方竹筍超微粉對大米淀粉理化和結構特性的影響

黃藝,張同芳,張甫生,楊金來,吳良如*,鄭炯*

1(西南大學 食品科學學院,食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(西南大學),重慶,400715) 2(國家林業和草原局竹子研究開發中心,浙江 杭州,310012)

方竹(Chimonobambusaquadrangularis)屬于禾本科竹亞科寒竹屬植物,因竹稈呈四棱形略方得名。方竹筍肉質鮮美,含有豐富的膳食纖維、蛋白質、氨基酸和礦物元素,且脂肪含量低,具有抗氧化、降血糖、降血脂、提升免疫力等多重功效,被譽為“筍中之王”[1]。目前,方竹筍主要加工方式有干制、腌制及罐制等,在加工過程中會產生大量筍頭等副產物。超微粉碎作為一種無損精細加工技術,通過對物料的碾磨、沖擊和剪切,使產品具備特殊理化性質,且更易被人體吸收。目前超微粉碎技術在果蔬加工等功能性食品開發中得到了廣泛應用。本課題組前期已經嘗試將方竹筍加工副產物制備成竹筍超微粉,能夠有效改善方竹筍全粉的理化性質、感官品質及加工特性[2],可作為原料和添加劑進行應用,從而提升全筍利用率。

淀粉是人類日常飲食中的主要能量來源,在材料、醫藥、食品等行業也有廣泛的應用[3]。然而,由于淀粉具有弱凝膠強度,低抗剪切性,易老化和穩定性較差等問題,使其在食品工業中的應用受到限制。研究表明,將蛋白質、膳食纖維或植物全粉添加入淀粉中,是一種提升淀粉理化特性及營養價值的有效方式[4-5]。竹筍超微粉作為一種高蛋白高膳食纖維粉體,目前其對淀粉理化及結構特性影響的研究還鮮有報道。因此,本文研究了不同添加量的方竹筍超微粉(Chimonobambusaquadrangularisshoot superfine powder,CQSSP)對大米淀粉糊化、流變等理化性質的影響,并采用紅外光譜、X-射線衍射、掃描電鏡等技術對大米淀粉的微觀結構進行分析,以期為CQSSP的高值化利用和產品開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金佛山方竹筍加工副產物,采自重慶特珍農業開發有限公司;大米淀粉,源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

FW100高速萬能粉碎機,北京科偉永興儀器有限公司;LHL型流化床式氣流粉碎機,山東濰坊正遠粉體工程設備有限公司;Mastersizer 3000激光粒度儀,英國馬爾文儀器有限公司;K9840自動凱氏定氮儀,濟南海能儀器股份有限公司;G210濾袋式全自動脂肪測定儀,上海晟聲自動化分析儀器有限公司;馬弗爐,河南奧菲達儀器設備有限公司;UV2800A紫外可見分光光度計,江蘇迅迪儀器科技有限公司;RVA-TecMaster快速黏度分析儀,瑞典波通儀器有限公司;DHR-1流變儀,美國TA公司;XRD-7000 X射線衍射分析儀,日本島津公司;Spectrum100傅里葉紅外光譜儀,美國PerkinElmer公司;ProX掃描電鏡,荷蘭Phenom World公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 CQSSP的制備

以金佛山方竹筍加工副產物為原料,洗凈、切片,沸水燙漂8 min,在60 ℃烘箱中烘干后置于萬能粉碎機中粉碎10 min,之后再置于氣流粉碎機中粉碎30 min,得到CQSSP。

1.3.2 粒徑的測定

取適量樣品,緩慢加入到裝有500 mL蒸餾水的燒杯中,并以2 500 r/min的轉速攪拌,使其均勻分布于燒杯中。當遮光度升高至20%左右時,停止加樣,采用激光粒度儀測定樣品的粒度分布。

1.3.3 CQSSP基本成分的測定

水分含量測定:參照GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》中的直接干燥法;蛋白質含量測定:參照GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》;膳食纖維含量測定:參照GB 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》;脂肪含量的測定:參照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測定》;總灰分含量的測定:參照GB 5009.4—2016《食品中灰分的測定》;總糖含量的測定:采用蒽酮比色法測定。

1.3.4 糊化特性的測定

準確稱取3.00 g大米淀粉,加入CQSSP,其添加量分別為大米淀粉質量分數的2%,4%,6%,8%。未添加CQSSP的大米淀粉作為對照組(CK)。稱量后將樣品和去離子水加入快速黏度分析儀(rapid visco analyser,RVA)專用鋁盒中攪拌,攪拌均勻后,進行淀粉糊化特性的測定。RVA轉速程序設置為:在起初10 s時間內為960 r/min,之后保持為160 r/min。溫度程序設置為:前1 min保持50 ℃,之后在3.75 min內升高至95 ℃,維持2 min,然后在3.5 min內降至50 ℃,并恒溫2.75 min。測試結束,得到糊化特性曲線。

1.3.5 流變特性測定

將RVA測定后淀粉糊加到流變儀的帕爾貼板上,選用40 mm的平板夾具進行實驗,設置間隙為1 000 μm,所有樣品測量溫度均為25 ℃。

靜態剪切流變特性的測定:在溫度25 ℃條件下,設定剪切速率從0～300 s-1遞增,記錄測試過程中剪切應力隨剪切速率的變化關系。用Power law模型對數據進行擬合。方程如公式(1)所示:

δ=K×γn

(1)

式中:δ為剪切應力,Pa,K為稠度系數;Pa·sn;γ為剪切速率,1/s;n為流體指數。

動態流變特性的測定:將樣品放在流變儀上,先進行動態應變掃描,在25 ℃條件下,測定在0.1%～100%應變范圍內儲能模量(G′)和損耗模量(G″)的變化情況,選擇一個能使各復配體系樣品在后續動態頻率掃描時都能處在線性黏彈區里的應變值。之后對樣品進行動態頻率掃描,測定在0.1～10 Hz頻率范圍內的G′和G″的變化。

1.3.6 X-射線衍射分析

將RVA測定后的淀粉糊進行真空冷凍干燥,然后取0.5 g制成粉末后進行X-射線衍射分析,并同時對未糊化的原大米淀粉進行測定。掃描角度范圍為5°～40°(2θ),掃描速率為2°/min,步長0.02°。參數測量在工作電壓為40 kV,電流為30 mA。

1.3.7 紅外光譜分析

采用Spectrum100傅里葉紅外光譜儀對樣品進行掃描測定。測試前對空氣進行單通道掃描,作為空白。測定條件為:波數范圍4 000～600 cm-1,掃描次數32次,掃描時間90 s,分辨率4 cm-1。

1.3.8 掃描電子顯微鏡形態觀察

取適量粉末樣品固定在鋁制樣品臺的雙面導電膠上,噴金處理后將放在掃描電鏡的載物臺上掃描觀察,放大倍數為500倍。

1.4 數據處理

實驗均重復3次,所得實驗數據用SPSS 21.0軟件進行差異顯著性分析,結果用表示。采用Origin-Pro 8.1軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 CQSSP粒徑及基本成分分析

在食品加工領域中,通常把平均粒徑在10～25 μm的粉末稱為超微粉體[6]。由表1可知,CQSSP的平均粒徑為(12.55±0.07) μm,已達到超微粉的標準。CQSSP的基本成分中,含量較高的組分為蛋白質[(39.78±0.30)%]和膳食纖維[(27.23±0.13)%],兩者含量總和約占CQSSP基本成分的70%。其次是總糖[(9.25±0.18)%]和灰分含量[(7.74±0.09)%]。而CQSSP中脂肪含量只有(2.40±0.12)%。以上結果說明CQSSP是一種高蛋白、高纖維、低脂肪含量的粉體,可以作為營養膳食補充劑或主食改良劑應用在食品工業中。

表1 CQSSP的平均粒徑及基本成分Table 1 The basic compositions and average particle size of CQSSP

2.2 CQSSP對大米淀粉糊化特性的影響

淀粉的糊化是淀粉顆粒受熱吸水溶脹的過程,其本質是氫鍵的斷裂和重排[7]。表2是CQSSP對大米淀粉糊化特性的影響。由表1可知,CQSSP是一種高蛋白質含量的粉體。蛋白質加熱變性會導致溶液黏度的增加,同時蛋白質與淀粉之間可能存在的氫鍵作用也會提升淀粉糊黏度。研究表明,向淀粉中添加蛋白質會形成空間位阻,從而降低糊化過程中滲出淀粉分子的有效濃度和形成的氫鍵數量,最終使得淀粉糊黏度下降[9]。與CK相比,添加CQSSP顯著降低了大米淀粉的峰值黏度和終值黏度,并隨著CQSSP添加量的增加呈現遞減趨勢。峰值黏度和終值黏度分別反映了大米淀粉的溶脹能力和增稠幅度[8],說明隨著CQSSP添加量的增加,大米淀粉變得更難溶脹,且淀粉糊稠度降低。因此,CQSSP中的蛋白質可能與淀粉分子形成氫鍵的能力較弱,或難以形成氫鍵。所以蛋白質對淀粉溶液的稀釋效應可能是造成糊黏度下降的主要原因。

崩解值為峰值黏度和谷黏度的差值,反映了淀粉糊的熱穩定性[10]。如表2所示,隨著CQSSP添加量的增加,崩解值均降低,說明添加CQSSP能夠抑制淀粉顆粒的崩解,提升大米淀粉糊的穩定性。這可能是因為CQSSP中富含的膳食纖維在加熱過程中與可溶性淀粉顆粒通過氫鍵結合,相互纏繞并包裹在淀粉顆粒表面,起到了一定保護作用,使得淀粉顆粒難以與水分子接觸,從而抑制了淀粉顆粒溶脹。這也使得大米淀粉的糊化需要更高的能量,因此所需糊化溫度也隨CQSSP的添加量顯著增加,這與夏文等[11]報道的米糠膳食纖維對大米淀粉的作用結果一致。回生值反映了淀粉短期回生的程度,與直鏈淀粉分子定向排列形成三維網絡結構相關。大米淀粉的回生值隨著CQSSP添加量的增加而顯著降低。LI等[12]研究表明親水膠體與淀粉會在體系中競爭游離水。CQSSP中的親水性多糖可能與水結合,導致了游離水的減少,從而降低直鏈淀粉分子的流動性。因此CQSSP的添加能抑制淀粉分子形成初始的凝膠網絡,延緩短期回生。

表2 CQSSP對大米淀粉糊化特性的影響Table 2 Effects of CQSSP on pasting properties of rice starch

2.3 CQSSP對大米淀粉流變特性的影響

2.3.1 靜態流變特性

圖1 為CQSSP對大米淀粉靜態流動特性的影響。由圖1可知,所有樣品的剪切應力均隨著剪切速率的增加而增加,但增長速率逐漸降低,說明大米淀粉糊具有剪切稀化的特性。在同樣的剪切速率下,添加CQSSP后剪切應力均小于CK,且隨著添加量的增加而降低。這表明CQSSP的添加使大米淀粉凝膠更容易被破壞。凝膠的剪切性能與長鏈聚合物的解纏有關[13]。CQSSP中蛋白質可能會阻礙淀粉分子的定向排列,導致纏結的淀粉分子數減少,凝膠結構更為松散,因此更易被破壞。

將所得實驗數據通過冪定律進行擬合,結果如表3所示。由表3可知,相關系數R2>0.99,表明Power law模型對靜態流變數據具有較好的擬合度。流動特性指數n反映了樣品與牛頓流體接近的程度,n值越低則流體假塑性越高。所有淀粉糊的n值均小于1,說明均為假塑性流體。添加CQSSP提升了大米淀粉的n值,表明CQSSP加入后淀粉糊的假塑性降低。研究發現向甘薯淀粉中添加低聚糖也得到了類似的結果[14],這可能是膳食纖維等多糖與水分子之間產生了相互作用,增加了剪切過程中長鏈分子間的流動阻力,從而抑制了長鏈淀粉的解纏,降低了假塑性[15]。稠度系數K值可作為黏度的指標。隨著CQSSP添加量的增加,稠度系數K值逐漸降低。與CK相比,當添加量為8%時,K值顯著降低了46.8%。因此CQSSP的添加顯著降低了大米淀粉糊的黏度和對剪切力的抵抗力,這可能是蛋白質的阻隔效應減少了淀粉分子鏈間形成的氫鍵。該結果與RVA糊化特性中黏度變化一致。

圖1 CQSSP對大米淀粉靜態流動特性的影響Fig.1 Effects of CQSSP on steady flow characteristics of rice starch

表3 CQSSP對大米淀粉靜態流動擬合參數Table 3 The fitting parameters of steady flow properties of starch mixed by CQSSP

2.3.2 動態流變

圖2為CQSSP對大米淀粉G′和G″的影響。由圖2可知,所有樣品的G′和G″均隨頻率增加而增加,且G′>G″,呈現出典型的弱凝膠特性[16]。其中,添加CQSSP的大米淀粉的G′和G″均小于CK,且隨著添加量的增加逐漸減小,表明添加CQSSP會降低大米淀粉的黏彈性。同時CQSSP的加入對大米淀粉彈性的影響要強于對黏性的影響,這與SINGH等[17]將阿拉伯膠加入到木薯淀粉中引起的變化一致。研究表明,淀粉凝膠的強度與直鏈淀粉的含量和分子間氫鍵的可用性有關,直鏈淀粉分子定向遷移形成的網絡結構為凝膠提供彈性和黏聚性[18]。由RVA分析可知,部分淀粉顆粒被膳食纖維包裹,阻礙了直鏈淀粉分子的滲出,同時蛋白質等大分子物質阻礙了直鏈淀粉分子在淀粉糊中的擴散,使得淀粉分子相互作用的數量減少,網絡凝膠穩定性減弱。有研究發現蛋白質的加入可以減弱淀粉溶液的電負性[19],因此CQSSP中的蛋白質可能使淀粉分子鏈間排斥作用減弱,進而降低淀粉凝膠有序性。HUANG等[4]在關于竹筍殼纖維對大米淀粉的影響研究中表明,纖維與直鏈淀粉分子間可能形成氫鍵,使得淀粉分子內氫鍵的形成受到抑制,導致凝膠三維結構的形成受到抑制。

a-G′;b-G″圖2 CQSSP對大米淀粉G′和G″的影響Fig.2 Effect of CQSSP on G′ and G″ of rice starch

2.4 CQSSP對大米淀粉結晶結構的影響

圖3為原大米淀粉和添加CQSSP的大米淀粉的X-衍射圖譜。由圖3可知,原大米淀粉是典型的A型晶體,在2θ角為15°、17.9°、18.7°、23.5°附近均出現強烈的衍射峰[20]。淀粉老化過程中,淀粉分子緩慢重結晶,導致結晶含量升高。因此衍射峰越高越窄,結晶度越高,則老化程度越強。圖3中老化后的大米淀粉衍射圖譜呈現出典型的B型峰,在2θ=17°處均出現明顯的衍射峰,該特征峰主要是由長期老化所引起。與CK比較,CQSSP的添加未改變衍射峰位置,因此對淀粉晶體結構沒有影響[21]。在2θ=17°處,當CQSSP添加量逐漸增加,衍射峰強度明顯減弱,結晶度降低,表明CQSSP能抑制支鏈淀粉分子的重結晶,具有一定抗老化效果[22]。研究表明,小分子糖和水分子之間的相容性能很大程度上會影響淀粉老化[18];而大分子多糖能對淀粉顆粒內部支鏈分子結晶交聯體系產生干擾,從而降低凝膠結晶度。因此可以推測結晶度的降低可能與膳食纖維干擾支鏈淀粉的聚集有關;同時CQSSP中含有的小分子多糖與水分子的相容性可以稀釋淀粉分子[23],導致淀粉分子遷移率降低,從而抑制大米淀粉的老化。

圖3 原大米淀粉和添加CQSSP 的大米淀粉的X-衍射圖Fig.3 XRD curves of native rice starch and rice starch with CQSSP

2.5 紅外光譜分析

圖4是添加CQSSP的大米淀粉紅外光譜圖。由圖4可知,與CK組相比,添加CQSSP未產生新的吸收峰,且各峰振動并未出現較大差異。表明CQSSP和大米淀粉顆粒之間沒有共價結合,兩者相互作用方式可能是較弱的氫鍵相互作用[24]。在波數為3 380 cm-1左右的峰寬而強,是O—H伸縮振動導致的吸收峰。與CK相比,添加CQSSP后的O—H伸縮振動峰發生紅移,這可能是膳食纖維與大米淀粉顆粒之間形成了氫鍵,并隨著添加量的增加氫鍵作用增強[23]。波數在1 640 cm-1左右的吸收峰為水分子彎曲振動峰。隨著CQSSP添加量的增加,波長逐漸由1 637 cm-1移到1 643 cm-1。KONG等[25]認為該處峰值波長的移動可能與添加物的羥基和直鏈淀粉的羥基發生氫鍵作用反應有關。因此CQSSP中的膳食纖維等多糖可能與糊化滲出的直鏈淀粉分子形成較強的相互作用,抑制了淀粉分子間形成氫鍵,從而延緩短期老化。這一結果也證實了動態流變分析中膳食纖維與淀粉分子間存在氫鍵作用的推測。

圖4 添加CQSSP的大米淀粉紅外光譜圖Fig.4 The fourier spectrograms of rice starch with CQSSP

2.6 CQSSP對大米淀粉凝膠微觀結構的影響

圖5是未添加和添加CQSSP后大米淀粉凝膠的微觀結構圖(放大500倍)。由圖5得知,未添加CQSSP的大米淀粉凝膠表面較光滑,呈現不規則片層狀,該結果與向大米淀粉中加入普魯蘭多糖結果一致[20]。與CK相比,添加2%CQSSP后,大米淀粉片狀結構開始破碎;當添加量為4%時,凝膠表面仍較光滑,但網絡結構上清晰可見不規則的大空洞;當添加量為6%時,孔洞明顯增多,且孔徑變小,孔壁較薄;當CQSSP添加量達到8%時,片層狀結構完全消失,孔洞增多且不規則,凝膠結構已經呈現出蜂窩網狀。根據紅外光譜分析結果推斷這可能是因為膳食纖維與淀粉分子之間的氫鍵作用降低了淀粉的持水能力,導致淀粉結合水減少,結晶變小且分布不均,凝膠的連續性被破壞,最終形成蜂窩狀的多孔結構。

a-CK;b-大米淀粉+2%CQSSP;c-大米淀粉+4%CQSSP;d-大米淀粉+6%CQSSP;e-大米淀粉+8%CQSSP圖5 未添加和添加CQSSP后大米淀粉凝膠的微觀結構圖(×500)Fig.5 SEM photographs (×500) of rice starch without and with CQSSP

3 結論

本研究表明,添加CQSSP對大米淀粉的理化和結構特性有顯著影響。CQSSP中的膳食纖維等組分可能與糊化過程中的淀粉分子形成氫鍵,對淀粉顆粒進行包裹,并且添加CQSSP對淀粉溶液具有一定稀釋作用,使得淀粉體系黏稠度下降,熱穩定性增強,因此大米淀粉的峰值黏度、終值黏度和G″均降低,糊化溫度升高。CQSSP與大米淀粉的相互作用也阻礙了淀粉分子之間的有序排列及其對水分的吸收利用,使得淀粉凝膠結構難以形成,連續性被破壞,從而降低了淀粉的崩解值、回生值、G′和結晶度,抑制了淀粉的老化和重結晶,最終由原淀粉的平滑片層狀結構轉變為破碎的疏松多孔網狀結構。紅外光譜分析進一步證實了CQSSP中多糖分子與淀粉分子之間存在氫鍵等相互作用。本文的研究結果可以為CQSSP在大米淀粉及其制品中的應用提供一定的理論參考。