不同提取方法對青稞淀粉結構和性質的影響

朱 靜, 楊潔茹, 劉海波,, 王玉顏, 陳亞藍,李 坤, 陳 龍, 李 飛, 劉 雄

(信陽農林學院食品學院1,信陽 464000) (西南大學食品科學學院2,重慶 400715)

青稞(highland barley, HB)作為藏族人民的主要糧食作物,通常被用于制作青稞面、青稞酒、糌粑等食品[1]。其富含膳食纖維、蛋白質、黃酮、β-葡聚糖等成分,具有預防心腦血管疾病和調節免疫等生理作用[2,3]。其中,青稞淀粉(highland barley starch, HBS)是HB中的主要成分,約占其質量的47.90%～79.00%[4]。與其他作物淀粉相比,HBS表現出更高的糊化溫度、更好的回生和糊化能力,淀粉糊表現出非牛頓性質,具有剪切稀化特性[5]。因此,HBS的特性對青稞產品的加工質量和開發利用具有重要意義。

淀粉的分離提取是了解淀粉特性和進行適宜性加工生產的前提。HBS的提取通常有水浸泡提取、NaOH浸泡提取、Na2SO3浸泡提取和酶解提取等方法[4, 6],但不同的提取方法對淀粉呈現出不同的影響和效果。任欣等[6]采取水浸泡法提取了5種HBS并比較分析了不同種類的HBS的理化特性,發現昆侖12號的HBS更適合工業應用;張慧娟等[7]利用NaOH浸泡法提取的HBS顆粒表面光滑且粒度分布較均勻;Yang等[5]采用Na2SO3浸泡法提取北青和康青2個品種的HBS,發現北青HBS比康青HBS展現出更低的起始糊化溫度、更大的糊化溫度范圍和峰值黏度;Sharma等[8]利用木瓜蛋白酶輔助提取的HBS表現較高的糊化溫度、吸水性和黏度,但酶法提取經濟成本較高,不適合大規模工業生產。近年來,超聲技術因其高效、經濟和環保等特點被廣泛用于淀粉、多糖等成分的提取和加工[9, 10],因此可以考慮將超聲技術應用于HBS的提取。

以往對HBS的提取及特性的研究較為單一,缺乏不同提取方法及其對HBS特性影響的系統性的比較和分析。因此,本研究擬利用超聲輔助不同方法(水浸泡、NaOH浸泡和Na2SO3浸泡)提取HBS,探究不同提取方法對HBS的提取率、結構和性質的影響,為HBS的高效提取和規?；a應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

青稞全粉(水質量分數9.36%、蛋白質質量分數10.00%、脂肪質量分數2.93%、淀粉質量分數67.05%);氫氧化鈉、亞硫酸鈉,分析純。

1.2 儀器與設備

DHG-9070電熱鼓風干燥箱,5810 R臺式高速大容量冷凍離心機,KQ 5200 DE數控超聲波清洗器,RVA 4500快速黏度儀,UltraScan PRO測色儀,XRD-7000 X衍射粉末衍射儀,JSM-6510LV掃描電子顯微鏡。

1.3 方法

1.3.1 青稞淀粉提取

稱取過100目篩的青稞全粉100 g,按照青稞全粉與蒸餾水比例為1∶5(g/mL)攪拌浸泡2 h,過膠體磨2次(5 min/次)后將混合漿過100目篩子,收集濾液。提取方法(水浸泡,WS;超聲-水浸泡,WSU;NaOH浸泡,SHS;超聲-NaOH浸泡,SHSU;Na2SO3浸泡,SSS;超聲-Na2SO3浸泡,SSSU)參考文獻[5-7, 9]稍作修改,見表1。每組浸泡后離心(5 000 r/min,15min),棄去上清液,刮去上層黃灰色物質,收集下層白色淀粉加水制漿,過200目篩,刮去上層物質,收集下層淀粉在40 ℃條件下干燥24 h,研磨干淀粉塊后過200目篩即得到青稞淀粉。淀粉提取率以青稞全粉中的淀粉被提取程度表示,按式(1)計算。

淀粉提取率=(m×c)/(M×x)×100%

(1)

式中:c為青稞淀粉中的總淀粉質量分數/%;x為青稞全粉中的淀粉質量分數/%;m為干燥淀粉制品的質量/g;M為稱取青稞全粉的質量/g。

表1 青稞淀粉的不同提取方法

1.3.2 原料基本組分測定

水分含量測定參考GB 5009.3—2016中的直接干燥法;粗蛋白含量測定參考GB 5009.5—2016中的凱氏定氮法;粗脂肪含量測定參考GB 5009.6—2016中的索氏抽提法;直、支鏈淀粉含量測定參考李曉娟等[11]的方法。

1.3.3 淀粉色澤

利用測色儀測定不同提取方法的青稞淀粉的L、a、b值。以標準白板為對照,選擇RsIN鏡面反射模式對樣品進行測定。

1.3.4 淀粉糊透明度

參考Liu等[12]的方法:配制50 mL、質量分數1%的青稞淀粉懸液,沸水浴中加熱攪拌15 min(塑料膜封口以保持體積不變),冷卻至室溫后,在640 nm波長下測淀粉糊在放置0、3、6、9、12、24、36、48、72 h后的透光率,并以蒸餾水作為空白(透光率為100%)。

1.3.5 淀粉溶解度和膨脹力

根據薛艾蓮[13]的方法并稍做改動:將50 mL、2%(g/g)的淀粉懸液在95 ℃的水浴中加熱攪拌30 min,冷卻至室溫后離(3 000 r/min,15 min),移出上清液,120 ℃恒溫烘箱中干燥4 h后稱重,得被溶解淀粉質量A(g);離心管中沉淀物稱重,則膨脹淀粉的質量P(g),樣品干基質量為m(g)。溶解度S和膨脹力B分別按式(2)和式(3)計算。

1.3.6 淀粉糊凍融穩定性

根據Liu等[14]測定淀粉糊凍融穩定性的方法并加以修改:將80 mL質量分數為3%的淀粉懸液在沸水浴中加熱攪拌15 min(塑料膜封口),略冷卻后分裝在10 mL的離心管中,裝樣量6 mL左右,稱質量記作m1,置于-18 ℃冰箱中冷凍24 h,取出在30 ℃下解凍1.5 h,1次凍融的樣品即可拿去離心。2次凍融樣品將解凍后的樣品繼續放入冰箱冷凍24 h,再解凍、離心(3 000 r/min,15 min)。離心后移除上清液,沉淀物稱質量記作m2,析水率按式(4)計算。

1.3.7 淀粉糊化特性

參考Suriya等[15]的方法,利用快速黏度儀進行青稞淀粉糊化特性的測定。稱取(3.00±0.01)g(以14%為基準水質量分數)樣品加入裝有(25.00±0.01)g純水的鋁盒筒中,并用聚四氟乙烯攪拌器上下攪動10次后進行測定。

1.3.8 淀粉凝膠質構特性

將在快速黏度儀中糊化后的青稞淀粉糊,分裝在10 mL玻璃燒杯中(裝樣量為燒杯的2/3,振動出氣泡,刮平表面)室溫下冷卻,密封保存在4 ℃條件下24 h,測定淀粉凝膠的質構。設置參數:TPA模式,TA5探頭,測試前速度:5.0 mm/s,測試中速度:1.0 mm/s,測試后速度:5.0 mm/s,穿刺距離:5 mm。

1.3.9 淀粉顆粒微觀結構

利用掃描電鏡觀察青稞淀粉的顆粒形態。挑取少量青稞淀粉均勻分散在有導電膠的載物臺上,洗耳球吹去多余樣品,真空噴金處理后進行觀察拍照,取×600、×2 000的放大圖像。

1.3.10 X-射線衍射分析

將青稞淀粉樣品放入XRD衍射檢測槽進行X-射線衍射掃描。測定參數為:電壓35 kV,電流30 mA,波長為0.154 nm的CuKa靶,測定的X衍射圖譜的2θ范圍在4°～40°,角度旋轉速度為5(°)/min。

1.4 數據分析

所有實驗重復3次,結果均表示為平均值±標準偏差。采用Microsoft Excel 2010整理數據,SPSS 17.0(Duncun法,P<0.05)分析處理數據,Origin 8.6作圖。

2 結果與分析

2.1 不同方法提取的青稞淀粉基本成分

不同方法提取的青稞淀粉基本成分測定結果如表2所示。各方法提取的青稞淀粉含量均高于84.17%,說明這些方法可提取較高純度的青稞淀粉。經超聲處理后,青稞淀粉的脂肪含量都顯著性降低(P<0.05)。WS、SHS和SSS的淀粉提取率分別為32.7%、44.46%和43.47%,在經過超聲處理后,WSU、SHSU和SSSU的提取率增加了10%～20%,說明超聲作用有助于青稞淀粉的分離。SSS和SSSU的直鏈淀粉(AM)質量分數最高接近30%,SHS和SHSU的AM質量分數最低約為20%。主要是由于NaOH對淀粉的晶體結構、形貌結構及分子結構均顯著影響[16],溶液會將淀粉水解成短鏈,AM發生降解,含量下降[17],因此,NaOH浸泡后青稞淀粉的AM較低。支鏈淀粉(AP)含量:SHSU、SHS>WSU >WS、SSSU和SSS。結果表明:超聲對青稞淀粉的AM含量沒有顯著影響,NaOH浸泡處理會降低AM含量,亞硫酸鈉處理會增加AM含量。

表2 不同方法提取青稞淀粉的基本成分

2.2 不同方法提取的青稞淀粉色澤

由表3可知,不同提取方法的青稞淀粉的黃藍色度(a)和紅綠色度(b)有顯著性差異,而亮度值(L)都沒有顯著性差異(P<0.05)。NaOH浸泡會使青稞淀粉的a和b增加,Na2SO3浸泡則會降低青稞淀粉的a和b,因為Na2SO3浸泡液會分解產生具有漂白作用的SO2[18]。超聲處理對青稞淀粉的色澤沒有顯著性影響?？傮w而言,相比于WS和WSU組,SHS和SHSU的青稞淀粉的顏色略微偏黃,SSS和SSSU組的青稞淀粉顏色較其他方法略微偏白。

表3 不同方法提取的青稞淀粉色澤

2.3 不同方法提取的青稞淀粉糊透明度

透明度是淀粉糊的重要外在特征之一,不僅關系到淀粉及其加工產品的外觀和用途,還影響淀粉產品的可接受性[19]。圖1顯示了不同提取方法的青稞淀粉透光率在放置0～72 h內的變化情況。在放置9 h后淀粉糊的透光率近乎水平穩定,沒有顯著性變化。穩定后不同方法提取的青稞淀粉的透光率關系為:WS>SHS、SHSU、WSU>SSSU、SSS,表明Na2SO3處理會明顯降低淀粉的透光率,與SSSU、SSS處理的AM含量最高有關。研究表明,AM的含量是影響淀粉糊老化的主要內部因素,AM的鏈狀結構在溶液中空間阻礙小易于取向和老化,淀粉中AM含量越高,淀粉就越易發生老化,淀粉糊的透明度也就越低[14, 15]。由圖1可知,WS組顆粒物殘留量最低,SSSU組最高,與透光率結果一致。淀粉懸液中大顆粒比例多并含有較少的顆粒殘余物,使光的折射或散射小,從而使光透射率更高[20]。

圖1 不同方法提取的青稞淀粉透光率

2.4 不同方法提取的青稞淀粉溶解度和膨脹力

當淀粉在過量的水中加熱時,由于氫鍵斷裂,晶體結構被破壞,膨脹的淀粉顆粒使直鏈淀粉滲出,淀粉發生溶解導致淀粉顆粒溶解度和膨脹力增加[21]。溶解度和膨脹力反映了淀粉鏈在無定形區域和結晶區域內的相互作用。這種相互作用的程度受到AM/AP比率和AM特性的影響[22]。淀粉顆粒的膨脹始于相對松散堆積的無定形區域,在接近結晶區域的非晶區域中進行,最后到達結晶區域[23]。溶解度表示淀粉在析水膨脹過程中溶出的可溶性直鏈淀粉的多少。由圖2可知,不同方法提取的青稞淀粉溶解度:WSU>WS>SSSU>SSS>SHS、SHSU。SHS和SHSU組最小,與SHS和SHSU組的AM含量低,無定形區與結晶區的相互作用強有關;低AM含量的青稞淀粉(SHS和SHSU組)相應的膨脹力也大,膨脹力與直鏈淀粉含量的這種關系與Jing等[23]和Bento等[24]研究結果一致。SSS、SSSU、WS和WSU的膨脹力差別不大。結果表明超聲處理能提高青稞淀粉的溶解度,稀堿和亞硫酸鈉處理會降低淀粉溶解度,但能提高膨脹力。

注:同一指標組間標有不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),余同。圖2 不同方法提取的青稞淀粉的溶解度和膨脹力

2.5 不同方法提取的青稞淀粉凍融穩定性

凍融穩定性可由析水率表示,數值越大,穩定性越差。經過凍融,青稞淀粉的凝膠結構被破壞,水分析出,使淀粉糊變成了松散狀態。這是因為淀粉分子之間主要靠氫鍵連接,在低溫下,隨著冷凍時間的增加,淀粉分子間的相互作用力增大,淀粉分子鏈在平行取向形成凝膠束狀結構時,迫使水分從凝膠中擠出[14]。由圖3可以看出,不同提取方法的青稞淀粉在相同的凍融次數下,析水率存在一定差異。其中WSU組1次和2次凍融的析水率都很大,其凍融穩定也越差。其次WS和SHSU組凍融穩定性較差(兩者沒有顯著差異)。相比于實驗中的其他方法,SSS和SSSU組1次和2次凍融析水率都比較小,說明這2種方法的凍融穩定性較好,其中SSS的青稞淀粉凍融穩定性最好。研究發現,青稞淀粉糊的凍融穩定性與AM含量呈負相關性,一般淀粉糊中的AM因其鏈狀結構的空間阻礙小,容易發生重排和締合而產生凝沉現象,從而使淀粉糊的凍融穩定性變差[14, 25]。綜合分析表明,超聲處理會破壞淀粉的凍融穩定性,稀堿和亞硫酸鈉處理能增強淀粉的凍融穩定性。

圖3 不同方法提取的青稞淀粉凍融穩定性

2.6 不同方法提取的青稞淀粉糊化特性

不同方法提取的青稞淀粉糊化特性如表4所示。淀粉的峰值黏度通常與淀粉的水結合能力相關,關系到最終產品的質量[26]。6種方法提取的青稞淀粉之間的顯著性差異較大(P<0.05),其中WSU和SHSU的峰值黏度顯著高于其他組,SHS和SSS的峰值黏度顯著低于其他組,說明WSU和SHSU取的青稞淀粉與水結合能力較好,SHS和SSS的較差。崩解值反映淀粉在加熱攪拌過程中抵抗剪切的能力,是淀粉在加熱過程中顆粒結構裂解難易程度的量度,崩解值越大,穩定性越好[27]。不同方法提取的青稞淀粉崩解值關系為:SHSU>WSU>SHS>WS>SSSU>SSS。SSS和SSSU的崩解值顯著低于其他提取方法的,表明Na2SO3浸泡提取的淀粉穩定性差。淀粉糊冷卻后,會在淀粉分子中發生回生或重排從而使淀粉黏度在谷值黏度的基礎上有所回升?；厣捣从沉说矸酆姆€定性,回生值越大,表明越容易老化,凝膠性能也就越強。不同方法提取的青稞淀粉回生值順序為:WSU、SHSU>WS、SSSU>SHS、SSS。超聲處理后的淀粉回生值都有所升高,表示超聲處理的淀粉易發生老化。青稞淀粉的糊化時間WSU組最大,SHS組的最小,其他4種方法的糊化時間都沒有顯著變化。SSS和SSSU組的糊化溫度高,其他4組沒有顯著性差異。結果表明超聲能提高淀粉糊峰值黏度、崩解值和回生值,亞硫酸鈉則相反;稀堿能降低峰值黏度和回生值,提高崩解值。

2.7 不同方法提取的青稞淀粉凝膠質構

凝膠的質地是評價淀粉凝膠產品性質的重要評價標準。硬度是指壓縮凝膠的厚度至70%時所達到的力,而彈性則表示凝膠在撤去外力后恢復原來形態的能力,內聚性反映了凝膠內部粘結的緊密程度和抵抗外界破壞的能力[6]。不同方法提取的青稞淀粉凝膠質構參數如表5所示。不同組的青稞淀粉的硬度SHSU>SSSU>WSU、SHS、WS>SSS;凝膠彈性之間沒有顯著性差異(P<0.05);內聚性SSSU>SSS、SHS>WSU、SHSU、WS。淀粉凝膠的質構特性受多種因素包括直鏈淀粉含量、凝膠分散相和連續相之間的相互作用、支鏈結構等的影響[28]。此外,分支鏈的重結晶可改善淀粉凝膠的質構和力學性能,如凝膠強度和凝膠彈性增加[29]。結果表明,超聲、稀堿和亞硫酸鈉處理均能提高凝膠硬度和內聚性,但對凝膠彈性沒有影響。

表4 不同方法提取的青稞淀粉糊化特征值

表5 不同方法提取的青稞淀粉凝膠質構參數

2.8 不同方法提取的青稞淀粉掃描電鏡

不同方法提取的青稞淀粉的微觀形態如圖4所示。青稞淀粉主要呈扁球形、橢圓形和圓形的淀粉顆粒,也含有一定數量的形狀不規則小顆粒,不同提取方法的青稞淀粉微觀形態有所差別。其中,WS的青稞淀粉顆粒完整且表面光滑,無小裂痕或缺口,還含有少量形狀不規則小顆粒物質(圖4a、圖4b)。WSU的青稞淀粉顆粒完整性部分被破壞,出現小缺口,同時小顆粒淀粉比例較WS的青稞淀粉組略有增加,小顆粒物質多且呈現不規則形狀(圖4c、圖4d)。SHS的青稞淀粉顆粒是圓形或橢圓形,但相比于WS和WSU組,附著在淀粉顆粒上的小顆粒明顯減少,且淀粉顆粒表面有出現凹陷和裂痕(圖4e、圖4f)。SHSU的淀粉形態較SHS組沒有發生大的改變,但附著在大顆粒淀粉上的小顆粒物質明顯增加,且形狀大多不是規則的圓形或橢圓形(圖4g、圖4h)。SSS的青稞淀粉主要是圓潤的顆粒,表面個別略有裂痕和缺口(圖4i、圖4j)。SSSU的青稞淀粉較SSS附著在顆粒上的小顆粒物質明顯增加(圖4k、圖4l)。綜合分析表明:稀堿處理對淀粉顆粒幾乎沒有破壞作用,超聲和亞硫酸鈉處理會使淀粉中的小顆粒物質增多,超聲還會使少量淀粉顆粒表面產生破損。

2.9 不同方法提取的青稞淀粉X-射線衍射分析

青稞淀粉的X-衍射曲線見圖5,不同方法提取的青稞淀粉的衍射峰強度存在一定差別,但均表現出“A”型衍射特征,即在2θ為15°和23°附近有一個單峰,在17°～18°范圍內有連續的雙峰,所以稀堿、亞硫酸鈉和超聲處理都不會改變青稞淀粉原有的晶型。X-衍射結果處理參考樊艷葉[16]的方法用MDI Jade6.0擬合分峰計算淀粉結晶度。不同淀粉的結晶度的計算結果如表6和表7所示,其中SSS組淀粉的結晶度最高,SSSU組的最低,WS、SHS和SHSU三組結晶度相近。由青稞淀粉的衍射峰特征值可知,其中所有超聲處理組的出峰位置略優先于未加超聲處理組,且在2θ為23°附近的峰強度有所降低。結果說明,超聲處理后的青稞淀粉結晶度略有所降低,亞硫酸鈉處理后的略升高,稀堿對結晶度沒有影響。不同提取方法均不會改變青稞淀粉的結晶類型。

圖4 不同方法提取的青稞淀粉掃描電鏡圖

圖5 不同方法提取的青稞淀粉X-射線衍射

表6 不同提取方法的青稞淀粉的衍射角和強度比

表7 不同提取方法的青稞淀粉的結晶度和結晶類型

3 結論

研究不同提取方法對青稞淀粉的結構和性質的影響。結果表明:用NaOH、Na2SO3浸泡或超聲波處理均可以顯著提高青稞淀粉的提取率,超聲波處理對淀粉提取率的提升程度更大。超聲處理對青稞淀粉的直鏈淀粉、淀粉色澤、透光率和結晶類型無較大影響,但會明顯增加淀粉的溶解度、黏度、崩解值、回生值、糊化時間和糊化溫度;且超聲輔助NaON或Na2SO3浸提處理時,不會改變稀堿和亞硫酸鈉對淀粉的影響。NaOH處理會使青稞淀粉的直鏈淀粉含量降低、色澤略發黃、透光率降低、溶解度變小、黏度降低、膨脹力增大、崩解值提高。Na2SO3處理會使青稞淀粉的直鏈淀粉含量增加、色澤亮白、透光率降低、凍融穩定性升高、糊化溫度提高、黏度降低、回生值變小。后續研究還可對最佳提取方法進行優化,得到提取淀粉的最佳條件,以提高青稞淀粉的產率。同時對提取的青稞淀粉的結構性質進行比較分析,以期為青稞淀粉的深加工應用提供參考。