濕熱處理溫度對多孔淀粉理化性質的影響

劉慶慶,陸紅佳,游玉明,田寶明,陳朝軍,劉　雄,*

(1.銅仁學院生物與農林工程學院,貴州銅仁 554300;2.西南大學食品科學學院,重慶 400715;3.重慶文理學院林學與生命科學學院,重慶 402160)

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濕熱處理溫度對多孔淀粉理化性質的影響

劉慶慶1,2,陸紅佳2,3,游玉明2,3,田寶明2,陳朝軍2,劉雄2,*

(1.銅仁學院生物與農林工程學院,貴州銅仁 554300;2.西南大學食品科學學院,重慶 400715;3.重慶文理學院林學與生命科學學院,重慶 402160)

目的:研究濕熱處理溫度對多孔淀粉理化性質的影響。方法:將濕熱處理溫度分別控制在110、115和120℃,在水分含量為15%條件下濕熱處理1 h,研究在該條件下濕熱處理對多孔淀粉結構和性質的影響。結果:在水浴溫度為85℃條件下多孔淀粉溶解度隨濕熱處理溫度的增加而增加,膨脹度隨著濕熱處理溫度的增加而下降;多孔淀粉吸油率隨濕熱處理溫度的升高而增加；多孔淀粉糊的透光率隨濕熱處理溫度的升高而下降,淀粉糊凍融穩定性、起始糊化溫度和熱糊穩定性隨著濕熱處理溫度的升高而增強,糊化峰值粘度隨濕熱處理溫度的升高而降低;濕熱處理溫度對多孔淀粉的結晶結構影響不大,多孔淀粉依然為A型結晶結構,隨處理溫度的升高其結晶度略有降低;當濕熱處理溫度為115℃時,其抗性淀粉含量最高,達27.67%。結論:濕熱處理溫度對多孔淀粉理化性質有明顯影響,且隨著濕熱處理溫度的不同存在差異性。

濕熱處理,溫度,多孔淀粉

多孔淀粉是一種新型的變性淀粉,作為一種天然、經濟、生物可降解的吸附材料,在食品領域可用作吸附香料、甜味劑、調味料、酶、風味物質的理想緩釋材料[1-6]。濕熱處理是在低水分含量(<35%),在較高溫度(高于糊化溫度,通常在100℃以上)對淀粉進行的處理[7-9]。目前淀粉改性主要以化學改性為主,而淀粉在化學改性的過程中需要加入化學試劑,因此在食品加工應用中,需要對其進行安全性評價。而濕熱處理(heat-moisture treatment)在顯著改變淀粉理化性質的同時,又具有安全、無污染、易操作等特點,已成為國內外變性淀粉研究的熱點之一。

大量研究表明,濕熱處理對谷物、薯類和豆類淀粉的結晶結構、淀粉鏈的相互作用及粘度、抗消化性等性質均有不同程度的影響。濕熱處理可以使淀粉的溶解度和膨脹度降低[10],粘度下降[11],可以增加抗性淀粉的含量,高群玉等[12]研究了不同直鏈淀粉含量的玉米淀粉在濕熱處理后,其抗性淀粉含量增加,且直鏈淀粉含量越高,抗性淀粉增加越多。另外,研究發現濕熱處理可以改變淀粉的空間結構,晶型和結晶度,對不同晶型淀粉的微觀結構及理化性質影響也不同[13-14]。

目前濕熱處理的研究對象多為天然淀粉,對經過酶解改性的多孔淀粉的結構及吸附抗消化性能還有待于進一步研究。本實驗考察不同濕熱處理溫度對多孔淀粉結構及性質的影響,為物理改性淀粉的開發利用提供基礎數據和理論指導,開拓多孔淀粉的應用市場,為多孔淀粉的生理功效性研究提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

玉米淀粉市售;α-淀粉酶(≥10000 U/g)杰諾生物酶有限公司;糖化酶(≥100000 U/g)、胃蛋白酶(1∶3000)北京奧博星生物技術有限公司;溴化鉀(光譜純)天津天光光學儀器有限公司;實驗中用到的其他試劑或藥品均為分析純。

X’Pert PRO X-射線衍射儀荷蘭panalytical分析儀器公司;YX.280B電熱壓力蒸汽滅菌器上海三申醫療機械有限公司;722-P可見分光光度計上海現科儀器有限公司;3400N掃描電子顯微鏡日本HITACHI公司;Spectrum100紅外光譜儀美國Perkin-Elmer公司。

1.2多孔淀粉制備及濕熱處理

稱取100 g玉米淀粉,置于1000 mL的燒杯中,加入 pH5.2的復合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶2)醋酸鈉緩沖液750 mL,置于50℃水浴中攪拌反應5 h后,用2 mol/L NaOH調節pH至10終止反應,將淀粉洗滌干燥后粉碎,即得多孔淀粉[15]。

稱取一定質量的多孔淀粉,調節水分含量至15%,室溫平衡24 h后,裝入鋁箔袋真空包裝,放入高壓滅菌鍋中,分別在110、115、120℃溫度條件下濕熱處理1 h后自然冷卻,粉碎,過100目篩,即得濕熱處理多孔淀粉樣品。

1.3樣品的性質測定

1.3.1溶解度及膨脹度的測定配制30 mL質量百分比濃度為3%淀粉乳,在一定溫度下攪拌加熱30 min后于3000 r/min離心10 min,倒出上清液,稱量沉淀物的質量,將上清液在130℃條件下干燥。

溶解度(S)=(A/W)×100%

膨脹度(P)=[D/W(1-S)]×100%

式中:A為上清液蒸干恒重后的質量/g,W為絕干樣品質量/g,D為離心后沉淀物的質量/g,S為溶解度。

1.3.2吸油率的測定精確稱取2.0 g樣品于離心管中,室溫下與大豆油混合攪拌30 min后,9000 r/min離心5 min,棄去上清液,沉淀物傾斜45°,靜置十分鐘,除去大豆油,計算吸油率。

吸油率(%)=[(m2-m1-m0)/m1]×100

式中:m2為吸附大豆油后淀粉和離心管的重量/g,m1為吸附前稱取的多孔淀粉質量/g,m0為空離心管的質量/g。

1.3.3透明度和凍融穩定性的測定取質量分數為1%淀粉乳50 mL置于沸水浴中加熱攪拌,保溫15 min,并保持原有體積,冷卻至室溫后,以蒸餾水作參比,620 nm波長下測定糊的透光率,透光率越大其透明度越大。

配制6%淀粉乳,在沸水浴中加熱攪拌30 min,冷卻至室溫,加水保持原有體積,取20 g加入已稱量過的離心管中置于-18℃冰箱內放置18 h,取出室溫解凍6 h,在4000 r/min離心30 min,取出上清液,稱取沉淀物重量,計算析水率。

1.3.4沉降體積和堆積密度的測定參考文獻[6]的方法,2%的淀粉溶液置于82～85℃水浴中,攪拌保溫2 min,冷卻至室溫后取10 mL糊液于4000 r/min轉速離心2 min,量取上清液體積V,計算沉降體積。

沉降體積(mL)=10-V

向已知重量(W0)的比重瓶內加入試樣,輕敲比重瓶,不斷振動壓實,裝至瓶口,用平整玻璃板輕輕刮平,稱重,重復多次至前后不超過0.01 g,記錄準確重量W1;同一比重瓶內加入蒸餾水為參比,稱重W2,ρ水為同樣測定室溫下水的密度。

堆積密度ρ(g/mL)=(W1-W0)ρ水/(W2-W0)

1.3.5紅外光譜分析將烘干的1 mg淀粉樣品于40 mg KBr研磨壓片。用紅外光譜分析淀粉的傅里葉變幻紅外光譜,掃描的波數范圍500～4000 cm-1,分辨率4 cm-1。

1.3.6X射線衍射稱取淀粉樣品1.0 g,用無水乙醇洗滌后在50℃干燥5 h,粉碎后取樣采用X’Pert PRO X-射線衍射儀進行分析。起始角:5°;終止角:30°;步長:0.02°;掃描速度:5°/min。

1.3.7布拉班德粘度測定利用Brabender粘度計測定淀粉的糊化溫度:取10 g淀粉,加入105 mL蒸餾水中搖勻,從25℃開始以7.5℃/min的升溫速率加熱至95℃,在95℃保溫15 min,然后以同樣的速率降溫至50℃,保溫5 min。

1.3.8淀粉顆粒形貌的觀察采用3400 N掃描電子顯微鏡對淀粉顆粒粉末進行觀察,將粉末狀淀粉樣品干燥后,用導電膠粘在樣品座上。把樣品座置于離子濺射儀中,在樣品表面蒸鍍一層10～20 nm厚的鉑金膜后,在不同放大倍數下進行電鏡觀察并拍攝照片。

1.3.9抗性淀粉含量的測定RS含量的測定參考Englyst和Champ改良法[17],具體歩驟如下:稱取樣品1 g,加入10 mL混合酶溶液,混勻后37℃水浴酶解16 h;加入40 mL無水乙醇滅酶。靜置30 min后3000 r/min離心15 min,棄上清,沉淀用80%乙醇洗滌后置于100℃干燥。用15 mL水將沉淀轉移至錐形瓶中,沸水浴中加熱30 min,冷卻至室溫后加入1倍體積的4 mol/L KOH混合30 min,用2 mol/L乙酸溶液,調節pH為5.0,再加入淀粉葡萄糖苷酶溶液5 mL,65～70℃水浴90 min。冷卻后將水解液轉移至100 mL容量瓶中,用乙酸緩沖液定容至刻度,過濾溶液待測。采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定溶液中還原糖含量,乘以0.9即為抗性淀粉的含量。

1.4數據分析處理

各組數據均為3次重復測定求平均值,采用SPSS Statistics 17.0軟件對結果進行統計分析,采用Origin 8.0軟件作圖。

2　結果與分析

2.1濕熱處理溫度對多孔玉米淀粉溶解度及膨潤度的影響

由圖1a可知,淀粉的溶解度隨水浴溫度升高而增加,多孔淀粉溶解度隨溫度的變化較原淀粉大。由于酶解破壞了淀粉分子內部及分子間的氫鍵,結晶區和非結晶區也受到一定程度的破壞[15],使得水分子更易滲入,所以多孔淀粉溶解度和膨潤度均大于原淀粉。濕熱處理溫度在110～120℃范圍內對多孔淀粉溶解度的影響未呈現規律性,這與熱能和水分的作用、淀粉顆粒大小、淀粉組成等因素相關。由圖1b可知,淀粉的膨潤度隨水浴溫度的升高而增大,多孔淀粉的膨潤度較原淀粉大。經濕熱處理后多孔淀粉的膨潤度下降,濕熱處理后,淀粉分子質量減小,淀粉發生降解。在熱能和水分的相互作用,破壞了支鏈淀粉的α-1,6糖苷鍵,同時對α-1,4糖苷鍵也產生裂解,結果產生更多的小分子淀粉,容易發生鏈與鏈之間的交聯,產生有序、致密的結構[12]。濕熱處理溫度在110～120℃范圍內對多孔淀粉膨潤度的影響未呈現出規律性,有降低的趨勢。濕熱處理過程中直鏈淀粉-脂質復合物的形成也會引起溶解度和膨脹度的降低[18]。

圖1　濕熱處理溫度對多孔玉米淀粉溶解度和膨脹度的影響Fig.1　The influence of heat-moisture treatment temperature on corn porous starch solubility and swelling degree

2.2濕熱處理溫度對多孔玉米淀粉吸油率的影響

由圖2可知,經過濕熱處理后,多孔淀粉對大豆油的吸附能力顯著降低(p<0.05),隨著濕熱處理溫度的升高,多孔淀粉對大豆油的吸附性能增強。

圖2　濕熱處理溫度對多孔玉米淀粉吸油率的影響Fig.2　The influence of heat-moisture treatment temperature on corn porous starch oil absorption rate注:**表示玉米淀粉和多孔淀粉間存在極顯著性差異(p<0.01);不同字母表示濕熱處理組及原多孔淀粉間存在顯著性差異(p<0.05),圖3同。

2.3濕熱處理溫度對多孔玉米淀粉糊透光率和析水率的影響

由圖3可知,調節濕熱處理溫度,隨著溫度的升高其透光率顯著下降(p<0.05),可能是由于濕熱處理過程中發生不同程度的美拉德反應,導致淀粉糊色澤不同程度地加深,影響其透光率,這與徐忠等[18]對玉米淀粉濕熱處理研究結果一致。由于水分與熱能的相互作用,破壞了支鏈淀粉的α-1,6鍵,同時使α-1,4鍵也發生裂解,造成結構改變,引起透光率的改變[19]。

圖3　濕熱處理溫度對多孔玉米淀粉糊透光率和析水率的影響Fig.3　The influence of HTM temperature on the transmittance and drainage rate of corn porous starch paste

濕熱處理溫度對多孔淀粉糊凍融穩定性存在顯著性影響,隨著處理溫度的升高,淀粉糊的析水率下降,析水率越大其凍融穩定性越差,處理溫度為115℃和120℃時淀粉糊的凍融穩定性顯著高于處理溫度為110℃條件下的淀粉糊(p<0.05)。

2.4濕熱處理溫度對多孔玉米淀粉沉降積和堆積密度的影響

由圖4可知,經濕熱處理后,多孔淀粉糊穩定性下降,且隨著濕熱處理溫度的增加而下降,呈現出顯著性。隨著濕熱處理溫度的增加,多孔淀粉的堆積密度顯著增加。

圖4　濕熱處理溫度對多孔玉米淀粉沉降積和堆積密度的影響Fig.4　The influence of heat-moisture treatment temperature on the sedimentation volume and bulk density of corn porous starch注:**表示玉米淀粉和多孔淀粉間存在極顯著性差異(p<0.01),*表示玉米淀粉和多孔淀粉間存在顯著差異(p<0.05);不同字母表示濕熱處理組及原多孔淀粉間存在顯著性差異(p<0.05)。

2.5紅外光譜

由圖5可知,酶解反應后淀粉的特征吸收峰未發生明顯的變化。這是因為酶解反應不能導致淀粉分子結構的改變。因此,多孔淀粉的官能團和天然淀粉相似。但是,多孔結構的形成使淀粉顆粒的密度下降,使反應后的特征吸收峰的強度下降。1047 cm-1附近的紅外吸收是淀粉結晶區的結構特征,對應于淀粉聚集態結構中的有序結構;1022 cm-1附近的紅外吸收則是淀粉無定形區的結構特征,對應于淀粉大分子的無規則線團結構。淀粉在1047 cm-1和1022 cm-1兩處的比值R表示淀粉結構中有序結構和無序化結構的比例關系,其比值越大,顆粒內結晶區域越大。由圖5可知,調節濕熱處理的溫度,多孔淀粉的特征吸收峰未發生明顯變化,這說明調節濕熱處理溫度不能導致淀粉分子結構的改變。當濕熱處理溫度分別為110、115、120℃時,多孔淀粉的R(A1047/A1022)值分別為2.11、1.99、2.00,可見濕熱處理后,多孔淀粉顆粒內部結晶區域相對減少。

圖5　淀粉的紅外分析圖譜Fig.5　The infrared spectra of starch注:A圖中a代表玉米淀粉,b代表玉米多孔淀粉。B圖中a代表多孔淀粉,b、c、d分別代表110、115、120℃濕熱處理后的淀粉。

2.6X-射線衍射

圖6A顯示,經過酶解后,淀粉XRD衍射位置無明顯變化,都屬于“A”型多晶型體,但衍射強度有所增強,說明經過酶解后淀粉的結晶結構類型并未發生變化,而酶解優先發生在非結晶區,結晶度較原淀粉提高。

圖6　多孔玉米淀粉的X射線衍射圖譜Fig.6　Wide angle X-ray diffraction pattern of corn porous starch

在不同溫度條件下濕熱處理多孔淀粉,其XRD圖如圖6B所示,圖中由下而上依次為多孔玉米淀粉、110、115、120℃濕熱處理后的X射線衍射圖譜,對比各曲線可知,多孔淀粉經濕熱處理后,其XRD圖的衍射位置無明顯變化,都屬于“A”型多晶型物,其衍射強度較原多孔淀粉減弱,相對結晶度降低。這與陳佩[20]及Lee[21]等研究濕熱處理對相對結晶度影響結果一致。主要原因可能是濕熱處理破壞了淀粉顆粒的結晶區,雙螺旋結構變化,同時形成了更多的直連淀粉-脂質復合物[14]。

2.7布拉班德粘度

圖7　多孔玉米淀粉的布拉班德黏度曲線圖Fig.7　Brabender viscosity curve of corn porous starch注：圖7中a代表多孔玉米淀粉的布拉班德粘度曲線圖，b、c、d分別代表多孔淀粉在110、115、120℃溫度下濕熱處理后的布拉班德粘度曲線圖。

由圖7及表1可知,濕熱處理后多孔淀粉的起糊糊化粘度略有升高,隨著濕熱處理溫度的升高多孔淀粉的起始糊化溫度分別為67.5、67.7、68.7℃，多孔淀粉的糊化溫度升高；峰值黏度及(B-A)粘度差值隨著濕熱處理溫度的升高而下降,說明多孔淀粉隨著濕熱處理溫度的增加變得更難糊化了;(B-D)粘度差值隨著濕熱處理溫度的升高而下降,說明多孔淀粉糊的熱穩定性隨著濕熱處理溫度的增加而增強;(E-D)粘度差值隨著濕熱處理溫度的增加先下降,說明其冷糊穩定性隨著處理溫度的升高先降低后增強;(B-E)粘度差值為負值,經濕熱處理后其凝沉性趨弱,其凝沉性隨著濕熱處理溫度的升高先增強后下降。

2.8掃描電鏡

由圖可知,經酶解后形成的多孔淀粉顆粒表面形成很大孔洞,比表面積增加,由此也可推斷多孔淀粉具有獨特的吸附性能。由圖a、b、c可知,110～120℃范圍內的高溫處理會對多孔淀粉顆粒產生一定的破壞作用,雖然多孔淀粉的多孔結構依然存在,但由于淀粉顆粒表層結構被破壞,對外界的抵抗力下降。

圖8　淀粉掃描電鏡圖Fig.8　SEM of corn starch注:圖中A、B分別代表玉米淀粉和多孔玉米淀粉,a、b、c分別代表濕熱處理溫度為110、115和120℃的多孔玉米淀粉。

2.9濕熱處理溫度對多孔淀粉抗性淀粉含量的影響

酶解后多孔淀粉的抗性淀粉含量較原玉米淀粉升高。濕熱處理對多孔淀粉抗性淀粉含量的影響在110～120℃范圍內未呈現出正相關性,濕熱處理溫度為115℃時形成的抗性淀粉含量較多,濕熱處理時間過短不利于直鏈淀粉分子接近,但溫度過高也會導致淀粉分子過度降解,使產生的淀粉聚合度太小,不利于抗性淀粉的形成[22]。濕熱處理溫度過低或過高都不利于抗性淀粉的生成。

3　結論

固定濕熱處理水分含量為15%、處理時間為1 h,改變濕熱處理溫度,經實驗發現,濕熱處理溫度對多孔淀粉理化性質有影響。隨著濕熱處理溫度的升高多孔淀粉在水浴溫度為55～85℃范圍內的溶解度和膨潤度的變化無明顯規律性,水浴溫度為85℃條件下多孔淀粉溶解度隨濕熱處理溫度的增加而增加,膨潤度隨著濕熱處理溫度的增加而下降;多孔淀粉吸油率、多孔淀粉糊的透光率隨濕熱處理溫度的升高而下降,凍融穩定性、淀粉糊的起始糊化溫度和熱糊穩定性隨著濕熱處理溫度的升高而增強,糊化峰值粘度隨濕熱處理溫度的升高而降低;濕熱處理溫度對多孔淀粉的結晶結構影響不大,多孔淀粉依然為A型結晶結構,隨處理溫度的升高其結晶度略有降低;當濕熱處理溫度為115℃時,其抗性淀粉含量最高,達27.67%。

表1　玉米多孔淀粉布拉班德粘度儀測定參數值

表2　抗性淀粉含量

注:表中A和B表示各組間抗性淀粉含量存在顯著性差異(p<0.05),相同字母表示各組間無顯著性差異(p>0.05)。

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Effect of heat-moisture treatment temperature on physicochemical properties of porous starch

LIU Qing-qing1,2,LU Hong-jia2,3,YOU Yu-ming2,3,TIAN Bao-ming2,CHEN Zhao-jun2,LIU Xiong2,*

(1.College of Biology and A&F Engineering,TongRen University,Tongren 554300,China; 2.College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China; 3.College of Forestry and Life Science,Chongqing University of Arts and Science,Chongqing 402160,China)

Objective:To investgate the effect of heat-moisture treatment temperature on physicochemical properties of porous starch.Methods:the temperature of porous starch was adjusted to 110,115,120℃,then heat-moisture treatment was performed at 15% moisture for 1 h,the effect of the heat-moisture treatment on those porous starch were studied.Results:Under the condition of the water bath temperature of 85℃ porous starch solubility and oil absorption rate of porous starch were increased with the increase of the heat-moisture treatment temperature,degree of swelling was decreased with the increase of treatment temperature,the light transmittance of porous starch paste were decreased with the increasing of treatment temperature,starch paste freeze-thaw stability,initial pasting temperature and heat paste stability were increased as the treatment temperature increasing,and the pasting peak viscosity was decreased with the temperature increasing of treatment.Heat-moisture treatment temperature on the crystalline structure of porous starch was not serious,its crystalline structure was still A type,with the temperature increasing its crystallinity was slightly lower,when the temperature was 115℃,the content of resistant starch was in porous starch was improved to 27.67%.Conclusion:heat-moisture treatment affected the properties of porous starch obviously,and the starch changes were somewhat different due to the different treatment temperature.

heat-moisture treatment;porous starch;temperature

2015-08-07

劉慶慶(1991-)，女，碩士，助教，研究方向：食品微生物與發酵工程，E-mail：liuqingqingay@163.com。

劉雄(1970-)，男，博士，教授，研究方向：碳水化合物功能與利用、食品化學與營養，E-mail：liuxiong848@hotmail.com。

梵凈山特色動植物資源重點實驗室(黔教合KY字[2011]005號); 野生動植物保護與利用重點學科建設(黔學位合字ZDXK[2013]09號); 梵凈山特色動植物資源保護與利用創新人才團隊(黔教合人才團隊字[2012]08號);重慶市教委科技項目(KJ1401101)。

TS236.9

A

1002-0306(2016)07-0061-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.004