脫支秈米淀粉包合三種風(fēng)味物質(zhì)的研究

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

風(fēng)味成分是現(xiàn)代食品工業(yè)中不可或缺的重要組成部分,但由于其易揮發(fā)不穩(wěn)定,限制了其應(yīng)用發(fā)展。芳樟醇、庚醇和薄荷醇是三種典型的弱極性小分子風(fēng)味物質(zhì),常在食品加工中使用[1-2]。淀粉因其價(jià)格低廉,能形成相對穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)常作為壁材被廣泛應(yīng)用于風(fēng)味物質(zhì)的包合中[3]。秈稻在我國南部地區(qū)種植廣泛,曾作為南方的主要口糧,但秈米飯口感差,隨著人們生活品質(zhì)的提高,秈米在食用大米市場占有率日趨降低,更多的利用價(jià)值亟待開發(fā)[4]。

淀粉作為壁材包合風(fēng)味物質(zhì)一直是熱門研究方向,但對于優(yōu)化淀粉包合能力的研究鮮有報(bào)道。秈米淀粉作為包合壁材包合小分子風(fēng)味物質(zhì)的研究已有報(bào)道,但相對其他壁材種類,存在著包合率偏低的問題[5-6]。

直鏈淀粉分子易形成外親水內(nèi)疏水的螺旋空腔結(jié)構(gòu),因而高直鏈淀粉對風(fēng)味物質(zhì)的包合效率高,更容易保持揮發(fā)性的風(fēng)味成分[7]。本實(shí)驗(yàn)采用異淀粉酶脫支糊化后的秈米淀粉,得到一定程度水解的同時(shí)提高秈米淀粉中直鏈淀粉分子的含量。以包合率作為標(biāo)準(zhǔn),通過單因素和正交試驗(yàn)優(yōu)化酶解參數(shù),得到更適合芳樟醇、庚醇、薄荷醇的秈米淀粉包合材料,為秈米淀粉作為其他風(fēng)味成分的包合壁材提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

秈米淀粉 直鏈淀粉含量17.1%，合肥市金玉超食品有限責(zé)任公司,市售;異淀粉酶(115 U/mg)、芳樟醇、庚醇、薄荷醇 西格瑪奧德里奇公司,分析純;無水乙醇、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉等其他化學(xué)試劑 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,分析純 。

DK-S26型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;KQ-250DE型數(shù)控超聲波清洗機(jī) 昆山市超聲儀器有限公司;FD-1A-50型冷凍干燥機(jī) 北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;7890A氣相色譜儀 美國安捷倫科技有限公司;IS50傅立葉變換紅外光譜儀 美國尼高力儀器公司;S-4800掃描電鏡 日本日立公司;Q500熱重分析儀 美國TA公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 脫支淀粉的制備 稱取一定量秈米淀粉置于10 mL pH5.8磷酸緩沖液的20 mL具塞試管中,振蕩均勻,沸水浴10 min,完全糊化后取出冷卻至50 ℃,根據(jù)底物質(zhì)量加入一定比濃度異淀粉酶溶液(115 U/mg)1 mL,振蕩均勻后50 ℃水浴反應(yīng)一定時(shí)間,結(jié)束脫支后將試管置于沸水浴中5 min,滅活異淀粉酶,系統(tǒng)冷卻至室溫后轉(zhuǎn)移至20 mL離心管,然后在-4 ℃,4500 r/min條件下離心10 min。取沉淀去蛋白處理后用離子水清洗。冷凍干燥后封裝,低溫干燥條件下保存待用。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn) 采用單因素實(shí)驗(yàn)研究脫支過程中的脫支時(shí)間、酶濃度以及底物濃度對包合率的影響。研究脫支時(shí)間對包合率的影響時(shí),酶濃度固定在30 mg/g,底物濃度固定在0.03 g/mL,脫支時(shí)間參數(shù)水平分別為10、20、30、40、50 min;研究酶濃度對包合率的影響時(shí),脫支時(shí)間固定在30 min,底物濃度固定在0.03 g/mL,酶濃度參數(shù)水平分別為10、20、30、40、50 mg/g;研究底物濃度對包合率的影響時(shí),脫支時(shí)間固定在30 min,酶濃度固定在30 mg/g,底物濃度參數(shù)水平分別為0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 g/mL。

1.2.3 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,取每個(gè)因素最佳水平的前后兩個(gè)水平進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1～表3所示。

表1 芳樟醇包合壁材正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 1 Orthogonal experimental design of linalool-wall material

表2 庚醇包合壁材正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 2 Orthogonal experimental design of heptanoll-wall material

表3 薄荷醇包合壁材正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 3 Orthogonal experimental design of menthol-wall material

1.2.4 包合壁材的基本性質(zhì)測定 根據(jù)正交試驗(yàn)優(yōu)化后的脫支工藝參數(shù)制備脫支淀粉,測定其基本性質(zhì),采用雙波長比色法[8]測定直鏈淀粉含量,采用DNS比色法測定水解度,溶解度的測定參考Yang的方法[9]。

1.2.5 包合物的制備 采用超聲波輔助共沉淀法[10-11],稱取0.2 g壁材于盛有10 mL蒸餾水的20 mL具塞試管中。沸水浴60 min后冷卻至50 ℃,渦旋振蕩1 min,加入20 μL芳樟醇或庚醇或薄荷醇,封口密封后渦旋振蕩1 min。將試管置于50 ℃超聲波清洗機(jī)中處理30 min。冷卻至室溫,將反應(yīng)系統(tǒng)置于4 ℃冰箱中保存12 h后轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)皿中,保鮮膜密封于-18 ℃條件下保存24 h。取出后在保鮮膜上扎孔若干,冷凍干燥24 h得到固體包合物。將包合物置于盛有P205的干燥器中2 h以消除可能殘留的水分,儲存于密封瓶置于4 ℃冰箱中。

1.2.6 包合物中風(fēng)味物質(zhì)含量的測定 采用氣相色譜的方法[12-13]。取60 mg待測包合物樣品于盛有7 mL無水乙醇的50 mL離心管中,旋緊管蓋后用封口膜密封,渦旋至均勻狀態(tài)。將離心管置于超聲波清洗器中,40 ℃條件下作用30 min,使風(fēng)味物質(zhì)充分被提取至溶劑層中,冷卻至室溫后6000 r/min,4 ℃條件下離心10 min。取上清液使用氣相色譜儀檢測,將計(jì)算的特征峰面積參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)曲線(使用不同濃度風(fēng)味物質(zhì)標(biāo)品的無水乙醇溶液制作)比對后定量:芳樟醇標(biāo)曲:y=1291.1x-0.59524,R2=0.9999;庚醇標(biāo)曲:y=1210.5x-17.257,R2=0.9956;薄荷醇標(biāo)曲:y=174.62x-66.32,R2=0.9995,其中y為峰面積,x為風(fēng)味物質(zhì)濃度(芳樟醇、庚醇為μl/mL,薄荷醇為μg/mL)。

氣相色譜儀的檢測參數(shù)為:載氣為氦氣,流速1 mL/min,線速度40 cm/s;進(jìn)氣分流比50∶1;檢測器為氫焰離子化檢測器(FID);進(jìn)樣口溫度:250 ℃,檢測器溫度:300 ℃;升溫程序:柱箱溫度在50 ℃下保持1 min后每分鐘升溫25 ℃至100 ℃,再以每分鐘7 ℃升溫至240 ℃并持續(xù)1 min。

包合率(IEF,%)=包合物中的風(fēng)味物質(zhì)含量/初始添加量×100

1.2.7 掃描電鏡分析 三種風(fēng)味物質(zhì)包合物和它們的包合壁材的掃描電鏡圖通過S-4800掃描電鏡儀獲得。將樣品通過導(dǎo)電雙面膠固定于樣品載體片上,氣流吹去未穩(wěn)定粘合的樣品,噴鍍鉑金粉后放入機(jī)器準(zhǔn)備觀察。觀察時(shí)放大倍率為2000,壓力3.0 kV[14]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均使用Origin 8.0及Excel 2007軟件進(jìn)行分析處理,試驗(yàn)結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 酶濃度對脫支淀粉包合率的影響 圖1為酶濃度單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,隨著酶濃度增大,脫支淀粉與風(fēng)味物質(zhì)所形成包合物的包合率均呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢,酶濃度為20 mg/g時(shí),芳樟醇包合物取得最高包合率78.12%,當(dāng)酶濃度增大到30 mg/g時(shí),包合率出現(xiàn)下降,酶濃度繼續(xù)增大包合率降幅較小;酶濃度由10 mg/g增加至30 mg/g時(shí),庚醇包合物的包合率持續(xù)呈近似線性增大,并在30 mg/g酶濃度時(shí)取得最高包合率73.64%,酶濃度繼續(xù)增大,包合率持續(xù)降低;薄荷醇包合物的包合率隨酶濃度上升變化幅度較小,酶濃度為40 mg/g時(shí),取得最高包合率81.26%,由圖1可得,芳樟醇與庚醇對壁材脫支時(shí)酶濃度這一條件的變化反應(yīng)更為劇烈,當(dāng)酶解程度過大,包合率降幅較大,薄荷醇包合物則更為平緩。

圖1 酶濃度單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Single factor experiments results of enzyne concentration

2.1.2 底物濃度對脫支淀粉包合率的影響 圖2為底物濃度單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,隨著壁材與芯材的質(zhì)量比不斷增大,三種風(fēng)味物質(zhì)包合物的包合率呈先增大再減小的趨勢,三種風(fēng)味物質(zhì)包合物的包合率均在底物濃度為0.04 g/mL時(shí)取得最大值,分別為芳樟醇包合物78.50%,庚醇包合物68.67%,薄荷醇包合物83.51%,由圖可得,當(dāng)?shù)孜餄舛葹樽畹椭?.01 g/mL時(shí),三種風(fēng)味物質(zhì)取得的包合率均偏低,隨著底物濃度的增大,漲幅較大,說明此參數(shù)水平對包合率影響較大,當(dāng)?shù)孜餄舛壤^續(xù)增大到0.05 g/mL時(shí),庚醇包合物包合率出現(xiàn)較明顯下降,芳樟醇次之,薄荷醇降幅最小,反映了芳樟醇和庚醇對壁材脫支程度的敏感度高于薄荷醇。對不同的風(fēng)味物質(zhì),取得最高包合率的參數(shù)值不完全相同,不同風(fēng)味物質(zhì)對壁材的要求有差異性。

圖2 底物濃度單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Single factor experiments results of substrate concentration

2.1.3 脫支時(shí)間對脫支淀粉包合率的影響 圖3為脫支時(shí)間單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,脫支時(shí)間由10 min增加至50 min,三種風(fēng)味物質(zhì)包合物的包合率呈先增大再減小的趨勢,酶解時(shí)間為20 min時(shí)芳樟醇和庚醇的包合物取得最高包合率,分別為76.63%和74.38%,當(dāng)脫支時(shí)間繼續(xù)增加,芳樟醇與庚醇包合物的包合率均持續(xù)下降,而薄荷醇包合物則繼續(xù)升高,在脫支時(shí)間為30 min時(shí)取得最大值86.50%,可見薄荷醇相比芳樟醇和庚醇,更適應(yīng)脫支程度較高的壁材。

圖3 脫支時(shí)間單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Single factor experiments results of debranching time

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過正交試驗(yàn)的方法繼續(xù)優(yōu)化壁材的制備參數(shù),使其包合對應(yīng)的風(fēng)味物質(zhì)時(shí)取得相對較高的包合率。芳樟醇包合物正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示,試驗(yàn)組中因素水平取A2B2C3時(shí)取得最大包合率79.50%,根據(jù)k值得最佳組合水平為A2B2C2,通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得因素水平取A2B2C2時(shí)的包合率為78.62%,因此最佳因素水平為A2B2C3。最高包合率為79.50%。由極差R可得,A、B、C三個(gè)因素對包合率的影響程度大小順序?yàn)锳>B>C,也就是脫支時(shí)間>底物濃度>酶濃度。芳樟醇包合壁材的最佳脫支工藝參數(shù)為:脫支時(shí)間20 min,底物濃度0.04 g/mL,酶濃度 30 mg/g。

表4 芳樟醇包合物正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of orthogonal array design of linalool-complex

庚醇包合物正交試驗(yàn)得結(jié)果如表5所示,在試驗(yàn)組中因素水平取A2B1C2時(shí)取得最大包合率75.50%,根據(jù)k值得最佳組合水平為A2B2C3,取得包合率69.79%,因此最佳因素水平為A2B1C2,最高包合率為75.50%。由各因素的極差R可得,各因素對庚醇包合率的影響大小順序?yàn)锳>C>B,脫支時(shí)間>酶濃度>底物濃度,庚醇包合材料制備的最佳工藝參數(shù)為脫支時(shí)間20 min,底物濃度0.03 g/mL,酶濃度30 mg/g。

薄荷醇包合物正交試驗(yàn)得結(jié)果如表6所示,通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得試驗(yàn)組中因素水平取A2B3C1時(shí)取得最大包合率87.38%,根據(jù)k值得最佳組合水平為A2B2C2,通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得因素水平取A2B2C2時(shí)的包合率為74.07%,因此最佳因素水平為A2B3C1,最高包合率為87.38%。由極差R可得,A、B、C三個(gè)因素對包合率的影響程度大小順序?yàn)镃>B>A,即酶濃度>底物濃度>脫支時(shí)間,薄荷醇包合壁材的最佳脫支工藝參數(shù)為:脫支時(shí)間30 min,底物濃度0.05 g/mL,酶濃度30 mg/g。

表6 薄荷醇包合物正交試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of orthogonal array design of menthol-complex

經(jīng)過正交試驗(yàn)優(yōu)化壁材的制備參數(shù)后,三種風(fēng)味物質(zhì)包合物能達(dá)到本試驗(yàn)的最高包合率:分別是79.50%(芳樟醇)、75.50%(庚醇)和87.38%(薄荷醇)。如表7所示,在對照試驗(yàn)中使用糊化后的秈米原淀粉包合這三種風(fēng)味物質(zhì)得到的包合率分別為:59.93%(薄荷醇)、55.71%(庚醇)、58.28%(薄荷醇)。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到,經(jīng)過異淀粉酶適度脫支水解后的秈米淀粉的包合能力得到了顯著提高;每種風(fēng)味物質(zhì)的理化性質(zhì)有差別,對最適壁材的要求也有所不同,經(jīng)過試驗(yàn)優(yōu)化后的壁材更滿足對其包合的要求[15-16]。

表7 秈米脫支淀粉與原淀粉包合率結(jié)果比較Table 7 The comparation reaults of inclusion ratio between Indica rice starch and debranched indica rice starch

2.3 包合壁材基本性質(zhì)測定

芳樟醇、庚醇以及薄荷醇的包合壁材的直鏈淀粉含量、溶解度以及水解程度如表8所示。試驗(yàn)所用秈米原淀粉的直鏈含量為17.10%,經(jīng)異淀粉酶的脫支處理,包合壁材的直鏈淀粉含量增大,提供更多的疏水空腔以滯留小分子成分。秈米淀粉不溶于水,溶解度的提高可以擴(kuò)大應(yīng)用范圍,提升口感,但易吸水受潮影響貯藏。DE值被用來表征淀粉水解程度,異淀粉酶發(fā)揮脫支作用的同時(shí)水解淀粉分子,縮短分子鏈長。降解淀粉基材料被用作包合壁材時(shí)DE值需要被控制在合適的指標(biāo)范圍內(nèi),揮發(fā)物的保留值與載體DE有著直接關(guān)系,一定范圍內(nèi)保留值隨著DE值的增加而增加[17-18]。但過高的水解程度使得粉末喪失自由流動能力的相對濕度變低,研究表明原淀粉抗水分濕度的臨界值為RH70,DE值5的淀粉水解物抗水分濕度的臨界值為RH68,而DE值20的淀粉水解物抗水分濕度的臨界值則降低到RH32[17]。本文中經(jīng)正交試驗(yàn)優(yōu)化后的脫支淀粉水解程度控制在DE值10～20之間,既可以發(fā)揮保護(hù)功能,又能在正常的水分濕度下保存,因此本課題制備的壁材在DE值方面的評價(jià)是良好的。

表8 包合壁材基本性質(zhì)測定結(jié)果Table 8 Determination of basic properties of wall materials

2.4 SEM分析

掃描電鏡結(jié)果如圖4所示。掃描電鏡觀察了芳樟醇包合物、庚醇包合物、薄荷醇包合物以及它們的包合壁材的表面形態(tài)學(xué)特征和差異。經(jīng)過脫支后的秈米淀粉為無定型的片層結(jié)構(gòu),這種片層結(jié)構(gòu)表面不光滑,有褶皺和凹凸形態(tài)的存在,厚度不均勻,而且有很多的彎曲重疊的結(jié)構(gòu)存在,突出了玻璃態(tài)無定型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),有相似研究表明這種玻璃態(tài)無定型的褶皺能對小分子風(fēng)味物質(zhì)起到較好的保護(hù)作用[19]。在脫支反應(yīng)之前,進(jìn)行了淀粉的糊化,糊化極大地破壞了淀粉的晶體結(jié)構(gòu),使完整的立體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型全部散開成為較為均勻平滑的片層結(jié)構(gòu),再經(jīng)過脫支秈米淀粉組成發(fā)生變化,聚合度分布范圍跨度較大[20-21],使得形成的物質(zhì)形態(tài)結(jié)構(gòu)更趨向于無定型結(jié)構(gòu)。樣品脫支程度控制在DE值10～20,長鏈淀粉分子仍然占據(jù)總體的大部分,分解出來的小分子成分依附在主鏈結(jié)構(gòu)的表面,這種粘附是隨機(jī)的,因此可以觀察到壁材表面并不平滑,觀察到不同部分的形態(tài)和質(zhì)地有差別。

圖4 包合壁材以及包合物的SEM圖Fig.4 SEM micrographs of wall-materials and inclusion complexes注:a1芳樟醇包合壁材;a2芳樟醇包合物;b1庚醇包合壁材;b2庚醇包合物;c1薄荷醇包合壁材;c2薄荷醇包合物。

對比包合物與包合壁材,觀察到包合物的表面多出很多的孔洞結(jié)構(gòu),有一部分是未穿透的孔洞結(jié)構(gòu)。根據(jù)張舒[6]、黃惠芳等[8]研究,這些孔洞結(jié)構(gòu)可能表征了包合物中風(fēng)味物質(zhì)分子的釋放活動。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明,使用酶活力為115 U/mg的異淀粉酶對秈米淀粉進(jìn)行酶解脫支處理,在一定程度上水解秈米淀粉,使其在包合芳樟醇、庚醇和薄荷醇時(shí)取得了更高的包合率。脫支時(shí)間為20 min、底物濃度0.04 g/mL、酶濃度30 mg/g,包合芳樟醇的包合率達(dá)到79.50%;脫支時(shí)間20 min、底物濃度0.03 g/mL、酶濃度30 mg/g、包合庚醇的包合率為75.50%;脫支時(shí)間30 min、底物濃度0.05 g/mL、酶濃度30 mg/g,包合薄荷醇的包埋率為87.38%,相比秈米原淀粉有顯著提高。脫支淀粉直鏈淀粉分子含量由17.1%分別提高至32.01%、38.66%和34.52%,DE值介于10～20,同時(shí)呈無定型的玻璃態(tài)結(jié)構(gòu),具備良好的微膠囊壁材性質(zhì)。本研究為淀粉基微膠囊壁材的優(yōu)化發(fā)展提供了一定的參考價(jià)值。