油炸對馬鈴薯淀粉特性的影響

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(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院,河南鄭州 450002;2.華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510640)

油炸是一種傳統(tǒng)、快速且常用的食物烹飪方法,廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外食品工業(yè)中。油炸不僅可以殺滅食品中的微生物,還可以改善食物的風(fēng)味,油炸的快速高效更符合現(xiàn)代人的生活節(jié)奏,油炸可以用于制作面類、肉類和蔬菜等各種類型的食物。油炸食品因其金黃色的外觀、良好的口味及質(zhì)地而深受消費(fèi)者的喜愛[1]。Rimac-Brncic[2]等人認(rèn)為,油炸涉及到一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)過程,比如淀粉的糊化、蛋白質(zhì)的變性、水分的蒸發(fā)和外殼的形成等過程。對于富含淀粉的食品而言,影響油炸食品食用品質(zhì)變化的主要因素就是油炸過程中淀粉理化性質(zhì)的變化[3]。因此,研究油炸對淀粉性質(zhì)的影響從而控制油炸食品的品質(zhì)具有重要意義。

目前,油炸淀粉的研究還處于初步階段,國內(nèi)外學(xué)者通過油炸面制品或油炸掛糊食品,進(jìn)而從油炸過的食品或糊中提取出淀粉進(jìn)行研究[4-5],而采用直接油炸馬鈴薯純淀粉,并研究其特性的方法未見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)以馬鈴薯淀粉為原料,采用直接油炸淀粉的方法,研究不同油炸溫度對馬鈴薯淀粉顆粒形貌、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、透明度、凍融穩(wěn)定性等性質(zhì)的影響,以期改善油炸淀粉類食品的品質(zhì),提高淀粉的消化吸收率,并為淀粉的應(yīng)用提供新途徑。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

馬鈴薯淀粉(水分含量17%)(食品級) 固原長城淀粉有限公司;金龍魚食用調(diào)和油(食品級) 益海嘉里食品營銷有限公司;無水乙醇(分析純)、二氯甲烷(分析純) 天津富宇精細(xì)化工有限公司。

PhilipsXL-3型掃描電子顯微鏡 日本日立公司;BurkerD8型X-射線衍射儀、Vertex70型紅外光譜掃描儀 德國布魯克公司;BX51多功能光學(xué)顯微鏡 日本Olympus公司;Brabender 粘度儀 德國Brabender公司;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器責(zé)任有限公司;DL-1(220 V 2000 W)萬用電爐 北京中興偉業(yè)儀器有限公司;MX-S可調(diào)式混勻儀 大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器(北京)有限公司;LG10-24高速離心機(jī) 北京醫(yī)用離心機(jī)廠。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的制備 分別稱取5 g馬鈴薯淀粉,食用油585 g,在電爐上直接油炸淀粉,設(shè)定油炸溫度為120、140、160和180 ℃,時(shí)間3 min。將油炸過的淀粉先用二氯甲烷浸泡,萃取,除去大部分油脂,然后分別用二氯甲烷和無水乙醇進(jìn)行抽濾。將抽濾過的淀粉自然晾干,研磨用于測定。

1.2.2 淀粉樣品的掃描電鏡(SEM)觀察 測試前將淀粉樣品置于105 ℃烘箱中4 h,取2 mg樣品粘在導(dǎo)電膠上,進(jìn)行鍍金處理,然后將樣品臺(tái)放入掃描電子顯微鏡下觀察,并拍攝具有代表性的樣品顆粒形貌的照片[6]。

1.2.3 淀粉樣品的偏光十字觀測 用丙三醇和水的混合液(1∶1,v/v)配成1%的淀粉乳,加一滴于載玻片上,蓋上蓋玻片,在偏振光下觀察并拍攝淀粉的偏光十字圖片。

1.2.4 X-射線衍射(XRD)測試 取0.5 g淀粉樣品置于模具的圓形螺紋處,隨后用光滑的玻片壓平,用BurkerD8型X-射線衍射儀測定,所用波長為0.1542 nm的單色Cu-Kα射線。測試條件為:管壓30 kV,管流20 mA,掃描速度4°/min,掃描區(qū)域5～60°,采樣步寬0.04°,掃描方式為連續(xù),重復(fù)次數(shù)為1[7]。

1.2.5 傅里葉紅外光譜(FT-IR)測試 采用ATR附件法。測試條件:掃描波數(shù)范圍4000～400 cm-1,分辨率4 cm-1,掃描64次后取平均值得到樣品的紅外光譜圖[8]。

1.2.6 淀粉樣品粘度特性測定 測定條件:測量盒扭矩700 cm·g,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為75 r/min。測定步驟:準(zhǔn)確稱取6 g淀粉樣品(干基)于測量杯中,加入94 mL蒸餾水配制成濃度為6%淀粉乳,充分?jǐn)嚢杌靹蚝?將測量杯置于Brabender粘度儀的測量槽,從30 ℃開始以7.5 ℃/min速率升溫至95 ℃后維持5 min,然后冷卻至50 ℃,降溫速率為7.5 ℃/min,維持5 min。從Brabender粘度曲線上可以得到各特征粘度數(shù)值:起糊溫度、峰值粘度、崩解值、回生值。粘度單位為BU[9]。

1.2.7 淀粉樣品透光率測定 稱取一定量樣品配制成1%的淀粉乳,放入沸水浴中加熱糊化并保溫15 min,補(bǔ)充沸水以保持淀粉糊體積,然后冷卻至室溫,用分光光度計(jì)進(jìn)行測定。以蒸餾水為空白,使用1 cm比色皿,在620 nm處測其透光率[10]。

1.2.8 淀粉樣品凍融穩(wěn)定性測定 稱取一定量樣品配成6%的淀粉乳,在沸水浴中加熱糊化15 min,再自然冷卻。取20 mL糊化液倒入50 mL塑料離心管中,加蓋置于-15 ℃冰箱中冷卻,24 h后取出室溫下自然解凍,然后在3000 r/min條件下離心20 min,按以下公式計(jì)算凍融穩(wěn)定性[11-12]。

2 結(jié)果與分析

2.1油炸對淀粉顆粒外形特性的影響

圖1 天然淀粉和油炸淀粉的掃描電鏡圖(1000×)Fig.1 Scanning electron micrographs of native and the fried starch samples(1000×)注:A:天然馬鈴薯淀粉,B:120 ℃油炸淀粉,C:140 ℃油炸淀粉,D:160 ℃油炸淀粉,E:180 ℃油炸淀粉。

天然馬鈴薯淀粉和不同溫度油炸處理淀粉樣品的掃描電鏡圖片如圖1所示。由圖1可以看出,馬鈴薯原淀粉顆粒呈橢圓形,顆粒完整,表面光滑,油炸后大部分顆粒是完整的,部分淀粉顆粒外形發(fā)生了明顯的變化,出現(xiàn)凹陷、膨脹和破裂,這與張令文[3]和周靜舫[4]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。120～140 ℃少量淀粉顆粒出現(xiàn)膨脹、輕微破裂現(xiàn)象,160～180 ℃產(chǎn)生破裂、小孔的淀粉顆粒變多,破裂程度也變大。180 ℃油炸處理淀粉顆粒外形變化程度最為顯著。這可能是由于熱應(yīng)力的作用,經(jīng)高溫油炸處理的淀粉熱應(yīng)力超過了一定強(qiáng)度,淀粉發(fā)生變形,超過淀粉強(qiáng)度極限時(shí),淀粉破裂形成小孔。隨著油炸溫度的逐步升高,所產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大,這種變化越來越顯著。這與先前Andrade[13]對濕熱處理木薯淀粉的研究結(jié)果一致,濕熱處理過的淀粉顆粒表面上也有凹陷和突起。劉佳楠[14]等研究了微波處理對白高粱淀粉特性的影響,微波處理的白高粱淀粉也出現(xiàn)了膨脹和破碎。淀粉顆粒形態(tài)的變化會(huì)引起淀粉應(yīng)用性質(zhì)的變化,這對于控制淀粉類油炸食品的品質(zhì)具有重要意義。

2.2淀粉樣品的偏光十字觀察

淀粉顆粒內(nèi)部存在結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū),結(jié)晶區(qū)淀粉分子排列有序,非結(jié)晶區(qū)淀粉分子呈無序的排列,這兩種不同的結(jié)構(gòu)在密度和折射率上的差別,使得偏振光通過淀粉顆粒時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏光十字,淀粉顆粒的偏光十字變化可以反映淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了變化。在偏光顯微鏡下觀察淀粉顆粒呈現(xiàn)黑色的十字,將顆粒分成四個(gè)白色的區(qū)域,稱為偏光十字或馬耳他十字[15-16]。由于淀粉顆粒大小及螺旋結(jié)構(gòu)存在差異,不同淀粉顆粒的偏光十字所表現(xiàn)的形態(tài)、位置以及明顯程度不同。

圖2顯示了馬鈴薯原淀粉和油炸處理過樣品的偏光十字照片,原淀粉在偏振光下顯示出特征雙折射的馬耳他十字,其偏光十字交叉點(diǎn)偏向顆粒的一側(cè),呈“X”型,較小顆粒偏光十字交叉點(diǎn)位于中心點(diǎn)。120～140 ℃油炸淀粉偏光十字模糊,160～180 ℃樣品偏光十字減弱程度增強(qiáng),有些甚至消失,這說明油炸破壞了淀粉內(nèi)部的結(jié)晶結(jié)構(gòu)[17],淀粉分子內(nèi)部有序排列結(jié)構(gòu)被破壞,雙折射強(qiáng)度減弱,從而導(dǎo)致偏光十字的消失。且隨著油炸溫度的升高,這種破壞作用越強(qiáng)。淀粉結(jié)構(gòu)的破壞,更易于淀粉的消化吸收,由此可見,180 ℃油炸淀粉更易于人體的吸收。先前研究報(bào)道過偏光十字的消失與淀粉顆粒膨脹同時(shí)發(fā)生[14,18],這印證了掃描電鏡得到的結(jié)果。

圖2 原淀粉和處理淀粉的偏光十字照片(200×)Fig.2 Birefringence images of native and the fried starch samples(200×)

2.3油炸對淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響

天然馬鈴薯淀粉和不同溫度油炸處理淀粉樣品的X-衍射圖譜如圖3所示。從圖3中可以看出,天然馬鈴薯淀粉特征峰是5.6°、17.1°、22.3°、24.0°,是典型的B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。經(jīng)過油炸處理后,淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失。這可能是由于高溫破壞了淀粉的結(jié)晶區(qū),雙螺旋結(jié)構(gòu)遭到破壞[19]。這與前面偏光顯微鏡所得的結(jié)果一致。

圖3 天然淀粉和油炸淀粉的X-衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of native and the fried starch samples 注:a:天然馬鈴薯淀粉,b:120 ℃油炸淀粉,c:140 ℃油炸淀粉,d:160 ℃油炸淀粉,e:180 ℃油炸淀粉;圖4同。

2.4油炸淀粉的紅外圖譜分析

紅外光譜法是分析和檢測物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的重要方法之一,利用物質(zhì)中存在的官能團(tuán)在中紅外區(qū)有選擇性吸收這一特征,能夠確定物質(zhì)的組分、構(gòu)象、和構(gòu)型,是分析淀粉等有機(jī)高分子物質(zhì)的重要工具。天然馬鈴薯淀粉和不同溫度油炸處理淀粉樣品的紅外光譜如圖4所示,淀粉的紅外光譜中出現(xiàn)的1150、1080、1020 cm-1的吸收峰為C-O鍵的特征吸收峰,3000～3500 cm-1附近是O-H的伸縮振動(dòng)峰,2930 cm-1處的吸收峰對應(yīng)著C-H不對稱伸縮振動(dòng)峰[]。油炸淀粉與原淀粉的峰型重合度很高,沒有新的峰出現(xiàn),說明油炸處理不會(huì)破壞淀粉分子化學(xué)鍵,也沒有產(chǎn)生新的化學(xué)基團(tuán)。這與劉佳男[18]等研究微波熱處理對高粱淀粉的紅外分析結(jié)果一致。

圖4 天然淀粉和油炸淀粉的紅外光譜Fig.4 FT-IR spectra of native and the fried starch samples

表1 油炸處理對馬鈴薯淀粉粘度曲線關(guān)鍵點(diǎn)值的影響Table 1 Effect of frying on key point values of viscosity curve of starches

2.5淀粉樣品的糊化特性

圖5顯示了原淀粉和不同溫度油炸樣品的Brabender粘度曲線,粘度曲線各關(guān)鍵點(diǎn)值見表1。由圖5和表1可知,油炸淀粉峰值粘度、衰減值均小于原淀粉,且隨著油炸溫度的升高,粘度逐漸降低,這是因?yàn)橛驼ㄔ鰪?qiáng)了淀粉無定形區(qū)分子之間的作用力,使得顆粒結(jié)構(gòu)變得更加緊密,引起了加熱糊化時(shí)淀粉黏度的下降[21]。120～160 ℃最終粘度大于原淀粉,180 ℃最終粘度小于原淀粉,油炸溫度越高,無定型區(qū)重組形成的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。衰減值反應(yīng)了淀粉的熱糊穩(wěn)定性,經(jīng)油炸處理淀粉衰減值遠(yuǎn)小于原淀粉,說明油炸淀粉熱糊穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于原淀粉,回生值反映了淀粉冷糊穩(wěn)定性,油炸淀粉回生值小于原淀粉,說明油炸淀粉冷糊穩(wěn)定性優(yōu)于原淀粉,凝沉性減弱。這是因?yàn)橛驼ㄟ^程中油脂與淀粉的相互作用阻礙了凝沉的發(fā)生。蔡麗明[22]曾指出在直鏈淀粉凝沉和直鏈淀粉-脂類復(fù)合物的形成之間有一個(gè)競爭機(jī)制,直鏈淀粉-脂類復(fù)合物形成比淀粉凝沉更易發(fā)生。

圖5 油炸對馬鈴薯淀粉粘度曲線的影響Fig.5 Effect of frying on viscosity curves of potato starch samples

2.6淀粉樣品的透光率

透明度是淀粉糊所表現(xiàn)出的一個(gè)重要外在特征,淀粉用于食品中時(shí)會(huì)影響成品的外觀,而淀粉的透光率是重要的評價(jià)指標(biāo)。淀粉糊的透光率受多方面因素影響,淀粉糊化后,其分子重新排列相互締合的程度是影響淀粉糊透光率的重要因素[23-24]。圖6顯示了原馬鈴薯淀粉和不同溫度油炸處理淀粉樣品的透光率。由圖6可知,原淀粉透光率較大,油炸淀粉透光率較低,這是因?yàn)橛驼ê蠖讨辨湹矸鄯肿釉龆?顆粒分子間容易發(fā)生締合,使透光率降低,此外,脂類也可以降低淀粉的透光率[25-26]。

圖6 天然淀粉和油炸淀粉的透光率Fig.6 The transparency of native and the frying starch samples

2.7淀粉樣品的凍融穩(wěn)定性

淀粉作為增稠劑賦予食品黏潤、適宜的口感,但冷凍和解凍會(huì)使淀粉糊出現(xiàn)脫水收縮的現(xiàn)象,這是由于冷凍是一個(gè)劇烈的過程,會(huì)對淀粉糊的結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞,影響食品的質(zhì)構(gòu)[27]?？梢杂梦鏊实母叩蛠矸从车矸鄣膬鋈诜€(wěn)定性,析水率越低,凍融穩(wěn)定性越好。

原馬鈴薯淀粉及不同溫度油炸淀粉的凍融穩(wěn)定性變化如圖7所示。隨著油炸溫度的升高,油炸淀粉的析水率呈現(xiàn)增大的趨勢,且遠(yuǎn)大于原淀粉,可能是因?yàn)闃悠分兄辨湹矸酆扛?空間位阻變小,在低溫凍融的過程中,淀粉分子與水之間的作用力減弱,且溫度越高,這種作用力越弱,從而使油炸淀粉凍融穩(wěn)定性變差。這說明油炸淀粉類食品不適于冷凍。有研究報(bào)道,淀粉凍融穩(wěn)定性與淀粉中直、支鏈淀粉含量有關(guān),支鏈淀粉含量越高,形成的空間位阻越大,阻礙水分子析出[28-29]。這與透明度的研究結(jié)果一致。

圖7 天然淀粉和油炸淀粉的凍融穩(wěn)定性Fig.7 The freeze-thaw stability of native and the fried starch samples

3 結(jié)論

油炸使淀粉的顆粒形態(tài)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、透明度及凍融穩(wěn)定性等發(fā)生了顯著變化。與原淀粉相比,油炸淀粉顆粒出現(xiàn)凹陷、膨脹和破裂現(xiàn)象,隨著油炸處理溫度升高,樣品的偏光十字清晰程度減弱,甚至消失。樣品結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失,只包含非結(jié)晶區(qū)。油炸破壞了淀粉結(jié)構(gòu),且油炸溫度越高,樣品結(jié)構(gòu)破壞程度越強(qiáng),淀粉結(jié)構(gòu)的破壞,有助于提高淀粉的消化吸收率,這表明淀粉的最適油炸溫度是180 ℃。從紅外圖譜中發(fā)現(xiàn),油炸淀粉與原淀粉具有相似的主要特征吸收峰,油炸處理不會(huì)破壞淀粉分子化學(xué)鍵,也沒有產(chǎn)生新的化學(xué)基團(tuán)。經(jīng)過油炸處理后,淀粉樣品的透光率比原淀粉低。油炸淀粉凍融穩(wěn)定性極差,這說明油炸淀粉類食品不適于冷凍。

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