超高壓處理對“和尚頭”小麥淀粉結構和特性的影響

張曉萌,陳金鳳,李建剛,陳瑞喜,周治屹,張盛貴*

1(甘肅農業大學 理學院,甘肅 蘭州,730070)

2(甘肅農業大學 食品科學與工程學院,甘肅 蘭州,730070)

在我國,小麥是僅次于稻谷的第二大谷物,小麥籽粒中富含人體所需的營養物質,淀粉是約占籽粒干質量的65%～70%[1],對小麥粉的加工特性有著重要的影響。淀粉是世界上最豐富的生物材料之一,常用作乳化劑、增稠劑、穩定劑、粘合劑和膠凝劑等[2]。由于天然淀粉易糊化老化,在冷水中溶解度低,耐熱性和耐機械性能差等,限制了其在食品工業中的應用和某些加工工藝的實現。因此,人們使用各種物理、化學、酶、基因等方法改變淀粉顆粒的內部結構,以賦予其特別的加工應用特性[3]。

在食品加工技術領域,超高壓(ultra-high pressure,UHP)是一種可用于淀粉改性典型的物理非熱加工技術[4]。LI等[5]發現UHP處理可以促進水分子進入紅小豆淀粉顆粒,破壞其結晶結構,使其熱穩定性降低;不同結晶類型的淀粉在超高壓處理后表現出不同的結果,A型淀粉對壓力最敏感,其次是C型和B型淀粉[6]。高粱淀粉(A型)在480～600 MPa下完全凝膠化,綠豆淀粉(C型)在600 MPa下完全糊化,馬鈴薯淀粉(B型)在800 MPa下凝膠化。GUO等[7]發現UHP處理的蓮子淀粉有利于淀粉聚集以及延緩老化速率;LARREA-WACHTENDORFF 等[8]通過UHP處理獲得了結構優良、機械性能穩定的馬鈴薯淀粉水凝膠。這些研究表明,UHP處理可以改變淀粉的結構和理化性質,賦予淀粉新的功能性質。

“和尚頭”小麥是甘肅等西北地區廣泛栽培的旱地小麥品種,具有較高的面筋含量,其面團筋道,韌性強、延伸性好、面條斷條率低,是品質俱佳的家庭食用面粉。UHP處理可以改變淀粉的結構和理化性質,賦予淀粉新的功能性質。目前鮮有關于UHP處理對“和尚頭”小麥淀粉結構和理化特性影響的報道。因此,本文以甘肅產“和尚頭”小麥粉為原料,通過UHP處理,探討其對小麥淀粉結構和特性的影響,以期為UHP技術在小麥淀粉改性及小麥淀粉食品加工中更好的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

“和尚頭”小麥粉,甘肅省景泰縣旱地春小麥。

1.2 儀器與設備

HHP.L2-600/1超高壓設備,天津華泰森淼生物工程技術股份有限公司;X′Pert-Pro MPD多晶粉末X射線衍射儀,PANalytical公司;DSC2500差示掃描量熱儀,美國TA儀器公司;JSM-6701F冷場發射型掃描電子顯微鏡,日本電子光學公司;NEXUS670傅里葉紅外光譜儀,美國Thermo公司;Bettersize 2600激光粒度分析儀,丹東百特儀器有限公司;H-1850R臺式高速冷凍離心機,湘儀離心機儀器有限公司;DHG-9070電熱鼓風干燥箱,上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 小麥淀粉的制備

參考GB/T 14772—2008和孫小凡等[9]的方法。100 g脫脂面粉中加入2 g鹽,60 mL蒸餾水,揉成面團,用保鮮膜包裹,在室溫下靜置20 min后用蒸餾水水和面液料比為8∶1或10∶1(mL∶g)洗滌,直至濾液遇碘液不變色為止。將得到的淀粉漿過100目篩,在室溫下靜置6～8 h后,棄去上清液,將余下的淀粉漿離心(3 000 r/min,15 min),刮去其上層黃色蛋白層,收集下層白色物質。用無水乙醇洗滌、抽濾,將抽濾后得到的淀粉置于35 ℃鼓風干燥機中干燥后,于樣品袋中密封備用。

1.3.2 樣品UHP處理

小麥淀粉加蒸餾水配制成150 g/mL)的淀粉乳懸浮液,搖勻后裝入聚氯乙烯密封袋中,分別在100、200、300、400、500 MPa的壓力下處理15 min。超高壓處理完成后,將淀粉溶液抽濾,去除水分,濕淀粉在35 ℃鼓風干燥機中干燥,研碎后于樣品袋中密封備用[10]。

1.3.3 掃描電鏡測定

1.3.4 傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)測定

采用碘化鉀壓片法測定,掃描范圍為4 000～400 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃描64次,以空氣作為掃描背景[12]。

1.3.5 X-射線衍射的測定

參照WANG等[13]的方法。將淀粉樣品置于鋁板上的矩形槽中并壓制。X-射線衍取的Cu-Ka射線在3 kV和20 mA下測量淀粉樣品。測量范圍為10°～40°(2θ),樣品步長0.02°,掃描速率為1°/min,掃描方式為連續,重復1次,測定小麥淀粉的X-射線衍射圖譜。

1.3.6 粒徑測定

使用激光粒度分析儀評估淀粉樣品的粒徑分布。將小麥淀粉配制成20 g/L的淀粉乳懸浮液,并將淀粉乳懸浮液滴入激光粒度分析儀的樣品池中,以蒸餾水做分散劑,超聲波振蕩3 min,使淀粉顆粒均勻分散。當遮光率達到15%時,通過3個平行實驗確定平均粒徑分布。淀粉和蒸餾水的折射率分別為1.52和1.33[14]。

1.3.7 溶解度和膨脹度的測定

準確稱取0.5 g淀粉樣品(干基),在離心管中加入25 mL蒸餾水,制備質量分數為2%的淀粉乳懸浮液。然后將離心管分別置于沸水中水浴攪拌30 min。冷卻后離心(5 000 r/min,15 min),上清液倒入鋁盒中,于105 ℃烘箱中烘干至恒重稱量[15]。溶解度(S)和膨脹度(B)按公式(1)和公式(2)計算:

(1)

(2)

式中:A為上清液烘干至恒重后的質量,g;W為淀粉質量,g(干基重);P為離心后沉淀物質量,g。

1.3.8 凍融穩定性的測定

將小麥淀粉加蒸餾水配制成50 g/L的淀粉乳懸浮液,沸水浴30 min,隨后裝入離心管中,-20 ℃冷凍24 h后取出,30 ℃下解凍2 h后離心(3 000 r/min,15 min),棄去上清液,稱取沉淀物的質量,反復凍融4次[16]。按公式(3)計算析水率,以析水率表征凍融穩定性:

(3)

1.3.9 熱特性的測定

稱取3.0 mg樣品置于鋁質坩堝內,加入9 μL蒸餾水,密封壓蓋,室溫下平衡過夜。以空鋁質坩堝為對照,利用差示掃描量熱儀進行測定。掃描溫度從25～100 ℃,溫度上升速率為10 ℃/min,氮氣流量50 mL/min[17]。測定參數包括:起始糊化溫度(onset temperature,TO)、最高溫度(peak temperature,TP)、終止溫度(conclusion temperature,TC)及熱焓值(enthalpy of gelatinization,ΔH)。

1.4 數據分析

所有實驗平行測定3次。采用Origin 8.0軟件作圖,通過SPSS 22.0軟件中t檢驗進行顯著性分析,結果以“平均值±標準差”表示,P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 超高壓處理對小麥淀粉顆粒形貌的影響

圖1是小麥原淀粉(wheat starch,WS)和UHP處理淀粉5 000倍的掃描電鏡圖。由圖1可知,WS表面光滑,顆粒完整無裂縫,壓力為100 MPa時,淀粉顆粒無明顯變化,200～300 MPa處理后,顆粒表面出現破損的痕跡,壓力在400～500 MPa時,淀粉顆粒結構消失并出現崩解的現象。本實驗觀察到的結果和超高壓處理糯小麥淀粉[18]和蕎麥淀粉[19]的結果相似,但燕麥淀粉在400 MPa處理時依然有部分有規則顆粒[10],表明不同淀粉的耐壓能力不同,其加工性能可能不同。淀粉吸收介質中的水分子進入其顆粒內部,顆粒發生溶脹,隨著壓力的增加,淀粉顆粒被擠壓并超出其自身的承受范圍,淀粉顆粒便會崩解產生結構消失情況。

a-WS;b-100 MPa;c-200 MPa;d-300 MPa;e-400 MPa;f-500 MPa

2.2 FT-IR分析

FT-IR是分析淀粉材料化學官能團及化學鍵強弱的有效工具,也能提供淀粉顆粒表面分子雙螺旋的有序結構的信息[20]。950～1 065 cm-1是淀粉的紅外指紋區域,如1 047 cm-1處的吸光度值表示淀粉的結晶區情況,1 022 cm-1處吸光度值可表示淀粉的無定型區情況,所以R1047/1022值能體現淀粉短程有序的程度[21]。實驗結果顯示,UHP處理的“和尚頭”小麥淀粉的R1047/1022值從2.11(WS)下降到1.51(500 MPa),表明超高壓破壞了淀粉的短程有序性,淀粉的晶體結構被破壞。王金榮[22]報道UHP處理后的揚麥15在1 047/1 022 cm-1的峰強度比值也顯著降低。與天然淀粉相比,UHP處理后的FT-IR光譜沒有發現新的吸收峰(圖2),但不同波段的峰值強度不同,表明沒有產生新的物質,UHP處理只使部分淀粉分子結構發生了變化,是一個物理改性的過程。該結果與ZHANG等[4]在百合淀粉中的研究結果一致。

圖2 不同超高壓處理后小麥淀粉的傅里葉變換紅外光譜圖

2.3 X-射線衍射分析

WS在15.08°、22.98°處有衍射峰,在17.67°、18.01°處有雙峰,在19.88°有一個小峰,是典型的A型淀粉[23]。100～300 MPa處理時,衍射圖譜無明顯變化,晶體類型仍為A型(圖3),說明小麥淀粉沒有發生凝膠化。當壓力為400 MPa時,X-射線衍射圖譜中的峰位置沒有發生變化,但是衍射峰強度明顯下降,從29.64%(WS)下降到13.43%(400 MPa)。當壓力為500 MPa時,分別在17.66°和20.18°出現衍射峰,其余衍射峰消失(圖3)。X-射線衍射圖譜的變化說明當壓力達到400 MPa時小麥淀粉開始出現凝膠化,隨著壓力的升高,淀粉完全凝膠化。這與HU等[18]對糯小麥淀粉中的研究結果一致。

圖3 不同超高壓處理后小麥淀粉的X-射線衍射圖

2.4 超高壓處理對小麥淀粉粒徑分布的影響

小麥淀粉顆粒的平均粒徑為19.62 μm,其顆粒體積呈雙峰曲線分布,峰值出現在15 μm附近,屬于中顆粒淀粉[24](圖4)。100～300 MPa處理,體積分布圖的峰向左移動,峰型變窄,D(4,3)和D50無明顯差異(P<0.05)。隨著處理壓力升高(400～500 MPa),體積分布圖峰值下降,范圍縮小,D(4,3)和D50顯著增加(P<0.05)(表1),UHP處理可使淀粉顆粒膨脹和聚集,表現出淀粉顆粒粒徑的增加,在豌豆淀粉[25]中也觀察到了類似的現象。UHP對淀粉顆粒形態的影響與壓力有關,這一結果與掃描電子顯微鏡的觀測和X-射線衍射實驗結果一致,表明過高的處理壓力則能使淀粉結構崩解,淀粉出現凝膠化現象。

表1 不同超高壓處理后小麥淀粉顆粒的粒度分布特征 單位:μm

圖4 不同超高壓處理后小麥淀粉的粒徑分布圖

2.5 超高壓處理對小麥淀粉溶解度和膨脹度的影響

淀粉的溶解度和膨脹度反映淀粉分子與水分子之間相互作用強度。不同UHP處理后的小麥淀粉在90 ℃下的溶解度和膨脹度如圖5所示。與WS相比,UHP處理的小麥淀粉的溶解度和膨脹度變化更明顯,呈顯著下降的趨勢。從溶解度看,更高的處理壓力(500 MPa)使溶解度較原淀粉下降了27.32%,使膨脹度下降了8.84%。有研究認為是因為UHP處理切斷了分子間與分子內的氫鍵,結晶區破壞程度加深,形成凝膠的網狀結構受損所致[26],也可能是淀粉在這一過程中發生重結晶,所以溶解度和膨脹度有降低的趨勢。

a-溶解度;b-膨脹度

2.6 超高壓處理對小麥淀粉凍融穩定性的影響

析水率與凍融過程中淀粉的凝膠穩定性成反比,析水率越小,凍融穩定性越好[27]。圖6是不同UHP處理對小麥淀粉凍融穩定性的影響。淀粉糊冷凍過程中水的相變以及冰晶的形成容易破壞淀粉網絡結構,導致淀粉凝膠強度減弱。從圖中可以看出,隨著凍融循環次數的增加,淀粉的析水率增加。第4次凍融循環后,WS的析水率從35.75%增加到56.28%,凍融穩定性變差。隨著處理壓力的增大,淀粉析水率呈現先降低后上升的趨勢,200 MPa處理15 min后,淀粉的析水率最小,顯示出較高的凍融穩定性,說明在此條件下對小麥淀粉的凍融穩定性有一定的改善作用;壓力超過400 MPa時,析水率開始上升,凍融穩定性降低。該結果表明隨著壓力的增加,淀粉顆粒破壞程度增大,淀粉分子內部發生重排,導致水分分子與淀粉分子之間的結合能力降低,淀粉顆粒中的水分較容易析出[14]。

2.7 超高壓處理對小麥淀粉熱特性的影響

淀粉分子內部晶體結構的完整性與淀粉糊化溫度呈正相關,分子內部晶體結構越完整,其淀粉糊化溫度越高[28]。圖7是WS和UHP處理小麥淀粉的差示掃描量熱熱圖。隨著處理壓力增加,吸熱峰逐漸向高溫偏移,處理壓力超過400 MPa時吸熱峰消失,這一現象在蓮子淀粉中也被觀察到[6],由表2可知,100 MPa壓力處理后,淀粉的TO、TP、TC及ΔH均顯著下降(P<0.05),200～300 MPa處理時,熱力學各參數變化不顯著,處理壓力達到400 MPa以上時,檢測不到相關數據,這一實驗結果表明,適當的壓力處理(如100 MPa)可能首先改變淀粉非結晶區,表現在熱力學參數上變化顯著,淀粉結晶結構可承受100～300 MPa壓力處理,超過400 MPa處理壓力,淀粉的結晶結構已經完全被破壞,淀粉顆粒發生凝膠化[29]。這一結果在XRD結果也得到同樣的驗證,在加工工藝上有非常重要的意義。

表2 不同超高壓處理后小麥淀粉的熱力學特性參數

圖7 不同超高壓處理后小麥淀粉的差示掃描量熱熱圖

3 結論

本文研究了UHP(100～500 MPa)處理對“和尚頭”小麥淀粉結構和特性的影響。處理壓力低于400 MPa時,隨著壓力的增加,淀粉顆粒被擠壓并超出其自身的承受范圍,發生淀粉顆粒崩解、結構消失現象;處理壓力高于400 MPa時,隨著壓力的增加,淀粉凝膠化程度逐漸增加,粒徑分析顯示,更高的UHP處理可使淀粉顆粒膨脹和聚集,淀粉相對結晶度降低。FT-IR結果表明,UHP處理沒有產生新的物質或化學鍵,淀粉分子結構的變化是一個物理改性的過程。與WS相比,UHP處理的淀粉的溶解度和膨脹度呈顯著下降的趨勢(P<0.05),100 MPa壓力處理后,淀粉的TO、TP、TC及ΔH均顯著下降(P<0.05),200～300 MPa處理時,熱力學各參數變化不顯著,當處理壓力達到400 MPa以上時,檢測不到相關熱力學參數,表明淀粉結晶結構可承受100～300 MPa壓力處理,超過此壓力,淀粉分子順序完全破壞、晶型結構喪失,這在指導UHP技術在淀粉加工應用上具有一定的參考價值,然而,UHP引起各種淀粉各參數變化的確切機制應進一步研究。