支链聚合度对菠萝蜜种子淀粉凝胶化特性的影响

张雨桐,张彦军,朱科学,徐 飞,李士泽,谭乐和,董文江

(1.中国热带农业科学院香料饮料研究所,海南万宁 571533;2.黑龙江八一农垦大学食品学院,黑龙江大庆 163319)

淀粉凝胶化在食品科学领域已得到广泛研究,因为淀粉质食品适中的糊化度是获得期望质量的必要条件。凝胶化影响淀粉质食品的功能特性,例如质构、黏度和货架期等[1]。淀粉在过量水中加热,半结晶颗粒经历从有序到无序的结构改变,这一过程被称为凝胶化[2]。大量文献报道,淀粉凝胶化受到支链淀粉分子结构(分子量和链长分布)、淀粉组成和结晶结构等影响[3-4]。然而,支链聚合度对淀粉凝胶化特性的影响尚未见报道。

菠萝蜜(ArtocarpusheterophyllusLam.)为桑科(Moraceae)热带地区典型的果树之一[5]。种植品种主要为马来西亚1～6号和11号等[6]。菠萝蜜由外皮、黄色果肉、鳞茎和种子组成,其中种子富含大量淀粉,占干物质的60%～80%[7]。在菠萝蜜加工过程中种子通常被作为副产物丢弃,这不仅造成环境污染,更导致淀粉资源浪费。随着传统淀粉供应压力的不断增加,菠萝蜜种子淀粉(jackfruit seed starch,JFSS)作为非传统来源的淀粉不断显示出巨大的潜力,其具有与其他来源淀粉相比不同的功能性质,主要包括高直链淀粉含量、高糊化温度、高凝胶化焓[8]和分支链长分布中高比例的A链((聚合度,degree of polymerization)DP 6～12)、低比例的B2链(DP 13～24)和B3链(DP≥37)以及较短的平均链长[7],因此JFSS可作为研究支链聚合度对淀粉凝胶化特性影响的优质材料。

本研究采用扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)、差式扫描量热仪(Differential scanning calorimetry,DSC)、快速黏度分析仪(Rapid viscoanalyser,RVA)和衰减全反射傅里叶变化红外光谱(Attenuated total reflectance-Fouriertransformed infrared,ATR-FTIR)探究不同支链聚合度对JFSS凝胶化特性的影响。分析不同支链聚合度与JFSS凝胶化特性之间的相关性,并基于不同支链聚合度,研究冻融稳定性、热特性、糊化特性和短程分子有序度之间的相关性,以期为进一步探究淀粉结构提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

菠萝蜜种子 海南兴隆本地品种(BD)；异国引进品种(马来西亚1号(M1)、马来西亚5号(M5)、马来西亚6号(M6)、马来西亚11号(M11)) 中国热带农业科学院香料饮料研究所提供;二甲基亚砜(色谱纯) 德国Meker公司;葡聚糖标准品T40 美国Sigma公司;硫代硫酸钠、盐酸、无水乙醇、甲醇 汕头西陇科学股份有限公司。

HPSEC-MALLS-RI型高效液相色谱 美国Waters公司;S-4800型扫描电子显微镜 日本Hitachi公司;Q2000型差式扫描量热仪 美国TA公司;TechMaster型快速黏度分析仪 澳大利亚Perten公司;Nicolet 6700型衰减全反射傅里叶变换近红外光谱 美国Thermo公司;LXJ-IIB型离心机 上海安亭科学仪器厂;Scientz-18ND型冷冻干燥机 宁波新芝生物科技股份有限公司;SHZ-C型水浴恒温振荡器 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;Blue pard型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;HH-SJ2CD型数显恒温磁力搅拌油浴锅 常州市金坛友谊仪器研究所;SY-100C型脱壳机 台州市鲨鱼食品机械有限公司;HX-PB908型多功能磨浆机 佛山市海迅电器有限公司;80型胶体磨 上海科劳机械厂。

1.2 实验方法

1.2.1 菠萝蜜种子淀粉的提取 种子置于50 ℃干燥箱,外壳略干、内种衣湿润时用脱壳机去壳。种仁加少量蒸馏水于磨浆机中粗粉碎后,按质量比1∶3与蒸馏水混合,置于胶体磨中细粉碎。过200目筛,三次大量水洗去除可溶性糖,5000×g离心10 min,沉淀与0.5 mol/L硫代硫酸钠按质量比1∶1混合搅拌36 h。再次离心,刮去沉淀物上层褐色皮,并多次水洗,用1.0 mol/L盐酸中和至pH7.0,离心,沉淀用质量分数大量50%无水乙醇洗涤三次。沉淀物冷冻干燥至水分含量小于13%,得到JFSS[9]。

1.2.2 直链淀粉和支链淀粉的分离 JFSS加蒸馏水配制成质量分数3%,100 ℃水浴摇床加热1 h,5000×g离心10 min,沉淀物保存备用,上清液加入1/2体积无水乙醇,静置12 h后,再次离心,沉淀为湿直链淀粉。

上述离心后保存的沉淀物加蒸馏水配制成质量分数3%,100 ℃水浴摇床加热1 h,5000×g离心10 min,所得沉淀加入甲醇配制成质量分数80%,涡旋5 min,离心,沉淀即为湿支链淀粉。所得湿直链淀粉和支链淀粉50 ℃冷冻干燥至水分含量小于13%,即得到直链淀粉和支链淀粉[7]。

1.2.3 支链聚合度的测定 使用高效尺寸排阻色谱-多角度激光光散射-示差折光联用技术测定支链淀粉的重均分子量(weight-average molar mass,Mw)和数均分子量(number-average molar mass,Mn)[7]。重均聚合度(weight-average degree of polymerization,DPw)、数均聚合度(number-average degree of polymerization,DPn)和分散度(dispersity,D)按下式计算。其中162 g/mol为无水葡萄糖分子量[10]。

1.2.4 凝胶化菠萝蜜种子淀粉的制备 将M1的直链淀粉和不同来源支链淀粉(M1、M5、M6、M11和BD)按质量比1∶1混合。5种样品加蒸馏水配制成水分含量60%,180 ℃油浴磁力搅拌器中完全凝胶化(10 min),冷冻干燥至水分含量小于13%,即为凝胶化JFSS(gelatinized JFSS,GJFSS)。5种GJFSS分别称为M1′、M5′、M6′、M11′和BD′。

1.2.5 扫描电子显微镜分析 取少量GJFSS样品用导电双面胶固定在圆形样品台上,并喷金粉(10 nm),然后使用20 kV的加速电压测定样品。样品放大倍数为5000[8]。

1.2.6 冻融稳定性测定 将GJFSS样品加蒸馏水配制成质量分数6%的溶液,100 ℃水浴摇床加热30 min,将糊状物装入称重后的离心管中密封。-18 ℃下冷冻24 h,30 ℃解冻6 h进行交替冷冻和解冻。然后5000×g离心10 min,沉淀物称重,此冻融循环重复5次。将每个循环后分离水的重量作为脱水收缩的程度[11]。

1.2.7 差式扫描量热仪分析 2 mg的GJFSS样品与4 μL蒸馏水按质量比1∶2混合,置于铝坩埚中密封,室温平衡24 h。以10 ℃/min的速率从10 ℃加热至100 ℃。测定起始温度(onset temperature,To)、峰值温度(peak temperature,Tp)和终止温度(conclusion temperature,Tc),通过对峰面积积分计算样品凝胶化焓(gelatinization enthalpy,ΔHg)[4]。

1.2.8 快速黏度分析仪分析 3 g的GJFSS样品加入铝筒,再加25 mL蒸馏水。前10 s浆速960 r/min分散样品,整个实验的剩余时间浆速保持在160 r/min。浆液50 ℃平衡1 min后,以6 ℃/min的速率加热至95 ℃,保持5 min,再以6 ℃/min的速率冷却至50 ℃,保持2 min。记录峰值黏度(peak viscosity,PV)、谷值黏度(trough viscosity,TV)、崩解值、最终黏度(final viscosity,FV)、回生值、糊化温度(pasting temperature,PT)和峰值时间[6]。

1.2.9 衰减全反射傅里叶变化红外光谱分析 取少量GJFSS样品,放置在ATR检测台上。分辨率4 cm-1,扫描次数64次,空气为背景。800～1200 cm-1区域自去卷积。半带宽26 cm-1,增强因子2.4,计算1047 cm-1/1022 cm-1吸光度高度比[12]。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析,统计学上p<0.05为显著,p<0.01为极显著。Origin 8.5软件进行绘图处理。

2 结果与分析

2.1 支链聚合度

5种支链淀粉DPw、DPn和D的结果见表1,其范围分别为189506～431481、120370～344444和1.144～1.574。5种支链淀粉的DPw和DPn存在显著差异(p<0.05)。M1支链淀粉的DPw和DPn最低,BD支链淀粉的DPw和DPn最高。菠萝蜜支链淀粉与前人报道大宗作物淀粉的DPw结果相比,蜡质大米淀粉的DPw较高(442154～928000)[13],小麦支链淀粉的DPw较低(4101～6463)[14]。同时,与DPn的研究结果对比,蜡质大米淀粉(47483)[15]和大麦支链淀粉(5726～8000)[16]的DPn较低。产生上述差异的原因可能是由于不同的淀粉来源、种植环境和淀粉组成等[4]。D表明分子大小差异范围，M1支链淀粉的D最高,M5支链淀粉的D最低,这表明M1分子大小差异最大,M5分子大小差异最小。

表1 5种JFSS样品的支链聚合度

2.2 颗粒形貌

5种GJFSS样品的微观结构如图1。5种GJFSS颗粒受到显著破坏,表面出现大量连续的孔洞。这是由于淀粉颗粒在水中加热时发生膨胀,氢键断裂导致颗粒结构崩塌[17]。Zhang等[8]报道天然JFSS颗粒呈圆形、三角形和椭圆形等,与天然JFSS相比,5种GJFSS样品的颗粒形貌发生明显改变,这是由于淀粉结晶区和无定形区的相互作用所导致[18]。

图1 5种GJFSS样品的形态(5000×)

5种不同支链聚合度GJFSS样品的微观结构存在明显差异。M1′到BD′样品逐渐显示出更多的多孔结构。M1′样品的支链聚合度最低,形成了相对致密的海绵状结构。随着支链聚合度增加,海绵状结构和孔洞逐渐增加,因此BD′样品的表面结构十分松散。上述结果表明,支链聚合度越小,颗粒孔洞越少,颗粒结构越致密;相反,支链聚合度越大,颗粒孔洞越多,颗粒结构越松散。因此,推测支链聚合度是影响GJFSS微观结构的重要因素。

2.3 冻融稳定性

脱水收缩是反复冻融时水与淀粉凝胶分离的一种现象,可用于评估淀粉的冻融稳定性。5种GJFSS样品5次冻融循环的结果见表2。5种GJFSS样品的脱水收缩分别为24.56%～47.03%(M1′)、22.37%～45.76%(M5′)、21.62%～44.39%(M6′)、20.29%～43.21%(M11′)和19.34%～41.50%(BD′)。以M1′为例,1到第5次循环脱水收缩从24.56%增加到47.03%。Katekhong等[19]报道,反复冻融循环能够促进相分离和冰晶生长产生海绵状质地,并且释放大量的水,脱水收缩取决于冻融循环的次数。在本研究中,1到5次循环的脱水收缩结果表明脱水收缩随着冻融循环增加,并在其它4种GJFSS中也观察到了相同的现象。

表2 5次冻融循环期间的脱水收缩

5种GJFSS样品5次脱水收缩分别为19.34%～24.56%(1次)、22.17%～28.63%(2次)、29.77%～34.56%(3次)、34.73%～40.22%(4次)和41.50%～47.03%(5次)。5种不同支链聚合度GJFSS样品的脱水收缩存在显著差异(p<0.05)。以第1次循环为例,M1′的脱水收缩最高(24.56%),BD′的脱水收缩最低(19.34%),其他4次循环也存在相同趋势。因此,随着支链聚合度降低,脱水收缩逐渐增加。Meng等[20]报道,高脱水收缩能够促进海绵状结构发展,但本研究却得到了不同的结果。Wu等[21]表明,淀粉老化期间脱水收缩导致淀粉链结合,形成淀粉的致密结构。可以猜测本研究中高脱水收缩阻止了海绵状结构发展,可能是由于5种GJFSS样品在干燥过程中发生了部分老化。因此,高脱水收缩形成了淀粉的致密结构,这也证实了在SEM中的假设。

已知具有最低支链聚合度的M1′显示出最高的脱水收缩,形成致密的结构。具有最高支链聚合度的BD′显示最低的脱水收缩,形成松散的结构。为了更好的解析支链聚合度对GJFSS凝胶化特性的影响,通过DSC、RVA和FTIR进一步分析GJFSS的凝胶化特性。

2.4 热力学性质

5种GJFSS样品的热力学性质见表3和图2,其To、Tp、Tc和ΔHg分别为52.15～56.08 ℃、60.22～63.03 ℃、69.53～72.01 ℃和1.05～3.17 J/g。5种不同支链聚合度GJFSS样品的热力学性质存在显著差异(p<0.05)。天然JFSS的To、Tp、Tc和ΔHg分别为72.61～84.88 ℃、76.25～87.97 ℃、88.47～96.56 ℃和7.88～16.57 J/g[6]。与天然JFSS相比,5种GJFSS样品的To、Tp、Tc和ΔHg较低,这可能是由于GJFSS在过量水中加热时晶体被破坏,形成了不规则和松散的结构。凝胶化大米淀粉的To、Tp、Tc和ΔHg分别为45.76、55.91、65.54 ℃和0.49J/g[12],GJFSS样品的To、Tp、Tc和ΔHg高于大米淀粉,差异是由于不同的淀粉来源和淀粉组成所导致[22]。

表3 不同支链聚合度的5种GJFSS样品的热力学性质

图2 不同支链聚合度的5种GJFSS样品的DSC热谱图

5种GJFSS样品的To、Tp和Tc随支链聚合度增加,但ΔHg则降低。具有最低To、Tp和Tc的M1′样品显示最高的ΔHg,BD′样品显示相反的趋势。Zhang等[6]报道,JFSS可在88.47～96.56 ℃之间发生凝胶化,因此本研究GJFSS的加热条件可以完全凝胶化,但仍然检测到凝胶化峰和ΔHg,这是由于GJFSS在干燥过程中发生了部分老化。此外,这与脱水收缩的结果一致,即高ΔHg和高脱水收缩相关并形成紧密的结构。Zhang等[6]表明,具有较低To、Tp和Tc的JFSS显示出较高的ΔHg,归因于JFSS形成更多支链微晶,但顺序较少,因此形式不完美。根据上述报道可知,M1′样品形成的结晶不完美,而BD′显示相反的结果。Zhang等[12]报道,老化焓增加表明形成了更多结晶,需要更多能量熔化它们,因此熔化M1′样品形成的支链淀粉微晶需要更多的能量。凝胶化温度范围(gelatinization temperature range,R)反映凝胶化过程中双螺旋数量和淀粉微晶不均匀性[8]。M1′样品的R最高(17.38 ℃),BD′样品的R最低(15.93 ℃)。所以,M1′样品具有最多的双螺旋结构但淀粉微晶不均匀,BD′样品结果相反。DSC结果与微观结构和脱水收缩的结果一致。

2.5 糊化特性

5种GJFSS样品的糊化特性总结在表4和图3,其峰值黏度(PV)、谷值黏度(TV)、崩解值、最终黏度(FV)、回生值和糊化温度(PT)分别为1717～2781、1347～1675、370～1106、2153～3180、806～1505 cP和52.10～55.20 ℃。天然JFSS的PV、TV、崩解值、FV、回生值和PT分别为2210～3940、2043～3097、167～1079、3055～4665、979～1878 cP和82.30～91.42 ℃[4]。与天然JFSS相比,GJFSS的PV、TV、FV、回生值和PT均低,这可能是由于GJFSS在过量水中加热时理化特性发生改变。已经报道大米和木薯淀粉的PV、TV、崩解值、FV、回生值和PT分别为147.58～209.17、123.83～157.08、23.75～65.75、182.67～273.50、58.83～122.42 cP、85.65～87.22 ℃[23]和577～890、329～456、249～490、416～580、-161～-400 cP、65.4～68.3 ℃[24]。本研究结果与大米淀粉和木薯淀粉明显不同,产生差异的原因可能是粒径、溶胀力、直链和支链淀粉比例以及支链结构所导致[6,25]。此外,M11′样品的峰值时间(5.73 min)显著(p<0.05)低于其他4种GJFSS样品(8.00、7.80、6.60和6.40 min)。

表4 不同支链聚合度的5种GJFSS样品的糊化特性

具有较高PV、TV、崩解值、FV和回生值的M1′样品显示较低的PT,BD′样品观察到相反的结果。糊化温度与DSC检测到的转变温度趋势一致。低PV归因于淀粉颗粒的低刚性[13],本研究结果表明BD′样品的刚性低于其他样品。TV和淀粉膨胀力显著相关[26],表明BD′样品的膨胀力低于其他样品。崩解值与淀粉在高温期间承受加热和剪切力的能力相关,并且较高的FV表示加热冷却淀粉糊的稳定性较高[8]。因此,M1′样品在高温和机械搅拌下会显示较低的稳定性,但加热冷却淀粉糊的稳定性高于其他样品。回生值与淀粉老化正相关,这取决于淀粉冷却过程中支链淀粉链的重新结合[13],因此M1′样品具有比其它样品更高的老化趋势。此外,与其他样品相比,BD′样品的糊化温度更高(表4)。本研究发现随着支链聚合度增加,5种GJFSS样品的PV、TV、崩解值、FV和回生值降低,但PT增加,这表明支链聚合度影响淀粉的糊化特性。RVA结果(图3)与DSC数据获得的结果一致。

图3 不同支链聚合度的5种GJFSS样品的糊化剖面图

2.6 短程分子序列结构

5种GJFSS样品的吸光度比(1047 cm-1/1022 cm-1)和FTIR光谱总结在表5和图4。5种GJFSS样品的吸光度比范围为0.32～0.37。5种不同支链聚合度GJFSS样品的吸光度比存在显著差异(p<0.05)。凝胶化大米淀粉的吸光度比(1047 cm-1/1022 cm-1)为0.32[12],GJFSS样品的吸光度比高于凝胶化大米淀粉的吸光度比。1047 cm-1/1022 cm-1的吸光度比可以探测淀粉短程分子有序度[27],因此GJFSS的有序淀粉量高于凝胶化大米淀粉。本研究中,M1′样品显示最高的吸光度比,其次是M5′、M6′和M11′,而BD′的吸光度比最低。吸光度比随支链聚合度的降低而增加,这与DSC和RVA的结果一致。

表5 不同支链淀粉聚合度的5种GJFSS样品吸光度比(1047cm-1/1022cm-1)

图4 不同支链聚合度的5种GJFSS样品的FTIR光谱图

2.7 相关性分析

使用Pearson双变量相关系数分析不同支链聚合度和GJFSS样品凝胶化特性之间的关系(表6)。DPw和To、PT显著正相关(r=0.96和0.95,p<0.05)。DPw和脱水收缩、ΔHg、PV、FV、回生值、吸光度比显著负相关(r=-0.92、-0.89、-0.93、-0.97、-0.94和-0.94,p<0.05)。上述结果表明不同支链聚合度与GJFSS样品凝胶化特性之间存在显著相关性。

表6 不同支链聚合度的5种GJFSS样品和理化特性之间的Pearson相关系数

5种不同支链聚合度GJFSS样品凝胶化特性间的相关性如表6所示。脱水收缩和To、PT极显著负相关(r=-0.99和-0.99,p<0.01),但和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值、吸光度比极显著正相关(r=0.99、0.99、0.97、0.97、0.97和0.99,p<0.01)。To和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值、吸光度比极显著负相关(r=-0.98、-0.99、-0.97、-0.98、-0.97和-0.99,p<0.01)。To和PT极显著正相关(r=0.99,p<0.01)。ΔHg和PV、崩解值、FV、回生值显著正相关(r=0.97、0.97、0.95和0.95,p<0.05)。PV和崩解值、FV、回生值极显著正相关(r=0.99、0.97和0.97,p<0.01)。崩解值和FV、回生值显著正相关(r=0.94和0.95,p<0.05)。FV和回生值极显著正相关(r=0.99,p<0.01)。PT和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值显著负相关(r=-0.99、-0.98、-0.95、-0.99和-0.98,p<0.05)。吸光度比和ΔHg、PV、崩解值、FV、回生值显著正相关(r=0.98、0.99、0.97、0.96和0.95,p<0.05),但和PT极显著负相关(r=-0.98,p<0.01)。基于不同支链聚合度,5种GJFSS样品显示出冻融稳定性、热力学性质、糊化特性和短程分子有序度之间的显著相关性。

3 结论

通过颗粒形貌、脱水收缩、热力学性质、糊化特性和吸光度比评估了5种不同支链聚合度GJFSS样品的凝胶化特性。结果表明,高支链聚合度与多孔、疏松的颗粒结构相关。降低支链聚合度可以导致脱水收缩增加。低支链聚合度具有高ΔHg、PV、TV、崩解值、FV和回生值,以及低To、Tp、Tc和PT。随着支链聚合度减小,短程分子有序度逐渐增加。Pearson相关分析表明,5种不同支链聚合度的GJFSS样品与其凝胶化特性之间存在显著相关性。基于不同支链聚合度的研究发现,凝胶化特性间也存在显著相关性。以上结果证实支链聚合度影响GJFSS凝胶化特性,本实验结果可为淀粉凝胶化特性提供新的研究方向和理论参考。