V-型晶種對(duì)大米淀粉回生特性的影響

胡冰，徐睿，邱立忠，田耀旗,*

1(江南大學(xué)，食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫，214122) 2(諸城興貿(mào)玉米開發(fā)有限公司，山東 濰坊，262299)

稻米是東亞地區(qū)人們的重要主食之一，淀粉在其中比例通常為60%～80%。淀粉是由支鏈淀粉與直鏈淀粉構(gòu)成的具有半結(jié)晶特性的天然聚合物，在食品領(lǐng)域有著不可替代的地位。淀粉的回生(重結(jié)晶)是其獨(dú)特的基本性質(zhì)，也是影響淀粉基食品的營養(yǎng)價(jià)值、感官特性、消費(fèi)者滿意度和貨架期等的關(guān)鍵因素。一方面，淀粉回生會(huì)造成米面制品的老化，可食用品質(zhì)下降，使其貨架期縮短，造成巨大浪費(fèi)。另一方面，回生作用在制備慢消化營養(yǎng)功能淀粉，食品增稠劑和穩(wěn)定劑等方面有著重要作用[1-2]。

回生與復(fù)合脂類均是制備慢消化淀粉和抗性淀粉等功能營養(yǎng)淀粉的重要技術(shù)手段。通常，慢消化淀粉和抗性淀粉多是將脂類和淀粉通過回生手段進(jìn)行制備得到[3]。脂類作為一種常見的淀粉回生抑制劑，相關(guān)研究多側(cè)重探究一種或多種脂質(zhì)對(duì)淀粉回生的效用[4-5]。目前，研究普遍認(rèn)為脂類的疏水基團(tuán)進(jìn)入直鏈淀粉的螺旋空腔，與直鏈淀粉分子形成復(fù)合物，延緩了直鏈淀粉主導(dǎo)的短期回生，導(dǎo)致支鏈淀粉重結(jié)晶的晶種源濃度降低，進(jìn)而抑制淀粉的重結(jié)晶過程[6]。盡管如此，有關(guān)直鏈淀粉與脂類形成V-型復(fù)合物后，作為晶種影響淀粉分子鏈排列、晶體生長(zhǎng)的共性機(jī)制尚未明晰。本文通過將硬脂酸與酸解大米淀粉復(fù)合構(gòu)建V-型晶種，將其分散在糊化淀粉乳中以參與回生，通過XRD、DSC表征晶種以及其對(duì)淀粉回生過程的影響，以期揭示V-型晶種影響淀粉回生成核模式和晶體生長(zhǎng)的共性機(jī)制，為脂類在慢消化類、抗消化類營養(yǎng)功能淀粉開發(fā)方面的應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

大米淀粉，江西金農(nóng)發(fā)展有限公司；硬脂酸，分析純，上海國藥集團(tuán)。

1.2 儀器與設(shè)備

D8-Advance型X射線衍射儀，德國Bruker公司產(chǎn)品；X-DSC7000型差示掃描量熱儀，日本Seiko公司產(chǎn)品。

1.3 方法

1.3.1 制備V-型晶種

取73.50 g大米淀粉均勻分散在500 mL 3.16 mol/L H2SO4溶液中，在40 ℃下攪拌水解6 d。將水解產(chǎn)物用去離子水反復(fù)離心至pH不變，均質(zhì)后取部分產(chǎn)物在105 ℃下烘干、稱重3次、計(jì)算濃度，并將剩余產(chǎn)物配成濃度為50 g/L的水解物懸液。取100 mL上述水解物懸液在100 ℃糊化20 min后，逐滴加入溶有0.25 g硬脂酸的10 mL乙醇溶液，繼續(xù)糊化10 min， 并在50 ℃下保溫2 d，所得反應(yīng)產(chǎn)物即V-型晶種。將晶種用體積分?jǐn)?shù)為50%(體積分?jǐn)?shù))的乙醇水溶液離心清洗3次后，取部分晶種懸液在105 ℃下烘干、稱重3次、計(jì)算濃度，并將剩余晶種配成為50 g/L(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的晶種懸液。

1.3.2 回生淀粉的制備

分別稱取大米淀粉20 g(干基)配成50 g/L(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的淀粉乳，沸水浴糊化30 min，在40 ℃水浴下攪拌降溫到45 ℃，分別加入20 mL去離子水和為50 g/L(質(zhì)量分?jǐn)?shù))晶種懸液，45 ℃保溫?cái)嚢?0 min后，4 ℃下分別回生0、0.5、1、3、5、7、14、21和28 d后，40 ℃熱風(fēng)干燥，研磨，過100目篩，備用。

1.3.3 DSC測(cè)定回生淀粉的熱特性

分別稱取3.0 mg回生不同天數(shù)的淀粉樣品到坩堝中，以1∶2(g∶mL)加入去離子水，密封，25 ℃平衡12 h。對(duì)樣品進(jìn)行熱流測(cè)定，以空坩堝為參比，以氮?dú)鉃檩d氣，流量20 mL/min，以10 ℃/min的速度從25 ℃加熱到100 ℃。計(jì)算淀粉晶體熔化熱流變化并計(jì)算焓值(ΔH)。

1.3.4 XRD測(cè)定晶種及回生淀粉晶體結(jié)構(gòu)

分別稱取5 g不同組的回生21 d淀粉均勻分散在34 mL、3.16 mol/L H2SO4溶液中，40 ℃下水浴攪拌1 d，將水解產(chǎn)物用去離子水反復(fù)離心至pH不變，40 ℃ 下烘干至恒重，研磨過100目篩，所得樣品為酸水解回生淀粉，以形成尖銳衍射峰便于后續(xù)擬合操作。稱取2 g空白組回生21 d淀粉與0.2 g在40 ℃下干燥的晶種混合后，所得樣品作為對(duì)照組以排除添加的晶種對(duì)回生淀粉相對(duì)結(jié)晶率的影響。將以上所制樣品采用D8-Advance廣角X射線衍射儀對(duì)晶種樣品進(jìn)行XRD測(cè)定，選用銅靶(λ=0.154 06 nm)，功率1 600 W(40 kV×30 mA)，采用NaI晶體閃爍計(jì)數(shù)器測(cè)量，掃描3～40°，掃描速度為3°/min。淀粉相對(duì)結(jié)晶度，晶粒尺寸和晶胞參數(shù)等均使用MDI Jade 6.0軟件計(jì)算，其中晶格參數(shù)基于布拉格方程和面間距公式，通過軟件自動(dòng)擬合出對(duì)稱型、鐘罩形函數(shù)(高斯函數(shù)、柯西函數(shù))計(jì)算得到[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 晶種XRD晶體結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)X-射線入射到淀粉晶體時(shí)，由于晶體內(nèi)部存在原子有規(guī)則排列組成的晶胞，這些原子衍射的X-射 線相互干涉疊加，影響了X-射線的衍射行為，形成不同的衍射圖譜。并且衍射角度和強(qiáng)度與原子在晶胞內(nèi)部的規(guī)律排列息息相關(guān)。從圖1的結(jié)果來看，大米原淀粉樣品在15.0、17.1、18.2和23.1°有強(qiáng)衍射峰(圖1中的a)，屬于典型的A-型淀粉衍射峰。考慮到淀粉脂質(zhì)復(fù)合物在強(qiáng)酸環(huán)境下的不穩(wěn)定性及為得到粒徑較小的晶種，本實(shí)驗(yàn)采用先將淀粉水解成較小顆粒再與硬脂酸復(fù)合的方法制備V-型晶種。淀粉經(jīng)酸解后，原有的A-型淀粉衍射峰位置沒有改變，部分衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，相對(duì)結(jié)晶度提高(圖1中的b)，這說明酸解沒有改變晶型，而相對(duì)結(jié)晶度的增加則主要是與對(duì)淀粉無定形區(qū)的優(yōu)先水解有關(guān)。由圖1中的c可以看出由酸解淀粉和硬脂酸復(fù)合得到的晶種為V-型晶體，其主要衍射峰出現(xiàn)在7.5、12.8和19.8°，其中19.8°是淀粉脂類特征衍射峰。此外，制備晶種時(shí)所采用的原料為酸解淀粉，因此制備得到的晶種相對(duì)結(jié)晶率較高。

a-大米原淀粉；b-淀粉水解物；c-V-型晶種圖1 X-射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction patterns

大米淀粉晶體隨處理方式的不同具有不同的晶型，如天然大米淀粉晶體是A-型晶體，回生大米淀粉是B-型晶體，直鏈淀粉與脂肪酸、乳化劑、丁醇以及碘等物質(zhì)復(fù)合可以得到V-型晶體。表1中2個(gè)樣品的擬合指數(shù)較小，表明擬合程序較適用于這2個(gè)樣品。

從晶胞參數(shù)來看，淀粉與晶種各軸間夾角均為90°；大米淀粉晶體的a、b晶軸相對(duì)V-型晶種較長(zhǎng)，但c軸相對(duì)較短；晶種的a、b晶軸長(zhǎng)相差較大，但淀粉晶胞的a、b晶軸長(zhǎng)較接近；晶種的晶胞更偏細(xì)長(zhǎng)，且體積更小。根據(jù)晶體具有的特征對(duì)稱性，大米淀粉屬于單斜晶系，V-型淀粉晶體屬于正交晶系。晶系的分類必須按晶體對(duì)稱性進(jìn)行分類，而不能簡(jiǎn)單按晶胞三軸長(zhǎng)和軸間夾角來劃分，根據(jù)IMBERTY等的研究結(jié)果[8]，雖然A-型淀粉是單斜晶系，XRD粉末衍射卻會(huì)得到類正交晶系的結(jié)果，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2 回生淀粉DSC重結(jié)晶動(dòng)力學(xué)分析

在儲(chǔ)藏過程中，糊化的淀粉分子由高能態(tài)向低能態(tài)轉(zhuǎn)變，相鄰的無規(guī)則線團(tuán)狀淀粉分子鏈進(jìn)行規(guī)則排列，形成淀粉重結(jié)晶。淀粉回生焓值變化主要與回生淀粉晶體熔融所吸收的熱量緊密相關(guān)，并且主要與支鏈淀粉在回生過程中形成的淀粉晶體有關(guān)。不同天數(shù)回生大米淀粉焓變的代表性曲線如圖2所示，隨著回生時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉晶體熔融產(chǎn)生的熱流峰逐漸增大，表明回生淀粉中的淀粉晶體含量逐漸增加。與空白組回生淀粉焓變曲線相比，添加晶種后在較高溫區(qū)出現(xiàn)明顯吸熱峰，這與添加晶種中的晶體熔融有關(guān)。支鏈淀粉分子重排形成的晶體熔融出峰在45～60 ℃， 晶種晶體熔融出峰在60～65 ℃，兩者溫度范圍較為接近，使兩處熔融峰峰形發(fā)生改變。因此添加晶種后回生淀粉的焓變值取晶種焓變值與回生淀粉焓變值之和(表2)。

表1 酸解大米淀粉和V-型晶種的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Crystal structure parameters of hydrolyzed rice starch and V-type seed crystal

注：大米原淀粉無定型區(qū)比例較高導(dǎo)致晶胞結(jié)構(gòu)參數(shù)擬合困難。

在聚合物結(jié)晶研究中，Avrami模型常用來描述結(jié)晶過程的動(dòng)力學(xué)特征。經(jīng)過研究驗(yàn)證，當(dāng)回生淀粉回生度隨回生時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)時(shí)，Avrami模型同樣可以用來描述淀粉的等溫回生動(dòng)力學(xué)特征[9]。Avrami模型可以表達(dá)為式(1)：

(1)

式中：ΔH∞為淀粉的極限回生焓變值，此處取28 d時(shí)的回生焓變值；ΔHt是儲(chǔ)藏t天的回生焓變值，具體焓變值(ΔHt)如表2所示。

圖2 不同回生時(shí)間大米淀粉(a)和添加V-型晶種大米淀粉(b)的焓變曲線Fig.2 Thermal curves of retrograded rice starches(a) and retrograded rice starches added with V-type seed (b) stored for different days

表2 V-型晶種干預(yù)大米淀粉的回生焓變與重結(jié)晶動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2 Effects of V-type seed crystal on retrogradation enthalpy change and recrystallization kinetic parameters of rice starch

在Avrami模型參數(shù)中，淀粉重結(jié)晶結(jié)晶速率常數(shù)k同晶核密度及晶體成核機(jī)制有關(guān)，k值越大表明重結(jié)晶速率越大。從k值的差異可以看出，添加V-型 晶種顯著促進(jìn)了淀粉分子鏈的重排，提高了淀粉晶體生長(zhǎng)的速率。n值是Avrami指數(shù)，其取值與淀粉重結(jié)晶晶體成核方式有關(guān)。各試驗(yàn)組的n值均小于1，說明重結(jié)晶晶體成核方式均以瞬間成核為主。添加V-型晶種試驗(yàn)組的n值減小，說明部分添加的晶種可能起到了晶核的作用，使成核模式發(fā)生改變?？赡苁荲-型晶種的表面自由能更低，更容易誘導(dǎo)淀粉分子鏈段規(guī)則排列，加快了淀粉分子鏈段規(guī)則排列速率，形成晶體。在BULKIN等[10]研究結(jié)果表明，將淀粉回生重結(jié)晶劃分為4個(gè)階段：(Ⅰ)單純淀粉鏈構(gòu)象變化；(II)晶核誘導(dǎo)形成階段；(Ⅲ)晶體增長(zhǎng)過程；(Ⅳ)完美晶體形成階段。加入V-型晶種后顯著促進(jìn)了晶體的生長(zhǎng)，即晶種使得淀粉回生過程的第Ⅰ步和第II步快速完成。

2.3 淀粉XRD晶體結(jié)構(gòu)分析

淀粉在回生過程中，晶體含量逐漸增加，晶體結(jié)構(gòu)逐漸完善。而晶體衍射峰的強(qiáng)度和寬度取決于其含量與結(jié)構(gòu)，回生程度越高，晶體含量越高，結(jié)構(gòu)越完善，其衍射峰越高窄。圖3顯示，回生淀粉晶體的主要衍射峰出在12.8、17.1和19.7°左右(圖3中的a)，屬于典型的B-型晶體特征衍射峰。添加V-型晶種后，除了在17.1°的衍射峰消失之外，其余衍射峰峰形都更加明顯(圖3中的b)，表明其晶型并未發(fā)生改變，而在17.1°的衍射峰的消失說明V-型晶種影響了回生淀粉晶體分子鏈段的排列，使其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。此外，添加晶種后，回生淀粉的相對(duì)結(jié)晶率上升，且比回生結(jié)束后添加晶種相對(duì)結(jié)晶率更高，峰形也更加明顯(圖3中的c)，這說明外加晶種促進(jìn)了淀粉的重結(jié)晶過程，這與上述DSC的結(jié)果一致。酸解回生淀粉后，其強(qiáng)衍射峰可以與酸解前回生淀粉衍射峰良好對(duì)應(yīng)(圖3中的d)，說明酸水解作用對(duì)淀粉晶體結(jié)構(gòu)影響較小。添加V-型晶種后，17.1°的衍射峰消失，其他衍射峰峰形更加尖銳，位置略微左移(圖3中的e)，結(jié)合DSC中n值的降低，說明晶種在淀粉回生過程中起到了晶核的作用，一定程度上改變了結(jié)晶分子鏈段的排列，并使得晶胞堆砌更加緊密，結(jié)晶更加完善。與回生淀粉自發(fā)形成的晶核相比，V-型晶種屬于不同的晶系，晶體結(jié)構(gòu)差異大，晶種生長(zhǎng)面上的誘導(dǎo)作用不同，導(dǎo)致誘導(dǎo)形成晶體的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，與自發(fā)狀態(tài)下形成的晶體結(jié)構(gòu)不同。

a-回生大米淀粉; b-晶種誘導(dǎo)的回生大米淀粉; c-回生大米淀粉-干燥晶種物理混合物; d-酸解回生大米淀粉; e-酸解的晶種誘導(dǎo)回生大米淀粉圖3 回生21天大米淀粉的X-射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of 21 days-retrograded rice starches

表3 回生大米淀粉和V-型晶種誘導(dǎo)回生大米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Crystal structure parameters of native rice starch and V-type seed crystal

晶體的結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的周期性與對(duì)稱性，因此可以利用點(diǎn)陣和結(jié)構(gòu)基元來描述晶體結(jié)構(gòu)。回生淀粉晶體的結(jié)構(gòu)單元都是淀粉雙螺旋分子鏈段，因此，一定程度上晶體結(jié)構(gòu)的改變可以用點(diǎn)陣參數(shù)的變化來體現(xiàn)。與未添加晶種的回生淀粉晶體相比，添加V-型晶種后，淀粉晶體的a、b晶軸變短，c軸增長(zhǎng)，晶胞體積減小，晶粒增大，淀粉晶體晶系轉(zhuǎn)變?yōu)檎?。這表明晶種的添加使得所形成的晶胞更趨于晶種的晶胞形態(tài)，淀粉分子鏈排列得更加緊密，晶體顆粒尺寸增加。已知淀粉-脂類復(fù)合物的抗酶解能力高于原淀粉，這可能與上述的晶體結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。而這些變化可能與晶種干預(yù)晶體生長(zhǎng)的機(jī)制有關(guān)。在淀粉分子鏈段熱運(yùn)動(dòng)被抑制形成晶核后，分子鏈陸續(xù)向晶核擴(kuò)散并進(jìn)行有規(guī)排列使晶粒逐步生長(zhǎng)。無規(guī)線團(tuán)狀分子鏈不能直接有規(guī)排列，相互纏結(jié)的分子鏈進(jìn)入晶區(qū)前需要先解纏結(jié)(或局部解纏結(jié))，克服黏性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，才能有規(guī)排列。很多情況下，分子鏈往往來不及充分打開纏結(jié)，只是對(duì)鄰近的該分子鏈或其他分子鏈的鏈段進(jìn)行必要的簡(jiǎn)單調(diào)整就進(jìn)行折疊排列，進(jìn)入晶格，使晶體生長(zhǎng)[11]。因此，晶核生長(zhǎng)面的分子鏈段排列會(huì)影響向其靠近的分子鏈段的有規(guī)排列，從而影響最終生成的晶體結(jié)構(gòu)。V-型晶種晶胞的a、b晶軸較短，c軸較長(zhǎng)的分子鏈段排列誘導(dǎo)了晶體結(jié)構(gòu)的改變，使誘導(dǎo)形成的淀粉晶體晶胞a、b晶軸變短，c軸變長(zhǎng)。

3 結(jié)論

通過復(fù)合硬脂酸與酸解大米淀粉構(gòu)建出V-型晶種，晶種的正交晶胞具有c軸明顯長(zhǎng)于a、b晶軸的特點(diǎn)。添加的晶種能在淀粉體系中起到晶核的作用，使得4 ℃下體系的主要成核模式改變，加快淀粉重結(jié)晶進(jìn)程。V-型晶種生長(zhǎng)面上的分子鏈段排列會(huì)誘導(dǎo)向其靠近分子鏈段的排列，從而使誘導(dǎo)形成的淀粉晶胞更趨于V-型晶種晶胞，導(dǎo)致淀粉分子鏈的排列更加緊密，晶體生長(zhǎng)更快，形成的晶粒尺寸上升。本研究提出了脂類影響淀粉重結(jié)晶以及淀粉-脂類復(fù)合物的抗酶解機(jī)制，為拓展脂類在慢消化淀粉和抗性淀粉等功能營養(yǎng)淀粉創(chuàng)制方面的應(yīng)用提供了重要科學(xué)依據(jù)。