超微粉碎處理對(duì)木薯淀粉結(jié)構(gòu) 及消化特性的影響

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(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖北武漢 430070; 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,廣東湛江 524001)

淀粉是除纖維素之外自然界第二豐富的碳水化合物,具有可再生、環(huán)境友好、成本低廉、生物相容性好、可降解等優(yōu)點(diǎn)[1],被廣泛地應(yīng)用于食品、藥品、化妝品、造紙等領(lǐng)域[2]。天然淀粉具有直鏈和支鏈兩種不同的分子結(jié)構(gòu)[3]。直鏈淀粉呈線性結(jié)構(gòu),由99%的α-1,4-糖苷鍵和1%左右的α-1,6-糖苷鍵首尾相連而成,而支鏈淀粉是高分支化的結(jié)構(gòu),由95%的α-1,4-糖苷鍵和5%的α-1,6-糖苷鍵首尾相接組成[4]。天然淀粉由于其不溶于冷水、成膜性差、抗剪切能力差、易老化、不能形成穩(wěn)定的膠體溶液等性質(zhì),在紡織、造紙、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的應(yīng)用受到了很大的限制[5]。因此,常常對(duì)淀粉進(jìn)行改性處理以適應(yīng)生產(chǎn)加工的需求。

目前常用的淀粉改性方法有化學(xué)改性、酶法改性和物理改性?；瘜W(xué)改性是目前技術(shù)最成熟、使用最廣泛的淀粉改性方法,但是化學(xué)試劑的使用會(huì)造成環(huán)境污染,并且運(yùn)用于食品加工時(shí)存在安全性問題;酶法改性相對(duì)環(huán)保,但是成本較高,處理量小,難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn);物理改性是利用熱場、力場、電場、磁場等物理場作用于天然淀粉,使其性能發(fā)生相應(yīng)的變化[6]。物理改性由于只涉及到物理作用,具有綠色安全的優(yōu)點(diǎn),并且反應(yīng)快速簡單。而超微粉碎作為一種新型的物理改性方法,得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在超微粉碎過程中,利用摩擦、擠壓、碰撞等作用力對(duì)淀粉進(jìn)行改性處理。郭洪梅[7]利用超微粉碎對(duì)雜豆(糧)淀粉進(jìn)行處理,結(jié)果表明,隨著超微粉碎時(shí)間的增加,淀粉的結(jié)構(gòu)被逐漸破壞,結(jié)晶度下降,發(fā)生淀粉團(tuán)聚,淀粉粒徑增加,淀粉發(fā)生低溫糊化。彭國泰等[8]研究發(fā)現(xiàn),超微粉碎處理可以使淀粉的粒度下降,吸水指數(shù),膨脹勢上升;RVA結(jié)果顯示,糙米粉的峰值粘度、谷值粘度、崩解值、最終粘度、回生值均上升,初始糊化溫度下降;掃描電鏡結(jié)果顯示,淀粉顆粒破碎、斷裂形成許多無規(guī)則小碎片,且表面有凹坑。雖然目前對(duì)超微粉碎處理淀粉的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)已有很多報(bào)道,但是通過結(jié)構(gòu)變化來研究其消化性的報(bào)道較少。因此,本文采用超微粉碎處理木薯淀粉,研究不同超微粉碎時(shí)間(0、15、30、45、60 min)木薯淀粉的粒徑、微觀形態(tài)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、溶解性及消化性,通過分析木薯淀粉的結(jié)構(gòu)變化對(duì)其消化性的影響,為木薯淀粉的開發(fā)利用提供新思路,也可為超微粉碎改性淀粉的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉(水分含量為14.8%,直鏈淀粉含量為12%,支鏈淀粉含量為88%) 佛山市南海區(qū)奇潤食品有限公司;無水乙醇 分析純,廣東光華科技股份有限公司;KBr 光譜純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;pH5.2的0.2 mol/L醋酸鈉緩沖液 自制;淀粉葡萄糖苷酶(酶活≥260 U/mL) A7095 Sigma;α-淀粉酶(酶活50 U/mg) 10080 Sigma;GOPOD試劑盒 Megazyme。

Mastersizer 2000型激光粒度分布儀 英國馬爾文儀器有限公司;S-4800型掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司;GVC-1000離子濺射儀 上海禾早電子科技有限公司;D8 Advance X-射線衍射儀 德國布魯克公司;Tensor 27型傅里葉紅外光譜儀 德國布魯克公司;Sigma 3-30K型離心機(jī) 德國Sigma公司;FA2004N型電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司;UV1780型紫外分光光度計(jì) 日本島津企業(yè)管理(中國)有限公司;RB29KBFH1WW/SC 型冰箱 蘇州三星電子有限公司;101-1 A型數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海滬南科學(xué)儀器聯(lián)營廠;XW-80A型渦旋混合器 上海青浦滬西儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超微粉碎木薯淀粉的制備 稱取500 g天然木薯淀粉置于超微粉碎機(jī)中,啟動(dòng)冷卻裝置使溫度保持在10 ℃左右,選取不同的時(shí)間(15、30、45、60 min)對(duì)木薯淀粉進(jìn)行超微粉碎處理,過100目篩,置于干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 粒度分布測定 稱取0.5 g的樣品溶于50 mL無水乙醇中,使其分散均勻,然后用激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分布測定。

1.2.3 微觀結(jié)構(gòu)觀察 將木薯淀粉樣品(干基)用導(dǎo)電膠粘在樣品座上,并置于離子濺射儀中,在樣品表面蒸鍍一層鉑金膜后,在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察與拍照[9]。

1.2.4 X-射線衍射 使用X-射線衍射儀對(duì)木薯淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。采用連續(xù)掃描法,測定條件為:掃描速率6 °/min,掃描范圍5～45 °,管壓36 kV,管流30 mA,步長0.04 °[10]。

1.2.5 紅外光譜測定 根據(jù)González-Cruz等[11]的方法做了一些修改。將干燥的淀粉與KBr按一定的比例(1∶100)充分混合,研磨均勻,在10 MPa下進(jìn)行真空壓片處理,然后置于傅里葉紅外光譜儀中進(jìn)行掃描,掃描范圍為4000～400 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃描次數(shù)為64次。

1.2.6 消化率測定 根據(jù)Colussi R等[12]的方法做了一些修改。稱取100 mg樣品置于50 mL離心管中,加入2 mL水,沸水浴10 min糊化,再添加13 mL pH5.2的0.2 mol/L的乙酸鈉緩沖液,加入磁力攪拌子(5 mm×20 mm),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為150 r/min左右,在37 ℃恒溫水浴下平衡10 min,再加0.2 mL混合酶液(100 mL淀粉葡萄糖苷酶與20 mgα-淀粉酶溶于20 mL乙酸鈉緩沖液中),在37 ℃恒溫水浴下反應(yīng)。在反應(yīng)時(shí)間為0、20、40、60、80、100、120、240 min時(shí)分別取0.1 mL上清液加入含有0.9 mL無水乙醇的5 mL離心管中以消滅酶活,再取0.1 mL至另外一個(gè)5 mL離心管中,加入3 mL GOPOD試劑(由試劑盒中的bottle1和bottle2配制得到),混勻后50 ℃水浴20 min,冷卻后在510 nm處(測定吸光度,每個(gè)樣品平行測定3次取平均值。按以下公式進(jìn)行計(jì)算:

淀粉水解率(%)=[0.9×(葡萄糖質(zhì)量×稀釋倍數(shù))]/總淀粉質(zhì)量

式(1)

式(2)

式(3)

式(4)

其中,RDS代表快消化淀粉;SDS代表慢消化淀粉;RS代表抗性淀粉;G20和G120分別是在水解20 min和120 min內(nèi)釋放的葡萄糖的量,mg;FG是淀粉中游離葡萄糖的量,mg;TS是總淀粉質(zhì)量,mg。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有樣品均進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn),數(shù)值用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。用Origin 9.0與SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度分析

超微粉碎處理前后木薯淀粉顆粒粒徑分布見圖1。如圖1所示,天然木薯淀粉粒徑分布圖的峰值最大,超微粉碎處理以后,峰值變小且向右移動(dòng),表明木薯淀粉顆粒的粒徑隨著超微粉碎處理時(shí)間的增加而變大。天然木薯淀粉顆粒體積平均直徑為13.50 μm,隨著超微粉碎時(shí)間的增加而逐漸增加,當(dāng)超微粉碎處理時(shí)間達(dá)到60 min時(shí),木薯淀粉顆粒的體積平均直徑達(dá)到36.17 μm。這與謝濤等[13]的研究結(jié)果一致,錐栗淀粉顆粒粒徑隨著超微粉碎處理時(shí)間的增加而變大,當(dāng)超微粉碎處理時(shí)間達(dá)到75 min時(shí),粒徑大于25 μm的顆粒明顯增多。這可能是由于超微粉碎過程中由于瞬時(shí)熱效應(yīng)的影響使木薯淀粉發(fā)生了團(tuán)聚,造成顆粒增大[14];機(jī)械作用導(dǎo)致木薯淀粉部分糊化也可能使木薯淀粉顆粒粒徑增大[15]。

圖1 超微粉碎處理木薯淀粉粒徑分布Fig.1 Particle size distributions of tapioca starch after micronization treatment

2.2 微觀形態(tài)分析

超微粉碎處理前后木薯淀粉的微觀形態(tài)如圖2所示。由圖2可知,經(jīng)過超微粉碎處理后,木薯淀粉的微觀形態(tài)發(fā)生了明顯的變化。天然木薯淀粉呈現(xiàn)規(guī)則的球狀,且表面光滑,當(dāng)超微粉碎時(shí)間達(dá)到15 min時(shí),規(guī)則的球形被破壞,但未發(fā)生顆粒的聚集。隨著超微粉碎時(shí)間的增加,木薯淀粉表面逐漸變得粗糙,結(jié)構(gòu)疏松,呈現(xiàn)出片狀糊化結(jié)構(gòu),并且發(fā)生聚集現(xiàn)象。研究結(jié)果表明,短時(shí)間的超微粉碎處理會(huì)破壞木薯淀粉顆粒規(guī)則的形態(tài),隨著超微粉碎時(shí)間的增加,木薯淀粉部分糊化,從而發(fā)生團(tuán)聚,致使淀粉顆粒增大,這與Ren等[16]的研究結(jié)果相似,研磨處理可以破壞木薯淀粉的微觀形態(tài),當(dāng)研磨時(shí)間達(dá)到54 h后,木薯淀粉發(fā)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。Liu等[17]研究表明,高壓作用也能使淀粉顆粒塌陷、變形,表面出現(xiàn)裂縫與空穴,并且發(fā)生部分糊化,進(jìn)而產(chǎn)生團(tuán)聚。

圖2 超微粉碎處理木薯淀粉的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM micrographs of tapioca starch after micronization treatment

2.3 X-射線衍射分析

超微粉碎處理前后木薯淀粉的X-射線衍射圖如圖3所示。天然淀粉的X-射線衍射圖譜一般可以分為三種類型,A型、B型與C型。A型淀粉的X-衍射圖譜在2θ為15.1、17.1、18.0、23.2 °處有較強(qiáng)的衍射峰,為谷類淀粉;B型淀粉的X-衍射圖譜在2θ為5.6、17、22、24 °處有較強(qiáng)的衍射峰,為薯類淀粉;C型淀粉的X-衍射圖譜在2θ為5.6°處有特征峰,在18與23°處出現(xiàn)強(qiáng)峰,為A型與B型淀粉的復(fù)合物[18]。從圖3中可以發(fā)現(xiàn),天然木薯淀粉在2θ為15、17、18、23 °處出現(xiàn)強(qiáng)的吸收峰,為A型淀粉。當(dāng)超微粉碎處理時(shí)間為15 min時(shí),木薯淀粉衍射峰的位置沒有發(fā)生改變,但是峰強(qiáng)度減小。當(dāng)超微粉碎時(shí)間達(dá)到30 min后,出現(xiàn)‘饅頭峰’,反映了淀粉中非結(jié)晶區(qū)的產(chǎn)生;隨著超微粉碎時(shí)間的增加,木薯淀粉的相對(duì)結(jié)晶度逐漸降低,如表1所示,天然木薯淀粉的結(jié)晶度為21.33%,當(dāng)超微粉碎時(shí)間達(dá)到60 min時(shí),木薯淀粉的相對(duì)結(jié)晶度下降為1.14%。超微粉碎破壞木薯淀粉的結(jié)構(gòu),使其結(jié)晶區(qū)被破壞,相對(duì)結(jié)晶度降低,但是沒有在其他位置出現(xiàn)強(qiáng)的吸收峰,表明超微粉碎并未改變木薯淀粉的晶型。郝征紅等[19]研究發(fā)現(xiàn),超微粉碎處理40～50 min時(shí),綠豆淀粉的X-射線衍射圖譜出現(xiàn)饅頭峰,相對(duì)結(jié)晶度降低,表明機(jī)械力對(duì)淀粉具有非晶化作用。Devi等[20]采用研磨的方式處理低溫冷凍淀粉也得到了類似的研究結(jié)果,表明淀粉的結(jié)晶度隨研磨時(shí)間的增加而降低。

表1 木薯淀粉體積平均直徑、相對(duì)結(jié)晶度與RDS、SDS、RS含量Table 1 Particle size,relative crystallinity and RDS,SDS,RS content of tapioca starch

圖3 超微粉碎對(duì)木薯淀粉X-射線衍射曲線的影響Fig.3 Effect of micronization on X-ray powder diffraction of tapioca starch

2.4 傅里葉紅外光譜分析

3300 cm-1左右的吸收峰表示的是分子內(nèi)或分子間-OH基團(tuán)的相互作用;3000～2800 cm-1處的吸收峰表示的是C-H的伸縮振動(dòng);1650 cm-1附近的吸收峰與淀粉內(nèi)部的結(jié)晶水有關(guān);1080 cm-1附近的吸收峰歸屬于C-H鍵的彎曲振動(dòng);1020 cm-1處的吸收峰表示C-O鍵的伸縮振動(dòng)[21]。如圖4所示,木薯淀粉經(jīng)過超微粉碎處理后沒有新的特征峰生成,表明超微粉碎處理過程中沒有發(fā)生官能團(tuán)的變化。隨著超微粉碎處理時(shí)間的增加,3000～2800 cm-1附近的吸收峰強(qiáng)度逐漸減弱,表明淀粉分子間的C-H鍵的伸縮振動(dòng)變小,說明超微粉碎處理能破壞淀粉的分子結(jié)構(gòu),使淀粉分子鏈發(fā)生斷裂,且隨著處理時(shí)間的增加而增強(qiáng)[22]。1080 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度隨著超微粉碎處理時(shí)間的增加而減弱,表明淀粉分子氫鍵之間的結(jié)合力減弱,而氫鍵作用力的大小可以表示淀粉分子的有序結(jié)構(gòu),說明淀粉分子的結(jié)晶區(qū)域被破壞,有序性降低,這與上述X-射線衍射分析的結(jié)果一致[23]。

圖4 超微粉碎處理對(duì)木薯淀粉的紅外光譜圖的影響Fig.4 Effect of micronization on the FTIR spectra of tapioca starch

2.5 消化性分析

不同時(shí)間超微粉碎處理的木薯淀粉的消化率如圖5所示。由圖5可知,隨著消化時(shí)間的增加,木薯淀粉的消化率逐漸上升,而超微粉碎能在一定程度上增加木薯淀粉的消化率,表明超微粉碎處理能夠增加木薯淀粉對(duì)酶的敏感性。木薯淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變是其酶敏感性增加的原因之一[24],研究表明結(jié)晶度低無定型區(qū)域大的淀粉更容易被消化[25],而微觀結(jié)構(gòu)分析表明超微粉碎處理后木薯淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,分子鏈的有序性降低。淀粉顆粒的表面結(jié)構(gòu)也會(huì)影響淀粉的酶水解特性,淀粉對(duì)酶的敏感性隨表面孔隙的增加而增加[26]。還有可能是超微粉碎破壞了木薯淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu),使官能團(tuán)更多地暴露出來,增加了淀粉分子與酶的反應(yīng)位點(diǎn),因此淀粉的消化率上升[27],這與2.4的分析一致。從表1可知,天然木薯淀粉RDS的含量為3.91%,超微粉碎處理60 min后,RDS的含量升高至6.87%,RS的含量由51.38%降低至47.21%。RDS的含量上升,RS的含量下降,表明超微粉碎處理可以增加木薯淀粉的酶反應(yīng)活性[12],Shen等[28]研究表明,低壓會(huì)導(dǎo)致淀粉晶體結(jié)構(gòu)或分子鏈的重排,使其短程有序性增加,淀粉的消化率降低;高壓則會(huì)對(duì)淀粉的結(jié)構(gòu)造成破壞,使其消化率增加。SDS的含量只有略微上升,這與Tian[29]的分析結(jié)果一致,可能是由于超微粉碎過程中不完美微晶的形成。因此,超微粉碎過程中產(chǎn)生的壓力、摩擦力等作用力可以在一定程度上改變木薯淀粉顆粒的結(jié)構(gòu),以此改變其消化性,為保健食品、藥品的研究生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)。

圖5 超微粉碎處理對(duì)木薯淀粉消化率的影響Fig.5 Effect of micronization on the digestibility of tapioca starch treated by micronization

3 結(jié)論

經(jīng)過超微粉碎處理后,木薯淀粉的粒徑隨著超微粉碎時(shí)間的增加逐漸變大;超微粉碎處理破壞了木薯淀粉規(guī)則的球狀結(jié)構(gòu),使其表面變得疏松,并發(fā)生了團(tuán)聚;超微粉碎處理沒有改變木薯淀粉的晶型,但使其相對(duì)結(jié)晶度降低;超微粉碎處理木薯淀粉的分子鏈被破壞,氫鍵作用變小,分子有序性降低;經(jīng)過超微粉碎處理后,木薯淀粉的消化率增加,木薯淀粉中的RDS與SDS的含量升高,RS的含量降低,且超微粉碎時(shí)間越長,這種趨勢越明顯。這些研究結(jié)果表明,超微粉碎處理可以改變木薯淀粉的結(jié)構(gòu),從而改變木薯淀粉的某些性質(zhì),可以作為一種前處理手段以滿足某些加工生產(chǎn)的需求。同時(shí)通過分析超微粉碎處理木薯淀粉結(jié)構(gòu)變化對(duì)其消化特性的影響,為超微粉碎技術(shù)在淀粉消化特性調(diào)控等方面提供了參考意見,能為其在保健食品加工等方面的應(yīng)用提供新思路,同時(shí)也為超微粉碎處理木薯淀粉的結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化提供了一定的理論依據(jù)。