靜高壓處理對甜蕎麥淀粉理化特性及微觀結構的影響

蘇克軍, 李海峰, 馮學夫, 馬莉娜, 楊世虎

(寧夏大學食品與葡萄酒學院1,銀川 750021)

(寧夏計量質量檢驗檢測研究院2,銀川 750200)

蕎麥(Fagopyrum)屬一年生蓼科(Polygonaceae)雙子葉禾谷類農作物,其含有多種營養物質如淀粉、蛋白質、膳食纖維及微量元素等[1]。淀粉作為主要成分之一,約占蕎麥體積的70%～91%,主要由2種生物聚合體構成的離散式半結晶顆粒形式存在[2],其中直鏈淀粉質量分數為20%～38%,支鏈淀粉中分支較長的淀粉質量分數為12%～13%[3]。植物淀粉也存在冷水難溶、遇熱易分解、易回生、抗剪切性及耐酸堿性差等缺陷。針對天然淀粉的不足,應用現有物理、化學、生物和酶法處理對植物性天然淀粉進行特性改善處理,以擴大植物性淀粉在食品領域的加工利用,增加其經濟價值。

靜高壓處理(HHP)是指將物料密封于彈性容器或耐壓裝置系統中,在高壓條件(100～700 MPa) 下非熱物理處理,達到滅菌或改變物料理化特性目的[4]。對食品成分、芳香物及感官影響小,且保持食品的原有風味,廣泛應用于各領域內如淀粉改性,是當前研究熱點之一[5]。

淀粉的理化特性如溶解度、透光率及顆粒形狀,質構特性和流變特性可直接影響淀粉品質,從而影響淀粉的加工、運輸和儲藏[6]。靜高壓處理可改變淀粉顆粒的形狀,使淀粉表面從光滑變得粗糙[7]。Wang等[8]研究發現與大米淀粉熱處理相比,經過靜高壓處理的大米淀粉具有更高的結晶度,更多的雙螺旋及V型單螺旋結構。Sindhu 等[9]研究不同溫度下熱濕處理的改性蕎麥淀粉的結構性、熱性、凝膠質地和形態學特性等。發現熱濕處理可降低蕎麥淀粉的溶脹力、溶解度及吸油能力,同時增加淀粉吸水能力。并且改性蕎麥淀粉顯示出糊狀物透明度增加和脫水收縮減少。

蕎麥是寧夏農作物種植歷史悠久的特產之一,廣泛種植且經濟價值高。近年來,許多靜高壓改性處理研究主要針對馬鈴薯淀粉、大米淀粉、玉米淀粉及豆類淀粉等改性淀粉理化特性的探究,但是有關蕎麥改性淀粉的研究來源比較缺少。針對不同靜高壓改性處理后甜蕎麥淀粉的晶體結構、顆粒微觀及淀粉糊凝膠特性變化進行了研究,旨在探明靜高壓改性處理后甜蕎麥淀粉理化性質的變化規律,以期為淀粉的靜高壓改性研究和擴大蕎麥淀粉的應用范圍提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

甜蕎麥籽,寧夏中衛市。0.1%鹽酸、0.3%氫氧化鈉、亞硫酸氫鈉,均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

RT-98連續式超微粉碎機,TGL-16M離心機,CR-400色差儀,HPP600MPa/5L超高壓設備,721分光光度計,JSM-6360LV電子顯微鏡(SEM),TGL-16MX射線衍射分析儀,傅里葉紅外光譜,TA流變儀,TA-XLplus質構儀。

1.2 方法

1.2.1 甜蕎麥淀粉制備

參考周小理等[10]的方法并稍作修改制備甜蕎麥淀粉。取甜蕎麥籽粒500 g,清洗去除甜蕎麥籽粒落塵等雜物,根據甜蕎麥與浸泡液的質量比1∶2.5浸泡,加入無水亞硫酸鈉4.0 g,40 ℃條件下浸泡20 h后清洗磨漿3次,用不同篩孔的分樣篩過濾,并用適量蒸餾水沖洗皮渣,濾液在4 000 r/min離心10 min得到甜蕎麥粗淀粉。將粗淀粉經質量分數0.1%鹽酸多次漂洗后同條件離心;經質量分數0.3%氫氧化鈉多次漂洗,同條件離心,濾餅分散于蒸餾水中,反復漂洗至pH 7,離心去除殘渣及上層,置于恒溫干燥24 h,過120目篩,得到甜蕎麥精淀粉。

1.2.2 甜蕎麥淀粉靜高壓改性處理

參照劉航[11]的高靜壓處理方法并稍作修改。準確稱取40 g精甜蕎麥淀粉,加入200 mL去離子水調配成20%的甜蕎麥淀粉懸浮液,置于聚丙烯薄膜高壓袋中,采用真空包裝機進行抽真空包裝,在室溫下靜置24 h后充分搖勻放入直徑160 nm的超高壓設備中超高壓改性處理。處理條件設置為:高壓倉溫度為25 ℃,增壓速率為15 MPa/s,處理壓力分別為120、240、360、480、600 MPa,0.1 MPa處理為對照組。超高壓改性處理后進行離心,去除上清液后將沉淀物置于零下80 ℃環境中預冷4 h后,在置于真空冷凍干燥設備中進行冷凍干燥處理,直至干燥至恒重。最后將干燥后的樣品粉碎并過200目篩包裝密封,放入4 ℃冰箱中冷藏備用。

1.2.3 甜蕎麥淀粉糊化處理

參考于穎[12]等淀粉糊化方法并稍作調整。分別準確稱取0.3 g超高壓甜蕎麥改性淀粉和原甜蕎麥淀粉,置于10 mL的樣品管中,加入5 mL的蒸餾水,在95 ℃的水浴恒溫鍋中加熱20 min,并不斷地攪拌,以便快速形成淀粉糊。取糊化后的淀粉靜置到常溫,并放入冰箱后4 ℃冷藏24 h,而后進行質構特性測定。

1.3 甜甜蕎麥理化特性測定

1.3.1 溶解度及透光率測定

分別準確稱取0.3 g靜高壓甜蕎麥改性淀粉和原甜蕎麥淀粉置于干燥后的離心管中,加入蒸餾水各5 mL后充分混合,在80 ℃水浴鍋中不斷攪拌30 min,室溫靜置冷卻,以3 000 r/min離心20 min,取上清液置于鋁盒中,恒溫干燥至恒重后稱量樣品質量,計算甜蕎麥淀粉的溶解度[13]。

分別準確稱取0.3 g靜高壓甜蕎麥改性淀粉和原甜蕎麥淀粉,配制質量分數1%淀粉乳, 置于沸水浴中加熱。使用磁力攪拌器不斷攪拌10 min后冷卻至室溫, 加入蒸餾水調整使淀粉糊質量保持不變。在630 nm 波長下測定其吸光度[14]。

1.3.2 甜蕎麥淀粉晶體結構分析

取一定量淀粉樣品進行24 h真空冷凍干燥后,樣品置于XRD 分析高級衍射儀上進行晶體結構分析。設備配備Cu-KαX射線源(波長為0.154 06 nm)。在管電壓40 kV和管電流30 mA下進行掃描,2θ范圍為5°～60°,步長為0.05°,每步收集時間為6(°)/min。依據XRD曲線的峰型對淀粉晶體結構進行分析,并計算淀粉的晶體結晶度[15]。

1.3.3 甜蕎麥淀粉紅外光譜分析

取一定量甜蕎麥淀粉樣品置于研缽內,加入淀粉樣品質量100倍的 KBr,在紅外燈下研磨15 min,促進淀粉與KBr充分混勻,壓制成片。用空氣作為參比背景,用分辨率為2 cm-1的Nicolet IR200分光光度計記錄KBr圓盤中淀粉樣品在 4 000～400 cm-1范圍內的紅外光譜,每份樣品掃描64次[16]。

1.3.4 甜蕎麥淀粉SEM分析

使用導電雙面膠粘取少量甜甜蕎麥原淀粉或靜高壓改性處理改性淀粉固定在SEM載物臺上,用吸耳球出除去雙面膠外淀粉,載物臺置于真空蒸發器中進行噴金操作,以離子濺射鍍膜儀噴碳鍍金20 min。取出載物臺置于SEM在電子顯微鏡上觀察橫截面,顯微鏡設置于20 kV的加速電壓下掃描[17]。

1.4 甜蕎麥淀粉糊質構特性測定

取少量完全糊化的甜蕎麥原淀粉凝膠或靜高壓改性淀粉凝膠置于TPA測定平臺上。選擇測試探頭為P35,設置參數為:應力5 g,距離30 mm,測前2.0 mm/s、測定1.0 mm/s 、測后1.0 mm/s[18]。根據TPA曲線峰值的變化分析和計算不同處理甜蕎麥淀粉的硬度、彈性、內聚性、回彈性、膠黏性、咀嚼性和回復性。

1.5 數據分析

所有實驗進行3次平行實驗,以平均值±標準差表示。采用SPSS 23.0進行統計處理,DPS進行顯著性分析和齊性檢驗(P<0.05),Origin 2020進行數據繪圖。

2 結果與分析

2.1 靜高壓改性處理對淀粉溶解度的影響

淀粉溶解度反映了淀粉分子與水分子之間相互作用的強弱,與淀粉中的直鏈淀粉的含量、顆粒形狀、淀粉分子量分布及支化度等因素有關,也可為評估淀粉顆粒的無定形和結晶域內淀粉鏈之間的相互作用程度提供證據[19]。透光率在一定程度上體現淀粉大分子與水分子之間相互結合的能力[20],是衡量淀粉品質高低的標準之一,與淀粉加工和進一步開發利用密切相關。在高于淀粉糊化溫度的水中加熱時,淀粉顆粒會發生不可逆的吸水溶脹并導致直鏈淀粉浸出到溶液中,但將淀粉糊置于室溫環境中自然冷卻時,淀粉分子之間通過氫鍵相互作用將重新進行有序地排列并形成沉淀或淀粉凝膠。然而,植物淀粉在運輸和儲藏過程中易產生沉淀,導致淀粉透光率下降,從而對其品質產生一定程度影響。

由圖1可知,隨著處理壓強增大,甜蕎麥淀粉的溶解度隨之整體明顯逐漸降低。不同處理壓力在淀粉溶解度方面存在顯著差異(P<0.05),表明甜蕎麥淀粉溶解度對靜高壓改性處理中較高壓力水平更具敏感性。與常壓下甜蕎麥淀粉的溶解度7.369%相比,600 MPa壓力處理下甜蕎麥淀粉的溶解度降至3.440%,可能介于靜高壓改性處理導致甜蕎麥淀粉顆粒內部直鏈淀粉分子重新形成有序排列結構,與脂類結合形成直鏈淀粉-脂質復合物,導致可溶性直鏈淀粉分子的流動性降低[21]。淀粉顆粒的無定形和結晶域內淀粉鏈之間的相互作用程度與直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例和磷含量相關[22]。隨著壓力水平升高溶解度反之降低,表明靜高壓改性處理降低了直鏈淀粉含量及磷含量。因此,超高壓改性處理可有效改變甜蕎麥淀粉的溶解性,延長甜蕎麥淀粉儲藏期,降低甜蕎麥淀粉儲藏損失。

注:不同小寫字母表示存在差異顯著性(P<0.05)。

與常壓原甜蕎麥淀粉的透光率相比較,隨著靜高壓改性處理的壓力增大,甜蕎麥淀粉的透光率整體明顯隨之逐漸增大。在靜高壓改性處理120～480 MPa的壓力區間下淀粉的透光率下降,可能是靜高壓改性處理導致淀粉產生回生傾向,降低淀粉結晶度并增加直鏈淀粉與支鏈淀粉的浸出量;在靜高壓600 MPa處理下淀粉透光率上升,可能是靜高壓力處理改變甜蕎麥淀粉結構,導致甜蕎麥淀粉中直鏈淀粉與支鏈淀粉的浸出量減少,淀粉糊狀物中吸水膨脹的淀粉顆粒數量降低[23]。因此,靜高壓改性處理可有效改變甜蕎麥淀粉的透光率,增加甜蕎麥淀粉中直鏈淀粉與支鏈淀粉的浸出量。

2.2 SEM電鏡掃描結果分析

由圖2可知,與常壓處理的甜蕎麥淀粉顆粒相比較,靜高壓改性處理的甜蕎麥淀粉顆粒表面呈現一定程度的凹陷現象,隨著處理壓力的增大,凹陷面積逐漸隨之增加,且甜蕎麥淀粉顆粒之間在壓力作用下黏結形成淀粉顆粒小團。在低壓處理下甜蕎麥淀粉的表面形狀發生小幅度改變,總體顆粒飽滿圓滑,且淀粉之間依舊處于單個顆粒狀態。同時淀粉顆粒之間相互黏結,顆粒表面形狀發生微小塌陷。在480 MPa處理下甜蕎麥淀粉顆粒表面大幅度凹陷,形成淀粉超高壓改性處理后特有的“甜甜圈”形狀,淀粉顆粒小團數量增加,表明在480 MPa處理下部分甜蕎麥淀粉開始出現變形、表面凹陷及黏連等現象。而當壓力上升至600 MPa后,部分甜蕎麥淀粉顆粒結構開始糊化,淀粉形狀完全喪失,相互黏結形成淀粉顆粒團,但仍舊存在相當量分散的甜蕎麥淀粉顆粒,并且甜蕎麥淀粉顆粒產生溶解現象,這可能與超高壓改性處理過程中淀粉懸浮液中水分子在壓力作用下進入淀粉顆粒內部無定形區或內部優先以氫鍵形式與淀粉分子相互結合有關[24]。

圖2 不同壓力下甜蕎麥淀粉的顆粒形貌

2.3 XRD對淀粉晶體結構的分析

由圖3可見,甜蕎麥原淀粉與120、240、360、480、600 MPa處理的改性淀粉均在2θ=15.10°、17.15°、17.95°、22.95°左右產生較強的峰,歸類為A型衍射峰,表明靜高壓改性處理并未使淀粉晶體結構從A型轉換為B型。在480、600 MPa處理下甜蕎麥淀粉在2θ=17.15°、17.95°、22.95°處的X射線衍射峰峰高與原淀粉相比較逐漸趨于平緩,靜高壓改性處理可降低甜蕎麥淀粉的相對結晶度,Liu 等[25]研究具有類似的結果。因此靜高壓改性處理對甜蕎麥淀粉的晶型結構不產生影響,但對甜蕎麥淀粉的相對結晶度產生一定的影響。

圖3 不同壓力處理的甜蕎麥淀粉X射線衍射圖

2.4 傅里葉紅外光譜結果分析

傅里葉紅外光譜顯示淀粉對靜高壓改性處理的敏感度及分子結構發生的變化。由圖4和表1可見,常壓和不同靜高壓力處理的甜蕎麥淀粉樣品在3 700 cm-1～3 000 cm-1波段下均出現不同程度的強吸收峰,主要源于O—H的伸縮振動;在2 930 cm-1波段下出現不同高低的光吸收峰源于C—H的伸縮振動;在1 650 cm-1波段下產生較強的光吸收表現為與淀粉大分子緊密結合的水分子;在1 030 cm-1波段處產生的強吸收峰源于脫水葡萄糖殘基C—O的伸縮振動。靜高壓改性處理的甜蕎麥淀粉未產生新的吸收峰,靜高壓改性處理并未破壞或改變甜蕎麥淀粉分子結構以產生新的化學鍵或基團[26]。

表1 不同靜高壓改性處理甜蕎麥淀粉的傅里葉紅外光譜波段比

圖4 不同壓力處理甜蕎麥淀粉的傅里葉紅外光譜圖

支鏈淀粉的分支相互聚集形成的半結晶云層稱為淀粉結晶區。通過傅里葉紅外光譜可測定甜蕎麥淀粉的短程有序結構的變化,短程有序結構主要反映淀粉結晶區及非定形區雙螺旋結構含量的變化,不包括與雙螺旋堆積有關的長程有序結構含量變化。在傅里葉紅外光譜中,波段1 045、1 022 cm-1處的紅外吸收光譜強度分別反映甜蕎麥淀粉的結晶區與非結晶區[27]。1 045/1 022 cm-1的峰強度比值與甜蕎麥淀粉分子的短程有序結構有關,反映了短程有序結構在淀粉中所占比值,所占比值越高說明甜蕎麥淀粉中短程有序結構含量越多;1 022/995 cm-1的峰強度比值可利用測定甜蕎麥淀粉結構中無定形及有序結構的相對含量[28]。隨著處理壓力的增加,1 045/1 022 cm-1峰強度比值逐漸隨之增大,但在600 MPa處理下其呈顯著性增加,比值達到最大,表明甜蕎麥淀粉中短程有序結構含量與處理壓力成正相關性;1 022/995 cm-1峰強度比值隨處理壓力增加而減小,表明甜蕎麥淀粉中無定形及有序結構的相對含量與處理壓力成負相關性。超高壓改性處理對甜蕎麥淀粉的結晶結構可產生一定程度的破壞性。

2.5 甜蕎麥淀粉糊質構特性分析

淀粉與水混合經過水浴處理可以形成具有一定糊化特性的淀粉糊。通過質構儀測定超高壓改性處理的甜蕎麥淀粉糊化特性,如硬度、彈性、黏聚性、回復性等,并對超高壓改性處理的甜蕎麥淀粉糊化特性的顯著性進行分析,結果如表2所示。隨著處理壓力的增大,甜蕎麥淀粉糊的硬度、彈性、黏聚性、膠著性和咀嚼性均有顯著性的改變,但回復性未有明顯變化趨勢。甜蕎麥淀粉糊的硬度與咀嚼性整體呈先增大后減小的趨勢;彈性、黏聚性整體呈線性增加的趨勢。與對照組相比,在600 MPa處理下甜蕎麥淀粉糊彈性從0.48%增加至0.89%,黏聚性從0.34增加至0.70。甜蕎麥淀粉糊的硬度與直鏈、支鏈淀粉浸出量及含水量有關,直鏈淀粉的浸出量越多,支鏈淀粉鏈越長,甜蕎麥淀粉糊的硬度則越低。在較高壓力處理后甜蕎麥淀粉凝膠糊硬度明顯降低,可能高壓處理使其膨脹度低于原甜蕎麥淀粉,淀粉分子之間與淀粉分子和水分之間的相互作用減弱,增加了甜蕎麥淀粉顆粒中直鏈淀粉及較長的支鏈淀粉鏈浸出量[29]。靜高壓改性處理可有效改變甜蕎麥淀粉糊的質構特性。

表2 靜高壓改性處理的甜蕎麥淀粉糊質構特性參數

3 結論

采用不同靜高壓改性處理甜蕎麥淀粉,對其理化特性及淀粉糊凝膠特性變化進行分析。結果表明,經過120、240、360、480、600 MPa靜高壓改性處理后甜蕎麥淀粉的溶解度、透光率、顆粒微觀表征及淀粉凝膠特性有顯著影響。甜蕎麥淀粉溶解度隨處理壓力增大呈降低趨勢;淀粉透光率與處理壓力呈正相關,靜高壓改性處理可增加淀粉的透光率;淀粉分子結晶度降低但晶體結構未發生轉變;淀粉分子短程有序結構隨處理壓力逐漸增加,無定形及有序結構相對含量隨處理壓力逐漸減少。靜高壓改性處理后的甜蕎麥淀粉品質明顯提升,后續可進一步研究靜高壓改性處理后的甜蕎麥淀粉體外酶消化及淀粉糊流變特性。