退火處理對(duì)葛根淀粉理化性質(zhì)的影響

霍曉慧，杜先鋒

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，安徽合肥 230036)

?

退火處理對(duì)葛根淀粉理化性質(zhì)的影響

霍曉慧，杜先鋒*

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，安徽合肥 230036)

將配制的一定濃度的葛根淀粉乳退火處理不同的時(shí)間,得到不同退火時(shí)間樣品。分析退火處理前后淀粉的表觀直鏈淀粉含量、膨潤力、溶解度、顆粒形貌、凍融穩(wěn)定性和結(jié)晶結(jié)構(gòu)等理化特性。結(jié)果顯示,退火處理使葛根淀粉膨潤力和溶解度降低,但峰值黏度和糊化溫度升高,退火處理提高了葛根淀粉糊的凍融穩(wěn)定性;然而退火處理并沒有改變葛根淀粉的顆粒形貌與結(jié)晶結(jié)構(gòu),僅是提高了葛根淀粉的相對(duì)結(jié)晶度。

退火,葛根淀粉,形貌,結(jié)晶性

葛根是多年生豆科藤本蔓生植物葛的塊根,其中含有大量的淀粉[1]。葛根淀粉有很多不同于其它淀粉的特殊性質(zhì),如凍融穩(wěn)定性好、透明度高等性質(zhì)[2]。但目前對(duì)葛根淀粉的研究僅局限于其物理化學(xué)特性的研究,關(guān)于對(duì)其改性的處理的研究并不深入,更何況目前淀粉在食品工業(yè)中的改性應(yīng)用研究主要是通過化學(xué)交聯(lián),酶解和酸解[3]等手段,物理改性方法則相對(duì)較少。退火是指使淀粉顆粒處于中等水分含量(40%～55%,w/v)或者過量(>60% w/v)的水中,溫度保持在低于淀粉糊化起始溫度To而高于淀粉玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的條件下對(duì)其進(jìn)行物理修飾的熱處理過程[4]。退火處理使淀粉分子發(fā)生重排,直鏈-直鏈、支鏈-支鏈、直鏈-支鏈淀粉雙螺旋形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[5-6]。

退火處理相對(duì)安全且符合現(xiàn)在人們對(duì)天然食品的追求的物理改性方法研究國內(nèi)幾乎沒有。通過退火調(diào)控,盡可能提高冷凍食品的玻璃化相變溫度,從根本上提高冷凍食品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性,延緩老化。目前關(guān)于退火處理對(duì)谷物淀粉和塊莖類淀粉的物理化學(xué)性質(zhì)影響研究較多[7-8],對(duì)于葛根的退火處理的研究很少。本研究為退火處理改變葛根淀粉的理化性質(zhì),提供相關(guān)的理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

葛根安徽霍山縣;直鏈淀粉標(biāo)品美國sigma公司;其它試劑均為分析純。

組織破碎機(jī),烘箱S-4800 型掃描電子顯微鏡日本日立公司;TTR-III X 射線衍射儀日本理學(xué)電機(jī)公司:RVA-4/ZM100 快速黏度儀澳大利亞Newport公司;ZD-85A氣浴恒溫恒速振蕩器江蘇金壇市金城國勝實(shí)驗(yàn)儀器廠。

1.2葛根淀粉制備

葛根淀粉的提取:新鮮葛根清洗去皮,切塊后迅速浸于蒸餾水中,把葛根塊放入組織破碎機(jī)低速研磨成漿,用雙層紗布把淀粉漿過濾之后,棄去泥沙等雜質(zhì),將淀粉反復(fù)離心(4000 r/min)水洗后置于真空干燥箱,在25 ℃條件下烘干,再經(jīng)研磨、過篩(200目),得備用葛根淀粉。

1.3退火處理葛根淀粉

配制濃度為20%的淀粉乳,在50 ℃下分別保溫24、72、120、168 h后,冷卻至室溫,用蒸餾水洗滌淀粉數(shù)次后抽濾,置于25 ℃真空干燥箱干燥。干燥樣品經(jīng)研磨、過篩(200目),得不同退火時(shí)間的葛根淀粉。

1.4表觀直鏈淀粉含量的測(cè)定

表觀直鏈淀粉含量的測(cè)定:采用碘結(jié)合比色法[9]。

1.5膨潤力與溶解度測(cè)定

準(zhǔn)確稱取1 g樣品五份,配制成2.0%(w/w)的淀粉乳,分別在55、65、75、85、95 ℃的恒溫水浴中加熱攪拌30 min。自然冷卻到室溫之后,4000 r/min離心20 min,取上清液在烘箱中110 ℃烘干至恒重[10]。運(yùn)用以下公式計(jì)算出溶解度(S)和膨潤力(B)[11-12],計(jì)算公式為:

式(1)

式(2)

式中,S-溶解度,%;B-膨潤力,%;A-上清液蒸干后質(zhì)量,g;P-離心后沉淀物質(zhì)量,g;W-淀粉樣品質(zhì)量,g。

1.6RVA黏度測(cè)定

稱取3.5g樣品于測(cè)量罐,加入25mL蒸餾水,用攪拌槳葉攪拌10～20次使樣品均勻分散于溶液中,選擇Standard1淀粉通用程序進(jìn)行測(cè)定:50 ℃保溫1min,以13 ℃/min的速度升溫到95 ℃,95 ℃保溫3min,再以13 ℃/min降溫到50 ℃保留3min,整個(gè)測(cè)定程序共13min[13]。

1.7顆粒形貌觀察

利用掃描電鏡(SEM)觀察葛根淀粉退火前后的顆粒形貌。將制備好的樣品均勻的敷在專用雙面膠上,在鍍金器中真空噴金兩次,每次50s。鍍金前用吸耳球吹去多余的淀粉,測(cè)定時(shí)選擇1.0kV電子槍加速,掃描拍照。

1.8凍融穩(wěn)定性的測(cè)定

分別稱取1g的葛根淀粉和退火24、72、120、168h的葛根淀粉,分別按以下方法處理。用蒸餾水將樣品配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的淀粉乳,加熱至100 ℃糊化保溫20min后,冷卻至室溫,取10mL糊液(m1)倒入離心管中,加蓋置于冰箱,在-18 ℃下冷凍24h,取出,自然解凍,在3000r/min下離心20min,棄去上清液稱重,按下式計(jì)算析水率。

式中:m0-離心管質(zhì)量,g;m1-冷凍前樣品與離心筒質(zhì)量,g;m2-棄去上清液后沉淀物與離心筒質(zhì)量,g。

1.9結(jié)晶度測(cè)定

將待測(cè)樣品置于樣品板凹槽內(nèi),用玻璃板緊壓,利用RigakuTTR-IIIX射線衍射儀(XRD)進(jìn)行測(cè)定。X-衍射管為銅對(duì)陰極,Ni過濾器,電壓40kV,電流200mA,掃描速率8 °/min,測(cè)量范圍3 °～50 °。相對(duì)結(jié)晶度的計(jì)算公式如下[14]:

相對(duì)結(jié)晶度(%)=Ac/(Ac+Aa)

Ac-X射線衍射圖上結(jié)晶區(qū)面積;Aa-X射線衍射圖上非晶區(qū)面積。

2　結(jié)果與討論

2.1退火對(duì)葛根淀粉表觀直鏈淀粉含量的影響

原葛根淀粉及退火24、72、120、168h葛根淀粉表觀直鏈淀粉含量如圖1所示。采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,退火處理后的葛根淀粉表觀直鏈淀粉含量顯著高于原葛根淀粉的表觀直鏈淀粉含量(p<0.05)。其中退火處理168h后的表觀直鏈淀粉含量達(dá)到最高,其次是退火處理120h后的,這兩個(gè)處理的表觀直鏈淀粉含量之間沒有顯著性差異,但都顯著高于退火處理72h和24h后的表觀直鏈淀粉含量。可能是由于支鏈淀粉在退火過程中發(fā)生側(cè)鏈斷裂產(chǎn)生的短鏈直鏈淀粉造成的,也可能存在部分直鏈淀粉的溶出。

圖1　不同退火時(shí)間對(duì)葛根淀粉表觀直鏈淀粉含量的影響Fig.1　Effect of different annealing time on the apparent amylose content of kudzu starch注:不同小寫字母代表差異顯著(p<0.05)。

圖2　不同退火時(shí)間對(duì)葛根淀粉膨潤力的影響Fig.2　Effect of different annealing time on the swelling power of kudzu starch

2.2退火對(duì)葛根淀粉膨潤力與溶解度的影響

退火對(duì)葛根淀粉的膨潤力與溶解度的影響如圖2,圖3所示。由圖2可見,原葛根淀粉的膨潤力從4.06%增至24.88%,退火24、72、120、168 h葛根淀粉的膨潤力分別從2.25%、2.70%、3.15%、3.15%增至24.35%、23. 45%、23.48%、21.20%。隨著退火時(shí)間的增加,退火葛根淀粉的膨潤力大體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),且葛根淀粉和退火葛根淀粉表現(xiàn)出相同的趨勢(shì);隨著溫度的升高,葛根淀粉和退火葛根淀粉的膨潤力和溶解度增大。結(jié)晶結(jié)構(gòu)完善和直鏈分子間的相互作用增強(qiáng)使得淀粉無定形區(qū)的水解降低,所以膨潤力降低[15]。由圖3可看出退火處理過的葛根淀粉溶解度比原淀粉小,退火處理使葛根淀粉溶解度降低。這表明了淀粉分子內(nèi)直鏈-支鏈和支鏈淀粉分子間鍵的相互作用,形成了更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)從而阻礙了直鏈淀粉分子的溶出[16]。

圖3　不同退火時(shí)間對(duì)葛根淀粉溶解度的影響Fig.3　Effect of different annealing time on the swelling power of kudzu starch

2.3退火對(duì)葛根淀粉糊化特性的影響

圖4和表1看出退火后葛根淀粉峰值黏度增大,退火時(shí)間72 h后的葛根淀粉樣品崩解值降低,糊化溫度和達(dá)到糊化峰值所需要的時(shí)間增加。經(jīng)過退火處理的淀粉,在退火過程中

表1　不同退火時(shí)間對(duì)葛根淀粉糊化特征值的影響

會(huì)重新排列分子鏈,增強(qiáng)了分子鏈之間的聯(lián)系,分子鏈間鍵的增強(qiáng)使淀粉顆粒破裂和糊的形成需要更多的熱量[17],所以退火淀粉糊化溫度要比原淀粉要高,并且達(dá)到峰值所需要的時(shí)間也會(huì)增加;退火處理也增加了淀粉的剛性和抗剪切性,隨著退火時(shí)間的增加,退火淀粉的淀粉糊峰值粘度都增大[18],淀粉在退火處理時(shí)增強(qiáng)了淀粉顆粒內(nèi)部化學(xué)鍵的強(qiáng)度和分子鏈之間的相互作用,在退火72 h最為明顯,崩解值降低,減少淀粉糊“稀懈現(xiàn)象”的發(fā)生[19]。

圖4　不同退火時(shí)間對(duì)葛根淀粉RVA曲線的影響Fig.4　Effect of different annealing timeon the RVA-curves of kudzu starch

2.4退火對(duì)葛根淀粉顆粒形貌的影響

由圖5可看出,葛根淀粉顆粒大多呈不規(guī)則多角形,少數(shù)呈橢球形。退火處理后葛根淀粉顆粒形貌無明顯變化,顆粒表面光滑、無微孔出現(xiàn)。Hoover等在退火對(duì)小麥、燕麥[20]等的物理化學(xué)特性研究中得出一致的結(jié)論。退火處理并沒有破壞葛根淀粉顆粒的外觀結(jié)構(gòu)[21]。

圖5　不同退火時(shí)間對(duì)葛根淀粉SEM的影響Fig.5　Effect of different annealing time on the SEM images of kudzu starch

2.5退火對(duì)葛根淀粉凍融穩(wěn)定性的影響

淀粉凍融穩(wěn)定性的好壞取決于其析水率的大小,析水率高說明淀粉的凍融穩(wěn)定性差。葛根淀粉和退火葛根淀粉的析水率測(cè)定結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示,經(jīng)退火處理后的析水率顯著低于原葛根淀粉的析水率(p<0.05),隨著退火時(shí)間的增加,葛根淀粉的析水率越小,處理168 h后的析水率最低,達(dá)到16.07%,說明退火改善了葛根淀粉的凍融穩(wěn)定性。淀粉在退火過程中保持了支鏈淀粉的層狀結(jié)構(gòu),然而退火改變了淀粉粒的無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)的微結(jié)構(gòu),從而控制食品的冰晶含量和最大程度的提高冷凍濃縮體系的玻璃化溫度,使冷凍食品具有更穩(wěn)定的質(zhì)構(gòu)[22]。

圖6　不同退火時(shí)間對(duì)葛根淀粉析水率的影響Fig.6　Effect of different annealing time on the freeze-thaw stability of kudzu starch

2.6退火對(duì)葛根淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響

退火葛根淀粉XRD曲線的影響如圖7所示。葛根淀粉和退火后淀粉在2θ為15 ° 和17 °處均有較強(qiáng)衍射峰出現(xiàn),結(jié)晶結(jié)構(gòu)均為C型結(jié)構(gòu)。通過Herman法[23]計(jì)算得葛根淀粉相對(duì)結(jié)晶度26.77%,退火24、72、120、168 h葛根淀粉的相對(duì)結(jié)晶度分別為28.31%、31.00%、32.15%和32.54%。退火處理沒有改變葛根淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu),而相對(duì)結(jié)晶度略有增加。相對(duì)結(jié)晶度的增加是由于在退火處理過程中水和熱的作用促進(jìn)淀粉晶體間雙螺旋位移導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重排,形成比原淀粉更為有序的晶體排列,反映了退火使晶體更加完善[24]。

圖7　不同退火時(shí)間對(duì)葛根淀粉XRD曲線的影響Fig.7　Effect of different annealing time on the XRD-curves of kudzu starch

3　結(jié)論

研究結(jié)果表明退火處理影響了葛根淀粉的膨潤力、溶解度、糊化性質(zhì)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)等物理化學(xué)性質(zhì),且隨退火時(shí)間的變化而不同。在相同溫度下退火葛根淀粉的溶解度和膨潤力比原葛根淀粉的小。退火處理后,葛根淀粉的表觀直鏈淀粉含量升高,峰值黏度升高,凍融穩(wěn)定性升高,糊化溫度和相對(duì)結(jié)晶度都有所增加。但退火處理并沒有改變葛根淀粉顆粒形貌和晶體結(jié)構(gòu),僅僅是使其晶體排列更加完善和穩(wěn)定。

[1]杜先鋒,許時(shí)嬰,王璋.葛根淀粉生產(chǎn)工藝的研究[J]. 中國糧油學(xué)報(bào),1998(5):28-32.

[2]杜先鋒,許時(shí)嬰,王璋. 淀粉凝膠力學(xué)性能的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2001,17(2):16-19.

[3]彭雅麗,吳衛(wèi)國. 國內(nèi)外變形淀粉發(fā)展概況及國內(nèi)研究趨勢(shì)分析[J].糧食科技與經(jīng)濟(jì),2010,35(3):15-53.

[4]H Jacobs,JA Delcour. Hydrothermal modifications of granular starch,with retention of the granular structure:A review[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,1998,46(8):2895-2905.

[5]R Hoover,T Vasanthan. Effect of heat-moisture treatment on the structure and physicochemical properties of cereal,legume and tuber starches[J]. Carbohydrate Research,1994,252(1):33-53.

[6]Amm Gomes,Cemd Silva,Nmps Ricardo et al. Impact of annealing on the physicochemical properties of unfermented cassava starch(“Polvilho Doce”)[J].Starch,2004,56(9):419-423.

[7]L Jayakody R Hoover. Effect of annealing on the molecular structure and physicochemical properties of starches from different botanical origins-A review[J]. Carbohydrate Polymers,2008,74(3):691-703.

[8]R Hoover. Composition,molecular structure,and physicochemical properties of tuber and root starches:A review. Carbohydrate Polymers,2001,45(3):253-267.

[9]PC Williams,FD Kuzina,I Hlynka. A rapid colorimetric method for estimating the amylose content of starches and flours[J]. Cereal Chemistry,1970,47(4):411-421.

[10]JT Schoch. Swelling power and solubility of granular starches. In R. L. Whistler(Ed.).[J]. Carbohydrate chemistry 1964,6(2):106-108.

[11]汪東風(fēng).食品化學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:57-60.

[12]ARG Dias,EDR Zavareze,F Spier,et al. Effects of annealing on the physicochemical properties and enzymatic susceptibility of rice starches with different amylose contents[J]. Food Chemistry,2011,123(3):711-719.

[13]American Association of Cereal Chemistry(AACC).Methods 61-02 for RVA[S]//Approved methods of the AACC.,1995.

[14]Xf Du,B MacNaughtan,Jr Mitchell. Quantification of amorphous content in starch granules[J].Food Chemistry,2011,127(1):188-191.

[15]Amm Gomes,Cemd Silva,Nmps Ricardo. Effects of annealing of the physicochemical properties of fermented cassava starch(polvilho azedo)[J].Carbohydrate Polymers,2005,60(1):1-6.

[16]Rn Wsduge,R Hoover,T Vasanthan,et al. Effect of annealing on the structure and physicochemical properties of barley starches of varying in amylose content[J]. Food Research International,2006,39(1):59-77.

[17]Ko Adebowale,T Henle,U Schwarzenbolz,et al. Modification and properties of African yam bean(Sphenostylis stenocarpa Hochst. Ex. A. Rich.)Harms starch. I:Heat moisture treatments and annealing[J]. Food Hydrocolloids,2009,23(7):1947-1957.

[18]H,Jacobs,Rc Eerlingen,W Clauwaert,et al. Influence of annealing on the pasting properties of starches from varying botanical sources[J]. Cereal Chemistry,1995,72(5):480-487.

[19]Cf Po Serrano. Modificao Hidrotérmica(Annealing)e Hidrólise Enzimática do Amido de Mandioca[J]. Brazilian Journal of Food and Technology,2005,8(1):220-232.

[20]R Hoover,T Vasanthan. The effect of annealing on the physicochemical properties of wheat,oat,potato and lentil starches[J]. Journal of Food Biochemisry,1993,17(5):303-325.

[21]H Jacobs,N Mischenko,Mhj Koch,et al. Evaluation of the impact of annealing on gelatinisation at intermediate water content of wheat and potato starches:A differential scanning calorimetry and small angle X-ray scattering study[J]. CarbohydrateResearch,1998,306(1-2):1-10.

[22]N Atichokudomchai,S Varavinit,P Chinachoti. A.study of annealing and freeze-thaw stability of acid-modified tapioca starch by differential scanning calorimetry[J]. Starch,2002(8):54,343-349.

[23]PH Hermans,A Weidinger. Quantitative X-Ray Investigations on the Crystallinity of Cellulose Fibers:A Background Analysis[J].Journal of Applied Physics,1948,19(5):491-506.

[24]RF Tester,SJJ Debon.Annealing of starch-A review[J]. International Journal of Biological Macromolecules 2000,27(1):1-12.

Effect of annealing treatment on physicochemical properties of kudzu starch

HUO Xiao-hui,DU Xian-feng*

(Anhui Agricultural University,School of Tea and Food Technology,Hefei 230036,China)

A certain concentration of the kudzu starch was subjected to annealing treatment at different time period.The effect of annealing on the physicochemical properties of the kudzu starch were investigated,including the apparent amylose content,swelling power,solubility,morphology,freeze-thaw stability and X diffraction structure. The results showed that the swelling power and solubility of kudzu starch were decreased,the peak viscosity and pasting temperature were increased,annealing enhanced the stability of the paste. However,annealing did not change the morphology and crystal structure,but also improved relative crystallinity.

annealing;kudzu starch;morphology;crystallinity

2016-03-01

霍曉慧(1990-),女,碩士,研究方向:天然產(chǎn)物功能與安全,E-mail:xiaohui.114@163.com。

杜先鋒(1963-),男,博士，教授,主要從事淀粉多糖等食品資源的研究,E-mail:dxf@ahau.edu.cn。

TS231

A

1002-0306(2016)17-0167-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.024