雷寧宇,盧 楹,宋蕭蕭,殷軍藝*
(食品科學(xué)與資源挖掘全國重點實驗室,中國-加拿大食品學(xué)與技術(shù)聯(lián)合實驗室(南昌),江西省生物活性多糖重點實驗室,南昌大學(xué),江西 南昌 330047)
鷹嘴豆(Cicer arietinumL.)是世界上第三大重要的雜豆類作物,種植面積僅次于菜豆和豌豆,具有很高的經(jīng)濟價值[1]。鷹嘴豆?fàn)I養(yǎng)豐富,含有約63%碳水化合物、22%蛋白質(zhì)、8.0%粗纖維、4.5%脂質(zhì)、2.7%灰分[2],具有抗氧化[3]、抗炎[4]、降低膽固醇[5]等生理功能。淀粉是鷹嘴豆中最主要的碳水化合物,占其干質(zhì)量的37.2%~50.8%[6],根據(jù)X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)圖譜可將鷹嘴豆淀粉歸為C-型淀粉[7]。
鷹嘴豆一般經(jīng)過初級加工后食用,蒸、煮、油炸等是鷹嘴豆乃至雜豆開發(fā)和利用中最常用的熱處理方式。在加工過程中,極端溫度和壓力會使淀粉的多尺度結(jié)構(gòu)(直/支鏈淀粉分子、晶體結(jié)構(gòu)、淀粉顆粒等)遭到不同程度的破壞[8]。例如,Han Lihong等[9]的研究表明,隨著濕熱處理時間的延長,豌豆淀粉中支鏈淀粉的分子質(zhì)量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,而4 h及以上的濕熱處理使得豌豆淀粉從C-型晶體轉(zhuǎn)變?yōu)锳-型晶體,淀粉顆粒表面也出現(xiàn)凹槽和裂縫。崔文雪[10]對芋頭淀粉分別進(jìn)行蒸制、煮制處理,結(jié)果表明,與煮制相比,蒸制的芋頭淀粉糊化速度更快且糊化結(jié)構(gòu)更緊密,而芋頭淀粉在煮制過程中充分吸水膨脹,結(jié)構(gòu)疏松。此外,蒸汽壓力也是影響淀粉結(jié)構(gòu)及淀粉制品的關(guān)鍵因素,例如徐丹萍[11]發(fā)現(xiàn)米飯中的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物——V-型結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量隨著蒸汽壓力的增加而降低,且均低于常壓蒸制的米飯。目前蒸制、煮制淀粉的相關(guān)研究主要集中于玉米淀粉[12-13]、大米淀粉[14-15]、木薯淀粉[16]等,關(guān)于兩種處理方法對鷹嘴豆淀粉結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)影響的研究較少,并且研究表明淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)存在于天然淀粉顆粒和老化淀粉中(糊化后重結(jié)晶的淀粉,即蒸煮或酶解后的淀粉)[17-18],而鷹嘴豆淀粉晶體在蒸煮過程中受到的影響并不清楚。
基于此,本文采用濕磨法提取鷹嘴豆淀粉,選取常壓蒸制、高壓蒸制、常壓煮制、高壓煮制4 種常用熱處理方式,探究經(jīng)過蒸制、煮制處理后的鷹嘴豆淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)、顆粒結(jié)構(gòu)以及理化特性的差異,并分析壓力對其產(chǎn)生的影響,以期為鷹嘴豆淀粉的應(yīng)用、提升淀粉類食品品質(zhì)提供理論依據(jù)與參考。
鷹嘴豆產(chǎn)地為新疆烏什縣。
總淀粉試劑盒、直鏈淀粉試劑盒 愛爾蘭Megazyme公司;其他試劑均為分析純。
D8 Advance XRD儀 德國Bruker公司;Nicolet 5700傅里葉變換紅外光譜儀 美國Thermo公司;B-383POL偏光顯微鏡 意大利Optika公司;JSM 6701F場發(fā)射掃描電子顯微鏡及能譜儀 日本電子株式會社;RVA-Tec Master快速黏度分析儀 瑞典Perten公司;TGA4000熱重分析(thermo gravimetric analysis,TGA)儀 美國Perkin Elmer公司;XS205電子分析天平 瑞士梅特勒-托利多儀器公司。
1.3.1 鷹嘴豆淀粉提取
參考Malumba等[19]的方法提取鷹嘴豆淀粉,得率為17.1%。
1.3.2 常壓蒸制/煮制、高壓蒸制/煮制處理鷹嘴豆淀粉
鷹嘴豆淀粉的加工參考文獻(xiàn)[20-21]所報道的方法并進(jìn)行修改。
常壓蒸制處理:稱取約30 g鷹嘴豆淀粉,放入蒸鍋中常壓蒸制20 min后迅速放入冰水浴中降溫,然后將樣品冷凍干燥,置于室溫的干燥器中密封保存。
高壓蒸制處理:稱取約30 g鷹嘴豆淀粉,放入高壓滅菌鍋(121 ℃、0.2 MPa)中蒸制20 min后迅速放入冰水浴中降溫,然后將樣品冷凍干燥,密封保存。
常壓煮制處理:稱取約30 g鷹嘴豆淀粉,加入150 mL蒸餾水常壓煮制20 min后迅速放入冰水浴中降溫,然后將樣品冷凍干燥,密封保存。
高壓煮制處理:稱取約30 g鷹嘴豆淀粉,加入150 mL蒸餾水后在高壓滅菌鍋(121 ℃、0.2 MPa)內(nèi)煮制20 min后迅速放入冰水浴中降溫,然后將樣品冷凍干燥,密封保存。
鷹嘴豆原淀粉命名為CKS,常壓蒸制、高壓蒸制、常壓煮制、高壓煮制處理后的鷹嘴豆淀粉分別命名為CKS-APS、CKS-HPS、CKS-APB、CKS-HPB。
1.3.3 淀粉含量測定
總淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照總淀粉試劑盒說明書測定。直鏈淀粉相對含量參照直鏈淀粉試劑盒說明書測定。
1.3.4 X射線衍射分析
樣品過100 目篩后采用XRD儀進(jìn)行測定,參數(shù)設(shè)定:管壓40 kV,電流100 mA,衍射角2θ掃描范圍4°~40°,數(shù)據(jù)采集步寬0.02°。使用MDI Jade 6.0軟件計算相對結(jié)晶度[22]。
1.3.5 紅外光譜分析
將樣品與溴化鉀以質(zhì)量比1∶100混合后充分研磨。采用壓片法置于傅里葉變換紅外光譜儀上掃描,掃描范圍為4 000~500 cm-1。選取波數(shù)范圍為1 200~800 cm-1進(jìn)行去卷積處理,選取半峰寬24,增強因子2.4,測定1 051 cm-1和1 018 cm-1處峰強度,計算1 051 cm-1、1 018 cm-1峰強度比值,即R1051cm-1/1018cm-1。
1.3.6 偏光十字顯微鏡觀察
取少量樣品置于載玻片上,加入1~2 滴蒸餾水使之均勻分散,蓋上蓋玻片后,置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。
1.3.7 掃描電子顯微鏡觀察
取少量樣品在粘有導(dǎo)電雙面膠的工作臺上涂抹均勻,噴金處理后在500 倍下觀察淀粉的顆粒形態(tài),電子槍加速電壓為5 kV[23]。
1.3.8 糊化特性的測定
糊化特性的測定參考Cao Shaopan等[24]的方法并進(jìn)行部分修改。稱取3.0 g樣品于快速黏度分析儀(rapid visco analyser,RVA)專用鋁盒內(nèi),加入25 mL蒸餾水混合均勻。測定條件:50 ℃下保持1 min,隨后以12 ℃/min的速率從50 ℃升至95 ℃,95 ℃下保持2.4 min,再以相同速率降至50 ℃,50 ℃保持1.4 min,攪拌速率:前10 s為960 r/min,10 s后為160 r/min。記錄淀粉糊特征參數(shù):峰值黏度、最低黏度、最終黏度、衰減值、回生值、糊化溫度。
1.3.9 熱穩(wěn)定性的測定
采用TGA法測定淀粉的熱穩(wěn)定性。稱取10 mg樣品并平鋪于坩堝中,加熱溫度范圍為300~600 ℃,升溫速率為10 ℃/min,高純氮氣流量為20 mL/min[25]。
1.3.10 凝沉特性的測定
用蒸餾水配制1 g/100 mL的淀粉乳,沸水浴20 min,冷卻至室溫后量取100 mL靜置,記錄0、2、4、6、8、10、24 h時淀粉糊中上清液體積并繪制凝沉曲線。
實驗結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用SPSS 24.0軟件中單因素方差和Duncan檢驗進(jìn)行統(tǒng)計分析,P<0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
鷹嘴豆淀粉及不同熱加工方式處理鷹嘴豆淀粉的總淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和直鏈淀粉相對含量如表1所示。所有樣品的總淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、直鏈淀粉相對含量范圍分別為68.4%~86.0%、29.1%~31.3%。CKS的直鏈淀粉相對含量為31.3%,與文獻(xiàn)報道的鷹嘴豆淀粉中直鏈淀粉相對含量(通常為20.7%~42.2%)一致[2]。與CKS相比,經(jīng)過4 種熱加工方式處理后的鷹嘴豆直鏈淀粉相對含量下降了1.1%~2.2%。
表1 不同加工方式處理鷹嘴豆淀粉的總淀粉和直鏈淀粉含量(n=3)Table 1 Total starch and amylose contents of chickpea starch treated by different cooking methods (n = 3)
XRD常被用來檢測淀粉分子的長程有序結(jié)構(gòu)即結(jié)晶結(jié)構(gòu),圖1為不同加工方式處理鷹嘴豆的XRD圖譜,CKS在15°、17°、23°處出現(xiàn)尖銳的衍射峰,在18°處衍射峰較弱,為典型的CA-型晶體[2]。經(jīng)過常壓蒸制、高壓蒸制加工處理后的鷹嘴豆淀粉與原淀粉晶體類型相同,表明蒸制未改變鷹嘴豆淀粉的晶體類型。鷹嘴豆淀粉經(jīng)過常壓煮制、高壓煮制處理后,在15°、23°處的衍射峰逐漸彌散化,僅在17°附近出現(xiàn)衍射峰并且衍射強度較弱,表明煮制嚴(yán)重破壞了鷹嘴豆淀粉的晶體結(jié)構(gòu)。
圖1 不同加工方式處理鷹嘴豆淀粉的XRD圖Fig.1 X-ray diffractograms of chickpea starch treated by different cooking methods
樣品的具體出峰位置、晶型及相對結(jié)晶度如表2所示,相較于CKS,CKS-APS、CKS-HPS的相對結(jié)晶度均降低,可能是由于熱處理使得部分雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生移動,淀粉的微晶結(jié)構(gòu)遭到破壞,導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)域面積下降[26]。與CKS相比,樣品CKS-APB、CKS-HPB的晶體類型均不典型,相對結(jié)晶度均大幅度下降,從31.4%分別降至5.9%、3.6%,表明煮制對淀粉分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的破壞程度更嚴(yán)重,這是由于在煮制過程中,淀粉分子與大量水接觸,水分子進(jìn)入了淀粉的無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū),造成淀粉分子間氫鍵斷裂并且與水分子產(chǎn)生氫鍵,晶體有序程度下降,無定形區(qū)域增加,同時淀粉分子在水煮冷卻過程中老化,部分淀粉鏈自動排列成序,形成結(jié)晶[12,27]。此外,CKS-HPS(20.4%)、CKS-HPB(3.6%)的相對結(jié)晶度分別低于CKS-APS(25.5%)、CKS-APB(5.9%),表明在一定的壓力下,淀粉分子的結(jié)晶區(qū)向無定形區(qū)的轉(zhuǎn)變程度更大,這與Liu Hang等[28]的研究結(jié)果一致,可能是高壓使淀粉顆粒表面孔洞變大,導(dǎo)致水分子更易進(jìn)入顆粒內(nèi)部[26,29]。
表2 不同加工方式處理鷹嘴豆淀粉的XRD結(jié)果和短程有序程度Table 2 X-ray diffraction results and short-range order of chickpea starch treated by different cooking methods
不同熱加工方式處理的鷹嘴豆淀粉紅外光譜波形基本一致(圖2)。樣品的主要出峰位置及對應(yīng)官能團為:3 411 cm-1處對應(yīng)O—H伸縮振動;2 928 cm-1處對應(yīng)—CH2的反對稱伸縮振動;1 463 cm-1處對應(yīng)—CH2的彎曲振動;1 163 cm-1處對應(yīng)C—O 以及C—C鍵的伸縮振動;1 086 cm-1處和928 cm-1處對應(yīng)淀粉的非對稱環(huán)模式(α-1,4糖苷鍵(C—O—C))的骨架振動;986 cm-1處對應(yīng)C—O鍵的伸縮振動和C—OH彎曲振動;763 cm-1處對應(yīng)C—C鍵的伸縮振動[30-31]。
圖2 不同加工方式處理鷹嘴豆淀粉的紅外光譜Fig.2 Infrared spectra of chickpea starch treated by different cooking methods
與原淀粉相比,經(jīng)過蒸制、煮制后的鷹嘴豆淀粉官能團總體上未發(fā)生明顯變化,出峰位置及強度有所區(qū)別,表明加工處理后的鷹嘴豆淀粉分子沒有產(chǎn)生新的官能團和化學(xué)鍵,但是結(jié)構(gòu)上存在差異,例如CKS在986 cm-1處的特征吸收峰,CKS-APB、CKS-HPB均偏移至1 021 cm-1處,表明常壓煮制、高壓煮制影響了淀粉分子結(jié)構(gòu)。
傅里葉變換紅外光譜對淀粉結(jié)晶、分子鏈的構(gòu)象及螺旋結(jié)構(gòu)的改變十分敏感,常用于淀粉粒短程有序結(jié)構(gòu)的研究。其中,1 051 cm-1和1 018 cm-1處的譜帶分別對晶態(tài)和非晶態(tài)淀粉敏感,兩者比值越大,淀粉顆粒內(nèi)有序程度越高[32]。不同加工方式處理鷹嘴豆淀粉的R1051cm-1/1018cm-1如表2所示,CKS-APS、CKS-HPS的R1051cm-1/1018cm-1低于CKS,可能是由于蒸制處理破壞了淀粉分子內(nèi)氫鍵,造成雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞,但是與CKS無顯著性差異(P>0.05)。CKS-HPB、CKS-APB的R1051cm-1/1018cm-1顯著低于CKS、CKS-APS、CKS-HPS(P<0.05),表明煮制處理對鷹嘴豆淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)的破壞程度更高,可能是大量水分進(jìn)入淀粉分子內(nèi)部,破壞了淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)和無定形區(qū)域內(nèi)的螺旋結(jié)構(gòu),造成短程有序程度下降。此外,本研究結(jié)果還表明壓力對鷹嘴豆淀粉短程有序性的影響不顯著。
天然淀粉中的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)在密度和折射率上存在差異,即淀粉具有各向異性,在偏光顯微鏡下能夠產(chǎn)生偏光十字現(xiàn)象[33]。如圖3所示,CKS、CKSAPS、CKS-HPS的偏光十字清晰明亮,主要呈現(xiàn)“X”型,表明蒸制處理20 min仍保留了鷹嘴豆淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。CKS-APB、CKS-HPB常溫下不能溶解,有團聚物出現(xiàn),因此無法觀察其偏光十字現(xiàn)象,可能是由于鷹嘴豆淀粉經(jīng)過常壓煮制、高壓煮制處理后,淀粉顆粒幾乎全部糊化,結(jié)晶區(qū)被嚴(yán)重破壞。這與XRD分析結(jié)果相印證,即常壓煮制、高壓煮制嚴(yán)重破壞了淀粉中緊密排列的雙螺旋結(jié)構(gòu),導(dǎo)致淀粉顆粒的偏光十字消失。
圖3 不同加工方式處理鷹嘴豆淀粉的偏振光學(xué)顯微圖Fig.3 Cross-polarized images of chickpea starch treated by different cooking methods
樣品的顆粒形貌如圖4所示,CKS顆粒較為分散,主要為腎形和橢圓形,多數(shù)顆粒表面光滑、無裂痕。經(jīng)過常壓蒸制、高壓蒸制后的鷹嘴豆淀粉顆粒結(jié)構(gòu)完整,與CKS無明顯差異。而常壓煮制、高壓煮制后的鷹嘴豆淀粉顆粒破損嚴(yán)重,可能是煮制的過程中淀粉顆粒發(fā)生吸水糊化行為,膨脹、破裂成不規(guī)則形狀,這與XRD及偏光十字分析結(jié)果相印證。
圖4 不同加工方式處理鷹嘴豆淀粉的掃描電子顯微鏡圖Fig.4 Scanning electron microscopic images of chickpea starch treated by different cooking methods
圖5為使用RVA測定的樣品黏度隨溫度變化曲線,具體糊化特性參數(shù)如表3 所示??梢钥闯觯珻 K S、CKS-APS、CKS-HPS的糊化曲線具有雜豆類淀粉糊化曲線的典型特征,表明蒸制過程沒有完全破壞鷹嘴豆淀粉的結(jié)構(gòu)[34]。CKS-APS、CKS-HPS的峰值黏度、最低黏度、衰減值、最終黏度、回生值均低于CKS,其中峰值黏度和最低黏度的降低表明蒸制處理后的鷹嘴豆淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)合緊密程度弱于原淀粉,結(jié)合水的能力減弱,老化后形成凝膠的能力降低,可能是由于蒸制樣品的結(jié)晶結(jié)構(gòu)受損,分子間結(jié)合力減弱,使得分子流動的黏性阻力減小。衰減值的降低表明鷹嘴豆淀粉的熱糊穩(wěn)定性變差,抗剪切性提升,回生值的下降表明鷹嘴豆淀粉的短期回生速率加快[31]。在蒸制過程中,壓力對鷹嘴豆淀粉的影響不明顯。
圖5 不同加工方式處理鷹嘴豆淀粉的糊化特性Fig.5 Pasting properties of chickpea starch treated by different cooking methods
表3 不同加工方式處理鷹嘴豆淀粉的糊化特性參數(shù)Table 3 Gelatinization characteristic parameters of chickpea starch treated by different cooking methods
CKS-APB、CKS-HPB的典型峰均消失(圖5),可能是由于鷹嘴豆淀粉在水煮過程中吸水膨脹,結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,但是仍存在少量的結(jié)晶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出抗剪切的行為。同時淀粉糊黏度受到了壓力的影響,高壓處理后的鷹嘴豆淀粉糊黏度低于常壓處理樣品,表明煮制過程中高壓處理對鷹嘴豆淀粉結(jié)構(gòu)的破壞程度更大。
TGA曲線及對應(yīng)的微分熱重(derivative thermo gravimetric,DTG)曲線通過樣品隨溫度升高所形成的質(zhì)量損失來反映其熱穩(wěn)定性。由圖6A可看出,樣品在50~160 ℃間出現(xiàn)第一個質(zhì)量損失峰,其主要是淀粉顆粒中自由水和結(jié)合水的損失所導(dǎo)致;第二個質(zhì)量損失峰(>200 ℃)主要是由于淀粉在高溫下發(fā)生熱降解,破裂成小分子,與圖6B急劇下降的峰相對應(yīng)。CKS、CKSAPS、CKS-APB、CKS-HPS、CKS-HPB樣品達(dá)到最大質(zhì)量損失速率時的溫度分別為320、309、310、319、319 ℃,經(jīng)過熱處理的鷹嘴豆淀粉的最大質(zhì)量損失速率溫度低于CKS,可能是由于無定形區(qū)域的增加[35]。
圖6 不同加工方式處理鷹嘴豆淀粉的TGA(A)和DTG(B)曲線Fig.6 Thermo gravimetric analysis (TGA) (A) and derivative thermo gravimetric (DTG) (B) curves of chickpea starch treated by different cooking methods
鷹嘴豆淀粉在經(jīng)過常壓煮制、高壓煮制處理后,掃描電子顯微鏡、偏光十字現(xiàn)象、XRD分析結(jié)果均證實其淀粉結(jié)構(gòu)遭到了嚴(yán)重破壞,顆粒結(jié)構(gòu)不完整,糊化后沒有明顯的凝沉特性,因此本實驗中不列出。如圖7所示,CKS、CKS-APS、CKS-HPS的上清液體積占比在靜置2 h內(nèi)快速上升,隨后趨于穩(wěn)定,符合雜豆類淀粉易老化的特性[34]。淀粉糊靜置24 h內(nèi),CKS-APS、CKSHPS的上清液體積占比均高于CKS,易凝沉程度為:CKS-HPS>CKS-APS>CKS,表明蒸制處理后的鷹嘴豆淀粉在24 h的靜置時間內(nèi)更易發(fā)生老化,并且高壓蒸制處理后的鷹嘴豆淀粉易老化程度高于常壓蒸制處理。
圖7 不同加工方式處理鷹嘴豆淀粉的凝沉特性(n=2)Fig.7 Retrogradation properties of chickpea starch treated by different cooking methods (n = 2)
蒸制、煮制處理對鷹嘴豆淀粉結(jié)構(gòu)和理化特性的影響存在差異:1)蒸制處理20 min后,鷹嘴豆淀粉顆粒完整,結(jié)晶結(jié)構(gòu)被輕微破壞,能觀察到明顯的偏光十字現(xiàn)象,糊化特征曲線保留了雜豆類淀粉的典型特征,顆粒內(nèi)部結(jié)合緊密程度和結(jié)合水能力減弱,更容易老化;2)煮制處理20 min后,鷹嘴豆淀粉顆粒吸水膨脹后破損成不規(guī)則形狀,結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)的變化對理化特性的直接影響體現(xiàn)為:在常溫下無法觀察到偏光十字現(xiàn)象,凝沉現(xiàn)象不明顯,糊化過程中黏度明顯下降;3)與低壓處理相比,高壓處理對鷹嘴豆淀粉晶體的破壞程度更嚴(yán)重,但是常壓蒸制處理與高壓蒸制處理、常壓煮制處理與高壓煮制處理樣品間的顆粒結(jié)構(gòu)、偏光十字現(xiàn)象無明顯差異。
綜上所述,相較于蒸制處理,煮制過程對鷹嘴豆淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)構(gòu)的破壞更嚴(yán)重。本研究側(cè)重于對鷹嘴豆淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)構(gòu)的探究,未來可進(jìn)一步表征鷹嘴豆淀粉在熱處理過程中分子結(jié)構(gòu)的具體變化,更全面地研究淀粉的基礎(chǔ)理論并為其應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。