陳 豐1,莊瑋婧,駱文燦3,黃春林1,劉冬瑜

(1.福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院生物技術(shù)學院,福建福州 350302; 2.福建農(nóng)林大學食品科學學院,福建福州 350002; 3.福建省食品藥品認證審評中心,福建福州 350002)

錐栗(Castaneahenryi),殼斗科栗屬植物,錐栗仁味甜可食,淀粉的含量可達60%～70%[1]。錐栗是浙南、閩北山區(qū)欠發(fā)達地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),錐栗淀粉作為一種新型非糧淀粉資源,其開發(fā)應(yīng)用前景廣闊[2]。錐栗的最佳保鮮期只有4個月,保鮮技術(shù)及深加工產(chǎn)品單一,加工的季節(jié)性特點突出[3]。淀粉作為錐栗的主要成分,其穩(wěn)定性影響著錐栗深加工產(chǎn)品的開發(fā)。

淀粉的凍融穩(wěn)定性是影響淀粉基食品原料和冷凍食品品質(zhì)的關(guān)鍵問題,也是制約著淀粉基食品深加工發(fā)展的難題[4]。淀粉基食品在貯藏中低溫冷凍、解凍處理,運輸、銷售過程中溫度的波動都會造成產(chǎn)品的水分流失、發(fā)硬、表皮開裂等劣變現(xiàn)象[5]。在冷凍保藏過程中,淀粉結(jié)構(gòu)內(nèi)大部分水分凍結(jié)形成冰晶,其余少部分未凍結(jié)水與淀粉分子形成高濃度淀粉基質(zhì)。解凍過程中,冰晶融化成為水從淀粉結(jié)構(gòu)中釋放,產(chǎn)生相分離,即為宏觀上可見的脫水縮合現(xiàn)象,反復(fù)凍融循環(huán)促進了相分離和冰晶的形成[6-7]。Tao[8]以3、7和10次凍融循環(huán)為手段,研究了凍融循環(huán)次數(shù)對小麥淀粉理化性質(zhì)的影響,認為凍融循環(huán)加劇了小麥淀粉品質(zhì)劣變;Wang等[9]發(fā)現(xiàn)反復(fù)凍融使荸薺淀粉回生率升高;嚴娟[10]研究了凍融次數(shù)、凍藏時間等因素對米淀粉特性的影響;Szymonska等[11]研究了超低溫凍融處理(-268.95～-195.79 ℃)對馬鈴薯淀粉結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響。目前,對于不同來源淀粉及淀粉凝膠凍融穩(wěn)定性的報道較多,而凍融循環(huán)對錐栗淀粉理化性質(zhì)影響的相關(guān)研究較少。

本研究將錐栗原淀粉在低溫條件下冷凍一段時間再放置于室溫融解(冷凍-20 ℃/22 h,解凍25 ℃/2 h),即凍融循環(huán)處理(Freeze-Thaw Cycles,FTC),模擬淀粉基食品的冷凍環(huán)境變化,探討凍融循環(huán)對淀粉理化性質(zhì)的影響,以期為錐栗的有效貯藏、錐栗淀粉改性和產(chǎn)品開發(fā)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮錐栗(品種:油栗) 福建建甌銘農(nóng)農(nóng)業(yè)合作社;連淀粉測試盒 南京建成生物工程研究所;α-淀粉酶 阿拉丁生化科技;溴化鉀標準品(純度99.9%) 上海麥克林生化公司;濃硫酸、鹽酸、硼酸、氫氧化鈉、硫酸鉀、無水硫酸銅、無水乙酸鈉、鎢酸鈉、鐵氰化鉀、硫酸鋅、氯化鉀、冰乙酸、無水乙醇、無水乙醚等 均為分析純,國藥集團。

AL104型精密分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;Master sizer 2000型激光粒度分析儀 英國Malvern公司;VERTEX70傅立葉中遠紅外光譜儀 德國布魯克公司;Tech Master快速黏度儀(RVA) 澳大利亞Newport公司;MCR301流變儀 奧地利安東帕公司;EZ-TEST質(zhì)構(gòu)分析儀 日本島津;BC/BD-319HBN海爾臥式冷藏冷凍轉(zhuǎn)換柜 青島海爾特種電冰柜有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 錐栗淀粉的制備 新鮮錐栗→剝殼、去衣→磨漿→過篩→反復(fù)水洗→干燥、備用

將新鮮錐栗剝殼去衣、洗凈,錐栗仁與蒸餾水以1∶2 (W/V)比例混合,置于高速組織搗碎機中搗碎磨漿,用100目濾布過濾并反復(fù)洗滌濾渣,將淀粉完全洗出。混合濾液,再用200目濾布過濾,25 ℃恒溫靜置8 h,棄去上清液及褐色物質(zhì),下層沉淀再用蒸餾水反復(fù)清洗、沉淀3～5次,收集沉淀于40 ℃烘箱中烘干,即得錐栗淀粉[1]。

1.2.2 凍融淀粉的制備 取30 g上述制備的錐栗淀粉按1∶1 (W/V)比例分散到去離子水中,增力攪拌30 min后靜置1 h。將混合液放置于-20 ℃冷柜中凍藏22 h,而后取出于25 ℃恒溫下解凍2 h(以-20 ℃凍藏22 h,恒溫解凍2 h作為一個循環(huán)),循環(huán)次數(shù)分別為0、3、7和10次。淀粉凍融后,于-20 ℃冷柜中放置7 d,再放置于25 ℃恒溫完全解凍,并以2200 r/min轉(zhuǎn)速離心20 min,取下層淀粉凍干后于干燥、25 ℃恒溫下儲存?zhèn)溆肹8]。

1.2.3 錐栗原淀粉及凍融淀粉基本成分的測定 蛋白質(zhì),參照GB/T 22427.10-2008《淀粉及其衍生物氮含量測定》;脂肪,參照GB/T 5009.3-2016《食品中脂肪的測定》;直鏈淀粉,參照GB/T 15683-2008《大米 直鏈淀粉含量的測定》;破損淀粉,參照GB/T 9826-2008《小麥粉破損淀粉測定α-淀粉酶法》。

1.2.4 傅里葉變換紅外光譜 分別取錐栗原淀粉及凍融淀粉適量,按1∶50 (w/w)比例加入KBr,充分研磨成細粉后,平鋪于壓片機平臺上,制成圓形薄片。以KBr為空白對照,用紅外光譜儀掃描32次,掃描范圍為4000～400 cm-1,分辨率為4 cm-1[8]。

1.2.5 粒度分布的測定 分別稱取適量錐栗原淀粉及凍融淀粉,以無水乙醇為分散劑,超聲分散后置于粒度分布儀中測試[12]。

1.2.6 凝沉性的測定 分別稱取1.00 g錐栗淀粉及凍融淀粉,制成50 mL 1%(W/V)的淀粉乳,加熱糊化后分別裝入量筒,于室溫20～25 ℃下靜置、沉淀,每隔一段時間觀察并記錄上清液的體積,以凝沉析水率隨時間的變化表示凝沉性[13]。

1.2.7 淀粉糊化特性的測定 采用快速黏度測定儀(RVA)測定。準確配制8%(w/w,干基)淀粉乳溶液28 g,測定條件為:50 ℃下保持1 min后,以升溫速度12 ℃/min加熱至95 ℃,保持2.5 min。再以12 ℃/min降溫至50 ℃,保持2 min。在起始10 s內(nèi)攪拌器轉(zhuǎn)動速率為960 r/min,而后保持在160 r/min。由此測得淀粉糊黏度曲線及其實驗參數(shù):峰值黏度、崩解值、回生值及成糊溫度[14]。

1.2.8 剪切稀化的測定 將淀粉充分糊化后取少量放置于流變儀的測定平臺上,選擇錐形模具(CP50-2),設(shè)定相應(yīng)的測定程序后,取少量淀粉糊于流變儀平板上,啟動儀器,刮去多余樣品,設(shè)置平板溫度為25 ℃,剪切速率0～200 s-1測定表觀黏度(η)隨剪切速率(γ)的變化[14]。

1.2.9 頻率掃描 選擇錐形模具(CP50-2)后設(shè)定相應(yīng)測定程序,取少量淀粉糊放置于流變儀平板,啟動儀器,刮去多余樣品,設(shè)置平板溫度為25 ℃。以角頻率為10 rad/s進行振幅掃描,確定樣品的線性粘彈區(qū)并選擇合適的應(yīng)變(γ)進行頻率掃描,測定儲能模量(storage modulus,G′)和損耗模量(loss modulus,G″)與應(yīng)力的關(guān)系[14]。

1.2.10 錐栗淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的測定 錐栗淀粉及凍融淀粉在RVA測試后,糊化獲得淀粉凝膠,采用質(zhì)構(gòu)分析方法測定。測試探頭:P/36R,測試前速度:1 mm/s,測試速度:2 mm/s,測試后速度:1 mm/s,觸發(fā)力:5 g,兩次壓縮間隔時間:5 s[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用DPS v17.10統(tǒng)計分析軟件進行處理,采用Origin pro 8.5繪圖。數(shù)據(jù)為3次測定的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)對錐栗淀粉基本成分的影響

凍融循環(huán)使錐栗淀粉顆粒內(nèi)外的水分子反復(fù)形成冰晶,對錐栗淀粉基本成分的影響最直觀,其變化見圖1。如圖所示,3次凍融淀粉的蛋白質(zhì)、脂肪和直鏈淀粉含量分別由0.66%、0.60%和27.5%降低至0.29%、0.41%和26.1%,表明凍融淀粉中的蛋白質(zhì)、脂肪和直鏈淀粉均有不同程度的溶出,且隨著凍融次數(shù)的增加,脂肪和直鏈淀粉的含量減少更多。這是由于水分子在淀粉內(nèi)外反復(fù)結(jié)晶,冰晶循環(huán)形成和融解產(chǎn)生了微機械力,擴大了淀粉結(jié)構(gòu)內(nèi)部通道,弱化淀粉分子的雙螺旋結(jié)構(gòu),導(dǎo)致淀粉內(nèi)部蛋白質(zhì)和脂肪的損失,并伴隨著無定形區(qū)直鏈淀粉的溶出。這與Tao等[8]和嚴娟等[10]的研究結(jié)果相似。破損淀粉的含量隨著凍融次數(shù)的增加而明顯升高,這表明凍融循環(huán)破壞了淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)。

圖1 錐栗原淀粉和凍融淀粉的基本成分Fig.1 Chemical components of native and FTC starches

2.2 凍融循環(huán)對錐栗淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響

淀粉顆粒由許多直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種成分組成,存在結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)。淀粉在1045 cm-1和1022 cm-1有獨特的吸收峰,分別表示淀粉的結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū),采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)進行分析,并用A1045/1022比值表示淀粉的結(jié)晶程度[16]。由表1可知,與錐栗原淀粉相比,凍融淀粉的A1045/1022值降低,這表明凍融淀粉的結(jié)晶區(qū)受到破壞。這與嚴娟[10]對于米淀粉凍融循環(huán)的研究一致。凍融循環(huán)使淀粉內(nèi)外水分反復(fù)結(jié)晶造成了機械損傷,Tran等[17]在米淀粉的研究中認為機械損傷使淀粉分子降解、顆粒破損,淀粉結(jié)晶區(qū)比重下降。由表可知10次凍融淀粉A1045/1022值不再繼續(xù)降低反而回升。據(jù)Tao[8]的研究報道,凍融循環(huán)使小麥淀粉的相對結(jié)晶度增加,并推測凍融淀粉結(jié)晶度的變化與其基本成分的損失有關(guān)。Singh等[18]的研究認為脫蛋白增加了小麥淀粉和玉米淀粉的相對結(jié)晶度。由此本研究認為,10次凍融淀粉的結(jié)合蛋白流失到一定程度,加之無定形區(qū)直鏈淀粉溶出更多,使得支鏈淀粉側(cè)鏈雙螺旋結(jié)構(gòu)重新排列[19],淀粉內(nèi)部結(jié)晶區(qū)比重上升。

圖2 錐栗原淀粉和凍融淀粉紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of native and FTC starches

樣品原淀粉3次凍融淀粉7次凍融淀粉10次凍融淀粉A1045/10222.2d1.40a1.26b1.62c

注:小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05);表2～表3同。

2.3 凍融循環(huán)對錐栗淀粉粒度分布的影響

錐栗原淀粉的粒徑分布主要集中在2～42 μm,3次、7次、10次凍融淀粉粒徑分布分別在2～25、2～23、2～29 μm。相較于原淀粉,凍融淀粉的粒徑先縮小后略升高。Tao等[8]采用掃描電鏡觀察小麥凍融淀粉,發(fā)現(xiàn)其表面分布凹洞,淀粉顆粒受到不同程度的機械損傷,顆粒塌陷崩解,導(dǎo)致粒徑縮小。本研究結(jié)果也驗證了這一現(xiàn)象。而10次凍融淀粉的粒徑較之3次、7次凍融淀粉反而增大,驗證了前述傅里葉變換紅外光譜分析得到的10次凍融淀粉結(jié)晶區(qū)比重升高,支鏈淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生重排的結(jié)果。

圖3 錐栗原淀粉和凍融淀粉的粒度分布Fig.3 Diameter distribution of native and FTC starches particles

2.4 凍融循環(huán)對錐栗淀粉凝沉特性的影響

淀粉凝沉是淀粉糊化后分子從無序排列成有序,直鏈淀粉分子間氫鍵結(jié)合成不溶性微晶束狀結(jié)構(gòu),淀粉分子內(nèi)的結(jié)合水被釋放,淀粉分子凝集沉降,形成分層現(xiàn)象。隨著時間的延長,淀粉沉淀物集聚成緊密狀態(tài),上清液體積逐漸增加[20]。影響淀粉凝沉的因素有淀粉中直鏈與支鏈淀粉的比例、脂類類別及溶液的濃度、溫度等[21]。如圖4所示,在70 h之內(nèi)錐栗原淀粉和凍融淀粉均完成凝沉,錐栗原淀粉達到最大析水率為66%,3次、7次、10次凍融淀粉最大析水率分別為60%、56%、58%,可知凍融淀粉糊的析水率先降低后略有升高。張燕鵬等[22]研究認為凍融循環(huán)使直鏈淀粉溶出,支鏈淀粉中分支結(jié)構(gòu)增加了淀粉糊凝沉析水的難度,分子持水能力增強。結(jié)合前述傅里葉變換紅外光譜分析得知10次凍融淀粉中支鏈淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生重排的結(jié)果,淀粉鏈的重新凝聚導(dǎo)致部分結(jié)合水釋放[23],使10次凍融淀粉糊的析水率略有上升但不高于原淀粉。

表2 錐栗原淀粉和凍融淀粉的糊化特性Table 2 Pasting properties of native and FTC starches

圖4 錐栗原淀粉和凍融淀粉的凝沉性Fig.4 Retrogradation curves of native and FTC starches

2.5 凍融循環(huán)對錐栗淀粉糊化特性的影響

淀粉糊化是淀粉顆粒吸水膨脹、分子擴散、淀粉黏度增加的過程,淀粉的回生則是淀粉分子間締合、淀粉糊轉(zhuǎn)變成淀粉凝膠的過程,這個過程用淀粉黏度曲線來描述。淀粉的黏度特性是淀粉糊最重要的性質(zhì),在應(yīng)用中對產(chǎn)品的增稠、穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。淀粉因直鏈淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)溶出行為、膨脹淀粉顆粒之間的摩擦力以及支鏈淀粉的鏈長等因素的變化,其黏度性質(zhì)也會有所不同[24-25]。

由圖5、表2可知,與錐栗原淀粉相比,凍融淀粉的成糊溫度降低,峰值黏度升高,表明凍融淀粉顆粒更易于溶脹,且膨脹度高。Singh等[18]研究認為淀粉中蛋白質(zhì)的脫除,增加了淀粉水合量,淀粉內(nèi)部分子間氫鍵破裂,晶體結(jié)構(gòu)被破壞,淀粉顆粒吸水膨脹,使淀粉糊化黏度顯著升高。Tao等[8]研究表明凍融循環(huán)處理產(chǎn)生冰晶造成的機械損傷使更多的直鏈淀粉溶出,更易于淀粉吸水膨脹,淀粉糊黏度增大?；厣当硎镜矸酆唐诶匣某潭?。由表2可知,凍融淀粉回生值升高,表示凍融循環(huán)處理使錐栗淀粉更易老化。

圖5 錐栗原淀粉和凍融淀粉的糊化曲線Fig.5 Pasting curves of native and FTC starches

2.6 凍融循環(huán)對錐栗淀粉流變特性的影響

2.6.1 剪切稀化特性 剪切稀化是假塑性流體的特性,表現(xiàn)為黏度隨著剪切速率的增加而下降,通常認為這是分子取向或解纏結(jié)的結(jié)果[26]。由圖6可知,隨著剪切速率的增大,錐栗原淀粉與凍融淀粉的剪切黏度降低,呈現(xiàn)剪切變稀特性,因此它們均屬于非牛頓流體中假塑性流體。隨著凍融次數(shù)的增加,錐栗凍融淀粉的黏度也隨之升高,此結(jié)果與RVA試驗結(jié)果一致,更進一步證明了凍融循環(huán)提高了錐栗淀粉的溶脹性和膨脹度,有效的提升了錐栗淀粉的黏度。

圖6 錐栗原淀粉和凍融淀粉糊隨剪切速率變化的黏度曲線Fig.6 Viscosity curves of native and FTC starches

表3 錐栗原淀粉和凍融淀粉的TPA特征值Table 3 Texture characteristics of native and FTC starches

2.6.2 動態(tài)頻率掃描 淀粉糊的黏彈性可以用動態(tài)頻率掃描的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)表示[27]。由圖7可知,錐栗淀粉糊的儲能模量均高于損耗模量,表明錐栗淀粉糊凝膠呈現(xiàn)固體特征。3次、7次凍融淀粉的儲能模量均低于原淀粉,說明凍融循環(huán)破壞了淀粉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,而10次凍融淀粉的儲能模量與原淀粉基本一致,且隨著剪切應(yīng)力的增加,儲能模量略高于原淀粉,表明10次凍融淀粉形成了比原淀粉更穩(wěn)定的體系[28],這可能與上述FTIR試驗得知的10次凍融淀粉的支鏈淀粉側(cè)鏈雙螺旋結(jié)構(gòu)重新排列有關(guān)。

圖7 錐栗原淀粉和凍融淀粉糊的儲能模量和損耗模量Fig.7 Storage and loss modulus of native and FTC starches

2.7 凍融循環(huán)對錐栗淀粉質(zhì)構(gòu)的影響

淀粉凝膠的硬度與直鏈淀粉含量呈正相關(guān),直鏈淀粉含量越高,更易于發(fā)生重結(jié)晶[5]。由表3可知,錐栗凍融淀粉凝膠的硬度降低,彈性略有增加,黏著性升高。Wang等[29]研究了凍融對糊化銀杏、菱角、土豆和大米淀粉的影響,認為硬度降低與凍融循環(huán)造成的機械損傷導(dǎo)致直鏈淀粉溶出有關(guān),直鏈淀粉越低,淀粉凝膠硬度則降低。淀粉凝膠的黏彈性與聚合度12～17的中等長度支鏈淀粉含量成正相關(guān),支鏈淀粉含量及其鏈長分布是凍融循環(huán)處理中影響質(zhì)構(gòu)的重要因素。

3 結(jié)論

錐栗凍融淀粉顆粒內(nèi)外水分子反復(fù)形成冰晶,產(chǎn)生的機械損傷使蛋白質(zhì)、脂肪和直鏈淀粉含量降低,破損淀粉的含量升高。與錐栗原淀粉相比,凍融淀粉的結(jié)晶區(qū)被破壞,粒徑分布范圍縮小,當凍融次數(shù)增加到10次,凍融淀粉中支鏈淀粉重新排列,結(jié)晶區(qū)比重相比較于3次、7次凍融淀粉反而有所升高,粒徑分布范圍略有增大。在70 h之內(nèi)錐栗原淀粉和凍融淀粉均完成凝沉,由于直鏈淀粉的損失,支鏈淀粉中分支結(jié)構(gòu)增強了分子持水能力,凍融淀粉糊的析水率降低。RVA結(jié)果顯示凍融淀粉的成糊溫度降低,峰值黏度升高,表明錐栗凍融淀粉更易于溶脹,且膨脹度高。而凍融淀粉的回生值升高,意味著錐栗凍融淀粉更易老化。流變儀分析結(jié)果顯示,錐栗原淀粉與凍融淀粉呈現(xiàn)剪切變稀的特性,均屬于非牛頓流體中假塑性流體,凍融淀粉的黏度升高,進一步證明了凍融循環(huán)提高了錐栗淀粉的溶脹性和膨脹度。錐栗淀粉凝膠呈現(xiàn)出固體特征。3次凍融淀粉和7次凍融淀粉的儲能模量均低于原淀粉,而10次凍融淀粉的儲能模量與原淀粉基本一致,且隨著剪切應(yīng)力的增加,儲能模量略高于原淀粉,表明10次凍融淀粉形成了比原淀粉更穩(wěn)定的體系。TPA研究結(jié)果顯示,由凍融循環(huán)造成的機械損傷使凍融淀粉凝膠的硬度降低,彈性和黏著性升高。

探討凍融循環(huán)對錐栗淀粉理化性質(zhì)的影響,將為錐栗淀粉基食品凍融機理提供理論參考,凍融循環(huán)處理簡單易行,安全高效,作為淀粉物理改性方法具有廣泛的應(yīng)用前景[30]。后續(xù)研究將進一步深入分析凍融循環(huán)對淀粉分子結(jié)構(gòu)的影響。