静高压处理对甜荞麦淀粉理化特性及微观结构的影响

苏克军, 李海峰, 冯学夫, 马莉娜, 杨世虎

(宁夏大学食品与葡萄酒学院1,银川 750021)

(宁夏计量质量检验检测研究院2,银川 750200)

荞麦(Fagopyrum)属一年生蓼科(Polygonaceae)双子叶禾谷类农作物,其含有多种营养物质如淀粉、蛋白质、膳食纤维及微量元素等[1]。淀粉作为主要成分之一,约占荞麦体积的70%～91%,主要由2种生物聚合体构成的离散式半结晶颗粒形式存在[2],其中直链淀粉质量分数为20%～38%,支链淀粉中分支较长的淀粉质量分数为12%～13%[3]。植物淀粉也存在冷水难溶、遇热易分解、易回生、抗剪切性及耐酸碱性差等缺陷。针对天然淀粉的不足,应用现有物理、化学、生物和酶法处理对植物性天然淀粉进行特性改善处理,以扩大植物性淀粉在食品领域的加工利用,增加其经济价值。

静高压处理(HHP)是指将物料密封于弹性容器或耐压装置系统中,在高压条件(100～700 MPa) 下非热物理处理,达到灭菌或改变物料理化特性目的[4]。对食品成分、芳香物及感官影响小,且保持食品的原有风味,广泛应用于各领域内如淀粉改性,是当前研究热点之一[5]。

淀粉的理化特性如溶解度、透光率及颗粒形状,质构特性和流变特性可直接影响淀粉品质,从而影响淀粉的加工、运输和储藏[6]。静高压处理可改变淀粉颗粒的形状,使淀粉表面从光滑变得粗糙[7]。Wang等[8]研究发现与大米淀粉热处理相比,经过静高压处理的大米淀粉具有更高的结晶度,更多的双螺旋及V型单螺旋结构。Sindhu 等[9]研究不同温度下热湿处理的改性荞麦淀粉的结构性、热性、凝胶质地和形态学特性等。发现热湿处理可降低荞麦淀粉的溶胀力、溶解度及吸油能力,同时增加淀粉吸水能力。并且改性荞麦淀粉显示出糊状物透明度增加和脱水收缩减少。

荞麦是宁夏农作物种植历史悠久的特产之一,广泛种植且经济价值高。近年来,许多静高压改性处理研究主要针对马铃薯淀粉、大米淀粉、玉米淀粉及豆类淀粉等改性淀粉理化特性的探究,但是有关荞麦改性淀粉的研究来源比较缺少。针对不同静高压改性处理后甜荞麦淀粉的晶体结构、颗粒微观及淀粉糊凝胶特性变化进行了研究,旨在探明静高压改性处理后甜荞麦淀粉理化性质的变化规律,以期为淀粉的静高压改性研究和扩大荞麦淀粉的应用范围提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

甜荞麦籽,宁夏中卫市。0.1%盐酸、0.3%氢氧化钠、亚硫酸氢钠,均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备

RT-98连续式超微粉碎机,TGL-16M离心机,CR-400色差仪,HPP600MPa/5L超高压设备,721分光光度计,JSM-6360LV电子显微镜(SEM),TGL-16MX射线衍射分析仪,傅里叶红外光谱,TA流变仪,TA-XLplus质构仪。

1.2 方法

1.2.1 甜荞麦淀粉制备

参考周小理等[10]的方法并稍作修改制备甜荞麦淀粉。取甜荞麦籽粒500 g,清洗去除甜荞麦籽粒落尘等杂物,根据甜荞麦与浸泡液的质量比1∶2.5浸泡,加入无水亚硫酸钠4.0 g,40 ℃条件下浸泡20 h后清洗磨浆3次,用不同筛孔的分样筛过滤,并用适量蒸馏水冲洗皮渣,滤液在4 000 r/min离心10 min得到甜荞麦粗淀粉。将粗淀粉经质量分数0.1%盐酸多次漂洗后同条件离心;经质量分数0.3%氢氧化钠多次漂洗,同条件离心,滤饼分散于蒸馏水中,反复漂洗至pH 7,离心去除残渣及上层,置于恒温干燥24 h,过120目筛,得到甜荞麦精淀粉。

1.2.2 甜荞麦淀粉静高压改性处理

参照刘航[11]的高静压处理方法并稍作修改。准确称取40 g精甜荞麦淀粉,加入200 mL去离子水调配成20%的甜荞麦淀粉悬浮液,置于聚丙烯薄膜高压袋中,采用真空包装机进行抽真空包装,在室温下静置24 h后充分摇匀放入直径160 nm的超高压设备中超高压改性处理。处理条件设置为:高压仓温度为25 ℃,增压速率为15 MPa/s,处理压力分别为120、240、360、480、600 MPa,0.1 MPa处理为对照组。超高压改性处理后进行离心,去除上清液后将沉淀物置于零下80 ℃环境中预冷4 h后,在置于真空冷冻干燥设备中进行冷冻干燥处理,直至干燥至恒重。最后将干燥后的样品粉碎并过200目筛包装密封,放入4 ℃冰箱中冷藏备用。

1.2.3 甜荞麦淀粉糊化处理

参考于颖[12]等淀粉糊化方法并稍作调整。分别准确称取0.3 g超高压甜荞麦改性淀粉和原甜荞麦淀粉,置于10 mL的样品管中,加入5 mL的蒸馏水,在95 ℃的水浴恒温锅中加热20 min,并不断地搅拌,以便快速形成淀粉糊。取糊化后的淀粉静置到常温,并放入冰箱后4 ℃冷藏24 h,而后进行质构特性测定。

1.3 甜甜荞麦理化特性测定

1.3.1 溶解度及透光率测定

分别准确称取0.3 g静高压甜荞麦改性淀粉和原甜荞麦淀粉置于干燥后的离心管中,加入蒸馏水各5 mL后充分混合,在80 ℃水浴锅中不断搅拌30 min,室温静置冷却,以3 000 r/min离心20 min,取上清液置于铝盒中,恒温干燥至恒重后称量样品质量,计算甜荞麦淀粉的溶解度[13]。

分别准确称取0.3 g静高压甜荞麦改性淀粉和原甜荞麦淀粉,配制质量分数1%淀粉乳, 置于沸水浴中加热。使用磁力搅拌器不断搅拌10 min后冷却至室温, 加入蒸馏水调整使淀粉糊质量保持不变。在630 nm 波长下测定其吸光度[14]。

1.3.2 甜荞麦淀粉晶体结构分析

取一定量淀粉样品进行24 h真空冷冻干燥后,样品置于XRD 分析高级衍射仪上进行晶体结构分析。设备配备Cu-KαX射线源(波长为0.154 06 nm)。在管电压40 kV和管电流30 mA下进行扫描,2θ范围为5°～60°,步长为0.05°,每步收集时间为6(°)/min。依据XRD曲线的峰型对淀粉晶体结构进行分析,并计算淀粉的晶体结晶度[15]。

1.3.3 甜荞麦淀粉红外光谱分析

取一定量甜荞麦淀粉样品置于研钵内,加入淀粉样品质量100倍的 KBr,在红外灯下研磨15 min,促进淀粉与KBr充分混匀,压制成片。用空气作为参比背景,用分辨率为2 cm-1的Nicolet IR200分光光度计记录KBr圆盘中淀粉样品在 4 000～400 cm-1范围内的红外光谱,每份样品扫描64次[16]。

1.3.4 甜荞麦淀粉SEM分析

使用导电双面胶粘取少量甜甜荞麦原淀粉或静高压改性处理改性淀粉固定在SEM载物台上,用吸耳球出除去双面胶外淀粉,载物台置于真空蒸发器中进行喷金操作,以离子溅射镀膜仪喷碳镀金20 min。取出载物台置于SEM在电子显微镜上观察横截面,显微镜设置于20 kV的加速电压下扫描[17]。

1.4 甜荞麦淀粉糊质构特性测定

取少量完全糊化的甜荞麦原淀粉凝胶或静高压改性淀粉凝胶置于TPA测定平台上。选择测试探头为P35,设置参数为:应力5 g,距离30 mm,测前2.0 mm/s、测定1.0 mm/s 、测后1.0 mm/s[18]。根据TPA曲线峰值的变化分析和计算不同处理甜荞麦淀粉的硬度、弹性、内聚性、回弹性、胶黏性、咀嚼性和回复性。

1.5 数据分析

所有实验进行3次平行实验,以平均值±标准差表示。采用SPSS 23.0进行统计处理,DPS进行显著性分析和齐性检验(P<0.05),Origin 2020进行数据绘图。

2 结果与分析

2.1 静高压改性处理对淀粉溶解度的影响

淀粉溶解度反映了淀粉分子与水分子之间相互作用的强弱,与淀粉中的直链淀粉的含量、颗粒形状、淀粉分子量分布及支化度等因素有关,也可为评估淀粉颗粒的无定形和结晶域内淀粉链之间的相互作用程度提供证据[19]。透光率在一定程度上体现淀粉大分子与水分子之间相互结合的能力[20],是衡量淀粉品质高低的标准之一,与淀粉加工和进一步开发利用密切相关。在高于淀粉糊化温度的水中加热时,淀粉颗粒会发生不可逆的吸水溶胀并导致直链淀粉浸出到溶液中,但将淀粉糊置于室温环境中自然冷却时,淀粉分子之间通过氢键相互作用将重新进行有序地排列并形成沉淀或淀粉凝胶。然而,植物淀粉在运输和储藏过程中易产生沉淀,导致淀粉透光率下降,从而对其品质产生一定程度影响。

由图1可知,随着处理压强增大,甜荞麦淀粉的溶解度随之整体明显逐渐降低。不同处理压力在淀粉溶解度方面存在显著差异(P<0.05),表明甜荞麦淀粉溶解度对静高压改性处理中较高压力水平更具敏感性。与常压下甜荞麦淀粉的溶解度7.369%相比,600 MPa压力处理下甜荞麦淀粉的溶解度降至3.440%,可能介于静高压改性处理导致甜荞麦淀粉颗粒内部直链淀粉分子重新形成有序排列结构,与脂类结合形成直链淀粉-脂质复合物,导致可溶性直链淀粉分子的流动性降低[21]。淀粉颗粒的无定形和结晶域内淀粉链之间的相互作用程度与直链淀粉与支链淀粉的比例和磷含量相关[22]。随着压力水平升高溶解度反之降低,表明静高压改性处理降低了直链淀粉含量及磷含量。因此,超高压改性处理可有效改变甜荞麦淀粉的溶解性,延长甜荞麦淀粉储藏期,降低甜荞麦淀粉储藏损失。

注:不同小写字母表示存在差异显著性(P<0.05)。

与常压原甜荞麦淀粉的透光率相比较,随着静高压改性处理的压力增大,甜荞麦淀粉的透光率整体明显随之逐渐增大。在静高压改性处理120～480 MPa的压力区间下淀粉的透光率下降,可能是静高压改性处理导致淀粉产生回生倾向,降低淀粉结晶度并增加直链淀粉与支链淀粉的浸出量;在静高压600 MPa处理下淀粉透光率上升,可能是静高压力处理改变甜荞麦淀粉结构,导致甜荞麦淀粉中直链淀粉与支链淀粉的浸出量减少,淀粉糊状物中吸水膨胀的淀粉颗粒数量降低[23]。因此,静高压改性处理可有效改变甜荞麦淀粉的透光率,增加甜荞麦淀粉中直链淀粉与支链淀粉的浸出量。

2.2 SEM电镜扫描结果分析

由图2可知,与常压处理的甜荞麦淀粉颗粒相比较,静高压改性处理的甜荞麦淀粉颗粒表面呈现一定程度的凹陷现象,随着处理压力的增大,凹陷面积逐渐随之增加,且甜荞麦淀粉颗粒之间在压力作用下黏结形成淀粉颗粒小团。在低压处理下甜荞麦淀粉的表面形状发生小幅度改变,总体颗粒饱满圆滑,且淀粉之间依旧处于单个颗粒状态。同时淀粉颗粒之间相互黏结,颗粒表面形状发生微小塌陷。在480 MPa处理下甜荞麦淀粉颗粒表面大幅度凹陷,形成淀粉超高压改性处理后特有的“甜甜圈”形状,淀粉颗粒小团数量增加,表明在480 MPa处理下部分甜荞麦淀粉开始出现变形、表面凹陷及黏连等现象。而当压力上升至600 MPa后,部分甜荞麦淀粉颗粒结构开始糊化,淀粉形状完全丧失,相互黏结形成淀粉颗粒团,但仍旧存在相当量分散的甜荞麦淀粉颗粒,并且甜荞麦淀粉颗粒产生溶解现象,这可能与超高压改性处理过程中淀粉悬浮液中水分子在压力作用下进入淀粉颗粒内部无定形区或内部优先以氢键形式与淀粉分子相互结合有关[24]。

图2 不同压力下甜荞麦淀粉的颗粒形貌

2.3 XRD对淀粉晶体结构的分析

由图3可见,甜荞麦原淀粉与120、240、360、480、600 MPa处理的改性淀粉均在2θ=15.10°、17.15°、17.95°、22.95°左右产生较强的峰,归类为A型衍射峰,表明静高压改性处理并未使淀粉晶体结构从A型转换为B型。在480、600 MPa处理下甜荞麦淀粉在2θ=17.15°、17.95°、22.95°处的X射线衍射峰峰高与原淀粉相比较逐渐趋于平缓,静高压改性处理可降低甜荞麦淀粉的相对结晶度,Liu 等[25]研究具有类似的结果。因此静高压改性处理对甜荞麦淀粉的晶型结构不产生影响,但对甜荞麦淀粉的相对结晶度产生一定的影响。

图3 不同压力处理的甜荞麦淀粉X射线衍射图

2.4 傅里叶红外光谱结果分析

傅里叶红外光谱显示淀粉对静高压改性处理的敏感度及分子结构发生的变化。由图4和表1可见,常压和不同静高压力处理的甜荞麦淀粉样品在3 700 cm-1～3 000 cm-1波段下均出现不同程度的强吸收峰,主要源于O—H的伸缩振动;在2 930 cm-1波段下出现不同高低的光吸收峰源于C—H的伸缩振动;在1 650 cm-1波段下产生较强的光吸收表现为与淀粉大分子紧密结合的水分子;在1 030 cm-1波段处产生的强吸收峰源于脱水葡萄糖残基C—O的伸缩振动。静高压改性处理的甜荞麦淀粉未产生新的吸收峰,静高压改性处理并未破坏或改变甜荞麦淀粉分子结构以产生新的化学键或基团[26]。

表1 不同静高压改性处理甜荞麦淀粉的傅里叶红外光谱波段比

图4 不同压力处理甜荞麦淀粉的傅里叶红外光谱图

支链淀粉的分支相互聚集形成的半结晶云层称为淀粉结晶区。通过傅里叶红外光谱可测定甜荞麦淀粉的短程有序结构的变化,短程有序结构主要反映淀粉结晶区及非定形区双螺旋结构含量的变化,不包括与双螺旋堆积有关的长程有序结构含量变化。在傅里叶红外光谱中,波段1 045、1 022 cm-1处的红外吸收光谱强度分别反映甜荞麦淀粉的结晶区与非结晶区[27]。1 045/1 022 cm-1的峰强度比值与甜荞麦淀粉分子的短程有序结构有关,反映了短程有序结构在淀粉中所占比值,所占比值越高说明甜荞麦淀粉中短程有序结构含量越多;1 022/995 cm-1的峰强度比值可利用测定甜荞麦淀粉结构中无定形及有序结构的相对含量[28]。随着处理压力的增加,1 045/1 022 cm-1峰强度比值逐渐随之增大,但在600 MPa处理下其呈显著性增加,比值达到最大,表明甜荞麦淀粉中短程有序结构含量与处理压力成正相关性;1 022/995 cm-1峰强度比值随处理压力增加而减小,表明甜荞麦淀粉中无定形及有序结构的相对含量与处理压力成负相关性。超高压改性处理对甜荞麦淀粉的结晶结构可产生一定程度的破坏性。

2.5 甜荞麦淀粉糊质构特性分析

淀粉与水混合经过水浴处理可以形成具有一定糊化特性的淀粉糊。通过质构仪测定超高压改性处理的甜荞麦淀粉糊化特性,如硬度、弹性、黏聚性、回复性等,并对超高压改性处理的甜荞麦淀粉糊化特性的显著性进行分析,结果如表2所示。随着处理压力的增大,甜荞麦淀粉糊的硬度、弹性、黏聚性、胶着性和咀嚼性均有显著性的改变,但回复性未有明显变化趋势。甜荞麦淀粉糊的硬度与咀嚼性整体呈先增大后减小的趋势;弹性、黏聚性整体呈线性增加的趋势。与对照组相比,在600 MPa处理下甜荞麦淀粉糊弹性从0.48%增加至0.89%,黏聚性从0.34增加至0.70。甜荞麦淀粉糊的硬度与直链、支链淀粉浸出量及含水量有关,直链淀粉的浸出量越多,支链淀粉链越长,甜荞麦淀粉糊的硬度则越低。在较高压力处理后甜荞麦淀粉凝胶糊硬度明显降低,可能高压处理使其膨胀度低于原甜荞麦淀粉,淀粉分子之间与淀粉分子和水分之间的相互作用减弱,增加了甜荞麦淀粉颗粒中直链淀粉及较长的支链淀粉链浸出量[29]。静高压改性处理可有效改变甜荞麦淀粉糊的质构特性。

表2 静高压改性处理的甜荞麦淀粉糊质构特性参数

3 结论

采用不同静高压改性处理甜荞麦淀粉,对其理化特性及淀粉糊凝胶特性变化进行分析。结果表明,经过120、240、360、480、600 MPa静高压改性处理后甜荞麦淀粉的溶解度、透光率、颗粒微观表征及淀粉凝胶特性有显著影响。甜荞麦淀粉溶解度随处理压力增大呈降低趋势;淀粉透光率与处理压力呈正相关,静高压改性处理可增加淀粉的透光率;淀粉分子结晶度降低但晶体结构未发生转变;淀粉分子短程有序结构随处理压力逐渐增加,无定形及有序结构相对含量随处理压力逐渐减少。静高压改性处理后的甜荞麦淀粉品质明显提升,后续可进一步研究静高压改性处理后的甜荞麦淀粉体外酶消化及淀粉糊流变特性。