超高壓處理對(duì)“和尚頭”小麥淀粉結(jié)構(gòu)和特性的影響

張曉萌,陳金鳳,李建剛,陳瑞喜,周治屹,張盛貴*

1(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,甘肅 蘭州,730070)

2(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州,730070)

在我國(guó),小麥?zhǔn)莾H次于稻谷的第二大谷物,小麥籽粒中富含人體所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),淀粉是約占籽粒干質(zhì)量的65%～70%[1],對(duì)小麥粉的加工特性有著重要的影響。淀粉是世界上最豐富的生物材料之一,常用作乳化劑、增稠劑、穩(wěn)定劑、粘合劑和膠凝劑等[2]。由于天然淀粉易糊化老化,在冷水中溶解度低,耐熱性和耐機(jī)械性能差等,限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用和某些加工工藝的實(shí)現(xiàn)。因此,人們使用各種物理、化學(xué)、酶、基因等方法改變淀粉顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu),以賦予其特別的加工應(yīng)用特性[3]。

在食品加工技術(shù)領(lǐng)域,超高壓(ultra-high pressure,UHP)是一種可用于淀粉改性典型的物理非熱加工技術(shù)[4]。LI等[5]發(fā)現(xiàn)UHP處理可以促進(jìn)水分子進(jìn)入紅小豆淀粉顆粒,破壞其結(jié)晶結(jié)構(gòu),使其熱穩(wěn)定性降低;不同結(jié)晶類型的淀粉在超高壓處理后表現(xiàn)出不同的結(jié)果,A型淀粉對(duì)壓力最敏感,其次是C型和B型淀粉[6]。高粱淀粉(A型)在480～600 MPa下完全凝膠化,綠豆淀粉(C型)在600 MPa下完全糊化,馬鈴薯淀粉(B型)在800 MPa下凝膠化。GUO等[7]發(fā)現(xiàn)UHP處理的蓮子淀粉有利于淀粉聚集以及延緩老化速率;LARREA-WACHTENDORFF 等[8]通過(guò)UHP處理獲得了結(jié)構(gòu)優(yōu)良、機(jī)械性能穩(wěn)定的馬鈴薯淀粉水凝膠。這些研究表明,UHP處理可以改變淀粉的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),賦予淀粉新的功能性質(zhì)。

“和尚頭”小麥?zhǔn)歉拭C等西北地區(qū)廣泛栽培的旱地小麥品種,具有較高的面筋含量,其面團(tuán)筋道,韌性強(qiáng)、延伸性好、面條斷條率低,是品質(zhì)俱佳的家庭食用面粉。UHP處理可以改變淀粉的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),賦予淀粉新的功能性質(zhì)。目前鮮有關(guān)于UHP處理對(duì)“和尚頭”小麥淀粉結(jié)構(gòu)和理化特性影響的報(bào)道。因此,本文以甘肅產(chǎn)“和尚頭”小麥粉為原料,通過(guò)UHP處理,探討其對(duì)小麥淀粉結(jié)構(gòu)和特性的影響,以期為UHP技術(shù)在小麥淀粉改性及小麥淀粉食品加工中更好的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

“和尚頭”小麥粉,甘肅省景泰縣旱地春小麥。

1.2 儀器與設(shè)備

HHP.L2-600/1超高壓設(shè)備,天津華泰森淼生物工程技術(shù)股份有限公司;X′Pert-Pro MPD多晶粉末X射線衍射儀,PANalytical公司;DSC2500差示掃描量熱儀,美國(guó)TA儀器公司;JSM-6701F冷場(chǎng)發(fā)射型掃描電子顯微鏡,日本電子光學(xué)公司;NEXUS670傅里葉紅外光譜儀,美國(guó)Thermo公司;Bettersize 2600激光粒度分析儀,丹東百特儀器有限公司;H-1850R臺(tái)式高速冷凍離心機(jī),湘儀離心機(jī)儀器有限公司;DHG-9070電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 小麥淀粉的制備

參考GB/T 14772—2008和孫小凡等[9]的方法。100 g脫脂面粉中加入2 g鹽,60 mL蒸餾水,揉成面團(tuán),用保鮮膜包裹,在室溫下靜置20 min后用蒸餾水水和面液料比為8∶1或10∶1(mL∶g)洗滌,直至濾液遇碘液不變色為止。將得到的淀粉漿過(guò)100目篩,在室溫下靜置6～8 h后,棄去上清液,將余下的淀粉漿離心(3 000 r/min,15 min),刮去其上層黃色蛋白層,收集下層白色物質(zhì)。用無(wú)水乙醇洗滌、抽濾,將抽濾后得到的淀粉置于35 ℃鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥后,于樣品袋中密封備用。

1.3.2 樣品UHP處理

小麥淀粉加蒸餾水配制成150 g/mL)的淀粉乳懸浮液,搖勻后裝入聚氯乙烯密封袋中,分別在100、200、300、400、500 MPa的壓力下處理15 min。超高壓處理完成后,將淀粉溶液抽濾,去除水分,濕淀粉在35 ℃鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥,研碎后于樣品袋中密封備用[10]。

1.3.3 掃描電鏡測(cè)定

1.3.4 傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)測(cè)定

采用碘化鉀壓片法測(cè)定,掃描范圍為4 000～400 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃描64次,以空氣作為掃描背景[12]。

1.3.5 X-射線衍射的測(cè)定

參照WANG等[13]的方法。將淀粉樣品置于鋁板上的矩形槽中并壓制。X-射線衍取的Cu-Ka射線在3 kV和20 mA下測(cè)量淀粉樣品。測(cè)量范圍為10°～40°(2θ),樣品步長(zhǎng)0.02°,掃描速率為1°/min,掃描方式為連續(xù),重復(fù)1次,測(cè)定小麥淀粉的X-射線衍射圖譜。

1.3.6 粒徑測(cè)定

使用激光粒度分析儀評(píng)估淀粉樣品的粒徑分布。將小麥淀粉配制成20 g/L的淀粉乳懸浮液,并將淀粉乳懸浮液滴入激光粒度分析儀的樣品池中,以蒸餾水做分散劑,超聲波振蕩3 min,使淀粉顆粒均勻分散。當(dāng)遮光率達(dá)到15%時(shí),通過(guò)3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)確定平均粒徑分布。淀粉和蒸餾水的折射率分別為1.52和1.33[14]。

1.3.7 溶解度和膨脹度的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取0.5 g淀粉樣品(干基),在離心管中加入25 mL蒸餾水,制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉乳懸浮液。然后將離心管分別置于沸水中水浴攪拌30 min。冷卻后離心(5 000 r/min,15 min),上清液倒入鋁盒中,于105 ℃烘箱中烘干至恒重稱量[15]。溶解度(S)和膨脹度(B)按公式(1)和公式(2)計(jì)算:

(1)

(2)

式中:A為上清液烘干至恒重后的質(zhì)量,g;W為淀粉質(zhì)量,g(干基重);P為離心后沉淀物質(zhì)量,g。

1.3.8 凍融穩(wěn)定性的測(cè)定

將小麥淀粉加蒸餾水配制成50 g/L的淀粉乳懸浮液,沸水浴30 min,隨后裝入離心管中,-20 ℃冷凍24 h后取出,30 ℃下解凍2 h后離心(3 000 r/min,15 min),棄去上清液,稱取沉淀物的質(zhì)量,反復(fù)凍融4次[16]。按公式(3)計(jì)算析水率,以析水率表征凍融穩(wěn)定性:

(3)

1.3.9 熱特性的測(cè)定

稱取3.0 mg樣品置于鋁質(zhì)坩堝內(nèi),加入9 μL蒸餾水,密封壓蓋,室溫下平衡過(guò)夜。以空鋁質(zhì)坩堝為對(duì)照,利用差示掃描量熱儀進(jìn)行測(cè)定。掃描溫度從25～100 ℃,溫度上升速率為10 ℃/min,氮?dú)饬髁?0 mL/min[17]。測(cè)定參數(shù)包括:起始糊化溫度(onset temperature,TO)、最高溫度(peak temperature,TP)、終止溫度(conclusion temperature,TC)及熱焓值(enthalpy of gelatinization,ΔH)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)平行測(cè)定3次。采用Origin 8.0軟件作圖,通過(guò)SPSS 22.0軟件中t檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析,結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示,P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 超高壓處理對(duì)小麥淀粉顆粒形貌的影響

圖1是小麥原淀粉(wheat starch,WS)和UHP處理淀粉5 000倍的掃描電鏡圖。由圖1可知,WS表面光滑,顆粒完整無(wú)裂縫,壓力為100 MPa時(shí),淀粉顆粒無(wú)明顯變化,200～300 MPa處理后,顆粒表面出現(xiàn)破損的痕跡,壓力在400～500 MPa時(shí),淀粉顆粒結(jié)構(gòu)消失并出現(xiàn)崩解的現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)果和超高壓處理糯小麥淀粉[18]和蕎麥淀粉[19]的結(jié)果相似,但燕麥淀粉在400 MPa處理時(shí)依然有部分有規(guī)則顆粒[10],表明不同淀粉的耐壓能力不同,其加工性能可能不同。淀粉吸收介質(zhì)中的水分子進(jìn)入其顆粒內(nèi)部,顆粒發(fā)生溶脹,隨著壓力的增加,淀粉顆粒被擠壓并超出其自身的承受范圍,淀粉顆粒便會(huì)崩解產(chǎn)生結(jié)構(gòu)消失情況。

a-WS;b-100 MPa;c-200 MPa;d-300 MPa;e-400 MPa;f-500 MPa

2.2 FT-IR分析

FT-IR是分析淀粉材料化學(xué)官能團(tuán)及化學(xué)鍵強(qiáng)弱的有效工具,也能提供淀粉顆粒表面分子雙螺旋的有序結(jié)構(gòu)的信息[20]。950～1 065 cm-1是淀粉的紅外指紋區(qū)域,如1 047 cm-1處的吸光度值表示淀粉的結(jié)晶區(qū)情況,1 022 cm-1處吸光度值可表示淀粉的無(wú)定型區(qū)情況,所以R1047/1022值能體現(xiàn)淀粉短程有序的程度[21]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,UHP處理的“和尚頭”小麥淀粉的R1047/1022值從2.11(WS)下降到1.51(500 MPa),表明超高壓破壞了淀粉的短程有序性,淀粉的晶體結(jié)構(gòu)被破壞。王金榮[22]報(bào)道UHP處理后的揚(yáng)麥15在1 047/1 022 cm-1的峰強(qiáng)度比值也顯著降低。與天然淀粉相比,UHP處理后的FT-IR光譜沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的吸收峰(圖2),但不同波段的峰值強(qiáng)度不同,表明沒(méi)有產(chǎn)生新的物質(zhì),UHP處理只使部分淀粉分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,是一個(gè)物理改性的過(guò)程。該結(jié)果與ZHANG等[4]在百合淀粉中的研究結(jié)果一致。

圖2 不同超高壓處理后小麥淀粉的傅里葉變換紅外光譜圖

2.3 X-射線衍射分析

WS在15.08°、22.98°處有衍射峰,在17.67°、18.01°處有雙峰,在19.88°有一個(gè)小峰,是典型的A型淀粉[23]。100～300 MPa處理時(shí),衍射圖譜無(wú)明顯變化,晶體類型仍為A型(圖3),說(shuō)明小麥淀粉沒(méi)有發(fā)生凝膠化。當(dāng)壓力為400 MPa時(shí),X-射線衍射圖譜中的峰位置沒(méi)有發(fā)生變化,但是衍射峰強(qiáng)度明顯下降,從29.64%(WS)下降到13.43%(400 MPa)。當(dāng)壓力為500 MPa時(shí),分別在17.66°和20.18°出現(xiàn)衍射峰,其余衍射峰消失(圖3)。X-射線衍射圖譜的變化說(shuō)明當(dāng)壓力達(dá)到400 MPa時(shí)小麥淀粉開(kāi)始出現(xiàn)凝膠化,隨著壓力的升高,淀粉完全凝膠化。這與HU等[18]對(duì)糯小麥淀粉中的研究結(jié)果一致。

圖3 不同超高壓處理后小麥淀粉的X-射線衍射圖

2.4 超高壓處理對(duì)小麥淀粉粒徑分布的影響

小麥淀粉顆粒的平均粒徑為19.62 μm,其顆粒體積呈雙峰曲線分布,峰值出現(xiàn)在15 μm附近,屬于中顆粒淀粉[24](圖4)。100～300 MPa處理,體積分布圖的峰向左移動(dòng),峰型變窄,D(4,3)和D50無(wú)明顯差異(P<0.05)。隨著處理壓力升高(400～500 MPa),體積分布圖峰值下降,范圍縮小,D(4,3)和D50顯著增加(P<0.05)(表1),UHP處理可使淀粉顆粒膨脹和聚集,表現(xiàn)出淀粉顆粒粒徑的增加,在豌豆淀粉[25]中也觀察到了類似的現(xiàn)象。UHP對(duì)淀粉顆粒形態(tài)的影響與壓力有關(guān),這一結(jié)果與掃描電子顯微鏡的觀測(cè)和X-射線衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,表明過(guò)高的處理壓力則能使淀粉結(jié)構(gòu)崩解,淀粉出現(xiàn)凝膠化現(xiàn)象。

表1 不同超高壓處理后小麥淀粉顆粒的粒度分布特征 單位:μm

圖4 不同超高壓處理后小麥淀粉的粒徑分布圖

2.5 超高壓處理對(duì)小麥淀粉溶解度和膨脹度的影響

淀粉的溶解度和膨脹度反映淀粉分子與水分子之間相互作用強(qiáng)度。不同UHP處理后的小麥淀粉在90 ℃下的溶解度和膨脹度如圖5所示。與WS相比,UHP處理的小麥淀粉的溶解度和膨脹度變化更明顯,呈顯著下降的趨勢(shì)。從溶解度看,更高的處理壓力(500 MPa)使溶解度較原淀粉下降了27.32%,使膨脹度下降了8.84%。有研究認(rèn)為是因?yàn)閁HP處理切斷了分子間與分子內(nèi)的氫鍵,結(jié)晶區(qū)破壞程度加深,形成凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受損所致[26],也可能是淀粉在這一過(guò)程中發(fā)生重結(jié)晶,所以溶解度和膨脹度有降低的趨勢(shì)。

a-溶解度;b-膨脹度

2.6 超高壓處理對(duì)小麥淀粉凍融穩(wěn)定性的影響

析水率與凍融過(guò)程中淀粉的凝膠穩(wěn)定性成反比,析水率越小,凍融穩(wěn)定性越好[27]。圖6是不同UHP處理對(duì)小麥淀粉凍融穩(wěn)定性的影響。淀粉糊冷凍過(guò)程中水的相變以及冰晶的形成容易破壞淀粉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致淀粉凝膠強(qiáng)度減弱。從圖中可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,淀粉的析水率增加。第4次凍融循環(huán)后,WS的析水率從35.75%增加到56.28%,凍融穩(wěn)定性變差。隨著處理壓力的增大,淀粉析水率呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì),200 MPa處理15 min后,淀粉的析水率最小,顯示出較高的凍融穩(wěn)定性,說(shuō)明在此條件下對(duì)小麥淀粉的凍融穩(wěn)定性有一定的改善作用;壓力超過(guò)400 MPa時(shí),析水率開(kāi)始上升,凍融穩(wěn)定性降低。該結(jié)果表明隨著壓力的增加,淀粉顆粒破壞程度增大,淀粉分子內(nèi)部發(fā)生重排,導(dǎo)致水分分子與淀粉分子之間的結(jié)合能力降低,淀粉顆粒中的水分較容易析出[14]。

2.7 超高壓處理對(duì)小麥淀粉熱特性的影響

淀粉分子內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的完整性與淀粉糊化溫度呈正相關(guān),分子內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)越完整,其淀粉糊化溫度越高[28]。圖7是WS和UHP處理小麥淀粉的差示掃描量熱熱圖。隨著處理壓力增加,吸熱峰逐漸向高溫偏移,處理壓力超過(guò)400 MPa時(shí)吸熱峰消失,這一現(xiàn)象在蓮子淀粉中也被觀察到[6],由表2可知,100 MPa壓力處理后,淀粉的TO、TP、TC及ΔH均顯著下降(P<0.05),200～300 MPa處理時(shí),熱力學(xué)各參數(shù)變化不顯著,處理壓力達(dá)到400 MPa以上時(shí),檢測(cè)不到相關(guān)數(shù)據(jù),這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)膲毫μ幚?如100 MPa)可能首先改變淀粉非結(jié)晶區(qū),表現(xiàn)在熱力學(xué)參數(shù)上變化顯著,淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)可承受100～300 MPa壓力處理,超過(guò)400 MPa處理壓力,淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全被破壞,淀粉顆粒發(fā)生凝膠化[29]。這一結(jié)果在XRD結(jié)果也得到同樣的驗(yàn)證,在加工工藝上有非常重要的意義。

表2 不同超高壓處理后小麥淀粉的熱力學(xué)特性參數(shù)

圖7 不同超高壓處理后小麥淀粉的差示掃描量熱熱圖

3 結(jié)論

本文研究了UHP(100～500 MPa)處理對(duì)“和尚頭”小麥淀粉結(jié)構(gòu)和特性的影響。處理壓力低于400 MPa時(shí),隨著壓力的增加,淀粉顆粒被擠壓并超出其自身的承受范圍,發(fā)生淀粉顆粒崩解、結(jié)構(gòu)消失現(xiàn)象;處理壓力高于400 MPa時(shí),隨著壓力的增加,淀粉凝膠化程度逐漸增加,粒徑分析顯示,更高的UHP處理可使淀粉顆粒膨脹和聚集,淀粉相對(duì)結(jié)晶度降低。FT-IR結(jié)果表明,UHP處理沒(méi)有產(chǎn)生新的物質(zhì)或化學(xué)鍵,淀粉分子結(jié)構(gòu)的變化是一個(gè)物理改性的過(guò)程。與WS相比,UHP處理的淀粉的溶解度和膨脹度呈顯著下降的趨勢(shì)(P<0.05),100 MPa壓力處理后,淀粉的TO、TP、TC及ΔH均顯著下降(P<0.05),200～300 MPa處理時(shí),熱力學(xué)各參數(shù)變化不顯著,當(dāng)處理壓力達(dá)到400 MPa以上時(shí),檢測(cè)不到相關(guān)熱力學(xué)參數(shù),表明淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)可承受100～300 MPa壓力處理,超過(guò)此壓力,淀粉分子順序完全破壞、晶型結(jié)構(gòu)喪失,這在指導(dǎo)UHP技術(shù)在淀粉加工應(yīng)用上具有一定的參考價(jià)值,然而,UHP引起各種淀粉各參數(shù)變化的確切機(jī)制應(yīng)進(jìn)一步研究。