六種處理方式對慈姑淀粉理化性質(zhì)的影響

戢得蓉，雷敏,2，段麗麗，喬明鋒*，李夢，席婉婷

1(四川旅游學(xué)院 食品學(xué)院，四川 成都，610100)2(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 沈陽，110866)

淀粉是一種環(huán)保、可降解的并且性價比高的資源，被廣泛運用到造紙、醫(yī)藥和食品等行業(yè)中[1]。但天然淀粉存在著許多缺點，如凍融穩(wěn)定性差、水溶性差且透光率低，限制了淀粉在工業(yè)上的運用[2]。不同的應(yīng)用方式，對淀粉品質(zhì)特性的要求有所不同，為了擴大淀粉的利用范圍，將淀粉進行改性處理是常見方法[3-4]，淀粉改性的方法包括化學(xué)改性、物理改性、生物改性和復(fù)合改性4種。化學(xué)改性方法運用最為廣泛，主要包括酸改性、氧化改性、交聯(lián)改性等[5]，酸改性淀粉水解的效率高，糖苷鍵被破壞，淀粉水解成小分子[6]，主要是應(yīng)用鹽酸、檸檬酸等化學(xué)試劑改性；氧化改性在氧化過程中發(fā)生羥基被氧化為羰基以及糖苷鍵斷裂現(xiàn)象[7]，由于其具有淀粉成膜性良好等特征常用于造紙等行業(yè)。交聯(lián)淀粉能改善淀粉的透明度及黏度，常用三偏磷酸鈉等交聯(lián)劑進行改性[8]。物理改性常指通過微波處理、電離放射線處理、超聲波處理、球磨處理、擠壓處理等物理手段對淀粉進行改性[9]，微波改性和超聲波改性較為常見。淀粉的生物改性是主要利用各種淀粉酶和淀粉相互反應(yīng)，改變天然的化學(xué)結(jié)構(gòu)[10]，主要由α-淀粉酶，β-淀粉酶等單一酶水解淀粉。

慈姑淀粉約占慈姑球莖干物質(zhì)質(zhì)量50%[11]，目前，提取慈姑淀粉的工藝流程沒有標(biāo)準(zhǔn)化，對慈姑淀粉的利用處于科學(xué)研究階段。陳曉明等[12]對天然慈姑淀粉的理化性質(zhì)進行分析，慈姑淀粉糊的熱漿黏度和最終黏度高，糊穩(wěn)定性好，但是凍融穩(wěn)定性較差，易老化。對于慈姑變性淀粉的研究，國內(nèi)外的報道相對較少。酸解-微波法制得的慈姑改性淀粉晶型轉(zhuǎn)變?yōu)镃型，具有連續(xù)的致密結(jié)構(gòu)和更強的持水力，但溶解度和透明度均降低[13]。γ-輻射制得的慈姑改性淀粉的峰值黏度、熱黏度、終值黏度和回生值均顯著減小，膨潤度和凝沉性降低[14]。超聲波法制得慈姑改性淀粉降解度和淀粉糊熱穩(wěn)定性都增大，但冷凍融性變差且淀粉顆粒表面變得粗糙[11]。過氧化氫氧化后的慈姑淀粉，溶解度、膨潤度升高，凝沉性更好，但凍融穩(wěn)定性變差[15]。為擴大慈姑淀粉利用范圍，為其應(yīng)用提供理論支持，本文對慈姑變性淀粉的品種進行擴展，采用微波、蘋果酸、鹽酸、三偏磷酸鈉、α-淀粉酶、乙酸酐等作用于慈姑淀粉，對變性慈姑淀粉的理化性質(zhì)進行探討。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

慈姑淀粉，彌勒市竹園鎮(zhèn)蔗林食品廠；蘋果酸、鹽酸、三偏磷酸鈉、乙酸酐、NaCl、NaOH，成都市科龍化工試劑，均為分析純。α-淀粉酶(≥3 700 U/g)，北京奧博星生物科技有限公司。

DZKW-S-8恒溫水浴鍋，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；STARTER 3100 pH計，奧豪斯儀器有限公司；DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予-華儀器有限責(zé)任公司；UV8100紫外分光光度計，北京萊伯泰科儀器有限公司；SC-80C全自動色差計，北京晨光光學(xué)儀器有限公司；101 電熱鼓風(fēng)干燥器、分析天平，常州衡正電子儀器有限公司；HD場發(fā)射掃描電子顯微鏡，德國SIGMA；Nicolet is 50傅里葉變換紅外光譜儀，美國賽默飛；Rigaku smartlab9 X-衍射儀，日本理學(xué)；Q200差示掃描量熱儀，美國TA儀器。

1.2 變性慈姑淀粉的制備

稱取40 g的慈姑原淀粉(I)配制質(zhì)量分數(shù)40%的淀粉乳分別進行以下6種操作：將淀粉乳密封，室溫下放置24 h，轉(zhuǎn)至微波(6 W/g)加熱30 s[16]，然后抽濾，干燥粉碎后得微波慈姑淀粉(II)；在淀粉乳中加入淀粉干基質(zhì)量3%的蘋果酸[17]，40 ℃下水浴反應(yīng)2 h，用1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至中性，然后抽濾，洗滌至濾液中性后，干燥粉碎后得蘋果酸慈姑淀粉(III)；在淀粉乳中滴入2 mL質(zhì)量分數(shù)0.36%的鹽酸[18]，用玻璃棒不斷攪拌，在65 ℃下水浴反應(yīng)1 h，用質(zhì)量分數(shù)3%的鹽酸調(diào)節(jié)溶液至中性，洗滌抽濾，干燥粉碎后得鹽酸慈姑淀粉(IV)；在水浴鍋中攪拌淀粉乳升溫至40 ℃，用質(zhì)量分數(shù)為2.5%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH為11.0，然后加入1.5 g的三偏磷酸鈉[19]，反應(yīng)2 h后用稀鹽酸調(diào)pH至中性，洗滌抽濾，干燥粉碎后得三偏磷酸鈉慈姑淀粉(V)；將淀粉乳用0.5 mol/L的鹽酸調(diào)節(jié)pH至6，加入2 g的α-淀粉酶[20]，70 ℃水浴反應(yīng)2.5 h，洗滌抽濾，干燥粉碎后得α-淀粉酶慈姑淀粉(VI)；用質(zhì)量分數(shù)30%的NaOH和10%的鹽酸調(diào)節(jié)淀粉乳液的pH為8.5，均勻緩慢滴入占淀粉干基質(zhì)量8%的乙酸酐溶液[21]，25 ℃水浴下反應(yīng)2 h，用質(zhì)量分數(shù)10%的鹽酸調(diào)節(jié)溶液至中性，洗滌抽濾，干燥粉碎后得乙酸酐慈姑淀粉(VII)。干燥溫度均為40 ℃。

1.3 淀粉得率的測定

稱取40 g慈姑原淀粉進行處理，對不同變性方式后的淀粉烘干后進行稱量計為m(g)，變性淀粉得率為y(%)，計算如公式(1)所示：

y/%=(m/40)×100

(1)

1.4 色差的測定

利用SC-80C全自動色差計對測試樣品的L*，a*，b*進行測定。

1.5 直鏈淀粉與支鏈淀粉的測定

參考碘顯色光度法，對樣品中直鏈和支鏈淀粉的含量進行測定[22]。

1.6 淀粉性質(zhì)的測定

無特別說明情況下以下測試中，淀粉乳濃度均為1%；干淀粉制備均為過300目篩后在40 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h，在干燥環(huán)境下貯存待測。

1.6.1 透明度

沸水浴中將淀粉乳連續(xù)攪拌20 min，利用分光光度計測定淀粉乳在620 nm的透光率。

1.6.2 凝沉性

將配制好的淀粉乳在沸水浴中糊化，結(jié)束后倒入具塞量筒中，每間隔一段時間記錄上層清液的體積。

1.6.3 溶解度與膨脹度

將淀粉乳在設(shè)定的溫度梯度(55、65、75、85、95 ℃)下進行糊化、冷卻、離心、稱重。

1.6.4 凍融穩(wěn)定性

參考謝顯華等[18]方法，以冷凍-解凍3次后的析水率為指標(biāo)，將解凍后淀粉乳在5 000 r/min離心20 min，研究樣品的凍融穩(wěn)定性。

1.6.5 X-射線衍射及掃描電鏡

參考文獻[16]進行測定。

1.6.6 紅外光譜

采用KBr壓片法進行測定。

1.6.7 差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter，DSC)

在30～120 ℃，N2氣氛下，升溫速率為10 ℃/min，得到淀粉樣品的糊化起始溫度(T0)、峰值糊化溫度(Tp)和焓值(ΔH)。

2 結(jié)果與分析

2.1 變性淀粉得率結(jié)果

按照1.2進行實驗，得到6種不同條件處理后的慈姑改性淀粉，每種方法加工后淀粉的得率結(jié)果見圖1。

圖1 不同處理條件下慈姑變性淀粉得率Fig.1 Yield of arrowhead modified starch under different treatment conditions注：上標(biāo)不同字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

經(jīng)過α-淀粉酶處理的淀粉損耗最多，能回收約57.27%的酶改性慈姑淀粉。其余方法處理后的變性淀粉得率均在85%以上。α-淀粉酶處理方式為酶解作用，α-淀粉酶是一種內(nèi)切酶，以隨機的方式從淀粉顆粒分子內(nèi)部水解α-1,4糖苷鍵，淀粉水解產(chǎn)生糊精，淀粉的得率大大降低。

2.2 色差

對慈姑淀粉及其改性淀粉的色差測定結(jié)果見表1，其中淀粉的亮度情況與L*值相關(guān)，紅綠色度與a*值相關(guān)，黃藍色度與b*值相關(guān)。除蘋果酸、α-淀粉酶處理的慈姑淀粉亮度明顯降低外，其他4種方法加工后的慈姑淀粉亮度均增加。6種慈姑改性淀粉的a*值無明顯變化。從黃色度來看，蘋果酸和鹽酸改性的慈姑淀粉無明顯變化，其余4種方法均顯著減小。整體而言，經(jīng)三偏磷酸鈉及乙酸酐改性的慈姑淀粉，亮度明顯增加，黃色度明顯降低，外觀品質(zhì)優(yōu)于變性前淀粉。

表1 色差及直鏈-支鏈淀粉含量測定結(jié)果Table 1 Determination results of color difference and amylose amylopectin content

2.3 直鏈淀粉與支鏈淀粉含量

不同處理方法對慈姑淀粉的直鏈和支鏈淀粉含量影響結(jié)果見表1。常見淀粉中直鏈淀粉所占比例為15%～25%，如玉米淀粉中的直鏈淀粉含量為27%，小麥中的直鏈淀粉含量為25%[21]，而本實驗慈姑淀粉原料的直鏈淀粉的相對含量約為55%。不同條件處理后所得的慈姑變性淀粉的直鏈和支鏈淀粉的含量差異明顯；α-淀粉酶改性慈姑淀粉的直鏈淀粉相對含量低于原淀粉，α-淀粉酶改性慈姑淀粉支鏈淀粉相對含量增多；其余變性淀粉的直鏈淀粉相對含量增加，支鏈淀粉的相對含量減少。直鏈淀粉和支鏈淀粉的相對含量大小，會影響淀粉的部分理化性質(zhì)，與后文部分性質(zhì)變化相對應(yīng)。

2.4 透明度

經(jīng)不同方法處理后所得慈姑淀粉透明度的分析結(jié)果見圖2。與原慈姑淀粉相比，α-淀粉酶改性慈姑淀粉的透明度比原淀粉高41%，鹽酸、乙酸酐處理方式下的淀粉透明度略微升高，微波、蘋果酸、三偏磷酸鈉等方式處理后的淀粉透明度略低于原淀粉。由此可知，酶解處理可以明顯提高慈姑淀粉的透明度。糊化后的淀粉分子在α-淀粉酶的作用下，能夠促進淀粉顆粒結(jié)構(gòu)被破壞[20]，使得經(jīng)過α-淀粉酶改性的慈姑淀粉溶解度增大，淀粉與水分子之間的締合作用增強，淀粉顆粒膨脹，所以α-淀粉酶改性的慈姑淀粉的透明度升高，與圖3中α-淀粉酶作用后的慈姑淀粉的溶解度結(jié)果一致。

圖2 不同處理條件下慈姑淀粉的透明度Fig.2 Transparency of arrowhead starch under different treatment conditions

2.5 溶解度和膨脹度

淀粉的膨脹度和溶解度數(shù)值大小反映了淀粉顆粒分子相互結(jié)合的能力和持水能力。由圖3、圖4可知，隨著溫度的升高，6種變性慈姑淀粉的溶解度和膨潤度呈現(xiàn)不同比例的增長，微波處理后的慈姑淀粉溶解度與膨潤度降低，微波輻射處理會使淀粉顆粒內(nèi)部大分子鏈分解產(chǎn)生小分子鏈并重新排列，無定形區(qū)的可及度降低，致使淀粉的溶解性及膨脹力降低[23]。經(jīng)過蘋果酸、鹽酸和乙酸酐改性過的慈姑淀粉溶解度都有增加，而膨脹度降低，其原因可能是酸水解使淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)變得疏松，與表1中的支鏈淀粉含量降低一致。支鏈淀粉的百分含量相對減少，直鏈淀粉含量相對增多[17]。經(jīng)過三偏磷酸鈉改性過的慈姑淀粉溶解度和膨脹度都明顯下降，過多的交聯(lián)鍵能降低膨脹度，抑制了淀粉分子從淀粉顆粒中浸出，從而使溶解度下降[24]。經(jīng)過α-淀粉酶改性的慈姑淀粉溶解度高于慈姑原淀粉，然而膨脹度卻低于慈姑原淀粉，經(jīng)過酶化處理后的慈姑淀粉生成了麥芽糖及葡萄糖等一些易溶于水的小分子物質(zhì)，所以溶解度大幅度增加，但質(zhì)點間結(jié)合力越強，膨脹度越小[20]。

圖3 不同處理條件下慈姑淀粉的溶解度Fig.3 Solubility of arrowhead starch under different treatment conditions

圖4 不同處理條件下慈姑淀粉的膨脹度Fig.4 Swelling degree of arrowhead starch under different treatment conditions

2.6 凍融穩(wěn)定性

慈姑淀粉及其6種變性淀粉的凍融穩(wěn)定性結(jié)果見圖5，隨著冷凍循環(huán)的次數(shù)增加，析水率在逐漸增大。經(jīng)過蘋果酸、鹽酸、乙酸酐處理后的慈姑淀粉的穩(wěn)定性相對較差，若考慮將慈姑變性淀粉用于冷凍產(chǎn)品，這3種改性方式要回避；此結(jié)果與表2中的直鏈和支鏈淀粉的結(jié)果基本一致，直鏈淀粉相對含量比例增加，導(dǎo)致析水率增高[25]。經(jīng)過微波輻射過的慈姑淀粉，在3次循環(huán)過程中，析水率均低于原淀粉，穩(wěn)定性有所提高，與慈姑淀粉相比，更適合做冷凍食品。經(jīng)過三偏磷酸鈉交聯(lián)劑改性后的慈姑淀粉析水率與原淀粉相似，對慈姑淀粉的凍融穩(wěn)定性基本沒有影響。α-酶改性的慈姑淀粉在第1次冷凍循環(huán)中析水率低于原淀粉，經(jīng)過3次循環(huán)達到穩(wěn)定后，析水率明顯高于原淀粉，冷凍融性明顯低于慈姑原淀粉。

圖5 不同處理條件下慈姑淀粉的析水率Fig.5 Water evolution rate of arrowhead starch under different treatment conditions

2.7 凝沉性

淀粉的凝沉性與淀粉的老化相關(guān)，是淀粉糊的重要性質(zhì)之一。由圖6可知，不同處理方式對慈姑變性淀粉的凝沉性影響不同，在1 d內(nèi)，α-淀粉酶、鹽酸、三偏磷酸鈉交聯(lián)改性慈姑淀粉析出水的體積均比原淀粉高，微波和蘋果酸處理后的淀粉析出水的體積低于原淀粉。放置4 d后，酶改性和鹽酸改性淀粉的析出水的體積依舊高于原淀粉，表明其凝沉性較強。三偏磷酸鈉改性和微波改性析出水的體積與原淀粉相似，蘋果酸改性析出水的體積低于原淀粉，表明其凝沉性弱于其他改性淀粉。其原因可能是蘋果酸處理的慈姑淀粉的支鏈淀粉長鏈主要轉(zhuǎn)化為可溶性直鏈淀粉，直鏈淀粉的鏈長較長，其聚合度較高，空間阻力大，取向困難，回生慢，大大降低了其發(fā)生凝沉現(xiàn)象的趨勢[17]。

圖6 不同處理條件下慈姑淀粉凝沉性的測定Fig.6 Coagulability of arrowhead starch under different treatment conditions

2.8 掃描電鏡

從圖7-a可以看出，所選原慈姑淀粉呈橢圓形，淀粉表面有細微的粘連。微波改性的淀粉顆粒表面光滑，顆粒呈橢圓狀或者球狀，部分顆粒出現(xiàn)凹陷，并且顆粒表面出現(xiàn)粘連情況，小的顆粒抱團組成了較大的顆粒。蘋果酸和乙酸酐處理后的淀粉顆粒基本相似，部分顆粒形成凹坑和空洞，可能與淀粉酸水解時，具有隨機性和不定性有關(guān)[23]。鹽酸改性慈姑淀粉的顆粒表面產(chǎn)生大量的碎片，吸附在完整顆粒的表面。三偏磷酸鈉處理后改性的淀粉部分顆粒表面發(fā)生變化，部分淀粉顆粒表面出現(xiàn)裂紋。酶解后的淀粉與慈姑原淀粉的結(jié)構(gòu)有明顯的區(qū)別，酶解后的慈姑淀粉的顆粒表面失去了光滑性，出現(xiàn)了不規(guī)則的凹陷，且隨機分布，說明水解情況比較良好。

a-原淀粉；b-微波改性；c-蘋果酸改性；d-鹽酸改性；e-三偏磷酸鈉改性；f-α-淀粉酶改性；g-乙酸酐改性圖7 不同處理條件下慈姑淀粉掃描電鏡圖Fig.7 Scanning electron microscope of arrowhead starch under different treatment conditions

2.9 DSC

DSC測定結(jié)果見圖8及表2，微波處理后的淀粉糊化特性溫度都明顯增大，可能是因為微波輻射產(chǎn)生的作用力降低了原淀粉無定形區(qū)對結(jié)晶消失過程的干擾程度[25]，此結(jié)果與掃描電鏡結(jié)果一致。如表2所示，蘋果酸和鹽酸改性的慈姑淀粉的焓值分別為10.76、9.65 J/g，均明顯升高，其原因可能是經(jīng)過酸改性后的淀粉，氫鍵數(shù)目增多，同時有新基團形成，因此焓值升高，此結(jié)果與紅外光譜分析的結(jié)果相呼應(yīng)。經(jīng)過三偏磷酸鈉改性的慈姑淀粉糊化溫度及焓值都升高，其原因可能是羥基發(fā)生締合，進一步鞏固了分子結(jié)構(gòu)。乙酸酐改性的慈姑淀粉的糊化起始溫度低于原淀粉，表明由于淀粉完整性被破壞，導(dǎo)致結(jié)晶度降低，糊化起始溫度降低，此結(jié)果與乙酸酐處理后的慈姑淀粉的掃描電鏡和X-衍射中結(jié)晶度減少結(jié)果相一致。經(jīng)過α-淀粉酶改性的慈姑淀粉的Tc-To糊化范圍減小，說明其在糊化過程中溫度的變化較為穩(wěn)定。

圖8 六種改性慈姑淀粉DSC的分析Fig.8 DSC analysis of different modified arrowhead starch

表2 DSC、XRD及紅外部分結(jié)果分析Table 2 Analysis of some DSC, XRD and IR results

2.10 X-衍射

淀粉的X-衍射結(jié)果如圖9，慈姑原淀粉在15.16°、17.10°、17.92°和22.99°出現(xiàn)吸收峰，說明慈姑原淀粉屬于A型結(jié)構(gòu)，6種改性的慈姑淀粉峰形和位置大體相似，均屬于A型結(jié)構(gòu)。經(jīng)過微波、鹽酸和乙酸酐分別處理的慈姑淀粉的峰形高且窄，其結(jié)晶區(qū)域比較完整；蘋果酸改性的慈姑淀粉的結(jié)晶峰面積小，結(jié)晶度降低[24]。經(jīng)過α-淀粉酶改性的慈姑淀粉的峰形矮且寬，原因可能是直鏈淀粉含量降低，直鏈與支鏈結(jié)合滲透進入支鏈的微晶結(jié)構(gòu)[26]，此結(jié)果與直鏈和支鏈淀粉結(jié)果一致。經(jīng)過三偏磷酸鈉改性的慈姑淀粉峰形沒有明顯變化。由表2可知經(jīng)過三偏磷酸鈉、微波和α-淀粉酶改性的慈姑淀粉的結(jié)晶峰面積依次增大且大于慈姑原淀粉(44.8%)，說明4種樣品的結(jié)晶度依次增大。

圖9 不同處理條件下慈姑淀粉的X-衍射圖Fig.9 X-ray diffraction patterns of arrowhead starch under different treatment conditions

2.11 紅外光譜

圖10 不同處理條件下慈姑淀粉的紅外光譜圖Fig.10 Infrared spectra of arrowhead starch under different treatment conditions

3 結(jié)論

本文探究了6種改性方式對慈姑淀粉的理化特性影響，與慈姑原淀粉相比，溶解度、膨脹度、凝沉性和冷凍融性等性質(zhì)都發(fā)生不同程度的變化。6種改性慈姑淀粉與原淀粉的峰形大體相似，都是屬于A型，鹽酸和乙酸酐改性的慈姑淀粉的峰形高且窄，結(jié)晶區(qū)域較完整。三偏磷酸鈉改性的慈姑淀粉顆粒表面出現(xiàn)裂痕，淀粉顆粒的羥基發(fā)生締合。直鏈淀粉的含量升高，且結(jié)晶度高于原慈姑淀粉。微波改性淀粉表面粘連，部分淀粉顆粒抱團，析水率降低，冷凍融穩(wěn)定性好，其得率高達(96.64±0.16)%，利用其在低溫狀態(tài)下的穩(wěn)定性來提高食品的抗凍融能力，用來制作雪糕等冷凍食品，其抗融化性和儲藏的穩(wěn)定性，還能夠代替部分脂肪[29]。蘋果酸改性的慈姑淀粉的凝沉性和透明度低于慈姑淀粉，且外觀品質(zhì)較低，紅外結(jié)果顯示其1 047/1 022吸光度比值升高，顆粒內(nèi)的有序度降低。三偏磷酸鈉和乙酸酐分別改性的慈姑亮度增加，黃色程度明顯下降，外觀明顯優(yōu)于慈姑淀粉，將改性后的淀粉加入到制作食品的面粉中，可以有效地改善面粉的色澤。鹽酸改性的慈姑淀粉凝沉性好，凝沉性指標(biāo)與食品老化程度有關(guān)，將其加入淀粉類的食物中，加速食物的老化，節(jié)約時間。α-淀粉酶改性的慈姑淀粉凝沉性比較高，透光率最好，高達(49.57±1.14)%，但是其得率最低，為(56.82±1.33)%，可將其加入到糖果類食品中，使糖果更加的光澤透亮，同時可利用變性淀粉的吸附性，將經(jīng)過酶改性的淀粉加入到飲料類中，期望能遮蓋澀味改善口味，使飲料渾濁程度降低。淀粉的改性方法不同，即使來源相同，改性淀粉的理化特性大部分顯示較大差異，在具體應(yīng)用過程中，可根據(jù)實際需要選擇對應(yīng)特性突出的改性慈姑淀粉。