氧化和湿热处理对马铃薯淀粉功能特性的影响

周凤超,李禹儒,赵俊梅,张 鹏,姜浩岩

(绥化学院食品与制药工程学院,黑龙江绥化 152061)

马铃薯淀粉(PS)可作为增稠剂、胶体稳定剂、膨胀剂和保水剂应用于食品工业,但原料马铃薯淀粉本身也有多种缺点,如淀粉糊的老化性高、热稳定性差、抗剪切能力差等,使其在某些食品加工领域受到限制,马铃薯淀粉的这些不足和加工局限性可以通过淀粉的改性来克服[1]。淀粉改性的方法有很多种,如酸解或酶解、氧化、交联、湿热和压热处理等[2]。这些处理方法都会改变马铃薯淀粉的凝胶、糊化、老化以及流变学特性,使马铃薯淀粉更多地应用于食品工业。

氧化处理(oxidation treatment,OT)可以降低马铃薯淀粉的高粘度和老化特性,使淀粉糊更加透明并具有良好的成膜性,目前已被广泛应用于食品工业中的面团、面包和烘焙食品加工[3]。常用的氧化剂有次氯酸钠和过氧化氢,其中次氯酸钠是商业化生产氧化淀粉最常用的氧化剂[4]。目前,有关氧化马铃薯淀粉的研究很多[5-6],但对考察其凝胶特性方面的研究却鲜有报道。湿热处理(heat moisture treatment,HMT)属于淀粉的物理改性方法,因其具有环境友好和价格低廉的优点,目前也在被广泛的采用[6-8]。许多学者对湿热处理后马铃薯淀粉的理化及体外消化性进行了研究[8-9],但从淀粉颗粒结构变化及分子间相互作用的角度分析氧化和湿热处理马铃薯淀粉的功能特性却鲜有报道。

本研究对氧化和湿热处理马铃薯淀粉的糊化特性、膨润能力、溶解度和凝胶强度进行测定。从淀粉颗粒结构变化及分子间相互作用的变化角度分析讨论氧化和湿热处理马铃薯淀粉功能特性变化的原因。为研究改性马铃薯淀粉的功能特性及更好的应用于食品工业提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜马铃薯 黄麻子品种,绥化当地市场;次氯酸钠(活性氯浓度不小于10%)、氢氧化钠、盐酸、硫酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠等所用化学试剂 均为国产分析纯。

DELTA 320 pH计 瑞士梅特勒-托利多有限公司;101-3AB电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司;TGL-20B高速台式离心机 上海安亭科学仪器厂;THZ-82A水浴恒温振荡器 江苏金坛市精达仪器制造厂;XT120A普利塞斯XS系列原装天平 瑞士普利赛斯有限公司;S-3400N扫描电子显微镜 日本日立公司;BS203IP数码偏光显微镜 重庆光电仪器有限公司;快速粘度分析仪(RVA) 澳大利亚Newport科学仪器有限公司;TA-XT plus型质构分析仪 英国Stable Micro System公司。

1.2 实验方法

1.2.1 马铃薯淀粉的制备 参考Liu等[10]的制备方法略有修改。马铃薯洗净、去皮后切成厚为2 mm的薄片,将马铃薯片与亚硫酸钠溶液(0.2%)按1∶8 (kg∶L)浸泡20 min,然后用组织捣碎机搅拌2 min,悬浮液过100目标准筛4 ℃储存24 h。将上清液移除,收集沉淀物用去离子水洗涤三次,50 ℃烘干至水分降至10%,将得到的原料马铃薯淀粉(NPS)粉末过100目筛,4 ℃储藏备用。

1.2.2 氧化处理马铃薯淀粉 马铃薯淀粉的氧化参考Chong等[11]的方法略有改动。将100 g马铃薯淀粉在2 L烧杯中溶于900 mL去离子水,制成马铃薯淀粉匀浆。将马铃薯淀粉匀浆用1 mol/L NaOH调节至pH9.5,在35 ℃水浴中,30 min内缓慢加入活性氯浓度为0.2%和2.0%的次氯酸钠,并用0.5 mol/L H2SO4保持溶液pH为9.5,氧化剂完全加入后继续反应30 min。反应完成后用0.5 mol/L H2SO4调节pH至7.0。氧化后的马铃薯淀粉匀浆用布氏漏斗抽滤,再用两倍体积的去离子水洗涤,然后在50 ℃鼓风干燥箱中烘干至水分含量降至10%左右,粉碎过100目筛,得到氧化处理马铃薯淀粉样品0.2% OTPS和2.0% OTPS,4 ℃储存备用。

1.2.3 湿热处理 马铃薯淀粉的湿热处理参考Sun等[12]的方法略有改动。在玻璃容器中加入适量蒸馏水与马铃薯淀粉混合均匀,将水分含量调整至20%,4 ℃平衡24 h。将淀粉样品密封于玻璃容器中放入鼓风干燥箱,常压下、100 ℃恒温鼓风处理1 h,得到湿热处理马铃薯淀粉样品HMTPS-1;将淀粉样品密封于玻璃容器中放入高压灭菌锅中,0.2 MPa、120 ℃处理20 min,得到湿热处理马铃薯淀粉样品HMTPS-2;然后将淀粉样品50 ℃烘干至水分含量降至10%左右,粉碎过100目筛,4 ℃储存备用。

1.2.4 微观结构观察 偏光显微(PLM)观察:将马铃薯淀粉样品均匀悬浮于95%乙醇制成浓度为10%的马铃薯淀粉-乙醇溶液。取一滴样液滴于载玻片上,将盖玻片盖好置于偏光显微镜载物台上进行观察并拍照。样品观察物镜和目镜放大倍数分别为40倍和10倍。扫描电镜(SEM)观察:参考Vanier等[13]的方法,将马铃薯淀粉样品制成1%(m/V)的悬浊液,将每个样品均匀平铺于金属观察表面,32 ℃烘干1 h。然后,将所用样品镀金膜,在扫描电子显微镜下(加速电压5 kV,放大400倍)观察。

1.2.5 膨润能力和溶解度的测定 参考Leach等[14]的方法略有改动。1 g马铃薯淀粉样品溶解于50 mL去离子水中。将淀粉水溶液分别在65、70和75 ℃水浴振荡条件下加热30 min。然后将凝胶马铃薯淀粉样品冷却至室温并在离心力1000×g离心20 min。将离心后的上清液于110 ℃烘干至恒重可测得溶解组分的质量。溶解度由恒重组分质量与样品质量之比得到。膨润能力由离心后沉淀的质量与未溶解组分(样品减溶解组分)之比得到。

1.2.6 糊化特性分析 改性马铃薯淀粉的糊化特性用快速粘度分析仪(RVA)测定,取3.5 g样品置于铝制RVA样品罐中,加入25 mL去离子水,搅拌均匀。采用升温和冷却过程测定样品的糊化特性。样品升温至50 ℃保持1 min,然后以12.2 ℃/min的速度加热至95 ℃保持2.5 min,之后以11.8 ℃/min的速度冷却至50 ℃保持2 min。测定结果分别得到:糊化温度、峰值粘度、最终粘度、衰减值和回生值。

1.2.7 凝胶强度的测定 凝胶强度的测定参考Hormdok的方法[15]略有改动,用质构分析仪进行测量。将糊化特性测定完成后铝罐(直径×高:37.9 mm×68.4 mm)盛装的凝胶样品在20 ℃条件下放置12 h,形成固态凝胶,并将铝罐口封好防止水分蒸发。固态凝胶由不锈钢圆柱探头(P/0.5:直径12 mm)以1.0 mm/s的速度穿透10.0 mm。凝胶强度单位为N(质构仪探头穿破凝胶时所受到的作用力,即凝胶强度)。

1.2.8 数据统计分析 每个实验重复三次,结果表示为平均数±SD。数据统计分析采用Statistix 8.1(分析软件,St Paul,MN)软件包中Linear Models程序进行,差异显著性(p<0.05)分析使用Tukey HSD程序。采用Sigmaplot 11.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 微观结构的观察

原料马铃薯淀粉的偏光显微镜及扫描电子显微镜照片如图1A、a所示,淀粉颗粒的形状呈圆或椭圆的球形,表面平整光滑,颗粒完整、轮廓清晰,偏光显微照片中能够明显的观察到淀粉颗粒的十字偏光,说明其具有完整的结晶结构。

氧化处理马铃薯淀粉(2.0%OTPS)的微观结构如图1B、b所示,淀粉颗粒的表面和内部结构与原料马铃薯淀粉颗粒明显不同,其十字偏光明显减弱(图1B箭头处);同时淀粉颗粒表面出现了孔洞(图1 b中箭头处),形状变得不规则(0.2%OTPS氧化程度较低,其微观结构与原料淀粉无明显差别,因此未在图1中添加)。淀粉颗粒中存在结晶结构和非晶结构,其中结晶结构在偏振光照射下能表现出明显的偏光十字,非晶结构相比于结晶结构具有物理和化学不稳定性。次氯酸钠氧化主要作用于淀粉分子葡萄糖单元C-2和C-3位置的羟基,氧化过程中糖苷键的断裂引起了淀粉分子解聚,从而对马铃薯淀粉颗粒的结构产生了影响。其他学者也有相同的研究结果,Kuakpetoon[16]认为氧化处理在淀粉颗粒表面形成了细孔,Spier等[17]也认为在碱性条件下氧化处理玉米淀粉使淀粉颗粒表面出现孔洞。氧化马铃薯淀粉的十字偏光明显减弱,但仍然能被观察到,说明氧化后的马铃薯淀粉颗粒仍保持一定的晶体结构,因此可判断氧化反应主要发生在淀粉颗粒的非结晶区域。

图1 不同类型马铃薯淀粉的偏光显微照片和扫描电子显微照片

湿热处理马铃薯淀粉的微观结构如图1C、c、D、d所示。相比于原料马铃薯淀粉,HMTPS-1和HMTPS-2淀粉颗粒的十字偏光随处理强度的增强(温度升高和压力增大)明显减弱,且淀粉颗粒形状越发不规则。其中,HMTPS-2有部分淀粉颗粒出现了断裂(图1d箭头处),同时发现,有淀粉颗粒的脐点处(图1D箭头处)出现了凹陷(图1 d箭头处)。Lee[18]将含水量为20%的蜡质马铃薯淀粉在120 ℃湿热处理5 h得到了相似的研究结果。这可能是由于淀粉颗粒中存在的水分,在高温条件下使淀粉颗粒膨胀,从而发生破裂;同时,淀粉的脐点作为其颗粒的起始点和生长点,通常在淀粉颗粒的中心,该部位含水分较多且比较柔软,热处理过程中易受到水汽的侵蚀、结构被破坏,从而产生凹陷[19-20]。

2.2 糊化特性

由表1可知,原料马铃薯淀粉的糊化温度为68.3 ℃,氧化处理马铃薯淀粉的糊化温度相比于原料淀粉均显著升高(p<0.05)。结合我们之前的研究进行分析,糊化温度的升高主要是由于氧化作用使马铃薯淀粉颗粒非晶结构中的直链淀粉溶出,使其热稳定性增加,达到糊化时需要吸收更多的热量[21-23]。Jane等[24]提出淀粉中直链淀粉含量高则表现出较高的热转变温度;畅阳[25]报道,直链淀粉能使淀粉颗粒的膨胀能力降低,糊化温度升高。0.2% OTPS的峰值粘度和最终粘度相比于原料淀粉无显著变化(p>0.05),而2.0% OTPS的峰值粘度和最终粘度显著下降(p<0.05)。Dias等[26]研究指出,次氯酸钠氧化使淀粉颗粒中的直链和支链淀粉分子解聚,从而降低了淀粉糊的粘度并抑制其老化。

表1 原料和改性马铃薯淀粉的糊化特性

氧化马铃薯淀粉的衰减值和回生值相比于原料马铃薯淀粉显著降低(p<0.05)。衰减值表示淀粉糊的热稳定性,回生值表示淀粉糊冷却之后的稳定性。Chan等[27],Karim等[28]指出,高衰减值意味着淀粉糊在加热过程中的抗剪切能力降低。由此可以确定,衰减值的降低,使淀粉糊在持续加热和搅拌下的热稳定性和抗剪切能力增强。Tavares等[29]研究报道,淀粉分子的羟基基团在氧化过程中被大的羰基和羧基基团取代,这就抑制了淀粉分子中羟基基团的相互作用,从而降低了氧化淀粉的回生值。由此可以确定,淀粉糊的回生值越低,冷却后越不容易回生,性质越稳定。因此,氧化处理使马铃薯淀粉的衰减值和回生值的降低,从而提高了马铃薯淀粉糊的热稳定性和淀粉糊冷却后的稳定性。

湿热处理马铃薯中,HMTPS-1的糊化温度、峰值粘度相比于原料淀粉无显著变化,而最终粘度、衰减值和回生值显著降低(p<0.05);HMTPS-2的糊化温度显著高于(p<0.05)原料淀粉,其余各项指标不仅显著低于(p<0.05)原料淀粉,也显著低于(p<0.05)HMTPS-1。许多学者用不同类型的淀粉进行湿热处理,均得到了相似的实验结果,如美人蕉淀粉[30]、米淀粉[31]和玉米淀粉[32],他们认为,糊化特性的变化主要是由于淀粉颗粒非结晶区域分子链间的相互关联以及湿热处理过程中结晶度的变化。HMTPS-2粉糊化温度的升高说明淀粉颗粒内部存在更强的相互作用力,包括直链与直链淀粉分子间、直链与支链淀粉分子间以及支链与支链淀粉分子间的作用力[33],糊化过程中需要吸收更多的热量才能将这些相互作用力破坏使淀粉成糊。HMTPS-1和HMTPS-2粘度的降低主要是由于热能和水汽的作用使淀粉分子链间的相互作用逐渐增强,降低了淀粉与水的结合能力。衰减值和回生值的显著降低(p<0.05)说明淀粉的热糊和冷糊稳定性均得到改善,同时抗剪切能力也得到增强。

2.3 膨润能力和溶解度

膨润能力表示淀粉在特定条件下的水和能力,而溶解度则表示淀粉分子从溶胀后的淀粉颗粒中浸出的百分比[34]。淀粉样品的膨润能力和溶解度在三个温度条件(65、70和75 ℃)下测定(如图2a、图2b),都是随着温度的升高而增加。

图2 不同类型马铃薯淀粉的膨润能力和溶解度

随着氧化剂浓度的增加,氧化马铃薯淀粉的膨润能力相比于原料马铃薯淀粉呈显著下降的趋势。这一变化的原因可能是由于在氧化过程中随着氧化剂浓度的增加,马铃薯淀粉颗粒结构逐渐瓦解。Chong 等[11]和Lawal 等[35]将玉米淀粉分别在碱性和酸性条件下氧化处理,相比于原料,氧化后玉米淀粉的膨润能力显著下降,他们也认为膨润能力下降是由于氧化过程中淀粉颗粒内部结构的瓦解导致的。Wang[36]研究指出氧化玉米淀粉相比于原料玉米淀粉的膨润能力下降,他认为这一结果是由于支链淀粉在高温下水解导致淀粉颗粒产生高渗透性,于是在加热过程中吸水,但在随后的离心过程中又不能保持水分。与膨润能力的变化趋势相反,氧化马铃薯淀粉的溶解度随氧化剂浓度的升高呈显著升高的趋势。溶解度的增加主要是由于氧化过程中非结晶区域结构的弱化及直链淀粉溶出造成的。Tester认为,淀粉溶解是直链淀粉析出的结果,直链淀粉在淀粉颗粒吸水膨胀过程中解离和扩散,说明淀粉颗粒在水中加热时其结构从有序向无序状态过度[37]。Lawal[35]认为,氧化处理后淀粉溶解度增加是由淀粉颗粒非结晶区域的浸出造成的。这一结论与微观结构观察结果是一致的,氧化反应主要影响淀粉非结晶结构,使这一区域的直链淀粉分子浸出。

在相同温度下,湿热处理马铃薯淀粉的膨润能力及溶解度均随处理强度的增强(温度升高和压力增大)呈显著下降趋势,HMTPS-2表现出的膨润能力和溶解度最低。Tester和Olayinkaet提出,湿热处理使淀粉的膨润能力和溶解度降低归因于淀粉颗粒内部的分子重排,导致淀粉功能基团之间进一步的相互作用,形成更有序的支链淀粉双螺旋侧链集群[37-38]。Tester认为,淀粉溶解是直链淀粉浸出的结果,直链淀粉在淀粉颗粒吸水膨胀过程中解离和扩散[37]。湿热处理使淀粉的膨润能力降低主要归因于直链与直链淀粉分子间、直链与支链淀粉分子间和支链与支链淀粉分子间的相互作用,这些相互作用降低了可以与水分子相互作用的自由羟基的数量[39],同时也减少了直链淀粉的溶出。Lawal[35]认为在湿热处理过程中,随着淀粉分子链的重排和有序的支链淀粉双螺旋侧链集群的形成,使湿热处理的淀粉颗粒内部的稳固结构限制了淀粉的膨胀。由此可知,随着处理强度的增强,湿热处理马铃薯淀粉的溶解度和膨润能力呈显著降低趋势,是淀粉颗粒内部结构趋于更加稳定的结果,淀粉分子链相互作用更加紧密。

2.4 凝胶强度

淀粉凝胶穿刺实验结果如图3。原料马铃薯淀粉的凝胶穿透强度为4.51 N。0.2% OTPS的凝胶穿透强度相比于原料马铃薯淀粉显著升高(p<0.05),而2.0% OTPS的凝胶穿透强度则显著降低(p<0.05)。Dias等[26]用次氯酸钠氧化木薯淀粉得到了与本实验相似的结果。他们认为,低浓度氧化剂处理使凝胶强度增强是由于直链淀粉分子的裂解,因为中等分子质量的直链淀粉形成凝胶的能力更强;而高浓度的氧化剂处理使凝胶强度减弱,主要是由于氧化强度增大使淀粉多聚物发生解聚和分子重排。Jacobs和Delcour[40]研究报道,大部分的直链淀粉存在于淀粉颗粒的非结晶结构中,当淀粉颗粒在凝胶过程中被破坏时直链淀粉在非结晶结构中被释放出来。此二结论也可用来解释本实验的实验结果,即氧化主要作用于淀粉颗粒的非结晶结构,低浓度氧化剂处理使马铃薯淀粉颗粒非结晶区域的直链淀粉分子被释放出来,形成的凝胶强度更大,而高浓度氧化剂处理使整个淀粉颗粒结构发生了一定程度的变化,因此凝胶强度有所减弱。此外,Kong[41]提出,淀粉颗粒膨润能力的增加会使凝胶网络更加紧凑,从而增加凝胶的强度;而本实验中氧化淀粉的膨润能力随氧化剂浓度的增加显著(p<0.05)降低,可说明高浓度氧化剂处理的淀粉凝胶强度明显降低与膨润力的变化具有相关性。

图3 改性马铃薯淀粉的凝胶强度

湿热处理马铃薯淀粉中,HMTPS-1的凝胶强度相比于原料淀粉无显著变化(p>0.05),而HMTPS-2的凝胶强度则显著降低(p<0.05)。Elessandra等[6]利用湿热处理的马铃薯淀粉(水分含量:20%,110 ℃处理1 h)制备淀粉凝胶,其凝胶强度较原料马铃薯淀粉凝胶强度显著降低。扶雄等[42]将不同水分含量的玉米淀粉在120 ℃湿热处理12 h后,淀粉的凝胶性随水分含量增加显著降低。由2.3讨论可知,湿热处理使淀粉颗粒内部分子链相互作用更加紧密,不易吸水膨胀,因此淀粉颗粒在水溶液中需要更多的热量才能糊化形成凝胶,从而使凝胶性减弱,导致凝胶强度降低。HMTPS-2的处理温度和压力相对较高,所以其表现出的凝胶强度最低。

3 结论

通过对原料马铃薯淀粉的改性处理,使其功能特性发生了改变,并对其功能特性的变化机理进行了详细的讨论。氧化马铃薯淀粉的糊化温度和溶解度升高,而淀粉糊的粘度、衰减值、回生值和膨润能力降低,说明氧化处理使马铃薯淀粉的热糊和冷糊稳定性提高,其中0.2% OTPS的凝胶强度显著升高(p<0.05),HMTPS-1和HMTPS-2的粘度、衰减值、回生值、膨润能力、溶解度和凝胶强度均随处理强度的增强呈显著(p<0.05)降低趋势,说明湿热处理也使马铃薯淀粉的糊化稳定性提高。