淀粉糊化度測量方法研究進展

徐敬欣,馮旸旸,于 棟,孔保華,劉 騫

(東北農(nóng)業(yè)大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的高聚體,它是細胞中碳水化合物最普遍的儲藏形式,同時淀粉也是食品加工的重要原料之一[1-3]。淀粉大部分貯存在植物的種子和塊莖中,而且各類植物中的淀粉含量都較高[4-6]。淀粉可以作為增稠劑、膠體穩(wěn)定劑、膠凝劑、膨化劑、變形劑和保水劑,廣泛應用于食品工業(yè)中,以提高最終產(chǎn)品的質量[7-9]。當?shù)矸垲w粒在水中加熱時,其結構會發(fā)生不可逆的由無序到有序的轉變,最終形成均勻糊狀溶液的過程即為淀粉糊化過程[10-11]。淀粉在糊化過程中,淀粉顆粒會發(fā)生吸水、膨脹、雙折射損失、改變結晶區(qū)域、展開雙螺旋、形成黏度和溶解度增加等一系列變化[12]。與此同時,在含淀粉類食品加工過程中,較高的淀粉糊化度(Degree of starch gelatinization,DSG)不僅能夠改變最終產(chǎn)品的物理和感官特性,而且還影響其消化特性和營養(yǎng)特性[13-14]。此外,DSG也是幫助糖尿病人選擇正確食物的簡單指標[15-17]。因此,開發(fā)一種準確、簡便的實驗室DSG測定方法十分重要,可以作為客觀評價含淀粉類食品理化特性和消化潛力的重要方法。

目前,已知常見的用來測量食品DSG的物理或者化學的分析方法主要包括:使用偏振光顯微鏡測定淀粉雙折射現(xiàn)象[18]、使用分光光度計測定直鏈淀粉-碘絡合物的吸光度[19]、測定糊化淀粉糊的持水性[20]、利用快速粘度測定儀測定糊化淀粉的糊化特性[21-22]、利用小角或者廣角X-衍射儀測定淀粉結晶度的變化[23-24]、利用差式量熱儀測定淀粉糊化過程中的吸放熱焓值的變化[25-26]、利用脈沖核磁共振法測定樣品中弛豫時間的變化[27]、利用近紅外光譜測定淀粉的光譜特性[28]以及淀粉酶水解[14]等,但是這些方法都有其優(yōu)勢和劣勢。因此,本文總結了DSG測定方法的研究進展,系統(tǒng)綜述了食品中DSG測定方法的原理和準確性,而且將不同方法之間的準確性和簡便性進行了比較,以期為食品中DSG的快速準確測定奠定相關理論基礎。

1 淀粉糊化度測量方法

1.1 差示掃描量熱法

差示掃描量熱法是一種熱分析法,其分析方法包括:差(示)熱分析法(Differential thermal analysis,DTA)、熱重量法(Thermogravimetry,TG)、導數(shù)熱重量法(Derivative Thermogravimetry,DTG)、差示掃描量熱法(Differential scanning calorimetry,DSC)、熱機械分析法(Thermomechanical analysis,TMA)以及動態(tài)熱機械分析法(Dynamic thermomechanical analysis,DMA),其中通過DSC方法測定DSG最為常見。

淀粉的糊化是一個吸熱過程,未發(fā)生糊化的生淀粉其吸熱為零,而隨著糊化過程的推進,其吸熱值越來越大,即焓值(ΔH)逐漸增大,在函數(shù)圖像中表現(xiàn)為一條隨加熱時間上升的折線,當達到某一溫度后,折線變成一條無波動的直線,由于缺乏糊化吸熱,即吸熱停止時,則表示淀粉樣品糊化完全[14]。因此,從DSC測定曲線上可確定糊化起始溫度、峰值溫度、糊化最終溫度和焓值等參數(shù)[29]。

式(1)

式中:ΔHp表示加工樣品的焓值,ΔHs表示淀粉與水以1∶2的比例混合所得的懸浮液的焓值。

Paola等[14]利用DSC法對酶法測量的DSG進行驗證試驗,通過吸熱峰的面積計算淀粉的糊化焓值(ΔHg),計算公式如公式2所示,其中ΔHr表示在25 ℃下處理的淀粉懸浮液的焓值(無糊化),當熱處理溫度升高時,糊化的焓值降低。為使試驗標準化,限定樣品溫度高于70 ℃時的糊化焓值為零,即認為此時樣品達到了完全糊化。但這個溫度在實際加工條件下,并不能保證淀粉完全糊化。

式(2)

Edwards等[31]利用DSC法測定鷹嘴豆和硬質小麥的DSG,計算公式如公式3所示,研究結果發(fā)現(xiàn),鷹嘴豆的DSG與樣品顆粒粒徑成反比關系,而硬質小麥的DSG則與樣品顆粒粒徑?jīng)]有相關性,利用DSC法測量的DSG與利用淀粉酶測定的結果完全一致,此結果證明了利用該公式計算淀粉DSG的準確性。

式(3)

因此,雖然利用DSC法能夠準確地監(jiān)測淀粉糊化過程,但是DSC方法只是側重于測定整個糊化過程中淀粉的糊化溫度和吸熱情況的變化,而且其用于計算DSG的公式大多數(shù)是由經(jīng)驗所得,沒有一個固定或者統(tǒng)一的公式。Liu等[11]認為DSC法并不適用于準確測定多組分淀粉類產(chǎn)品的DSG。

1.2 粘度法

粘度法測定DSG利用的儀器通常為布拉班德粘度分析儀(Brabender visco-amylograph,BV)和快速粘度分析儀(Rapid visco-analyzer,RVA)。由于RVA測定時所需樣品量少,耗時短,因此被廣泛使用。通過RVA能夠得到與淀粉糊化度相關的7個參數(shù),即糊化粘度、峰值時間、峰值粘度、保持粘度、最終粘度、衰減值和回升值,因此可以計算出淀粉顆粒粘度與DSG之間的定性以及定量關系。

Puspitowati等[21]利用RVA測定大米淀粉DSG,研究結果發(fā)現(xiàn),峰值粘度與糊化度成線性負相關關系,且兩者之間的相關系數(shù)為0.996,即表示大米淀粉的DSG越高,其峰值粘度越低,可以通過標準曲線測定大米淀粉的DSG;此外,隨著加熱時間的進行,在30 min時,大米淀粉的DSG達到100%,這與Hsu等[32]的觀察結果一致,同樣地,Bayram等[33]發(fā)現(xiàn)小麥淀粉實現(xiàn)100%糊化需要40 min。此外,Sakiyan等[34]利用快速粘度分析儀(RVA)測定蛋糕中淀粉的糊化度,并用DSC法對RVA測定的結果進行了檢驗,發(fā)現(xiàn)兩種測量方法得出的結果近似,表示準確性較好。

因此,利用RVA可以對樣品的DSG進行測定,且操作簡便。但是,利用此方法測量DSG時,淀粉的糊化溫度受主觀因素的影響較大,且淀粉糊的濃度不能超過10%,限制了此方法的使用。另外,RVA的應用主要集中在對于淀粉質構粘彈特性的研究上,對于DSG的測量還停留在對于糊化度結果的預估上,而對于準確測量結果的得出方法,還有待進一步開發(fā)。

1.3 脈沖核磁共振法

脈沖核磁共振法測定的原理基礎是原子核的磁性及其與外加磁場的相互作用,具有偶數(shù)核子的許多原子核在自旋磁場中相互抵消,不能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象,而具有奇數(shù)核子的原子核都具有自旋,所以原子核的自旋會產(chǎn)生磁場[35]。樣品體系中的氫原子核(質子)在穩(wěn)定的高強磁場中,受到一個短暫的射頻脈沖時,其自旋狀態(tài)受刺激而進入一個高能級,脈沖結束后,質子能級將沖激發(fā)態(tài)回到初始平衡態(tài)(弛豫),并同時發(fā)出脈沖核磁共振(Nuclear magnetic resonance,NMR)信號,稱其為自由誘導衰減信號(Free induction decay,FID)[36]。各類質子的衰減時間(自旋弛豫時間,T2)各有不同,其中,固體中的質子其T2遠低于液體中的質子,得出的FID曲線衰減極快(曲線很陡),而液體中質子FID曲線則平滑得多,因此樣品給出的信號經(jīng)計算機處理后可分為兩個部分:液體部分和固體部分[37]。在天然淀粉和糊化淀粉中,存在于水及淀粉分子中的質子,以不同的狀態(tài)產(chǎn)生不同的FID信號,基于此原理,可以利用NMR來定量分析非純化淀粉中的DSG。

Lelievre等[38]表明,當?shù)矸?水分散體加熱到60 ℃及以上時,通過NMR測量的弛豫時間會增加,因此在具有不同DSG的淀粉樣品中,液相中的質子與固相中的質子之間存在不同的關系。根據(jù)該假設,理論上可以使用NMR測定的液體中的質子與固相中的質子之間的比率來測量DSG。Mendes等[27]利用NMR測量巴西小麥淀粉DSG,并開發(fā)了相對液化指數(shù)(Relative liquefying index,RLI),試驗中得到的RLI值與酶法測定的DSG之間具有很強的一致性,即可以用RLI來對DSG進行表示,RLI計算公式如公式4所示。此外,Gomi等[39]利用DSC法和PFG-NMR法分別測量淀粉的糊化速率(糊化速率可間接得出淀粉的糊化程度),研究發(fā)現(xiàn)兩種方法測定的糊化速率近似(分別為2.56(10-2和7.14(10-2),表明PFG-NMR法同DSC法一樣能很好地測定淀粉的糊化度,并具有一定的準確性。

RLI(DSG)=[(%L/S)t-(%L/S)0]/[(%L/S)f-(%L/S)0]

式(4)

式中:(%L/S)t表示部分糊化樣品中液體與固體的百分比;(%L/S)0表示具有已知固體百分比的非糊化樣品中液體與固體的百分比;(%L/S)f表示完全糊化品中液體與固體的百分比。

因此,在NMR法測定DSG時,具有以下優(yōu)點:a. 樣品制作方便;b. 無損測定;c. 即時測定的,一般可在幾秒至幾分鐘內(nèi)完成一次測定;d. 可對某一變化進程進行連續(xù)測試,適用于反應動力學研究;e. 可裝配在生產(chǎn)線上,對工藝參數(shù)進行在線控制;f. 測定精度高,重復性好[36]。但是,由于測量過程各組分(如含水量等)要求固定不變,一旦需更換被測樣品的種類,則需重新設定參數(shù),NMR法更適合測定同一組分的樣品。因此此方法對于多組分的復雜樣品測定仍具有局限性。

1.4 X-射線衍射法

天然淀粉以具有雙折射性的半結晶顆粒形式存在,除少數(shù)幾種淀粉如糯玉米淀粉和糯米淀粉外,淀粉顆粒主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種高分子以一定形式排列、堆積形成具有結晶區(qū)和無定形區(qū)的顆粒[40]。原淀粉顆粒的相對結晶度在15%～45%之間[41]。晶體能對X射線產(chǎn)生衍射效應,利用這種衍射可以測定晶態(tài)物質在原子水平上的結構,提供詳細的結構數(shù)據(jù)[41-44]。淀粉糊化在X-射線方面被定義為通過X-射線衍射測定的淀粉微晶的熔化,其中將觀察到微晶完整性的破壞程度作為水分含量和溫度的函數(shù)。

Arzoo等[45]利用X-射線衍射圖譜中V型峰的高度來估算面包的淀粉糊化度,由于只能近似地估算,因此所得結果的準確性仍有待考察。另外,Baks等人[46]利用廣角X-射線衍射法測量小麥淀粉的DSG,根據(jù)廣角X-射線衍射圖譜中的各特征峰參數(shù)利用公式5進行計算,XrA和XrH的計算公式如公式6、7所示。與此同時,試驗還探究了廣角X-射線衍射法在不同濃度下測量DSG的準確度,結果顯示,廣角X-射線衍射法在低淀粉濃度下測量較為準確,然而此方法高淀粉濃度下測量誤差較大。因此淀粉的濃度影響廣角X-射線衍射法對于DSG測量的準確性,在應用此方法測量DSG時受限于淀粉的濃度。

DSG=1-Xr

式(5)

式中:Xr可以是特征峰高(XrH)或者特征峰面積(XrA),二者之間的差異可以忽略不計。

式(7)

式中:RA=Ac/At,At為特征峰以下的總面積,Ac為特征峰以下的總面積減去基線以下的面積;RH=Hc/Ht,Ht為特征峰的高度總和,Hc為特征峰的高度減去在2θ=22.9 ℃的衍射角處的基線高度;下標n代表天然小麥淀粉,下標s代表樣品。

1.5 酶法

酶法測定淀粉DSG的理論基礎是利用淀粉酶對糊化淀粉和天然淀粉進行水解,根據(jù)水解產(chǎn)生的葡萄糖含量測定淀粉DSG。酶法測定中常用的酶有葡萄糖氧化酶-過氧化物酶、淀粉葡萄糖苷酶等。酶法測定需要配置大量相關溶液,也需要試驗人員的操作熟練度,但是酶法測定DSG的結果準確,而且對于含油量不同的物質都可以進行準確測量,適合廣泛使用。大多數(shù)酶法僅適用于純淀粉,當測定含淀粉類食物的DSG時,需事先分離淀粉,而這一操作過程十分繁瑣,導致最終測定結果誤差很大。因此,如何開發(fā)和改進適用于測定含淀粉類食物的DSG的酶法成為近幾年研究者研究的熱點問題。

Nielsen[47]分別利用α-淀粉酶和β-淀粉酶水解待測純淀粉樣品,確定其產(chǎn)生的還原糖的量,進而根據(jù)總淀粉量和糊化淀粉量之間的關系來確定淀粉的糊化度,并對其準確性進行檢驗,通過酶法測量已知DSG的39個樣品發(fā)現(xiàn),利用總淀粉量和糊化淀粉量之間的關系來確定DSG的這個方法準確性良好。

圖1 改進的酶法測定含淀粉類食品中DSG的流程圖Fig.1 Schematic diagram of improved enzymatic determination of DSG in starchy foods

Liu等[11]改進并優(yōu)化利用酶法測量不同種類的谷物制品中(玉米粉、大米粉、大麥粉、燕麥粉)DSG的方法,此方法最大的優(yōu)勢就是不需要事先進行純淀粉的分離操作,而是直接測定各谷物粉中的糊化淀粉的含量。首先,在樣品溶解過程中采用機械增溶,這一過程的目的是能夠最大限度的溶解糊化淀粉而最少限度的溶解天然淀粉,然后利用淀粉酶水解樣品,以確定其產(chǎn)生的葡萄糖的量,并根據(jù)總淀粉量和糊化淀粉量之間的關系來確定樣品的DSG(具體流程如圖1所示)。研究結果表明,樣品前處理的最佳條件為將樣品粉碎過50目篩,加水在室溫下以50 r/min的轉速攪拌70 min,轉速,在此條件下所測定的完全糊化的各個谷物樣品的DSG能夠達到97%～99%左右。與此同時,后期的驗證試驗表明,該方法具有很強的應用性,不需要分離純化淀粉,但對于含油量較高的加工食品來說,會導致后續(xù)測量結果的不準確,因此在此條件下的準確測量方法還有待進一步完善。

Oladele[48]利用酶法測定香蕉淀粉的體外淀粉消化程度(InvitroDegree of Starch Digestion,IDSD),研究結果發(fā)現(xiàn),當?shù)矸奂訜岬?5 ℃以后,其IDSD的值基本上保持不變,因此認為這個溫度就是香蕉淀粉的糊化溫度(如圖2所示);利用公式8計算出不同加熱溫度處理條件下香蕉淀粉的DSG。該方法可以測定含淀粉類食品中的DSG,而且誤差在可控范圍內(nèi),但是一旦改變所測樣品種類,則需要重新繪制曲線,因此限制了該方法的使用。

圖2 加熱溫度對香蕉淀粉體外消化程度的影響Fig.2 Effect of heating temperature on thedegree of in vitro digestion of banana starch

式(8)

綜上所述,酶法作為廣泛應用于測量淀粉糊化度的一種方法,其準確性以及可操作性都十分良好,不受限于所測樣品的種類。而且,經(jīng)過改進酶法不用分離其中的糊化淀粉和天然淀粉,就能直接測量出樣品的糊化度,顯著減少了試驗誤差。

1.6 其他方法

關于淀粉糊化度的測量方法,除了上述的差示掃描量熱法、粘度法、脈沖核磁共振法、酶法等,還有一些其他不常用的方法。王春娜等[49]利用碘分光光度法來測定方便面中的DSG,并將碘分光光度法的測定結果與酶法測定的結果進行比較,發(fā)現(xiàn)吸光度與DSG存在線性關系,理論上可以通過建立標準曲線來得出吸光度與DSG之間的準確函數(shù)關系。但由于不同淀粉其直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量不同,所以在對不同種類淀粉進行測定時,會產(chǎn)生較大的誤差,而且碘的顯色深淺易受樣品中色素含量以及非淀粉類物質的影響,從而導致較大誤差。Baks等[46]利用雙折射法測量冷凍干燥的小麥淀粉溶液的DSG,將溶液轉移到顯微鏡載玻片上,并分別在正常和偏振光下觀察,試驗測得出顆粒的總數(shù)(nt)和未失去極化的顆粒數(shù)(nm),其比率nm/nt可作為樣品DSG的量度。該雙折射法適宜在高濃度溶液下進行測量,但是測量的結果較DSC法的測量結果偏高,準確性仍有待考察。上述方法在淀粉糊化度測量方面的應用范圍較窄,應用對象的選取較為單一,且測量方法尚未成熟,這些因素都限制了其在淀粉糊化度測量方面的廣泛應用,故仍存在許多不足有待完善。

2 各測定方法之間優(yōu)缺點

DSG測量方法優(yōu)缺點的比較見表1。DSC法、粘度法以及NMR法均有較高的準確性,但對所測樣品的種類及精密儀器安置環(huán)境有較為嚴格的要求,在測量多組分樣品時,可能由于非淀粉轉化(如蛋白質變性等)會導致利用DSC法測量的DSG偏高[50],所以建議在實驗室條件下,使用此類方法對準確度要求較高,且已知組分的樣品進行DSG測定;X-射線衍射法受限于被測樣品的濃度[45],其在測定低濃度樣品時準確性良好,因此可以廣泛應用于微量淀粉含量樣品的DSG測定;碘分光光度法不受限于精密儀器并且操作簡便,但碘的顯色易受樣品中色素的影響而產(chǎn)生較大誤差;酶法雖操作較為繁瑣,但并不需要精密儀器,且葡萄糖氧化酶-過氧化酶體系使酶法測量更為準確[11]。

表1 不同DSG測定方法之間優(yōu)缺點比較Table 1 Comparison of advantages and disadvantages between different DSG determination methods

3 結論

DSG不僅關系到含淀粉類食品的品質特性,還關系到其消化和營養(yǎng)特性。本文系統(tǒng)綜述了淀粉的DSG測定方法的原理和準確性,而且將不同方法之間的準確性和簡便性進行了比較,各種方法各有利弊。DSC法測量準確,但其不適用于測定多組分淀粉類食品;RVA法測定較為快速,但樣品中淀粉含量不宜過大;NMR法測量精度高,樣品需要量少,但受限于樣品的種類,限制其廣泛的應用;X-射線衍射法在測量DSG方面的開發(fā)尚未成熟,可以用來判斷糊化過程是否完全,適宜對糊化過程中淀粉顆粒晶體的特性進行探究;酶法測量結果準確,不會在試驗過程中產(chǎn)生無法避免的系統(tǒng)誤差,所需試劑容易獲得,后經(jīng)改進的酶法使得測量不受限于食品種類,適合廣泛使用,但操作繁瑣,耗時長。綜上所述,酶法是現(xiàn)今測定DSG最準確的方法,但是其測定程序沒有統(tǒng)一的標準。因此,今后的研究應該繼續(xù)優(yōu)化和完善酶法,并在可能的條件下結合其他方法以彌補酶法的不足,以期達到快速、準確、簡單易行的目的。