李博，譚樂(lè)和，張彥軍*，王雪飛

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 香料飲料研究所，海南 萬(wàn)寧 571533； 2.黑龍江東方學(xué)院 食品工程，哈爾濱 150066)

食品擠壓改性技術(shù)是集攪拌、破碎、殺菌、成型等過(guò)程為一體的高新技術(shù)，是一種高溫短時(shí)連續(xù)的改性過(guò)程，有良好的安全性[1]，可廣泛應(yīng)用到制備藥物壁材[2]，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品在人體中的營(yíng)養(yǎng)利用率等[3]。

菠蘿蜜(Artocarpusheterophyllus)是一種熱帶植物[4]，果肉呈淡黃色，每個(gè)水果包含100～500粒種子[5]，每粒種子富含62.63%粗淀粉[6]，是一亟待開(kāi)發(fā)的淀粉質(zhì)資源。

因近年來(lái)菠蘿蜜產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，其大量種子被廢棄，造成了淀粉資源的浪費(fèi)[7]。為進(jìn)一步合理開(kāi)發(fā)利用菠蘿蜜種子淀粉，前人研究了種子淀粉的分離方法和理化性質(zhì)，由于其良好的感官質(zhì)量和衛(wèi)生質(zhì)量可安全地應(yīng)用于食品、藥品和其他領(lǐng)域[8]。但擠壓改性后菠蘿蜜種子淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究還未見(jiàn)報(bào)道，這嚴(yán)重限制了菠蘿蜜種子淀粉作為新型淀粉資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。鑒于此，以馬來(lái)西亞Ⅰ號(hào)菠蘿蜜種子為原料分離淀粉，進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)，測(cè)定精細(xì)結(jié)構(gòu)，考察擠壓改性對(duì)菠蘿蜜種子淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響，為菠蘿蜜種子淀粉的綜合利用提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菠蘿蜜種子(馬來(lái)西亞Ⅰ號(hào))：中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所提供(2017年)；DS32-VII實(shí)驗(yàn)雙螺桿擠壓機(jī)：山東賽信有限公司；Dionex ICS-5000高壓離子色譜儀：美國(guó)戴安有限公司；LC-20AB高效液相色譜聯(lián)用多角度激光散射：日本島津公司。

1.2 菠蘿蜜種子淀粉(JFSS)提取

根據(jù)Noor等[9]的方法稍作修改，菠蘿蜜種子在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，然后進(jìn)行快速去皮，加水磨漿。于膠體磨研磨2 min，用鹽酸調(diào)節(jié)pH到7，加入中性蛋白酶配成蛋白酶溶液，置于60 ℃搖床上反應(yīng)9 h，濾渣經(jīng)過(guò)多次水洗反復(fù)反應(yīng)結(jié)束后過(guò)200目篩。合并濾液在3000×g下離心5 min，離心沉淀物上層蛋白質(zhì)褐色表皮小心刮去。離心沉淀物經(jīng)多次清洗，抽濾后收集沉淀物。沉淀物于真空冷凍干燥機(jī)內(nèi)進(jìn)行冷凍真空干燥(-30～0 ℃冷凍3 h，50 ℃恒溫真空干燥10 h)，保存待用。

1.3 JFSS擠壓實(shí)驗(yàn)

根據(jù)Zhang等[10]的方法稍作修改，取計(jì)算好的去離子水將JFSS調(diào)至設(shè)計(jì)的含水量(見(jiàn)表1)，倒進(jìn)攪拌機(jī)攪拌5 min，確保水分均勻分布，并于密封袋中在4 ℃下平衡，使用前取出恢復(fù)至室溫。設(shè)置雙螺桿擠壓機(jī)的一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)機(jī)筒溫度分別為60，70，90 ℃。擠壓機(jī)內(nèi)四區(qū)的機(jī)筒溫度和機(jī)筒內(nèi)物料區(qū)的螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)置為操作變量(見(jiàn)表1)。以單位進(jìn)料進(jìn)行擠壓，待機(jī)器穩(wěn)定后收集擠壓產(chǎn)物。設(shè)置摸頭的刀具轉(zhuǎn)速為42 r/min，喂料桶內(nèi)喂料速度設(shè)置為13 r/min，擠壓產(chǎn)物冷卻至室溫后，于40 ℃下干燥24 h，4 ℃下保存放置，干燥研磨后過(guò)100目篩，將改性后的菠蘿蜜種子淀粉命名為EJFSS。

表1 3個(gè)獨(dú)立變量的操作參數(shù)編碼表Table 1 Coding table of operation parameters for three independent variables

續(xù) 表

1.4 JFSS精細(xì)結(jié)構(gòu)

1.4.1 EJFSS分子量分析

根據(jù)Bi等[11]的報(bào)道稍作修改，將淀粉在二甲基亞砜中徹底糊化溶解，淀粉分子均勻分散后利用LC-20AB高效液相色譜聯(lián)用多角度激光散射儀測(cè)分子量。

1.4.2 EJFSS鏈長(zhǎng)分布分析

根據(jù)Zhang等[12]的報(bào)道稍作修改，淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)由高效陰離子交換色譜法測(cè)定，脈沖安培檢測(cè)法。將樣品(40 mg)與2 mL醋酸緩沖液(50 mm，pH為6)混合，在1個(gè)試管中用1個(gè)塞子煮沸并在沸水浴中攪拌30 min，然后將混合物冷卻至55 ℃，加入10 μL的普魯蘭酶，并在磁攪拌器A中攪拌15 h。將溶液置于沸水浴中20 min，將等分混合物離心5000×g，10 min，上清液經(jīng)0.45 μm過(guò)濾器過(guò)濾，稀釋10倍后再進(jìn)行注射分析。HPAEC系統(tǒng)由ED50電化學(xué)檢測(cè)器和Cabopac PA200柱組成。流動(dòng)相為150 mm NaOH和500 mm 乙酸鈉的梯度洗脫液，流速為150，0.5 mL/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 EJFSS分子量及其分布

不同條件下EJFSS的重均分子量(Mw)，數(shù)均分子量(Mn)，平均回旋半徑(Rg)和PI(Mw/Mn)的結(jié)果見(jiàn)表2，分子量分布結(jié)果見(jiàn)圖1。

表2 淀粉的鏈長(zhǎng)分布和分子量分析Table 2 Distribution of chain length and molecular weight of starch

注：相同指標(biāo)同一列數(shù)字后不同字母表示0.05 水平上差異顯著。

圖1 淀粉的分子量分布Fig.1 Molecular weight distribution of starch

保持物料水分含量和擠壓機(jī)雙螺桿轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)機(jī)筒溫度從90 ℃升高到110 ℃時(shí)，JFSS的Mn從0.81×107g/mol降低到0.59×107g/mol，Mw從0.93×107g/mol降低到0.64×107g/mol，Rg從65.9 nm增加到77.4 nm，PI從1.15降低到1.09，Rg和PI的結(jié)果表明分子半徑逐漸增大，分子量分布逐漸減小。保持?jǐn)D壓機(jī)機(jī)筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)物料水分含量從27%增加到34%時(shí)，JFSS的Mn從0.19×107g/mol增加到0.45×107g/mol，Mw從0.50×107g/mol增加到0.93×107g/mol，Rg從50.1 nm增加到69.3 nm，PI從2.62降低到2.07，分子半徑逐漸增大，分子量分布逐漸減小。保持機(jī)筒溫度和物料水分含量不變，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速?gòu)?0 r/min增加到30 r/min時(shí)，JFSS的Mn從0.60×107g/mol降低到0.18×107g/mol，Mw從0.81×107g/mol降低到0.41×107g/mol，Rg從67.9 nm降低到40.6 nm，PI從1.36增加到2.27，分子半徑逐漸降低，分子量分布逐漸增加?；诒緦?shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擠壓操作參數(shù)會(huì)顯著影響淀粉的分子量，分子半徑以及分子量分布。Willett等報(bào)道了相似的結(jié)果[13]，雙螺桿擠壓機(jī)水分含量為18%，螺桿轉(zhuǎn)速為90 r/min，機(jī)筒溫度從110 ℃升高到130 ℃時(shí)，蠟質(zhì)玉米淀粉的重均分子量從336×106g/mol降低到40×106g/mol。表明JFSS的分子量及其分布受擠壓機(jī)操作參數(shù)影響顯著。

JFSS原淀粉Mw、Mn、Rg和PI分別為1.85×107g/mol,2.09×107g/mol,115.7 nm和1.13。改性后的JFSS的Pg均小于100 nm，Rg顯著降低(P<0.05)，PI值變化不顯著 (P>0.05)，分子量顯著降低(P<0.05)，但分子量分布變化不顯著。Liu等[14]報(bào)道了相似的結(jié)果，當(dāng)機(jī)筒溫度為95 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為37.5 r/min，水分含量為70%時(shí)，擠壓后的大米淀粉分子回旋半徑由39.2 nm降低到20.7 nm。Zhang等[15]報(bào)道了擠壓改性過(guò)程中淀粉分子糊化，直鏈淀粉析出結(jié)晶層被破壞，完成生物聚合物相的轉(zhuǎn)變，即由固體顆粒轉(zhuǎn)變成熔融狀態(tài)、內(nèi)部有序的分子間氫鍵斷裂導(dǎo)致多糖分子被降解。表明JFSS分子在擠壓改性過(guò)程中由于淀粉分子糊化、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、直鏈支鏈淀粉的排列改變等導(dǎo)致淀粉分子被降解。

2.2 EJFSS鏈長(zhǎng)分布分析

根據(jù)Bi等的報(bào)道，A鏈(DP 6～12)和B1(DP 12～24)鏈構(gòu)成了支鏈淀粉的短鏈，B3+鏈(DP≥37)為長(zhǎng)鏈，長(zhǎng)鏈與長(zhǎng)鏈、短鏈與短鏈之間互相形成螺旋，構(gòu)成了雙螺旋結(jié)構(gòu)，短鏈形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成了淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)，長(zhǎng)鏈形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成了淀粉顆粒的半晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)。A鏈(DP 6～12)、B1鏈(DP 12～24)、B2鏈(DP 24～36)和B3+鏈(DP≥37)見(jiàn)表2，相對(duì)應(yīng)的鏈長(zhǎng)分布圖結(jié)果見(jiàn)圖2。

保持物料水分含量和擠壓機(jī)雙螺桿轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)機(jī)筒溫度從90 ℃升高到110 ℃時(shí)，JFSS的A鏈比例從33.65%增加到44.85%，B1鏈的比例從46.08%減少到39.62%，B2鏈的比例從14.09%減少到10.29%，長(zhǎng)鏈的比例從6.18%降低到5.24%。保持?jǐn)D壓機(jī)機(jī)筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)物料水分含量從27%增加到34%時(shí)，JFSS的A鏈比例由35.32%降低到37.18%，B1鏈的比例由49.44%降低到42.05%，B2鏈的比例由10.59%增加到14.32%，B3+鏈的比例由4.65%增加到6.45%。保持機(jī)筒溫度和物料水分含量不變，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速?gòu)?0 r/min增加到30 r/min時(shí)，JFSS的A鏈所占比例由32.10%增加到41.84%，B1鏈的比例由48.53%降低到45.68%，B2鏈的比例由13.82%降低到9.62%，長(zhǎng)鏈的比例由5.55%減少到2.86%。表明JFSS的支鏈淀粉的鏈長(zhǎng)分布受擠壓機(jī)操作參數(shù)影響顯著。Nakazawa等[16]在高溫硫酸改性蠟質(zhì)玉米淀粉的實(shí)驗(yàn)中報(bào)道了相似的結(jié)果，保持其他條件不變，當(dāng)水解溫度從40 ℃增加到65 ℃時(shí)，鏈長(zhǎng)分布從大多數(shù)在DP(聚合度)25之后變?yōu)?～25之間，說(shuō)明隨著水解溫度增加，中、長(zhǎng)鏈比例減少，短鏈比例增加。

JFSS原淀粉的A鏈、B1鏈、B2鏈和長(zhǎng)鏈的比例分別為32.75%、36.08%、18.32%和12.83%，對(duì)比原淀粉，擠壓改性后的淀粉A鏈、B1鏈比例顯著增加，B2鏈、B3+鏈顯著降低。Lee等報(bào)道了相似的結(jié)果[17]，在120 ℃下熱處理水分含量為25.7%的馬鈴薯淀粉發(fā)現(xiàn)，A鏈所占比例為21.1%，未產(chǎn)生變化，B1鏈的比例由49.1%增加到49.6%，B2鏈的比例由17.8%降低到17.6%，長(zhǎng)鏈的比例由12.0%減少到11.6%。

圖2 EJFSS的鏈長(zhǎng)分布Fig.2 Chain length distribution of EJFSS

根據(jù)González等[18]的報(bào)道，擠壓改性后的淀粉短鏈分布比例變高導(dǎo)致雙螺旋結(jié)構(gòu)變長(zhǎng)，中、長(zhǎng)鏈分布比例變短導(dǎo)致無(wú)定形區(qū)的分布比例變低，分子間氫鍵作用力變?nèi)?。根?jù)張雨桐等[19]的報(bào)道，淀粉分子長(zhǎng)鏈比例含量高表明其擁有較長(zhǎng)的長(zhǎng)螺旋和各個(gè)鏈之間較強(qiáng)的氫鍵作用力，而短鏈含量高會(huì)形成有缺陷的結(jié)晶層和殘缺的雙螺旋鏈。擠壓改性JFSS后其短鏈含量增加，中、長(zhǎng)鏈含量減少，表明形成了有缺陷的結(jié)晶層，并且殘缺的雙螺旋鏈比例增加，雙螺旋鏈之間的作用力減弱導(dǎo)致分子降解。此結(jié)果與2.1的結(jié)論相同。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)雙螺桿擠壓機(jī)擠壓改性后的JFSS重均分子量、數(shù)均分子量和回旋半徑均顯著降低(P<0.05)，短鏈(A和B1)的比例顯著變大，中、長(zhǎng)鏈(B2和B3+)的比例顯著變小(P<0.05)。改性的JFSS重均分子量、數(shù)均分子量、回旋半徑、短鏈(A和B1)的比例顯著變大，中、長(zhǎng)鏈(B2和B3+)受雙螺桿擠壓機(jī)的機(jī)筒溫度、物料水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速的影響顯著。推測(cè)JFSS在擠壓過(guò)程中由于高溫、高壓和高剪切力的作用導(dǎo)致原淀粉分子間多數(shù)氫鍵斷裂，雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失從而導(dǎo)致分子被降解。