徐亞元,沈素晴,李大婧, ,宋江峰,馮 蕾,戴竹青,張鐘元,肖亞冬
(1.江蘇省農業科學院農產品加工研究所,江蘇南京 210014;2.南京師范大學食品與制藥工程學院,江蘇南京 210097)
青香蕉(Musaspp.)營養豐富,深受消費者喜愛,被聯合國糧農組織定為適生區第四大糧食作物。其中,青香蕉中總淀粉和抗性淀粉含量分別高達80%和60%[1]。青香蕉是天然抗性淀粉(Resistant starch,RS)最廣的來源之一,也是天然RS含量最高的作物之一[2]。然而,青香蕉易腐爛、不耐貯藏,易造成嚴重的經濟損失,如果將其干制開發成高值化的青香蕉粉,對緩解產銷矛盾具有重要意義。青香蕉粉不僅保留著青香蕉自身的功能特性,而且所富含的RS可有效降低餐后血糖濃度、控制體重,能有效預防肥胖;富含鈣、鎂、磷、鉀等礦物質和多酚類物質,RS、膳食纖維含量較高,具有改善腸道健康的功效,可降低腸道pH,對大腸或結腸健康有益[3]。
傳統的熱風干燥或噴霧干燥制備的青香蕉粉或青香蕉淀粉,由于溫度較高,RS損失十分嚴重,營養功能下降。微波干燥(Microwave drying, MD)時間短、熱效率高、能耗低,能較好的保留產品的營養和風味,顯著優于傳統熱風干燥,相較于冷凍干燥節能效果明顯,在甘薯[4]、青香蕉[5]、山藥[6]、蓮子[7]等淀粉質食品中已有廣泛的應用。由于青香蕉含有大量淀粉,在微波干燥過程可能對水分遷移有顯著影響,一方面,不適宜的水分梯度和溫度梯度會使青香蕉中的淀粉顆粒溶脹、糊化,影響淀粉的理化性質以及消化特性[8-9]。Zeng等[10]研究發現適當的微波功率密度(2.4~8.0 W/g)可提高慢消化淀粉(Slowly digestible starch,SDS)和RS的相對含量,降低了快消化淀粉(Rapidly digestible starch,RDS)的相對含量,且隨著微波強度的增加這種趨勢更加明顯。SDS與RS一樣,也對肥胖癥和糖尿病具有一定的控制和預防作用,也是食品營養學領域的研究熱點[11]。另一方面,淀粉糊化會導致青香蕉表面結殼、硬化,使青香蕉組織內部孔隙率發生改變,進而影響水分遷移特征,如水分有效擴散系數、水分分布狀態及含量以及干燥速率等,最終影響到干燥能耗和效率[12]。然而,涉及微波干燥的濕熱加工過程對青香蕉內部淀粉糊化行為的影響,以及糊化過程對水分遷移的影響研究均鮮有報道。因此,探索青香蕉微波干燥過程中水分與其淀粉顆粒的這種相互作用,了解淀粉糊化行為與水分遷移的效應關系及其對青香蕉淀粉消化特性的影響,不僅可以更好地明確青香蕉微波干燥水分遷移特性,還可以更好地了解青香蕉在MD中淀粉消化特性的變化規律。
本文采用差示掃描量熱法(Differential scanning calorimetry, DSC)技術分析青香蕉MD中其淀粉糊化過程,探索淀粉糊化動力學過程與微波功率密度、溫度、水分有效擴散系數的關系;明晰青香蕉在MD過程中其淀粉在糊化過程中其消化特性的變化規律,以期系統闡明MD這一濕熱加工過程對青香蕉中淀粉消化性質的影響規律,為高效保留青香蕉中抗性淀粉或提高慢消化淀粉提供理論基礎及科學依據。
粉蕉(Musa ABB) 成熟度均為1級,由廣西農科院研究所實驗基地提供,-20 ℃保存,一周內測完,青香蕉初始濕基含水量為68.39%;胃蛋白酶(≥250 U/mg,P7000,EC 3.4.23.1)、胰酶(豬胰腺提取物,≥2500 U/g,P7545,232-468-9) 美國 Sigma公司;轉化酶(≥300 U/mg,I4504,EC 3.2.1.26) 諾維信生物技術有限公司;淀粉葡萄糖苷酶(≥300 U/mL,A7095,EC 3.2.1.3) 北京索萊寶科技有限公司;葡萄糖氧化酶-過氧化物酶試劑盒(Glucose Oxidase-Peroxidase,GOPOD) 南京建成生物工程研究所;其他化學試劑均為分析純。
MVD-1型微波干燥設備 南京孝馬機電設備廠;HQ-12型光纖測溫儀 西安和其光電科技有股份限公司;TA Q20差示掃描量熱儀 英國TA公司;GI20體外模擬消化系統 奧大利亞Nutra Scan公司;DHG-9073BS-Ⅲ型電熱鼓風干燥箱 上海新苗醫療器械制造有限公司。
1.2.1 青香蕉微波干燥實驗 青香蕉剝皮后切成3 mm的薄片,平鋪于微波干燥專用的托盤上,微波干燥功率密度分別為2、4、6、8、10 W/g。在干燥過程中,通過光纖測溫儀在線實時記錄青香蕉內部溫度變化,該光纖測溫儀配有6個光纖測溫探頭,可以對樣品盤中6個不同位置的香蕉片樣品溫度進行在線監測,最后取平均值。干燥達到設定的取樣時間間隔時,終止微波干燥,測定水分含量,用于繪制干燥曲線與速率曲線。由于微波功率密度越高,樣品達到干燥終點的時間越短,所以不同功率密度條件下,MD過程中設定的取樣時間間隔不一致,當微波功率密較低為2 W/g時,時間間隔為1~5 min;當微波功率密為4 W/g時,時間間隔為1~2 min;當微波功率密為6 W/g時,時間間隔為0.5~2 min;當微波功率密為8 W/g和10 W/g時,時間間隔為0.5~1 min,具體時間間隔詳見表1。在干燥前期階段取樣時間間隔較短,干燥后期取樣時間間隔相對較長。為了后續分析青香蕉在MD過程中淀粉性質的變化,需要將MD后的樣品烘干打粉進行相關指標的測定,為了盡量不破壞青香蕉中淀粉的相關性質,選用較低的溫度對樣品進行熱風干燥(35 ℃),烘干后的水分含量為6.05%±0.34%。粉碎過120目篩,得到青香蕉粉,密封、避光,于4 ℃保存,用于后續淀粉性質分析。35 ℃直接烘干的青香蕉樣品作為對照組。
1.2.2 青香蕉淀粉的提取 青香蕉淀粉的提取參照Jiang等[13]報道的方法,將100 g青香蕉粉溶解于1 L的去離子水中,連續磁力攪拌 20 min,4500 r/min離心10 min,棄上清液,然后加入1 L NaOH溶液(0.2%, w/v)去除沉積物中的可溶性纖維,再次離心棄上清液,用蒸餾水反復洗滌沉淀直至溶液呈中性,45 ℃真空干燥烘干,粉碎過120目篩,密封、避光,于4 ℃保存用于后續指標分析。
1.2.3 水分含量、干燥速率、水分比與水分有效擴散系數的測定 青香蕉初始水分含量和恒重質量的測定參考GB 5009.3-2016方法進行測定[14]。
青香蕉干燥過程中濕基含水率(Xt)按照公式(1)計算:

干基含水率(xt)按照公式(2)計算[15]:

干燥速率(Vt)按照公式(3)計算[15]:

水分比(Moisture ratio,MR)按照公式(4)計算[16]:

水分有效擴散系數(Effective water diffusion coefficients,Deff)可由Fick擴散方程計算,按照公式(5)~(6)[17-18]計算:

式中,Xt為t時刻樣品的濕基含水率(g/g);xt為t時刻時樣品的干基含水率(g/g);x0為樣品初始干基含水率(g/g);mt為t時刻樣品的質量(g);md為樣品恒重時的質量(g);Deff為水分有效擴散系數(m2/s);t為干燥用時間(s);d為青香蕉切片的厚度(m)。
由公式(5)可知,lnMR與t呈線性關系,因此直線斜率k表達式為(6):

利用OriginPro 9.0軟件對lnMR與t進行線性擬合,即可求得Deff值。
1.2.4 青香蕉MD中淀粉糊化參數的測定 運用DSC技術分析青香蕉在MD過程中淀粉的糊化動力學、糊化溫度以及焓值等。參照張敏等[19]報道的方法,并做了簡單的修改,稱取一定量的青香蕉粉和青香蕉淀粉樣品,加入一定量的蒸餾水,使得淀粉與水的比例為1:3,充分混合后在室溫下平衡24 h。稱取10 mg左右的樣品置于鋁盒中,DCS條件:溫度范圍為 20~110 ℃,升溫速率為10 ℃/min,通過TA Univeral Analysis軟件分別計算出To(起始溫度)、Tp(峰值溫度)、Te(終止溫度)及焓值ΔH的變化情況,糊化程度(Gelatinization degree,DG)可以通過公式(7)進行計算[20]:

其中,ΔHMD表示經MD處理后樣品的焓值;ΔH對照表示未經MD處理的對照組樣品的焓值。
1.2.5 體外消化特性測定 采用Englyst改良方法[21]測定樣品的體外消化特性,應用GOPOD試劑盒測定模擬體系中樣品的葡萄糖含量,RS、SDS、RDS含量可通過公式(8)~(10)進行計算:

式中,G120為酶解120 min后樣品中的葡萄糖含量,mg;G20為酶解20 min后樣品中的葡萄糖含量,mg;FG為酶解前樣品中的游離葡萄糖含量,mg;TS為樣品總淀粉量,mg;對照組樣品的RDS、SDS、RS占總淀粉的含量分別為7.06%、14.73%、78.21%。
DSC數據采用英國TA公司提供的TA Qseries Analysis自帶軟件進行處理。所有的實驗平行三次,利用SPSS16.0軟件進行方差分析和相關性分析,并通過Duncan檢驗確定平均值之間的顯著差異性(P<0.05)。
不同微波功率密度條件下青香蕉微波干燥曲線、干燥速率,Deff及溫度變化如圖1所示。由圖1(a)知,青香蕉片的濕基含水率隨著MD時間延長逐漸降低,通過Origin對干燥曲線擬合發現,改變微波功率密度為2、4、6、8、10 W/g 時,干燥至濕基含水率為20%時,所需要的時間分別為38、18.2、8.3、7、5.2 min。由圖1(b)知,增大微波功率密度,可顯著提高干燥速率;當功率密度為2 W/g時,青香蕉片微波干燥速率呈現出開始的平緩上升、后續的平緩下降及最后的相對穩定三個不同的階段,干燥速率最大值與最小值具有明顯差異;當功率密度為4、6、8 W/g時,干燥速率均呈現出開始的迅速上升、后續的迅速下降以及最后的相對平穩三個顯著不同的階段;當功率密度為10 W/g時,干燥速率僅呈現出開始的迅速上升以及后續的迅速下降兩個顯著不同的階段。這是因為在MD過程中,水分遷移動力源自于樣品內外蒸汽所形成的壓力差,干燥開始階段,由于物料含水率較高,內部壓力迅速上升,壓力梯度也會越大,形成一種“泵”效應,驅動水蒸汽向物料表面遷移[22],干燥速率則會處于相對較高的水平;隨著樣品含水率的降低,干燥速率則會處于較低水平。另外,干燥速率呈現出顯著不同的趨勢可能是因為在不同微波功率密度條件下,青香蕉片內部溫度變化不同導致內部淀粉顆粒糊化程度不同導致的。

圖1 不同微波功率密度對青香蕉干燥曲線、干燥速率、Deff以及溫度的影響Fig.1 Effects of microwave power density on drying curve,drying rate, Deff and temperature of banana
由圖1(c)可以看出,青香蕉MD過程中,Deff在5.849×10-9~1.985×10-8m2/s之間,并隨著微波功率密度增大而明顯升高,說明在實驗微波功率密度條件下,Deff與微波功率密度具有正相關性,這與張樂等[23]的研究結果相似;當微波功率密度從2 W/g增加至10 W/g時,青香蕉的Deff值增加超過2倍。由圖1(d)可以看出,青香蕉在不同功率密度下干燥的溫度變化,在初始階段,樣品內部溫度均迅速升高,微波功率密度越高,上升幅度越大。其中,當微波功率密度為6 W/g及以上時,干燥僅0.5 min后,樣品內部溫度達66 ℃以上,溫度上升幅度超過45 ℃,隨后,溫度上升速率稍有下降的趨勢,到干燥后期,除了微波功率密度為2 W/g,其他功率條件下,樣品的溫度又呈現出迅速上升的趨勢,達到100 ℃以上,其中,青香蕉在10 W/g條件下干燥4 min,溫度即可升至143 ℃,這就是所謂的微波“熱失控”現象,這也是大部分果蔬物料中心出現燒焦現象的主要原因[24],因此,在實際果蔬物料微波干燥加工過程中,需要控制好微波功率密度與干燥時間,避免出現“熱失控”導致的樣品燒焦。
淀粉糊化過程通常指淀粉的顆粒形態結構從有序到無序的不可逆變化,以淀粉顆粒吸熱、吸水溶脹、粘度增加、結晶度降低等特征變化為反應標志[25]。不同微波功率密度條件下的青香蕉中淀粉的T0、Tp和Te的變化情況如表1所示。由表1知,與對照組相比,新鮮青香蕉經不同功率密度的MD處理后,其淀粉的T0、Tp、Te均顯著下降(P<0.05),這與淀粉晶體結構的完美程度密切相關[26]。當微波功率密度為2 W/g時,T0范圍為64.35~55.12 ℃,Tp范圍為68.34~72.87 ℃,Te范圍為72.15~77.85 ℃,在干燥初期(1~5 min范圍內),濕基含水率較高的時候,隨著干燥時間延長,T0、Tp、Te均顯著升高(P<0.05),隨后又均呈現顯著下降的趨勢(P<0.05)。有研究表明,T0與樣品中淀粉顆粒的結晶完整度密切相關,淀粉顆粒晶型不完整,可能具有較低的T0、Tp、Te,而晶型較完整的淀粉則會具有較高的T0、Tp、Te[27]。另外,水分含量對淀粉顆粒結晶度影響較大[28]。因此可以推測,當微波功率較低,為2 W/g時,青香蕉在干燥初期,隨著干燥時間延長,溫度升高,水分含量降低,可能改變了青香蕉中淀粉顆粒的晶型完整程度,促使結晶程度提高,而結晶度較高的淀粉顆粒會形成相對穩定的結構,較難發生糊化反應。然而,當樣品的微波功率密度升高為4、6、8 W/g時,變化趨勢與2 W/g顯著不同,隨著干燥時間延長,T0和Tp一直呈下降趨勢,這意味著當微波功率增加,隨著干燥時間延長,青香蕉中的淀粉更易發生糊化,這可能是因為微波功率升高,溫度上升速率較快,破壞了青香蕉中淀粉顆粒的晶型完整度,降低了水分子進入淀粉顆粒內部的阻力[29]。

表1 不同微波功率密度下青香蕉中淀粉糊化溫度(T0、Tp、Te)和焓值的變化Table 1 Gelatinization temperatures including To, Tp, Te as well as ΔH values of starches in green banana at different microwave power density
淀粉的糊化ΔH值反映了破壞淀粉雙螺旋結構所需要的能量[26],由表1可知,青香蕉經不同功率密度的MD處理后,其ΔH值均呈現出顯著下降的趨勢(P<0.05),且微波功率密度越大,其糊化焓值越低。隨著干燥時間延長,濕基含水率越低,不同功率強度的樣品焓值均顯著下降,這表明青香蕉中的淀粉雙螺旋結構可能被部分破壞,結構穩定性降低,導致雙螺旋結構溶解所需的能量降低,且當樣品的微波功率密度越高,濕基含水率越低,淀粉的雙螺旋結構破壞程度越嚴重。
不同微波功率密度對青香蕉MD過程中其淀粉糊化程度的影響如圖2所示,由圖2知,不同功率密度對青香蕉中淀粉凝膠化過程影響顯著,淀粉的糊化程度均隨著青香蕉干燥時間延長明顯增加;當MD時間相同時,微波功率密度越大,青香蕉中淀粉的糊化程度越高。在干燥初期,微波功率密度越高,糊化程度上升趨勢越明顯,其中,當微波功率密度為6~10 W/g,青香蕉干燥1 min后,其淀粉糊化程度均達50%以上;當功率為8 W/g和10 W/g時,僅干燥0.5 min,青香蕉中的淀粉糊化程度便達到70%左右;而當功率密度較低為2 W/g時,青香蕉中的淀粉糊化程度達到50%,需要干燥超過10 min。這可能是因為當微波功率密度越大,樣品內部溫度在短時間內可迅速上升至青香蕉淀粉糊化溫度,甚至更高(由圖1(d)可知),而此時青香蕉中的水分含量較高,所以淀粉比較容易發生糊化;微波功率密度較低,青香蕉片在干燥初期其內部溫度上升較為緩慢,青香蕉中的淀粉不易發生糊化,所以糊化程度較低,且增長趨勢緩慢,當干燥時間繼續增加,溫度上升后,青香蕉中的淀粉較易發生糊化。對于功率密度為2 W/g的青香蕉樣品來說,其淀粉糊化程度達到90%左右后,盡管MD時間繼續延長,淀粉糊化程度并無明顯變化,而在其他微波功率密度條件下,糊化程度達到98%左右后,MD時間繼續延長,糊化程度無明顯變化。這是因為水分子作為增塑劑,是決定淀粉糊化特性的關鍵因素之一,當水分含量降低到一定程度,淀粉分子不易發生糊化[30],對于本實驗中的青香蕉樣品,干燥過程中影響其內部淀粉糊化的主要因素之一是其含水率,結合圖1(a)分析發現,不同微波功率密度條件下,當青香蕉濕基含水率高于45%時,淀粉糊化程度與含水率呈顯著負相關(P<0.05),在干燥過程中含水率越高時,其淀粉糊化程度均越低,且微波功率密度越高,相關性顯著降低(P<0.05);當青香蕉中的含水率降低到45%以下,無論是高功率密度條件還是低功率密度條件,隨著MD時間繼續延長,青香蕉中淀粉的糊化程度無顯著性增加(P>0.05)。

圖2 不同微波功率密度對青香蕉中淀粉糊化程度的影響Fig.2 Effects of microwave power density on the degree of starch gelatinization
不同微波功率密度條件下的青香蕉在MD過程中其RS、SDS、RDS含量的變化如圖3所示,不同微波功率密度、MD時間對青香蕉中RS、SDS、RDS含量影響顯著(P<0.05)。對于RS含量來說,與對照組相比,青香蕉樣品經4~10 W/g 的MD處理后,其RS含量均顯著下降,且隨著MD時間延長呈顯著下降趨勢(P<0.05),當微波功率密度為8 W/g和10 W/g時,MD處理4 min后,青香蕉中的RS含量下降程度達86%以上。而當微波功率密度較低為2 W/g時,青香蕉樣品干燥1 min后,其RS含量與對照組相比無顯著變化(P>0.05);干燥2 min后,RS含量顯著下降(P<0.05);干燥3 min后其RS含量較2 min的樣品又顯著增加(P<0.05);隨著干燥時間繼續延長,RS含量隨著MD時間延長呈顯著下降趨勢(P<0.05)。對于RDS含量來說,當微波功率密度為4 W/g時,RDS含量隨著MD時間延長變化規律不明顯,在其他微波功率密度條件下,RDS含量隨著MD時間延長顯著升高(P<0.05),當微波功率密度達到6 W/g以上,糊化程度達到峰值后,RDS含量均達80%以上。對于SDS含量來說,當功率密度為2 W/g和4 W/g時,青香蕉片干燥3 min后,其SDS含量隨著干燥時間延長呈顯著升高趨勢(P<0.05),最高可達53.90%;當微波功率密度為6、8、10 W/g時,隨著干燥時間延長,SDS含量先呈顯著增加趨勢后呈顯著下降趨勢(P<0.05)。在MD過程中,青香蕉中的RS含量雖然呈顯著下降趨勢,但是RS并未完全轉化為RDS,因為一部分RS轉化成為SDS,且不同微波功率密度對RS、SDS、RDS之間的相互轉化作用影響顯著(P<0.05)。青香蕉中的淀粉在MD中抗消化性能降低可能是因為淀粉顆粒發生了部分糊化,淀粉與淀粉酶的結合速率是影響淀粉消化速率的關鍵因素,而淀粉一旦出現了糊化,盡管淀粉糊化程度很低,仍可能破壞淀粉類似“外殼”結構的物理屏障,增加酶與淀粉的結合速率,進而增加其在體外的酶水解速率[25,31],但這并不意味著青香蕉中淀粉糊化程度越高,其消化性越高(這從圖3(a)和(b)也可以看出),這是因為當淀粉顆粒結構的破壞程度很嚴重,淀粉的糊化程度以及結構的有序性便不再是影響酶與淀粉相互作用以及消化特性的關鍵因素,淀粉的晶體結構、鏈結構等精細結構以及淀粉與其他組分間的相互作用均與其消化性能具有密切的關系[7]。

圖3 不同微波功率密度對香蕉中RS、SDS、RDS含量的影響Fig.3 Effects of microwave power density on the contents of RS、SDS and RDS
不同微波功率密度條件下,青香蕉在MD過程中其RDS、SDS、RS含量與淀粉糊化程度的相關性分析如表2所示。由表2知,不同功率密度條件下,青香蕉在MD過程中其淀粉糊化程度與消化特性的相關性均存在顯著性差異(P<0.05)。其中,當微波功率密度為2~8 W/g時,RS含量均與其淀粉糊化程度、RDS含量呈極顯著負相關(P<0.01),當功率密度為10 W/g時,則呈顯著負相關(P<0.05),這與MING等[32]和Toro等[33]研究的結果相似,即淀粉的消化性與其糊化程度具有一定的正相關性,這說明青香蕉中淀粉糊化程度越高,RS含量越低,RDS含量越高,進而提高其淀粉的消化性。這是因為青香蕉抗性淀粉屬于RS2(抗性淀粉顆粒)類型,具有天然的淀粉酶抗性,MD處理破壞了青香蕉中淀粉的顆粒結構,使原有的晶體構象破壞,降低了抗性淀粉顆粒對淀粉酶的抵抗性。
從表2還可以看出,當微波功率密度為2 W/g和4 W/g時,SDS含量與淀粉糊化程度呈極顯著正相關(P<0.01),而與RS含量呈極顯著負相關(P<0.01),說明青香蕉中的淀粉糊化可顯著促進SDS的形成。這是因為青香蕉樣品在較低微波功率密度條件下,“微波效應”引起淀粉發生糊化反應后,在冷卻過程中,可能部分已經溶出的直鏈淀粉分子又重新排列形成緊密的晶體結構,也可能形成了較多的淀粉-水氧鍵凝膠網絡結構,這些結構降低了消化酶對淀粉的敏感性[10]。當微波功率密度為6 W/g時,SDS含量則與淀粉糊化程度呈顯著負相關(P<0.05),而與RS含量無顯著相關性(P>0.05);當微波功率繼續增強,達8 W/g以上時,SDS含量均與淀粉糊化程度無顯著相關性(P>0.05),這是因為當微波功率密度增強時,樣品內部溫度升溫較快,可能對青香蕉中的淀粉分子結構具有更強的破壞作用,導致淀粉底物暴露出更多的與淀粉酶結合的亞位點,提高了淀粉酶對淀粉分子的敏感性[34]。

表2 不同微波功率密度下青香蕉MD中淀粉糊化程度與RDS、SDS、RS含量的相關性分析Table 2 Correlation analysis of starch gelatinization degree and RDS, SDS, RS content during MD under different microwave power densities
不同微波功率密度對青香蕉中淀粉糊化行為和消化特性影響顯著,當青香蕉含水率高于45%,在MD過程中,高微波功率密度和高含水率可促進青香蕉中的淀粉糊化;當含水率降低到45%以下,含水率和微波功率密度對香蕉中淀粉糊化程度無顯著影響。青香蕉中的淀粉糊化程度越高,RS含量越低;當微波功率密度為2 W/g和4 W/g時,青香蕉中的淀粉糊化可促進SDS的形成,SDS含量最高可達53.90%。因此,可以通過調節MD微波輸出方式和時間,既可以調控青香蕉中淀粉的糊化程度,又可以在一定程度上控制青香蕉中RS、SDS、RDS之間的轉化作用,比如通過中強度微波功率密度和低功率密度間歇作用,最大限度保留RS,或獲得高含量SDS的青香蕉粉,以期為微波干燥在青香蕉粉及其淀粉的應用提供理論基礎。關于青香蕉MD中其淀粉糊化過程中精細結構的變化與消化特性間的構效關系還需要后續深入研究。