干燥方法对山药粉性质的影响

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(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)食品科学与工程学院,生物基材料与绿色造纸国家重点实验室,山东济南 250353;2.诸城兴贸玉米开发有限公司,山东诸城 262200)

山药(薯蓣属薯蓣科)是非洲、亚洲、中南美洲重要的块茎作物,新鲜山药含有水分(70%～80%)、碳水化合物(22%～31%),蛋白质(1.1%～3.1%)和脂肪(0.16%～0.6%)[1]。山药是药食同源植物,含有粘蛋白、薯蓣皂苷、尿囊素、胆碱、植物甾醇、低聚糖和必需氨基酸等活性成分[2],可被作为中药用于治疗糖尿病、腹泻、哮喘、黄疸等疾病[3]。新鲜山药含水量较高,不易贮存,在贮存过程中容易发生腐烂、发霉现象,很多时候山药被制成粉作为原料使用。

山药制粉不仅解决了新鲜山药贮存难题,同时提高了山药的利用率。山药粉可以用于面制品、乳制品、方便食品[4-6],国内外学者发现通过自然晾干、硫熏干燥、热风干燥、冷冻干燥、微波干燥和太阳能干燥等不同方法制备的各种山药粉性质不同,山药粉尿囊素含量和总黄酮含量也存在显著性差异,太阳能干燥的山药粉比冷冻干燥的山药粉具有更高的糊化温度、峰值温度和终止温度[7-8]。由此可见干燥方法对山药粉的生物活性成分等影响显著。选择合适的干燥方法来制备山药粉是山药制粉过程必须要考虑的问题。前人研究更多的关注了山药活性成分在干燥过程中的变化,但是在加工应用过程中,山药全粉的理化性质如流变性等对加工影响至关重要。

由于山药粉的主要成分是淀粉,不同加工过程中山药淀粉呈现出的理化性质的差异对山药粉的性质影响较大。本研究以铁棍山药为原料,系统研究真空干燥、冷冻真空干燥和喷雾干燥三种干燥方法对山药生/熟粉的流变特性、黏度特性、消化性质等的影响及与淀粉相关性质的关系,并对其形成的规律进行研究,为山药粉的制备及在相关食品中应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

铁棍山药(产地山东菏泽) 济南十里铺市场,选取表面光滑无机械伤的山药,4 ℃冷库贮藏备用;猪胰α-淀粉酶(100 U/mg)、糖化酶(100000 U/mL) 上海源叶生物科技有限公司;其他化学试剂 为分析纯。

JMS-50D型分体式高速胶体磨 廊坊市廊通机械有限公司;B-209型小型喷雾干燥仪 瑞士步琦有限公司;DZF-6032型真空干燥箱 上海恒科仪器有限公司;LGJ-10型真空冷冻干燥机 北京松源华兴科技发展有限公司;YP2012型电子天平 上海光正医疗仪器有限公司;BSA224S-SW型电子天平 塞多利斯科学仪器有限公司;RE-2000A型旋转蒸发器 上海贤德实验仪器有限公司;Fei Quanta 200型扫描电子显微镜 美国FEI公司;GI20全自动体外模拟消化系统 澳大利亚NI公司;MCR-302型流变仪 奥地利安东帕有限公司;RVA-TecMaster快速粘度分析仪 瑞典波通仪器公司;DSC-214型差示扫描量热仪 德国NETZSCH集团。

1.2 实验方法

1.2.1 样品前处理 参照张子琪等[9]和狄建兵等[10]的方法,稍作修改。新鲜山药洗净、去皮,切成3～4 mm的薄片,置于护色液(2.0%柠檬酸+0.1%抗坏血酸水溶液)护色30 min,山药护色、洗净后不经熟化进行干燥处理制备山药生粉。山药护色后,沸水煮制30 min,将煮制后的溶液进行浓缩,和山药片一起进行干燥处理制备山药熟粉。

1.2.2 干燥方法

1.2.2.1 真空干燥 经前处理的山药片45 ℃、100 Pa真空度下进行干燥24 h,样品经研钵研磨并过80目筛得真空干燥山药生/熟粉。

1.2.2.2 喷雾干燥 经前处理的山药切片和水按照1∶4(重量比)的比例混合,经胶体磨均质处理,在进口温度170 ℃,出口温度80 ℃条件下进行喷雾干燥,样品过80目筛得喷雾干燥山药生/熟粉。

1.2.2.3 冷冻真空干燥 经前处理的山药片-18 ℃预冻12 h,真空度50～60 Pa,冷肼温度-40 ℃,时间为48 h的条件下进行冷冻干燥,样品经研钵研磨并过80目筛得冷冻真空干燥山药生/熟粉。

1.2.3 山药粉主要成分测定 参照GB 5009.4-2016测定灰分含量;参照GB 5009.6-2016测定脂肪含量;参照GB 5009.5-2016测定蛋白质含量;参照GB 5009.3-2016测定水分含量;参照王震宙的方法,采用蒽铜比色法测定多糖含量[11];总淀粉含量的测定参照赵娜等[12]的方法。

1.2.4 流变特性 参照Sodhi等[13]的方法,稍作修改。使用安东帕流变仪,采用动态振荡模式,圆筒转子,间隙为0 mm,应变和频率分别为1%和1 Hz。制备10%的山药粉溶液,取19 mL溶液加入到圆筒的刻度线位置,下降转子到一定位置,加硅油进行密封。以2 ℃/min 的速率从30 ℃加热到100 ℃,再以同样速率从100 ℃降到30 ℃,根据图谱分析储能模量(G′)和损耗模量(G″)的变化。稳态流变扫描:将10%的山药粉悬浊液95 ℃糊化20 min,热糊上样,冷却至25 ℃保持5 min,并在25 ℃下,剪切速率从0.1～100 s-1进行扫描,记录过程中样品表观黏度随着剪切速率的变化。

1.2.5 糊化特性 参照Kim等[14]方法,稍作修改。用快速粘度分析仪测定山药粉的糊化特性。将山药粉(2.5 g)转移到RVA铝罐中,加入25 mL蒸馏水。将样品在50 ℃保持1 min,以10 ℃/min的速度加热到95 ℃,在95 ℃保留2.5 min,然后以10 ℃/min的速度从95 ℃冷却到50 ℃并在50 ℃保持2 min,转速保持在160 rpm/min。粘度表示为快速粘度单位(cP)。记录糊化温度、峰值粘度、谷值粘度、最终粘度、崩解值和消减值等参数。

1.2.6 微观颗粒形态 参照Chen等[15]的方法,稍作修改。用扫描电子显微镜观察山药粉的形态特征。使用双面粘合导电胶带将山药粉固定在铝短棒上,涂覆金粉使样品导电,然后在放大倍数2000倍下,以20 kV的加速电压进行扫描,拍摄图像。

1.2.7 消化特性 采用Englyst等[16]的方法,稍作修改。测定山药粉中快消化淀粉(RDS),慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)的相对含量。取山药粉样品置于测试管中,添加35 mL醋酸钠缓冲液(pH5.2,0.2 mol/L),混匀后以2 min的间隔加入10 mL的猪胰α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL),置于在37 ℃恒温水浴下振荡,转速为150 r/min,用全自动体外模拟消化系统测定水解产物20和120 min的葡萄糖含量。RDS、SDS、RS的值由测定的G20、G120和总淀粉(TS)值计算。淀粉的值表示为葡萄糖mg×0.9。产物中快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)的百分比表示如下:

RDS(%)=G20×0.9/TS×100

SDS(%)=(G120-G20)×0.9/TS×100

RS(%)=[TS-(RDS+SDS)]/TS×100

式中:G20是20 min后释放的葡萄糖(mg/dL);G120是120 min后释放的葡萄糖(mg/dL);TS是每个测试样品的淀粉总重量(mg)。

1.3 数据处理

采用Excel 2010软件统计数据,所有数据为3次以上重复试验的平均值和标准误差;采用SPSS 18.0对数据进行差异显著性分析,数据处理间差异显著性检验采用Duncan法，并用Origin 8.0软件绘制作图。

2 结果与分析

2.1 主要成分分析

表1 山药粉主要成分分析(%)Table 1 Main composition analysis of yam flours(%)

图1 升温和降温过程中不同山药粉G′和G″的变化Fig.1 Changes of G′ and G″ of different yam flours during heating and cooling

不同干燥方法制备的山药粉主要成分分析如表1所示。经不同干燥方法制备的山药粉,其灰分含量、脂肪含量无显著差异(P>0.05)。不同山药粉的含水量存在一定的差异,除真空干燥生粉外,其他样品差异性不显著(P>0.05),其中喷雾干燥山药熟粉的含水量最高(6.49%)。喷雾干燥山药粉的多糖含量和蛋白质含量与其他样品相比存在显著性差异(P<0.05),其中喷雾干燥熟粉的多糖含量(11.86%)和蛋白质含量(7.80%)最低,这是因为喷雾干燥时干燥不充分,多糖物质吸湿黏度增加,粘附在干燥仓壁上造成多糖含量损失[17]。蛋白质-多糖之间的相互作用可能是造成蛋白质含量损失的原因,喷雾干燥过程中,部分与多糖共价相连的蛋白质随多糖一起粘附在器壁上,导致蛋白质含量减少[18]。山药粉的淀粉含量范围为66.21%～68.88%,其中真空干燥制备山药粉淀粉含量较高。喷雾干燥熟粉的总淀粉含量最低(66.21%),这是因为喷雾干燥时的高温导致淀粉水解成游离糖,导致总淀粉含量损失[19]。冷冻干燥山药粉的淀粉含量与之前的研究基本保持一致[12]。

2.2 山药粉流变特性

图1显示了不同山药粉的G′和G″随温度的变化情况。三种山药生粉的G′和G″在加热初期数值较小,上升缓慢,当温度到达83 ℃左右时,G′和G″迅速上升,山药粉经过熟化处理,真空干燥熟粉的G′和G″先缓慢后迅速上升,冷冻干燥熟粉的G′和G″迅速上升,G′和G″的迅速增加是由于随温度的增加,淀粉颗粒组分渗出与水分子的结合形成溶胶,另一方面膨胀的淀粉颗粒与溶出的直链淀粉形成致密的三维网络结构[20]。继续升温,真空干燥熟粉和冷冻真空干燥熟粉的G′分别在72.87和79.88 ℃出现峰值(1328.2和3110.8 Pa),对于G″,真空干燥熟粉在70.54 ℃达到峰值(261.15 Pa)而冷冻真空干燥的G″在65.89 ℃达到峰值(403.09 Pa)以后,呈现出先下降后上升的趋势,G″的下降是由于分子交联结构增多导致相对位移阻力减少,随后小分子支链淀粉溶出增多导致凝胶黏性增加,所以G″又上升[21]。与上述样品不同,喷雾干燥熟粉样品在开始升温时就具有较高的G′和G″,这是因为喷雾干燥熟粉样品颗粒较小,能够与水分快速结合,成糊性好。当冷却终止时,冷冻真空干燥熟粉的G′(2304.4 Pa)和G″(39.15Pa)最高,其凝胶刚性最强,黏弹性最好。

表2 不同方法干燥的山药粉的糊化特性Table 2 Pasting properties of yam flour by different drying methods

不同山药粉糊表观黏度随剪切速率的变化如图2所示。随剪切速率的增加,六种山药粉糊的表观黏度开始急剧下降,随后逐渐趋于平缓,表现出非牛顿流体的特性。山药粉糊中的淀粉分子链在静置状态下相互缠绕,妨碍淀粉分子的运动,当剪切速率增大时,淀粉分子链被拉直,因此出现剪切变稀现象[22]。在低剪切速率0.01～1 s-1范围内,三种山药熟粉糊的表观黏度低于山药生粉糊的表观黏度。山药熟粉糊的表观黏度较低是因为山药熟粉糊经历过两次糊化,制备过程蒸煮后,支链淀粉可能与水分子结合形成了更加坚固的结构,当山药熟粉二次糊化时,该结构阻止了水分子再次进入山药淀粉分子,因此导致山药熟粉糊的表观黏度低于山药生粉糊[23]。山药熟粉糊中,冷冻真空干燥熟粉糊的表观黏度高于喷雾干燥和真空干燥的山药熟粉糊,可能是因为冷冻真空干燥的山药熟粉,淀粉与蛋白质的结合程度较低,使其具有较高的胶黏性。高剪切速率1～100 s-1范围内,六种山药粉糊的表观黏度相当,在高剪切速率下,淀粉分子来不及取向,故表观黏度不再发生变化。

图2 不同山药粉糊的表观黏度随剪切速率的变化Fig.2 Changes of apparent viscosity of different yam flours with shear rate

2.3 糊化特性

不同方法干燥的山药粉的RVA黏度特性如表2所示。由表2可以看出,山药熟粉的黏度高于山药生粉,这可能是由于淀粉颗粒的大小和形状、支链淀粉的链度、结晶区域的大小和稳定性的差异造成的[8]。三种干燥山药熟粉中,冷冻真空干燥熟粉显示出最高的最终黏度和消减值,说明其在低温下更容易形成凝胶,成糊性最好,这与其流变特性保持一致。冷冻真空干燥熟粉较高的峰值黏度是由于其具有较大的淀粉颗粒及疏松的结构,水分能够快速进入到淀粉颗粒中[24],刘亚男[25]的研究与本结果相似。与冷冻真空干燥熟粉和喷雾干燥熟粉比，真空干燥熟粉谷值黏度较低的原因可能是由于淀粉颗粒间的联合力较差[8]。冷冻真空干燥熟粉的最终黏度较高是由于加热过程中从颗粒中渗出的直链淀粉分子在冷却过程中重新结合形成网络结构。三种干燥熟粉中,与冷冻真空干燥熟粉和喷雾干燥熟粉比，真空干燥熟粉的成糊温度较高的原因可能是由于糊化过程中蛋白质与淀粉的竞争性吸水,导致其溶胀能力变差[21]。

2.4 微观形貌特征

通过不同方法干燥的山药粉的扫描电子显微镜图像如图3所示。由图3可以看出,三种方法干燥的山药生粉的颗粒均呈卵形或椭圆形,表面光滑,无压痕或裂隙,颗粒尺寸为8～50 μm,该结果与高晓旭等[26]研究结果保持一致。其颗粒周围散布着由破损的细胞壁组成的薄片,其主要成分为细胞壁中纤维素等[27]。糊化后的山药熟粉,淀粉颗粒被破坏,山药粉成块状或不规则形状,表面粗糙,有褶皱。由于淀粉糊化后重新结合[15],真空干燥熟粉和冷冻真空干燥熟粉的粒径变大。冷冻真空干燥熟粉的结构比真空干燥熟粉的结构松散且多孔,这是因为干燥过程中山药细胞组织中的冰晶直接升华,形成多孔结构[28]。喷雾干燥熟粉的淀粉粒径变小,表面出现严重皱缩和凹陷,且小粒径淀粉出现聚集现象,这是由于喷雾干燥先均质后进行干燥,对淀粉颗粒粉碎变小造成的。

图3 不同干燥方法的山药粉扫描电镜图(2000×)Fig.3 Scanning electron micrograph of yam flour by different drying methods(2000×)注:图A为真空干燥生粉;B为真空干燥熟粉;C为冷冻真空干燥生粉;D为冷冻真空干燥熟粉;E为喷雾干燥生粉;F为喷雾干燥熟粉。

2.5 山药粉中淀粉的消化特性

受山药粉中蛋白质等成分的影响,山药粉中淀粉的消化性质和纯山药淀粉存在差异,山药粉中淀粉-蛋白质的相互作用会阻碍淀粉与酶的接触进而降低淀粉的消化率[29]。同时加工方法亦会对山药粉中各淀粉组分的含量造成影响(不同方法干燥山药粉的不同淀粉组分含量如图3所示)。在三种干燥方法干燥的山药生/熟粉中,山药熟粉的RDS含量明显高于山药生粉,因为山药熟粉的有序颗粒结构被破坏,促进了酶的物理可及性[30]。山药熟粉中,喷雾干燥熟粉的RDS含量最高,这与其颗粒较小有关[31]。对于SDS,与对应的山药生粉相比,真空干燥和冷冻真空干燥熟粉的SDS含量明显提高,而喷雾干燥熟粉的SDS含量减少,喷雾干燥熟粉SDS含量的减少与其RDS含量的大幅度增加有关。山药生粉的RS含量明显高于山药熟粉,这是因为山药生粉中淀粉颗粒完整,分子结构较为紧密,使淀粉酶较难进入淀粉内部,其有序的晶体结构限制了淀粉颗粒的溶胀,使酶难以吸附[32],真空干燥生粉的RS含量最高是因为在淀粉颗粒中,部分直链淀粉形成双螺旋结构,对淀粉酶水解具有较高的抗性[33],使淀粉水解较少。山药粉经糊化后,淀粉的水合作用增强,原有结晶结构被破坏,无定形区结构增强,因此山药熟粉的RS含量较少。三种山药熟粉中,真空干燥熟粉样品中RS含量最高,这与其粗糙的表面,较大的粒径和致密的结晶结构有关。喷雾干燥熟粉的RS含量最低,可能是因为其具有较大的表面积,另一方面,喷雾干燥的高压蒸汽为二次加热过程,使淀粉糊化更加完全,可消化淀粉提高。

图4 干燥方法对山药粉中淀粉组分的影响Fig.4 Different starch contents of yam flour prepared by different drying methods

3 结论

利用不同干燥方法制备了山药生/熟粉,通过比较其流变特性、糊化特性及消化性能的差异,结果表明与冷冻真空干燥生粉相比,冷冻真空干燥制备的山药熟粉能较好的保留山药粉的原有理化特性,具有较高的峰值黏度和最终黏度,同时其具有较高的粘弹性,适合做糊剂的配料。真空干燥山药熟粉具有比冷冻真空干燥熟山药粉较低的消减值,不易回生,更适合作为汤料的配料。对于喷雾干燥山药熟粉,由于其具有较小的颗粒及相对较差的糊化特性,更适合做即时性冲调制品。在实验过程中仅以铁棍山药为原料进行制粉,不同品种山药其淀粉性质存在差异,后续可以对不同品种山药淀粉的性质进行研究。通过不同干燥方法对比山药粉的品质,为山药粉的制备方法选取提供理论参考,不同方法各有利弊,具体实践应用仍需结合生产成本综合考虑,以适应不同的生产需求。