微波復合酶解改性對小米淀粉結構表征及其理化特性的影響

武云嬌, 王一飛, 魏明智, 季柳俊瀾, 胡 鑫, 劉 偉, 魏春紅, 王維浩,2, 曹龍奎,2

(黑龍江八一農墾大學食品學院1,大慶 163319)

(國家雜糧工程技術研究中心2,大慶 163319)

小米又名粟,屬禾本科,因其具有良好的藥用與食用價值,是我國北方重要糧食作物之一[1]。小米的主要成分為淀粉,質量分數(shù)為60%～70%[2],其次為蛋白質、脂肪、膳食纖維等。小米淀粉含有2種α-D-吡喃葡萄糖聚合物,即直鏈淀粉與支鏈淀粉[1]。直鏈淀粉是α-D-葡萄糖基單元通過1,4-糖苷鍵連接的線型聚合物,支鏈淀粉是由1,4-糖苷鍵或1,6-糖苷鍵連接的高支化聚合物。

在食品加工行業(yè)和材料化工領域中,淀粉因其易老化、溶解性低等缺點導致應用范圍受到極大限制,因此很多學者都在努力探索新的改性修飾手法以拓寬其功能特性和生理功能。目前,對淀粉的改性方法分為物理法、化學法、酶法和復合法。其中因化學改性手段存在環(huán)境污染等問題,所以物理法、酶法、復合法已成為國內外改性淀粉的研究熱點。Guo等[3]研究發(fā)現(xiàn),微波具有高效節(jié)能、易于控制和強穿透性的優(yōu)點,可導致多孔結構的出現(xiàn),影響水合能力。Wang等[4]運用微波法處理不同晶型的淀粉,發(fā)現(xiàn)微波可引起淀粉間激烈碰撞,原有結晶結構被破壞,直鏈淀粉含量和抗性淀粉升高,形成熱穩(wěn)定性更好,有序度更高的結構;李若敏等[5]運用酶法制備玉米慢消化淀粉,發(fā)現(xiàn)酶法改性可使淀粉分支化度減少,直鏈淀粉含量增加,并具有良好的抗消化性。與單一的改性方式相比復合改性可使淀粉保留各改性手段的優(yōu)點。白凌曦[6]運用酶法-壓熱法改性淀粉,發(fā)現(xiàn)改性后的淀粉的直鏈淀粉含量升高但熱穩(wěn)定性下降。Li等[7]利用高壓-微波法改性淀粉,相比單一高壓法,微波可使淀粉表面出現(xiàn)大量裂痕,可有助于益生菌的吸附提高其益生活性。所以,在復合改性淀粉時,微波輻射可使淀粉糊化,使分子間氫鍵發(fā)生斷裂,形成孔隙結構[8],有利于后續(xù)脫支酶的進入,增加其作用位點,最終提高改性效率和直鏈淀粉含量,同時結構及理化性質也得到改善。但目前大部分的研究主要集中于淀粉單一改性手段的優(yōu)化與篩選,針對于微波復合酶解改性后的淀粉結構及理化特性對比研究仍有不足。

實驗以天然小米淀粉為對照,采用微波、酶解、微波復合酶解3種方法進行改性,考察3種改性手段對小米淀粉顆粒形貌、結晶、官能團等的影響,研究微波復合酶解處理小米淀粉對其結構表征和對理化性質的影響,以期為開發(fā)具有特定應用需求的改性淀粉提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

小米,市售;溴化鉀(光譜級)、普魯蘭酶(1 000 ASPU/g);直鏈淀粉標準品、支鏈淀粉標準品;鹽酸、無水乙醇、氫氧化鈉、碘及碘化鉀等化學試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

M1-L 213 C微波爐,TDZ 5-WS 高速離心機,Bettersize 2000激光粒度分布儀,D8 ADVANCE X射線衍射儀,Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀,NP-80系列透反射偏光顯微鏡,SU 8020掃描電子顯微鏡,Specord 210 plus紫外可見分光光度計。

1.3 方法

1.3.1 小米淀粉的提取

采用干磨法[9]粉碎小米過80目篩。粉碎后的小米粉參考寇芳等[10]的方法提取小米淀粉。將提取的淀粉放入45 ℃烘箱中干燥24 h,過80目篩后得小米淀粉,記為S,提取的小米淀粉純度為92.25%。

1.3.2 改性小米淀粉

微波改性:參考王雨生等[11]的改性方法略作修改制備MS。取淀粉4 g,加入去離子水100 mL,置于微波反應器中處理。微波時間為90 s,微波功率為700 W,在4 ℃下處理24 h,放入45 ℃烘箱中干燥24 h,過80目篩即得成品,記為MS。

酶解改性:參考Li等[12]的改性方法略作修改制備PS。取淀粉4 g,加入100 mL磷酸緩沖溶液(0.2 mol/L,pH 5.8)配成淀粉懸浮液,100 ℃水浴攪拌30 min,調節(jié)pH 5.5,加入30 U/g的普魯蘭酶,55 ℃水浴振蕩16 h。加入無水乙醇滅酶,在4 ℃下處理24 h,放入45 ℃烘箱中干燥24 h,過80目篩即得成品,記為PS。

微波-酶解改性:參考Hung等[13]的改性方法略作修改制備MPS。取淀粉4 g,加入去離子水100 mL,將粉懸浮液攪拌均勻后置于微波反應器中處理。微波時間為90 s,微波功率為350 W,調pH 5.5,待冷卻至55 ℃時,加入30 U/g普魯蘭酶,在55 ℃下連續(xù)振蕩培養(yǎng)16 h,滅酶,在4 ℃下處理24 h,放入45 ℃烘箱中干燥24 h,過80目篩即得成品,記為MPS。

1.3.3 直鏈淀粉含量

1.3.3.1 直鏈淀粉標準曲線繪制[14]

分別取0.1 g支鏈、直鏈淀粉標準品各加入1 mL無水乙醇溶液,9 mL 1.0 mol/L的NaOH溶液,充分混勻,沸水浴10 min,定容至100 mL,標為支鏈淀粉標準液與直鏈淀粉標準液。分別加入0.00、0.25、0.50、1.00、1.50 mL直鏈淀粉標準液,支鏈淀粉標準液補充至5 mL?？瞻捉M用5 mL 0.09 mol/L NaOH替代混合淀粉標準液。再各容量瓶中加入1 mL 1.0 mol/L乙酸,1 mL碘液,定容至25 mL,靜置10 min,在波長為620 nm下,測定吸光度。

1.3.3.2 樣品直鏈淀粉含量測定

取0.1 g樣品,加入1.0 mL無水乙醇溶液,9.0 mL濃度為1.0 mol/L的NaOH溶液,充分混勻后沸水浴10 min,取出迅速冷卻至室溫,定容至100 mL,得樣品液。

取20 mL樣品液于50 mL帶塞刻度試管中,加入10 mL石油醚,搖晃10 min,靜置15 min,吸去上層懸浮的石油醚層,重復此步驟3次,得脫脂樣品液。

取5 mL脫脂樣品液,加入1 mL濃度為1.0 mol/L的乙酸溶液,1 mL碘液,用水定容100 mL,靜置顯色10 min,在波長為620 nm下,測定吸光度,計算公式為:

式中:Z為樣品中直鏈淀粉質量分數(shù)/%;A為標準曲線中所得的直鏈淀粉質量/g;m為樣品質量/g;B為樣品水質量分數(shù)/%。

1.3.4 測定顆粒微觀形貌

參照薛艾蓮等[15]的方法進行顆粒微觀形貌測定。觀察淀粉被放大1 000倍的微觀結構。

1.3.5 測定偏光特性

參照劉佳男等[16]的方法測定淀粉的偏光特性。將樣品混合于30%甘油中,吸取于載玻片上,去除氣泡,置于偏光顯微鏡下觀察。

1.3.6 測定晶體結構

參考陳遠嬌等[17]的方法運用X射線-衍射儀測定淀粉的晶體結構。測定參數(shù)為:Cu靶,電壓為40 kV,電流為40 mA,掃描速率為2(°)/min,掃描范圍為3°～60°(2θ),步長為0.02°。

1.3.7 測定FT-IR

取淀粉1 mg,按1∶100的比例加入KBr粉末,將兩者混勻,研磨粉碎,壓片,最后放入傅里葉紅外光譜儀中掃描。

1.3.8 測定溶解度及膨潤力

取0.4 g樣品于100 mL離心管中,加入20 mL蒸餾水,混合均勻后,90 ℃水浴30 min,振蕩混勻,3 000 r/min離心20 min,將上清液倒入已烘干至恒重鋁盒中,在105 ℃下烘干至恒重。根據公式計算溶解度(S)和膨潤力(SP)[18]:

式中:m1為上清液烘干后的質量/g;m2為離心管中沉淀物的質量/g。

1.3.9 測定透明度

參考Hu等[19]的方法并進行修改。取0.1 g樣品于25 mL磨口比色管中,加入9.9 mL蒸餾水,沸水浴30 min,冷水冷卻,上下顛倒數(shù)次混勻,以蒸餾水為空白對照,使用紫外分光光度計在640 nm波長下測定其透光率。每個樣品重復測定3次。

1.4 數(shù)據處理

所有的實驗均重復進行3次,實驗數(shù)據均取平均值并計算相對標準偏差,運用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據整理,采用SPSS Statistics 25 進行方差分析(ANOVA),以P<0.05 表示差異性顯著,Origin 2019軟件進行繪圖處理。

2 結果與分析

2.1 改性前后小米淀粉直鏈淀粉含量分析

2.1.1 改性前后小米淀粉中直鏈淀粉含量

由圖1可知,S的直鏈淀粉質量分數(shù)為19.21%。與S相比,改性后小米淀粉的直鏈淀粉含量均得到不同程度提高,其中MPS的直鏈淀粉質量分數(shù)提高了49.03%。Li等[12]對燕麥淀粉進行改性也得出相同結論。淀粉微波輻照時,吸收大量的熱能并將其聚集在顆粒內部,伴隨著膨化效應,顆粒結構變得疏松多孔[20],淀粉鏈間的氫鍵發(fā)生斷裂,形成中、短鏈直鏈淀粉片段,隨后普魯蘭酶的脫支作用,多孔的結構也利于增加酶作用的接觸面積和接觸位點,使其更容易與淀粉相結合,定向水解支鏈淀粉的α-1,6糖苷鍵,切斷支鏈淀粉的分支點[21],最終導致直鏈淀粉含量明顯增加。

圖1 改性前后小米淀粉中直鏈淀粉的含量變化

2.1.2 改性前后小米淀粉微觀形貌

由圖2可知,S主要由2種顆粒組成,其中大部分為多邊形體,少部分為圓形球體。通過觀察發(fā)現(xiàn)多邊形體的表面存在明顯的凹陷,可能是小米胚乳或內源性蛋白質在淀粉提取過程中被去除所留下的痕跡[22]。MS失去原有的完整顆粒形狀,呈現(xiàn)無規(guī)則的凝膠塊,表面有裂痕且粗糙。在微波處理中,水分作為極性物質可吸收大量熱能并汽化,導致淀粉顆粒劇烈膨脹直至破碎,最終形成無規(guī)則結構[7]。這與李世杰等[20]用微波處理板栗淀粉的結果一致。PS呈現(xiàn)碎片狀,結構較致密,顆粒存在表層剝落現(xiàn)象,可能是因為支鏈淀粉被普魯蘭酶破壞脫支,分子鏈斷裂所導致[23]。MPS的微觀形貌變化最明顯。淀粉顆粒體積變大,表面極粗糙且凹凸不平,出現(xiàn)孔隙。分析淀粉顆粒的內部與表面發(fā)生巨大破壞是微波熱效應、電磁效應和普魯蘭酶酶解脫支的雙重作用的結果[24]。

圖2 改性前后淀粉的微觀形貌圖(×1 000倍)

2.1.3 改性前后小米淀粉偏光特性

天然的淀粉分子鏈為有秩序的排列,且球晶具有雙折射特性,所以當偏振光經過淀粉顆粒時會呈現(xiàn)出明顯的偏光十字[25]。由圖3可知,S具有明顯的偏光十字現(xiàn)象,但MS的偏光十字已經消失。經過微波處理后淀粉顆粒內部壓力增大,顆粒迅速膨脹甚至破碎,分子內部的有序排列結晶結構被破壞[8],從而導致偏光十字消失,而微觀形貌測定結果也表明這一點。PS的偏光十字呈現(xiàn)出模糊的圖像。有研究指出,由于普魯蘭酶具有作用專一性和需低溫酶解條件,顆粒外形相對完整,所以偏光十字不會消失[21]。但與本實驗結果不同,可能是本研究先將淀粉微波充分糊化后再進行酶解導致的。MPS的偏光十字全部消失。天然淀粉經微波處理時,由于水分子的激烈振動,淀粉晶體結構被破壞,酶解后,淀粉的非結晶區(qū)被破壞,斷裂出許多短直鏈分子,在低溫過程中,部分氫鍵相互連接形成新的結晶結構最終導致小米淀粉的偏光十字完全消失[6]。

圖3 改性前后淀粉的偏光特性圖

2.1.4 改性前后小米淀粉結晶結構

天然的淀粉顆粒呈現(xiàn)出3種不同的晶體結構類型,即A型、B型、C型。由圖4可知,S在15°、17°、18°、23°有明顯特征峰,符合典型的A型晶體結構特點。同時也發(fā)現(xiàn)在20°的位置出現(xiàn)衍射峰,推測可能是直鏈淀粉與內源性脂質相互作用引起[26]。MS的部分特征峰強減弱,但仍具有A型晶體結構。PS與MPS的特征峰在17°、19°、22°處呈單峰,推測經過酶解和復合改性后,晶型發(fā)生轉變,A型轉變?yōu)锽型。此結果與Ma等[27]的研究結果一致。同時Shi等[28]和Sun等[29]分別以蠟質大米和普通玉米為原料,酶解后發(fā)現(xiàn)淀粉晶體結構也由A型轉變?yōu)锽型。

圖4 改性前后淀粉的X射線衍射圖譜

相對結晶度是指結晶區(qū)與無定形區(qū)的相對比例。MS、PS、MPS的相對結晶度與S相比均提高,其中MPS相對結晶度升高了35.32%。有研究表明,運用微波處理白高粱[16]和玉米[30]時,微波主要破壞淀粉結晶區(qū),其產生的熱效應使淀粉的有序結晶結構遭到破壞,結晶區(qū)的雙螺旋解旋,分子鏈趨于無序化。普魯蘭酶通過作用于支鏈淀粉中的α-1,6糖苷鍵,導致支鏈淀粉分支斷裂,由此產生大量游離的短直鏈分子,支撐有序結晶結構的效果減弱,結晶區(qū)遭到破壞,但淀粉鏈與雙螺旋結構解旋后流動性增強,利于低溫過程中淀粉重結晶,晶體重組,形成新的結晶區(qū)和晶體結構[31],最終導致相對結晶度提高。該結果與閆少青[32]的結果一致。本研究淀粉的微觀形貌圖也顯示出淀粉顆粒結構遭受嚴重破壞。

2.1.5 改性前后小米淀粉紅外光譜圖

由圖5可知,在4 000～400 cm-1的范圍內,S、MS、PS、MPS具有相同的紅外光譜圖,沒有出現(xiàn)新的特征峰,表明改性后的小米淀粉仍具有天然淀粉的特征。在3 400 cm-1附近的強峰是由O—H伸縮振動引起,2 900 cm-1附近的峰是由CH2伸縮振動引起,1 650 cm-1附近的峰是由原料的水分子中2個O—H剪切振動引起[21],1 047 cm-1附近的峰是由C—O和C—C伸縮振動引起,1 022 cm-1附近的峰是由淀粉無定形區(qū)C—O、C—O—C振動引起[19],920 cm-1附近的峰是由α-1,4糖苷鍵上的C—O—C振動引起,570 cm-1附近的峰是由吡喃糖環(huán)骨架振動引起[33]。

圖5 S、MS、PS、MPS的紅外光譜圖譜

1 047 cm-1與1 022 cm-1處的特征峰分別代表淀粉結晶區(qū)和無定形區(qū)[27]。將改性前后的樣品經過傅里葉去卷積處理后,S、MS、PS、MPS的1 047/1 022 cm-1比值分別為0.951、0.907、0.871、0.936。與S相比,改性后小米淀粉1 047/1 022 cm-1的比值較低,分析可能是因為淀粉經過微波與酶解處理后,淀粉的有序結構遭到破壞,一些支鏈淀粉發(fā)生雙螺旋解旋,淀粉分子間及分子內的氫鍵變化所導致本研究結晶結果相互印證[34]。

2.1.6 改性前后小米淀粉的溶解度與膨潤力

溶解度與膨潤力是衡量淀粉與水分子間作用力的重要指標同時也反映淀粉內部直鏈分子間氧鍵結合的緊密程度[5]。由表2可知,S的溶解度為13.51%,與S相比,MS、PS、MPS的溶解度、膨潤力均出現(xiàn)下降趨勢。分析可能因微波作用導致分子間及分子內部破壞,脫支作用導致淀粉鏈斷裂,結晶結構改變,重結晶后形成新的致密結構,水合作用力減弱,從而導致溶解度與膨潤力的改變[5]。韓雪琴等[35]指出,膨潤力主要體現(xiàn)的是支鏈淀粉的性質,支鏈淀粉含量越高,膨潤力越大[36],而直鏈淀粉的存在往往會抑制淀粉的膨脹發(fā)生。這與李世杰等[20]和王雨生等[11]的研究結果一致。較S相比,MPS的溶解度降至8.69%,低于MS、PS,分析可能是復合改性時,淀粉中的直鏈淀粉與直鏈淀粉間、支鏈淀粉間的結合力增強,與水分子的結合力下降,也有可能是復合改性中產生結構致密的分子晶體結構,與S相比穩(wěn)定性更高,當膨脹發(fā)生時,會阻礙水分子進入與淀粉相結合,從而影響膨潤力[36]。

2.1.7 改性前后小米淀粉的透明度

淀粉的透明度可以反映出淀粉為糊狀時淀粉鏈的有序程度。由表1可知,與S相比,MS、PS、MPS的透明度都呈現(xiàn)降低的趨勢。微波[31]與酶解[33]過程會導致淀粉顆粒破碎,淀粉鏈斷裂,水分子與淀粉分子的結合作用加強,從而引起透明度上升,但與本研究結果不同,分析可能是由于改性過程中出現(xiàn)大量的淀粉碎片,支鏈淀粉大量降解的同時也產生許多短直鏈片段,降溫過程中,低溫導致大量短直鏈片段發(fā)生重結晶現(xiàn)象[5,31],聚集在一起,從而阻礙了光線的透過,導致透明度下降。該結果與蒲華寅等[37]的研究結果一致。也有學者指出,淀粉的粒徑分布、直鏈淀粉含量以及淀粉的直/支比都會影響淀粉糊的透明度[20]。

表1 S、MS、PS、MPS的溶脹能力及透明度

3 結論

研究探討了微波、酶解、微波復合酶解改性對小米淀粉的結構表征及其理化性質的影響。結果表明:改性后的小米淀粉顆粒破碎且表面粗糙不平,偏光十字消失,直鏈淀粉含量與結晶結構發(fā)生改變,紅外光譜(1 047/1 022)cm-1峰強比值、溶脹力及透明度呈下降趨勢。其中微波復合酶解改性對小米淀粉的影響最顯著。與原淀粉相比,微波復合酶解改性后的小米淀粉顆粒結構破壞嚴重,直鏈淀粉含量與相對結晶度提高,且結晶型轉變?yōu)锽型。但改性手段不同也會導致淀粉的加工特性產生差異,影響其應用范圍,所以可進一步探究比較微波、酶解、微波復合酶解改性小米淀粉的糊化特性和流變特性。