黑米淀粉理化性質分析

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(1.廣東省農業科學院水稻研究所,廣東省水稻育種新技術重點實驗室,廣東廣州 510640;2.華南農業大學食品學院,廣東廣州 510642)

黑米淀粉理化性質分析

肖昕1,宋賢良2,陳奕1,江遠漢1

(1.廣東省農業科學院水稻研究所,廣東省水稻育種新技術重點實驗室,廣東廣州 510640;2.華南農業大學食品學院,廣東廣州 510642)

通過與普通大米淀粉的性質比較,對黑米淀粉的溶解度、膨潤力、凝沉穩定性和凍融穩定性等理化性質進行了深入研究。結果表明:黑米淀粉顆粒屬于多角形,粒徑較小。當溫度達到60 ℃時,黑米淀粉糊化速度迅速增加,淀粉結構被破壞。當溫度達到55 ℃時,黑米淀粉比大米淀粉具備更優良的膨潤力和溶解度。黑米淀粉的凝沉穩定性、凍融穩定性不如大米淀粉,不同濃度的電解質(氯化鈉)和非電解質(蔗糖)存在時,其凍融穩定性會增大。

黑米,淀粉,凍融穩定性,溶解度,性質

黑米具有很高的營養價值和藥用價值,不僅含有人體所必需的氨基酸、豐富的蛋白質、維生素以及豐富的礦質元素,更含有大米中所缺乏的胡蘿卜素、葉綠素等成分[1-3],具有很強的抗氧化、抗炎、抗癌等功效[4-7]。黑米中淀粉含量高達78.7%,比大米中淀粉含量稍低[7]。淀粉在食品、藥品、化工、紡織等領域具有廣泛的應用,而谷類淀粉的理化特性獨特,其潛在用途正日益受到人們關注,如谷類淀粉可用于生產多孔淀粉、抗消化淀粉、模擬脂肪和明膠替代物等[8-10]。目前人們對谷類淀粉性質的研究較為深入,但對黑米淀粉性質的研究則少見報道。李學紅等[11]對粳、秈、糯三個品種的黑米淀粉的理化性質進行了比較,但對黑米淀粉性質的研究不夠系統深入,而黑米淀粉與大米淀粉的性質有何不同則有待進一步研究。

本文采用中性蛋白酶結合超聲波技術從黑米中提取黑米淀粉,通過與大米淀粉的性質作對比,對黑米淀粉的溶解力、膨潤力、凝沉穩定性和凍融穩定性進行研究,旨在探究黑米淀粉性質,為黑米的深加工及其生產應用提供實驗依據,同時也為黑米淀粉的性能開拓及應用研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

黑米、大米、大米淀粉 廣州好當家超市;氯化鈉(AR) 成都聯合化學試劑研究所;蔗糖(AR) 廣東光華化學廠有限公司;中性蛋白酶(AR) 酶活力60000 U/mL,廣州裕立寶生物科技;其余試劑均為分析純。

XL-30 ESEM環境電子掃描顯微鏡 荷蘭菲利浦電子光學公司;S.C.101鼓風電熱恒溫干燥箱 浙江省嘉興市新塍電熱儀器廠;DK-8D電熱恒溫水槽 上海一恒科技有限公司;752N紫外可見光光度計 上海精密科學儀器有限公司;D-78532高速冷凍離心機 Hettich Zentrifugen;AL209電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;KQ3200DB型超聲波儀 昆山市超聲儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 黑米淀粉的提取 參考王萍等[12]的方法并加以改進,采用酶法與超聲波結合提取黑米淀粉。取黑米浸于蒸餾水(1∶3)中,添加6 mL中性蛋白酶,調節pH為7.0,溫度50 ℃,在水浴中酶解3～5 h后取出,用150 W超聲波作用20 min。抽濾后在45 ℃鼓風干燥箱中干燥24 h得成品。

1.2.2 淀粉顆粒形貌觀察

1.2.2.1 淀粉顆粒形貌、大小的測定 將干燥的淀粉樣品用導電雙面膠固定在樣品臺上并進行噴金,然后用掃描電鏡觀察淀粉顆粒形態。

1.2.2.2 溫度對淀粉顆粒結構影響 將裝有質量分數為3%的淀粉水懸浮液的燒杯分別置于50、60、70 ℃的水浴中加熱30 min后,取未加熱液和在不同溫度下加熱的淀粉懸浮液滴于載玻片上,蓋上蓋玻片,在光學顯微鏡下觀察淀粉顆粒形態變化。

1.2.3 溶解度和膨潤力 采用Leach法測定淀粉的溶解度[13]。準確稱取1 g淀粉于250 mL燒杯中,加50 mL去離子水,配成2%淀粉乳,分別在25、35、45、55、65 ℃水浴中加熱攪拌30 min,取出后冷卻至室溫,在3000 r/min下離心30 min,取上清液在蒸汽浴上蒸干,于105 ℃烘至恒重(約3 h),稱量沉淀物質量,按下式計算不同溫度時的溶解度和膨潤力。

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);P為離心烘干后的沉淀物質量(g)。

1.2.4 凝沉性 參考卞希良等[14]的方法,并加以改進。準確稱取5 g淀粉樣品分散于蒸餾水中,配成濃度為1%(w/v)的淀粉乳,在100 ℃水浴中攪拌加熱30 min使其充分糊化,移入100 mL到具塞量筒中,搖勻靜置,冷卻至室溫,冷卻過程中每隔一段時間記錄上層清液的體積,用上清液體積表示凝沉性。

1.2.5 凍融穩定性 參照Zobel[15]的方法,并加以改進。稱取一定量的淀粉樣品,加入去離子水,配成6.0%的淀粉乳,于沸水浴上加熱糊化15 min,使之完全糊化,冷卻至室溫,稱取一定量的淀粉糊,放入-18 ℃冰箱中冷凍24 h后取出,自然解凍,然后在3000 r/min條件下離心20 min[16],棄去上清液,稱取沉淀物質量,計算析水率。

分別添加不同量的NaCl(0、2%、4%、6%、8%,以淀粉乳的質量計)和蔗糖(0、4%、8%、12%、16%)于上述6.0%淀粉乳中,再重復上述操作,計算析水率。考察蔗糖、鹽對淀粉凍融穩定性的影響。

析水率計算公式如下:

1.3數據處理

采用Excel軟件對相關數據進行平均值和標準偏差計算,用Origin軟件進行分析作圖。各組實驗數據均為3次平行樣品的平均值。

2 結果與分析

2.1淀粉顆粒形貌、大小

由圖1可知,黑米淀粉顆粒呈現棱角分明的多角形,顆粒表面比較粗糙,粒徑較小,顆粒大小均勻且排列比較緊密。黑米淀粉顆粒表面比較粗糙，可能是超聲處理后淀粉中受侵蝕的顆粒增多,顆粒內部受侵蝕出現凹陷甚至斷裂,一些顆粒露出內部層狀結構。淀粉顆粒結構可較好地解釋超聲作用促進淀粉化學反應活性的提高[16]。淀粉顆粒分子排列緊密,淀粉顆粒與化學試劑的接觸面積小,超聲作用破壞淀粉顆粒表面和內部,表面積增加,易于化學試劑的滲透,反應活性增強[17]。

圖1 黑米淀粉的電鏡掃描圖(5000×)

2.2溫度對淀粉顆粒結構的影響

淀粉糊在加熱一定時間后,其分子鏈裂解,淀粉分子膨脹,顆粒結構會產生變化[18]。

圖2 不同溫度下黑米淀粉顯微鏡圖

從圖2可以看出,當溫度加熱至50 ℃(圖2b)時,黑米淀粉仍保持完整的顆粒形貌,與原淀粉差別不大(圖2a);當溫度達到60 ℃(圖2c)時,淀粉顆粒受熱吸水膨脹,開始糊化,除小部分顆粒仍保持完整結構外,大部分顆粒已崩潰,顆粒形狀逐漸模糊,變成半透明的粘稠狀。溫度上升到70 ℃(圖2d)時,顆粒崩裂破碎,結構受到嚴重破壞。表明隨溫度不斷升高,淀粉顆粒受熱逐步吸水膨脹,當溫度升至足夠高,淀粉顆粒開始破裂崩潰,直至所有顆粒消失,變成透明糊狀液體。

2.3膨潤力和溶解度

淀粉潤脹反映了其中直鏈淀粉的特性,而淀粉的溶解主要是直鏈淀粉從潤脹的顆粒中逸出。分別測定黑米淀粉和大米淀粉在不同溫度下的膨潤力和溶解度,結果見圖3和圖4。

圖3 黑米淀粉與大米淀粉膨潤力的對比

圖4 黑米淀粉與大米淀粉溶解度的對比

由圖3、圖4可知,黑米淀粉和大米淀粉的膨潤力和溶解度變化趨勢十分相似,都隨著溫度的增加而增大。在55 ℃以下時,兩者的膨潤力和溶解度差別不大,黑米淀粉略小于大米淀粉;當溫度達到55 ℃時,黑米淀粉糊化速度迅速增加,淀粉結構被破壞,吸水量迅速提高,超過大米淀粉。

一般來說,天然淀粉尤其是稻米淀粉,溶解度很低,只有當溫度大于淀粉的糊化溫度使晶體崩解后,才會有一部分直鏈淀粉分子從膨脹的淀粉顆粒中析出[19]。在較低的溫度下直鏈淀粉就能從顆粒中析出,而且顆粒比表面積增大,水分子與羥基結合機會增多,這些都會導致加熱后淀粉的溶解率增加,結果與顯微鏡觀察結果相一致,說明黑米淀粉在60 ℃時開始糊化,在65 ℃時由于糊化,淀粉結構被破壞,與水分子相互作用力增大,吸水量迅速提高。大米淀粉由于未達到糊化溫度,膨潤力和溶解度增長緩慢。

2.4凝沉性

受直鏈/支鏈淀粉比例和結構的影響,淀粉糊經過一段時間后會逐漸分層沉淀,出現上方清液下方沉淀的現象(即凝沉),清液體積越大則凝沉性越強。淀粉的凝沉在很大程度上限制了淀粉的應用,尤其是在食品領域。淀粉凝沉速度快會導致淀粉加工產品易老化,影響食品品質。從圖5可看出,淀粉糊的析水體積隨時間延長而增加,0.5 h后黑米淀粉的析水體積明顯大于大米淀粉的析水體積,說明黑米淀粉糊凝沉穩定性比大米淀粉糊差,易老化。

圖5 黑米淀粉與大米淀粉凝沉性的對比

2.5凍融穩定性

經過冷凍/解凍過程的淀粉糊會出現脫水收縮現象,0 ℃以上溫度經過較長時間放置也會出現脫水收縮現象,因此,可以認為淀粉糊的凍融穩定性與貯存穩定性是一致的。所有含直鏈淀粉的淀粉糊都有脫水收縮現象,但不同種類的淀粉糊,或因淀粉顆粒溶脹的方式不同,其脫水收縮的程度也不一樣[20]。

如圖6所示,黑米淀粉和大米淀粉的凍融穩定性都較差,只凍融一次就有大量水分析出,淀粉糊變成海綿狀,而且析水率均在30%以上,黑米淀粉析水率高于大米淀粉,凍融穩定性更低。

圖6 黑米淀粉與大米淀粉凍融穩定性的對比

2.6不同介質對淀粉凍融穩定性的影響

食品加工過程中,加入的糖和鹽可能會與稻米中的淀粉、脂肪相互作用,從而影響淀粉的糊化[21-22],從而影響食品的品質。不同介質條件中,淀粉的凍融穩定性也各不相同,并且同一介質的不同濃度對淀粉凍融穩定性的影響也不相同。NaCl和蔗糖是食品生產過程中最常添加的輔料,因此,研究兩者對黑米淀粉凍融穩定性的影響具有重要的意義。

2.6.1 NaCl對淀粉凍融穩定性的影響 由圖7可知,添加NaCl后,淀粉糊凍融過程中的析水率均降低,且隨NaCl濃度的增大而析水率迅速減小。當NaCl用量達到8%時,黑米淀粉糊的析水率下降到20%左右,大米淀粉的析水率下降到10%以下,淀粉糊的凍融穩定性均有較大的增加。這是由于NaCl能降低水分活度,同時NaCl是一種強電解質,解離后的Na+和水產生偶極相互作用,使溶液具有比純水中水分子較低的流動性和較緊密的堆積,Na+還可與淀粉中的羥基形成羥基鈉結構,因此NaCl對淀粉糊的凍融穩定性有促進作用[23]。

圖7 不同濃度的NaCl對淀粉凍融穩定性的影響

2.6.2 蔗糖對淀粉凍融穩定性的影響 由圖8可知,添加蔗糖使兩種淀粉糊在凍融過程中的析水率降低。當蔗糖添加量大于4%時,兩者的析水率下降速度開始大幅度增加,蔗糖用量達到15%時,兩種淀粉糊的析水率都下降到10%以下,黑米淀粉糊的析水率比大米淀粉糊的析水率略大。蔗糖具有冷凍保護劑的功能,當其用量超過10%時較大程度的改善了淀粉糊的凍融穩定性。馬靜紅[24]研究也表明添加蔗糖能使糯米淀粉的凍融穩定性明顯提高,這與本文的研究結果相符。

圖8 不同濃度的蔗糖對淀粉凍融穩定性的影響

3 結論

黑米淀粉具有自身獨特的理化性質,其淀粉顆粒呈多角形,排列比較緊密,且粒徑較小;隨著溫度的上升,淀粉顆粒受熱力影響,淀粉分子鏈裂解,顆粒結構逐漸消失,當溫度達到60 ℃時,黑米淀粉糊化速度迅速增大;當溫度達到55 ℃時,黑米淀粉比大米淀粉具備更優良的膨潤力和溶解度;黑米淀粉的凝沉穩定性和凍融穩定性較差,適當添加電解質(氯化鈉)和非電解質(蔗糖)能夠提高黑米淀粉的凍融穩定性。

為適應農業供給改革的需要,國家大力提倡發展優質及特色功能性稻米的生產,加強黑米等特種稻米的理化性質研究,為進一步延伸特種稻米應用產業鏈,有效地克服其米飯質地粗糙、口感不佳的缺陷提供指導,提高其商品價值,拓寬使用范圍,以滿足廣大消費者的需求，意義重大。

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Studyonphysicochemicalpropertyofblackricestarch

XIAOXin1,SONGXian-liang2,CHENYi1,JIANGYuan-han1

(1.Rice Research Institute of Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Guangdong Key Laboratory of New Technology in Rice Breeding,Guangzhou 510640,China;2.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

By comparison between rice starch and black rice starch,the physicochemical property of black rice starch were analyzed in detail in the following categories:the solubility and swelling power,retrogradation and freeze-thaw stability. The results indicated that the black rice starch had polygon granule with small size. When the temperature reaches 60 degrees centigrade,the gelatinization degree of black rice starch was increased rapidly,meanwhile its structures were destroyed. The black rice starch had better solubility and swelling power compared with that of rice starch when the temperature reaches 55 degrees centigrade. It had worse retrogradation and freeze-thaw stability compared with that of rice starch. While the existence of electrolyte(NaCl)and anelectrolyte(sucrose),the freeze-thaw stability was improved.

black rice;starch;freeze-thaw stability;solubility;property

2017-04-25

肖昕(1970-)，男，碩士，副研究員，研究方向：稻米品質鑒定與加工，E-mail:xinxiao309@163.com。

廣東省科技計劃項目(2016B070701011，2017A040402006)；國家自然科學基金(31371855)。

TS237

A

1002-0306(2017)22-0042-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.009