劉軍平 禹凱博 孫悅芳 田雨晴 周鼎晟 鐘業(yè)俊 周 磊

(南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330047)

淀粉是常見的碳水化合物之一，為人類提供了超過35%的能量[1]，其中大部分來自于稻米的貢獻(xiàn)。大米淀粉(rice starch, RS)約占大米干基質(zhì)量的90%，其含量及與大米中其他成分的相互作用對(duì)大米的理化性質(zhì)影響較大[2,3]。純化后的大米淀粉也廣泛應(yīng)用于食品加工中，如糊化后其組織細(xì)膩柔軟，稠度適中，是奶油的良好替代品[4]；消化率可達(dá)98%以上，且與蛋白結(jié)合具有非致敏性，可應(yīng)用于嬰幼兒食品等特殊食品中[4,5]。在加工中，大米淀粉易受到溫度、pH值、大米蛋白(rice protein, RP)等其他成分的影響，性質(zhì)不穩(wěn)定，使得其在食品工業(yè)中的應(yīng)用受到限制。因此，人們常使用化學(xué)或物理方法處理大米淀粉以獲得能滿足加工需求的改性淀粉[6]并將其應(yīng)用于食品工業(yè)中，其中化學(xué)改性方法主要有酸解、交聯(lián)、酯化等，物理改性方法主要有溫度、濕度、壓力處理等[3]。

大米淀粉的糊化性質(zhì)和質(zhì)構(gòu)特性與產(chǎn)品品質(zhì)關(guān)系密切[7]。淀粉的糊化特性會(huì)影響食品的加工性能和口感等，淀粉的質(zhì)構(gòu)特性如硬度、黏著性、彈性和內(nèi)聚性等對(duì)產(chǎn)品的回生老化有重大影響[8,9]。因此，常利用淀粉的糊化性質(zhì)和質(zhì)構(gòu)特性評(píng)價(jià)淀粉改性后的效果。而在一般生產(chǎn)中，大米蛋白與大米淀粉會(huì)緊密結(jié)合，對(duì)大米淀粉的加工性能產(chǎn)生影響。本研究在20～100 MPa壓力下利用均質(zhì)機(jī)處理大米淀粉，測定處理前后大米淀粉的理化性質(zhì)、糊化性質(zhì)和質(zhì)構(gòu)特性，對(duì)比添加大米蛋白前后均質(zhì)處理對(duì)大米淀粉的影響，為大米淀粉基樣品在均質(zhì)處理及其他成分對(duì)其加工的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米蛋白(RP)和大米淀粉(RS)：江西金農(nóng)生物科技有限公司。

M-7125 Microfluidic高壓均質(zhì)機(jī)；DGG-9240AD電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；TDA-40B臺(tái)式離心機(jī)；UV2450紫外-可見分光光度計(jì)；TechMaster RVA測試儀；TAXT2質(zhì)構(gòu)儀。

1.2 方法

1.2.1 均質(zhì)處理大米淀粉

將大米淀粉配制成質(zhì)量濃度為10%的漿液，分別在20、60、80和100 MPa下對(duì)其進(jìn)行均質(zhì)處理，得到的漿液經(jīng)抽濾后放入45 ℃烘箱中48 h，烘干后粉碎處理過200目篩，處理后的大米淀粉分別簡寫為RS20、RS60、RS80、RS100，原淀粉用RS表示。在大米淀粉溶液中添加大米蛋白使其終濃度為7%，簡寫為RP-RS，在60 MPa下處理該樣品，簡寫為RP-RS60。

1.2.2 大米淀粉溶解度、膨脹力的測定

參照涂宗財(cái)?shù)萚10]的方法，稱取一定質(zhì)量的淀粉，配制成質(zhì)量濃度為2%的淀粉乳。取50 mL淀粉溶液于30 ℃下攪拌30 min，3 000 r/min離心20 min后，取出上清液，將其置于水浴中蒸干，再放入烘箱中烘至恒重并稱質(zhì)量，所得質(zhì)量即為被溶解淀粉量，記為m(g)，離心管中膨脹淀粉質(zhì)量表示為M(g)，按公式計(jì)算其溶解度(S)和膨脹率(B)：

式中：G為淀粉樣品質(zhì)量/g，以干基計(jì)。

1.2.3 大米淀粉凝沉性的測定

參照尹沾合等[11]的方法，配制1%的淀粉乳于沸水浴中加熱糊化并保溫30 min，取出冷卻至室溫，取25 mL糊化液移入帶刻度的具塞試管中，靜置，每隔12 h記錄上層清液的體積。

1.2.4 大米淀粉透明度的測定

參照Sandhum等[12]的方法，通過測定糊化淀粉的透光率來表征其透明度。配制10%的淀粉乳，沸水浴中保溫30 min，取出冷至室溫，以蒸餾水作空白，用紫外分光光度計(jì)在640 nm處測量淀粉糊的透光率。

1.2.5 大米淀粉糊化特性的測定

1.2.5.1 測定均質(zhì)壓力對(duì)大米淀粉糊化性質(zhì)的影響

采用快速黏度測定儀(RVA)測定糊化特性。稱取3 g淀粉放入鋁盒中，加入25 mL蒸餾水，升溫至50 ℃保持1 min，再以12 ℃/min的速率升溫至95 ℃，在95 ℃下保溫2.5 min，然后以12 ℃/min速率降溫至50 ℃，在50 ℃下保溫2 min，攪拌器在起始10 s內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)速率為960 r/min，之后保持在160r/min[13]。按操作步驟分別測定RS、RS20、RS40、RS60、RS80的糊化特性。

1.2.5.2 測定氯化鈉對(duì)大米淀粉糊化特性的影響

分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%、5%的氯化鈉(NaCl)溶液將原淀粉和60 MPa處理過的淀粉配制成12%的淀粉懸浮液，分別簡記為1% NaCl-RS、3% NaCl-RS、5% NaCl-RS和1% NaCl-RS60、3% NaCl-RS60、5% NaCl-RS60，按1.2.5.1的方法測定添加了NaCl的樣品糊化特性。

1.2.6 大米淀粉質(zhì)構(gòu)特性的測定

稱取20 g樣品，用去離子水配制成12%的淀粉懸浮液，在95 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)加熱糊化，利用質(zhì)構(gòu)儀采用TPA分析獲得大米淀粉凝膠的硬度、彈性等質(zhì)構(gòu)特性數(shù)據(jù)[9]。測試用P/50探頭，設(shè)置參數(shù)為：預(yù)測試速度1.0 mm/s，測試速度0.5 mm/s，返回速度0.5 mm/s，2次壓縮間隔5.0 s，觸發(fā)力5.0 g。

1.2.7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用Origin8.0軟件作圖，數(shù)據(jù)用SPSS軟件進(jìn)行分析，采用ANOVA方法進(jìn)行顯著性分析，P<0.05表示有顯著差異，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 均質(zhì)對(duì)大米淀粉理化性質(zhì)的影響

2.1.1 均質(zhì)對(duì)大米淀粉溶解度、膨脹率的影響

溶解度和膨脹率的測定結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出大米淀粉的溶解度經(jīng)過20 MPa處理后幾乎沒有變化，而后隨著處理壓力升高而不斷提升，在100 MPa下達(dá)到最高，為2.88%；添加大米蛋白后降低了大米淀粉的溶解度。大米淀粉的膨脹率隨著處理壓力的增加而增大，其中在20～40 MPa內(nèi)增幅最大，從3.37%升至4.56%，在60 MPa以上的壓力下其膨脹率差別不大；而添加大米蛋白后，大米淀粉的膨脹率在同一壓力處理下均下降，但其隨著壓力升高而上升的趨勢不變(圖1)。涂宗財(cái)?shù)萚10]采用動(dòng)態(tài)高壓微射流在40～120 MPa內(nèi)處理大米淀粉，結(jié)果表明，隨著壓力的增加淀粉的溶解度和膨脹率也上升，其最高溶解度和膨脹率分別低于1.2%和2.7%；當(dāng)處理糯米淀粉時(shí)，溶解度和膨脹率隨著壓力的增加有明顯的提升[14]。Liu等[15]研究120～600 MPa的超高壓處理對(duì)蕎麥淀粉的影響，結(jié)果表明，在50～60 ℃淀粉的溶解度和膨脹率隨著壓力的增加而增加，而在70～90 ℃淀粉的溶解度和膨脹率隨壓力的增加而降低。

膨脹率和溶解度表示了淀粉鏈在無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)內(nèi)相互作用的強(qiáng)度[16]。在高壓均質(zhì)處理后，淀粉顆粒變小，水分子與淀粉顆粒有更大的接觸面積，使大米淀粉鏈相互作用加大，從而增加了溶解度和膨脹率。大米蛋白易與淀粉結(jié)合，妨礙大米淀粉與水分子的充分接觸，這可能是添加蛋白質(zhì)后淀粉膨脹率和溶解度下降的原因。

圖1 均質(zhì)對(duì)RS和RP-RS溶解度和膨脹率的影響

2.1.2 均質(zhì)對(duì)大米淀粉凝沉性的影響

糊化的淀粉在放置一定時(shí)間后，分散的淀粉分子會(huì)逐漸聚集產(chǎn)生凝沉現(xiàn)象而分層，測量分層后的上清液體積即可分析淀粉的凝沉性，上清液體積越大凝沉性越強(qiáng)。從圖2可以看出隨著時(shí)間的增加同一樣品凝沉性有不同程度的上升，其中凝沉性最強(qiáng)的是原大米淀粉，在72 h后上清液體積達(dá)到14.5 mL；同一時(shí)間下，20、60 MPa處理后大米淀粉凝沉性均有所下降，80 MPa處理的淀粉凝沉性則顯著下降，但100 MPa下凝沉性幾乎沒有繼續(xù)變化；添加大米蛋白后，80、100 MPa下的大米淀粉凝沉性上升。凝沉性的降低說明糊化后的淀粉均勻程度更高，凝膠性能更低。凝沉性的降低可能是在均質(zhì)處理后較大程度破壞了大米淀粉的原有結(jié)構(gòu)，使淀粉分子與水分子接觸面積增大，結(jié)合力增強(qiáng)，從而抑制了淀粉的沉降。加入蛋白質(zhì)后，蛋白質(zhì)與淀粉結(jié)合，可能是由于帶電性質(zhì)改變會(huì)發(fā)生部分聚集而加大沉降速度。

圖2 均質(zhì)處理對(duì)RS和RP-RS凝沉性的影響

2.1.3 均質(zhì)對(duì)大米淀粉透明度的影響

透明度通過測量糊化后樣品的透光率表示，透光率越好則透明度越高。從圖3可以看出，隨著處理壓力的增加透光率不斷增大，但其增加幅度不同，在0～60 MPa內(nèi)增幅較大，而60 MPa后增幅不明顯，幾乎持平。這可能是由于經(jīng)過均質(zhì)處理后淀粉顆粒變小，與其他分子接觸面積增大，使糊化后淀粉體系更加均勻，從而增加了透光率。添加蛋白質(zhì)后其透光性與原淀粉相當(dāng)，在80、100 MPa下稍有升高，這可能是由于蛋白質(zhì)經(jīng)過均質(zhì)后透明度比淀粉更高而引起的。

圖3 均質(zhì)處理和大米蛋白對(duì)大米淀粉糊透明度的影響

2.2 均質(zhì)對(duì)大米淀粉糊化特性的影響

利用RVA測定大米淀粉的糊化特性，比較不同均質(zhì)壓力處理對(duì)大米淀粉糊化特性的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了常見無機(jī)鹽(氯化鈉)對(duì)大米淀粉的影響。由RVA譜圖可得到的特征參數(shù)包括糊化溫度、峰值黏度、最終黏度、降落值和回生值等[15]。其中降落值反映了樣品的熱穩(wěn)定性強(qiáng)度，其值越大，熱穩(wěn)定性越差；回生值反映了樣品的老化作用，其值越大，老化程度越強(qiáng)[8, 17]。

由表1可知，經(jīng)過均質(zhì)處理后大米淀粉的糊化溫度沒有明顯區(qū)別，均在80 ℃左右，但其最終黏度、峰值黏度、降落值和回生值則有顯著下降，說明均質(zhì)處理后的樣品黏度降低、熱穩(wěn)定性增加、老化程度減弱。隨著壓力的增加樣品的糊化特性變化不明顯，說明20～100 MPa之間的均質(zhì)處理對(duì)大米淀粉糊化性質(zhì)的影響較小，這可能是因?yàn)榈蛪憾螇毫μ幚砗?，淀粉顆粒的變化并不明顯。Ahmed等[18]研究了400～600 MPa壓力下對(duì)扁豆淀粉性質(zhì)的影響，結(jié)果表明隨著壓力的增加，淀粉的黏度、降落值和回生值均有明顯的下降。Liu等[19]報(bào)道高壓對(duì)高粱淀粉糊化特性的影響表明在120～480 MPa內(nèi)處理的樣品其最終黏度、峰值黏度、降落值和回生值變化不大，但在600 MPa處理的樣品數(shù)值均有明顯的降低。Liu等[15]報(bào)道在120～600 MPa壓力下處理小麥淀粉，結(jié)果表明隨著處理壓力的增加，小麥淀粉的降落值、回生值和黏度均有較大幅度的下降。

表1 均質(zhì)和NaCl濃度對(duì)大米淀粉糊化特性的影響

注：同列數(shù)據(jù)右上角字母相同表示差異不顯著(P>0.05)，不同表示差異顯著(P<0.05)。

大米蛋白對(duì)大米淀粉的黏度、崩解值和回生值產(chǎn)生影響，在80、100 MPa下添加大米蛋白使得大米淀粉的峰值黏度、最低黏度、最終黏度降低及崩解值降低，而回生值升高，糊化溫度變化不明顯，這可能是由于蛋白質(zhì)分子能分散于淀粉顆粒周圍，形成一層屏障抑制淀粉的膨脹。NaCl對(duì)大米淀粉的糊化特性影響較大(表1)。隨著NaCl濃度的升高，降落值和回生值降低，而黏度下降的幅度并不明顯；經(jīng)過60 MPa處理的大米淀粉在添加NaCl后糊化特性變化趨勢與原淀粉類似，但在同一NaCl濃度條件下，經(jīng)過60 MPa處理后的樣品其黏度、降落值和回生值均比原淀粉的低。添加NaCl后能降低大米淀粉的黏度，提高其熱穩(wěn)定性和抗老化能力，結(jié)合60 MPa處理后其熱穩(wěn)定性和抗老化能力更為顯著。這將為均質(zhì)處理過程中大米淀粉基產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供參考。

2.3 均質(zhì)對(duì)大米淀粉質(zhì)構(gòu)特性的影響

圖4表示不同均質(zhì)壓力處理下的質(zhì)構(gòu)特性，淀粉凝膠的硬度隨著處理壓力的增加而降低，在60～80 MPa之間下降幅度最大，80 MPa處理后，其硬度最低為1 398 g，較原淀粉硬度(1 743 g)下降了20%；大米淀粉凝膠的彈性隨著處理壓力的增加整體趨勢向上，但其值變化不大，如原淀粉和80 MPa下處理的樣品的彈性分別為0.82和0.90。在添加了大米蛋白后其硬度下降，而彈性上升。Liu等[15]研究120～600 MPa高壓下處理蕎麥淀粉的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)樣品的硬度隨處理的壓力的增加而顯著下降，600 MPa高壓處理的淀粉硬度比原淀粉下降幅度達(dá)90%以上，其彈性則沒有明顯變化，均在0.95左右。

淀粉凝膠的結(jié)構(gòu)主要與膨脹淀粉顆粒的數(shù)量有關(guān)[15]，因此較高的膨脹度會(huì)降低淀粉凝膠強(qiáng)度，從而使硬度減弱，這也與圖1結(jié)果相一致。凝膠的硬度與淀粉中直鏈淀粉的含量也密切相關(guān)[20]。在均質(zhì)處理過程中，直鏈淀粉由于呈現(xiàn)直鏈狀更易受到均質(zhì)壓力的影響而使其結(jié)構(gòu)被破壞，壓力越大，破壞程度越高，硬度就越低。蛋白質(zhì)會(huì)與淀粉結(jié)合，分布于淀粉顆粒周邊，其軟韌性促使淀粉硬度下降而彈性上升。研究表明，水分子與淀粉分子以及淀粉分子之間的相互作用均對(duì)淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)產(chǎn)生影響[21]。均質(zhì)處理后淀粉顆粒變小，蛋白質(zhì)與淀粉結(jié)合強(qiáng)度受到影響，這些相互作用均會(huì)發(fā)生改變，從而引起了大米淀粉質(zhì)構(gòu)的變化。

圖4 均質(zhì)處理對(duì)對(duì)RS和RP-RS硬度和彈性的影響

3 結(jié)論

在20～100 MPa條件下均質(zhì)處理大米淀粉，在添加或不添加大米蛋白情況下其理化、糊化質(zhì)構(gòu)性能均表現(xiàn)出顯著的變化。大米淀粉的溶解度、膨脹率和透明度隨處理壓力的增加而升高，100 MPa處理達(dá)最大值，分別為2.88%、5.38%、14.17%；凝沉性隨著處理壓力的升高而降低，隨著靜置時(shí)間的延長而升高，常壓下升高幅度較大，上清液體積從靜置12 h的5.6 mL上升至72 h的14.5 mL。大米蛋白引起了大米淀粉溶解度、膨脹率和透明度不同程度的下降，而凝沉性有所上升。均質(zhì)后樣品糊化溫度均在80 ℃左右，而最終黏度、峰值黏度、崩解值和回生值從3 662、2 745、809、1 726分別下降到3 060、2 412、617、1 366；添加大米蛋白后同一壓力下淀粉黏度下降，回生值上升；添加NaCl后同一壓力下淀粉糊化溫度上升，最高達(dá)90.95 ℃，降落值和回生值下降。隨處理壓力增加樣品硬度從1 743 g下降到1 398 g，彈性均在0.8～0.9之間，大米蛋白使淀粉的硬度下降而彈性升高。均質(zhì)處理以及蛋白質(zhì)和NaCl存在的條件下均對(duì)大米淀粉特性產(chǎn)生影響，多種因素綜合作用下表現(xiàn)出更為復(fù)雜的效應(yīng)，在大米淀粉改性以及精深加工方面需重點(diǎn)關(guān)注這些影響因素。