冻融循环对锥栗淀粉理化性质的影响

陈 丰1,庄玮婧,骆文灿3,黄春林1,刘冬瑜

(1.福建农业职业技术学院生物技术学院,福建福州 350302; 2.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002; 3.福建省食品药品认证审评中心,福建福州 350002)

锥栗(Castaneahenryi),壳斗科栗属植物,锥栗仁味甜可食,淀粉的含量可达60%～70%[1]。锥栗是浙南、闽北山区欠发达地区农业发展的主导产业,锥栗淀粉作为一种新型非粮淀粉资源,其开发应用前景广阔[2]。锥栗的最佳保鲜期只有4个月,保鲜技术及深加工产品单一,加工的季节性特点突出[3]。淀粉作为锥栗的主要成分,其稳定性影响着锥栗深加工产品的开发。

淀粉的冻融稳定性是影响淀粉基食品原料和冷冻食品品质的关键问题,也是制约着淀粉基食品深加工发展的难题[4]。淀粉基食品在贮藏中低温冷冻、解冻处理,运输、销售过程中温度的波动都会造成产品的水分流失、发硬、表皮开裂等劣变现象[5]。在冷冻保藏过程中,淀粉结构内大部分水分冻结形成冰晶,其余少部分未冻结水与淀粉分子形成高浓度淀粉基质。解冻过程中,冰晶融化成为水从淀粉结构中释放,产生相分离,即为宏观上可见的脱水缩合现象,反复冻融循环促进了相分离和冰晶的形成[6-7]。Tao[8]以3、7和10次冻融循环为手段,研究了冻融循环次数对小麦淀粉理化性质的影响,认为冻融循环加剧了小麦淀粉品质劣变;Wang等[9]发现反复冻融使荸荠淀粉回生率升高;严娟[10]研究了冻融次数、冻藏时间等因素对米淀粉特性的影响;Szymonska等[11]研究了超低温冻融处理(-268.95～-195.79 ℃)对马铃薯淀粉结构及理化性质的影响。目前,对于不同来源淀粉及淀粉凝胶冻融稳定性的报道较多,而冻融循环对锥栗淀粉理化性质影响的相关研究较少。

本研究将锥栗原淀粉在低温条件下冷冻一段时间再放置于室温融解(冷冻-20 ℃/22 h,解冻25 ℃/2 h),即冻融循环处理(Freeze-Thaw Cycles,FTC),模拟淀粉基食品的冷冻环境变化,探讨冻融循环对淀粉理化性质的影响,以期为锥栗的有效贮藏、锥栗淀粉改性和产品开发提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜锥栗(品种:油栗) 福建建瓯铭农农业合作社;连淀粉测试盒 南京建成生物工程研究所;α-淀粉酶 阿拉丁生化科技;溴化钾标准品(纯度99.9%) 上海麦克林生化公司;浓硫酸、盐酸、硼酸、氢氧化钠、硫酸钾、无水硫酸铜、无水乙酸钠、钨酸钠、铁氰化钾、硫酸锌、氯化钾、冰乙酸、无水乙醇、无水乙醚等 均为分析纯,国药集团。

AL104型精密分析天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;Master sizer 2000型激光粒度分析仪 英国Malvern公司;VERTEX70傅立叶中远红外光谱仪 德国布鲁克公司;Tech Master快速黏度仪(RVA) 澳大利亚Newport公司;MCR301流变仪 奥地利安东帕公司;EZ-TEST质构分析仪 日本岛津;BC/BD-319HBN海尔卧式冷藏冷冻转换柜 青岛海尔特种电冰柜有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 锥栗淀粉的制备 新鲜锥栗→剥壳、去衣→磨浆→过筛→反复水洗→干燥、备用

将新鲜锥栗剥壳去衣、洗净,锥栗仁与蒸馏水以1∶2 (W/V)比例混合,置于高速组织捣碎机中捣碎磨浆,用100目滤布过滤并反复洗涤滤渣,将淀粉完全洗出。混合滤液,再用200目滤布过滤,25 ℃恒温静置8 h,弃去上清液及褐色物质,下层沉淀再用蒸馏水反复清洗、沉淀3～5次,收集沉淀于40 ℃烘箱中烘干,即得锥栗淀粉[1]。

1.2.2 冻融淀粉的制备 取30 g上述制备的锥栗淀粉按1∶1 (W/V)比例分散到去离子水中,增力搅拌30 min后静置1 h。将混合液放置于-20 ℃冷柜中冻藏22 h,而后取出于25 ℃恒温下解冻2 h(以-20 ℃冻藏22 h,恒温解冻2 h作为一个循环),循环次数分别为0、3、7和10次。淀粉冻融后,于-20 ℃冷柜中放置7 d,再放置于25 ℃恒温完全解冻,并以2200 r/min转速离心20 min,取下层淀粉冻干后于干燥、25 ℃恒温下储存备用[8]。

1.2.3 锥栗原淀粉及冻融淀粉基本成分的测定 蛋白质,参照GB/T 22427.10-2008《淀粉及其衍生物氮含量测定》;脂肪,参照GB/T 5009.3-2016《食品中脂肪的测定》;直链淀粉,参照GB/T 15683-2008《大米 直链淀粉含量的测定》;破损淀粉,参照GB/T 9826-2008《小麦粉破损淀粉测定α-淀粉酶法》。

1.2.4 傅里叶变换红外光谱 分别取锥栗原淀粉及冻融淀粉适量,按1∶50 (w/w)比例加入KBr,充分研磨成细粉后,平铺于压片机平台上,制成圆形薄片。以KBr为空白对照,用红外光谱仪扫描32次,扫描范围为4000～400 cm-1,分辨率为4 cm-1[8]。

1.2.5 粒度分布的测定 分别称取适量锥栗原淀粉及冻融淀粉,以无水乙醇为分散剂,超声分散后置于粒度分布仪中测试[12]。

1.2.6 凝沉性的测定 分别称取1.00 g锥栗淀粉及冻融淀粉,制成50 mL 1%(W/V)的淀粉乳,加热糊化后分别装入量筒,于室温20～25 ℃下静置、沉淀,每隔一段时间观察并记录上清液的体积,以凝沉析水率随时间的变化表示凝沉性[13]。

1.2.7 淀粉糊化特性的测定 采用快速黏度测定仪(RVA)测定。准确配制8%(w/w,干基)淀粉乳溶液28 g,测定条件为:50 ℃下保持1 min后,以升温速度12 ℃/min加热至95 ℃,保持2.5 min。再以12 ℃/min降温至50 ℃,保持2 min。在起始10 s内搅拌器转动速率为960 r/min,而后保持在160 r/min。由此测得淀粉糊黏度曲线及其实验参数:峰值黏度、崩解值、回生值及成糊温度[14]。

1.2.8 剪切稀化的测定 将淀粉充分糊化后取少量放置于流变仪的测定平台上,选择锥形模具(CP50-2),设定相应的测定程序后,取少量淀粉糊于流变仪平板上,启动仪器,刮去多余样品,设置平板温度为25 ℃,剪切速率0～200 s-1测定表观黏度(η)随剪切速率(γ)的变化[14]。

1.2.9 频率扫描 选择锥形模具(CP50-2)后设定相应测定程序,取少量淀粉糊放置于流变仪平板,启动仪器,刮去多余样品,设置平板温度为25 ℃。以角频率为10 rad/s进行振幅扫描,确定样品的线性粘弹区并选择合适的应变(γ)进行频率扫描,测定储能模量(storage modulus,G′)和损耗模量(loss modulus,G″)与应力的关系[14]。

1.2.10 锥栗淀粉凝胶质构特性的测定 锥栗淀粉及冻融淀粉在RVA测试后,糊化获得淀粉凝胶,采用质构分析方法测定。测试探头:P/36R,测试前速度:1 mm/s,测试速度:2 mm/s,测试后速度:1 mm/s,触发力:5 g,两次压缩间隔时间:5 s[15]。

1.3 数据处理

数据采用DPS v17.10统计分析软件进行处理,采用Origin pro 8.5绘图。数据为3次测定的平均值。

2 结果与分析

2.1 冻融循环对锥栗淀粉基本成分的影响

冻融循环使锥栗淀粉颗粒内外的水分子反复形成冰晶,对锥栗淀粉基本成分的影响最直观,其变化见图1。如图所示,3次冻融淀粉的蛋白质、脂肪和直链淀粉含量分别由0.66%、0.60%和27.5%降低至0.29%、0.41%和26.1%,表明冻融淀粉中的蛋白质、脂肪和直链淀粉均有不同程度的溶出,且随着冻融次数的增加,脂肪和直链淀粉的含量减少更多。这是由于水分子在淀粉内外反复结晶,冰晶循环形成和融解产生了微机械力,扩大了淀粉结构内部通道,弱化淀粉分子的双螺旋结构,导致淀粉内部蛋白质和脂肪的损失,并伴随着无定形区直链淀粉的溶出。这与Tao等[8]和严娟等[10]的研究结果相似。破损淀粉的含量随着冻融次数的增加而明显升高,这表明冻融循环破坏了淀粉的颗粒结构。

图1 锥栗原淀粉和冻融淀粉的基本成分Fig.1 Chemical components of native and FTC starches

2.2 冻融循环对锥栗淀粉晶体结构的影响

淀粉颗粒由许多直链淀粉和支链淀粉两种成分组成,存在结晶区和无定形区。淀粉在1045 cm-1和1022 cm-1有独特的吸收峰,分别表示淀粉的结晶区和无定形区,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)进行分析,并用A1045/1022比值表示淀粉的结晶程度[16]。由表1可知,与锥栗原淀粉相比,冻融淀粉的A1045/1022值降低,这表明冻融淀粉的结晶区受到破坏。这与严娟[10]对于米淀粉冻融循环的研究一致。冻融循环使淀粉内外水分反复结晶造成了机械损伤,Tran等[17]在米淀粉的研究中认为机械损伤使淀粉分子降解、颗粒破损,淀粉结晶区比重下降。由表可知10次冻融淀粉A1045/1022值不再继续降低反而回升。据Tao[8]的研究报道,冻融循环使小麦淀粉的相对结晶度增加,并推测冻融淀粉结晶度的变化与其基本成分的损失有关。Singh等[18]的研究认为脱蛋白增加了小麦淀粉和玉米淀粉的相对结晶度。由此本研究认为,10次冻融淀粉的结合蛋白流失到一定程度,加之无定形区直链淀粉溶出更多,使得支链淀粉侧链双螺旋结构重新排列[19],淀粉内部结晶区比重上升。

图2 锥栗原淀粉和冻融淀粉红外光谱图Fig.2 FTIR spectra of native and FTC starches

样品原淀粉3次冻融淀粉7次冻融淀粉10次冻融淀粉A1045/10222.2d1.40a1.26b1.62c

注:小写字母不同表示差异显著(P<0.05);表2～表3同。

2.3 冻融循环对锥栗淀粉粒度分布的影响

锥栗原淀粉的粒径分布主要集中在2～42 μm,3次、7次、10次冻融淀粉粒径分布分别在2～25、2～23、2～29 μm。相较于原淀粉,冻融淀粉的粒径先缩小后略升高。Tao等[8]采用扫描电镜观察小麦冻融淀粉,发现其表面分布凹洞,淀粉颗粒受到不同程度的机械损伤,颗粒塌陷崩解,导致粒径缩小。本研究结果也验证了这一现象。而10次冻融淀粉的粒径较之3次、7次冻融淀粉反而增大,验证了前述傅里叶变换红外光谱分析得到的10次冻融淀粉结晶区比重升高,支链淀粉结构发生重排的结果。

图3 锥栗原淀粉和冻融淀粉的粒度分布Fig.3 Diameter distribution of native and FTC starches particles

2.4 冻融循环对锥栗淀粉凝沉特性的影响

淀粉凝沉是淀粉糊化后分子从无序排列成有序,直链淀粉分子间氢键结合成不溶性微晶束状结构,淀粉分子内的结合水被释放,淀粉分子凝集沉降,形成分层现象。随着时间的延长,淀粉沉淀物集聚成紧密状态,上清液体积逐渐增加[20]。影响淀粉凝沉的因素有淀粉中直链与支链淀粉的比例、脂类类别及溶液的浓度、温度等[21]。如图4所示,在70 h之内锥栗原淀粉和冻融淀粉均完成凝沉,锥栗原淀粉达到最大析水率为66%,3次、7次、10次冻融淀粉最大析水率分别为60%、56%、58%,可知冻融淀粉糊的析水率先降低后略有升高。张燕鹏等[22]研究认为冻融循环使直链淀粉溶出,支链淀粉中分支结构增加了淀粉糊凝沉析水的难度,分子持水能力增强。结合前述傅里叶变换红外光谱分析得知10次冻融淀粉中支链淀粉结构发生重排的结果,淀粉链的重新凝聚导致部分结合水释放[23],使10次冻融淀粉糊的析水率略有上升但不高于原淀粉。

表2 锥栗原淀粉和冻融淀粉的糊化特性Table 2 Pasting properties of native and FTC starches

图4 锥栗原淀粉和冻融淀粉的凝沉性Fig.4 Retrogradation curves of native and FTC starches

2.5 冻融循环对锥栗淀粉糊化特性的影响

淀粉糊化是淀粉颗粒吸水膨胀、分子扩散、淀粉黏度增加的过程,淀粉的回生则是淀粉分子间缔合、淀粉糊转变成淀粉凝胶的过程,这个过程用淀粉黏度曲线来描述。淀粉的黏度特性是淀粉糊最重要的性质,在应用中对产品的增稠、稳定起到关键作用。淀粉因直链淀粉、脂肪、蛋白质溶出行为、膨胀淀粉颗粒之间的摩擦力以及支链淀粉的链长等因素的变化,其黏度性质也会有所不同[24-25]。

由图5、表2可知,与锥栗原淀粉相比,冻融淀粉的成糊温度降低,峰值黏度升高,表明冻融淀粉颗粒更易于溶胀,且膨胀度高。Singh等[18]研究认为淀粉中蛋白质的脱除,增加了淀粉水合量,淀粉内部分子间氢键破裂,晶体结构被破坏,淀粉颗粒吸水膨胀,使淀粉糊化黏度显著升高。Tao等[8]研究表明冻融循环处理产生冰晶造成的机械损伤使更多的直链淀粉溶出,更易于淀粉吸水膨胀,淀粉糊黏度增大。回生值表示淀粉糊短期老化的程度。由表2可知,冻融淀粉回生值升高,表示冻融循环处理使锥栗淀粉更易老化。

图5 锥栗原淀粉和冻融淀粉的糊化曲线Fig.5 Pasting curves of native and FTC starches

2.6 冻融循环对锥栗淀粉流变特性的影响

2.6.1 剪切稀化特性 剪切稀化是假塑性流体的特性,表现为黏度随着剪切速率的增加而下降,通常认为这是分子取向或解缠结的结果[26]。由图6可知,随着剪切速率的增大,锥栗原淀粉与冻融淀粉的剪切黏度降低,呈现剪切变稀特性,因此它们均属于非牛顿流体中假塑性流体。随着冻融次数的增加,锥栗冻融淀粉的黏度也随之升高,此结果与RVA试验结果一致,更进一步证明了冻融循环提高了锥栗淀粉的溶胀性和膨胀度,有效的提升了锥栗淀粉的黏度。

图6 锥栗原淀粉和冻融淀粉糊随剪切速率变化的黏度曲线Fig.6 Viscosity curves of native and FTC starches

表3 锥栗原淀粉和冻融淀粉的TPA特征值Table 3 Texture characteristics of native and FTC starches

2.6.2 动态频率扫描 淀粉糊的黏弹性可以用动态频率扫描的储能模量(G′)和损耗模量(G″)表示[27]。由图7可知,锥栗淀粉糊的储能模量均高于损耗模量,表明锥栗淀粉糊凝胶呈现固体特征。3次、7次冻融淀粉的储能模量均低于原淀粉,说明冻融循环破坏了淀粉结构的稳定性,而10次冻融淀粉的储能模量与原淀粉基本一致,且随着剪切应力的增加,储能模量略高于原淀粉,表明10次冻融淀粉形成了比原淀粉更稳定的体系[28],这可能与上述FTIR试验得知的10次冻融淀粉的支链淀粉侧链双螺旋结构重新排列有关。

图7 锥栗原淀粉和冻融淀粉糊的储能模量和损耗模量Fig.7 Storage and loss modulus of native and FTC starches

2.7 冻融循环对锥栗淀粉质构的影响

淀粉凝胶的硬度与直链淀粉含量呈正相关,直链淀粉含量越高,更易于发生重结晶[5]。由表3可知,锥栗冻融淀粉凝胶的硬度降低,弹性略有增加,黏着性升高。Wang等[29]研究了冻融对糊化银杏、菱角、土豆和大米淀粉的影响,认为硬度降低与冻融循环造成的机械损伤导致直链淀粉溶出有关,直链淀粉越低,淀粉凝胶硬度则降低。淀粉凝胶的黏弹性与聚合度12～17的中等长度支链淀粉含量成正相关,支链淀粉含量及其链长分布是冻融循环处理中影响质构的重要因素。

3 结论

锥栗冻融淀粉颗粒内外水分子反复形成冰晶,产生的机械损伤使蛋白质、脂肪和直链淀粉含量降低,破损淀粉的含量升高。与锥栗原淀粉相比,冻融淀粉的结晶区被破坏,粒径分布范围缩小,当冻融次数增加到10次,冻融淀粉中支链淀粉重新排列,结晶区比重相比较于3次、7次冻融淀粉反而有所升高,粒径分布范围略有增大。在70 h之内锥栗原淀粉和冻融淀粉均完成凝沉,由于直链淀粉的损失,支链淀粉中分支结构增强了分子持水能力,冻融淀粉糊的析水率降低。RVA结果显示冻融淀粉的成糊温度降低,峰值黏度升高,表明锥栗冻融淀粉更易于溶胀,且膨胀度高。而冻融淀粉的回生值升高,意味着锥栗冻融淀粉更易老化。流变仪分析结果显示,锥栗原淀粉与冻融淀粉呈现剪切变稀的特性,均属于非牛顿流体中假塑性流体,冻融淀粉的黏度升高,进一步证明了冻融循环提高了锥栗淀粉的溶胀性和膨胀度。锥栗淀粉凝胶呈现出固体特征。3次冻融淀粉和7次冻融淀粉的储能模量均低于原淀粉,而10次冻融淀粉的储能模量与原淀粉基本一致,且随着剪切应力的增加,储能模量略高于原淀粉,表明10次冻融淀粉形成了比原淀粉更稳定的体系。TPA研究结果显示,由冻融循环造成的机械损伤使冻融淀粉凝胶的硬度降低,弹性和黏着性升高。

探讨冻融循环对锥栗淀粉理化性质的影响,将为锥栗淀粉基食品冻融机理提供理论参考,冻融循环处理简单易行,安全高效,作为淀粉物理改性方法具有广泛的应用前景[30]。后续研究将进一步深入分析冻融循环对淀粉分子结构的影响。