濕熱改性扁豆淀粉對其結構及理化性質的影響

馮田田,劉寧*,王思穎,溫沐潮,趙凱

(1.哈爾濱商業(yè)大學 食品工程學院,哈爾濱 150028;2.上海壹佰米網絡科技有限公司,上海 200100;3.威海紫光科技園有限公司,山東 威海 264207)

扁豆屬豆科,是多年生纏繞藤本植物,原產于印度,現(xiàn)分布在熱帶、亞熱帶地區(qū),在我國南北均有種植[1]。扁豆比普通葉類蔬菜更具營養(yǎng)價值,是藥食兩用佳品,具有健脾化濕、化濕消暑、治療水腫和細菌性痢疾等功效。扁豆中含有約69%的碳水化合物,其中大部分以淀粉的形式存在[2]。扁豆淀粉呈顆粒狀,呈橢圓形到小圓形,平均粒徑為21.57 μm,表面光滑、無裂隙[3]。淀粉由直鏈淀粉與支鏈淀粉組成,二者的比例影響著淀粉的結構及功能特性。扁豆淀粉中直鏈淀粉含量占比為29%～45.5%[4],直鏈淀粉組成淀粉分子中的無定形區(qū)域,支鏈淀粉形成的雙螺旋結構參與了淀粉顆粒中微晶的形成,其結晶度較玉米、馬鈴薯淀粉小,在受熱過程中于62 ℃時開始糊化[5]。濕熱(HMT)改性通常指的是淀粉在水分含量10%～35%、80～140 ℃條件下處理15 min～6 h,濕熱處理可改變淀粉顆粒表面特征和大小、結晶結構和螺旋結構以及分子組成[6]。濕熱過程中淀粉鏈的相互作用增強,導致晶體結構斷裂并分離出雙螺旋結構,隨后破碎的晶體重新排列,由于這種接近淀粉顆粒表面的破裂,其內部易受到α-淀粉酶的作用,這種處理可提升淀粉的機械性能和熱穩(wěn)定性,但不會顯著改變淀粉的顆粒形態(tài)[7-9]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料、試劑與儀器

1.1.1 主要實驗儀器

DHG-9035A 電熱恒溫鼓風干燥箱、V-1000可見分光光度計、HH.S11-2-S電熱恒溫水浴鍋、ESJ50-5分析天平、SHZ-B水浴恒溫振蕩器、標準檢驗篩等。

1.1.2 實驗試劑及材料

扁豆淀粉:白銀市香百鮮調味食品有限公司;無水乙醇、丙酮等。

1.2 實驗方法

1.2.1 濕熱改性扁豆淀粉

采用國標GB 5009.3—2016中的方法測定扁豆淀粉的含水量。準確稱取5 g扁豆淀粉,計算其所需含水量,并通過噴灑的方式加入蒸餾水。將樣品密封以平衡水分24 h以上,然后將樣品完全密封,置于一定溫度烘箱中,反應一定時間后,冷卻至室溫,研磨,過100目篩,封裝置于干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 抗性淀粉(RS)含量的測定

采用AOAC法[10],準確稱取1 g淀粉(干基)懸浮在0.05 mol/L 40 mL的MES-Tris緩沖液中,首先加入500 Uα-淀粉酶沸水浴30 min,其次加入200 U堿性蛋白酶于60 ℃恒溫水浴鍋中振蕩30 min,調節(jié)pH至4.4～4.6,最后加入300 U糖化酶,于60 ℃恒溫水浴振蕩30 min。使用已稱重的質量為m1的干燥砂芯坩堝過濾掉緩沖液,所得沉淀物首先用15 mL 78%乙醇溶液沖洗2次,其次用15 mL無水乙醇沖洗2次,最后用15 mL丙酮沖洗1次,沖洗后的砂芯坩堝于100 ℃烘箱中烘干,冷卻至室溫后稱重,質量記為m2,由公式(1)計算其抗性淀粉含量。

(1)

1.2.3 透光率

準確稱取濕熱改性扁豆淀粉(干基)1 g,加蒸餾水配制50 mL 1%(質量分數(shù))的淀粉乳,置于沸水浴中攪拌15 min,室溫自然冷卻,于620 nm處測定其透光率[11]。

1.2.4 膨脹力和溶解度

準確稱取濕熱改性扁豆淀粉(干基)1 g,配制成 100 mL 1%的淀粉乳,85 ℃水浴加熱30 min,而后轉移至離心管中,4 800 r/min離心30 min。將離心后的上清液倒入已干燥的器皿中,烘干至恒重,剩余固體物質即為水溶淀粉;管中沉淀物即為膨脹淀粉,由公式(2)、公式(3)計算溶解度與膨脹力[12]。

(2)

(3)

1.2.5 凝沉和抗老化性

準確稱取濕熱改性扁豆淀粉1 g,配制成質量分數(shù)為1%的淀粉乳,沸水浴中不斷攪拌直至呈凝膠化,冷卻后于650 nm處測定其透光率,靜置24 h后再次測定[13]。

1.2.6 凍融穩(wěn)定性

準確稱取濕熱改性淀粉4 g,配制成質量分數(shù)為8%的淀粉乳,高溫加熱并攪拌30 min至糊化,然后將其置于40 ℃恒溫水浴鍋中冷卻。準確稱量30 g糊化淀粉于質量為m0的離心管中,糊化淀粉與離心管的總質量記為m1。而后于-20 ℃以下的冰箱中冷凍48 h以上,取出后自然解凍4 h,重復3次。完成后離心管配平,3 000 r/min離心20 min,棄去上清液,稱量此時糊化淀粉及離心管質量,記為m2,由公式(4)計算淀粉凍融析水率(Ws)[14]。

(4)

1.2.7 吸水率和吸油率

準確稱取濕熱改性扁豆淀粉(干基)2 g與40 mL蒸餾水于離心管中混合,均勻攪拌30 min,3 600 r/min離心5 min,棄除上清液,稱量沉淀物的質量[15],由公式(5)計算淀粉吸水率。

(5)

準確稱取濕熱改性扁豆淀粉(干基)2 g與40 mL食用油混合,室溫下均勻攪拌30 min,攪拌均勻后轉移至離心管中,3 600 r/min離心10 min,倒去上清液,稱取剩余物質質量,由公式(6)計算淀粉吸油率。

(6)

1.2.8 糊化特性

利用RVA測定樣品的糊化特性。準確稱取3 g淀粉與25 g蒸餾水混合,在STDI模式下進行測定[16]。

1.2.9 傅里葉變換紅外光譜

取樣品約5 mg,置于傅里葉變換紅外光譜儀中,波長為4 000～400 cm-1,分辨率為4 cm-1[17]。

1.2.10 SEM

將導電膠粘于掃描電子顯微鏡的載物臺上,粘取少量樣品,放入離子濺射鍍金儀中真空噴金20 min后觀察,加速電壓為 20 kV[18]。

1.2.11 XRD

取0.5 g淀粉樣品置于模具內,用玻璃片壓平。對淀粉樣品用X-射線衍射儀測試,掃描范圍為5°～90°,掃描速度為5°/min[19]。

1.3 濕熱改性扁豆淀粉的單因素實驗

1.3.1 水分含量

準確稱取5份10 g扁豆淀粉于容器中,以噴灑的方式用蒸餾水調節(jié)其水分含量分別為10%、15%、20%、25%、30%。室溫下平衡水分24 h,而后將樣品置于110 ℃烘箱中高溫處理3 h,反應結束后將樣品冷卻至室溫。再次放到烘箱中40 ℃風干,研磨,過100目篩。將處理后樣品放入密封袋存放在干燥器中。

1.3.2 反應時間

準確稱取5份10 g扁豆淀粉于容器中,調節(jié)其水分含量為20%,室溫下平衡水分24 h。而后將樣品置于110 ℃烘箱中,反應時間分別為1,2,3,4,5 h。反應結束后將樣品迅速冷卻至室溫,烘干,研磨過篩。將處理后樣品放入密封袋存放在干燥器中。

1.3.3 反應溫度

準確稱取5份10 g扁豆淀粉于容器中,調節(jié)其水分含量為20%,室溫下平衡水分24 h。而后樣品分別在90,100,110,120,130 ℃高溫下反應3 h。反應結束后將樣品冷卻至室溫,烘干,研磨過篩。將處理后樣品放入密封袋存放在干燥器中。

1.3.4 響應面設計方案

在單因素實驗的基礎上,對水分含量、反應時間和反應溫度3個因素進行響應面分析。通過響應面法和響應面圖的實驗設計,優(yōu)化了濕熱改性扁豆淀粉的工藝。實驗因素水平設計及編碼見表1。

表1 因素水平設計及編碼

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 淀粉水分含量對濕熱改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影響

為了確保實驗中水分含量為最佳水平,分別配制不同水分含量的扁豆淀粉在相同反應時間3 h、相同反應溫度110 ℃的狀態(tài)下進行單因素實驗。采用AOAC法測定濕熱改性扁豆淀粉中的抗性淀粉含量。水分含量分別為10%、15%、20%、25%、30%時相應的抗性淀粉含量見圖1。

圖1 淀粉水分含量對濕熱改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影響

由圖1可知,抗性淀粉含量隨著淀粉水分含量的持續(xù)升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當水分含量為20%時,濕熱改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量達到最大值,為11.3%。當?shù)矸鬯趾啃∮?0%時,抗性淀粉含量隨著水分的增加而增加,這是因為在高溫狀態(tài)下淀粉分子結構被破壞,分子間的氫鍵作用力減小,雙螺旋結構被打開;隨著水分含量的增加,淀粉陸續(xù)開始糊化,直鏈淀粉溶出,支鏈淀粉被溶解,從而使得抗性淀粉的含量降低[20]。由此選擇15%、20%、25%的水分含量作為響應面水平。

2.1.2 反應時間對濕熱改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影響

反應時間為1,2,3,4,5 h時相對應的抗性淀粉含量見圖2。

圖2 反應時間對濕熱改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影響

由圖2可知,當反應時間不斷增加時,抗性淀粉含量先升高后降低,于3 h時達到最高值15.4%。當反應時間低于3 h時,抗性淀粉含量隨時間的增加而升高,造成這一現(xiàn)象的原因可能是短時間內淀粉未完全反應。當濕熱反應時間高于3 h后,抗性淀粉含量隨時間的增加而降低,由此可見反應時間不宜過長,否則容易造成淀粉聚合度變小,而不易形成抗性淀粉[21]。由此選擇2,3,4 h的反應時間作為響應面水平。

2.1.3 反應溫度對濕熱改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影響

反應溫度分別為90,100,110,120,130 ℃時相對應的抗性淀粉含量見圖3。

圖3 反應溫度對濕熱改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量的影響

由圖3可知,隨著反應溫度的升高,濕熱改性扁豆淀粉中抗性淀粉含量先升后降,于110 ℃時達到最大值15.5%。當溫度低于110 ℃時,抗性淀粉含量隨著溫度的升高而升高。溫度超過110 ℃后,抗性淀粉含量隨著溫度的升高而降低。這可能是由于溫度升高,淀粉中水分子運動程度增加,更多氫鍵斷開,分子結構被破壞,雙螺旋結構打開,支鏈淀粉分解導致淀粉短鏈增加[22]。由此選擇100,110,120 ℃的反應溫度作為響應面水平。

2.2 響應面結果與分析

采用Box-Behnken對濕熱改性扁豆淀粉的實驗方案進行優(yōu)化,選擇水分含量、反應時間、反應溫度3個因素作為主要影響因素做顯著水平表,實驗結果見表2。

表2 響應面實驗方案設計和結果

將表3所得的所有實驗數(shù)據(jù)采用Design-Expert V8.0.6統(tǒng)計軟件進行響應面分析,得到回歸模型的方差分析表,見表3。

由表3可知,對所得數(shù)據(jù)進行分析,模型的P<0.000 1,表明該回歸模型極顯著;模型的失擬項P=0.652(>0.05),不顯著。模型的R2=0.975 7,RAdj2=0.944 4,說明此模型的實際測量結果與預測的結果擬合較好,誤差小。由F值可知,3個因素對抗性淀粉含量的影響順序為C(反應溫度)>A(水分含量)>B(反應時間)。利用Design-Expert V8.0.6軟件對17組實驗方案的實驗數(shù)據(jù)進行多重二次擬合,得到水分含量(A)、反應溫度(B)、反應時間(C)3個因素對抗性淀粉含量(Y)的回歸模型:Y=+15.68-0.16A-0.063B+0.22C-0.050AB-0.57AC+0.025BC-2.02A2-0.26B2-0.69C2。由上述回歸方程得出響應面分析圖和相應的等高線,見圖4～圖6。

由圖4～圖6可知,圖5中的響應曲面較陡,說明反應溫度與水分含量的交互作用對抗性淀粉含量的影響較大,圖4和圖6中的響應曲面較平緩,說明水分含量與反應時間以及反應時間和反應溫度的交互作用對抗性淀粉含量的影響相對較弱。分析數(shù)據(jù)得濕熱改性扁豆淀粉的最佳工藝為水分含量22.29%、反應時間2.84 h、反應溫度109.7 ℃,此時抗性淀粉含量的理論最大值為15.19%。為便于實際操作,將濕熱改性扁豆淀粉工藝修正為水分含量22%、反應時間3 h、反應溫度110 ℃,進行3次平行驗證實驗,得到抗性淀粉含量平均值為15.30%,該值和模型的預測值基本相符,說明運用響應面法優(yōu)化濕熱扁豆淀粉的工藝具有可行性。

圖5 水分含量和反應溫度的交互作用對抗性淀粉含量影響的響應面圖和等高線圖

圖6 反應時間和反應溫度的交互作用對抗性淀粉含量影響的響應面圖和等高線圖

2.3 濕熱改性扁豆淀粉的性能測定

2.3.1 透光率分析

根據(jù)1.2.3中方法測得樣品的透光率,見表4。

表4 透光率性能測定

由表4可知,扁豆淀粉經濕熱改性后透光率有所下降。淀粉的透光度受淀粉與水分子結合能力的影響,經過高溫加熱處理后的淀粉糊在冷卻過程中淀粉分子中直鏈淀粉重新結合,易形成結晶,使光的折射和反射強度減弱[23]。

2.3.2 膨脹力和溶解度分析

根據(jù)1.2.4中方法測得樣品的膨脹力與溶解度,見表5。

表5 膨脹力與溶解度性能測定

由表5可知,扁豆淀粉經濕熱改性后溶解度有一定程度的提高,膨脹力略有下降,與喬昂等[24]的結論相同。濕熱處理使扁豆淀粉的結晶度增加,直鏈淀粉與支鏈淀粉間的分子作用力增加,分子內鍵強度增加,淀粉結構強度增強,從而抑制了淀粉膨脹。淀粉顆粒內部空隙擴大,水分子易進入淀粉分子的無定形區(qū)域,從而提高淀粉的溶解度[25]。

2.3.3 凝沉和抗老化性分析

根據(jù)1.2.5中方法測得樣品的凝沉和抗老化性,見表6。

表6 凝沉和抗老化性性能測定

扁豆原淀粉與濕熱改性扁豆淀粉的透光率差值越大,表示凝沉性越強;差值越小,表示抗老化能力越強。由表6可知,濕熱改性后扁豆淀粉的抗老化性增強[26]。

2.3.4 凍融穩(wěn)定性分析

根據(jù)1.2.6中方法測得樣品的凍融穩(wěn)定性,見表7。

表7 凍融穩(wěn)定性性能測定

凍融穩(wěn)定性與析水率呈負相關,析水率越小,凍融穩(wěn)定性越好。淀粉具有凝沉作用,經糊化后再反復循環(huán)低溫冷凍-解凍操作后淀粉分子間或出現(xiàn)重結晶現(xiàn)象,析出游離水[27]。由表7可知,改性后析水率下降,凍融穩(wěn)定性增強。

2.3.5 吸水率和吸油率分析

根據(jù)1.2.7中方法測得樣品的吸水率和吸油率,見表8。

表8 吸水率與吸油率性能測定

由表8可知,扁豆淀粉經濕熱改性后吸水率升高,吸油率明顯下降。有研究表明,淀粉經熱處理后,其內所含直鏈淀粉含量顯著上升,直鏈淀粉的結構呈螺旋空腔形,這種特殊的構造使淀粉易包裹脂質分子,從而絡合成淀粉-脂質復合物,進而干擾油脂的滲入,故此淀粉經濕熱處理后吸油率下降[28-30]。

2.3.6 糊化特性分析

根據(jù)1.2.8中方法測定樣品的糊化特性,見表9。

表9 糊化特性性能測定

由表9可知,濕熱處理后扁豆淀粉的糊化溫度升高,峰值黏度、谷值黏度、終值黏度均下降。淀粉內分子鍵作用力增強,結晶度升高,致使?jié)駸岬矸酆瘻囟壬?。有研究表?淀粉的膨脹力與黏度呈正相關,膨脹力有所下降,黏度也相應下降。同時,直鏈淀粉含量升高,致使?jié)駸岣男缘矸鄣酿ざ认陆礫31]。

2.3.7 短程有序結構分析

利用FT-IR技術分析了濕熱處理對扁豆淀粉短程有序性的影響。由圖7可知,天然扁豆淀粉與濕熱改性扁豆淀粉相對比,未出現(xiàn)峰的消失和新峰的形成,說明濕熱改性扁豆淀粉中沒有生成新的官能團或者共價鍵。在3 000 cm-1處吸收峰有波動,與C-H的伸縮振動有關。濕熱改性扁豆淀粉在1 022 cm-1和1 047 cm-1處的吸光度值高于天然扁豆淀粉,這是受淀粉顆粒結晶結構的影響,與結晶度的升高相對應,濕熱改性后淀粉顆粒中的螺旋結構排列更有序[32]。

圖7 天然扁豆淀粉和濕熱改性扁豆淀粉的FT-IR圖譜

2.3.8 掃描電鏡分析

扁豆淀粉濕熱處理前后的掃描電鏡圖見圖8和圖9。

圖8 天然扁豆淀粉的掃描電鏡圖

圖9 濕熱改性扁豆淀粉的掃描電鏡圖

天然扁豆淀粉顆粒完整,表面光滑,大小不一,呈扁圓形、橢圓形。濕熱改性后扁豆淀粉顆粒的表觀形貌無明顯改變,仍呈現(xiàn)顆粒態(tài),保持其原有形狀及完整性,僅有少數(shù)顆粒表面出現(xiàn)凹陷、裂隙現(xiàn)象。濕熱改性處理過程中的高溫使淀粉內部直鏈、支鏈之間相互作用,重新排列,致使少許形成凹陷,也使得淀粉顆粒更聚集[33]。

2.3.9 X-射線衍射分析

由圖10可知,天然扁豆淀粉與濕熱改性扁豆淀粉都在15°、17°及23°出現(xiàn)了特征衍射峰,說明扁豆淀粉濕熱改性前后晶型未改變,均為A型。濕熱改性處理過程中適當?shù)乃趾肯碌矸壑兄辨?、支鏈分子鏈相互作?淀粉顆粒晶區(qū)內支鏈淀粉的雙螺旋結構重新排列,形成更有序的雙螺旋支鏈,結晶層的堆積更有序、更致密,由此濕熱改性扁豆淀粉的衍射峰強度增大,結晶度有所升高[34-35]。

圖10 天然扁豆淀粉與濕熱改性扁豆淀粉的X-射線衍射圖

3 結論

本文以扁豆淀粉為原料,采用濕熱改性方法,利用單因素實驗及響應面實驗優(yōu)化工藝條件,得到最佳改性方案:淀粉水分含量20%,反應時間3 h,反應溫度110 ℃,在此條件下濕熱改性扁豆淀粉的抗性淀粉含量最高,為18.5%。并對濕熱改性扁豆淀粉的結構及理化特性進行測定,改性后的扁豆淀粉顆粒外部形貌無顯著改變,內部結構仍維持原有晶型A型,結晶度、糊化溫度、溶解度、吸水率升高,抗老化性、凍融穩(wěn)定性增強,透光率、黏度、膨脹力、吸油率下降。本研究可為濕熱改性扁豆淀粉的研究提供理論依據(jù),并為開發(fā)扁豆淀粉的衍生調味品提供數(shù)據(jù)參考。