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(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院1,大慶 163319)

(國(guó)家雜糧工程技術(shù)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(jià)值,是我國(guó)北方重要糧食作物之一[1]。小米的主要成分為淀粉,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～70%[2],其次為蛋白質(zhì)、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(guò)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(lǐng)域中,淀粉因其易老化、溶解性低等缺點(diǎn)導(dǎo)致應(yīng)用范圍受到極大限制,因此很多學(xué)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(duì)淀粉的改性方法分為物理法、化學(xué)法、酶法和復(fù)合法。其中因化學(xué)改性手段存在環(huán)境污染等問(wèn)題,所以物理法、酶法、復(fù)合法已成為國(guó)內(nèi)外改性淀粉的研究熱點(diǎn)。Guo等[3]研究發(fā)現(xiàn),微波具有高效節(jié)能、易于控制和強(qiáng)穿透性的優(yōu)點(diǎn),可導(dǎo)致多孔結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),影響水合能力。Wang等[4]運(yùn)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(jié)晶結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu);李若敏等[5]運(yùn)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(fù)合改性可使淀粉保留各改性手段的優(yōu)點(diǎn)。白凌曦[6]運(yùn)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(fù)合改性淀粉時(shí),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(jié)構(gòu)[8],有利于后續(xù)脫支酶的進(jìn)入,增加其作用位點(diǎn),最終提高改性效率和直鏈淀粉含量,同時(shí)結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)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(duì)于微波復(fù)合酶解改性后的淀粉結(jié)構(gòu)及理化特性對(duì)比研究仍有不足。

實(shí)驗(yàn)以天然小米淀粉為對(duì)照,采用微波、酶解、微波復(fù)合酶解3種方法進(jìn)行改性,考察3種改性手段對(duì)小米淀粉顆粒形貌、結(jié)晶、官能團(tuán)等的影響,研究微波復(fù)合酶解處理小米淀粉對(duì)其結(jié)構(gòu)表征和對(duì)理化性質(zhì)的影響,以期為開(kāi)發(fā)具有特定應(yīng)用需求的改性淀粉提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

小米,市售;溴化鉀(光譜級(jí))、普魯蘭酶(1 000 ASPU/g);直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品、支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品;鹽酸、無(wú)水乙醇、氫氧化鈉、碘及碘化鉀等化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

M1-L 213 C微波爐,TDZ 5-WS 高速離心機(jī),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(jiàn)分光光度計(jì)。

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(guò)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(guò)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(yīng)器中處理。微波時(shí)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(guò)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(diào)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(wú)水乙醇滅酶,在4 ℃下處理24 h,放入45 ℃烘箱中干燥24 h,過(guò)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(yīng)器中處理。微波時(shí)間為90 s,微波功率為350 W,調(diào)pH 5.5,待冷卻至55 ℃時(shí),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(guò)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(biāo)準(zhǔn)曲線繪制[14]

分別取0.1 g支鏈、直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品各加入1 mL無(wú)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(biāo)為支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)液與直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)液。分別加入0.00、0.25、0.50、1.00、1.50 mL直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)液,支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)液補(bǔ)充至5 mL?？瞻捉M用5 mL 0.09 mol/L NaOH替代混合淀粉標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)為620 nm下,測(cè)定吸光度。

1.3.3.2 樣品直鏈淀粉含量測(cè)定

取0.1 g樣品,加入1.0 mL無(wú)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(fù)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(zhǎng)為620 nm下,測(cè)定吸光度,計(jì)算公式為:

式中:Z為樣品中直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%;A為標(biāo)準(zhǔn)曲線中所得的直鏈淀粉質(zhì)量/g;m為樣品質(zhì)量/g;B為樣品水質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%。

1.3.4 測(cè)定顆粒微觀形貌

參照薛艾蓮等[15]的方法進(jìn)行顆粒微觀形貌測(cè)定。觀察淀粉被放大1 000倍的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.5 測(cè)定偏光特性

參照劉佳男等[16]的方法測(cè)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(cè)定晶體結(jié)構(gòu)

參考陳遠(yuǎn)嬌等[17]的方法運(yùn)用X射線-衍射儀測(cè)定淀粉的晶體結(jié)構(gòu)。測(cè)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(zhǎng)為0.02°。

1.3.7 測(cè)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(cè)定溶解度及膨潤(rùn)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(jù)公式計(jì)算溶解度(S)和膨潤(rùn)力(SP)[18]:

式中:m1為上清液烘干后的質(zhì)量/g;m2為離心管中沉淀物的質(zhì)量/g。

1.3.9 測(cè)定透明度

參考Hu等[19]的方法并進(jìn)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(duì)照,使用紫外分光光度計(jì)在640 nm波長(zhǎng)下測(cè)定其透光率。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有的實(shí)驗(yàn)均重復(fù)進(jìn)行3次,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均取平均值并計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,運(yùn)用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,采用SPSS Statistics 25 進(jìn)行方差分析(ANOVA),以P<0.05 表示差異性顯著,Origin 2019軟件進(jìn)行繪圖處理。

2 結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了49.03%。Li等[12]對(duì)燕麥淀粉進(jìn)行改性也得出相同結(jié)論。淀粉微波輻照時(shí),吸收大量的熱能并將其聚集在顆粒內(nèi)部,伴隨著膨化效應(yīng),顆粒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)也利于增加酶作用的接觸面積和接觸位點(diǎn),使其更容易與淀粉相結(jié)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(diǎn)[21],最終導(dǎo)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(guò)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(nèi)源性蛋白質(zhì)在淀粉提取過(guò)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(wú)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(zhì)可吸收大量熱能并汽化,導(dǎo)致淀粉顆粒劇烈膨脹直至破碎,最終形成無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)[7]。這與李世杰等[20]用微波處理板栗淀粉的結(jié)果一致。PS呈現(xiàn)碎片狀,結(jié)構(gòu)較致密,顆粒存在表層剝落現(xiàn)象,可能是因?yàn)橹ф湹矸郾黄蒸斕m酶破壞脫支,分子鏈斷裂所導(dǎo)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(nèi)部與表面發(fā)生巨大破壞是微波熱效應(yīng)、電磁效應(yīng)和普魯蘭酶酶解脫支的雙重作用的結(jié)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(dāng)偏振光經(jīng)過(guò)淀粉顆粒時(shí)會(huì)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(jīng)消失。經(jīng)過(guò)微波處理后淀粉顆粒內(nèi)部壓力增大,顆粒迅速膨脹甚至破碎,分子內(nèi)部的有序排列結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞[8],從而導(dǎo)致偏光十字消失,而微觀形貌測(cè)定結(jié)果也表明這一點(diǎn)。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(duì)完整,所以偏光十字不會(huì)消失[21]。但與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同,可能是本研究先將淀粉微波充分糊化后再進(jìn)行酶解導(dǎo)致的。MPS的偏光十字全部消失。天然淀粉經(jīng)微波處理時(shí),由于水分子的激烈振動(dòng),淀粉晶體結(jié)構(gòu)被破壞,酶解后,淀粉的非結(jié)晶區(qū)被破壞,斷裂出許多短直鏈分子,在低溫過(guò)程中,部分氫鍵相互連接形成新的結(jié)晶結(jié)構(gòu)最終導(dǎo)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(jié)晶結(jié)構(gòu)

天然的淀粉顆粒呈現(xiàn)出3種不同的晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在20°的位置出現(xiàn)衍射峰,推測(cè)可能是直鏈淀粉與內(nèi)源性脂質(zhì)相互作用引起[26]。MS的部分特征峰強(qiáng)減弱,但仍具有A型晶體結(jié)構(gòu)。PS與MPS的特征峰在17°、19°、22°處呈單峰,推測(cè)經(jīng)過(guò)酶解和復(fù)合改性后,晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變,A型轉(zhuǎn)變?yōu)锽型。此結(jié)果與Ma等[27]的研究結(jié)果一致。同時(shí)Shi等[28]和Sun等[29]分別以蠟質(zhì)大米和普通玉米為原料,酶解后發(fā)現(xiàn)淀粉晶體結(jié)構(gòu)也由A型轉(zhuǎn)變?yōu)锽型。

圖4 改性前后淀粉的X射線衍射圖譜

相對(duì)結(jié)晶度是指結(jié)晶區(qū)與無(wú)定形區(qū)的相對(duì)比例。MS、PS、MPS的相對(duì)結(jié)晶度與S相比均提高,其中MPS相對(duì)結(jié)晶度升高了35.32%。有研究表明,運(yùn)用微波處理白高粱[16]和玉米[30]時(shí),微波主要破壞淀粉結(jié)晶區(qū),其產(chǎn)生的熱效應(yīng)使淀粉的有序結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到破壞,結(jié)晶區(qū)的雙螺旋解旋,分子鏈趨于無(wú)序化。普魯蘭酶通過(guò)作用于支鏈淀粉中的α-1,6糖苷鍵,導(dǎo)致支鏈淀粉分支斷裂,由此產(chǎn)生大量游離的短直鏈分子,支撐有序結(jié)晶結(jié)構(gòu)的效果減弱,結(jié)晶區(qū)遭到破壞,但淀粉鏈與雙螺旋結(jié)構(gòu)解旋后流動(dòng)性增強(qiáng),利于低溫過(guò)程中淀粉重結(jié)晶,晶體重組,形成新的結(jié)晶區(qū)和晶體結(jié)構(gòu)[31],最終導(dǎo)致相對(duì)結(jié)晶度提高。該結(jié)果與閆少青[32]的結(jié)果一致。本研究淀粉的微觀形貌圖也顯示出淀粉顆粒結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)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(nèi),S、MS、PS、MPS具有相同的紅外光譜圖,沒(méi)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(qiáng)峰是由O—H伸縮振動(dòng)引起,2 900 cm-1附近的峰是由CH2伸縮振動(dòng)引起,1 650 cm-1附近的峰是由原料的水分子中2個(gè)O—H剪切振動(dòng)引起[21],1 047 cm-1附近的峰是由C—O和C—C伸縮振動(dòng)引起,1 022 cm-1附近的峰是由淀粉無(wú)定形區(qū)C—O、C—O—C振動(dòng)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(dòng)引起,570 cm-1附近的峰是由吡喃糖環(huán)骨架振動(dòng)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(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)[27]。將改性前后的樣品經(jīng)過(guò)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?yàn)榈矸劢?jīng)過(guò)微波與酶解處理后,淀粉的有序結(jié)構(gòu)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(nèi)的氫鍵變化所導(dǎo)致本研究結(jié)晶結(jié)果相互印證[34]。

2.1.6 改性前后小米淀粉的溶解度與膨潤(rùn)力

溶解度與膨潤(rùn)力是衡量淀粉與水分子間作用力的重要指標(biāo)同時(shí)也反映淀粉內(nèi)部直鏈分子間氧鍵結(jié)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(rùn)力均出現(xiàn)下降趨勢(shì)。分析可能因微波作用導(dǎo)致分子間及分子內(nèi)部破壞,脫支作用導(dǎo)致淀粉鏈斷裂,結(jié)晶結(jié)構(gòu)改變,重結(jié)晶后形成新的致密結(jié)構(gòu),水合作用力減弱,從而導(dǎo)致溶解度與膨潤(rùn)力的改變[5]。韓雪琴等[35]指出,膨潤(rùn)力主要體現(xiàn)的是支鏈淀粉的性質(zhì),支鏈淀粉含量越高,膨潤(rùn)力越大[36],而直鏈淀粉的存在往往會(huì)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(jié)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(fù)合改性時(shí),淀粉中的直鏈淀粉與直鏈淀粉間、支鏈淀粉間的結(jié)合力增強(qiáng),與水分子的結(jié)合力下降,也有可能是復(fù)合改性中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)致密的分子晶體結(jié)構(gòu),與S相比穩(wěn)定性更高,當(dāng)膨脹發(fā)生時(shí),會(huì)阻礙水分子進(jìn)入與淀粉相結(jié)合,從而影響膨潤(rùn)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(shí)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(shì)。微波[31]與酶解[33]過(guò)程會(huì)導(dǎo)致淀粉顆粒破碎,淀粉鏈斷裂,水分子與淀粉分子的結(jié)合作用加強(qiáng),從而引起透明度上升,但與本研究結(jié)果不同,分析可能是由于改性過(guò)程中出現(xiàn)大量的淀粉碎片,支鏈淀粉大量降解的同時(shí)也產(chǎn)生許多短直鏈片段,降溫過(guò)程中,低溫導(dǎo)致大量短直鏈片段發(fā)生重結(jié)晶現(xiàn)象[5,31],聚集在一起,從而阻礙了光線的透過(guò),導(dǎo)致透明度下降。該結(jié)果與蒲華寅等[37]的研究結(jié)果一致。也有學(xué)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(huì)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(jié)論

研究探討了微波、酶解、微波復(fù)合酶解改性對(duì)小米淀粉的結(jié)構(gòu)表征及其理化性質(zhì)的影響。結(jié)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(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,紅外光譜(1 047/1 022)cm-1峰強(qiáng)比值、溶脹力及透明度呈下降趨勢(shì)。其中微波復(fù)合酶解改性對(duì)小米淀粉的影響最顯著。與原淀粉相比,微波復(fù)合酶解改性后的小米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,直鏈淀粉含量與相對(duì)結(jié)晶度提高,且結(jié)晶型轉(zhuǎn)變?yōu)锽型。但改性手段不同也會(huì)導(dǎo)致淀粉的加工特性產(chǎn)生差異,影響其應(yīng)用范圍,所以可進(jìn)一步探究比較微波、酶解、微波復(fù)合酶解改性小米淀粉的糊化特性和流變特性。