黃變對大米酸水解的影響

肖 悅,劉 敏,楊志瑩,劉金光,孫 輝,邵 宏,周中凱,*

(1.天津科技大學食品科學與工程學院,天津 300457;2.國家糧食和物資儲備局科學研究院,北京 100037;3.天津市經濟貿易學校,天津 300381)

大米黃變是大米在儲藏過程中的常見問題之一,大米有其原有的正常顏色,若出現淡黃色,稱為黃變米,采后黃變(Postharvest yellowing of rice)是一種全球性稻谷的質量和功能的問題,不僅降低了大米的貨幣價值,還降低了其口感與品質[1]。淀粉作為大米的主要成分,占大米的70%～80%,是影響其理化性質的主要因素[2]。淀粉是主要儲存多糖的碳水化合物并且是高等植物的重要能源之一,它是一種天然可再生聚合物資源,價格低廉,可完全生物降解[3],可通過物理和化學方法進行改性,生產出不同性質的改性淀粉,適用于不同的應用領域。酸改性(或酸稀釋)淀粉用于不同的食品應用領域,顆粒結構和淀粉溶解度可以的到改善[4]。

淀粉主要由三部分組成:直鏈淀粉線性成分和微量直鏈淀粉及高度分枝的支鏈淀粉,其作為半結晶顆粒儲存在植物中[5]。酸溶液進入淀粉內部之后,首先水解淀粉顆粒的無定形部分,然后水解結晶區以產生較短的鏈[6],后期速度較慢,因此非晶區域比結晶區域降解得更快[4]。Komiya等[7]觀察到馬鈴薯淀粉顆粒的結晶區域在酸處理6 d后可能開始略微惡化,并且其量熱法焓不變。有研究者研究了酸-醇結合或熱酸結合改性處理玉米淀粉和其他抗性淀粉后淀粉中結晶層和非晶層的變化,發現改性后的淀粉非晶層被破壞,結晶層排列更加有序[8],Ogunmolasuyi等[9]觀察到磷酸改性的山藥淀粉具有更好的膨脹性能以及耐高溫和剪切的穩定性,同時也降低了對水分的敏感性,尤其是在淀粉基食用生物膜中。酸改性降解淀粉是一種常見的處理淀粉的手段,在不破壞淀粉的基本粒徑和結構的前提下,改善淀粉性質,使其變得更為實用[5]。

目前研究黃變米的研究領域主要在影響黃變的因素、黃變后的基本化學成分變化、以及預防稻谷黃變的措施上,國外研究者已經研究了低黃變率大米育種的誘導以及胚乳黃變的突變基因,并通過人工誘導稻谷黃變選出了最易黃變品種,測量了樣品的理化性質[10-11]。但目前尚未發現關于利用化學處理來研究黃變稻谷內部結構的研究,特別是硫酸改性處理黃變米和正常大米樣品,從淀粉層面上來研究和解釋兩者結構差異方面的報道;選擇硫酸溶液的原因,是因為硫酸溶液能夠提供兩個質子,且硫酸根與大米內部的物質反應較為充分,加之揮發性較弱,所以反應體系相對穩定,酸水解較為徹底。酸水解后,可以使樣品內部結構發生變化,從而拉大PHY與正常大米的差異,易于研究者觀察[12]。

因此,本研究用不同濃度的濃硫酸溶液處理普通大米和PHY大米,研究其理化結構和結構的變化和屬性,以期為預防稻谷黃變提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

粳米(鹽豐系列)、秈米(豐兩優)的黃變米和正常米 粳米正常米(japonica normal rice,JN)、粳米黃變米(japonica PHY rice,JY)、秈米正常米(Indica normal rice,IN)、秈米黃變米(Indica PHY rice,IY),樣品見圖1,產于2018年7月,安徽省淮南市與河北省唐山市,國家糧食儲備局無錫科學研究設計院(黃變米拿到時就已黃變,在自然狀態下黃變);硫酸(分析純98%) 天津市北方天醫化學試劑廠。

圖1 樣品對比圖Fig.1 Comparison of samples

DSC3差示掃描量熱儀 梅特勒托利多公司;X射線衍射儀 日本島津-6100-日本島津公司;掃描電子顯微鏡 日本日立公司;SAXSss型小角X散射儀 奧地利Anton parr公司;高速多功能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 酸水解 將JN、JY、IN和IY四種樣品在培養皿中稱重30 g,每個樣品稱重三次,然后分別加入0.1、0.5、1.0 mol/L的濃硫酸溶液中,要求溶液沒過樣品。樣品浸泡72 h后,用蒸餾水洗滌其表面上的酸,然后置于通風櫥中風干干燥3 h(25 ℃)。干燥后,用高速多功能粉碎機將樣品研磨成粉末,為了避免粉碎機溫度較高的影響,每10 s停止一次并等待儀器外壁的溫度降到常溫再繼續研磨。將研磨好的樣品(不過篩)置于自封袋中,并儲存在干燥器中。

1.2.2 熱力學性質測定 參考張秀[13]的方法,并做出相應調整,準確稱取(4±0.05) mg樣品,置于DSC鋁質坩堝中,使用移液槍加10 μL蒸餾水并混合均勻,加蓋之后使用壓片機壓片,之后密封保存,放置于室溫下進行平衡(8 h),將平衡好的樣品置差示掃描量熱儀內置盤中,空白對照為空坩堝,溫度從25 ℃加熱至120 ℃,加熱速率為10 ℃/min。測試結束后,通過差示掃描量熱儀自帶處理軟件對曲線進行分析處理,得到焓值ΔH,起始溫度To,峰值溫度Tp和終止溫度Tc四個指標。

1.2.3 廣角度X射線衍射 使用X射線衍射儀測量結晶度和晶體類型,k值為1.54040,在30 kv加速電位和20 m電流與銅靶下操作。掃描范圍為2θ值為5 °～35 °,掃描速度為2 °/min。準確稱取1.5 g樣品置于測量盤中,用稱量紙壓平,然后進行測量。X-射線衍射可以直觀的顯示出不同樣品的晶型,通過Jade6.0軟件處理可以得出每個樣品的結晶度,是表征不同樣品結構特征的重要指標。

1.2.4 小角度X射線散射 將樣品配制成為60 g/mL的淀粉懸浮液,置于固體樣品槽,于小角X散射儀的樣品臺中進行測量,測定波長0.1542 nm,管壓40 kV,管流50 mA的條件下掃描5 min。

1.2.5 表觀結構分析 使用掃描電子顯微鏡評估樣品形態。首先,將雙面膠帶施加到掃描鏡的圓形臺上,然后取少量樣品并且均勻涂抹。在碳噴涂和鍍金之后,在40 kV壓力下觀察樣品的微觀結構。

1.3 數據處理

以上實驗均重復三次以上。使用Origin Pro 9.0處理所有數據,通過單因素方差分析(ANOVA)分析和使用SPSS 19.0的Duncan多范圍檢驗對數據進行統計學分析,Tukey法和鄧肯氏多重比較法(Duncan’s multiple range test)進行多重比較。這些差異在95%水平被認為是統計學顯著的(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 熱力學性質分析

經過不同濃度酸溶液處理的普通大米(JN和IN)和黃變米(JY和IY)的熱力學性質如表1～表4所示。黃變米的焓值(ΔH),峰值溫度(Tp)和結束溫度(Tc)均相應地低于正常大米。在酸處理前,粳米與秈米的黃變米糊化起始溫度均低于各自的正常大米,0.1 mol/L酸處理后,粳米與秈米黃變米的糊化起始溫度(To)低于各自的普通大米,0.5 mol/L條件下,粳米黃變米的該值比正常米高,1.0 mol/L條件下,兩種黃變大米的起始糊化溫度均高于正常大米。在酸處理前后,兩種黃變大米的焓值均低于正常大米。吸熱反應的焓值反映了樣品中雙螺旋和結晶區的數量,并影響了支鏈淀粉的含量,支鏈淀粉鏈長的分布和支鏈淀粉復合物的含量[1]。Sun等[14]研究人員提出,焓值(ΔH)是結晶區熔化的反映,因此與改性淀粉相比,天然淀粉的ΔH與改性淀粉的結晶度有密切關聯[14],由此推測黃變米的結晶度應該相應地低于普通大米,這與Onbit等[3]研究相似。

表1 樣品在酸處理前的熱力學指標Table 1 Thermal characteristic parameters of all samples before sulfuric solution treatment

表2 0.1 mol/L硫酸溶液處理樣品的熱力學指標Table 2 Thermal characteristic parameters of all samples by 0.1 mol/L sulfuric solution treatment

表3 0.5 mol/L硫酸溶液處理樣品的熱力學指標Table 3 Thermal characteristic parameters of all samples by 0.5 mol/L sulfuric solution treatment

表4 1.0 mol/L硫酸溶液處理樣品的熱特性參數Table 4 Thermal characteristic parameters of all samples by 1.0 mol/L sulfuric solution treatment

表5 不同樣品結晶度統計(%)Table 5 Wide-angle X-ray crystallinity statistics of different samples(%)

根據相關流變學文獻可知,與正常大米相比,黃變米易形成弱凝膠,內部結構不易受到外力的破壞,恢復能力較強,同時,該凝膠形成的弱網絡結構分解自身結構所需能量較少[15],與正常大米相比,黃變米的糊化起始溫度與峰值溫度向更高水平轉變,樣品不易糊化。

酸溶液水解樣品后,與酸水解前相比,樣品在測量中呈現更廣泛的糊化范圍,且酸溶液濃度越大,糊化范圍越大;黃變米的ΔT比正常大米小,這與黃變米內部結構以及凝膠網絡密切相關。

2.2 廣角X射線衍射分析

正常大米和黃變米的廣角X射線衍射的差異如圖2所示。三種濃度的硫酸溶液處理沒有改變普通大米和黃變米的晶體模式,所有樣品都顯示出“A型”晶體,即衍射角2θ在15 °、20 °和23 °有一單衍射峰,而在17 °和18 °有一相連雙衍射峰。經0.1 mol/L硫酸溶液處理后,黃變米結晶度高于相應的普通大米,這些結果與沒有經過酸解的正常大米和黃變米的結晶特性一致;這是由于在酸水解后,直鏈淀粉背景區首先被破壞,然后支鏈淀粉無定形區被破壞,最后直鏈淀粉結晶區被破壞[6,16],這表明酸溶液可能破壞了背景區域及無定型區,并促進支鏈淀粉的部分鏈重排及結晶度增加。

圖2 樣品在不同濃度酸溶液水解后的晶型圖Fig.2 Wide-angle X-ray diffraction pattern of all samples

對于0.5和1.0 mol/L硫酸溶液處理后的樣品,所有黃變米的結晶度都明顯低于普通大米,這可能是因為酸滲透到淀粉顆粒內部,破壞了淀粉的結晶層和直鏈淀粉背景層[6],這表明酸處理促進了淀粉鏈的運動和淀粉顆粒內部水分子的運動,其導致淀粉顆粒內部氫鍵斷裂,晶格排列被破壞,大米淀粉的相對結晶度降低。Malik等[17]研究者觀察到,用較高濃度的乙酸溶液處理淀粉樣品可顯著降低其結晶度,這可能是由于大量的淀粉被乙酰化后內部分子進行了還原重新排序。淀粉中高度有序的晶體結構歸因于分子內和分子間的氫鍵。乙酰化通過減少分子間氫鍵的形成來破壞有序的晶體;硫酸溶液進入淀粉分子內部之后,使α-1,4-糖苷鍵與α-1,6-糖苷鍵斷裂,淀粉水解之后變成單糖,隨著硫酸的水解,化學鍵受到破壞,緊接著直鏈淀粉無定形層與支鏈淀粉結晶層受到破壞;稻谷在儲藏過程中,黃變之后大米內部所形成的凝膠結構比正常大米弱,其抵抗外力的作用較強[18],但酸處理過后,黃變米呈現出較大變化,即結晶度相比于正常大米降低,這說明酸水解后,黃變米與正常大米的結構差異增大,表現為黃變米的無定形層與結晶層更易受到外力的影響。

2.3 小角X射線散射分析

淀粉顆粒在0.6～0.7 nm處表現出明顯的特征散射峰,這是半結晶層狀結構的特征峰。Blazek等[19]研究者發現淀粉中散射峰的強度取決于有序半結晶結構的數量和結晶區與無定形的電子密度差異,且半結晶層狀結構的有序度越高,峰面積越大[20-21]。天然淀粉顆粒分為半結晶生長環與無定形區,前者包含無定形層及結晶層,是由支鏈淀粉構成,用ρa與ρc表示各自的電子云密度,后者由直鏈淀粉構成,用ρu表示電子云密度[14]。Δρ指的是支鏈淀粉結晶層與支鏈淀粉無定形層的電子云密度差,Δρu指的是直鏈淀粉背景區與支鏈淀粉無定形層的電子云密度差;Δρ的增加有助于散射曲線的提高強度,Δρu的增加會增強小角度散射強度并降低散射峰分辨率[14]。

據文獻[6]報道,酸溶液進入淀粉內部后,首先攻擊直鏈淀粉無定形區,再攻擊支鏈淀粉無定性區,然后在較晚階段以較慢的速率攻擊支鏈淀粉結晶區的部分,這是由于結晶區排列有序,結構緊密,相對無定形區來說,不易受到破壞。可以觀察到酸溶液水解后的樣品(圖3B～圖3D,圖3b～圖3d),與水解前(圖3A、圖3a)相比,散射強度明顯增大,峰強度明顯減小,這說明酸水解破壞了樣品的直鏈淀粉無定形層及支鏈淀粉結晶層和無定形層。

圖3 不同濃度硫酸溶液處理下的正常大米與黃變米的小角X射線散射圖Fig.3 Double-logarithmic SAXS patterns of naive and acid hydrolysis normal rice and PHY

黃變米與正常大米相比,在0.1和0.5 mol/L的硫酸溶液處理下,樣品的無定形區和支鏈淀粉的無定形層被徹底破壞,破碎的短支鏈可能同時形成有序的微區[22-23],所以導致黃變米的結晶度比正常大米要高,但此時兩者結晶區有序程度無明顯差異,隨著酸溶液的持續水解,結晶層也受到了破壞[10,24],最終導致黃變米的結晶度下降。而在1 mol/L濃硫酸溶液處理條件下,粳米和秈米黃變米的散射強度與普通大米相比強烈增強,峰值左側小角度區域的強度增加,峰值分辨率升高,表現出Δρ和Δρu的增加,這說明樣品結晶區有序化程度提高,黃變米的結晶區有序化程度比正常米高,這與PHY的內部結構密切相關[15]。

2.4 表觀結構分析

通過酸水解處理的普通大米和PHY大米的形態如圖4所示,從兩個大米品種中可以清楚地看到大米內部的典型結構,其中淀粉顆粒均勻分布或排列在內部,在正常大米和黃變米中淀粉粒具有典型的多角度形態;與酸處理前相比,酸處理后的樣品的淀粉顆粒更加明顯,且黃變米的淀粉顆粒更加松散。黃變米與正常米相比,結構表現出較松散的形態,多角形態顯著,淀粉顆粒之間有明顯的間隙和微小的縫隙,一些淀粉顆粒呈蜂窩狀,隨著酸溶液濃度的增大,部分淀粉顆粒的多角度形態消失,這說明PHY對酸溶液更加敏感,黃變過程改變了大米酸水解的影響。

圖4 酸化處理的普通大米與黃變米的電鏡圖(5000×)Fig.4 Morphological properties of normal andPHY rice by sulfuric solution treatment(5000×)

3 結論

酸處理導致樣品的熱特性發生變化,樣品的ΔT相比于酸處理前明顯增大,酸處理后黃變米的ΔT和ΔH小于普通大米;廣角X射線衍射和小角X射線散射的結果一致表明,在低濃度硫酸溶液水解下,黃變米與普通大米的結晶度差別不大,但在1 mol/L濃度的硫酸溶液處理中,黃變米的結晶度表現出明顯的降低趨勢,同時黃變米結晶區的重排程度比正常大米高,有序化程度也高;表觀結構表明,酸處理之后的樣品,樣品的淀粉顆粒呈現出干癟狀態,部分小顆粒被酸溶液溶解,酸處理后黃變大米比正常大米顆粒松散,淀粉顆粒多角度結構不明顯。綜上,黃變改變了酸水解大米的性質,今后可利用其特殊理化特性,進行工藝優化,進行食品工業以及紡織業方面的研究,對劣質大米進行充分利用。