湿热改性扁豆淀粉对其结构及理化性质的影响

冯田田,刘宁*,王思颖,温沐潮,赵凯

(1.哈尔滨商业大学 食品工程学院,哈尔滨 150028;2.上海壹佰米网络科技有限公司,上海 200100;3.威海紫光科技园有限公司,山东 威海 264207)

扁豆属豆科,是多年生缠绕藤本植物,原产于印度,现分布在热带、亚热带地区,在我国南北均有种植[1]。扁豆比普通叶类蔬菜更具营养价值,是药食两用佳品,具有健脾化湿、化湿消暑、治疗水肿和细菌性痢疾等功效。扁豆中含有约69%的碳水化合物,其中大部分以淀粉的形式存在[2]。扁豆淀粉呈颗粒状,呈椭圆形到小圆形,平均粒径为21.57 μm,表面光滑、无裂隙[3]。淀粉由直链淀粉与支链淀粉组成,二者的比例影响着淀粉的结构及功能特性。扁豆淀粉中直链淀粉含量占比为29%～45.5%[4],直链淀粉组成淀粉分子中的无定形区域,支链淀粉形成的双螺旋结构参与了淀粉颗粒中微晶的形成,其结晶度较玉米、马铃薯淀粉小,在受热过程中于62 ℃时开始糊化[5]。湿热(HMT)改性通常指的是淀粉在水分含量10%～35%、80～140 ℃条件下处理15 min～6 h,湿热处理可改变淀粉颗粒表面特征和大小、结晶结构和螺旋结构以及分子组成[6]。湿热过程中淀粉链的相互作用增强,导致晶体结构断裂并分离出双螺旋结构,随后破碎的晶体重新排列,由于这种接近淀粉颗粒表面的破裂,其内部易受到α-淀粉酶的作用,这种处理可提升淀粉的机械性能和热稳定性,但不会显著改变淀粉的颗粒形态[7-9]。

1 实验部分

1.1 实验材料、试剂与仪器

1.1.1 主要实验仪器

DHG-9035A 电热恒温鼓风干燥箱、V-1000可见分光光度计、HH.S11-2-S电热恒温水浴锅、ESJ50-5分析天平、SHZ-B水浴恒温振荡器、标准检验筛等。

1.1.2 实验试剂及材料

扁豆淀粉:白银市香百鲜调味食品有限公司;无水乙醇、丙酮等。

1.2 实验方法

1.2.1 湿热改性扁豆淀粉

采用国标GB 5009.3—2016中的方法测定扁豆淀粉的含水量。准确称取5 g扁豆淀粉,计算其所需含水量,并通过喷洒的方式加入蒸馏水。将样品密封以平衡水分24 h以上,然后将样品完全密封,置于一定温度烘箱中,反应一定时间后,冷却至室温,研磨,过100目筛,封装置于干燥器中保存备用。

1.2.2 抗性淀粉(RS)含量的测定

采用AOAC法[10],准确称取1 g淀粉(干基)悬浮在0.05 mol/L 40 mL的MES-Tris缓冲液中,首先加入500 Uα-淀粉酶沸水浴30 min,其次加入200 U碱性蛋白酶于60 ℃恒温水浴锅中振荡30 min,调节pH至4.4～4.6,最后加入300 U糖化酶,于60 ℃恒温水浴振荡30 min。使用已称重的质量为m1的干燥砂芯坩埚过滤掉缓冲液,所得沉淀物首先用15 mL 78%乙醇溶液冲洗2次,其次用15 mL无水乙醇冲洗2次,最后用15 mL丙酮冲洗1次,冲洗后的砂芯坩埚于100 ℃烘箱中烘干,冷却至室温后称重,质量记为m2,由公式(1)计算其抗性淀粉含量。

(1)

1.2.3 透光率

准确称取湿热改性扁豆淀粉(干基)1 g,加蒸馏水配制50 mL 1%(质量分数)的淀粉乳,置于沸水浴中搅拌15 min,室温自然冷却,于620 nm处测定其透光率[11]。

1.2.4 膨胀力和溶解度

准确称取湿热改性扁豆淀粉(干基)1 g,配制成 100 mL 1%的淀粉乳,85 ℃水浴加热30 min,而后转移至离心管中,4 800 r/min离心30 min。将离心后的上清液倒入已干燥的器皿中,烘干至恒重,剩余固体物质即为水溶淀粉;管中沉淀物即为膨胀淀粉,由公式(2)、公式(3)计算溶解度与膨胀力[12]。

(2)

(3)

1.2.5 凝沉和抗老化性

准确称取湿热改性扁豆淀粉1 g,配制成质量分数为1%的淀粉乳,沸水浴中不断搅拌直至呈凝胶化,冷却后于650 nm处测定其透光率,静置24 h后再次测定[13]。

1.2.6 冻融稳定性

准确称取湿热改性淀粉4 g,配制成质量分数为8%的淀粉乳,高温加热并搅拌30 min至糊化,然后将其置于40 ℃恒温水浴锅中冷却。准确称量30 g糊化淀粉于质量为m0的离心管中,糊化淀粉与离心管的总质量记为m1。而后于-20 ℃以下的冰箱中冷冻48 h以上,取出后自然解冻4 h,重复3次。完成后离心管配平,3 000 r/min离心20 min,弃去上清液,称量此时糊化淀粉及离心管质量,记为m2,由公式(4)计算淀粉冻融析水率(Ws)[14]。

(4)

1.2.7 吸水率和吸油率

准确称取湿热改性扁豆淀粉(干基)2 g与40 mL蒸馏水于离心管中混合,均匀搅拌30 min,3 600 r/min离心5 min,弃除上清液,称量沉淀物的质量[15],由公式(5)计算淀粉吸水率。

(5)

准确称取湿热改性扁豆淀粉(干基)2 g与40 mL食用油混合,室温下均匀搅拌30 min,搅拌均匀后转移至离心管中,3 600 r/min离心10 min,倒去上清液,称取剩余物质质量,由公式(6)计算淀粉吸油率。

(6)

1.2.8 糊化特性

利用RVA测定样品的糊化特性。准确称取3 g淀粉与25 g蒸馏水混合,在STDI模式下进行测定[16]。

1.2.9 傅里叶变换红外光谱

取样品约5 mg,置于傅里叶变换红外光谱仪中,波长为4 000～400 cm-1,分辨率为4 cm-1[17]。

1.2.10 SEM

将导电胶粘于扫描电子显微镜的载物台上,粘取少量样品,放入离子溅射镀金仪中真空喷金20 min后观察,加速电压为 20 kV[18]。

1.2.11 XRD

取0.5 g淀粉样品置于模具内,用玻璃片压平。对淀粉样品用X-射线衍射仪测试,扫描范围为5°～90°,扫描速度为5°/min[19]。

1.3 湿热改性扁豆淀粉的单因素实验

1.3.1 水分含量

准确称取5份10 g扁豆淀粉于容器中,以喷洒的方式用蒸馏水调节其水分含量分别为10%、15%、20%、25%、30%。室温下平衡水分24 h,而后将样品置于110 ℃烘箱中高温处理3 h,反应结束后将样品冷却至室温。再次放到烘箱中40 ℃风干,研磨,过100目筛。将处理后样品放入密封袋存放在干燥器中。

1.3.2 反应时间

准确称取5份10 g扁豆淀粉于容器中,调节其水分含量为20%,室温下平衡水分24 h。而后将样品置于110 ℃烘箱中,反应时间分别为1,2,3,4,5 h。反应结束后将样品迅速冷却至室温,烘干,研磨过筛。将处理后样品放入密封袋存放在干燥器中。

1.3.3 反应温度

准确称取5份10 g扁豆淀粉于容器中,调节其水分含量为20%,室温下平衡水分24 h。而后样品分别在90,100,110,120,130 ℃高温下反应3 h。反应结束后将样品冷却至室温,烘干,研磨过筛。将处理后样品放入密封袋存放在干燥器中。

1.3.4 响应面设计方案

在单因素实验的基础上,对水分含量、反应时间和反应温度3个因素进行响应面分析。通过响应面法和响应面图的实验设计,优化了湿热改性扁豆淀粉的工艺。实验因素水平设计及编码见表1。

表1 因素水平设计及编码

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 淀粉水分含量对湿热改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影响

为了确保实验中水分含量为最佳水平,分别配制不同水分含量的扁豆淀粉在相同反应时间3 h、相同反应温度110 ℃的状态下进行单因素实验。采用AOAC法测定湿热改性扁豆淀粉中的抗性淀粉含量。水分含量分别为10%、15%、20%、25%、30%时相应的抗性淀粉含量见图1。

图1 淀粉水分含量对湿热改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影响

由图1可知,抗性淀粉含量随着淀粉水分含量的持续升高呈现先增大后减小的趋势,当水分含量为20%时,湿热改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量达到最大值,为11.3%。当淀粉水分含量小于20%时,抗性淀粉含量随着水分的增加而增加,这是因为在高温状态下淀粉分子结构被破坏,分子间的氢键作用力减小,双螺旋结构被打开;随着水分含量的增加,淀粉陆续开始糊化,直链淀粉溶出,支链淀粉被溶解,从而使得抗性淀粉的含量降低[20]。由此选择15%、20%、25%的水分含量作为响应面水平。

2.1.2 反应时间对湿热改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影响

反应时间为1,2,3,4,5 h时相对应的抗性淀粉含量见图2。

图2 反应时间对湿热改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影响

由图2可知,当反应时间不断增加时,抗性淀粉含量先升高后降低,于3 h时达到最高值15.4%。当反应时间低于3 h时,抗性淀粉含量随时间的增加而升高,造成这一现象的原因可能是短时间内淀粉未完全反应。当湿热反应时间高于3 h后,抗性淀粉含量随时间的增加而降低,由此可见反应时间不宜过长,否则容易造成淀粉聚合度变小,而不易形成抗性淀粉[21]。由此选择2,3,4 h的反应时间作为响应面水平。

2.1.3 反应温度对湿热改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影响

反应温度分别为90,100,110,120,130 ℃时相对应的抗性淀粉含量见图3。

图3 反应温度对湿热改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影响

由图3可知,随着反应温度的升高,湿热改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量先升后降,于110 ℃时达到最大值15.5%。当温度低于110 ℃时,抗性淀粉含量随着温度的升高而升高。温度超过110 ℃后,抗性淀粉含量随着温度的升高而降低。这可能是由于温度升高,淀粉中水分子运动程度增加,更多氢键断开,分子结构被破坏,双螺旋结构打开,支链淀粉分解导致淀粉短链增加[22]。由此选择100,110,120 ℃的反应温度作为响应面水平。

2.2 响应面结果与分析

采用Box-Behnken对湿热改性扁豆淀粉的实验方案进行优化,选择水分含量、反应时间、反应温度3个因素作为主要影响因素做显著水平表,实验结果见表2。

表2 响应面实验方案设计和结果

将表3所得的所有实验数据采用Design-Expert V8.0.6统计软件进行响应面分析,得到回归模型的方差分析表,见表3。

由表3可知,对所得数据进行分析,模型的P<0.000 1,表明该回归模型极显著;模型的失拟项P=0.652(>0.05),不显著。模型的R2=0.975 7,RAdj2=0.944 4,说明此模型的实际测量结果与预测的结果拟合较好,误差小。由F值可知,3个因素对抗性淀粉含量的影响顺序为C(反应温度)>A(水分含量)>B(反应时间)。利用Design-Expert V8.0.6软件对17组实验方案的实验数据进行多重二次拟合,得到水分含量(A)、反应温度(B)、反应时间(C)3个因素对抗性淀粉含量(Y)的回归模型:Y=+15.68-0.16A-0.063B+0.22C-0.050AB-0.57AC+0.025BC-2.02A2-0.26B2-0.69C2。由上述回归方程得出响应面分析图和相应的等高线,见图4～图6。

由图4～图6可知,图5中的响应曲面较陡,说明反应温度与水分含量的交互作用对抗性淀粉含量的影响较大,图4和图6中的响应曲面较平缓,说明水分含量与反应时间以及反应时间和反应温度的交互作用对抗性淀粉含量的影响相对较弱。分析数据得湿热改性扁豆淀粉的最佳工艺为水分含量22.29%、反应时间2.84 h、反应温度109.7 ℃,此时抗性淀粉含量的理论最大值为15.19%。为便于实际操作,将湿热改性扁豆淀粉工艺修正为水分含量22%、反应时间3 h、反应温度110 ℃,进行3次平行验证实验,得到抗性淀粉含量平均值为15.30%,该值和模型的预测值基本相符,说明运用响应面法优化湿热扁豆淀粉的工艺具有可行性。

图5 水分含量和反应温度的交互作用对抗性淀粉含量影响的响应面图和等高线图

图6 反应时间和反应温度的交互作用对抗性淀粉含量影响的响应面图和等高线图

2.3 湿热改性扁豆淀粉的性能测定

2.3.1 透光率分析

根据1.2.3中方法测得样品的透光率,见表4。

表4 透光率性能测定

由表4可知,扁豆淀粉经湿热改性后透光率有所下降。淀粉的透光度受淀粉与水分子结合能力的影响,经过高温加热处理后的淀粉糊在冷却过程中淀粉分子中直链淀粉重新结合,易形成结晶,使光的折射和反射强度减弱[23]。

2.3.2 膨胀力和溶解度分析

根据1.2.4中方法测得样品的膨胀力与溶解度,见表5。

表5 膨胀力与溶解度性能测定

由表5可知,扁豆淀粉经湿热改性后溶解度有一定程度的提高,膨胀力略有下降,与乔昂等[24]的结论相同。湿热处理使扁豆淀粉的结晶度增加,直链淀粉与支链淀粉间的分子作用力增加,分子内键强度增加,淀粉结构强度增强,从而抑制了淀粉膨胀。淀粉颗粒内部空隙扩大,水分子易进入淀粉分子的无定形区域,从而提高淀粉的溶解度[25]。

2.3.3 凝沉和抗老化性分析

根据1.2.5中方法测得样品的凝沉和抗老化性,见表6。

表6 凝沉和抗老化性性能测定

扁豆原淀粉与湿热改性扁豆淀粉的透光率差值越大,表示凝沉性越强;差值越小,表示抗老化能力越强。由表6可知,湿热改性后扁豆淀粉的抗老化性增强[26]。

2.3.4 冻融稳定性分析

根据1.2.6中方法测得样品的冻融稳定性,见表7。

表7 冻融稳定性性能测定

冻融稳定性与析水率呈负相关,析水率越小,冻融稳定性越好。淀粉具有凝沉作用,经糊化后再反复循环低温冷冻-解冻操作后淀粉分子间或出现重结晶现象,析出游离水[27]。由表7可知,改性后析水率下降,冻融稳定性增强。

2.3.5 吸水率和吸油率分析

根据1.2.7中方法测得样品的吸水率和吸油率,见表8。

表8 吸水率与吸油率性能测定

由表8可知,扁豆淀粉经湿热改性后吸水率升高,吸油率明显下降。有研究表明,淀粉经热处理后,其内所含直链淀粉含量显著上升,直链淀粉的结构呈螺旋空腔形,这种特殊的构造使淀粉易包裹脂质分子,从而络合成淀粉-脂质复合物,进而干扰油脂的渗入,故此淀粉经湿热处理后吸油率下降[28-30]。

2.3.6 糊化特性分析

根据1.2.8中方法测定样品的糊化特性,见表9。

表9 糊化特性性能测定

由表9可知,湿热处理后扁豆淀粉的糊化温度升高,峰值黏度、谷值黏度、终值黏度均下降。淀粉内分子键作用力增强,结晶度升高,致使湿热淀粉糊化温度升高。有研究表明,淀粉的膨胀力与黏度呈正相关,膨胀力有所下降,黏度也相应下降。同时,直链淀粉含量升高,致使湿热改性淀粉的黏度下降[31]。

2.3.7 短程有序结构分析

利用FT-IR技术分析了湿热处理对扁豆淀粉短程有序性的影响。由图7可知,天然扁豆淀粉与湿热改性扁豆淀粉相对比,未出现峰的消失和新峰的形成,说明湿热改性扁豆淀粉中没有生成新的官能团或者共价键。在3 000 cm-1处吸收峰有波动,与C-H的伸缩振动有关。湿热改性扁豆淀粉在1 022 cm-1和1 047 cm-1处的吸光度值高于天然扁豆淀粉,这是受淀粉颗粒结晶结构的影响,与结晶度的升高相对应,湿热改性后淀粉颗粒中的螺旋结构排列更有序[32]。

图7 天然扁豆淀粉和湿热改性扁豆淀粉的FT-IR图谱

2.3.8 扫描电镜分析

扁豆淀粉湿热处理前后的扫描电镜图见图8和图9。

图8 天然扁豆淀粉的扫描电镜图

图9 湿热改性扁豆淀粉的扫描电镜图

天然扁豆淀粉颗粒完整,表面光滑,大小不一,呈扁圆形、椭圆形。湿热改性后扁豆淀粉颗粒的表观形貌无明显改变,仍呈现颗粒态,保持其原有形状及完整性,仅有少数颗粒表面出现凹陷、裂隙现象。湿热改性处理过程中的高温使淀粉内部直链、支链之间相互作用,重新排列,致使少许形成凹陷,也使得淀粉颗粒更聚集[33]。

2.3.9 X-射线衍射分析

由图10可知,天然扁豆淀粉与湿热改性扁豆淀粉都在15°、17°及23°出现了特征衍射峰,说明扁豆淀粉湿热改性前后晶型未改变,均为A型。湿热改性处理过程中适当的水分含量下淀粉中直链、支链分子链相互作用,淀粉颗粒晶区内支链淀粉的双螺旋结构重新排列,形成更有序的双螺旋支链,结晶层的堆积更有序、更致密,由此湿热改性扁豆淀粉的衍射峰强度增大,结晶度有所升高[34-35]。

图10 天然扁豆淀粉与湿热改性扁豆淀粉的X-射线衍射图

3 结论

本文以扁豆淀粉为原料,采用湿热改性方法,利用单因素实验及响应面实验优化工艺条件,得到最佳改性方案:淀粉水分含量20%,反应时间3 h,反应温度110 ℃,在此条件下湿热改性扁豆淀粉的抗性淀粉含量最高,为18.5%。并对湿热改性扁豆淀粉的结构及理化特性进行测定,改性后的扁豆淀粉颗粒外部形貌无显著改变,内部结构仍维持原有晶型A型,结晶度、糊化温度、溶解度、吸水率升高,抗老化性、冻融稳定性增强,透光率、黏度、膨胀力、吸油率下降。本研究可为湿热改性扁豆淀粉的研究提供理论依据,并为开发扁豆淀粉的衍生调味品提供数据参考。