不同米淀粉精細結構對其回生特性的影響

劉 妍, 孫圣麟, 洪 雁,3, 顧正彪, 程 力, 陳召桂, 陳 爽

(江南大學食品學院1,無錫 214122) (嘉興未來食品研究院2,嘉興 314000) (江南大學食品科學與技術國家重點實驗室3,無錫 214122) (浙江五芳齋實業股份有限公司4,嘉興 314000)

即食米制品具有種類多樣、營養豐富、食用方便等優點,成品細韌軟糯,香甜可口,近些年來受到消費者的廣泛歡迎。米糕的生產也經歷多個發展過程,最初的原料只有大米,隨著米糕種類不斷多元化,制作米糕常用的原料主要有糯米、粳米、秈米、薏米、紫米、小米、黑米等,通過引入不同的加工工藝,逐漸形成了較為穩定的米糕制作體系。但由于米糕的主要成分是淀粉,淀粉的回生導致米糕在生產、加工、運輸和銷售的過程中出現黏性變差、老化變硬和儲藏期較短的問題,因此控制淀粉的回生是解決米糕變質的有效手段之一[1]。

影響淀粉回生的因素主要有淀粉種類、淀粉精細結構、添加劑[2]、環境條件、溶液pH值及無機離子等。Vandeputte等[5]研究發現支鏈淀粉側鏈聚合度(DP)在6～9或者大于25,淀粉不容易回生,DP值在12～22之間則會促進回生。Zhang等[6]表明香蕉淀粉因具有含量較高的支鏈淀粉超長鏈(DP>36)導致其回生速度較快。此外,淀粉的分子質量分布、鏈長分布、直/支鏈淀粉含量、短/長程有序性及半結晶層狀結構等也會對回生產生一定的影響。盡管淀粉的精細結構對其回生特性的影響規律已被廣泛報道,但不同種類淀粉的精細結構與其回生特性之間的關系深入系統地研究仍較少。

因此,本研究選擇米糕產品中4種具有代表性的米粉(小米、黑米、糯米和粳米)作為研究對象,分別從4種米粉中提取淀粉,再對其精細結構和回生特性進行研究,明確精細結構對其回生特性的影響規律,以期為即食米制品的質量控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小米粉、黑米粉、糯米粉及粳米粉,米粉目數均為60目。

氫氧化鈉、硼酸、濃硫酸、溴化鋰、醋酸鈉等均為分析純;直鏈淀粉試劑盒;異淀粉酶(酶活10 000U/mL,酶學編號3.2.1.68)。

1.2 儀器與設備

MS-H-S10多通道磁力攪拌器,RJ-LD-50G低速大容量離心機,StarchMaster 2快速黏度分析儀,TA.XT plus物性分析儀,DISCOVERY DSC 25差示掃描量熱儀,1260 Infinity Ⅱ凝膠滲透色譜,ICS-5000A Plus高效陰離子交換色譜,IS10傅里葉紅外光譜儀,D2 PHASER X射線衍射儀,SAXSpoint 2.0小角X射線散射儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 米淀粉的提取

參考張杰[7]的方法并略有改動:稱取一定質量米粉分散在質量分數0.03%NaOH溶液中,以1∶5(m/V)混合,磁力攪拌浸泡24 h。浸泡后多次離心(3 900 r/min,5 min),棄去上清液并刮去最上層和下層沉淀物質,用去離子水洗滌中間淀粉層數次后將沉淀放入40 ℃烘箱中干燥24 h,粉碎機粉碎,過100 μm篩得到米淀粉,密封置于干燥器中備用。

1.3.2 組分測定

水分含量測定參照GB 5009.3—2016中直接干燥法;灰分含量測定參照GB 5009.4—2016中總灰分的測定方法,蛋白質含量測定參照GB 5009.5—2016中凱氏定氮法;脂肪含量測定參照GB 5009.6—2016中索式抽提法,淀粉含量測定采用Megazyme的總淀粉測定試劑盒,直鏈淀粉含量測定采用Megazyme的直鏈淀粉試劑盒。

1.3.3 回生性質測定

1.3.3.1 糊化性質

采用快速黏度分析儀(RVA)測定樣品的糊化特性,將淀粉與去離子水在RVA鋁盒中混合均勻,配制成質量分數為6%(干基)的懸浮液,以測試程序中的標準1開始測定。通過糊化曲線中的終值黏度和谷值黏度大小判定各種淀粉的回生趨勢。

1.3.3.2 質構特性

用物性分析儀對淀粉乳進行全質構分析,配制質量分數6%的淀粉乳,完全糊化后儲存于鋁盒中,測定第0天和第5天樣品的質構參數。測定條件:使用P/25探頭,測前速度為1 mm/s,測試速度為5 mm/s,測后速度為5 mm/s,觸發力為2 g,下壓距離10 mm。

1.3.3.3 熱力學性質

稱取2.5～3.0 mg淀粉于坩堝中,按照樣品:去離子水質量比為1∶3(以濕基計)的比例加入去離子水,放入4 ℃冰箱平衡24 h,以空坩堝為空白對照,使用差示掃描量熱儀(DSC)對樣品進行糊化,測試條件:溫度掃描范圍為30～100 ℃,升溫速率10 ℃/min,氮氣流速為50 mL/min。糊化后的樣品在4 ℃下儲藏14 d后測定其回生性質,測定條件同糊化測定條件。

1.3.4 相對分子質量測定

準備稱取10 mg樣品于10 mL樣品瓶中,然后放入轉子并加入2.0 mL流動相(99.5%DMSO+0.5%LiBr),擰緊瓶蓋并密封。將樣品置于沸水浴中持續攪拌,并保持微沸狀態,平衡至少12 h。進樣前,樣品須過0.22 μm有機濾膜(黃色濾膜),確保樣品無渾濁。采用1260 Infinity Ⅱ凝膠色譜系統測定,測試條件參考梁尚云[8]的報道并略有改動:柱溫:50 ℃,流速:0.6 mL/min,dn/dc值為0.066 mL/g。

1.3.5 鏈長分布測定

將10 mg淀粉分散于2.0 mL醋酸鈉緩沖液中,沸水浴加熱并持續攪拌30 min,將樣品置于40 ℃水浴搖床中平衡15 min,然后加入100 μL異淀粉酶反應24 h,使淀粉完全脫支;沸水浴30 min終止反應;冷卻至室溫后,將樣品全部轉移至5 mL離心管中,10 000 r/min條件下離心10 min,取適當量上清液過0.22 μm濾膜后采用高效陰離子交換色譜(HPSEC-PAD)進行淀粉鏈長分布測定,測試條件參考Ren等[9]的方法。

1.3.6 短程有序性

參考Pourfarzad等[10]的方法采用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)測試樣品紅外光譜,利用OMNIC軟件對800～1 200 cm-1進行傅里葉自去卷積處理,設置條件:半峰寬:20.5 cm-1,增強因子:2,短程有序性為1 045 cm-1/1 022cm-1和1 022 cm-1/995 cm-1的峰強度比值。

1.3.7 結晶結構測定

采用X射線衍射(XRD)測定,參考焦雪艷等[11]的方法并略有改動,測試條件為:銅靶,管壓30 kV,電流10 mA,步長0.05,掃描速度30(°)/min,衍射角(2θ)掃描范圍為4°～40°。應用MDI Jade 6軟件進行數據分析。

1.3.8 半結晶層狀結構測定

配制質量分數為50%的淀粉漿,混合均勻,室溫下平衡24 h,空白為純水樣品,用于SAXA分析。測試條件參考Zhang等[12]的方法,波長λ=0.154 0 nm的單色Cu-Kα射線,工作電壓50 kV,功率為30 W,測試時間20 min,測試過程中光學元件及樣品室均要處于真空狀態。

1.3.9 數據處理

數據處理所有實驗均設置3個平行,實驗數據用平均值和標準偏差表示。數據作圖用軟件Origin 8.5,數據顯著性分析和相關性分析用軟件SPSS 17.0,通過單因素方差分析(ANOVA),P值低于0.05和0.01分別表示顯著和相當顯著的差異;采用皮爾遜相關和聚類分析。

2 結果與討論

2.1 組分分析

4種米淀粉的基本組分如表1所示。米淀粉純度最高的是粳米淀粉,總淀粉質量分數可達90.59%,最低的是黑米淀粉,總淀粉質量分數為79.61%。這與黑米中富含大量花青素有關系,在浸泡、反復洗滌的過程中,色素會摻雜在淀粉層導致部分淀粉的流失[13,14],同時黑米淀粉的脂肪含量和灰分含量均較高。小米淀粉的蛋白質量分數最高,可達0.60%。直鏈淀粉含量相差較大,小米淀粉的直鏈淀粉含量是最高的,比糯米淀粉的直鏈淀粉質量分數高出10.89%,這與楊夢恬[15]的研究結果一致。直鏈淀粉的含量很大程度上影響米淀粉的回生特性。在回生的過程中,直鏈淀粉分子的遷移運動使得分子之間能夠平行排布,彼此鏈上的羥基均束縛在非常近的范圍內,再通過羥基間的氫鍵吸引作用構成聚合體,直鏈淀粉含量高,回生速率可能就越大[16]。

2.2 回生性質分析

2.2.1 糊化特性分析

表2顯示了不同米淀粉糊化特性參數?；厣禐榻K值黏度和谷值黏度的差值,能夠反映淀粉糊冷卻后的穩定性和回生特性,通常作為評價淀粉糊老化程度的指標,淀粉糊的回生值越大,說明其越容易發生回生,導致其硬度和韌性相應增大。由表2可以看出,4種淀粉的回生值具有較大差異,糯米淀粉的回生值最小,僅有162 mPa·s,而黑米淀粉具有最大的回生值(1 007 mPa·s),這說明黑米淀粉最容易老化、凝膠能力最強。但根據2.1基本組分中直鏈含量來看,黑米淀粉的直鏈含量低于小米淀粉,這可能因為淀粉回生能力的強弱不僅受直鏈淀粉含量的影響,還會受到淀粉精細結構的影響。終值黏度指的是體系溫度降低后,淀粉分子開始交互相連,此時淀粉糊的黏度為終值黏度[17]。與小米、黑米和粳米淀粉相比,糯米淀粉的終值黏度較小(737 mPa·s),說明短期內糯米淀粉分子聚集能力較差,回生速率較慢。

表2 不同米淀粉糊化特性參數

表3 不同米淀粉凝膠儲藏5 d后質構參數

2.2.2 質構特性分析

隨著儲藏時間的延長,淀粉凝膠的硬度、黏性等指標會發生變化,因此,可以通過測定淀粉凝膠的質構參數來反映其回生特性,結果如表3所示。與儲藏0 d的小米淀粉、黑米淀粉、糯米淀粉和粳米淀粉凝膠相比,儲藏5 d后相應米淀粉凝膠的硬度分別增加了42.77%、32.55%、57.46%和80.78%。盡管糯米淀粉凝膠和粳米淀粉凝膠的硬度增長幅度較大,但由于這2種米淀粉凝膠初始硬度較小,導致其儲藏5 d后的凝膠硬度較小。小米淀粉、黑米淀粉和粳米淀粉凝膠儲藏后黏性分別降低了13.15%、33.40%和23.79%,糯米淀粉凝膠的黏性提高了208.07%,糯米淀粉凝膠的黏性增長顯著,且與其他米淀粉相比,糯米淀粉儲藏前后的凝膠硬度均較小,說明其凝膠的質地最為柔軟。這是由于直鏈淀粉含量的不同導致形成凝膠時,直鏈淀粉含量越多,淀粉分子間的交聯程度越大,因此形成的凝膠硬度會較大。因此,與其他米淀粉相比,小米淀粉更容易發生回生,而糯米淀粉的抗回生性能較好。

2.2.3 熱力學性質分析

DSC法可以測定淀粉回生的趨勢[18],不同米淀粉儲藏14 d后的熱力學參數如表4所示。經過14 d儲藏后,4種已經糊化的米淀粉表現出不同的回生趨勢,熱焓值從大到小為:小米淀粉>黑米淀粉>粳米淀粉>糯米淀粉,熱焓值與淀粉回生程度呈正相關。所以小米淀粉的回生程度最大,糯米淀粉的熱焓值為0.74 J/g,遠低于其他3種米淀粉的熱焓值,說明糯米淀粉回生程度較低,糊化過程解開雙螺旋所需要的能量少,淀粉顆粒結構與其他3種米淀粉相比不緊密,在相轉變的過程中所需要的能量較小。

表4 不同米淀粉儲藏14 d后的熱力學參數

2.3 相對分子質量分布

不同米淀粉的重均相對分子質量(Mw)如表5所示。4種米淀粉中粳米淀粉的支鏈淀粉Mw最大(2.33×107g/mol),最小的是糯米淀粉的支鏈淀粉Mw(1.61×107g/mol)。直鏈淀粉含量對相對分子質量有一定的影響。直鏈含量的高低影響著淀粉回生的程度,大部分研究顯示兩者呈正相關趨勢。根據表1來看,4種米淀粉中小米淀粉直鏈含量最高,結合凝膠滲透色譜(GPC)參數來看,小米淀粉的重均分子質量不是最大的,這說明回生不僅受到相對分子質量的影響,還會受到其他精細結構的影響。

表5 不同米淀粉的重均相對分子質量

2.4 支鏈淀粉鏈長分布分析

表6為不同米淀粉的支鏈淀粉鏈長分布信息。按照鏈長的不同,將支鏈淀粉側鏈分為四個部分,分別是A鏈(636)。由表6可知,所有樣品的A鏈和B1鏈含量較高,在小米淀粉中,B1鏈占比最高為40.91%。黑米、糯米和粳米淀粉的A鏈比例顯著高于小米淀粉的A鏈比例。有研究表明,當支鏈淀粉所含的A鏈較多時,無法形成穩定的雙螺旋結構,分子間松散程度較高且性質不穩定,淀粉分子鏈重排的程度較低,導致其回生程度較低[19]。因此,與小米淀粉相比,黑米、糯米和粳米淀粉的回生程度較低,這與本研究結果一致。此外,有研究指出較長的分子鏈會導致其空間位阻增大,中等鏈長分子鏈(DP13～24)占比高時會利于回生。同時B3鏈易于直鏈淀粉相互纏繞,限制水分遷移和熱膨脹,容易使淀粉糊老化回生[20]。Shen等[21]認為內鏈之間的相互作用,可以促進雙螺旋的產生繼而促進回生。因此,A鏈和B鏈含量都會影響淀粉回生程度,當淀粉中A鏈占比較小,B1鏈和B3鏈占比較大時,淀粉的回生速率會更大。

表6 不同米淀粉的鏈長分布/%

2.5 短程有序性分析

紅外光譜中1 045 cm-1/1 022 cm-1和1 022 cm-1/995 cm-1的峰強度比值能夠反映淀粉顆粒的短程有序性,結果如表7所示。1 045 cm-1/1 022 cm-1的比值越大或1 022 cm-1/995 cm-1的比值越小,表明淀粉顆粒表面有序度越高。從表7可知,小米淀粉的1 045 cm-1/1 022 cm-1比值最大,且1 022 cm-1/995 cm-1比值最小,說明小米淀粉的表面有序度最高。有研究認為,支鏈淀粉分子中長鏈會形成較長的螺旋結構,同時會使鏈之間的氫鍵結合更牢固,易發生重新結晶,而較短的支鏈形成的雙螺旋結構不穩定,不易重新結晶[22]。黑米、糯米和粳米淀粉的中長鏈占比較低,因此,這3種米淀粉形成的雙螺旋穩定性較差,其顆粒表面有序度較低,導致其不容易發生回生現象。

表7 不同米淀粉短程分子有序度及相對結晶度

2.6 結晶結構分析

不同米淀粉的X-射線衍射圖譜如圖1所示,從圖中可以看出,4種米淀粉均表現出典型的A型衍射峰,分別在15°、17°、18°和23°(2θ)處有明顯的衍射峰。由表7可以看出,小米淀粉的相對結晶度最大(29.12%),黑米淀粉的相對結晶度最小(23.41%)。通過比較發現,本實驗所用4種米淀粉測得的直鏈淀粉含量與相對結晶度沒有明顯的線性關系,但有報道認為,淀粉的相對結晶度隨著直鏈淀粉含量的增加而減小,這說明淀粉的相對結晶度除了受其直/支比的影響,還可能受到其他結構特性的影響。有研究發現,鏈長分布對結晶度大小也會產生一定的影響。Shevkani等[23]認為DP>13的鏈占比大時,淀粉容易形成較穩定的結晶結構。根據支鏈淀粉鏈長分布的分析結果(表6),當淀粉分子中的中長鏈占比高時(DP>13),淀粉容易發生回生現象,所以推斷當淀粉的中長鏈占比較高時,形成的雙螺旋結構更穩定,淀粉分子的表面有序性和相對結晶度更高;反之,當淀粉的中長鏈占比較低時,表面有序度和相對結晶度高的淀粉分子也易發生回生。

圖1 不同米淀粉的X-射線衍射圖譜

2.7 半結晶層狀結構分析

小角衍射可以對不同米淀粉的層狀結構進行分析,表8和圖2分別為不同米淀粉的SAXS參數和散射曲線。將4種米淀粉的SAXS雙對數曲線中低角度散射矢量區進行回歸擬合,得到的α值如表8所示。小米淀粉為質量分形,黑米、糯米和粳米淀粉為表面分形,且糯米和粳米淀粉的α值更大。表面分形的半結晶結構比質量分形的半結晶結構更緊密,有序化程度更高,因此黑米、糯米和粳米的半結晶結構比小米淀粉的更加緊密有序,緊實有序的結構可能會不容易發生回生。散射峰形狀與半結晶結構有關,峰形越尖銳,半結晶結構越明顯;散射峰強度與雙螺旋結構排列有關,強度越大,雙螺旋排列的一致性越好[25]。根據圖2來看,4種米淀粉的峰尖銳程度相似,說明半結晶結構的完整性相似;糯米和粳米淀粉的峰強度更大,表示二者的雙螺旋結構一致性更好,雙螺旋一致性好的淀粉抗回生性能較好。

表8 不同米淀粉的SAXS參數

圖2 不同米淀粉的SAXS曲線

淀粉顆粒是由結晶區和無定型區交替排列組成的半結晶聚合物,SAXS技術便可用來分析其半結晶結構特征。根據Woolf-Bragg公式:d=2π/q,可以得到淀粉顆粒的半結晶層厚度d。根據表8可知,小米淀粉半結晶層厚度d最大,達到6.978 4 nm,黑米淀粉其次,糯米淀粉和粳米淀粉的差距不明顯。薛薇[26]表明直鏈淀粉含量對半結晶層厚度有一定影響,隨著直鏈淀粉含量的增加,半結晶層厚度也呈增加的趨勢,表1和表8的結果顯示出,本實驗選取的4種米淀粉符合該規律?？梢酝茰y,淀粉的半結晶層厚度增加,淀粉易發生回生現象。

圖3 各指標間相關性分析熱圖

2.8 相關性分析

對淀粉回生及結構指標進行了相關性分析和聚類分析,結果如圖3所示,米淀粉的各個指標之間存在著不同程度的相關性,紅色表示指標之間呈正相關,藍色表示呈負相關,色塊越小顏色越淡表示相關性越小。本實驗將回生值、終值黏度和熱焓值作為回生性質的評定指標,根據圖3可以看出,回生值、終值黏度和熱焓值與直鏈淀粉含量、支鏈淀粉峰Mw、B1鏈含量、相對結晶度、d值呈正相關,與A鏈含量、q值、α值呈負相關。這表明當淀粉中直鏈淀粉含量高、支鏈淀粉峰Mw數值大、B1鏈含量高、相對結晶度大、d值較大時,淀粉會更加容易發生回生現象,且熱焓值與直鏈淀粉含量的相關性系數為0.995,直鏈淀粉含量對淀粉回生的影響較大。聚類結果顯示,不同精細結構的指標參數被聚為3類,第一類為相對結晶度、B1鏈含量、短程有序性、B3鏈含量、B2鏈含量、直鏈淀粉含量、熱焓值和d值;第二類為支鏈淀粉峰Mw、回生值和終值黏度;第三類為α值、q值、A鏈含量和直鏈淀粉峰Mw。依據本實驗分析的相關性和聚類分析,后續可以根據淀粉精細結構的特征來推測淀粉回生程度的大小。

3 結論

通過回生性質測定的現象,研究淀粉精細結構如何影響米淀粉回生特性。實驗結果表明:回生性質顯示黑米、小米淀粉表現出較強的回生能力,糯米、粳米淀粉較弱?；厣F象的不同證明精細結構與回生性質聯系緊密。小米和黑米淀粉的直鏈含量高,支鏈淀粉峰Mw較大、半結晶層狀結構松散且厚度較厚,進而導致分子間容易聚集重排發生回生現象;中長鏈含量占比高保證形成的雙螺旋較為穩定的同時也提高了表面有序性和相對結晶度,回生后形成的分子更穩定,具體表現為二者的回生值、硬度和熱焓值偏大。而粳米淀粉和糯米淀粉直鏈淀粉含量低,短鏈占比高,相對不容易回生且糯米淀粉回生值、硬度和熱焓值都較低,具有良好的抗回生性能。相關性分析結果顯示出淀粉回生程度與直鏈淀粉含量、支鏈淀粉峰Mw、B1鏈含量、相對結晶度和d值呈正相關,淀粉的回生是一個受到多種因素影響的過程,未來可以探索更多精細結構如何影響回生及回生機理,為淀粉回生的研究提供更多的參考。