韌化及濕熱處理對(duì)大米淀粉理化特性和微觀結(jié)構(gòu)的影響

劉成梅,楊曉會(huì),鐘業(yè)俊,徐夢(mèng)涵

(南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330047)

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韌化及濕熱處理對(duì)大米淀粉理化特性和微觀結(jié)構(gòu)的影響

劉成梅,楊曉會(huì),鐘業(yè)俊*,徐夢(mèng)涵

(南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330047)

針對(duì)目前鮮有的韌化和濕熱處理對(duì)大米淀粉改性效果的對(duì)比研究,本文采用韌化及濕熱處理大米淀粉,對(duì)比分析韌化處理和濕熱處理對(duì)大米淀粉溶解度、膨脹度、消化性、糊化特性、微觀結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示,經(jīng)韌化處理后,淀粉溶解度、膨脹度及還原糖釋放率上升,凝膠強(qiáng)度升高,淀粉更易于糊化,但熱穩(wěn)定性降低;而經(jīng)濕熱處理后,淀粉溶解度、膨脹度和還原糖釋放率明顯降低,糊化凝膠強(qiáng)度減小,且更難于糊化,但淀粉的熱穩(wěn)定性提高,回生性降低。X-衍射分析表明,處理后大米淀粉依然為“A”型圖譜,但結(jié)晶度逐步下降,韌化處理1 d及濕熱處理6 h后降幅明顯。掃描電鏡顯示,棱角分明的淀粉顆粒經(jīng)韌化處理后,淀粉棱角逐漸熔化,顆粒逐步鏈狀粘結(jié)、團(tuán)聚鏈變長(zhǎng);而濕熱處理后淀粉顆粒逐漸熔化至融合。由此可知,高含水量淀粉經(jīng)熱處理后凝膠強(qiáng)度更高,溶解性及膨脹性更好;而較低含水量淀粉經(jīng)熱處理后消化性更低、熱穩(wěn)定性更好。

大米淀粉,韌化處理,濕熱處理,理化特性,微觀結(jié)構(gòu)

大米淀粉顆粒較為均一,比表面積大,且致敏性極低,口感細(xì)膩,易被人體吸收消化,這使得大米淀粉的開(kāi)發(fā)應(yīng)用備受青睞。然而,大米淀粉也具有凝膠不穩(wěn)定、易老化,溶解性及凝膠透明度差等局限性[1]。因此,對(duì)淀粉進(jìn)行改良,可拓寬淀粉應(yīng)用價(jià)值。目前,改性方法主要有物理、化學(xué)和生物酶法等[2],其中物理改性法主要包括超聲波處理、濕熱處理和韌化處理等[3]。

濕熱處理是指在少量水存在的狀況下(含水量小于35%),在一定溫度范圍內(nèi)(高于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度、低于糊化溫度)處理淀粉的一種物理方法[4],常用于淀粉改性。如蠟質(zhì)和非蠟質(zhì)玉米淀粉經(jīng)熔融溫度濕熱處理(水分含量20%)60 min后,消化性有所降低[5]。玉米淀粉(水分含量30%)經(jīng)濕熱處理(100 ℃,12 h)后,膨脹度和溶解度下降,對(duì)酶的敏感性提高[6]。大米淀粉(水分含量15%～25%)經(jīng)濕熱處理(110 ℃處理1 h)后,溶解度、膨脹度降低,糊化溫度和相對(duì)結(jié)晶度下降,對(duì)α-淀粉酶敏感性提高[7]。經(jīng)濕熱處理(含水量20%、微波濕熱60 min)后,糯性淀粉崩解值下降且淀粉顆粒大量聚集[8]。韌化處理是指在過(guò)量水分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于60%)時(shí),以高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度而低于糊化起始溫度對(duì)淀粉進(jìn)行的熱處理過(guò)程[9]。研究表明,韌化處理可使紅薯淀粉顆粒晶體增長(zhǎng)與完善[10]。

目前,有許多關(guān)于濕熱和韌化處理對(duì)淀粉改性的研究[11-12]。然而,還沒(méi)有關(guān)于韌化和濕熱處理對(duì)大米淀粉理化及結(jié)構(gòu)特性影響的對(duì)比研究。因此,本文研究韌化處理和濕熱處理對(duì)大米淀粉溶解度、膨脹度和體外消化性能的影響,表征淀粉糊化特性、微觀結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)的變化,為開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良、附加值高的大米改性淀粉提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

大米淀粉:含水量4.8%購(gòu)于江西金農(nóng)生物科技有限公司。α-淀粉酶(P7545,EC232-468-9)和淀粉葡萄糖苷酶(A7095,EC3.2.1.3)購(gòu)于西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司。

PYX-150H-B型智能編程恒溫恒濕培養(yǎng)箱韶關(guān)市科力實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌器上海申安醫(yī)療器械廠;SORVALL Biofuge Primo R冷凍離心機(jī)熱電(上海)科技儀器有限公司;TechMaster快速粘度測(cè)定儀RVA澳大利亞Perten公司;Quanta-200型掃描電子顯微鏡美國(guó)FEI公司;DI SYSTEM型X-衍射儀英國(guó)Bede公司;UV-1600紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)上海美普達(dá)儀器有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1淀粉的處理方法韌化處理:大米淀粉平鋪于潔凈白瓷盤(厚度10 mm),置于(45±1) ℃、濕度(80%±2%)的環(huán)境下分別處理1、2、3 d后取出,進(jìn)行紅外干燥(波長(zhǎng)275 μm、熱源溫度105 ℃)2 h,置于干燥器內(nèi),冷卻至室溫,檢測(cè)理化指標(biāo)。濕熱處理:將大米淀粉平鋪于潔凈白瓷盤(厚度10 mm),置于高壓蒸汽滅菌鍋(121 ℃、121 kPa)內(nèi)分別處理2、4、6 h后取出,進(jìn)行紅外干燥(波長(zhǎng)275 μm、熱源溫度105 ℃)2 h,置于干燥器內(nèi),冷卻至室溫,檢測(cè)理化指標(biāo)。

1.2.2溶解度和膨脹度的測(cè)定用蒸餾水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉乳,混勻,取50 mL在一定溫度下攪拌加熱30 min,于離心管中以3000 r/min離心20 min,將上清液置于105 ℃烘箱中蒸干,烘干至恒重,得被溶解淀粉量A;離心管中膨脹淀粉質(zhì)量表示為P,配制稱得的淀粉質(zhì)量為W,按下列公式計(jì)算其溶解度和膨脹度[13]:

溶解度S(%)=100A/W;

膨脹度B=P/[W×(100-S)]

1.2.3體外消化性能測(cè)定根據(jù)Englyst[14]和Ming Mao等[15]方法,稱取200 mg淀粉,加入15 mL pH為5.2的磷酸鹽緩沖液,并于37 ℃的水浴鍋中預(yù)熱5 min。然后加入在37 ℃預(yù)熱的5 mL豬胰α-淀粉酶(290 U/mL)和淀粉葡萄糖苷酶(15 U/mL)的混酶(酶活單位U定義為:在pH5.2,37 ℃條件下,在1 min內(nèi)水解釋放產(chǎn)生1.0 mg葡萄糖的酶量),立即置于37 ℃的水浴鍋中振蕩(150 r/min)并準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。在120 min時(shí)取出0.5 mL水解液,迅速加入4.5 mL的無(wú)水乙醇滅酶。吸取上層溶液,采用DNS法測(cè)定對(duì)應(yīng)樣品的葡萄糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)。各樣品重復(fù)測(cè)定3次。樣品消化速度用還原糖釋放率表示:

還原糖釋放率(%)=(取樣時(shí)間點(diǎn)時(shí)水解體系中的還原糖釋放量/總干物質(zhì)量)×100

1.2.4糊化性能測(cè)定采用快速粘度測(cè)定儀RVA,TCW配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,按AACC操作規(guī)程進(jìn)行測(cè)定。樣品含水量在14%時(shí)樣品量為3.0 g,蒸餾水25 mL。測(cè)定過(guò)程中罐內(nèi)溫度變化如下:50 ℃保持1 min,以12 ℃/min上升到95 ℃(3.75 min),95 ℃下保持2.5 min,以12 ℃/min下降到50 ℃(3.75 min),50 ℃下保持1.4 min。攪拌器在起始10 s內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)速率為960 r/min,以后保持在160 r/min[16]。

1.2.5掃描電鏡檢測(cè)根據(jù)Rengsutthi(2011)等[17]方法,采用Quanta-200型掃描電鏡對(duì)淀粉樣品進(jìn)行形貌觀察,樣品用雙面膠貼于一個(gè)圓形的樣品臺(tái)上進(jìn)行測(cè)定。然后在高真空,10.00 kv、2.5 kHz下采用環(huán)境掃描電鏡觀察。每個(gè)樣品取5000倍掃描圖。

1.2.6X-衍射測(cè)試條件電壓40 kV,電流40 mA,發(fā)散狹峰1°,防發(fā)散狹峰1°,接收狹峰0.5 mm,掃描步長(zhǎng)0.03°,起始角度5°,終止角度60°。根據(jù)衍射峰的強(qiáng)度,將所得衍射峰分為結(jié)晶和非結(jié)晶兩部分,結(jié)晶度為結(jié)晶峰的面積與總面積的比值[18]。

1.3統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)用SAS 9.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,每實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,用Duncan’s Multiple Range Test方法進(jìn)行顯著性分析,α=0.05。

2　結(jié)果與討論

2.1大米淀粉溶解度、膨脹度及消化性的變化

由表1可知,經(jīng)韌化處理后,淀粉溶解度及膨脹度升高,且隨處理時(shí)間延長(zhǎng)而逐步增大,表明淀粉與水的結(jié)合能力逐漸增強(qiáng),這可能是由于特定條件作用下淀粉分子斷裂,還原性羥基增多,水分子與羥基結(jié)合機(jī)會(huì)增多,從而使溶解度升高[19]。而經(jīng)濕熱處理后,淀粉溶解度和膨脹度均有所下降(p<0.05),且隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),淀粉溶解度和膨脹度越來(lái)越小,當(dāng)處理時(shí)間為6 h時(shí),大米淀粉的膨脹度已趨于穩(wěn)定。這可能是劇烈熱能和水分的共同作用,迫使淀粉內(nèi)部部分支鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂,造成溶解度和膨脹度下降[20]。這與徐忠等[21]報(bào)道相似,經(jīng)120 ℃濕熱處理6 h后,玉米、馬鈴薯和小麥淀粉的溶解性和膨脹性均有所下降。Zavareze等[7]研究表明,調(diào)節(jié)大米淀粉含水量(15%～25%),110 ℃處理1 h后,淀粉溶解度、膨脹度降低。

表1　韌化處理和濕熱處理對(duì)大米淀粉溶解度、膨脹度和還原糖釋放率的影響Table 1　Effects of annealing and heat-moisture treatment on solubility,swelling degree and reducing sugar release of rice starch

注:同行數(shù)據(jù),字母相同表示兩者差異不顯著(p>0.05),不同表示差異顯著(p<0.05)。

另一方面,韌化處理后大米淀粉還原糖釋放率略有上升(p>0.05),表明淀粉消化性略有提高,還原糖釋放速率加快。而濕熱處理后淀粉還原糖釋放率明顯下降(p<0.05),說(shuō)明淀粉體內(nèi)消化性降低,這可能是淀粉在濕熱和高壓環(huán)境作用下形成了更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[22]。Anderson等[5]采用微波加熱方式在淀粉熔融溫度(140 ℃)處理淀粉(含水20%)60 min后,發(fā)現(xiàn)非糯米淀粉和糯米淀粉的消化性分別下降了25%和10%。

2.2大米淀粉糊化特性的變化

如圖1所示,峰值粘度是淀粉糊化所能達(dá)到的最大粘度,是發(fā)生在粘度增加和粘度降低之間的平衡點(diǎn);最終粘度表明了物料在糊化冷卻后所形成凝膠的強(qiáng)度;糊化溫度是淀粉黏度開(kāi)始上升的溫度,能反映淀粉糊化的難易度[16]。由表2可知,韌化處理后,大米淀粉的峰值粘度、最低粘度、最終粘度和崩解值都顯著上升(p<0.05),而糊化溫度則略有下降(p>0.05),表明韌化處理后大米淀粉的凝膠強(qiáng)度增加,且淀粉更易于糊化[16],熱穩(wěn)定性降低[23]。類似的,Zavareze等[7]報(bào)道,大米淀粉(含水量15%～25%)在110 ℃處理1 h后,糊化溫度下降。

圖1　韌化處理(a)和濕熱處理(b) 對(duì)大米淀粉RVA粘度曲線的影響Fig.1　Effects of annealing(a) and heat-moisture treatment(b) on the viscosity curve of rice starch注：Ⅰ:原淀粉;Ⅱ:韌化處理1 d;Ⅲ:韌化處理2 d; Ⅳ:韌化處理3 d;Ⅴ:濕熱處理2 h; Ⅵ:濕熱處理4 h;Ⅵ:濕熱處理6 h，圖3同。

而經(jīng)濕熱處理后,大米淀粉的峰值粘度、最低粘度、最終粘度、崩解值和消減值則有所下降,且隨處理時(shí)間延長(zhǎng),效果更為明顯;糊化溫度上升,表明淀粉不易糊化;峰值粘度和最終粘度下降,說(shuō)明淀粉結(jié)合水的能力下降,糊化冷卻后形成凝膠的能力也有所降低[16];崩解值和消減值降低表明淀粉熱穩(wěn)定性上升,回生性下降[23]?？梢?jiàn),濕熱處理后,淀粉抗老化性能有所提高,且隨處理時(shí)間延長(zhǎng),淀粉水合能力和糊化凝膠強(qiáng)度不斷減小,熱穩(wěn)定性及回生性也逐漸降低。

2.3大米淀粉的微觀結(jié)構(gòu)

大米淀粉顆粒呈不規(guī)則的多角形,棱角分明(圖2a)。韌化處理后,部分顆粒棱角鈍化,出現(xiàn)熱力熔化現(xiàn)象,以及鏈狀粘結(jié);且隨著處理時(shí)間延長(zhǎng),淀粉顆粒粘結(jié)數(shù)量逐漸增多,鏈狀團(tuán)聚變長(zhǎng)(圖2b～圖2d)。此外,部分淀粉顆粒中出現(xiàn)凹陷(圖2b、圖2c中1所示)現(xiàn)象。這可能是由于淀粉在與水分作用時(shí),水分進(jìn)入淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)域,受到熱作用時(shí)淀粉顆粒發(fā)生膨脹,冷卻后在淀粉顆粒表面形成塌陷;而過(guò)剩的水分凝結(jié)在淀粉顆粒表面,受熱后淀粉顆粒間發(fā)生黏結(jié)現(xiàn)象[24]。

濕熱處理后,淀粉顆粒表面出現(xiàn)熔化,顆粒開(kāi)始黏結(jié)團(tuán)聚(如圖2e中2所示),處理6 h后淀粉顆粒出現(xiàn)熔融現(xiàn)象、顆粒間已無(wú)明顯分界(如圖2g中3所示)。在較高溫度作用下,熱能使得淀粉分子α-1,4和α-1,6糖苷鍵斷裂,改變了淀粉無(wú)定形區(qū)和雙螺旋結(jié)構(gòu)淀粉結(jié)構(gòu);而水分的存在有利于淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞,促進(jìn)淀粉分子鏈的移動(dòng),無(wú)定形區(qū)的淀粉分子更容易發(fā)生重排形成更多的結(jié)晶[25]。

表2　韌化處理和濕熱處理對(duì)大米淀粉糊化特征的影響Table 2　Effects of annealing and heat-moisture treatment on the pasting properties of rice starch

注:同列數(shù)據(jù),字母相同表示兩者差異不顯著(p>0.05),不同表示差異顯著(p<0.05)。

隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),淀粉顆粒內(nèi)部淀粉分子雙螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變程度加劇,因而產(chǎn)生更嚴(yán)重的熔融粘結(jié)現(xiàn)象。類似的Anderson等[8]報(bào)道,糯米淀粉(含水量20%)微波濕熱處理60 min后,淀粉顆粒大量聚集。羅志剛等[6]研究發(fā)現(xiàn),玉米淀粉(水分含量30%)經(jīng)濕熱處理(100 ℃,12 h)后,淀粉顆粒形狀保持不變、表面出現(xiàn)凹坑。楊秋實(shí)等[4]報(bào)道,淀粉濕熱處理10 h,淀粉粘結(jié)現(xiàn)象明顯,凹陷顆粒數(shù)量增加。趙佳[26]等報(bào)道,玉米淀粉(含水量30%)經(jīng)120 ℃處理10 h后,淀粉顆粒出現(xiàn)粘結(jié)。研究表明,水分能對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重要影響,水在受熱后形成水蒸氣進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部對(duì)淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,從而使淀粉的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化。在高壓條件下,水蒸氣更容易進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部產(chǎn)生作用,從而形成與其他研究不同的結(jié)果[27]。此外,這可能還與淀粉種類和種植環(huán)境不同有關(guān),以及濕熱處理程度有關(guān)。

圖2　韌化處理及濕熱處理對(duì)大米淀粉微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.2　SEM of original starch and annealing and heat-moisture treatmented rice starch注：a:原淀粉;b:韌化處理1 d; c:韌化處理2 d;d:韌化處理3 d; e:濕熱處理2 h;f:濕熱處理4 h;g:濕熱處理6 h。

2.4大米淀粉晶體機(jī)構(gòu)的變化

X-衍射結(jié)果顯示,經(jīng)韌化及濕熱處理后,大米淀粉在15°、17°和23°附近依然有明顯的峰值,且呈典型A型圖譜(圖3),這與文獻(xiàn)報(bào)道大米淀粉為典型的A型圖譜且2θ在15°、17°、18°和23°基本一致[28]。韌化及濕熱處理后,大米淀粉的結(jié)晶度均有所降低。韌化處理1 d后,淀粉結(jié)晶度顯著降低(p<0.05),延長(zhǎng)處理時(shí)間,結(jié)晶度的降低幅度變小(p>0.05)。而濕熱處理2 h和4 h時(shí),淀粉結(jié)晶度降低幅度不大(p>0.05),處理6 h時(shí)結(jié)晶度下降幅度增大(p<0.05)。這可能是高濕、高溫環(huán)境迫使大米淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)裂解,淀粉分子鏈的有序排布被打亂,造成其結(jié)晶度下降[29]。

圖3　韌化處理(a)和濕熱處理(b) 對(duì)大米淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響Fig.3　X-ray distribution of original rice starch and annealing and heat-moisture treatmented rice starch

3　結(jié)論

棱角分明的大米淀粉經(jīng)韌化處理后,淀粉顆粒棱角逐漸熔化、顆粒逐步團(tuán)聚粘結(jié),熱穩(wěn)定性降低、更易于糊化;而濕熱處理后大米淀粉顆粒逐漸熔化至融合,在此過(guò)程中熱穩(wěn)定性提高、難于糊化、且回生性降低。此外,大米淀粉經(jīng)韌化處理后溶解性及膨脹性更好,且凝膠強(qiáng)度更高;而經(jīng)濕熱處理后的大米淀粉熱穩(wěn)定性更高、消化性更低,這有利于控制餐后血糖水平的上升。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)大米淀粉的韌化處理鮮有報(bào)道,而濕熱處理的研究對(duì)象主要為玉米淀粉。本文對(duì)比研究了韌化和濕熱處理對(duì)大米淀粉改性效果和微觀結(jié)構(gòu)的影響,為完善水分控制對(duì)熱處理效果的影響機(jī)制,以及針對(duì)性地改善大米淀粉功能特性、拓展大米淀粉的應(yīng)用前景提供基礎(chǔ)。

表3　韌化處理和濕熱處理對(duì)大米淀粉結(jié)晶度的影響Table 3　Effects of annealing and heat-moisture treatment on the crystallinity degree of rice starch

注:字母相同表示兩者差異不顯著(p>0.05),不同表示差異顯著(p<0.05)。

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Effects of annealing and heat-moisture treatment on the rice starch physicochemical properties and microstructure

LIU Cheng-mei,YANG Xiao-hui,ZHONG Ye-jun*,XU Meng-han

(The National Key Laboratory of Food Science,Nanchang University,Nanchang 330047,China)

At present,there is little reports about the modification effects of annealing and heat-moisture treatment on the rice starch. In our research,rice starch was modified by annealing and heat-moisture treatment,the effects of annealing and heat-moisture treatment on the rice starch solubility,swelling degree,digestibility,pasting properties,microstructure and crystal structure were compared and analyzed. It was found that,after annealing,the solubility,swelling degree and reducing sugar release rate of rice starch were increased slightly,the starch gel showed higher strength,and it was easier to be pasted,but the thermal stability of rice starch was lower. While after heat-moisture treatment,the solubility,swelling degree and reducing sugar release rate of rice starch was found to be decreased significantly,the strength of its gel was lower,and it was also difficult to be pasted,but its thermal stability was higher and the retrogradation of starch was decreased. X-ray diffraction pattern showed that rice starch modified by these treatments still showed A-type crysatllinity,but its crystallinity was decreased gradually,and after annealing 1 d or being heat-moisture treated for 6 h,it fell significantly. The SEM results showed that,after annealing treatment,the starch angular began to melt,the particles gradually bonded together and formed a long-chain line,while after being heat-moisture treated,the starch particles gradually melted and fused. It was clear that the gel strength of starch with high moisture content was higher after heat treatment,and the solubility and swelling power was also better,but the digestibility of starch with low moisture content was lower after heat treatment,and the thermal stability was improved.

rice starch;annealing;heat-moisture treatment;physicochemical properties;microstructure

2015-06-25

劉成梅(1963-)，男，博士，教授，主要從事食品資源利用及開(kāi)發(fā)工作，E-mail：liuchengmei@aliyun.com。

鐘業(yè)俊(1982-)，男，博士，副教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品資源的開(kāi)發(fā)與利用研究，E-mail：zhongyejun@126.com。

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAD37B02-02)；農(nóng)業(yè)部熱帶作物產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(KLTCPP-201404)。

TS231

A

1002-0306(2016)05-0049-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.05.001