不同糊化度秈米淀粉的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)研究

李江濤，周 巧，林親錄，楊琪琪，肖華西，楊 英，韓文芳

(稻米及副產(chǎn)物深加工國家工程研究中心;中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410004)

秈米是我國南方地區(qū)普遍種植和廣泛食用的稻米品種。除日常煮飯，以早秈米為主要原料所制作的米粉(線)更是南方人所鐘愛的米制主食食品[1]。此外，方便米飯、方便米粉(線)、速凍(保鮮)米發(fā)糕等便捷化食品以及糙米卷、米果等米制食品則是通過適宜的現(xiàn)代化加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低值秈米的高值轉(zhuǎn)化。

適中的淀粉糊化度是獲得淀粉質(zhì)食品期望質(zhì)量(適口性、消化性等)的必要條件，在米制食品的制作尤其是大規(guī)模生產(chǎn)中，淀粉糊化度的測定和控制相當(dāng)重要。對于米飯，淀粉糊化度大小直接反應(yīng)其熟化程度[2]，一般認(rèn)為米飯需糊化度大于85%才能具有米飯正常的口味和質(zhì)地[3]。對于米粉(線)等需適度老化的米制品而言，糊化度過高會導(dǎo)致黏附性過大、延展性受損、成型較差，故需要含有部分未煮熟的淀粉顆粒以利于其質(zhì)地的形成。但較低的糊化度不足以形成穩(wěn)定的淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，蒸煮品質(zhì)差，食用時(shí)會有夾生感[4,5]。對于方便米制品，淀粉的糊化度是影響其復(fù)水特性和感官品質(zhì)的重要因素之一。一般糊化度越高，產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)更疏松，復(fù)水越快，食用品質(zhì)越佳。對于休閑米制品，淀粉糊化程度直接影響著產(chǎn)品的品質(zhì)，一般糊化度越高可具有更好的適口性和更高的消化率。當(dāng)然，對于米茶等低水分米制食品，其淀粉所能達(dá)到糊化度通常較低[6]。

淀粉糊化過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的程度是淀粉在食品加工和營養(yǎng)提供中所展現(xiàn)出所需功能特性的決定因素。目前，淀粉糊化度已經(jīng)成為米飯、米粉、方便米制品、重組米等米制品加工過程中十分重要的質(zhì)量控制指標(biāo)，但國內(nèi)外學(xué)者對不同糊化度秈米淀粉結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)所發(fā)生變化的研究尚且有限。

本研究以方便米飯、方便米粉、速凍米發(fā)糕及米粥等米制品加工中所涉及的低等程度糊化、中等程度糊化及完全糊化秈米淀粉為研究對象，分析了不同糊化度秈米淀粉的微觀形貌、短程有序結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、熱特性和糊化性質(zhì)的差異，以期探明處于不同糊化程度下秈米淀粉理化性質(zhì)改變的結(jié)構(gòu)本質(zhì)，為米制品在加工過程中糊化度的控制以及秈米可作為預(yù)糊化淀粉原料可行性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

洞庭春軟米(秈米)；氫氧化鈉、鹽酸、溴化鉀、碘、碘化鉀、硫酸、無水碳酸鈉，分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

JMS-30BX型膠體磨，L550型低速離心機(jī)，V1800型分光光度計(jì)，F(xiàn)05-4T型真空冷凍干燥機(jī)，RVA Super 4型快速黏度分析儀，SU8010型掃描電鏡，IR Tracer-100型傅里葉紅外光譜儀，SAXSess mc2型小角X射線散射儀，Empyrean銳影X射線衍射儀，DSC 2000型差示熱量掃描儀。

1.3 方法

1.3.1 秈米淀粉的提取

參照文獻(xiàn)[7]的方法提取秈米淀粉(indica rice starch, IRS)。

1.3.2 不同糊化度淀粉的制備

基于前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，選取不同的RVA加熱程序制備糊化度分別為58%、80%、100%的秈米淀粉，依次命名為低等程度糊化淀粉(LDG)、中等程度糊化(MDG)及高度糊化(HDG)。不同糊化度秈米淀粉樣品的制備實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次并采用酶法進(jìn)行糊化度的測定[8]。具體的樣品制備方法：將3 g秈米淀粉與25 mL蒸餾水混勻于RVA專用圓筒鋁盒中，以不同的RVA加熱程序分別制備樣品LDG、MDG和HDG。制備過程中，攪拌速率在0～10 s為960 r/min，其余時(shí)間保持在160 r/min。樣品LDG的制備程序設(shè)置：首先在50 ℃保持60 s，然后于3.7 min內(nèi)升至70 ℃并保持2 min，再于4.3 min內(nèi)降至50 ℃并保持2 min。樣品MDG的制備程序設(shè)置：首先在50 ℃保持60 s，然后于3.7 min內(nèi)升至71 ℃并保持3 min，再于3.8 min內(nèi)降至50 ℃并保持2 min。樣品HDG的制備程序設(shè)置：首先在50 ℃保持60 s，然后于3.7 min內(nèi)升至95 ℃并保持3 min，再于3.3 min內(nèi)降至50 ℃并保持2 min。

待RVA所制備樣品冷卻至室溫再經(jīng)預(yù)凍后，采用真空冷凍干燥。凍干樣品經(jīng)碾磨過100目篩后保存于干燥器。

1.3.3 微觀形貌的觀察

取少量淀粉樣品均勻置于導(dǎo)電膠上，進(jìn)行離子濺射儀真空噴金，用掃描電子顯微鏡觀察不同糊化度淀粉的微觀形貌。測試加速電壓為10 kV，放大倍數(shù)為5 000倍。

1.3.4 紅外光譜的采集

精確稱取2 mg淀粉樣品與200 mg溴化鉀于瑪瑙研缽中充分研磨均勻，經(jīng)壓片后采用季寒一等[9]的方法進(jìn)行紅外光譜掃描。

1.3.5 層狀結(jié)構(gòu)的分析

采用SAXS分析不同糊化度淀粉中半結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)交替重復(fù)排列所形成的層狀結(jié)構(gòu)[10]。測試范圍為0.1～25 nm-1，光子通量1013光子/s，波長λ=0.147 nm。通過Pilatus 1 M探測器(有效面積為169 mm×179 mm；像素為172 μm×172 μm)對樣品的2D散射圖樣進(jìn)行收集，并采用Scatter Brain軟件獲取0.001

1.3.6 結(jié)晶結(jié)構(gòu)的表征

采用粉末衍射法對不同糊化度淀粉樣品進(jìn)行測試[9]，得到的X衍射圖譜采用MDI Jade軟件進(jìn)行分析。淀粉的晶體結(jié)構(gòu)主要由支鏈淀粉分支的外鏈經(jīng)氫鍵所形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)組成，相對結(jié)晶度能夠反映淀粉糊的長程有序結(jié)構(gòu)，其計(jì)算采用積分法[11]。

1.3.7 熱特性的測定

精確稱取3 mg樣品置于專用坩堝，按照m樣品∶m水=1∶3的比例加入重蒸水，壓片密封后于室溫平衡24 h。以空白坩堝為對照，采用DSC測定不同糊化度淀粉的熱力學(xué)特性。掃描溫度范圍為10～100 ℃，升溫速率10 ℃/min。其中，糊化起始溫度(To)、峰值糊化溫度(Tp)、糊化終止溫度(Tc)、糊化焓(ΔH)等熱特性參數(shù)采用儀器自帶軟件進(jìn)行計(jì)算。

1.3.8 黏度特性的測定

精確稱取3 g樣品(含水量為12%)置于RVA專用圓筒鋁盒，加入25 mL蒸餾水，混勻。采用升溫—降溫循環(huán)以測定淀粉的黏度特性，測試程序?yàn)椋?0 ℃保持1 min，于3.75 min內(nèi)加熱至95 ℃并保持3 min；再于3.75 min內(nèi)降溫至50 ℃并保持2.5 min。攪拌速率為0～10 s時(shí)為960 r/min，其余時(shí)間保持在160 r/min。采用儀器自帶軟件分析相關(guān)參數(shù)。

1.3.9 數(shù)據(jù)處理及分析

每個(gè)樣品的各項(xiàng)指標(biāo)均重復(fù)測定3次以上。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel、Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖表繪制，用SPSS19.0中的單因素對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同糊化度秈米淀粉的微觀形貌

由圖1可見，不同糊化度秈米淀粉的微觀形貌存在明顯差異，糊化程度越大，其顆粒形貌被破壞程度越大。IRS天然淀粉顆粒呈不規(guī)則多面體結(jié)構(gòu)，表面平滑且棱角分明。LDG大部分顆粒因溶脹發(fā)生破損，出現(xiàn)多重褶皺，僅有少部分顆粒還能保持多邊形結(jié)構(gòu)，但表面變得粗糙。MDG大部分顆粒已因發(fā)生糊化而聚合黏連呈無定形團(tuán)塊狀，但仍能觀察到極少許形貌不再完整的顆粒結(jié)構(gòu)。HDG的顆粒結(jié)構(gòu)已被完全破壞并轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形狀態(tài)，其表面粗糙的狀態(tài)則表明糊化所形成的熱糊黏附性較大，冷卻所形成的三維網(wǎng)狀凝膠彈性可能不佳。

圖1 不同糊化度秈米淀粉的微觀形貌

秈米淀粉發(fā)生以上形貌特征的變化說明煮至半熟撈出待蒸的米粒(傳統(tǒng)先煮后蒸工藝制作撈飯)、米茶、重組米[6]等低、中糊化度米制品可在后續(xù)加水加熱的作用下吸水膨脹進(jìn)一步糊化提高熟化程度。圖1c的形貌特征表明米制品在糊化度為80%下直接食用可能會存在夾生感，從而也印證了為避免米飯、米粉等米制品夾生感存在所需糊化度應(yīng)大于85%。

2.2 不同糊化度秈米淀粉的短程有序結(jié)構(gòu)

淀粉紅外光譜在1 200～800 cm-1區(qū)域出現(xiàn)的譜帶主要反映C—C和C—O的伸縮振動以及C—H—O的彎曲振動，對淀粉的短程分子順序變化敏感[12]。由圖2可見，與IRS相比，不同糊化度秈米淀粉的紅外光譜圖中沒有發(fā)生某個(gè)特征峰的消失或者出現(xiàn)新的吸收峰，說明糊化處理沒有形成新的基團(tuán)。LDG、MDG和HDG的吸收峰強(qiáng)度較IRS明顯降低，且譜帶都有所增寬，尤其是羥基的吸收峰明顯向低波數(shù)方向移動。譜帶增寬說明淀粉在加熱糊化過程中，因淀粉分子與水分子以氫鍵結(jié)合發(fā)生水合作用導(dǎo)致其自身有序排列的結(jié)構(gòu)遭到破壞，淀粉分子內(nèi)部特定化學(xué)鍵的鍵能分布范圍增大。糊化度越高，譜帶增寬現(xiàn)象越明顯，這表明淀粉分子的短程有序性隨著糊化度的增加其被破壞程度增加[13]。

圖2 不同糊化度秈米淀粉的紅外圖譜

2.3 不同糊化度秈米淀粉的層狀結(jié)構(gòu)

不同糊化度淀粉的SAXS散射圖如圖3所示，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。大米淀粉在0.697 nm-1處有一個(gè)較強(qiáng)的衍射峰，半結(jié)晶區(qū)片層厚度為9.014 nm。隨著糊化度的增加，該散射峰明顯弱化，片層厚度逐漸增加，表明秈米淀粉的半結(jié)晶層狀結(jié)構(gòu)的有序化程度會被加熱糊化破壞[14]。HDG的散射峰完全消失，表明該樣品淀粉顆粒中AP成簇側(cè)鏈有序排列所形成的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)在95 ℃加熱3 min的制備過程中被完全破壞，完全糊化導(dǎo)致淀粉分子鏈無序化，半結(jié)晶層狀結(jié)構(gòu)完全消失。由表1可知，所有樣品的分形結(jié)構(gòu)參數(shù)α均在-0.64～-1.68之間，表明天然秈米淀粉和不同糊化度秈米淀粉中的分形結(jié)構(gòu)以質(zhì)量分形結(jié)構(gòu)為主，則其質(zhì)量分形維數(shù)Dm=-α，淀粉經(jīng)過糊化后其Dm值顯著降低，且隨著糊化度的增加，其Dm值降低越多，說明糊化會導(dǎo)致秈米淀粉顆粒中分子的規(guī)則排列逐漸受到破壞，淀粉分子排列的致密性因此不斷降低[10,14]。

圖3 不同糊化度秈米淀粉的小角X射線散射圖譜

2.4 不同糊化度秈米淀粉的結(jié)晶特性

天然秈米淀粉和不同糊化度秈米淀粉的XRD圖譜如圖4所示。IRS的衍射峰出現(xiàn)在2θ為15°、17°、18°及23°附近，呈谷物淀粉典型的A型結(jié)晶[15]。

圖4 不同糊化度秈米淀粉的XRD圖譜

隨著糊化度的升高，LDG、MDG的衍射峰強(qiáng)度明顯下降，表明其結(jié)晶度降低、無定形程度增加。完全糊化HDG的結(jié)晶峰幾乎完全消失，僅余20°的衍射峰，可歸因于結(jié)晶直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的存在，該復(fù)合物在約115～125 ℃時(shí)熔化[16,17]。這是因?yàn)榈矸墼谒疅崽幚淼暮^程中，淀粉分子內(nèi)和分子間的氫鍵被破壞被淀粉分子與水分子之間重新形成氫鍵取代，淀粉中雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致晶體簇的松弛，晶格發(fā)生畸變而產(chǎn)生缺陷，最終部分晶體結(jié)構(gòu)消失，有序排列的結(jié)晶結(jié)構(gòu)向無定形態(tài)轉(zhuǎn)變，結(jié)晶度下降。相對結(jié)晶度的計(jì)算結(jié)果(見表1)證實(shí)秈米淀粉隨著糊化度的增加，其結(jié)晶度明顯下降。

表1 不同糊化度秈米淀粉的晶層結(jié)構(gòu)參數(shù)及結(jié)晶度

2.5 不同糊化度秈米淀粉的熱特性

天然秈米淀粉和不同糊化度淀粉的熱特性曲線如圖5所示，在遠(yuǎn)高于天然秈米淀粉Tc的溫度(95 ℃)下加熱3 min所得到的HDG未檢測到糊化峰，進(jìn)一步證實(shí)該樣品為完全糊化樣品，其微晶結(jié)構(gòu)已被完全破壞，雙螺旋結(jié)構(gòu)徹底解體。在低于天然秈米淀粉Tp的溫度下所制得的LDG、MDG則屬于未完全糊化的淀粉，再次加熱其淀粉顆粒能夠繼續(xù)糊化。由表2可知，與IRS相比，部分糊化淀粉LDG、MDG的糊化溫度范圍(ΔT)變窄，說明樣品中各種微晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性差異有所減小，即制備過程中部分微晶結(jié)構(gòu)已被破壞從而提高了剩余微晶的均勻性。LDG、MDG的To顯著增加則進(jìn)一步表明秈米淀粉中不穩(wěn)定的微晶在加熱制備過程中已優(yōu)先熔化，留下了具有更高熔化溫度、更穩(wěn)定的殘留微晶[18]。而LDG、MDG有著較IRS更低的Tc、ΔH則可能與隨著糊化程度的增加樣品所剩余微晶的量有所減少有關(guān)[17]，該結(jié)果可由XRD所觀察到的淀粉長程結(jié)構(gòu)變化趨勢得到證實(shí)。此外，LDG、MDG較IRS的Tp增加幅度較小則歸因于未完全糊化淀粉中微晶結(jié)構(gòu)量減少但所剩余的微晶穩(wěn)定性相對更強(qiáng)。與制備時(shí)加熱溫度略低、加熱時(shí)間稍短的LDG相比，MDG再次糊化所需的熱量(ΔH)更低。該結(jié)果表明MDG在制備程序中其雙螺旋結(jié)構(gòu)和微晶結(jié)構(gòu)被破壞的程度更大[18]，其所剩余有序排列的結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對更少，但需在更高的溫度下熔融，表現(xiàn)出稍高的To、Tp。

表2 不同糊化度秈米淀粉的熱特性參數(shù)

圖5 不同糊化度秈米淀粉的熱特性曲線

2.6 不同糊化度秈米淀粉的黏度特性

不同糊化度淀粉的RVA曲線如圖6所示，RVA曲線反映的是淀粉懸濁液的體系黏度隨溫度的變化。由圖6可見，完全糊化的HDG因微晶結(jié)構(gòu)被完全破壞，在RVA曲線中表現(xiàn)出類似于預(yù)糊化淀粉的黏度性質(zhì)，加水后僅經(jīng)50 ℃保持1 min的分散和溶解即形成具有高黏度的溶液。在持續(xù)升溫和高溫保持階段，隨著攪拌剪切力的持續(xù)作用，淀粉分子鏈間作用力減弱，體系黏度迅速降低。隨后，淀粉分子鏈在降溫過程中重排引起黏度有所回升。尚余微晶結(jié)構(gòu)的LDG、MDG表現(xiàn)出與天然秈米淀粉IRS相似的黏度曲線。相應(yīng)的黏度參數(shù)見表3。

表3 不同糊化度淀粉的糊化黏度參數(shù)值

圖6 不同糊化度秈米淀粉的RVA曲線

峰值黏度反映的是淀粉顆粒在晶體結(jié)構(gòu)徹底破裂前的最大吸水膨脹能力。隨著糊化度的增加，LDG、MDG的峰值黏度較IRS顯著增加，可能歸因于制備過程中淀粉顆粒微晶結(jié)構(gòu)部分被破壞使得結(jié)構(gòu)更為松散，再次加熱時(shí)淀粉分子鏈更易溶出增強(qiáng)了與水分子的氫鍵結(jié)合。該結(jié)果與李云龍等[19]的研究結(jié)果存在差異，可能的原因是該文采用高溫的擠壓糊化來制備不同糊化度的苦蕎全粉時(shí)，淀粉分子鏈?zhǔn)芨邷刈饔冒l(fā)生了降解。本研究中，LDG、MDG是以不含蛋白質(zhì)等其他成分的秈米淀粉在低于糊化溫度下制得，淀粉分子鏈無序化程度增加但尚未發(fā)生降解。但表3中崩解值的差異表明，隨著糊化度的增加，淀粉分子在高溫下發(fā)生分解使得淀粉糊體系的抗剪切能力減弱，即熱糊穩(wěn)定性變差。LDG、MDG較IRS更高的回升值表明部分糊化淀粉再次糊化后分子重新排列締合形成結(jié)晶的趨勢有所增加，這可能與熱糊保持階段淀粉分子降解溶出更多的直鏈淀粉在冷卻過程中所發(fā)生的分子碰撞有關(guān)[5]。

3 結(jié)論

不同糊化度秈米淀粉在結(jié)構(gòu)特性和熱特性、黏度特性上表現(xiàn)出明顯的差異。隨著糊化度的增加，秈米淀粉表現(xiàn)出紅外譜帶變寬、SAXS散射峰弱化以及XRD衍射峰強(qiáng)度下降，這些變化表明隨著糊化的進(jìn)行，淀粉半結(jié)晶層狀結(jié)構(gòu)中分子排列的有序性逐漸被破壞，雙螺旋結(jié)構(gòu)逐漸解體。糊化度較大的秈米淀粉其熱特性表現(xiàn)出較高的To、Tp和較低的ΔT和ΔH，表明其雙螺旋結(jié)構(gòu)和微晶結(jié)構(gòu)被破壞的程度更大，且隨著不穩(wěn)定微晶的優(yōu)先被熔化使其剩余微晶的均勻性和穩(wěn)定性有所提高。完全糊化秈米淀粉的微晶結(jié)構(gòu)被完全破壞，表現(xiàn)出類似于預(yù)糊化淀粉的黏度性質(zhì)。在米制品加工中，針對不同米制品加工中所需糊化度會存在差異，如擠壓重組米要求糊化度不易過高，方便米粉擠壓糊化時(shí)糊化度不易超過80%，而速凍米發(fā)糕等產(chǎn)品則需要完全糊化才能達(dá)到較好品質(zhì)。