擠壓改性對菠蘿蜜種子淀粉精細結構的影響

李博，譚樂和，張彥軍*，王雪飛

(1.中國熱帶農業科學院 香料飲料研究所，海南 萬寧 571533； 2.黑龍江東方學院 食品工程，哈爾濱 150066)

食品擠壓改性技術是集攪拌、破碎、殺菌、成型等過程為一體的高新技術，是一種高溫短時連續的改性過程，有良好的安全性[1]，可廣泛應用到制備藥物壁材[2]，提高水產養殖產品在人體中的營養利用率等[3]。

菠蘿蜜(Artocarpusheterophyllus)是一種熱帶植物[4]，果肉呈淡黃色，每個水果包含100～500粒種子[5]，每粒種子富含62.63%粗淀粉[6]，是一亟待開發的淀粉質資源。

因近年來菠蘿蜜產業的迅速發展，其大量種子被廢棄，造成了淀粉資源的浪費[7]。為進一步合理開發利用菠蘿蜜種子淀粉，前人研究了種子淀粉的分離方法和理化性質，由于其良好的感官質量和衛生質量可安全地應用于食品、藥品和其他領域[8]。但擠壓改性后菠蘿蜜種子淀粉精細結構的研究還未見報道，這嚴重限制了菠蘿蜜種子淀粉作為新型淀粉資源的進一步開發與應用。鑒于此，以馬來西亞Ⅰ號菠蘿蜜種子為原料分離淀粉，進行擠壓實驗，測定精細結構，考察擠壓改性對菠蘿蜜種子淀粉精細結構的影響，為菠蘿蜜種子淀粉的綜合利用提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菠蘿蜜種子(馬來西亞Ⅰ號)：中國熱帶農業科學院香料飲料研究所提供(2017年)；DS32-VII實驗雙螺桿擠壓機：山東賽信有限公司；Dionex ICS-5000高壓離子色譜儀：美國戴安有限公司；LC-20AB高效液相色譜聯用多角度激光散射：日本島津公司。

1.2 菠蘿蜜種子淀粉(JFSS)提取

根據Noor等[9]的方法稍作修改，菠蘿蜜種子在電熱鼓風干燥箱內烘干，然后進行快速去皮，加水磨漿。于膠體磨研磨2 min，用鹽酸調節pH到7，加入中性蛋白酶配成蛋白酶溶液，置于60 ℃搖床上反應9 h，濾渣經過多次水洗反復反應結束后過200目篩。合并濾液在3000×g下離心5 min，離心沉淀物上層蛋白質褐色表皮小心刮去。離心沉淀物經多次清洗，抽濾后收集沉淀物。沉淀物于真空冷凍干燥機內進行冷凍真空干燥(-30～0 ℃冷凍3 h，50 ℃恒溫真空干燥10 h)，保存待用。

1.3 JFSS擠壓實驗

根據Zhang等[10]的方法稍作修改，取計算好的去離子水將JFSS調至設計的含水量(見表1)，倒進攪拌機攪拌5 min，確保水分均勻分布，并于密封袋中在4 ℃下平衡，使用前取出恢復至室溫。設置雙螺桿擠壓機的一區、二區和三區機筒溫度分別為60，70，90 ℃。擠壓機內四區的機筒溫度和機筒內物料區的螺桿轉速設置為操作變量(見表1)。以單位進料進行擠壓，待機器穩定后收集擠壓產物。設置摸頭的刀具轉速為42 r/min，喂料桶內喂料速度設置為13 r/min，擠壓產物冷卻至室溫后，于40 ℃下干燥24 h，4 ℃下保存放置，干燥研磨后過100目篩，將改性后的菠蘿蜜種子淀粉命名為EJFSS。

表1 3個獨立變量的操作參數編碼表Table 1 Coding table of operation parameters for three independent variables

續 表

1.4 JFSS精細結構

1.4.1 EJFSS分子量分析

根據Bi等[11]的報道稍作修改，將淀粉在二甲基亞砜中徹底糊化溶解，淀粉分子均勻分散后利用LC-20AB高效液相色譜聯用多角度激光散射儀測分子量。

1.4.2 EJFSS鏈長分布分析

根據Zhang等[12]的報道稍作修改，淀粉的精細結構由高效陰離子交換色譜法測定，脈沖安培檢測法。將樣品(40 mg)與2 mL醋酸緩沖液(50 mm，pH為6)混合，在1個試管中用1個塞子煮沸并在沸水浴中攪拌30 min，然后將混合物冷卻至55 ℃，加入10 μL的普魯蘭酶，并在磁攪拌器A中攪拌15 h。將溶液置于沸水浴中20 min，將等分混合物離心5000×g，10 min，上清液經0.45 μm過濾器過濾，稀釋10倍后再進行注射分析。HPAEC系統由ED50電化學檢測器和Cabopac PA200柱組成。流動相為150 mm NaOH和500 mm 乙酸鈉的梯度洗脫液，流速為150，0.5 mL/min。

2 結果與分析

2.1 EJFSS分子量及其分布

不同條件下EJFSS的重均分子量(Mw)，數均分子量(Mn)，平均回旋半徑(Rg)和PI(Mw/Mn)的結果見表2，分子量分布結果見圖1。

表2 淀粉的鏈長分布和分子量分析Table 2 Distribution of chain length and molecular weight of starch

注：相同指標同一列數字后不同字母表示0.05 水平上差異顯著。

圖1 淀粉的分子量分布Fig.1 Molecular weight distribution of starch

保持物料水分含量和擠壓機雙螺桿轉速不變，當機筒溫度從90 ℃升高到110 ℃時，JFSS的Mn從0.81×107g/mol降低到0.59×107g/mol，Mw從0.93×107g/mol降低到0.64×107g/mol，Rg從65.9 nm增加到77.4 nm，PI從1.15降低到1.09，Rg和PI的結果表明分子半徑逐漸增大，分子量分布逐漸減小。保持擠壓機機筒溫度和螺桿轉速不變，當物料水分含量從27%增加到34%時，JFSS的Mn從0.19×107g/mol增加到0.45×107g/mol，Mw從0.50×107g/mol增加到0.93×107g/mol，Rg從50.1 nm增加到69.3 nm，PI從2.62降低到2.07，分子半徑逐漸增大，分子量分布逐漸減小。保持機筒溫度和物料水分含量不變，當螺桿轉速從20 r/min增加到30 r/min時，JFSS的Mn從0.60×107g/mol降低到0.18×107g/mol，Mw從0.81×107g/mol降低到0.41×107g/mol，Rg從67.9 nm降低到40.6 nm，PI從1.36增加到2.27，分子半徑逐漸降低，分子量分布逐漸增加。基于本實驗結果發現，擠壓操作參數會顯著影響淀粉的分子量，分子半徑以及分子量分布。Willett等報道了相似的結果[13]，雙螺桿擠壓機水分含量為18%，螺桿轉速為90 r/min，機筒溫度從110 ℃升高到130 ℃時，蠟質玉米淀粉的重均分子量從336×106g/mol降低到40×106g/mol。表明JFSS的分子量及其分布受擠壓機操作參數影響顯著。

JFSS原淀粉Mw、Mn、Rg和PI分別為1.85×107g/mol,2.09×107g/mol,115.7 nm和1.13。改性后的JFSS的Pg均小于100 nm，Rg顯著降低(P<0.05)，PI值變化不顯著 (P>0.05)，分子量顯著降低(P<0.05)，但分子量分布變化不顯著。Liu等[14]報道了相似的結果，當機筒溫度為95 ℃，螺桿轉速為37.5 r/min，水分含量為70%時，擠壓后的大米淀粉分子回旋半徑由39.2 nm降低到20.7 nm。Zhang等[15]報道了擠壓改性過程中淀粉分子糊化，直鏈淀粉析出結晶層被破壞，完成生物聚合物相的轉變，即由固體顆粒轉變成熔融狀態、內部有序的分子間氫鍵斷裂導致多糖分子被降解。表明JFSS分子在擠壓改性過程中由于淀粉分子糊化、結晶結構、直鏈支鏈淀粉的排列改變等導致淀粉分子被降解。

2.2 EJFSS鏈長分布分析

根據Bi等的報道，A鏈(DP 6～12)和B1(DP 12～24)鏈構成了支鏈淀粉的短鏈，B3+鏈(DP≥37)為長鏈，長鏈與長鏈、短鏈與短鏈之間互相形成螺旋，構成了雙螺旋結構，短鏈形成的雙螺旋結構構成了淀粉顆粒的結晶區，長鏈形成的雙螺旋結構構成了淀粉顆粒的半晶區和無定形區。A鏈(DP 6～12)、B1鏈(DP 12～24)、B2鏈(DP 24～36)和B3+鏈(DP≥37)見表2，相對應的鏈長分布圖結果見圖2。

保持物料水分含量和擠壓機雙螺桿轉速不變，當機筒溫度從90 ℃升高到110 ℃時，JFSS的A鏈比例從33.65%增加到44.85%，B1鏈的比例從46.08%減少到39.62%，B2鏈的比例從14.09%減少到10.29%，長鏈的比例從6.18%降低到5.24%。保持擠壓機機筒溫度和螺桿轉速不變，當物料水分含量從27%增加到34%時，JFSS的A鏈比例由35.32%降低到37.18%，B1鏈的比例由49.44%降低到42.05%，B2鏈的比例由10.59%增加到14.32%，B3+鏈的比例由4.65%增加到6.45%。保持機筒溫度和物料水分含量不變，當螺桿轉速從20 r/min增加到30 r/min時，JFSS的A鏈所占比例由32.10%增加到41.84%，B1鏈的比例由48.53%降低到45.68%，B2鏈的比例由13.82%降低到9.62%，長鏈的比例由5.55%減少到2.86%。表明JFSS的支鏈淀粉的鏈長分布受擠壓機操作參數影響顯著。Nakazawa等[16]在高溫硫酸改性蠟質玉米淀粉的實驗中報道了相似的結果，保持其他條件不變，當水解溫度從40 ℃增加到65 ℃時，鏈長分布從大多數在DP(聚合度)25之后變為0～25之間，說明隨著水解溫度增加，中、長鏈比例減少，短鏈比例增加。

JFSS原淀粉的A鏈、B1鏈、B2鏈和長鏈的比例分別為32.75%、36.08%、18.32%和12.83%，對比原淀粉，擠壓改性后的淀粉A鏈、B1鏈比例顯著增加，B2鏈、B3+鏈顯著降低。Lee等報道了相似的結果[17]，在120 ℃下熱處理水分含量為25.7%的馬鈴薯淀粉發現，A鏈所占比例為21.1%，未產生變化，B1鏈的比例由49.1%增加到49.6%，B2鏈的比例由17.8%降低到17.6%，長鏈的比例由12.0%減少到11.6%。

圖2 EJFSS的鏈長分布Fig.2 Chain length distribution of EJFSS

根據González等[18]的報道，擠壓改性后的淀粉短鏈分布比例變高導致雙螺旋結構變長，中、長鏈分布比例變短導致無定形區的分布比例變低，分子間氫鍵作用力變弱。根據張雨桐等[19]的報道，淀粉分子長鏈比例含量高表明其擁有較長的長螺旋和各個鏈之間較強的氫鍵作用力，而短鏈含量高會形成有缺陷的結晶層和殘缺的雙螺旋鏈。擠壓改性JFSS后其短鏈含量增加，中、長鏈含量減少，表明形成了有缺陷的結晶層，并且殘缺的雙螺旋鏈比例增加，雙螺旋鏈之間的作用力減弱導致分子降解。此結果與2.1的結論相同。

3 結論

經過雙螺桿擠壓機擠壓改性后的JFSS重均分子量、數均分子量和回旋半徑均顯著降低(P<0.05)，短鏈(A和B1)的比例顯著變大，中、長鏈(B2和B3+)的比例顯著變小(P<0.05)。改性的JFSS重均分子量、數均分子量、回旋半徑、短鏈(A和B1)的比例顯著變大，中、長鏈(B2和B3+)受雙螺桿擠壓機的機筒溫度、物料水分含量和螺桿轉速的影響顯著。推測JFSS在擠壓過程中由于高溫、高壓和高剪切力的作用導致原淀粉分子間多數氫鍵斷裂，雙螺旋結構被破壞，原有的結晶結構消失從而導致分子被降解。