三相臥螺法生產(chǎn)小麥淀粉的副產(chǎn)物
——輕相液中淀粉的理化功能特性分析

馬曉軍，熊建

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫，214122)

三相臥螺法生產(chǎn)小麥淀粉的副產(chǎn)物
——輕相液中淀粉的理化功能特性分析

馬曉軍，熊建

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫，214122)

以三相臥螺法生產(chǎn)小麥淀粉過程中的副產(chǎn)物輕相液為原料，分析了輕相中淀粉的理化功能，并與此工藝生產(chǎn)中的另外2種淀粉產(chǎn)品(A淀粉和B淀粉)作對比。結(jié)果表明:A淀粉和B淀粉相比，輕相淀粉顆粒溶解度和膨潤力較低;輕相淀粉糊透明度差、沉降體積大、凍融穩(wěn)定性好、易糊化;輕相淀粉糊對消化酶耐受力差，消化速率最快，預(yù)測血糖指數(shù)最高。

三相臥螺法，輕相，淀粉，理化功能性質(zhì)

隨著人民生活水平的提高，食品種類和品種的進(jìn)一步多樣化，對小麥營養(yǎng)品質(zhì)、加工品質(zhì)的要求也越來越高。因此，拓寬小麥深加工領(lǐng)域已成為亟須解決的重要任務(wù)。而在小麥深加工過程中，小麥淀粉是重要的基礎(chǔ)原料［1］。

現(xiàn)階段，小麥淀粉的主要生產(chǎn)方法分為馬丁法和三相臥螺法［2］。與傳統(tǒng)的馬丁法相比，三相臥螺工藝用水量小、機(jī)械自動化程度高、產(chǎn)品質(zhì)量好、友好環(huán)境，是小麥淀粉生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。此法是將面粉加水調(diào)成面漿，面漿經(jīng)三相臥螺機(jī)分離成三相:(1)重相為A淀粉及纖維;(2)中相為B淀粉及谷朊粉(3)輕相［3-4］。

輕相約含有8%的固形物，其中固形物中含有20%戊聚糖、60%淀粉、15%的蛋白、5%其他糖類、脂肪、灰分等物質(zhì)［5］，通常情況下，生產(chǎn)商將輕相作為廢棄物水處理，造成了資源浪費(fèi)且污染環(huán)境。若能把輕相作為資源開發(fā)利用，這將是對三相臥螺生產(chǎn)工藝的一個重大的完善。

本文分析了輕相中的主要成分——淀粉(俗稱輕相淀粉)的理化功能特性，并與重相A淀粉和中相B淀粉進(jìn)行了對比。

1 材料與方法

1.1 主要原料

A淀粉、B淀粉和輕相液由蓮花味精股份有限公司提供，其中輕相液經(jīng)冷凍干燥制得凍干粉用于實(shí)驗(yàn)研究。

1.2 主要儀器與試劑

ACPHA 1-4冷凍干燥機(jī)，德國 Christ;LXJ-IIB低速自動平衡離心機(jī)，江蘇無錫瑞江離心機(jī)廠;Micro-visco-Brabender黏度儀，德國BRABENDER公司;差示掃描量熱儀，美國PerkinElmer公司;SHZ-B水浴恒溫振蕩器，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;SH-1000(Lab)酶標(biāo)儀，日本HITACHI公司。

豬胰 α-淀粉酶(21.6U/mg)，美國 Sigma公司;GL-L NEW黑曲霉糖化酶(100 000 U/g)，無錫Genencor Bio-Product公司;葡萄糖(GLU)測試盒，南京建成生物工程研究所;無水乙醇、醋酸鈉，均為分析純試劑上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 淀粉提取

參照Yamamoto等人的工藝［6］，提取輕相液粉中的淀粉。

1.3.2 透明度和沉降體積的測定

參考陳戀［7］的方法。

1.3.3 膨脹度和溶解度的測定［8］

分別在 30、60和 90℃將 30 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的淀粉乳加熱攪拌30 min，以3 000 r/min速度離心20 min，將上層清液置于水浴上蒸干，放入105℃烘箱烘干，稱重得被溶解淀粉量A，計(jì)算出其溶解度S。由離心管中膨脹淀粉質(zhì)量P計(jì)算其膨脹度B。

其中:m為淀粉質(zhì)量，以干基計(jì)。

1.3.4 淀粉糊的凍融穩(wěn)定性［8］

配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%的淀粉乳液，在沸水浴中充分糊化后，將淀粉糊分成5份于-15℃冰箱中冷凍24 h，取出室溫下自然融解，取其中l(wèi)份于3 000 r/min離心l5 min，其余的繼續(xù)放入冰箱中冷凍，24h后取出，重復(fù)以上操作，計(jì)算淀粉糊的失水率。

式中:P為失水率;m1、m2分別為脫水前后淀粉糊的質(zhì)量。

1.3.5 淀粉的糊化特性測定

淀粉的糊化特性測定采用AACC提出的標(biāo)準(zhǔn)方法 61-02［9］。

1.3.6 淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)

參考Pham［10］的方法。精確稱取3 mg的淀粉樣品置于鋁盒中，然后向鋁盒中添加6 mg的去離子水，將樣品置于4℃12 h平衡。以空鋁盒為空白對照，掃描范圍為20～100℃，升溫速率為10℃/min。分別測定To(起始溫度)、Tp(峰值溫度)、Tc(終止溫度)及焓值(△H)的變化情況。

1.3.7 淀粉的酶水解動力學(xué)

淀粉的酶水解動力學(xué)的測定根據(jù)Miao等［11-12］的方法做了改進(jìn)。稱取200 mg的淀粉放置于50 mL的離心管中，加入10 mL pH值5.2的0.2 mol/L醋酸鈉緩沖液，并在沸水浴上蒸煮5 min后冷卻至室溫，置于37℃恒溫水域振蕩器中保溫10 min，混勻后加入10 mL的豬胰α-淀粉酶(290U/mL)和糖化酶(12.5U/ml)，置于37℃恒溫水域振蕩器(轉(zhuǎn)速為150 r/min)并精確計(jì)時，于加酶液后的 5、10、20、30、45、60、90、120和180 min分別取樣1 mL于10 mL離心管中沸水浴5 min滅酶，其后加入4 mL去離子水，4 000 r/min離心10 min，取上清液100μL用 GOPOD法測定葡萄糖含量。

式中:Gt，淀粉酶水解t時間后產(chǎn)生的葡萄糖含量(mg);SC，淀粉含量百分比。

1.3.8 淀粉水解指數(shù)(HI)和預(yù)測血糖指數(shù)(GI)

水解指數(shù)(HI)可以反映樣品碳水化合物消化速率，文中取0～90 min計(jì)長，其計(jì)算公式如下:

血糖指數(shù)(GI)可用來表示進(jìn)食后碳水化合物的吸收速率。淀粉的血糖生成指數(shù)測定采用Goni［13］報道的由水解指數(shù)(HI)值來預(yù)測，用90 min后產(chǎn)生的還原糖濃度來計(jì)算HI。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種淀粉糊透明度和沉降體積比較

3種淀粉糊的透光率和沉降體積如表1所示。從表1中可以看出，3中淀粉糊的透光率為A淀粉＞B淀粉＞輕相淀粉;而沉降體積為輕相淀粉＞B淀粉＞A淀粉。因此，輕相淀粉最易老化，形成凝膠的能力最弱。淀粉糊化后，淀粉分子結(jié)構(gòu)和直鏈淀粉含量是影響淀粉糊透明度的重要因素［14］。淀粉顆粒小，結(jié)構(gòu)致密，其透光率也低。

表1 三種淀粉糊的透光率和沉降體積

2.2 膨脹度和溶解度的測定

溶解度和膨潤力反映了其無定型和結(jié)晶域淀粉鏈相互作用的量值，也可反映淀粉與水之間相互作用的程度。溶解度指在一定溫度下已溶解的淀粉樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù);膨潤力指每克干淀粉在一定溫度下吸水的質(zhì)量。組成淀粉顆粒的支鏈和直鏈淀粉緊密的排列形成定形區(qū)和無定性區(qū)，相應(yīng)的具有了結(jié)晶區(qū)、非結(jié)晶區(qū)及微晶區(qū)，不再具有完全水溶性。淀粉糊在加熱過程中，氫鍵的斷裂，微晶束結(jié)構(gòu)開始松動，暴露出來的羥基與水分子中的氫鍵結(jié)合，淀粉開始部分溶解。繼續(xù)加熱淀粉團(tuán)崩解，游離出直鏈、支鏈淀粉，溶解度也隨之增加。與此同時，未溶解的淀粉顆粒也充分吸水膨脹。

3種淀粉的溫度-溶解度曲線見圖1，溫度-膨潤力曲線見圖2。由圖1、圖2中可以看出，隨著溫度的上升，3種淀粉的溶解度和膨潤力都有所增加，但增加的程度不同。當(dāng)溫度小于初始糊化溫度(60℃)時，顆粒的部分結(jié)晶區(qū)沒有解體，水分子只是簡單地進(jìn)入淀粉粒的非結(jié)晶部分，因此3種淀粉的溶解度與膨潤力低;當(dāng)溫度大于初始糊化溫度且小于最終糊化溫度，淀粉粒吸收的能量可以破壞結(jié)晶膠束區(qū)的氫鍵，其溶解度與膨潤度均快速增加。3種淀粉升溫到90℃時溶解度和膨潤力都發(fā)生較大的變化。從圖1、圖2可知，溶解度為A淀粉＞B淀粉＞輕相淀粉;膨潤力為A淀粉＞B淀粉＞輕相淀粉。

2.3 淀粉糊的凍融穩(wěn)定性比較

淀粉糊經(jīng)冷凍、融解后，在結(jié)構(gòu)上會受到不同程度的破壞，表現(xiàn)為淀粉持水能力下降。淀粉和淀粉分子之間、淀粉分子和水分子之間的氫鍵維系著整個淀粉糊結(jié)構(gòu)，在淀粉的凍融過程，部分的氫鍵遭受破壞，特別是淀粉分子和溶液水分子的氫鍵。淀粉分子鏈趨向于平行排列。直鏈淀粉分子通過相互間生成氫鍵，重新排列和締合成結(jié)晶度較高的結(jié)構(gòu)發(fā)生沉淀，或是相互形成局部緊密集聚狀的不溶于水的非結(jié)晶狀凝膠，破壞了溶液的膠體性質(zhì)，這時體系會呈現(xiàn)絮狀或海綿狀結(jié)構(gòu)。

由圖3和表2中可知，淀粉糊在反復(fù)凍融的過程中，持水率逐漸下降。經(jīng)凍融1次可以看到B淀粉和輕相淀粉凍膠形狀基本完好，反有少量水析出，說明輕相淀粉和B淀粉糊的凍融穩(wěn)定性較好;而A淀粉凍膠則呈現(xiàn)出海綿狀，有較多水析出。經(jīng)5次反復(fù)凍融以后，輕相淀粉凍膠基本無水析出，而B淀粉和A淀粉凍膠仍有少量水析出。應(yīng)用于冷凍食品的淀粉糊，需要在低溫下冷凍，或者經(jīng)過多次的冷凍、融化，若淀粉糊的凍融穩(wěn)定性不好，經(jīng)冷凍和重新融化后，膠體結(jié)構(gòu)被破壞析出游離水分，使食品不能保持原有的質(zhì)構(gòu)，影響食品的品質(zhì)。輕相淀粉糊的持水性和凍融穩(wěn)定性較好，說明輕相淀粉可以運(yùn)用于冷凍食品的制作。

圖1 溫度對不同淀粉溶解度的影響

圖2 溫度對于不同淀粉膨潤力的影響

表2 不同淀粉糊的凍融穩(wěn)定性

2.4 淀粉的糊化特性分析

圖3 不同淀粉糊凍融后的持水率

圖4 三種淀粉的RVA譜圖

圖4 是3種淀粉的RVA圖譜。不同淀粉的黏度隨溫度的變化呈有規(guī)律的上升達(dá)峰值黏度，然后下降到達(dá)谷值黏度，接著再上升到達(dá)最終黏度，從而構(gòu)成RVA特征譜。表3為不同淀粉糊化過程中峰值黏度、谷值黏度、最終黏度等特征值，其中崩解值反映淀粉熱糊的穩(wěn)定性，即抗剪切和耐熱性能;回值則可衡量淀粉冷糊的穩(wěn)定性和老化趨勢［15］。從圖4和表3可知，輕相淀粉的崩解值小，表明其溶脹后的淀粉顆粒強(qiáng)度大，不易破裂，其熱糊穩(wěn)定性好。B淀粉崩解值相對較大，熱糊穩(wěn)定性較差，回值也較大。在A淀粉中，淀粉分子大，破壞淀粉分子的締合狀態(tài)所需的溫度高，糊化后淀粉顆粒的膨脹度高，吸收水分多，故A淀粉具有較高的峰值黏度和峰值溫度;而輕相淀粉顆粒小，在糊化過程中分子間及分子內(nèi)氫鍵易于斷裂形成膠體溶液，顆粒膨脹程度低，吸水量少，糊化后形成的體系黏度較A淀粉低很多。3種淀粉的成糊溫度在95℃左右，成糊溫度實(shí)際是黏度上升的溫度，這個溫度比真正的糊化溫度要高，特別是糊化時淀粉粒潤脹度較低的淀粉，這是淀粉黏度曲線的性能所決定的。一般來說，直鏈含量高、結(jié)晶度高、支鏈外鏈較長的淀粉晶體結(jié)構(gòu)堆積緊密，晶體熔解所需熱量大，導(dǎo)致糊化溫度較高［15］。

表3 不同淀粉糊化過程中的特征值

2.5 淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)

淀粉是典型的多晶體組成特征，當(dāng)?shù)矸垲w粒分散于水中并加熱到糊化溫度時，就會發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)化和糊化，這個過程伴隨著相變的吸熱現(xiàn)象，即淀粉樣品的相變吸熱峰主要是淀粉從多晶態(tài)到非晶態(tài)的相變所引起的。淀粉因其組分的不同、顆粒的緊密程度、分子大小(聚合度DP值)、直鏈淀粉與支鏈淀粉比例以及支鏈淀粉分支密度等不同，使得它們的熱力學(xué)性質(zhì)有差異。

表4顯示的是3種淀粉的熱特性參數(shù)。從表4中可以看出，輕相淀粉最易糊化，糊化起始溫度為58.71℃，峰值溫度為62.88℃。而B淀粉最難糊化，糊化峰值溫度為67.69℃，且糊化溫度范圍較寬。Tc-To的變化反映了淀粉顆粒內(nèi)結(jié)晶體差異的程度，如結(jié)

晶體大小、完善程度等，差異程度大，則Tc-To大，反之，Tc-To小。所以輕相淀粉的晶體差異介于A淀粉和B淀粉之間。

表4 淀粉的熱力學(xué)參數(shù)

2.6 淀粉糊酶水解動力學(xué)研究

圖5為在不同時間內(nèi)淀粉糊被混合水解酶水解的程度。從圖5中可以看出，在0～40 min內(nèi)，輕相淀粉糊在消化酶的作用下大部分轉(zhuǎn)化為了葡萄糖，在40～180 min內(nèi)，輕相淀粉糊消化率變化起伏不大。輕相淀粉糊的消化率高于A淀粉糊和B淀粉糊，且B淀粉糊的消化率在酶水解過程中均高于A淀粉糊。隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行水解率增長逐漸緩慢，最終將達(dá)到一個平衡值。

圖5 三種淀粉糊體外水解動力學(xué)

在模擬淀粉體外消化的過程中，有多種因素會造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果失真，用預(yù)測酶水解動力學(xué)模型能更好的反映實(shí)際情況。Goni［13］等報道淀粉水解曲線遵循一級反應(yīng)方程式:c=c∞×(l-e-kt)，且c∞≤100%，式中c∞為平衡濃度(%)，k為一級反應(yīng)動力學(xué)速率(min-1)。采用1stopt1.5對圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得出的方程特征參數(shù)見表5，用matlab數(shù)學(xué)軟件作出預(yù)測淀粉糊水解函數(shù)圖，見圖6。

表5 三種淀粉糊體外消化動力學(xué)擬合參數(shù)

為了能更精確地反映3種淀粉糊水解率變化的快慢，對水解函數(shù)求導(dǎo)，用matlab作出其導(dǎo)函數(shù)圖7。

通常以白面包消化曲線作為標(biāo)準(zhǔn)曲線，其血糖指數(shù)定位100。根據(jù)血糖指數(shù)可以將食品劃分為3類:高血糖指數(shù)食品(≥70);中等血糖指數(shù)食品(≥56和≤69);低血糖指數(shù)食品(≤55)［16］。

根據(jù)圖6得到3種淀粉糊的血糖指數(shù)見表6。經(jīng)過蒸煮處理過后的淀粉糊都屬于高血糖食品，但預(yù)測GI值:輕相淀粉糊＞B淀粉糊＞A淀粉糊，表明輕相淀粉糊在餐后能引起較高的血糖應(yīng)答。

圖6 三種淀粉糊預(yù)測水解動力學(xué)曲線

圖7 淀粉糊預(yù)測消化率變化率曲線

表6 三種淀粉糊的HI、GI實(shí)驗(yàn)測得和GI模型預(yù)測

3 結(jié)論

輕相淀粉與A淀粉和B淀粉相比，輕相淀粉透光率低，沉降體積較大，形成凝膠的能力最弱;其溶解度與膨潤力最低。3種淀粉在反復(fù)凍融的過程中，輕相淀粉表現(xiàn)出較好的凍融穩(wěn)定性，說明輕相淀粉可以運(yùn)用于冷凍食品的制作。RVA圖譜和DSC熱力學(xué)參數(shù)顯示，輕相淀粉的糊化溫度較低、崩解值較低、熱糊穩(wěn)定性較好。體外模擬3種淀粉糊的消化過程中，輕相淀粉糊的消化速率顯著快于A淀粉糊和B淀粉糊，最終水解率為91.35%，預(yù)測血糖指數(shù)(GI)值為103.3%，屬于高血糖指數(shù)食品，且比A和B 2種淀粉糊更能引起高的餐后血糖應(yīng)答。

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The Analysis of Physiochemical Properties of the Starch in the By-product Light Phase in Wheat Starch Processing by Decanter Centrifuge

Ma Xiao-jun，Xiong Jian
(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

In this paper，the light phase of the by-product in the process of wheat starch production by decanter centrifuge，was used as raw material.The physiochemical properties of starch made from it were studied and compared with other two kinds of starches(A-type，B-type)in the same production process.The results showed that the starch granules made from light liquid phase had much lower solubility and expanding capacity than starch granules of A-type and B-type starch.Besides，the starch paste had a inferior transparency，a larger sedimentation volume，a higher freeze-thaw stability and a much more easier to gelatinize;it also showed a worse resistance to the digestion enzymes，the most rapid digestion rate and the highest glycemic index in the prediction of blood sugar.

decanter centrifuge，light phase，starch，physiochemical and functional properties

碩士，副教授。

2010-12-09，改回日期:2011-02-15