高温烘烤对葛根淀粉物化、结构及消化特性的影响

李祉贤, 奉思思, 孙佳颖, 包鸿慧, 王凌霄,黄凝慧, 翁诗汝, 尹 为, 周 睿

(湖北文理学院食品科学技术学院化学工程学院1,襄阳 441053)

(湖北葛百岁葛业有限公司2,襄阳 441407)

葛根是一种药食同源且营养丰富的多年生豆科葛属藤本植物肥大根茎,富含异黄酮、葛根素、葛根皂苷、葛根多糖、生物碱等生物活性组分,有益于抗氧化、抗炎、抗肿瘤、降血糖、减肥、降血压、抗痴呆、防止动脉硬化、保护神经、解酒护肝等[1,2]。淀粉是葛根的主要组分,新鲜葛根干基中淀粉质量分数为51.6%[3]。葛根淀粉为C型晶体结构[4],直链淀粉质量分数为20%～22%,支链淀粉质量分数为78%～80%[5],糊液质地光滑、成膜性与包埋性好[1],其水包油型乳液的乳化稳定性、颜色稳定性、紫外线辐射低敏感性以及黏附能力均优于大米淀粉、玉米淀粉及小麦淀粉[1,6,7],且常规磨浆沉淀法生产的葛根淀粉中残存一定量的异黄酮[8],能够赋予葛根淀粉独特的功能属性,因而葛根淀粉在营养粉、饮料、可食膜、面条、粉丝、果冻、布丁、微胶囊壁材等健康食品领域[9-12]以及文化遗产修复和海藻糖生产[13,14]等非食品领域具有广阔的应用前景。然而,原葛根淀粉存在一些固有缺陷,如热稳定性差、溶解性低、热水冲调易团聚结块、糊液透明度不高、低温储藏易老化回生等[6,15,16],严重制约其工业化规模性应用。

采用物理[17]、化学[6]、生物酶法[9]及复合改性[18]可有效满足天然淀粉的应用需求,并拓宽其应用范围。物理改性是一种利用挤压剪切、机械力、非淀粉多糖-淀粉物理共混、热处理等对淀粉进行改性的常用方法,更加符合消费者对天然绿色、安全环保、经济便捷、“清洁标签”型健康产品的保健需求[19]。其中,高温烘烤等常用的热处理物理改性法,具有加热速度快、能耗低、操作方便、无污染、产品颜色和质地及风味独特等显著优点,已广泛应用于家庭与工厂化现代谷物基食品加工,尤其是以玉米、小麦、燕麦、大米为原料的休闲食品生产中[19,20]。目前,国内外关于热处理对块根块茎类淀粉结构与特性的研究较多。Zhang等[21]研究表明干热处理提高了马铃薯淀粉的溶解度和直链淀粉含量,却显著降低了马铃薯淀粉的分子质量、相对结晶度、短程有序度、膨润力、糊化黏度、糊化焓以及α-淀粉酶对马铃薯淀粉水解的敏感性。Gou等[22]研究发现连续干热处理淀粉的相对结晶度、溶解度、膨胀度、透光率及热力学参数值均显著高于反复干热处理淀粉相应值,但其短程有序度、糊化黏度值以及淀粉消化性却较低。此外,Chandanasree等[23]研究表明干热处理促使木薯淀粉颗粒形成团簇态和团聚状,增加了木薯淀粉的水与油结合力以及糊化黏度,降低了直链/支链淀粉比例、溶解度、膨胀度、糊液透明度、热力学特征温度值与热焓值以及糊化温度。然而,有关高温烘烤葛根淀粉的结构、物化及消化特性的研究却鲜有报道。

因此,实验以葛根淀粉为原料,研究不同烘烤温度对葛根淀粉表观形貌、颗粒尺寸分布、糊化特性、热特性、流变特性、微观结构以及体外消化特性的影响,以期为改性葛根淀粉在食品工业中的功能性应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

葛根淀粉(食品级,水质量分数13.01%);α-淀粉酶(Type VI-B, ≥5 U/mg,源于猪胰腺);淀粉葡糖苷酶(≥260 U/mL,源于黑曲霉);D-葡萄糖测定试剂盒;溴化钾,光谱纯;冰醋酸、乙醇等其他化学试剂,分析纯;实验用水为超纯水。

1.2 仪器与设备

KWS2046ALQ-S1C电烤箱,BO-1000S1高速多功能粉碎机,S-4800扫描电子显微镜,Mastersizer3000激光粒度仪,RVA-TecMaster快速黏度分析仪,TA-2000差示扫描量热仪,AR2000e流变仪,IRPrestige-21傅里叶红外光谱仪,L5S紫外可见分光光度计,LC-LX-L6OD高速离心机,FA1004N电子分析天平,Milli-Q纯水机,SHA-B恒温振荡水浴锅,LDO-9070A电热鼓风干燥箱。

1.3 方法

1.3.1 样品高温烘烤处理

在预实验的基础上,选择130、140、150、160 ℃不同烘烤温度。将葛根淀粉均匀平铺于放有锡箔纸的样品托盘中,厚度约2 mm。电烤箱预热10 min至设定温度后,将样品盘置于电烤箱,上下火加热模式烤制20 min。反应结束后,将烘烤淀粉迅速转移至干燥器,室温下冷却1 h,再粉碎并过100目筛,塑封袋密封保存备用。

1.3.2 颗粒形貌的观察

将导电胶粘贴于扫描电子显微镜载物台上,用药匙将淀粉样品平整地铺敷在导电胶表面,吹扫多余的淀粉颗粒,真空条件下经离子溅射镀膜仪表面镀金60 s,然后置于扫描电镜样品槽,观察样品的微观形貌并拍照。加速电压为5 kV,放大倍数为2 500倍。

1.3.3 粒径分布的测定

采用激光粒度分析仪表征样品的颗粒粒径分布。称量0.1 g淀粉样品混合于10 mL的蒸馏水中,然后将淀粉悬浮液逐滴加入样品池,启动超声波振荡装置均匀分散1 min后,进行样品测定,经计算机软件自动处理分析结果。测定参数为:遮光度为10%～20%,样品颗粒折射率为1.54,颗粒吸收率为0.01,分析模式为通用,分散剂为蒸馏水,分散剂折射率为1.33,记录样品的D10、D50、D90、D[4, 3]、D[3, 2]特征值,并计算样品的分布跨度Span值。

Span=(D90-D10)/D50

式中:D10、D50及D90分别为该粒径及以下的粒子体积占全部粒子体积的10%、50%及90%;D[4, 3]为颗粒体积平均粒径;D[3, 2]表示颗粒面积平均粒径;D50为颗粒中位径。

1.3.4 糊化特性的测定

采用RVA快速黏度分析仪Standard 1模式测定样品糊化参数和曲线[21]。准确称取1.5 g葛根淀粉(干基)样品加入装有25 mL蒸馏水的RVA样品测量铝罐中,测定前用塑料搅拌桨均匀分散淀粉悬浮液。具体程序参数为:样品在50 ℃下以960 r/min先搅拌10 s,之后在160 r/min下继续搅拌50 s,以形成均匀悬浊液;然后在222 s内加热到 95 ℃(加热速率为12.16 ℃/min),并保温2.5 min;再以12.16 ℃/min的速率降温至50 ℃,并在50 ℃下保持 2 min。糊化期间,始终保持160 r/min的恒定的剪切速率,整个过程历时13 min。测定的糊化参数包括峰值黏度(PV)、谷值黏度(TV)、最终黏度(FV)、崩解黏度(BD)、回生黏度(SB)以及糊化起始温度(PT)。

1.3.5 热特性的测定

采用差示扫描量热仪(DSC)测定样品的热力学特性[22]。准确称取3.0mg淀粉样品(干基)置于DSC专用铝质坩埚中,用微量调节注射器加入9 μL去离子水,压盖密封后,放置4 ℃冰箱充分水合12 h。测定前用铟校正仪器,空铝质坩埚为参比。样品扫描温度范围为20～120 ℃,加热速率为10 ℃/min,氮气流量为50 mL/min。通过TA Universal Analysis2000分析软件,记录样品的DSC特征参数:起始糊化温度(T0)、峰值糊化温度(Tp)、终止糊化温度(Tc)以及凝胶化热焓(ΔH)。

1.3.6 流变学特性的测定

采用旋转流变仪并搭配40 mm直径的平板测定样品的静态流变学特性,测定平台与夹具间隙设定为1mm。准确配制质量分数6%的淀粉悬浮液,置于95 ℃恒温水浴锅中充分糊化25 min后,冷却至25 ℃。测定参数为:剪切速率(γ)范围为0.1～300 s-1,测定温度25 ℃。采用幂律模型η=K×γn-1拟合样品的静态流变学曲线[24],K为稠度指数,n为流动指数,η为表观黏度。

1.3.7 傅里叶变换红外光谱测定

采用红外光谱仪室温下对样品进行测定,扫描波数范围为400～4 000 cm-1,分辨率为2 cm-1,扫描次数为64次。样品测定前,用空气进行扫描,并进行基线校正。按质量比为1∶100,称量淀粉样品与溴化钾添加于玛瑙研钵中,红外灯照射下充分研磨混匀5 min后,采用压片机在0.5 MPa压力下,压制成小薄晶片并置于样品槽,进行红外光谱测定分析。纯溴化钾压制的小薄片扫描红外光谱作为样品背景。记录995、1 022、1 045 cm-1处的峰强度值。

1.3.8 消化性能的测定

体外淀粉消化性能的测定参照Zhou等[24]的方法并略作修改。将淀粉样品(0.3 g,db)加入装有5 mL蒸馏水的消化试管,室温涡流振荡1 min后,将该悬浮液置于95 ℃恒温水浴,磁力搅拌(600 r/min)下充分糊化25 min后,冷却至37 ℃。然后,将10 mL醋酸钠缓冲液(0.2 mol/L,pH 5.2)以及3颗玻璃珠(10 mm直径)加入糊液中。将混合浆料置于37 ℃恒温振荡水浴(100 r/min)平衡5 min后,加入2.5 mL复合酶液,37 ℃条件下进行消化反应。每隔一段时间(0、20、120 min),等量取样0.1 mL加入1.5 mL的微量离心试管中,并添加0.9 mL的95%乙醇终止反应。充分涡流振荡均匀后,以12 000 r/min离心2 min收集上清液,采用葡萄糖测定试剂盒测定上清液中的葡萄糖含量。快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)、抗性淀粉(RS)的质量分数通过公式计算。

RDS=(A20-A0)×0.9/TW ×100%

SDS=(A120-A20)×0.9/TW ×100%

RS=(TS-RDS-SDS)×0.9 / TW ×100%

式中:A0为游离的葡萄糖含量;A20为水解20 min后的释放葡萄糖含量;A120为水解120 min后的释放葡萄糖含量;TW为总淀粉含量(干基);0.9为还原糖换算为淀粉的系数。

1.4 数据统计与分析

所有实验平行测定3次,结果表示为平均值±标准差。采用Excel 2019软件进行基本数据统计;采用SPSS 26.0软件进行Duncan多重比较及相关性分析;采用ANOVA算法进行单因素方差分析;采用Origin 9.0软件进行图表绘制。显著性水平选定P<0.05。

2 结果与分析

2.1 高温烘烤对葛根淀粉颗粒形貌的影响

由图1可见,原葛根淀粉颗粒呈不规则球形或半球形、多边形,表面光滑,无裂纹,大小尺寸不均一,淀粉颗粒间分布相对松散(图1a)。随着焙烤温度的增加,洁白色葛根淀粉颜色略有变暗,呈现淡焦香甜味,葛根淀粉颗粒间凝聚程度加深,逐渐形成团聚体或团簇态;当焙烤温度提升至150 ℃和160 ℃时,葛根淀粉颗粒进一步聚集成大团块状(图1d和1e),这一现象与干热改性玉米淀粉[25]和干热改性木薯淀粉[23]的研究报道相类似,可能归因于高温干热环境下淀粉分子链发生糊精化[26,27]以及淀粉颗粒间粘接程度增强所致[28]。

注:a表示原葛根淀粉;b～e分别表示130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃焙烤温度处理后的葛根淀粉,下同。

2.2 高温烘烤对葛根淀粉粒径分布的影响

由表1可见,130～140 ℃烘烤处理后,原葛根淀粉的D10、D50、D90、Span、D[4,3]及D[3,2]值变化不显著(P>0.05)。当烘烤温度提升至150 ℃和160 ℃时,葛根淀粉的粒径分布特征值均显著提高(P<0.05)。这与Maniglia等[19,29]有关干热处理小麦淀粉与木薯淀粉的研究报道相一致。高温干热条件下,淀粉分子链可发生糊精化作用,促使热处理淀粉亲水性和溶解度提高,吸水溶胀性增强,颗粒粒径和分布跨度增大[27,30,31]。

表1 高温烘烤葛根淀粉粒径分布

2.3 高温烘烤对葛根淀粉糊化特性的影响

由表2和图2可知,高温烘烤处理显著降低了葛根淀粉的糊化黏度(P<0.05),且烘烤温度越高,下降趋势越显著。130～160 ℃焙烤温度下,原葛根淀粉的PV、TV、FV及PT分别减少了10.78%～76.98%、17.82%～74.21%、22.56%～75.99%及0.92%～4.06%。Zou等[28]与Lei等[25]同样报道了连续高温烘烤能够减少玉米淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度以及起始糊化温度。这可能是由于高温热降解效应引起淀粉分子糖苷键断裂、分子内/间氢键破坏、微晶结构受损以及分子量降低,且干热效应也可引起淀粉发生糊精化作用,导致热处理淀粉的亲水性和溶解度增加,因而在淀粉糊化过程中水分子更易于进入淀粉颗粒内部,颗粒吸水膨胀加快,起糊温度与糊液黏度特征值降低[20,28,30]。此外,随着焙烤温度的提高,原葛根淀粉的SB值从426.33 mPa·s连续降低至87.33 mPa·s,回生黏度值降低了79.52%,但BD值却呈现先升高后急剧减少的趋势,尤其是160 ℃烘烤葛根淀粉的谷值黏度值接近于峰值黏度值,BD值最高下降了96.16%,其糊化曲线峰型近乎消失,表明高温烘烤有利于改善葛根淀粉糊的抗剪切性和糊化稳定性。

表2 高温烘烤葛根淀粉糊化特性

图2 高温烘烤葛根淀粉糊化特性曲线

2.4 高温烘烤对葛根淀粉热特性的影响

由表3可知,高温烘烤处理显著改变了葛根淀粉的热力学特性。随着焙烤温度的增加,原葛根淀粉的T0、Tp、Tc以及ΔH值均呈现显著降低趋势,最高分别减少了6.85%、8.00%、5.72%及22.22%,表明在烘烤过程中葛根淀粉微晶结构遭到破坏。Zou等[32]和Chandanasree等[23]有关干热改性玉米淀粉与木薯淀粉的研究也得出了相似的结论。这一现象可能归因于高温热降解效应导致短链支链和直链淀粉分子数量增多,双螺旋有序完整性和结晶完美度降低,密集结晶区域面积减少,颗粒内部结构松弛,以及高温烘烤过程中干热效应引起的淀粉糊精化可降低淀粉晶体的结晶度和减少晶体区域晶体尺寸,促使淀粉双螺旋有序结构含量降低,颗粒内聚力减弱[31,32],这与RVA有关糊化温度PT的测定结果相吻合。

表3 高温烘烤葛根淀粉的热力学特征参数

2.5 高温烘烤对葛根淀粉静态流变特性的影响

由图3可知,葛根淀粉糊液的表观黏度均随着剪切速率的增大而降低,表明所有样品均呈现典型的剪切稀化行为。高温烘烤处理明显降低了葛根淀粉糊液的表观黏度,且温度越高,降低趋势越显著。采用幂律模型对静态流变特性曲线拟合结果显示(表4),所有样品的R2均大于0.99,表明曲线拟合性较好。原葛根淀粉的稠度指数R和流动指数n分别为50.199 Pa·sn和0.285;随着焙烤温度的增加,淀粉样品的K值急剧降低,最高减少了81.99%,而n值却缓慢提高,最大仅增加了17.89%,表明高温烘烤有利于淀粉分子间流动阻力的降低以及剪切稀化性减弱,这个变化趋势与RVA糊化黏度曲线测定结果保持一致。这可能是由于高温热效应引起高聚合度长链淀粉分子数量减少,分子链间缠绕位点减弱,进而促进分子链沿着外力方向伸展取向,淀粉糊液流动性增强[25]。此外,所有样品的n值均小于1,表明所有糊液均呈现非牛顿假塑性流体特征,尤其是160 ℃焙烤葛根淀粉具有最小K值(9.043 Pa·sn)和最大n值(0.336),表现出良好的抗剪切性,可应用于软饮料产品的开发[25]。

表4 高温烘烤葛根淀粉的静态流变、短程有序结构及体外淀粉消化性特征参数

图3 高温烘烤葛根淀粉的静态流变曲线

2.6 高温烘烤对葛根淀粉短程有序结构的影响

红外光谱(FT-IR)可用于在分子水平上表征淀粉结构的短程有序度和双螺旋程度[33]。由表4可知,高温烘烤处理显著减少了原葛根淀粉的DO和DD值,最高分别下降了20.66%和56.99%,表明高温烘烤降低了葛根淀粉的短程有序性和双螺旋度。Zou等[32]和Liu等[34]同样研究发现连续干热处理减弱了玉米淀粉和板栗淀粉的短程有序结构。这可能是由于高温烘烤引起淀粉分子氢键断裂、多聚体部分解聚以及淀粉糊精化作用,导致支链淀粉微晶区坍塌、结晶区双螺旋解离以及淀粉结晶结构和微晶取向遭到破坏[31,32,35]。

2.7 高温烘烤对葛根淀粉消化性能的影响

由表4可知,高温烘烤处理对凝胶化葛根淀粉的体外消化特性具有显著影响。高温烘烤处理后,葛根淀粉的RDS含量明显降低,最高减少了9.49%,而RS含量及SDS和RS总含量却显著增加,最大提升了0.95和0.72倍,表明高温烘烤减弱了葛根淀粉的体外消化性。这可能归因于高温热效应可引起淀粉分子内还原性葡萄糖端基发生分子内脱水以及淀粉分子链糖苷键断裂,降解的小分子片段或葡萄糖残基与体系中其他葡萄糖单元上的游离羟基形成诸如α-1,2、β-1,6、β-1,4、β-1,2等非α-1,4/α-1,6糖苷键的分子间或分子内键,重新聚合产生新的分支结构,从而降低了人体消化酶(α-淀粉酶为主)对底物淀粉分子的亲和力,且随着热反应程度加深,淀粉分子链水解、转糖苷及重聚反应加剧,促使淀粉抗消化能力显著增强[26,27,30]。此外,Zou等[32]和Oh等[36]的研究结论同样证实了高温干热处理能够降低淀粉酶对大米淀粉与玉米淀粉的水解能力。

3 结论

高温烘烤显著影响了葛根淀粉的结构、物化及消化特性。高温烘烤处理后,葛根淀粉颗粒趋于聚集成大团块状,颗粒平均粒径与尺寸分布跨度增大。此外,随着焙烤温度的提升,葛根淀粉的糊化黏度、糊化温度及凝胶化热焓显著降低。原葛根淀粉与热处理淀粉均呈现剪切稀化行为和非牛顿假塑性流体特征,且随着烘烤温度的增加,淀粉糊液剪切稀化性与假塑性衰减,而抗剪切性显著增强。同时,高温烘烤降低了葛根淀粉微观结构的短程有序度和双螺旋度,减弱了葛根淀粉的体外消化性。研究结果表明,高温烘烤能够改善葛根淀粉的微观结构、糊化特性、热力学特性、流变特性以及体外消化性。今后的研究中,将从分子水平上阐明高温烘烤对葛根淀粉结构和特性的影响机理,并进一步探究改性葛根淀粉在喷雾干燥法或造粒法制备速溶性葛根营养粉中的潜在应用。