高溫烘烤對葛根淀粉物化、結(jié)構(gòu)及消化特性的影響

李祉賢, 奉思思, 孫佳穎, 包鴻慧, 王凌霄,黃凝慧, 翁詩汝, 尹 為, 周 睿

(湖北文理學(xué)院食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院1,襄陽 441053)

(湖北葛百歲葛業(yè)有限公司2,襄陽 441407)

葛根是一種藥食同源且營養(yǎng)豐富的多年生豆科葛屬藤本植物肥大根莖,富含異黃酮、葛根素、葛根皂苷、葛根多糖、生物堿等生物活性組分,有益于抗氧化、抗炎、抗腫瘤、降血糖、減肥、降血壓、抗癡呆、防止動脈硬化、保護神經(jīng)、解酒護肝等[1,2]。淀粉是葛根的主要組分,新鮮葛根干基中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.6%[3]。葛根淀粉為C型晶體結(jié)構(gòu)[4],直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～22%,支鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78%～80%[5],糊液質(zhì)地光滑、成膜性與包埋性好[1],其水包油型乳液的乳化穩(wěn)定性、顏色穩(wěn)定性、紫外線輻射低敏感性以及黏附能力均優(yōu)于大米淀粉、玉米淀粉及小麥淀粉[1,6,7],且常規(guī)磨漿沉淀法生產(chǎn)的葛根淀粉中殘存一定量的異黃酮[8],能夠賦予葛根淀粉獨特的功能屬性,因而葛根淀粉在營養(yǎng)粉、飲料、可食膜、面條、粉絲、果凍、布丁、微膠囊壁材等健康食品領(lǐng)域[9-12]以及文化遺產(chǎn)修復(fù)和海藻糖生產(chǎn)[13,14]等非食品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,原葛根淀粉存在一些固有缺陷,如熱穩(wěn)定性差、溶解性低、熱水沖調(diào)易團聚結(jié)塊、糊液透明度不高、低溫儲藏易老化回生等[6,15,16],嚴(yán)重制約其工業(yè)化規(guī)模性應(yīng)用。

采用物理[17]、化學(xué)[6]、生物酶法[9]及復(fù)合改性[18]可有效滿足天然淀粉的應(yīng)用需求,并拓寬其應(yīng)用范圍。物理改性是一種利用擠壓剪切、機械力、非淀粉多糖-淀粉物理共混、熱處理等對淀粉進行改性的常用方法,更加符合消費者對天然綠色、安全環(huán)保、經(jīng)濟便捷、“清潔標(biāo)簽”型健康產(chǎn)品的保健需求[19]。其中,高溫烘烤等常用的熱處理物理改性法,具有加熱速度快、能耗低、操作方便、無污染、產(chǎn)品顏色和質(zhì)地及風(fēng)味獨特等顯著優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于家庭與工廠化現(xiàn)代谷物基食品加工,尤其是以玉米、小麥、燕麥、大米為原料的休閑食品生產(chǎn)中[19,20]。目前,國內(nèi)外關(guān)于熱處理對塊根塊莖類淀粉結(jié)構(gòu)與特性的研究較多。Zhang等[21]研究表明干熱處理提高了馬鈴薯淀粉的溶解度和直鏈淀粉含量,卻顯著降低了馬鈴薯淀粉的分子質(zhì)量、相對結(jié)晶度、短程有序度、膨潤力、糊化黏度、糊化焓以及α-淀粉酶對馬鈴薯淀粉水解的敏感性。Gou等[22]研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)干熱處理淀粉的相對結(jié)晶度、溶解度、膨脹度、透光率及熱力學(xué)參數(shù)值均顯著高于反復(fù)干熱處理淀粉相應(yīng)值,但其短程有序度、糊化黏度值以及淀粉消化性卻較低。此外,Chandanasree等[23]研究表明干熱處理促使木薯淀粉顆粒形成團簇態(tài)和團聚狀,增加了木薯淀粉的水與油結(jié)合力以及糊化黏度,降低了直鏈/支鏈淀粉比例、溶解度、膨脹度、糊液透明度、熱力學(xué)特征溫度值與熱焓值以及糊化溫度。然而,有關(guān)高溫烘烤葛根淀粉的結(jié)構(gòu)、物化及消化特性的研究卻鮮有報道。

因此,實驗以葛根淀粉為原料,研究不同烘烤溫度對葛根淀粉表觀形貌、顆粒尺寸分布、糊化特性、熱特性、流變特性、微觀結(jié)構(gòu)以及體外消化特性的影響,以期為改性葛根淀粉在食品工業(yè)中的功能性應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葛根淀粉(食品級,水質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.01%);α-淀粉酶(Type VI-B, ≥5 U/mg,源于豬胰腺);淀粉葡糖苷酶(≥260 U/mL,源于黑曲霉);D-葡萄糖測定試劑盒;溴化鉀,光譜純;冰醋酸、乙醇等其他化學(xué)試劑,分析純;實驗用水為超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

KWS2046ALQ-S1C電烤箱,BO-1000S1高速多功能粉碎機,S-4800掃描電子顯微鏡,Mastersizer3000激光粒度儀,RVA-TecMaster快速黏度分析儀,TA-2000差示掃描量熱儀,AR2000e流變儀,IRPrestige-21傅里葉紅外光譜儀,L5S紫外可見分光光度計,LC-LX-L6OD高速離心機,FA1004N電子分析天平,Milli-Q純水機,SHA-B恒溫振蕩水浴鍋,LDO-9070A電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.3 方法

1.3.1 樣品高溫烘烤處理

在預(yù)實驗的基礎(chǔ)上,選擇130、140、150、160 ℃不同烘烤溫度。將葛根淀粉均勻平鋪于放有錫箔紙的樣品托盤中,厚度約2 mm。電烤箱預(yù)熱10 min至設(shè)定溫度后,將樣品盤置于電烤箱,上下火加熱模式烤制20 min。反應(yīng)結(jié)束后,將烘烤淀粉迅速轉(zhuǎn)移至干燥器,室溫下冷卻1 h,再粉碎并過100目篩,塑封袋密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 顆粒形貌的觀察

將導(dǎo)電膠粘貼于掃描電子顯微鏡載物臺上,用藥匙將淀粉樣品平整地鋪敷在導(dǎo)電膠表面,吹掃多余的淀粉顆粒,真空條件下經(jīng)離子濺射鍍膜儀表面鍍金60 s,然后置于掃描電鏡樣品槽,觀察樣品的微觀形貌并拍照。加速電壓為5 kV,放大倍數(shù)為2 500倍。

1.3.3 粒徑分布的測定

采用激光粒度分析儀表征樣品的顆粒粒徑分布。稱量0.1 g淀粉樣品混合于10 mL的蒸餾水中,然后將淀粉懸浮液逐滴加入樣品池,啟動超聲波振蕩裝置均勻分散1 min后,進行樣品測定,經(jīng)計算機軟件自動處理分析結(jié)果。測定參數(shù)為:遮光度為10%～20%,樣品顆粒折射率為1.54,顆粒吸收率為0.01,分析模式為通用,分散劑為蒸餾水,分散劑折射率為1.33,記錄樣品的D10、D50、D90、D[4, 3]、D[3, 2]特征值,并計算樣品的分布跨度Span值。

Span=(D90-D10)/D50

式中:D10、D50及D90分別為該粒徑及以下的粒子體積占全部粒子體積的10%、50%及90%;D[4, 3]為顆粒體積平均粒徑;D[3, 2]表示顆粒面積平均粒徑;D50為顆粒中位徑。

1.3.4 糊化特性的測定

采用RVA快速黏度分析儀Standard 1模式測定樣品糊化參數(shù)和曲線[21]。準(zhǔn)確稱取1.5 g葛根淀粉(干基)樣品加入裝有25 mL蒸餾水的RVA樣品測量鋁罐中,測定前用塑料攪拌槳均勻分散淀粉懸浮液。具體程序參數(shù)為:樣品在50 ℃下以960 r/min先攪拌10 s,之后在160 r/min下繼續(xù)攪拌50 s,以形成均勻懸濁液;然后在222 s內(nèi)加熱到 95 ℃(加熱速率為12.16 ℃/min),并保溫2.5 min;再以12.16 ℃/min的速率降溫至50 ℃,并在50 ℃下保持 2 min。糊化期間,始終保持160 r/min的恒定的剪切速率,整個過程歷時13 min。測定的糊化參數(shù)包括峰值黏度(PV)、谷值黏度(TV)、最終黏度(FV)、崩解黏度(BD)、回生黏度(SB)以及糊化起始溫度(PT)。

1.3.5 熱特性的測定

采用差示掃描量熱儀(DSC)測定樣品的熱力學(xué)特性[22]。準(zhǔn)確稱取3.0mg淀粉樣品(干基)置于DSC專用鋁質(zhì)坩堝中,用微量調(diào)節(jié)注射器加入9 μL去離子水,壓蓋密封后,放置4 ℃冰箱充分水合12 h。測定前用銦校正儀器,空鋁質(zhì)坩堝為參比。樣品掃描溫度范圍為20～120 ℃,加熱速率為10 ℃/min,氮氣流量為50 mL/min。通過TA Universal Analysis2000分析軟件,記錄樣品的DSC特征參數(shù):起始糊化溫度(T0)、峰值糊化溫度(Tp)、終止糊化溫度(Tc)以及凝膠化熱焓(ΔH)。

1.3.6 流變學(xué)特性的測定

采用旋轉(zhuǎn)流變儀并搭配40 mm直徑的平板測定樣品的靜態(tài)流變學(xué)特性,測定平臺與夾具間隙設(shè)定為1mm。準(zhǔn)確配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的淀粉懸浮液,置于95 ℃恒溫水浴鍋中充分糊化25 min后,冷卻至25 ℃。測定參數(shù)為:剪切速率(γ)范圍為0.1～300 s-1,測定溫度25 ℃。采用冪律模型η=K×γn-1擬合樣品的靜態(tài)流變學(xué)曲線[24],K為稠度指數(shù),n為流動指數(shù),η為表觀黏度。

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜測定

采用紅外光譜儀室溫下對樣品進行測定,掃描波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1,分辨率為2 cm-1,掃描次數(shù)為64次。樣品測定前,用空氣進行掃描,并進行基線校正。按質(zhì)量比為1∶100,稱量淀粉樣品與溴化鉀添加于瑪瑙研缽中,紅外燈照射下充分研磨混勻5 min后,采用壓片機在0.5 MPa壓力下,壓制成小薄晶片并置于樣品槽,進行紅外光譜測定分析。純溴化鉀壓制的小薄片掃描紅外光譜作為樣品背景。記錄995、1 022、1 045 cm-1處的峰強度值。

1.3.8 消化性能的測定

體外淀粉消化性能的測定參照Zhou等[24]的方法并略作修改。將淀粉樣品(0.3 g,db)加入裝有5 mL蒸餾水的消化試管,室溫渦流振蕩1 min后,將該懸浮液置于95 ℃恒溫水浴,磁力攪拌(600 r/min)下充分糊化25 min后,冷卻至37 ℃。然后,將10 mL醋酸鈉緩沖液(0.2 mol/L,pH 5.2)以及3顆玻璃珠(10 mm直徑)加入糊液中。將混合漿料置于37 ℃恒溫振蕩水浴(100 r/min)平衡5 min后,加入2.5 mL復(fù)合酶液,37 ℃條件下進行消化反應(yīng)。每隔一段時間(0、20、120 min),等量取樣0.1 mL加入1.5 mL的微量離心試管中,并添加0.9 mL的95%乙醇終止反應(yīng)。充分渦流振蕩均勻后,以12 000 r/min離心2 min收集上清液,采用葡萄糖測定試劑盒測定上清液中的葡萄糖含量。快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)、抗性淀粉(RS)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過公式計算。

RDS=(A20-A0)×0.9/TW ×100%

SDS=(A120-A20)×0.9/TW ×100%

RS=(TS-RDS-SDS)×0.9 / TW ×100%

式中:A0為游離的葡萄糖含量;A20為水解20 min后的釋放葡萄糖含量;A120為水解120 min后的釋放葡萄糖含量;TW為總淀粉含量(干基);0.9為還原糖換算為淀粉的系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有實驗平行測定3次,結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。采用Excel 2019軟件進行基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計;采用SPSS 26.0軟件進行Duncan多重比較及相關(guān)性分析;采用ANOVA算法進行單因素方差分析;采用Origin 9.0軟件進行圖表繪制。顯著性水平選定P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫烘烤對葛根淀粉顆粒形貌的影響

由圖1可見,原葛根淀粉顆粒呈不規(guī)則球形或半球形、多邊形,表面光滑,無裂紋,大小尺寸不均一,淀粉顆粒間分布相對松散(圖1a)。隨著焙烤溫度的增加,潔白色葛根淀粉顏色略有變暗,呈現(xiàn)淡焦香甜味,葛根淀粉顆粒間凝聚程度加深,逐漸形成團聚體或團簇態(tài);當(dāng)焙烤溫度提升至150 ℃和160 ℃時,葛根淀粉顆粒進一步聚集成大團塊狀(圖1d和1e),這一現(xiàn)象與干熱改性玉米淀粉[25]和干熱改性木薯淀粉[23]的研究報道相類似,可能歸因于高溫干熱環(huán)境下淀粉分子鏈發(fā)生糊精化[26,27]以及淀粉顆粒間粘接程度增強所致[28]。

注:a表示原葛根淀粉;b～e分別表示130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃焙烤溫度處理后的葛根淀粉,下同。

2.2 高溫烘烤對葛根淀粉粒徑分布的影響

由表1可見,130～140 ℃烘烤處理后,原葛根淀粉的D10、D50、D90、Span、D[4,3]及D[3,2]值變化不顯著(P>0.05)。當(dāng)烘烤溫度提升至150 ℃和160 ℃時,葛根淀粉的粒徑分布特征值均顯著提高(P<0.05)。這與Maniglia等[19,29]有關(guān)干熱處理小麥淀粉與木薯淀粉的研究報道相一致。高溫干熱條件下,淀粉分子鏈可發(fā)生糊精化作用,促使熱處理淀粉親水性和溶解度提高,吸水溶脹性增強,顆粒粒徑和分布跨度增大[27,30,31]。

表1 高溫烘烤葛根淀粉粒徑分布

2.3 高溫烘烤對葛根淀粉糊化特性的影響

由表2和圖2可知,高溫烘烤處理顯著降低了葛根淀粉的糊化黏度(P<0.05),且烘烤溫度越高,下降趨勢越顯著。130～160 ℃焙烤溫度下,原葛根淀粉的PV、TV、FV及PT分別減少了10.78%～76.98%、17.82%～74.21%、22.56%～75.99%及0.92%～4.06%。Zou等[28]與Lei等[25]同樣報道了連續(xù)高溫烘烤能夠減少玉米淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度以及起始糊化溫度。這可能是由于高溫?zé)峤到庑?yīng)引起淀粉分子糖苷鍵斷裂、分子內(nèi)/間氫鍵破壞、微晶結(jié)構(gòu)受損以及分子量降低,且干熱效應(yīng)也可引起淀粉發(fā)生糊精化作用,導(dǎo)致熱處理淀粉的親水性和溶解度增加,因而在淀粉糊化過程中水分子更易于進入淀粉顆粒內(nèi)部,顆粒吸水膨脹加快,起糊溫度與糊液黏度特征值降低[20,28,30]。此外,隨著焙烤溫度的提高,原葛根淀粉的SB值從426.33 mPa·s連續(xù)降低至87.33 mPa·s,回生黏度值降低了79.52%,但BD值卻呈現(xiàn)先升高后急劇減少的趨勢,尤其是160 ℃烘烤葛根淀粉的谷值黏度值接近于峰值黏度值,BD值最高下降了96.16%,其糊化曲線峰型近乎消失,表明高溫烘烤有利于改善葛根淀粉糊的抗剪切性和糊化穩(wěn)定性。

表2 高溫烘烤葛根淀粉糊化特性

圖2 高溫烘烤葛根淀粉糊化特性曲線

2.4 高溫烘烤對葛根淀粉熱特性的影響

由表3可知,高溫烘烤處理顯著改變了葛根淀粉的熱力學(xué)特性。隨著焙烤溫度的增加,原葛根淀粉的T0、Tp、Tc以及ΔH值均呈現(xiàn)顯著降低趨勢,最高分別減少了6.85%、8.00%、5.72%及22.22%,表明在烘烤過程中葛根淀粉微晶結(jié)構(gòu)遭到破壞。Zou等[32]和Chandanasree等[23]有關(guān)干熱改性玉米淀粉與木薯淀粉的研究也得出了相似的結(jié)論。這一現(xiàn)象可能歸因于高溫?zé)峤到庑?yīng)導(dǎo)致短鏈支鏈和直鏈淀粉分子數(shù)量增多,雙螺旋有序完整性和結(jié)晶完美度降低,密集結(jié)晶區(qū)域面積減少,顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)松弛,以及高溫烘烤過程中干熱效應(yīng)引起的淀粉糊精化可降低淀粉晶體的結(jié)晶度和減少晶體區(qū)域晶體尺寸,促使淀粉雙螺旋有序結(jié)構(gòu)含量降低,顆粒內(nèi)聚力減弱[31,32],這與RVA有關(guān)糊化溫度PT的測定結(jié)果相吻合。

表3 高溫烘烤葛根淀粉的熱力學(xué)特征參數(shù)

2.5 高溫烘烤對葛根淀粉靜態(tài)流變特性的影響

由圖3可知,葛根淀粉糊液的表觀黏度均隨著剪切速率的增大而降低,表明所有樣品均呈現(xiàn)典型的剪切稀化行為。高溫烘烤處理明顯降低了葛根淀粉糊液的表觀黏度,且溫度越高,降低趨勢越顯著。采用冪律模型對靜態(tài)流變特性曲線擬合結(jié)果顯示(表4),所有樣品的R2均大于0.99,表明曲線擬合性較好。原葛根淀粉的稠度指數(shù)R和流動指數(shù)n分別為50.199 Pa·sn和0.285;隨著焙烤溫度的增加,淀粉樣品的K值急劇降低,最高減少了81.99%,而n值卻緩慢提高,最大僅增加了17.89%,表明高溫烘烤有利于淀粉分子間流動阻力的降低以及剪切稀化性減弱,這個變化趨勢與RVA糊化黏度曲線測定結(jié)果保持一致。這可能是由于高溫?zé)嵝?yīng)引起高聚合度長鏈淀粉分子數(shù)量減少,分子鏈間纏繞位點減弱,進而促進分子鏈沿著外力方向伸展取向,淀粉糊液流動性增強[25]。此外,所有樣品的n值均小于1,表明所有糊液均呈現(xiàn)非牛頓假塑性流體特征,尤其是160 ℃焙烤葛根淀粉具有最小K值(9.043 Pa·sn)和最大n值(0.336),表現(xiàn)出良好的抗剪切性,可應(yīng)用于軟飲料產(chǎn)品的開發(fā)[25]。

表4 高溫烘烤葛根淀粉的靜態(tài)流變、短程有序結(jié)構(gòu)及體外淀粉消化性特征參數(shù)

圖3 高溫烘烤葛根淀粉的靜態(tài)流變曲線

2.6 高溫烘烤對葛根淀粉短程有序結(jié)構(gòu)的影響

紅外光譜(FT-IR)可用于在分子水平上表征淀粉結(jié)構(gòu)的短程有序度和雙螺旋程度[33]。由表4可知,高溫烘烤處理顯著減少了原葛根淀粉的DO和DD值,最高分別下降了20.66%和56.99%,表明高溫烘烤降低了葛根淀粉的短程有序性和雙螺旋度。Zou等[32]和Liu等[34]同樣研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)干熱處理減弱了玉米淀粉和板栗淀粉的短程有序結(jié)構(gòu)。這可能是由于高溫烘烤引起淀粉分子氫鍵斷裂、多聚體部分解聚以及淀粉糊精化作用,導(dǎo)致支鏈淀粉微晶區(qū)坍塌、結(jié)晶區(qū)雙螺旋解離以及淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)和微晶取向遭到破壞[31,32,35]。

2.7 高溫烘烤對葛根淀粉消化性能的影響

由表4可知,高溫烘烤處理對凝膠化葛根淀粉的體外消化特性具有顯著影響。高溫烘烤處理后,葛根淀粉的RDS含量明顯降低,最高減少了9.49%,而RS含量及SDS和RS總含量卻顯著增加,最大提升了0.95和0.72倍,表明高溫烘烤減弱了葛根淀粉的體外消化性。這可能歸因于高溫?zé)嵝?yīng)可引起淀粉分子內(nèi)還原性葡萄糖端基發(fā)生分子內(nèi)脫水以及淀粉分子鏈糖苷鍵斷裂,降解的小分子片段或葡萄糖殘基與體系中其他葡萄糖單元上的游離羥基形成諸如α-1,2、β-1,6、β-1,4、β-1,2等非α-1,4/α-1,6糖苷鍵的分子間或分子內(nèi)鍵,重新聚合產(chǎn)生新的分支結(jié)構(gòu),從而降低了人體消化酶(α-淀粉酶為主)對底物淀粉分子的親和力,且隨著熱反應(yīng)程度加深,淀粉分子鏈水解、轉(zhuǎn)糖苷及重聚反應(yīng)加劇,促使淀粉抗消化能力顯著增強[26,27,30]。此外,Zou等[32]和Oh等[36]的研究結(jié)論同樣證實了高溫干熱處理能夠降低淀粉酶對大米淀粉與玉米淀粉的水解能力。

3 結(jié)論

高溫烘烤顯著影響了葛根淀粉的結(jié)構(gòu)、物化及消化特性。高溫烘烤處理后,葛根淀粉顆粒趨于聚集成大團塊狀,顆粒平均粒徑與尺寸分布跨度增大。此外,隨著焙烤溫度的提升,葛根淀粉的糊化黏度、糊化溫度及凝膠化熱焓顯著降低。原葛根淀粉與熱處理淀粉均呈現(xiàn)剪切稀化行為和非牛頓假塑性流體特征,且隨著烘烤溫度的增加,淀粉糊液剪切稀化性與假塑性衰減,而抗剪切性顯著增強。同時,高溫烘烤降低了葛根淀粉微觀結(jié)構(gòu)的短程有序度和雙螺旋度,減弱了葛根淀粉的體外消化性。研究結(jié)果表明,高溫烘烤能夠改善葛根淀粉的微觀結(jié)構(gòu)、糊化特性、熱力學(xué)特性、流變特性以及體外消化性。今后的研究中,將從分子水平上闡明高溫烘烤對葛根淀粉結(jié)構(gòu)和特性的影響機理,并進一步探究改性葛根淀粉在噴霧干燥法或造粒法制備速溶性葛根營養(yǎng)粉中的潛在應(yīng)用。