉由于易老化、溶解性低、剪切穩定性和熱穩定性差等缺點限制了它在工業中的應用范圍。長期以來,對原淀粉經過特定的化學、物理或生物改性處理使其符合不同加工需求是拓寬淀粉功能特性的主要方式[2]。隨著科學技術的發展,國內外學者已成功通過多種改性手段實現了淀粉的不同領域應用。不同于傳統的加熱方式,微波是一種基于介電效應的多物理場現象(高頻交變磁場產生的非電離輻射使物料內有極分子發生振蕩及摩擦,由此引發的能量轉化),具有啟動時間短、穿透性強、能量效率高等優點,因此微波作為一種高效的加工方式被廣泛應用于淀粉基食品的加工與生產[3-4]。研究發現,微波處理會引起淀粉分子之間發生劇烈的碰撞,導致淀粉顆粒內部晶區和非晶區結構單元重新排列,進而重塑淀粉大分子鏈段間的相互作用形式,改變其理化性質,如糊化特性、膨脹力和熱穩定性等[5-7]。然而在淀粉基食物中,除淀粉外,其他小分子物質在整個食物的加工過程中同樣起著不可忽視的作用,如酚類化合物[8]。此類化合物具有高活性的羥基基團,這些基團與淀粉的羥基相互作用可形成氫鍵,能直接或間接干預淀粉聚合物鏈的排列,阻礙淀粉螺旋結構的重組,是影響淀粉多尺度結構的重要因素[9-10]。
流變學是研究物質變形及流動規律的科學,它是力學的一個新分支。早在20世紀上半葉,學術界和工業界就開始嘗試將食品大分子結構與其流變特性相關聯。當前,借助流變學指導食品成型加工領域已經得到長足的進步。在淀粉基食品加工領域,研究淀粉體系的流變特性對建立淀粉結構(顆粒形貌、淀粉鏈結構、超分子構象等)與流體行為之間的關系,以及將理化參數與其在特定工業應用中的適用性相匹配是非常必要的[11-12]。綜上,流變特性的研究已然成為淀粉基食品加工設計的重要組成部分。
蓮子為睡蓮科植物蓮(Nelumbo nubiferaGaertn.)的成熟種子,是我國重要的特產經濟作物,屬于典型的高淀粉質食品,其淀粉質量分數高達60%,并含有豐富的酚類物質(綠原酸為其主要酚類物質,相對含量為66%)[13-14]。本團隊前期研究發現,微波處理可以加速蓮子淀粉內部氫鍵的破壞,從而大幅增加淀粉分子與其他客體分子間的作用位點,提示微波處理具有促進蓮子淀粉復合物形成的作用[15-16]。目前鮮有關于微波處理對淀粉-多酚復雜體系流變特性的研究。因此,本實驗通過微波法制備蓮子淀粉-綠原酸復合物,研究微波處理對淀粉-多酚體系流變特性的影響,以期為微波在多元淀粉基食品加工中的應用提供理論依據。
冷凍鮮蓮由綠田(福建)食品有限公司提供。
綠原酸 上海源葉生物科技有限公司;其他試劑均為國產分析純。
DS-200型高速組織搗碎機 常州翔天實驗儀器廠;XH-300B微波萃取儀 北京祥鵠科技發展有限公司;快速黏度分析(rapid visco analyze,RVA)儀 北京中西遠大科技有限公司;MCR301型流變儀 奧地利安東帕公司;GPC-MALS凝膠色譜-示差-多角度激光光散射系統美國懷雅特技術公司;H1850R冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司;UV-2000型紫外-可見分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司。
1.3.1 蓮子淀粉-綠原酸復合物的制備
參照Wang Jianyi等[16]的方法制備蓮子淀粉和蓮子淀粉-綠原酸復合物。以蒸餾水為溶劑配制8 g/100 mL蓮子淀粉、蓮子淀粉-綠原酸復合物懸浮液。進一步將蓮子淀粉及蓮子淀粉-綠原酸混合溶液置于XH-300B微波萃取儀,用不同微波功率(200、250、300 W,8 min)對體系進行預處理。微波處理后離心(3 500×g,10 min),所得沉淀用體積分數50%乙醇溶液清洗,冷凍干燥并過篩(150 目)制得樣品。蓮子淀粉樣品記為LS(LS-200、LS-250、LS-300分別表示經200、250、300 W微波處理LS的樣品),蓮子淀粉-綠原酸復合物樣品記為LS-CA(LS-CA-200、LS-CA-250、LS-CA-300分別表示經200、250、300 W微波處理的LS-CA樣品)。
1.3.2 糊化特性的測定
參考Guo Zebin等[17]的方法并稍作修改。準確稱取2 g樣品與25 mL蒸餾水混合,采用RVA儀測定蓮子淀粉及蓮子淀粉-綠原酸復合物的糊化特性。測試條件:50 ℃平衡1 min,以9 ℃/min速率升溫至95 ℃,95 ℃恒溫保持10 min后,以9 ℃/min速率降至50 ℃并保持2 min。
1.3.3 直鏈淀粉溶出量的測定
參考Li Min等[18]的方法并稍作修改。取20 mg淀粉樣品溶于10 mL的蒸餾水中,3 500×g離心10 min,隨后用碘結合法測定上清液中的直鏈淀粉含量,結果以每克淀粉所含直鏈淀粉質量表示,單位為mg/g。
1.3.4 流變特性的測定
取少量RVA糊化后的樣品加載至下板中用于流變特性的測定,控制轉子下壓并除去多余樣品。測試均采用CP-50錐形板(50 mm直徑和1 mm狹縫),板間溫度均為25 ℃,測試過程中為避免樣品水分流失,用硅油將錐形板周圍密封。
1.3.4.1 穩態剪切速率掃描
參考Shafiei-Sabet等[19]所描述的方法并稍作修改,采用對數取點的方式從0.001~100 s-1進行速率掃描,記錄樣品的穩態剪切黏度。
1.3.4.2 觸變性測定
記錄樣品剪切應力(τ)隨剪切速率(γ)在上升(0.1~500 s-1,上行線)及下降(500~0.1 s-1,下行線)過程中的變化,采用Herschel-Bulkley模型(下式)對流變曲線進行擬合分析。

式中:τ代表剪切應力/Pa;τ0代表屈服應力/Pa;γ代表剪切速率/s-1;K代表稠度系數/(Pa·sn);n代表流體指數。
1.3.4.3 動態頻率掃描
在應變為0.5%的條件下進行頻率掃描(線性黏彈區內),角頻率范圍1~100 rad/s,記錄掃描過程中儲能模量(G’)及損耗模量(G’’)的變化。
1.3.5 復合物分子質量的測定
參考Zhang Yanjun等[20]的方法略有改動。稱取5 mg樣品溶解于10 mL二甲基亞砜-LiBr(50 mmol/L)溶液中,60 ℃加熱攪拌8 h,然后10 000×g離心10 min,取上清液過0.45 μm膜待測。
凝膠色譜-示差-多角度激光光散射條件:色譜柱為Styragel HMW 6E柱;流速0.5 mL/min;測試溫度65 ℃;進樣量100 μL。
應用SPSS 17.0和Origin Pro 7.5軟件進行數據處理,采用Duncan新復極差法進行顯著性分析。實驗結果以平均值±標準差表示,以P<0.05表示差異顯著。
天然淀粉顆粒具有致密的殼層結構,對水分子的滲透具有一定的阻礙作用,因此淀粉主要是以懸浮顆粒的形態分散在水相中。當淀粉顆粒在水中加熱時,隨著溫度的升高,處于淀粉殼層內部的結構單元開始瓦解,晶體結構逐漸消失。在這個過程中淀粉顆粒吸水膨脹,分布于顆粒內部的直鏈淀粉逐步溶解,從而導致整個淀粉體系的黏度增大,溶液呈現糊狀。由圖1和表1可知,與原淀粉相比,蓮子淀粉體系經過200~250 W微波處理8 min后,淀粉溶液的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度和回生值相對原淀粉均有不同程度的下降,但糊化溫度卻有所升高,且隨微波功率增加逐漸升高。這是因為在微波處理過程中,淀粉內部的鏈結構會發生一定程度的降解,導致體系在糊化過程中無法形成穩定的纏結網絡,表現出較低的糊化特性。然而在較低的微波功率下,淀粉鏈的降解程度是有限的,此時淀粉顆粒內部穩定性相對較差的缺陷結晶結構優先發生崩解,而穩定性較好的結晶結構卻得到了強化,使得淀粉顆粒整體有序化程度反而增加,因此糊化溫度升高[7,21]。這也與本課題組前期對蓮子淀粉顆粒結構的研究結果[16]相一致,表明低功率的微波處理(200~250 W、8 min)無法完全破壞淀粉的殼層結構。隨著微波功率繼續增大(300 W、8 min),淀粉分子簇狀結構將無法維持顆粒進一步膨脹,原有的殼層結構發生分解。從LS-300的糊化曲線可知,由于失去顆粒結構,淀粉體系僅在加熱初期就開始吸水膨脹(黏度上升),其糊化溫度從78.15 ℃降至51.62 ℃,但在膨脹糊化后,淀粉溶液的黏度與回生值卻突然開始大幅度增加。研究發現,淀粉顆粒在低剪切力的情況下加熱至糊化溫度時,它們會膨脹并釋放出一些分子質量較小的成分(主要為直鏈淀粉和一些分子質量較低的支鏈淀粉),其殘留的顆粒組分會形成一種所謂“starch ghost”的特殊結構,此時溶出的直鏈淀粉將會和體系中的長支鏈淀粉相互交聯,形成聚合物外殼覆蓋在“starch ghost”的表面[22-24]。對于LS-300,高功率微波處理將促使部分直鏈淀粉提前溶出,形成更加穩定的直鏈淀粉外殼結構,造成淀粉溶液黏度驟然增大。LS-CA復合物樣品的糊化特性整體低于LS樣品,這是由于綠原酸的引入稀釋了淀粉基質的濃度,使淀粉分子間的接觸幾率降低,減少了淀粉鏈糊化后的纏結與交聯。此外,由于部分淀粉分子已經與綠原酸形成復合體,導致在加熱過程體系中淀粉非晶態鏈的遷移率受限,進一步阻礙淀粉分子間的相互作用[25-26]。因此,即使在高功率微波組(LS-CA-300),蓮子淀粉-綠原酸體系依然具有較低的黏度,表現出更佳的熱穩定性與抗老化特性。

表1 不同微波功率下LS和LS-CA的糊化特性參數Table 1 Pasting characteristics of LS and LS-CA treated with different microwave powers

圖1 不同微波功率下LS和LS-CA的RVA糊化曲線Fig. 1 Rapid visco analyze profiles of LS and LS-CA treated with different microwave powers
由圖2可知,所有樣品組中原淀粉的直鏈淀粉溶出量最低,這是因為直鏈淀粉分子是參與淀粉內部片層結構(尤其是無定形層)組裝的重要成分[27],由于天然淀粉具有致密的片層結構,導致大部分直鏈淀粉不能與碘直接接觸,意味著位于顆粒內部片層區的直鏈淀粉無法被檢測到。隨著微波功率的提高,LS組的直鏈淀粉溶出量逐漸增大,表明此時淀粉顆粒的片層結構已經發生破壞,原先處于片層區內部的直鏈淀粉逐步溶出。值得注意的是,原淀粉中小部分直鏈淀粉分子可以與脂質形成V型復合物,即使在糊化條件下,這些直鏈淀粉-脂質復合物依然能維持其單螺旋結構的完整性,使其無法完全溶出[8]。與單一蓮子淀粉LS樣品相比,蓮子淀粉-綠原酸復合物LS-CA樣品的直鏈淀粉溶出量在相同微波功率下呈現不同程度的下降,且在300 W時最為明顯。這些變化是由于在含有固定數量的直鏈淀粉體系中,綠原酸分子與碘分子之間存在競爭機制,即在微波處理過程中部分溶出的直鏈淀粉已經與綠原酸形成復合體,無法與碘發生顯色反應,而在高功率微波組(300 W),大量直鏈淀粉的溶出為綠原酸分子提供更多作用位點,此時參與復合體形成的直鏈淀粉比例增大,導致LS-300與LS-CA-300之間表現出顯著差異(P<0.05)。這與2.1節RVA糊化曲線的變化趨勢一致,證明綠原酸的存在抑制了糊化過程中直鏈淀粉的纏結與交聯,從而使淀粉溶液的黏度降低。

圖2 不同微波功率下LS和LS-CA的直鏈淀粉溶出量Fig. 2 Amounts of leached amylose from LS and LS-CA treated with different microwave powers
從圖3中可以看出,伴隨著剪切速率的增加,樣品黏度的變化趨勢可以劃分為3個階段(剪切變稀-剪切平臺-剪切變稀)。研究表明,溶致性液晶聚合物體系具有3 段剪切黏度行為:在剪切速率增大的初期,手性向列相液晶結構域的排列導致體系的表觀黏度呈現出減小的趨勢;在中等剪切速率條件下,液晶結構域的取向逐漸與剪切方向相一致,溶液呈現出類牛頓流體行為;隨著剪切速率的進一步升高,體系中所產生的剪切應力增大到足以破壞液晶結構域,此時液晶原沿剪切力的方向重新取向,流層間的阻力變小,溶液表觀黏度明顯下降[19]。對于淀粉分子而言,其支鏈淀粉的結構單元與側鏈液晶聚合物具有高度相似性[28-29],因此表現出類似于液晶體系的3 段剪切黏度行為。當剪切速率小于5.0×10-2s-1時,蓮子淀粉體系的黏度均隨著剪切速率的減小而迅速增大,說明蓮子淀粉體系在低剪切速率下具有一定的勁度。一般而言,淀粉糊溶液的流動單元不是整個分子長鏈,而是淀粉鏈段之間的分段躍遷,通過鏈段相繼拉伸,淀粉鏈的重心沿外力的方向偏移,從而實現流動[30]。而淀粉鏈之間通過相互纏繞形成一種擬網狀凝膠結構,在靜止狀態下具有一定的韌性[31],若剪切速率較小,淀粉鏈的流動將會異常困難,此時淀粉體系呈現類橡膠狀,存在屈服前區的現象,說明蓮子淀粉溶液是具有一定屈服應力的非牛頓流體。

圖3 不同微波功率下LS和LS-CA的剪切流動曲線Fig. 3 Shear flow curves of LS and LS-CA treated with different microwave powers
通過對不同微波功率下蓮子淀粉及蓮子淀粉-綠原酸復合物流動曲線的分析可以看出,隨著微波功率的升高,淀粉體系的3 段剪切黏度行為逐漸消失。這是因為淀粉糊體系的液晶特性主要依賴于支鏈淀粉側鏈的構造單元(由雙螺旋所形成的簇狀結構),在此模型中,構造單元充當液晶原,經由簇間鏈段附著在淀粉主鏈上[32]。在微波作用后,部分構造單元會從淀粉主鏈上解耦分離,導致體系不再具備液晶行為[33]。另一方面,在這個過程中,更多的直鏈淀粉將參與溶液中連續相的構成,導致淀粉糊整體的剛性和勁度升高,意味著在流動取向的過程中不易恢復原形(具有更長的變形松弛時間)[34],因此相對于低功率微波組,LS-300在較低的剪切速率下就進入剪切黏度行為的第3階段,同時表現出更加明顯的剪切稀化行為。通過對比可以發現,LS-CA組中的淀粉體系黏度整體低于LS組,這是因為綠原酸的添加將提高溶液的電導率,導致體系具有更高的介電損耗因子ε”(物體將微波能轉化為熱能的系數)[4]。因此相較于單一淀粉溶液,雙元體系中的淀粉單元更易受到微波的影響;此外,當形成復合體后,綠原酸分子能夠通過與直鏈淀粉相互作用減少淀粉鏈段的纏結,進一步弱化體系纏結區。此結果與RVA糊化曲線及直鏈淀粉溶出量的變化趨勢一致,表明綠原酸的分子行為對淀粉糊的流變特性有著重要的影響。
不同微波條件下蓮子淀粉-綠原酸復合物的觸變行為如圖4所示,所有淀粉凝膠均呈現順時針滯后環,說明蓮子淀粉糊體系具有明顯的觸變性。研究表明,柔性鏈高分子物質在溶液中通常處于無規卷曲狀態,此時分子鏈為自由聯結的Gauss鏈構象,當體系在外力的作用下發生流動時,分子鏈被迫發生相對位移,導致聯結點數量減少,體系黏度下降[35]。而淀粉大分子鏈的運動具備松弛特性,當外力消失后,發生改變的鏈構象會自發地產生彈性回復(熵彈性),但長鏈大分子的松弛時間較長,導致鏈構象無法及時恢復到平衡狀態,因此會產生滯后環。為了進一步研究剪切力對蓮子淀粉-綠原酸復合物觸變行為的影響,本實驗采用Herschel-Bulkley方程對其觸變行為進行擬合,結果見表2。可以看出,隨著微波功率的升高,蓮子淀粉體系黏稠系數K與滯后環面積均呈現先減少后增大的趨勢,而流體指數n則呈現相反的變化。這是因為一定范圍內的微波處理(200~250 W)能夠破壞淀粉分子鏈的完整性,導致淀粉糊體系中產生許多分子質量較小的碎片單元[4],這些碎片結構能充當軟化劑促使淀粉糊體系逐漸向牛頓流體轉變,而300 W微波處理能夠引起大量直鏈淀粉提前溶出形成長且穩定的纏結區強化淀粉糊凝膠網絡,使體系呈明顯的假塑性狀態。該擬合結果與上述速率曲線的變化趨勢相一致,證實直鏈淀粉的溶出會影響淀粉糊體系的慢松弛行為。進一步研究發現,當綠原酸加入淀粉體系后,所有微波處理組的觸變性(滯后環面積)和黏稠系數都顯著減小(P<0.05),說明此時體系內淀粉分子鏈之間的作用力減弱,所形成的自由聯結鏈構象具有更強的恢復性。這個結果表明蓮子淀粉-綠原酸復合物的形成可以用于緩解淀粉糊體系在剪切過程中鏈構象單元的破壞,增強剪切抵抗力。

圖4 不同微波功率下LS和LS-CA的觸變行為Fig. 4 Thixotropic behavior of LS and LS-CA treated with different microwave power

表2 不同微波功率下LS和LS-CA流變曲線的Herschel-Bulkley模型擬合參數Table 2 Herschel-Bulkley rheological parameters of LS and LS-CA treated with different microwave powers
圖5為不同微波條件下蓮子淀粉及蓮子淀粉-綠原酸復合物體系的動態模量變化曲線。可以看出,在整個角頻率范圍內(1~100 rad/s),所有樣品的G’均高于G’’,且呈現出明顯的頻率依賴性,說明此時淀粉分子之間形成三維網絡結構,表現出典型的弱凝膠黏彈性行為[36]。當淀粉經過微波處理后,淀粉糊的G’和G’’明顯降低,表明微波處理弱化了淀粉糊的凝膠結構。這是因為微波會導致淀粉長鏈斷裂及重排,使得淀粉凝膠體系中的長鏈淀粉分子所占的比例減少,而長鏈淀粉分子是維持凝膠永久纏結區穩定性的重要組分,故微波處理后淀粉糊體系的凝膠強度降低。但是當微波功率達到300 W后,淀粉顆粒完全破碎,大量直鏈淀粉提前溶出,這些溶出的直鏈淀粉能形成骨架結構強化纏結區,使得淀粉糊體系凝膠強度反而升高。這與RVA糊化曲線的結果相一致。對于復合組的淀粉凝膠來說,綠原酸的添加明顯降低其G’和G’’,且在相同的微波功率下G’的變化大于G’’,說明綠原酸的加入對凝膠體系的彈性部分有更大影響。一般來說,在糊化過程中單一淀粉糊溶液能夠形成以直鏈淀粉為連續相和以殘留顆粒組分(“starch ghost”,主要是支鏈淀粉)為分散相的雙相分散體系[24],對于LS-CA復合物,其凝膠結構將更為復雜:一方面,部分物理包埋的綠原酸在高溫條件下易發生降解并成為游離組分,在冷卻過程中這些游離的組分將參與凝膠網絡的組成,形成少量臨時纏結區,相應的以淀粉分子為主的成膠交聯結構數量減少,導致G’隨復合程度的增大而減小;另一方面,部分綠原酸與淀粉形成復合體,使淀粉分子間將產生額外的空間位阻,阻礙淀粉凝膠網絡的生成。基于此,認為綠原酸對淀粉凝膠體系彈性部分的影響主要是通過干預體系中直鏈淀粉分子的相互作用,進而減少凝膠網絡中永久纏結區的形成。

圖5 不同微波功率下LS和LS-CA的黏彈特性Fig. 5 Viscoelastic properties of LS and LS-CA treated with different microwave powers
為進一步驗證上述研究結論,采用凝膠色譜-示差-多角度激光光散射系統對體系分子質量進行測定,結果見表3。隨著微波功率的升高,LS與LS-CA組的重均分子質量(mw)均呈下降的趨勢,同時,在相同的微波條件下LS-CA組的下降程度更為明顯,僅在200 W微波條件下其重均分子質量就已經降至6.44×106Da(減小了48%)。說明微波處理能夠導致淀粉分子鏈結構發生斷裂,其斷裂程度取決于微波功率,當體系加入綠原酸后,淀粉組分的微波耐受性大幅度減弱,造成復合組的重均分子質量下降更為明顯;相應的,由于體系中存在許多碎片鏈結構單元,導致LS與LS-CA組的多分散系數(mw/mn)分別從1.67及2.77(200 W)增至4.47及4.64(300 W),這與Yang Qingyu等[37]的研究結果相一致。

表3 不同微波功率下LS和LS-CA的分子質量分布Table 3 Molecular mass distribution of LS and LS-CA treated with different microwave powers
Z均旋轉半徑(Rz)可以用來表征淀粉體系分支程度的變化[38],微波處理后的蓮子淀粉及蓮子淀粉-綠原酸復合體系的Z均旋轉半徑均小于天然淀粉樣品,這與重均分子質量的變化趨勢相一致,表明微波處理導致淀粉體系整體分支度降低,此時部分長鏈支鏈淀粉將會降解成短鏈結構單元。一般而言,在多糖聚合物體系中,分子質量越小其黏度也相應越低[39],而在上述研究中LS-300組的黏度反而會出現顯著的上升現象,這是因為對于淀粉分子,短鏈結構單元(主要是直鏈淀粉)易發生短期老化,形成較為規整的網絡骨架結構。但在高微波功率處理復合組(LS-CA-300),綠原酸的引入對其黏度反彈現象有明顯的抑制效應,這證實了之前的結論,即綠原酸分子主要是通過干預體系中直鏈淀粉分子的相互作用,進而影響凝膠網絡的形成。
本研究探討了微波處理對蓮子淀粉-綠原酸復合體系糊化性質及其流變特性的影響。結果表明,微波處理可以破壞淀粉的長鏈結構,進而減少淀粉鏈糊化后的纏結與交聯,導致復合物凝膠體系的糊化性質以及流變特性均發生顯著改變,其改變程度取決于微波功率。具體而言,低功率的微波處理(200~250 W、8 min)無法完全破壞淀粉的顆粒結構,此時淀粉依然具有較為完整的糊化曲線;當微波功率增加至300 W,淀粉顆粒完全破裂,大量直鏈淀粉提前溶出,此時復合體系中形成大量穩定的直鏈淀粉骨架結構,反而導致體系具有較強的凝膠纏結區;然而對于蓮子淀粉-綠原酸復合組,綠原酸能夠干預體系中直鏈淀粉分子的相互作用,這不僅一定程度上抑制了淀粉的短期老化,同時也增強了淀粉糊體系在剪切過程中構象單元的穩定性,表明微波技術可以用于改善淀粉-綠原酸雙元體系的流變特性,且形成的復合物具有較好的熱穩定性以及剪切穩定性。