酸處理對芭蕉芋淀粉功能特性的影響

余子香，迪珂君，劉冠汶，陳厚榮，張甫生*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(國家級食品科學與工程實驗教學示范中心(西南大學)，重慶，400715)

芭蕉芋(CannaedulisKer)是美人蕉科美人蕉屬多年生單子葉草本植物，原產于南美等地，在我國西南地區(qū)被廣泛種植，淀粉含量超過干重的66%，已成為亞洲地區(qū)高價值淀粉的新原料來源[1-3]?，F(xiàn)以芭蕉芋淀粉為原料已開發(fā)出粉絲、淀粉糖及代餐粉等產品[3-5]。而芭蕉芋淀粉中直鏈淀粉含量高、易回生，淀粉糊黏度較大且易凝沉，凝膠強度大，這些極大限制了其在食品體系中的廣泛應用，需對其進行改性以拓寬應用范圍[6]。目前芭蕉芋淀粉改性研究主要集中在物理化學或酶法上，雖可在一定程度上改善其功能特性，但仍存在一些問題，如微波濕熱改性會增大芭蕉芋淀粉冷糊黏度[7]，羥丙基化改性使芭蕉芋淀粉回生值的降低程度減小[8]，α-淀粉酶水解芭蕉芋淀粉的速率降低[9]等。

酸水解可對淀粉顆粒結構進行修飾，是一種較常用的快速改性化學手段。酸水解后淀粉的結晶結構、熱力學、體外酶消化率及直鏈淀粉含量、支鏈淀粉鏈長分布等性質變化顯著[10-15]，如酸處理可降低玉米淀粉的溶脹能力，提高其溶解度[12]；酸改性高粱淀粉后直鏈淀粉含量降低，結晶度增加[13]。目前關于酸改性淀粉的研究大多集中于薯類、豆類、玉米、小麥等原料上[15-16]，而關于酸處理后芭蕉芋淀粉功能特性變化的報道較少，特別對其微觀形貌的研究。鑒于此，本研究系統(tǒng)探討經不同濃度和時間酸處理后的芭蕉芋淀粉透明度、凝沉性、凍融穩(wěn)定性、質構特性、糊化特性及顆粒形貌的變化，旨在改善芭蕉芋淀粉功能性質，擴大其工業(yè)應用范圍，拓寬酸修飾淀粉的種類。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

芭蕉芋淀粉,貴州和諧芭蕉芋淀粉有限公司;濃HCl(分析純)、Na2CO3(分析純),成都市科龍化工試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱,上海齊欣科學儀器有限公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋,常州奧華儀器有限公司；FA2104高精數(shù)顯電子天平,上海舜宇恒平科學儀器有限公司；SHA-B振蕩水浴鍋,常州國華電器有限公司；5810臺式高速離心機,德國Eppendorf公司；T6新世紀紫外可見分光光度計,北京普析通用儀器有限公司；快速黏度分析儀,澳大利亞Perten公司；CT3物性測定儀,美國Brookfield公司；JSM-6510LV鎢燈絲掃描電子顯微鏡,日本電子株式會社。

1.3 方法

1.3.1 酸處理淀粉制備

40%芭蕉芋淀粉懸浮液加入HCl后于50 ℃中水浴，使酸質量分數(shù)分別為0.5%、1%、2%、3%、4%、5%并水解0.5 h和使酸濃度為2.0%的并分別水解0.25、0.5、1.0、2.0、4.0 h，后用5.0 mol/L Na2CO3溶液中和至pH為6.0，水洗，以3 000 r/min離心1 min、40 ℃干燥48 h后，封袋備用，未處理的芭蕉芋淀粉為對照組。

1.3.2 透光率的測定

1.0%芭蕉芋淀粉懸浮液于沸水浴中加熱15 min、室溫下冷卻30 min后，以蒸餾水作空白，在650 nm下測定吸光度[16]。

1.3.3 凝沉性的測定

1.0%芭蕉芋淀粉懸浮液于95 ℃水浴加熱15 min、冷卻至室溫后，取20 mL淀粉糊移至具塞試管中，24 h后記錄沉降物質的體積[17]。

1.3.4 凍融穩(wěn)定性的測定

取10 g 5.0%芭蕉芋淀粉懸浮液于離心管中，經95 ℃水浴加熱15 min、冷卻至室溫后，稱取淀粉糊質量；后將淀粉糊置于-18 ℃冷凍22 h、解凍2 h后，以3 000 r/min離心15 min，去上清液，稱取沉淀物質量[18]。凍融穩(wěn)定性用析水率來表示，析水率計算如公式(1)所示：

(1)

式中：M,淀粉糊質量，m,沉淀物質量。

1.3.5 質構特性的測定

將10%芭蕉芋淀粉懸浮液于沸水浴中加熱20 min，倒入方形橡膠模具，冷卻到室溫，在4 ℃放置24 h后測定質構特性。測定條件：TPA循環(huán)模式，TA5探頭，測前速度1.00 mm/s，測試速度1.00 mm/s，返回速度1.00 mm/s[19]。

1.3.6 糊化特性的測定

將1.5 g芭蕉芋淀粉置于鋁盒中，加23.5 mL純水，攪拌，采用RVA測定糊化特征曲線。測試參數(shù)：最初10 s轉速為960 r/min，后為160 r/min直至測定結束。初始溫度為50 ℃并保持1 min，后以12 ℃/min使溫度增高至95 ℃，保持2.5 min，再以12 ℃/min降至50 ℃，保持2 min，樣品測定總時間為13 min[20]。

1.3.7 淀粉顆粒形貌的觀察

將導電膠黏結在樣品座上，均勻撒上0.1 g芭蕉芋淀粉，鍍上導電膜后使用掃描電鏡(SEM)觀察，調整取鏡范圍，拍攝[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 8.6及SPSS軟件進行處理和分析，試驗結果以誤差形式標出，每組實驗均重復3次。

2 結果與分析

2.1 酸水解處理對芭蕉芋淀粉透明度的影響

酸水解濃度對芭蕉芋淀粉透明度的影響如圖1-A所示。與原淀粉相比，經0.5%～5.0%酸水解后淀粉透光率均顯著升高，表明酸處理可提高芭蕉芋淀粉的透明度，這與七葉樹淀粉研究結果一致[16]。當酸濃度為0.5%～3.0%時，透光率隨濃度增加呈快速增長趨勢，較原淀粉提高11.98%～42.37%；當酸濃度為4.0%時，透光率達到最大值，較原淀粉提高了53.28%。原因可能是酸水解使淀粉顆粒分散均勻，光線透過率增大，同時鏈間締合作用減弱，凝膠束減少，透明度增加[22]。5%相較于4%，透光率無顯著差異。濃度大于4.0%時，酸水解主要的發(fā)生區(qū)域由結構較松散的無定形區(qū)轉移到結晶區(qū)[23]，但由于酸解時間的限制，致密層結構未遭到嚴重破壞，因而透光率達到最大值后趨于穩(wěn)定[10,24]。

A-濃度；B-時間圖1 不同濃度和時間酸水解處理對芭蕉芋淀粉透光率的影響Fig.1 Effect of acid hydrolysis concentration and time on the light transmittance of Canna edulis ker starch paste

酸水解時間對芭蕉芋淀粉透光率的影響如圖1-B所示。經0.25～4.0 h酸處理后的淀粉透光率均比原淀粉高。當酸處理時間為0.25～1.0 h時，隨時間延長，透光率逐漸增大，比原淀粉提高了20.61%～45.04%，說明光線穿過淀粉糊時的反射和散射減少[25]，淀粉糊透明度增加。2.0 h后，透光率不再變化，與上述濃度變化規(guī)律一致。酸水解過程分3個階段[23]：前2個階段有較高的水解速率，且第1階段比第2階段速率更快，主要歸因于無定形區(qū)的水解；第3階段水解速率低，歸因于結晶區(qū)的水解。圖1-B的結果與此3階段相符。

2.2 酸水解處理對芭蕉芋淀粉凝沉性的影響

酸水解濃度對芭蕉芋淀粉凝沉性的影響如圖2-A所示。與原淀粉相比，經0.5%～5.0%酸處理后淀粉沉降體積顯著增大，表明酸處理能顯著減弱芭蕉芋淀粉凝沉性，此現(xiàn)象與酸處理山藥淀粉結果一致[14]。酸濃度為0.5%～3.0%時沉降體積隨濃度增大而增大，較原淀粉增大6.98%～51.83%；當濃度達到4.0%時，較原淀粉增大64.45%。酸處理使糖苷鍵斷裂，淀粉鏈受損，分子有序重排程度減小，宏觀表現(xiàn)為凝沉性減弱。此外，酸使淀粉分子帶電，加強其在水中的分散程度，降低其凝聚趨勢[17]。在酸濃度為4.0%以上時繼續(xù)增大濃度，淀粉凝沉性不再出現(xiàn)顯著變化，表明絕大部分能夠自由浸出的淀粉鏈已被水解，淀粉分子的有序重排程度達到最小化即凝沉性降至最低[26-28]。

A-濃度；B-時間圖2 不同濃度和時間酸水解處理對芭蕉芋淀粉沉降物質體積的影響Fig.2 Effect of acid hydrolysis concentration and time on the settling material volume of Canna edulis ker starch paste

酸水解時間對芭蕉芋淀粉凝沉性的影響如圖2-B所示。經0.25～4.0 h酸水解處理后淀粉沉降體積較原淀粉均有不同程度提高。當酸處理時間為0.25～1.0 h時沉降體積迅速上升，較未處理提高14.29%～50.50%，這表明通過調節(jié)時間可以顯著減弱芭蕉芋淀粉的凝沉性。4.0 h相較于2.0 h，沉降體積差異不顯著，與透光率變化一致。原因可能是在中等酸濃度(2.0%)下延長水解時間(2.0 ～4.0 h)對淀粉結晶區(qū)的破壞程度不明顯，不足以使淀粉發(fā)生嚴重變性。

2.3 酸水解處理對芭蕉芋淀粉凍融穩(wěn)定性的影響

酸水解濃度和時間對芭蕉芋淀粉析水率的影響如圖3所示。酸水解后芭蕉芋淀粉凍融穩(wěn)定性變差，其趨勢與透明度和凝沉性的變化保持一致。當酸濃度為0.5%～3.0%時，析水率隨濃度增加而增大，較原淀粉增大10.93%～52.06%；當酸濃度為4.0%～5.0%時，較原淀粉提高63.38%～64.93%；當酸處理時間為0.25～1.0 h時，較原淀粉提高11.90%～56.13%；4.0 h相較于2.0 h，差異不顯著。淀粉顆粒結晶區(qū)的增加和無定形區(qū)的減少，使淀粉鏈可用的結合位點數(shù)量減少，水合能力降低[22]，膠束中水分大量排出，析水率增大，凍融穩(wěn)定性減弱。酸處理后紅薯、香蕉、蓮花莖和小麥淀粉與水的結合能力弱于原淀粉[29]。

A-濃度；B-時間圖3 不同濃度和時間酸水解處理對芭蕉芋淀粉析水率的影響Fig.3 Effect of acid hydrolysis concentration and time on the syneresis of Canna edulis ker starch paste

2.4 酸水解處理對芭蕉芋淀粉質構特性的影響

酸水解處理芭蕉芋淀粉的凝膠質構參數(shù)見表1。隨濃度增大，硬度、彈性、內聚性、咀嚼性和膠著性先下降后穩(wěn)定。當酸濃度為0.5%～3.0%時，這5項指標較原淀粉分別下降8.10%～72.27%、8.50%～45.68%、8.48%～66.71%、23.06%～94.99%和16.00%～91.60%。酸使凝膠非均相混合體系中連續(xù)結構中的高分子量直鏈淀粉數(shù)量減少，分散結構的溶脹顆粒剛度降低，且隨酸濃度增大，該作用增大，凝膠機械性能下降程度增加[24,28,30]。酸濃度為3.0%時的硬度較2.0%下降了56.37%，可能是因為在3.0%下，酸能侵蝕到含更多長直鏈淀粉的區(qū)域，淀粉分子間和/或分子內氫鍵遭到破壞[31]，導致分子鏈損傷，凝膠結構疏松不穩(wěn)定，最終表現(xiàn)為硬度降低。七葉樹淀粉[16]研究結果與此類似。當酸濃度為4.0%～5.0%時，質構特性較3.0%時無顯著變化，原因可能是3.0%時無定形區(qū)絕大部分直鏈淀粉水解較充分[10]，而其含量是影響凝膠機械性能的重要因素[13]，繼續(xù)增大酸濃度對凝膠質構性能的影響不大。

表1 酸水解處理芭蕉芋淀粉的質構特征參數(shù)Table 1 Texture parameters of Canna edulis ker starch treated by acid hydrolysis

注：同列中各小節(jié)不同字母表示差異性顯著(P<0.05)，下同。

時間對芭蕉芋淀粉凝膠質構特性也有較大影響。當酸處理時間為0.25～1.0 h，各項質構指標均較原淀粉低，且隨時間延長均下降，其中硬度下降了15.11%～64.95%。酸水解高粱淀粉凝膠的硬度也會隨水解時間延長而降低[13]，但其硬度較原淀粉大，可能與高粱淀粉無定形區(qū)主要由支鏈淀粉分支組成有關。對于芭蕉芋淀粉，經酸水解1.0 h時硬度、彈性、內聚性、咀嚼性和膠著性分別比0.25 h時下降了58.72%、40.57%、51.30%、88.03%和79.83%。造成此現(xiàn)象的原因可能是1.0 h相較于0.25 h，酸能接觸到淀粉中含更多直鏈淀粉的區(qū)域并使其發(fā)生水解[26]。但4.0 h相比于2.0 h，凝膠質構特性變化不顯著，與透明度、凝沉性及凍融穩(wěn)定性的變化一致。

2.5 酸水解處理對芭蕉芋淀粉糊化特性的影響

A-濃度；B-時間圖4 不同濃度和時間酸水解處理芭蕉芋淀粉的RVA曲線Fig.4 RVA curves of Canna edulis ker starch treated with different concentrations and time of acid hydrolysis

酸水解處理芭蕉芋淀粉的糊化特征參數(shù)見表2。隨酸濃度增加，峰值黏度、谷值黏度、最終黏度及回生值下降；糊化溫度無顯著差異。此趨勢與小麥、土豆、玉米、甘薯淀粉的研究結果類似[24,32]。當酸濃度為0.5%～3.0%時，峰值黏度較原淀粉下降12.03%～88.86%；當酸濃度為4.0%～5.0%時，峰值黏度甚至下降了97.24%～97.40%。這可能是由于濃度越大，無定形區(qū)受侵蝕越多，4.0%時達到最大，淀粉溶脹能力顯著降低，顆粒剛度下降且在攪拌下更易變形[16,24]。經酸處理的淀粉的谷值黏度和最終黏度均低于原淀粉，原因可能是酸使直鏈淀粉向低分子量鏈轉化，淀粉分子間締合、交聯(lián)程度減弱，抗剪切能力減弱[32]。玉米淀粉經酸處理后[12,28]，其糊化黏度雖也有所降低，但酸濃度變化對其影響不大，原因可能是淀粉溶脹行為受接近于玉米顆粒表面的無定形區(qū)控制，此區(qū)域淀粉溶脹行為相似，故其結果與芭蕉芋淀粉的變化略有不同。

酸處理0.25～4.0 h時，峰值黏度、谷值黏度及最終黏度均較原淀粉小。經酸處理0.25～1.0 h時，峰值黏度、谷值黏度及最終黏度較原淀粉下降了10.44%～91.35%、6.48%～92.97%、14.91%～ 93.89%；2.0 h后，糊化黏度幾乎為0。這說明時間對芭蕉芋淀粉糊化特性影響很大，高粱淀粉也受時間影響[13]。峰值黏度降低可歸因于酸水解時間的延長使無定形區(qū)水解程度增加并產生低分子量糊精[33]。0.25 h時，回生值增大可能是由于酸促使無定形區(qū)支鏈淀粉浸出，改善淀粉分子間相互作用鍵的形成[22]；大于0.5 h，回生值又迅速降低，冷糊穩(wěn)定性增大，可能是因為直鏈淀粉水解后不易形成網(wǎng)絡結構且顆粒殘余物與浸出分子的相互作用減弱[34]。淀粉凝膠的牛頓行為以及淀粉分子在測量過程中因自身排列的時間不足亦可導致低回生值[35]。

表2 酸水解處理芭蕉芋淀粉的糊化特征參數(shù) 單位：cpTable 2 Gelatinization characteristic parameters of Canna edulis ker starch treated by acid hydrolysis

2.6 酸水解處理對芭蕉芋淀粉顆粒形貌的影響

原芭蕉芋淀粉及酸處理后的芭蕉芋淀粉掃描電鏡照片如圖5所示。

圖5 不同濃度(A)和時間(B)酸水解處理芭蕉芋淀粉的掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron micrographs of Canna edulis ker starch treated with different concentrations (A)and time (B)of acid hydrolysis注：A0～A6表示酸濃度依次為0、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%；B0～B5表示酸處理時間依次為0、0.25、0.5、1.0、2.0、4.0 h。

原淀粉顆粒大小不一，輪廓分明，較大顆粒多呈扁狀橢圓或圓餅形，較小多呈不規(guī)則形狀，表面光滑無裂紋[6,9]。經不同濃度和時間處理后淀粉顆粒較完整，未觀察到明顯侵蝕現(xiàn)象，表明酸水解不會破壞芭蕉芋淀粉的顆粒形貌，與山藥、玉米淀粉結果類似[23,31]。這可能是由于顆粒表面提供了氫離子滲透通道，氫離子主要進入顆粒內部無定形區(qū)并未對外部形貌造成破壞[36]。酸對芭蕉芋淀粉顆粒內部無定形區(qū)的水解作用使其功能特性發(fā)生顯著變化，而淀粉顆粒外圍的結晶結構對酸侵蝕的阻礙作用則使其顆粒形貌得以維持[13,32]。

3 結論

酸處理可顯著提高芭蕉芋淀粉的透明度，減弱其凝沉性和凍融穩(wěn)定性，導致硬度、彈性等質構指標及糊化特征黏度降低，但對其顆粒形貌無顯著破壞。高酸濃度下，芭蕉芋淀粉幾乎喪失糊化特征黏度，抗剪切性減弱，冷糊穩(wěn)定性提高；長時間水解后，淀粉透明度趨于最大，凝沉性和凍融穩(wěn)定性趨于最弱。此外，除單一酸改性外，還可探索酸水解與其他類型改性如β-淀粉酶改性相結合對淀粉結構和功能特性的影響，比如抗性淀粉的研究，這些組合的修飾手段將進一步擴展芭蕉芋改性淀粉在食品、藥品、生物材料等工業(yè)領域的應用。