超聲波輔助韌化改性甘薯淀粉的結構及理化特性

李姝穎, 謝鈺欣, 張 蕾, 趙國華,3, 葉發(fā)銀,3

(西南大學食品科學學院1, 重慶 400715)(西南大學西塔學院2, 重慶 400715)(重慶市甘薯工程技術研究中心3, 重慶 400715)

甘薯淀粉是生產粉條(絲)、酸辣粉的優(yōu)質原料,還作為增稠劑、穩(wěn)定劑、填充劑或持水劑用于湯料、醬汁、肉品等現代食品工業(yè)。天然甘薯淀粉存在糊的透明度低[1]、易老化[2]、析水率高以及對酸、熱[3]、剪切等環(huán)境及加工因素的抗性較差等問題,限制了其應用。甘薯淀粉的改性手段包括物理、化學或生物學手段,其中物理手段因其安全、綠色、有效而被廣泛接受。Zheng等[1]發(fā)現雙頻超聲處理可顯著提升甘薯淀粉糊的透光率。Guo等[2]發(fā)現甘薯淀粉依次采用生麥芽糖α-淀粉酶、β-淀粉酶、轉葡糖苷酶處理,回生性能顯著降低,淀粉凝膠質地改善、透明度提高。Trung等[4]報道濕熱處理和韌化提高了甘薯淀粉的抗性淀粉含量。

韌化是常用的淀粉物理改性方法。韌化是在過量水分(質量分數>60%)或平衡水分(質量分數40%～55%),溫度高于淀粉玻璃化轉變溫度(Tg)而低于淀粉糊化起始溫度(To)條件下進行的水熱處理[5]。Hu等[3]報道甘薯淀粉經韌化可顯著改善糊化特性,淀粉糊的耐剪切能力提高,糊的回生性減弱。韌化在不破壞淀粉顆粒形態(tài)的情況下影響淀粉鏈之間的相互作用,使淀粉內部分子結構重新排列,從而改變淀粉的結構和理化性質[5]。但是,韌化時間通常相對較長(24 h～數天),有些淀粉通過韌化只能在很小程度上進行改性,甚至無法達到期望的改性效果[6]。

不少研究者將韌化與其他方式(如濕熱、干熱、超聲波、微波、酶法等)相結合,以縮短韌化時間或提高其改性效果[6]。Babu等[7]發(fā)現小米淀粉在韌化前進行超聲波處理,可使耐酸性從改性前的0.74增加到0.94、抗剪切性從0.42增加到0.68、抗性淀粉質量分數從18.20%增加到45.59%。Chang等[8]發(fā)現脫支蠟質玉米淀粉在韌化前進行超聲波處理,可使其RS質量分數從46.2%增加到65.4%。超聲波是一種由頻率高于人類聽覺閾值的高能機械波[9],其產生的機械效應、熱效應和空化效應形成的高壓、高溫,可在短時間內誘導淀粉鏈劇烈運動,改變分子鏈之間相互作用和使其重新排列[10]。盡管超聲波輔助韌化在其他淀粉中取得了有益效果,但是該方式用于改善甘薯淀粉加工特性方面缺乏研究。以單一韌化為對照,考察超聲波輔助韌化對甘薯淀粉加工特性的改性效果,以期為雙重物理改性甘薯淀粉和設計開發(fā)具有期望質地的甘薯淀粉凝膠食品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯淀粉;氫氧化鈉、乙酸、乙酸鈉、溴化鋰、疊氮化鈉:分析純;二甲基亞砜:色譜純;異淀粉酶:1 400 U/mg。

1.2 儀器與設備

HWS-26電熱恒溫水浴鍋,KQ-700DE數控超聲波波清洗器,DHG-9140電熱恒溫鼓風干燥箱,SARTORIUS電子天平,IRPrestige-21紅外光譜儀,TechMaster快速黏度分析儀,Phenom Pro10102掃描電鏡,X'Pert3 Powder10300 X射線衍射儀,TA. XT Plus質構儀,DHR-2流變儀,Thermo ICS5000+離子色譜系統(tǒng),DAWN HELEOS-Ⅱ激光光散射檢測器,OPTILAB T-rex示差檢測器。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

韌化:稱取400 g的甘薯淀粉(NS),加入蒸餾水調至水質量分數為70%,放置于蒸煮袋中密封,在4 ℃下平衡12 h,將平衡后的樣品置于55 ℃水浴中韌化16 h,取出抽濾,放入烘箱40 ℃烘干24 h,標記為ANN。超聲波輔助韌化:分別在韌化前段(5%)、中段(50%)和后段(95%)超聲波(55 ℃、280 W、40 kHz)處理20 min,超聲波處理后停止韌化或繼續(xù)韌化。對樣品進行抽濾,放入40 ℃烘箱干燥24 h。各樣品分別標記為ANN-5%US、ANN-50%US、ANN-5%US-ANN、ANN-50%US-ANN、ANN-95%US-ANN。

1.3.2 掃描電鏡觀測

淀粉粉末用導電膠粘于載物臺上,噴金吹氮后,置入掃描電鏡觀測,加速電壓10 kV,放大倍數×3 000。

1.3.3 直鏈淀粉含量測定

參照GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測定》。

1.3.4 淀粉分子質量測定[11]

將5 mg淀粉與5 mL含質量分數0.5% LiBr 的DMSO溶液充分混合,使用恒溫器在80 ℃加熱3 h。采用凝膠色譜(SEC)-示差(RI)-多角度激光光散射(MALLS)系統(tǒng)液相系統(tǒng)測定各組分的多分散性和分子質量。采用DAWN HELEOS-Ⅱ型激光光散射檢測器(He-Ne激光器,λ=663.7 nm),測定DMSO溶液中各組分的質量和數均分子質量(Mw和Mn)和多分散指數(Mw/Mn)。根據化合物的性質,采用合適分子質量范圍的凝膠排阻色譜柱:Ohpak SB-805 HQ(300 mm×8mm),Ohpak SB-804 HQ(300 mm×8 mm),Ohpak SB-803 HQ(300 mm×8mm);柱溫60 ℃;進樣量100 μL;流動相0.5% LiBr的DMSO溶液;流速0.3 mL/min;等度洗脫。利用軟件ASTRA 6.1處理色譜數據。

1.3.5 支鏈淀粉鏈長分布測定[11]

稱取樣品5 mg,重懸于5 mL水中,沸水浴60 min,間斷渦旋混勻;加入50 μL醋酸鈉(0.6 mol/L,pH 4.4)、10 μL質量分數2%的NaN3和10 μL異淀粉酶(1 400 U),37 ℃孵育24 h。加入質量分數0.5%硼氫化鈉溶液,渦旋混勻后放置20 h。取600 μL于離心管中,室溫氮吹干燥。溶于30 μL 1 mol/L NaOH 60 min,之后加入570 μL水稀釋,12 000 r/min離心5 min,取上清上樣。采用Thermo ICS 5000離子色譜系統(tǒng),色譜柱DionexTMCarboPacTMPA200(250×4.0 mm,10 μm),進樣量5 μL。流動相A相:0.2 mol/L NaOH;B相:0.2 mol/L NaOH/0.2 mol/L NaAc,柱溫30 ℃,采用電化學檢測器對組分進行分析檢測。流速0.4 mL/min;洗脫梯度:0 min A/B(體積比90∶10),10 minA/B(體積比90∶10),30 minA/B(體積比40∶60),50 min A/B(體積比40∶60);50.1 min A/B(體積比90∶10);60 min A/B(體積比90∶10)。利用Thermo ICS 5000+處理譜圖數據。

1.3.6 熱特性測定

將淀粉和蒸餾水按照1∶2的質量比,放入鋁盤(Ф 5.4 mm×2.0 mm)并密封。將樣品在室溫下平衡過夜,使淀粉充分水化。以10 ℃/min的升溫速度將樣品從20 ℃加熱到120 ℃。使用TA Instruments TRIOS version 4.4分析起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)以及糊化焓(ΔH)。

1.3.7 糊化特性測定

稱取樣品3.00 g(干基)放入鋁筒中,然后加入25 mL蒸餾水,混合均勻,然后運行程序。最初10 s以960 r/min進行攪拌,之后保持160 r/min至實驗結束。采用升溫/降溫程序:RVA初始溫度為50 ℃,從50 ℃提高到95 ℃,保持95 ℃,從95 ℃降至50 ℃,保持50 ℃。獲得淀粉在測試過程中的黏度變化曲線以及7個特征點,糊化溫度、峰值時間、峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度和回升值。

1.3.8 X-射線衍射分析

取少量樣品使用X-射線衍射儀測定。在管壓40 kV,管流40 mA的條件下,以4°～40°的衍射角(2θ)掃描,掃描速度為2(°)/min。用MDI-Jade 6.5軟件計算樣品的相對結晶度。

1.3.9 傅里葉變換紅外光譜分析

在傅里葉變換紅外光譜儀進行分析,掃描范圍600～4 000 cm-1,扣除空氣背景,每4 cm-1掃描64次,記錄樣品的FT-IR光譜。用PeakFit v 4.12軟件計算特征峰面積比值。

1.3.10 凝膠特性的測定

稱取一定質量的淀粉樣品,加蒸餾水配制成質量分數6%的淀粉懸浮液,置于沸水浴中加熱20 min,期間不斷攪拌使其完全糊化。糊化結束后取出冷卻至室溫,在4 ℃條件下儲藏24 h后用于測定。選擇TPA模式,采用圓柱形探針(P36/R)進行測量,測定參數為:測前速率1.0 mm/s,測試速率1.0 mm/s,測后速率1.0 mm/s;觸發(fā)力:5 g;壓縮比:50%。

1.3.11 流變學特性的測定[12]

采用流變儀進行淀粉凝膠動態(tài)流變分析,該分析儀配備平板(直徑為40 mm,間隙為1 mm)。制備質量濃度為6%的淀粉懸浮液,然后在沸水浴中加熱20 min,不斷攪拌,糊化結束后冷卻至室溫,在4 ℃條件下儲藏24 h后用于測定。在 25 ℃和振蕩頻率1Hz條件下,進行應變0.01%～100%的范圍掃描,確定其線性黏彈區(qū)。在溫度25 ℃、應變1%的條件下,測定振蕩頻率在0.1～100 rad/s內儲能模量(G′)、損耗模量(G″)、損耗角正切值(tanδ)變化的情況。

1.4 數據統(tǒng)計與分析

除特別說明外,所有實驗均平行3次以上,數據采用平均值±標準差表示。采用Origin 2018繪圖。使用SPSS 26軟件進行ANOVA分析,采用LSD檢驗,P<0.05為顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 超聲波輔助韌化對甘薯淀粉顆粒形態(tài)的影響

如圖1所示,天然甘薯淀粉(圖1a)表面光滑,多呈多角形、橢圓形、球形,少數不規(guī)則。韌化后的淀粉(圖1b)顆粒形態(tài)無明顯變化。由于處理溫度低于淀粉糊化溫度,韌化對淀粉顆粒形態(tài)無影響[5]。由圖1c～圖1g可見,超聲波輔助韌化改性甘薯淀粉的顆粒形態(tài)無明顯變化。Babu等[7]報道超聲波輔助韌化導致淀粉顆粒表面變得不光滑。Monroy等[12]研究顯示,隨著超聲波處理時間延長,淀粉顆粒的表面逐漸粗糙,但淀粉顆粒的完整性不受影響。但是,Pinto等[13]報道經過超聲波處理的淀粉顆粒沒有明顯的裂紋和缺口;Sujka等[14]研究表明經超聲波處理的大米淀粉顆粒未見明顯裂紋。這表明,在研究中超聲波處理條件(20 min、280 W、40 kHz)所產生的機械效應、熱效應和空化效應不足以改變甘薯淀粉顆粒的形態(tài)。

注:a為NS; b為ANN; c為ANN-5%US; d為ANN-50%US; e為ANN-5%US-ANN; f為ANN-50%US-ANN;g為ANN-95%US為ANN。余同。

2.2 超聲波輔助韌化對甘薯淀粉表觀直鏈淀粉含量和分子結構的影響

2.2.1 表觀直鏈淀粉含量

如表1所示,改性使甘薯淀粉的表觀直鏈淀粉含量產生一定程度的變化。韌化淀粉(樣品b)的表觀直鏈淀粉含量最低;與韌化相比,超聲波輔助韌化提高了甘薯淀粉的表觀直鏈淀粉含量,而且后段施加超聲波(樣品g)的最高。這可能是影響了直鏈淀粉的螺旋構象,改變其與碘的結合能力有關[15,16]。超聲波產生的機械效應、熱效應和空化效應促進了韌化過程中淀粉分子鏈的運動,影響了淀粉分子鏈之間的相互作用,提高了與碘結合的能力。此外,超聲波誘導水分子分解形成羥自由基和氫自由基,這些自由基非選擇性地攻擊C—H鍵的氫,因此表觀直鏈淀粉的增加也可能來自于直鏈淀粉的部分解聚[17]。

2.2.2 淀粉的分子質量

色譜分析結果表明(圖2),甘薯淀粉的大、小分子質量組分呈現良好分離。RI色譜圖(圖2a)第Ⅰ峰為高分子質量峰,在洗脫約38 min時濃度最大,為支鏈淀粉;第Ⅱ峰為低分子質量峰,在洗脫約47 min時濃度最大,為直鏈淀粉[18]。經過韌化的甘薯淀粉分子質量沒有發(fā)生變化,這表明淀粉分子鏈未受韌化的影響(表1)。在韌化后段施加超聲波顯著降低了甘薯淀粉的分子質量,而前段和中段施加超聲波對甘薯淀粉的分子質量影響不顯著。這可能在于施加超聲波之前的韌化時間較長促進了淀粉鏈的運動,促進了后段施加超聲波對聚合物團簇的分解[19]。Mw/Mn代表聚合物分散性的均勻性,其值越大表明聚合物鏈長鏈和短鏈混雜。樣品g的Mw/Mn為2.637,這表明后段施加超聲波處理對聚合物團簇的分解。

2.2.3 支鏈淀粉鏈長分布

支鏈淀粉鏈長分布根據聚合度(DP)可分為4類:A鏈(DP 6-12)、B1鏈(DP 13-24)、B2鏈(DP 25-36)和B3鏈(DP≥37)[20]。其中B1鏈屬短B鏈,B2和B3鏈屬長B鏈,均為內鏈;A鏈是支鏈淀粉的外鏈,它通過α-1,6糖苷鍵與B鏈相連[21]。如表1所示,甘薯支鏈淀粉的B1鏈占比最高,B3鏈占比最低。甘薯支鏈淀粉鏈長分布因改性未見顯著性變化(P>0.05)。改性淀粉的平均鏈長組間無顯著差異(P>0.05)。這表明超聲波輔助韌化很可能沒有導致支鏈側鏈斷裂。Pinto等[13]研究發(fā)現韌化不影響支鏈淀粉鏈長分布。超聲波能否影響支鏈淀粉的側鏈分布,或與實驗處理條件有關[9]。與Babu等[7]研究發(fā)現超聲波能引起支鏈淀粉側鏈分子斷裂不同,本研究的超聲波處理未達到這一程度。

2.3 超聲波輔助韌化對甘薯淀粉長程和短程有序結構的影響

2.3.1 長程結構

天然甘薯淀粉呈現C-型淀粉結晶峰,在5.6°(2θ)有個小的衍射峰,2θ=15.1°、17.2°、18.1°和22.9°處有較強的衍射峰(圖3a)[1]。超聲波輔助韌化對淀粉的晶體結構有一定影響,5.6°(2θ)在一些樣品組(b、f)中有減弱現象。天然甘薯淀粉的相對結晶度為31.98%,韌化改性使其相對結晶度降低至29.68%,并隨著后續(xù)韌化時間延長而降低。改性淀粉e、f和g的相對結晶度分別降低至28.56%、25.71%和28.19%。這可能是由于韌化溫度55 ℃時發(fā)生了淀粉半晶結構部分熔化,促進了淀粉晶體重新排列[5,22]。超聲波輔助韌化時,超聲波優(yōu)先破壞半晶區(qū),并進一步使晶區(qū)被破壞[23, 24]。

圖3 韌化-超聲波對甘薯淀粉的長程和短程有序結構的影響

2.3.2 短程有序結構

如圖3b,FT-IR圖譜上1 047和1 022 cm-1處的峰分別反映淀粉的短程有序結構和無定型結構。兩處峰的吸光度比值R1 047/1 022常用于衡量淀粉雙螺旋短程結構有序度,比值越大,表明其有序度越高[25];995 cm-1處的吸收峰對水分子敏感,吸光度比值R1 022/995用來量化淀粉的無序程度[26]。天然甘薯淀粉的R1 047/1 022和R1 022/995分別為0.618 5和0.608 9。與天然甘薯淀粉相比,改性沒有造成R1 047/1 022顯著變化。但是,樣品g的R1 047/1 022(0.639 9) 顯著高于樣品b(R1 047/1 022=0.577 8),這說明后段超聲波處理使雙螺旋結構重新排列,增加了短程有序性。與天然甘薯淀粉相比,改性淀粉(b～g)的R1 022/995顯著升高,其中樣品f(0.760 1)最高,這表明超聲波輔助韌化增大了甘薯淀粉無定形區(qū)的無序性。

2.4 超聲波輔助韌化對甘薯淀粉熱特性的影響

由表2可知,韌化淀粉的To和Tp高于天然甘薯淀粉,而Tc、ΔT和ΔH與天然甘薯淀粉之間無顯著差異;超聲波輔助韌化顯著提高了淀粉的To、Tp和ΔH值。To和Tc分別與最弱和最強的淀粉分子結構的熔化有關,ΔH表示破壞這些結構所需的能量。淀粉穩(wěn)定的雙螺旋比不穩(wěn)定的雙螺旋需要更多的能量展開和熔化[27]。超聲波輔助韌化促進了淀粉雙螺旋有序化,改善了淀粉的結晶完善度,從而使To、Tp和ΔH增加[8]。

表2 超聲波輔助韌化對甘薯淀粉熱特性和糊化特性的影響

2.5 超聲波輔助韌化對甘薯淀粉糊化特性的影響

與天然甘薯淀粉相比,韌化淀粉具有更高的糊化溫度、峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和回升值,具有更低的崩解值(表2),這可能與韌化淀粉更高的溶脹力和直鏈淀粉浸出程度上升有關[28]。Yadav等[29]研究證實韌化會影響淀粉顆粒的內聚力,導致淀粉形成淀粉糊化需要吸收更多的熱能。在本研究中,超聲波輔助韌化使甘薯淀粉的回升值升高、崩解值降低。這可能是因為超聲波影響了韌化過程淀粉的無定形區(qū),增加了淀粉鏈的遷移率和直鏈淀粉浸出程度,促進了溶出的直鏈淀粉和支鏈淀粉相互作用,導致黏度增加,淀粉鏈與鏈之間更容易形成穩(wěn)定締合,使淀粉的抗熱、抗剪切和回生性提高[15]。

2.6 超聲波輔助韌化對甘薯淀粉流變學特性的影響

儲能模量(G′)表示彈性形變過程中儲存能量的大小,代表體系彈性。損耗模量(G″)表示黏性形變過程中損耗能量的大小,代表體系黏性[30]。如圖4所示,所有凝膠的G′和G″值都隨著頻率變化,呈現頻率依賴性。G′總是高于G″,tanδ<1,體系的黏彈性以彈性為主。超聲波輔助韌化顯著提高了淀粉體系的黏彈性,改性淀粉凝膠的G′與G″值均高于天然甘薯淀粉。淀粉凝膠的黏彈性行與淀粉顆粒的溶脹性有關,G′與G″值越大,淀粉顆粒的溶脹程度越高[31]。Khur-shida等[32]研究發(fā)現超聲波處理增強了木薯淀粉的膠凝能力。超聲波輔助韌化增強了直鏈淀粉溶出程度,使淀粉鏈之間的相互作用增強,淀粉鏈纏結點增多,形成了強大纏結的大分子淀粉凝膠網絡。損耗角正切值tanδ為G″與G′之間的比值,反映黏彈性比例。tanδ越大,則體系中的黏性特征越占主導[33]。超聲波輔助韌化改性淀粉(樣品c～g)的tanδ值高于韌化改性淀粉(樣品b),表明施加超聲波使韌化淀粉的黏性增加。樣品g的tanδ值甚至高于天然甘薯淀粉,顯示出最高的黏性。

圖4 甘薯淀粉凝膠的儲能模量、損耗模量和損耗因子隨動態(tài)掃描頻率變化圖譜

2.7 超聲波輔助韌化對甘薯淀粉凝膠特性的影響

淀粉凝膠的結構性質與淀粉的分子結構和形成的雙螺旋聚集體有關[34]。超聲波施加方式的不同可導致甘薯淀粉凝膠呈現不同質地特征(表3)。在韌化前期施加超聲波可大幅提高淀粉凝膠的硬度、膠黏性和膠黏性(P<0.05),而后期施加超聲波使其硬度、膠黏性和膠黏性大幅下降;值得注意的是,在前期施加超聲波后即停止韌化的樣品組,指標與天然甘薯淀粉相比無顯著變化。

3 結論

超聲波輔助韌化不影響甘薯淀粉顆粒形態(tài),其表觀直鏈淀粉含量以及支鏈淀粉的側鏈分布也沒有因改性而發(fā)生顯著性變化。超聲波輔助韌化對甘薯淀粉分子質量有一定影響。在韌化后段施加超聲波使淀粉的數均分子質量顯著下降,多分散性指數增加。超聲波輔助韌化在一定程度上改變了甘薯淀粉的結晶結構,其中,在韌化中段施加超聲波使相對結晶度從原來的31.98%減少至25.71%。超聲波輔助韌化可提高甘薯淀粉回升值和降低崩解值,改善回生性能。超聲波輔助韌化改性甘薯淀粉凝膠的G″與G′值均高于天然甘薯淀粉,增強了淀粉體系的彈性和黏性。在韌化前期施加超聲波提高了甘薯淀粉凝膠的硬度、膠黏性和咀嚼性,使甘薯淀粉的凝膠特性得到改善。