藜麥淀粉理化特性研究

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(1.鄭州輕工業(yè)學院食品與生物工程學院,河南鄭州 450002; 2.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南鄭州 450002)

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)又稱南美藜,屬于自花授粉類藜屬作物,原產(chǎn)于南美洲的安第斯山區(qū),是當?shù)氐闹饕Z食作物之一,被譽為“糧食之母”。1987年我國西藏農(nóng)牧學院和西藏農(nóng)科院開始藜麥的引種研究,目前在陜西、山西、青海、四川、浙江等地實現(xiàn)了小范圍適應性的種植。藜麥蛋白富含各種氨基酸,且氨基酸比例適當,并含有豐富的膳食纖維、碳水化合物和維生素,脂肪酸中約70%為不飽和脂肪酸[1]。因其豐富的營養(yǎng)價值,2008年藜麥成為世界十大營養(yǎng)食品之一。此外,藜麥還具有抗腫瘤[2]、抗氧化[3-4]、抗菌、增強免疫[5-6]、防治糖尿病[7-8]和心血管疾病[9-10]等多種生理活性功能。

我國是聯(lián)合國在全球對藜麥宣傳的5個站點之一,將大力推動藜麥在食品行業(yè)的應用,藜麥作為一種“健康食品”具有十分廣闊的市場前景。藜麥面粉具有良好的凝膠性、吸水性、乳化性和穩(wěn)定性[11],可與多種谷物面粉混合制作餅干、面包及其他加工食品。藜麥淀粉占藜麥營養(yǎng)物質的50%以上,其晶體特性、膨脹能力和凍融穩(wěn)定性等理化特性對于藜麥相關食品的加工至關重要。藜麥淀粉顆粒在外胚乳中以單獨形式和球形聚合物形式存在,平均分子量為11.3×106g/mol,支鏈淀粉含量較多。不同品種不同生長環(huán)境下的藜麥,其淀粉的顆粒形態(tài)及部分理化特性都存在著不同程度的差異。針對目前國內(nèi)外對藜麥的研究大部分集中在分子育種、營養(yǎng)評價等領域的現(xiàn)狀,對特定藜麥淀粉的提取工藝及理化性質的研究必不可少。本文以產(chǎn)自山西的白色藜麥為研究對象,研究了以不同方法提取的藜麥淀粉的結構特點及理化性質,以期為今后藜麥的全面運用以及相應產(chǎn)品的研發(fā)提供科學根據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

藜麥粉 山西稼祺藜麥開發(fā)有限公司;馬鈴薯淀粉和玉米淀粉 無錫圣倫特國際貿(mào)易有限公司;纖維素酶和中性蛋白酶 上海科豐實業(yè)有限公司;無水乙醇、氯化鈉、氫氧化鈉、碘和碘化鉀 天津市恒興化學試劑制造有限公司。

XQ200型多功能高速粉碎機 上海廣沙工貿(mào)有限公司;TU-1810型紫外可見分光光度計 北京萊伯泰科儀器有限公司;DZKW型電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫(yī)療儀器廠;BSA224S-CW型電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;RE-52AA型旋轉蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;掃描電子顯微鏡 日本日立公司;X-射線衍射儀 荷蘭帕納科公司;差示掃描量熱儀 德國耐馳儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 酶法提取藜麥淀粉 將藜麥粉與60%乙醇按1∶7的比例混合,50 ℃浸提3 h,去除可溶性物質。將浸提后的樣品在4000 r/min的轉速下離心10 min,取下層沉淀物,并用適量蒸餾水混合過100目篩,去除篩上的殘渣。將篩后樣品再次4000 r/min離心10 min,沉淀用適量質量分數(shù)為0.75%的NaCl溶液浸泡45 min,蒸餾水分別清洗4次,最后離心取其沉淀。在脫脂后的樣品中加入20 U/g纖維素酶,于45 ℃恒溫攪拌酶解3 h,將酶解后樣品再次以4000 r/min的轉速離心10 min。取離心后的最下層固體再次溶于水,將pH調到7,加入中性蛋白酶100 U/g,在45 ℃下攪拌酶解40 min。酶解后的樣品以4000 r/min的轉速離心20 min,取最下層白色物質并放入培養(yǎng)皿中在40 ℃的烘箱里烘干,得到粗淀粉。

1.2.2 堿法提取藜麥淀粉 將藜麥淀粉與質量分數(shù)為0.2%的NaOH溶液按照料液比為1∶3混合并浸泡24 h,然后過100目篩,去除篩上物。將過篩后的樣品在4000 r/min的轉速下離心20 min,刮去上層灰色物質,將底層白色物質分別用質量分數(shù)為5%的NaCl溶液洗滌5次,水洗5次,最后離心取其沉淀物上層,置于培養(yǎng)皿中放入40 ℃烘箱中熱風干燥,得到粗淀粉。

1.2.3 顆粒形態(tài)觀察 將雙面膠固定在樣品臺上,取少量淀粉均勻地灑在雙面膠上,隨后進行噴金處理。將樣品干燥一段時間,用掃描電子顯微鏡放大到適合的倍數(shù)察看,并拍攝具備代表性的淀粉顆粒形貌[12-13]。

1.2.4 晶體特性測定 利用X-射線衍射儀測定樣品的晶體特性。測定條件[14]:射線CuKa,石墨單色器濾色片,管壓40 kV,管流30 mA,發(fā)散狹縫1°,接受狹縫0.15 mm,散射狹縫1°,掃描速度2°/min,步寬(2θ)0.02°,掃描范圍5～40°。

1.2.5 溶解度與膨脹度測定 將淀粉配制成2%的懸濁液,分別在50、60、70、80、90 ℃的水浴中加熱15 min,并不斷搖晃,快速冷卻后,4000 r/min離心15 min,分離上清液至培養(yǎng)皿中,放入105 ℃烘箱中烘干稱重。烘干后的上清液質量即為水溶淀粉的質量A1,剩余下層部分則為膨脹淀粉的質量A2。溶解度(S)和膨脹度(B)分別按如下兩個公式計算[15]。

式(1)

式(2)

式中,m為淀粉樣品干重,g。

1.2.6 凝沉性測定 稱取1 g樣品配制成質量分數(shù)為1%的乳液,在95 ℃水浴中加熱糊化30 min并且不斷攪拌,經(jīng)過快速冷卻后,將淀粉糊倒入15 mL的具塞試管中,觀測淀粉糊的分層情況及界面下降的高度,并記錄靜置1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 h時上層液體積,上層液體積占淀粉糊總體積的百分比即體現(xiàn)淀粉的凝沉性[16]。

1.2.7 凍融穩(wěn)定性測定 配制質量分數(shù)為6%的乳液,在95 ℃下加熱糊化30 min,然后分裝到15 mL的離心管中,經(jīng)快速冷卻后,將樣品在-20 ℃條件下冷凍24 h或48 h,取出樣品,在自然條件下解凍6 h,4000 r/min離心15 min,倒掉上清液,稱取沉淀物質量,利用下式分別計算凍融24、48 h后的析水率。

式(3)

式中,m1為淀粉糊的質量,g;m2為沉淀物的質量,g。

1.2.8 透光度測定 將質量分數(shù)為1%的淀粉乳,置于沸水浴中不斷攪拌加熱糊化30 min,冷卻至室溫后,以蒸餾水做空白,在波長為650 nm處測定其吸光度,按下式計算透光度[17]。

透光度(%)=10(2-吸光度)

式(4)

1.2.9 老化值測定 配制質量分數(shù)為2%乳液,于沸水浴中加熱攪拌20 min,并注意調整保持淀粉糊濃度恒定。取10 g淀粉糊放入4 ℃冰箱內(nèi)冷藏,24 h后取出,在4000 r/min轉速下離心15 min,分離出的水量占淀粉糊總體積的百分比即體現(xiàn)淀粉的老化值[18]。

1.2.10 碘藍值測定 稱取1 mg淀粉,加入1 mL水調成淀粉乳,在70 ℃下水浴10 min。在淀粉乳中加入1 mL碘液(2 mg/mL碘,20 mg/mL碘化鉀),并用蒸餾水定容至100 mL。室溫靜置 20 min,在波長680 nm下測其吸光率[19]，按下式計算碘藍值。

碘藍值=吸光率×54.2+5

式(5)

1.2.11 熱特性測定 將淀粉與去離子水按1∶2的比例混合并置于鋁盒中,密封后平衡24 h。測定條件為:溫度范圍30～100 ℃;升溫速率10 ℃/min。將空盤作為對照,分別記錄起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)和熱焓值(ΔH)參數(shù)的大小[20]。

2 結果與分析

2.1 藜麥淀粉顆粒形態(tài)

由圖1可知,藜麥淀粉顆粒的形狀為多邊形,顆粒形狀均勻,但顆粒較小。其中堿提法淀粉的粒徑范圍在1.16～1.42 μm之間,且表面有破損痕跡,說明堿液提取法對藜麥淀粉顆粒造成一定程度的破壞。而酶法提取的藜麥淀粉顆粒外表相對光滑,粒徑范圍在1.15～1.97 μm之間。與藜麥淀粉相比,玉米淀粉顆粒的形狀大多為多邊形,粒徑范圍為7.32～18.65 μm,馬鈴薯淀粉顆粒的形狀大多為圓形或橢球形,粒徑范圍在6.53～21.87 μm之間。玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的顆粒形狀大小不均一,晶體表面均有凹坑,顆粒表面還有豐富的針孔。由此可知,淀粉的顆粒大小和形態(tài)應與植物的品種有關,并且存在著較大差異。

圖2 藜麥淀粉、玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的X-射線衍射圖Fig.2 X-ray diffraction spectrogram of quinoa starch,corn starch and potato starch

圖1 藜麥淀粉、玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Scanning electron microscope(SEM)results of quinoa starch,corn starch and potato starch

2.2 藜麥淀粉的晶體特性

天然淀粉的晶型主要被劃分為A型、B型和C型三種類型。對堿提法藜麥淀粉、酶提法藜麥淀粉、玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的晶體結構進行測定,其結果見圖2。由圖2可知,玉米淀粉的強衍射峰出現(xiàn)時,其2θ大約為17°,同時在15°和23°也會出現(xiàn)較強衍射峰,說明玉米淀粉晶體結構為A型。馬鈴薯淀粉在2θ分別6°、17°、20°和22°時均會出現(xiàn)強吸收峰,說明馬鈴薯淀粉晶體結構為B型。堿提法藜麥淀粉和酶提法藜麥淀粉在2θ為15°、17°和23°處有強吸收峰,說明藜麥淀粉與玉米淀粉的衍射峰非常相似,屬于A型結構。經(jīng)計算,玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、堿提法藜麥淀粉和酶提法藜麥淀粉的結晶度分別為39.96%、36.56%、39.60%、37.31%。說明同一植物不同的提取方法不會對淀粉的晶體特性造成影響。

2.3 藜麥淀粉的溶解度與膨脹度

溶解度和膨脹度可以反映以淀粉為原料的制品(如粉條、粉絲)在蒸煮過程中的糊湯和膨脹情況,對其蒸煮特性顯得尤為重要。淀粉糊的溶解度表示淀粉樣品在水中溶解程度的大小,膨脹度則是其糊化過程中的吸水特性和持水能力的體現(xiàn)。由圖3和圖4可以看出,四種淀粉的溶解度和膨脹度與溫度有明顯的關系。隨著溫度的升高,藜麥淀粉、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉的溶解度不斷增加;酶提法藜麥淀粉和馬鈴薯淀粉的溶解度和膨脹度從60 ℃之后開始增加,而玉米淀粉的溶解度和膨脹度均在大于70 ℃時開始提升,說明溶解度和膨脹度可能與淀粉的糊化溫度有關。

圖3 藜麥淀粉、玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的溶解度Fig.3 The solubility of quinoa starch, corn starch and potato starch

2.3.1 藜麥淀粉的溶解度 隨著溫度的升高,淀粉顆粒逐漸受熱而脹大,其溶解度也隨之增加。堿提法提取的藜麥淀粉含有纖維殘留物,使淀粉純度較低,其溶解度較大。馬鈴薯淀粉磷酸基的含量在主要糖料作物中最高[21],高濃度的磷酸基團使馬鈴薯淀粉與水分子具有更大的親和力,溶解度更高。酶提法藜麥淀粉的溶解度小于馬鈴薯淀粉的溶解度而高于玉米淀粉的溶解度。淀粉懸濁液的熱水合行為與多種因素有關,如熱穩(wěn)定性、溫度、顆粒分布、油脂含量以及直鏈、支鏈淀粉含量。與玉米淀粉相比,藜麥淀粉的膨脹度明顯較高,這是因為藜麥淀粉顆粒較小,更容易和水分子作用。

2.3.2 藜麥淀粉的膨脹度 由圖4可知,在60 ℃以下,淀粉幾乎不發(fā)生膨脹,變化差異很小,從70 ℃膨脹開始增加。這是因為一旦加熱溫度接近淀粉的糊化溫度,淀粉的微晶束結構逐漸變得疏松,淀粉的極性基團很容易與水充分結合,淀粉顆粒會快速吸收周圍的水分,從而膨脹度得以提高。淀粉的膨脹和溶解與直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例、分子大小、顆粒形態(tài)和磷脂化合物含量有一定關系,正是由于這些因素,使藜麥淀粉的溶解度和膨脹度雖然不如馬鈴薯淀粉,但優(yōu)于玉米淀粉。

圖4 藜麥淀粉、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉的膨脹度Fig.4 Swelling power of quinoa starch, corn starch and potato starch

2.4 藜麥淀粉的凝沉性

淀粉糊在室溫下放置一段時間后會逐漸渾濁,并逐漸發(fā)生分層現(xiàn)象,這是由于淀粉分子鏈展開后,一旦羥基暴露出來便很容易重新結合,形成的分子微晶束不溶于水,使得溶解度降低。如圖5所示,在整個凝沉過程中,玉米淀粉最先開始發(fā)生凝沉,凝沉速度幾乎呈線性增長,藜麥淀粉次之,從9 h后才開始發(fā)生凝沉,而馬鈴薯淀粉糊很穩(wěn)定,幾乎不發(fā)生凝沉。堿提法藜麥淀粉與酶提法藜麥淀粉的凝沉速度基本一致,說明提取方法不會對淀粉的凝沉特性造成影響。淀粉的凝沉特性與淀粉分子的結構有一定的關系。直鏈淀粉含量越高則發(fā)生凝沉,支鏈淀粉中分支結構會使淀粉發(fā)生凝沉的難度增加。玉米淀粉含有較多的直鏈淀粉,發(fā)生凝沉較快。馬鈴薯和藜麥淀粉中均含有較多的支鏈淀粉,但凝沉速度有所區(qū)別,可能與淀粉分子鏈長短有關。

圖5 藜麥淀粉、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉的凝沉性Fig.5 The retrogradation properties of quinoa starch,corn starch and potato starch

2.5 藜麥淀粉的凍融穩(wěn)定性

四種淀粉凍融2次后的析水狀況如圖6所示,淀粉的品種不同,則凍融析水率表現(xiàn)出較大的差異,析水率越大,凍融穩(wěn)定性越差。經(jīng)過一次凍融,馬鈴薯淀粉凍膠形狀基本完好,可以倒出少量的水,說明馬鈴薯淀粉的凍融穩(wěn)定性較好。而玉米淀粉經(jīng)過凍融后,其凍膠呈現(xiàn)出海綿狀,傾之有較多水析出,經(jīng)過反復2次仍有少量水析出,堿提法藜麥淀粉的析水率和玉米淀粉基本相同,且玉米淀粉和堿提法藜麥淀粉的凍融穩(wěn)定性最差。酶提法藜麥淀粉的凍融穩(wěn)定性介于玉米和馬鈴薯淀粉之間。

圖6 藜麥淀粉、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉的凍融穩(wěn)定性Fig.6 The freezing thaw stabilities of quinoa starch,corn starch and potato starch

2.6 藜麥淀粉的透光度

當光線穿過糊化的淀粉乳時會發(fā)生一些光學現(xiàn)象,如反射、折射和穿透,如果淀粉的品種和性質不同,則光線照射在淀粉糊上產(chǎn)生的反射、折射和穿透強度也不盡相同,透光率越大,說明淀粉的透明程度越高。堿提法藜麥淀粉、酶提法藜麥淀粉、玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的透光率如表1所示。馬鈴薯淀粉的透光率最好,相對來說比較透明。淀粉糊的透光率與淀粉的溶解度有關,馬鈴薯的淀粉顆粒較大,造成結構較為松散,且在熱水中糊化度高,使光線發(fā)生折射的淀粉顆粒較少。而藜麥淀粉的顆粒較小,淀粉受熱糊化后,分子重排締合程度較高,使得透明度降低[22]。

2.7 藜麥淀粉老化值

表1 藜麥淀粉、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉的透光度、老化值和碘藍值Table 1 The light transmittance,retrogradation value and iodine blue values of quinoa starch,corn starch and potato starch

淀粉老化的發(fā)生與時間相關聯(lián),一開始老化程度較快,隨著時間的增加老化速率逐漸減小。由表1可以看出,藜麥淀粉和玉米淀粉的老化值都明顯超過馬鈴薯淀粉。這可能是由于玉米淀粉中直鏈淀粉含量較高和藜麥淀粉的支鏈淀粉外側重結晶造成的,馬鈴薯淀粉中含有較多的磷酸酯,磷酸酯對淀粉老化起到了延緩作用。堿提法藜麥淀粉與酶提法藜麥淀粉的老化值有所差別,可能與淀粉的聚合度有關。

2.8 藜麥淀粉的碘藍值

碘藍值代表淀粉結合碘的能力,直鏈淀粉與支鏈淀粉的含量、側鏈長度或分子大小都會影響碘藍值的大小。如果直鏈淀粉能高度線性聚合,則會導致碘藍值增大。由表1可知,相比于玉米淀粉和馬鈴薯淀粉,藜麥淀粉的碘藍值最小,這說明藜麥淀粉的支鏈淀粉含量多。此外,酶提法藜麥淀粉的碘藍值比堿提法藜麥淀粉的大,這也說明了堿液有可能會影響直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量。

2.9 藜麥淀粉的熱性能

淀粉顆粒的緊密程度、分子大小、直鏈淀粉與支鏈淀粉比例能影響淀粉熱力學性能。由表2可知,馬鈴薯淀粉的糊化溫度低于玉米淀粉。其主要原因在于馬鈴薯的淀粉顆粒大,結構十分松散,很容易吸水脹大,不需要很高的溫度就可以形成糊狀。兩種不同方法提取的藜麥淀粉與馬鈴薯淀粉糊化溫度接近,酶提法藜麥淀粉的熱焓值比堿提法藜麥淀粉低,說明酶提法藜麥淀粉所需的熱量低。

表2 藜麥淀粉、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉的DSC曲線熱力學參數(shù)Table 2 DSC curve parameters of quinoa starch, corn starch and potato starch

3 結論

藜麥淀粉作為一種尚未完全開發(fā)利用的植物淀粉,具備較高的開發(fā)利用價值。本文研究結果表明,藜麥淀粉顆粒較小,為多邊形,晶體結構為A型,支鏈淀粉含量較高;堿法和酶法提取的藜麥淀粉在理化性質方面存在一些差異,并與玉米淀粉和馬鈴薯淀粉在溶解度、膨脹度、凍融穩(wěn)定性、凝沉特性、透光度、老化值、碘藍值和DSC曲線熱力學參數(shù)等方面存在不同程度的差別;這些差別均與每種淀粉的結構特征相關。雖然酶法提取的藜麥淀粉部分性質較堿法提取的要好,但仍需在不影響藜麥淀粉理化性質的基礎上進一步改進提取方法以降低成本。本文的研究為藜麥淀粉在食品行業(yè)中的應用奠定了理論基礎。

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