高直鏈枇杷核淀粉的提取與表征

方修貴，俞國偉*，曹雪丹，趙凱，林媚，黃振東，李祖光，滕淵潔

（1.浙江省柑橘研究所，浙江 臺州 318026；2.浙江工業(yè)大學化學工程學院，浙江 杭州 310014）

枇杷[Eriobotrya japonica（Thunb.）Lindl.]是薔薇科中為數(shù)不多的亞熱帶代表性作物[1]，屬于常綠果樹[2]。一般認為枇杷起源于中國東南部，自古就在中國和日本有大量栽培[1]。在中國，枇杷集中分布于東部、中南部以及西南部，栽培歷史已超過2 200年[3]。枇杷樹的果實、果核、葉片與花皆可用作中藥材[3]。如今，枇杷已在世界范圍廣泛栽培[2]。中國的枇杷年產(chǎn)量已達38 000 t以上，占世界總產(chǎn)量的三分之二[3]。在浙江黃巖，枇杷與楊梅、蜜橘并稱為三大特產(chǎn)。

枇杷果實除了鮮銷外，還可以加工成果醬、罐頭。枇杷罐頭企業(yè)每年產(chǎn)生大量的枇杷果核作為副產(chǎn)品丟棄，其果核中含有大量淀粉，有待開發(fā)利用。如今，為了降低淀粉行業(yè)對于糧食原料的依賴性，做到“不與人爭糧”，開發(fā)新型非糧原料淀粉已成為研究熱點。例如，從短柄枹櫟種子[4]、鷹嘴豆[5]、白果[6]、菠蘿蜜籽[7]、蕓豆[8]、蓮子[9]、茶籽粕[10]、竹豆[11]、紫茉莉籽[12]、芭蕉芋[13]、羅漢參[14]、桄榔[15]等資源中得到的淀粉的理化特性、生物活性已經(jīng)得到了較深入的研究。而該領(lǐng)域?qū)﹁凌斯酥械矸壑两袢匀粵]有相關(guān)研究。

本文為了論證枇杷核淀粉的應(yīng)用價值，用傳統(tǒng)方法從枇杷果核中提取淀粉，用國標法進行基本成分分析，并用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（field emmisionscanning electron microscope，F(xiàn)E-SEM）、動態(tài)光散射（dynamic light scattering，DLS）、傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometry，F(xiàn)T-IR）、X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）、熱重分析（thermogravimetric analysis，TGA）、差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）、全質(zhì)構(gòu)分析（textual profile analysis，TPA）等多種不同技術(shù)手段進行表征，用于考察該新產(chǎn)品的物理、化學特性，為進一步的應(yīng)用研究提供必要信息。

1 材料與方法

1.1 原材料與試劑

枇杷果核：浙江臺州黃巖第一罐頭食品廠；甘油（分析純）、溴化鉀（光譜級）：上海阿拉丁生化科技公司；馬鈴薯淀粉（生化試劑）：上海國藥集團化學試劑有限公司；玉米淀粉：江蘇南京甘汁園糖業(yè)有限公司。

1.2 儀器

FEI Nova Nano SEM 450超高分辨率掃描電子顯微鏡：美國FEI公司；NanoBrook Omni多角度粒度與高靈敏度Zeta電位分析儀：美國布魯克海文儀器公司；Nexus傅里葉變換紅外分析儀：美國尼高力公司；Ultima IV X射線衍射儀：日本理學株式會社；TA Q5000 IR熱重分析儀：美國TA儀器有限公司。Mettler Toledo差示掃描量熱儀：瑞士梅特勒-托利多集團；TA.new plus全質(zhì)構(gòu)分析儀：美國Isenso集團。

1.3 淀粉的提取方法

提取枇杷核淀粉流程如圖1所示。

圖1 提取枇杷核淀粉流程Fig.1 Flow diagram of extraction of loquat kernel starch

將果核去殼得到果仁，粉碎后直接用水提取淀粉。初步得到的粗淀粉需要反復(fù)用水沖洗至少3次，用以除去氫氰酸，確保每公斤最終產(chǎn)品中的氫氰酸含量不高于0.5 mg。最終得到的產(chǎn)品如圖2所示。

圖2 枇杷核淀粉最終產(chǎn)品外觀Fig.2 Appearance of the final product of loquat kernel starch

1.4 基本成分分析

1.4.1 淀粉純度測定

通過測定產(chǎn)品中淀粉的實際含量來確定枇杷核淀粉的純度，方法基于GB 5009.9—2016《食品安全國家標準 食品中淀粉的測定》中的第二法，從樣品中除去可溶性糖和脂質(zhì)，然后酸解生成還原性單糖，測定單糖的含量，進而計算出淀粉的含量。

1.4.2 直鏈淀粉含量測定

直鏈淀粉的測定方法基于GB/T 15683—2008《大米 直鏈淀粉含量的測定》，樣品先進行脫脂，然后分散在NaOH溶液中，添加碘試劑，根據(jù)溶液在720 nm處的吸光值計算直鏈淀粉含量。

1.4.3 水分、灰分、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)含量測定

根據(jù)GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》中的第一法，通過測定枇杷核淀粉在干燥前后的質(zhì)量變化計算其水分含量?；曳趾康臏y定基于GB 5009.4—2016《食品安全國家標準 食品中灰分的測定》中的第一法，將樣品焙燒并稱重以計算灰分含量。蛋白質(zhì)含量的測定使用凱氏定氮法，基于GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》中的第一法。脂質(zhì)含量的測定采用GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》中的第二法，樣品先用鹽酸水解，將結(jié)合態(tài)脂質(zhì)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)脂質(zhì)，并對游離態(tài)脂質(zhì)進行提取、量化。用該方法可以計算出樣品中游離態(tài)脂質(zhì)和結(jié)合態(tài)脂質(zhì)的總量。

1.5 微觀形貌觀察

將樣品黏附在導(dǎo)電膠上，噴涂金粉，然后固定在FE-SEM的樣品臺上進行電鏡觀察，在2 000×的放大倍數(shù)下獲取顯微照片。

1.6 粒度分析

用DLS法對枇杷核淀粉進行粒度分析。將1 g枇杷核淀粉與20 mL甘油混合，在室溫（25±2）℃下進行10 min的磁力攪拌，然后超聲處理3 min，再振蕩數(shù)次，將混合物倒入石英皿中進行分析。

1.7 官能團特性表征

將樣品與溴化鉀按照質(zhì)量比5∶95混合。將混合物壓制成圓形薄片放入紅外分析儀中進行表征。紅外掃描范圍設(shè)定為400 cm-1～4 000 cm-1，分辨率設(shè)定為4 cm-1，進行64次掃描以獲得樣品的FT-IR譜圖。

1.8 晶體特性表征

取樣品粉末直接進行XRD表征，掃描范圍設(shè)定為5°～90°，步長設(shè)定為 0.02°。

1.9 熱特性表征

1.9.1 TGA

測試條件在文獻[16]的基礎(chǔ)上做出調(diào)整。將大約20 mg枇杷核淀粉放置于小坩堝中，將坩堝置于熱重分析儀的爐腔中，在N2氣氛下，溫度以15℃/min的升溫速率從25℃升至600℃。

1.9.2 DSC

測試條件在文獻[17]基礎(chǔ)上做出調(diào)整。將枇杷核淀粉與蒸餾水按照質(zhì)量比1∶3的比例混合形成懸液。將少量的懸液倒入小坩堝中，將坩堝置于差示掃描量熱儀中。在N2氣氛下，溫度以10℃/min的升溫速率從25℃升至140℃。

1.10 凝膠特性表征

將淀粉與水混合，在95℃下加熱20 min，同時進行溫和磁力攪拌，以防止淀粉沉降。將制得的淀粉凝膠置于全質(zhì)構(gòu)分析儀的載物臺上，選用TA/0.5圓柱形凝膠測試探頭進行全部測試。測試類型設(shè)定為壓縮，距離設(shè)定為20 mm。兩次壓縮之間的時間間隔設(shè)定為5s。測試前探頭移動速度為3mm/s，測試速度為1mm/s，測試后速度為1 mm/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本組成

國標法檢測得到的枇杷核淀粉基本組成見表1。

表1 國標法檢測得到的枇杷核淀粉基本組成Table 1 Basic composition of loquat kernel starch determined with Chinese standard methods

如表1所示，枇杷核淀粉中的灰分、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)含量都處于較低水平，灰分含量尤其低。樣品中淀粉的實際含量為92.60%，其中，直鏈淀粉含量（干基）為49.30%。

在Punia等[18]的研究中，小麥淀粉的直鏈淀粉含量為23.8%。相比之下，本研究中枇杷核淀粉的直鏈淀粉含量高出很多。高直鏈淀粉含量的淀粉具有多個方面的優(yōu)異特性，這是枇杷核淀粉的最有價值之處。

2.2 SEM結(jié)果

從圖3中可以看到，枇杷核淀粉顆粒的形狀明顯不規(guī)則，多數(shù)呈凹球形或多面體，具有清晰的棱角。顆粒之間存在聚集行為。此外，還能看到一些淀粉顆粒表面黏附了較微小的顆粒，可能是脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等雜質(zhì)。

圖3 淀粉SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photographs of starch

馬鈴薯淀粉顆粒相當規(guī)則，并能較好地分散，其中多數(shù)為卵形或球形，只有很少量的顆粒呈不規(guī)則多面體。玉米淀粉的顯微特征與枇杷核淀粉相似，顆粒形狀不規(guī)則，存在大量的多面體，還有很少量的顆粒呈球形或鐘形。顆粒之間有很明顯的聚集行為，一些顆粒表面具有孔道。導(dǎo)致這些淀粉樣品具有不同微觀形貌的原因不僅僅是淀粉種類的差異，還與淀粉的純度有關(guān)。本研究提取的枇杷核淀粉含有一定量的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)，這已經(jīng)由基本組成分析結(jié)果所論證。該類雜質(zhì)的存在會使淀粉顆粒之間的靜電力分布變得不規(guī)則，因而導(dǎo)致顆粒的聚集行為同樣不規(guī)則。

2.3 DLS結(jié)果

枇杷核淀粉的DLS結(jié)果如表2所示。

表2 枇杷核淀粉的粒度分析結(jié)果Table 2 Analytical results of particle size of loquat kernel starch

其有效直徑的平均值為15.34 nm，平均多分散度為5.851。顆粒直徑與多分散指數(shù)的標準誤、標準差都處在誤差允許的范圍內(nèi)，表明結(jié)果可靠。

相比于SEM直接觀察到的粒徑，DLS測得的結(jié)果顯著偏低。該現(xiàn)象說明枇杷核淀粉顆粒在固態(tài)下更容易聚集，因而粒徑大于DLS所測定的懸液中的顆粒粒徑。

2.4 FT-IR結(jié)果

不同淀粉樣品的FT-IR譜圖見圖4。

圖4 不同淀粉樣品的FT-IR譜圖Fig.4 FT-IR spectrograms of different starch samples

從圖4中可以看出3個淀粉樣品具有一些完全相同的紅外吸收范圍，包括 462 cm-1～682 cm-1、965 cm-1～1 189 cm-1、1 285 cm-1～1 472 cm-1、1 594 cm-1～1 707 cm-1、1 985 cm-1～2 278 cm-1、2 850 cm-1～3 004 cm-1、3 004 cm-1～3 742 cm-1。對比吸收強度后發(fā)現(xiàn)，枇杷核淀粉、玉米淀粉在 462 cm-1～682 cm-1、965 cm-1～1 189 cm-1、2 850 cm-1～3 004 cm-1的范圍內(nèi)具有比馬鈴薯淀粉較強的紅外吸收。在3 004 cm-1～3 742 cm-1，枇杷核淀粉的紅外吸收比玉米淀粉、馬鈴薯淀粉都更強。除了上述范圍，3個淀粉樣品在其它波數(shù)范圍的紅外吸收強度相對接近?？傮w上，枇杷核淀粉的紅外特征吸收更接近于玉米淀粉。

2.5 XRD結(jié)果

淀粉根據(jù)X射線衍射結(jié)果可以分為A型、B型、C型[19]。A型淀粉在2θ衍射角為17、18°時具有雙峰，在2θ為 15°、23°時具有較強的衍射峰。B 型淀粉在 17°具有強峰，在5.6°具有特征峰。除此之外，還在15、22、24°附近具有多個小峰。C型淀粉的衍射方式是A型和B型的組合類型[19]。測試并比較了馬鈴薯淀粉、玉米淀粉、枇杷核淀粉的X射線衍射情況。3個淀粉樣品的XRD譜圖如圖5所示。

圖5 不同淀粉樣品的XRD譜圖Fig.5 XRD spectrograms of different starch samples

圖 5 結(jié)果表明，玉米淀粉在 15.1、17.2、19.6、23.1 °有衍射峰，屬于A型。馬鈴薯淀粉在5.7、15.1、17.2、23.1°有衍射峰，屬于B型。

枇杷核淀粉的衍射行為明顯是上述兩種淀粉的混合類型，相對更接近于玉米淀粉。因此，可以初步判定枇杷核淀粉是C型淀粉。

2.6 TGA結(jié)果

枇杷核淀粉在升溫過程中的質(zhì)量損失見圖6。

圖6 枇杷核淀粉在升溫過程中的質(zhì)量損失Fig.6 Weight loss during temperature rise of loquat kernel starch

從圖6中可以觀察到，在升溫的初始階段，枇杷核淀粉只有輕微的質(zhì)量損失。當溫度達到100℃時，質(zhì)量損失程度達到第一個峰值。很顯然，第一階段的質(zhì)量損失主要是由淀粉中所含水分的蒸發(fā)導(dǎo)致的。

當溫度達到193.9℃時，淀粉的質(zhì)量降低為初始質(zhì)量的86.7%，即質(zhì)量損失程度為13.3%。此后，樣品質(zhì)量趨于穩(wěn)定。然而，當溫度升至318.7℃時，枇杷核淀粉再次失重，幅度顯著大于前一次，這說明淀粉發(fā)生了強烈解離。當溫度達到335.3℃時，質(zhì)量導(dǎo)數(shù)達到最大值2.258。當溫度升至383.6℃時，淀粉的質(zhì)量降低為初始質(zhì)量的16.2%，即質(zhì)量損失程度為83.8%。此后，質(zhì)量損失速率開始降低，并逐漸趨于穩(wěn)定。

Abera等[19]的研究表明從25℃至240℃的升溫過程中，馬鈴薯淀粉、小麥淀粉的質(zhì)量損失程度分別為4%、11%。從240℃至316℃，馬鈴薯淀粉、小麥淀粉的質(zhì)量損失程度分別為67%、71%。相比之下，本研究的枇杷核淀粉質(zhì)量損失亦分為兩個階段，且后一個階段質(zhì)量損失明顯更大，但解離溫度較高，這表明枇杷核淀粉的熱穩(wěn)定性高于谷物淀粉。

2.7 DSC結(jié)果

枇杷核淀粉懸液的DSC測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 枇杷核淀粉懸液的升溫過程以及相應(yīng)的環(huán)境熱流變化Fig.7 Temperature rise process of loquat kernel starch slurry，and the corresponding variation of heat flow of the environment

玻璃轉(zhuǎn)化溫度的起點為64.98℃，中點為66.91℃。糊化溫度的起點To為109.30℃，峰值Tp為111.55℃，終點Tc為118.84℃。

糊化焓是打破淀粉顆粒中有序螺旋結(jié)構(gòu)所需的能量[19]。在糊化過程中，淀粉需要克服氫鍵作用力，因而糊化是典型的吸熱過程。該過程中，淀粉顆粒吸收水分并膨脹，分子從有序態(tài)變?yōu)闊o序態(tài)。另一方面，升溫過程中淀粉的吸熱情況與淀粉類型、顆粒形狀、粒徑以及所含雜質(zhì)的種類有關(guān)。因此，糊化過程中會發(fā)生復(fù)雜的熱流變化。

Abera等[19]報道了馬鈴薯淀粉、小麥淀粉的糊化溫度To分別為56.53、55.56℃，Tp分別為61.46、61.14℃，Tc分別為68.47、67.06℃。Zhu等[20]的研究表明馬鈴薯、甘薯、藜麥淀粉的To分別為60.3、60.8、53.6℃。甘薯、藜麥、馬鈴薯淀粉的Tc分別為75.2、73.4、71.5℃。通過對比很容易發(fā)現(xiàn)，本研究中枇杷核淀粉的糊化溫度明顯高于已有報道的其它淀粉。這可能是由枇杷核淀粉的較高結(jié)晶度造成的，同時，由于直鏈淀粉比支鏈淀粉更難糊化，因而枇杷核淀粉中較高的直鏈淀粉含量也可能是引起糊化溫度偏高的關(guān)鍵因素。

2.8 凝膠全質(zhì)構(gòu)分析結(jié)果

該部分測試的樣品包括15%馬鈴薯淀粉凝膠，15%玉米淀粉凝膠，以及濃度分別為15%、20%的枇杷核淀粉凝膠。在制備淀粉凝膠的過程中注意到馬鈴薯淀粉的懸液成膠速率較快。玉米淀粉懸液相對較難成膠，而枇杷核淀粉懸液最難成膠。在溫度已經(jīng)達到設(shè)定值的情況下，仍然需要持續(xù)加熱數(shù)分鐘才能得到凝膠。這說明枇杷核淀粉懸液需要吸收更多熱量才能成膠，該現(xiàn)象與2.7所述枇杷核淀粉具有較高糊化溫度是一致的。不同淀粉凝膠樣品的全質(zhì)構(gòu)分析所得的F-t曲線見圖8。

圖8 不同淀粉凝膠樣品的全質(zhì)構(gòu)分析所得的F-t曲線Fig.8 F-t curves obtained from TPA of different starch gel samples

全質(zhì)構(gòu)分析的目的是模擬人的咀嚼行為，用特定的探頭擠壓樣品，記錄探頭所受的力與時間的對應(yīng)關(guān)系?；贔-t關(guān)系，可以計算出硬度、脆度、咀嚼度等質(zhì)構(gòu)參數(shù)。不同淀粉凝膠的F-t曲線相應(yīng)的質(zhì)構(gòu)參數(shù)見表3。

表3 淀粉凝膠全質(zhì)構(gòu)分析得到的重要參數(shù)Table 3 Important parameters obtained from TPA of starch gel

從表3中可以看到，15%的枇杷核淀粉凝膠的硬度（158.61 gf）、脆度（118.09 gf）、膠黏性（833.03 gf·s）、咀嚼度（87.178 gf）都介于15%馬鈴薯淀粉凝膠和15%玉米淀粉凝膠之間。

當枇杷核淀粉凝膠的濃度增至20%時，上述參數(shù)顯著更高，其中，硬度為 861.883gf，膠黏性為 1980.27gf·s，咀嚼度為227.273 gf，都高于馬鈴薯淀粉凝膠的相應(yīng)數(shù)值。然而，20%枇杷核淀粉凝膠的脆度為193.851 gf，仍然低于15%馬鈴薯淀粉凝膠的脆度237.68 gf。相對而言，15%枇杷核淀粉凝膠的各項指標都處在中等水平。

3 結(jié)論

本研究所提出的從枇杷罐頭廢棄物提取淀粉的觀點可以潛在地減少淀粉行業(yè)對于谷物原料的消耗，并充分地利用了非糧作物的加工副產(chǎn)品，符合廢物利用、可持續(xù)發(fā)展的理念。經(jīng)國標法檢測，枇杷核淀粉的淀粉純度為92.60%，直鏈淀粉含量為49.30%，水分、灰分、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)含量也都符合淀粉產(chǎn)品的一般要求。FT-IR結(jié)果表明枇杷核淀粉的官能團特性與玉米淀粉相似。XRD結(jié)果表明枇杷核淀粉的晶體特性屬于馬鈴薯淀粉與玉米淀粉的混合型，與C型淀粉的晶型一致。TGA表明枇杷核淀粉在335.3℃附近大量解離，高于谷物淀粉的熱解溫度，具有良好的熱穩(wěn)定性。DSC表征獲得了枇杷核淀粉的玻璃轉(zhuǎn)化溫度與糊化溫度。濃度為15%的枇杷核淀粉凝膠的強度介于馬鈴薯淀粉與玉米淀粉之間。

至此，本研究對枇杷核淀粉的一系列分析、表征論證了其主要特性符合商品化淀粉的一般要求。浙江省每年的枇杷罐頭加工廠可產(chǎn)生枇杷核約5 000 t，完全滿足枇杷淀粉的批量提取及其后續(xù)深加工的原料需求。利用浙江枇杷產(chǎn)量大的優(yōu)勢，以枇杷核淀粉和枇杷汁為原料制作枇杷淀粉軟糖產(chǎn)品，作為地方特色食品是很有銷售前景的。

值得注意的是，高直鏈淀粉含量使枇杷核淀粉具有一般谷物淀粉所不具備的特性，例如高熱穩(wěn)定性、高糊化溫度。高直鏈淀粉很難完全消化，因而相對減少了人體能量攝入，同時，高直鏈淀粉可以參與腸道微生物發(fā)酵，有利于提升腸道益生菌數(shù)量。此外，直鏈淀粉具有類似于纖維素的分子結(jié)構(gòu)，比支鏈淀粉的成膜性更好，制成的薄膜具有良好的透明度、疏水性、抗張強度?；谶@些特性，枇杷核淀粉有望進一步開發(fā)為相應(yīng)的功能性食品或材料。