油炸对马铃薯淀粉特性的影响

, ,,,,*

(1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院,河南郑州 450002;2.华南理工大学食品科学与工程学院,广东广州 510640)

油炸是一种传统、快速且常用的食物烹饪方法,广泛应用于国内外食品工业中。油炸不仅可以杀灭食品中的微生物,还可以改善食物的风味,油炸的快速高效更符合现代人的生活节奏,油炸可以用于制作面类、肉类和蔬菜等各种类型的食物。油炸食品因其金黄色的外观、良好的口味及质地而深受消费者的喜爱[1]。Rimac-Brncic[2]等人认为,油炸涉及到一系列的物理和化学反应过程,比如淀粉的糊化、蛋白质的变性、水分的蒸发和外壳的形成等过程。对于富含淀粉的食品而言,影响油炸食品食用品质变化的主要因素就是油炸过程中淀粉理化性质的变化[3]。因此,研究油炸对淀粉性质的影响从而控制油炸食品的品质具有重要意义。

目前,油炸淀粉的研究还处于初步阶段,国内外学者通过油炸面制品或油炸挂糊食品,进而从油炸过的食品或糊中提取出淀粉进行研究[4-5],而采用直接油炸马铃薯纯淀粉,并研究其特性的方法未见报道。本实验以马铃薯淀粉为原料,采用直接油炸淀粉的方法,研究不同油炸温度对马铃薯淀粉颗粒形貌、结晶结构、透明度、冻融稳定性等性质的影响,以期改善油炸淀粉类食品的品质,提高淀粉的消化吸收率,并为淀粉的应用提供新途径。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

马铃薯淀粉(水分含量17%)(食品级) 固原长城淀粉有限公司;金龙鱼食用调和油(食品级) 益海嘉里食品营销有限公司;无水乙醇(分析纯)、二氯甲烷(分析纯) 天津富宇精细化工有限公司。

PhilipsXL-3型扫描电子显微镜 日本日立公司;BurkerD8型X-射线衍射仪、Vertex70型红外光谱扫描仪 德国布鲁克公司;BX51多功能光学显微镜 日本Olympus公司;Brabender 粘度仪 德国Brabender公司;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 巩义市予华仪器责任有限公司;DL-1(220 V 2000 W)万用电炉 北京中兴伟业仪器有限公司;MX-S可调式混匀仪 大龙兴创实验仪器(北京)有限公司;LG10-24高速离心机 北京医用离心机厂。

1.2实验方法

1.2.1 样品的制备 分别称取5 g马铃薯淀粉,食用油585 g,在电炉上直接油炸淀粉,设定油炸温度为120、140、160和180 ℃,时间3 min。将油炸过的淀粉先用二氯甲烷浸泡,萃取,除去大部分油脂,然后分别用二氯甲烷和无水乙醇进行抽滤。将抽滤过的淀粉自然晾干,研磨用于测定。

1.2.2 淀粉样品的扫描电镜(SEM)观察 测试前将淀粉样品置于105 ℃烘箱中4 h,取2 mg样品粘在导电胶上,进行镀金处理,然后将样品台放入扫描电子显微镜下观察,并拍摄具有代表性的样品颗粒形貌的照片[6]。

1.2.3 淀粉样品的偏光十字观测 用丙三醇和水的混合液(1∶1,v/v)配成1%的淀粉乳,加一滴于载玻片上,盖上盖玻片,在偏振光下观察并拍摄淀粉的偏光十字图片。

1.2.4 X-射线衍射(XRD)测试 取0.5 g淀粉样品置于模具的圆形螺纹处,随后用光滑的玻片压平,用BurkerD8型X-射线衍射仪测定,所用波长为0.1542 nm的单色Cu-Kα射线。测试条件为:管压30 kV,管流20 mA,扫描速度4°/min,扫描区域5～60°,采样步宽0.04°,扫描方式为连续,重复次数为1[7]。

1.2.5 傅里叶红外光谱(FT-IR)测试 采用ATR附件法。测试条件:扫描波数范围4000～400 cm-1,分辨率4 cm-1,扫描64次后取平均值得到样品的红外光谱图[8]。

1.2.6 淀粉样品粘度特性测定 测定条件:测量盒扭矩700 cm·g,转子的转速为75 r/min。测定步骤:准确称取6 g淀粉样品(干基)于测量杯中,加入94 mL蒸馏水配制成浓度为6%淀粉乳,充分搅拌混匀后,将测量杯置于Brabender粘度仪的测量槽,从30 ℃开始以7.5 ℃/min速率升温至95 ℃后维持5 min,然后冷却至50 ℃,降温速率为7.5 ℃/min,维持5 min。从Brabender粘度曲线上可以得到各特征粘度数值:起糊温度、峰值粘度、崩解值、回生值。粘度单位为BU[9]。

1.2.7 淀粉样品透光率测定 称取一定量样品配制成1%的淀粉乳,放入沸水浴中加热糊化并保温15 min,补充沸水以保持淀粉糊体积,然后冷却至室温,用分光光度计进行测定。以蒸馏水为空白,使用1 cm比色皿,在620 nm处测其透光率[10]。

1.2.8 淀粉样品冻融稳定性测定 称取一定量样品配成6%的淀粉乳,在沸水浴中加热糊化15 min,再自然冷却。取20 mL糊化液倒入50 mL塑料离心管中,加盖置于-15 ℃冰箱中冷却,24 h后取出室温下自然解冻,然后在3000 r/min条件下离心20 min,按以下公式计算冻融稳定性[11-12]。

2 结果与分析

2.1油炸对淀粉颗粒外形特性的影响

图1 天然淀粉和油炸淀粉的扫描电镜图(1000×)Fig.1 Scanning electron micrographs of native and the fried starch samples(1000×)注:A:天然马铃薯淀粉,B:120 ℃油炸淀粉,C:140 ℃油炸淀粉,D:160 ℃油炸淀粉,E:180 ℃油炸淀粉。

天然马铃薯淀粉和不同温度油炸处理淀粉样品的扫描电镜图片如图1所示。由图1可以看出,马铃薯原淀粉颗粒呈椭圆形,颗粒完整,表面光滑,油炸后大部分颗粒是完整的,部分淀粉颗粒外形发生了明显的变化,出现凹陷、膨胀和破裂,这与张令文[3]和周静舫[4]的实验结果一致。120～140 ℃少量淀粉颗粒出现膨胀、轻微破裂现象,160～180 ℃产生破裂、小孔的淀粉颗粒变多,破裂程度也变大。180 ℃油炸处理淀粉颗粒外形变化程度最为显著。这可能是由于热应力的作用,经高温油炸处理的淀粉热应力超过了一定强度,淀粉发生变形,超过淀粉强度极限时,淀粉破裂形成小孔。随着油炸温度的逐步升高,所产生的热应力越大,这种变化越来越显著。这与先前Andrade[13]对湿热处理木薯淀粉的研究结果一致,湿热处理过的淀粉颗粒表面上也有凹陷和突起。刘佳楠[14]等研究了微波处理对白高粱淀粉特性的影响,微波处理的白高粱淀粉也出现了膨胀和破碎。淀粉颗粒形态的变化会引起淀粉应用性质的变化,这对于控制淀粉类油炸食品的品质具有重要意义。

2.2淀粉样品的偏光十字观察

淀粉颗粒内部存在结晶区和无定形区,结晶区淀粉分子排列有序,非结晶区淀粉分子呈无序的排列,这两种不同的结构在密度和折射率上的差别,使得偏振光通过淀粉颗粒时会产生偏光十字,淀粉颗粒的偏光十字变化可以反映淀粉的结晶结构是否发生了变化。在偏光显微镜下观察淀粉颗粒呈现黑色的十字,将颗粒分成四个白色的区域,称为偏光十字或马耳他十字[15-16]。由于淀粉颗粒大小及螺旋结构存在差异,不同淀粉颗粒的偏光十字所表现的形态、位置以及明显程度不同。

图2显示了马铃薯原淀粉和油炸处理过样品的偏光十字照片,原淀粉在偏振光下显示出特征双折射的马耳他十字,其偏光十字交叉点偏向颗粒的一侧,呈“X”型,较小颗粒偏光十字交叉点位于中心点。120～140 ℃油炸淀粉偏光十字模糊,160～180 ℃样品偏光十字减弱程度增强,有些甚至消失,这说明油炸破坏了淀粉内部的结晶结构[17],淀粉分子内部有序排列结构被破坏,双折射强度减弱,从而导致偏光十字的消失。且随着油炸温度的升高,这种破坏作用越强。淀粉结构的破坏,更易于淀粉的消化吸收,由此可见,180 ℃油炸淀粉更易于人体的吸收。先前研究报道过偏光十字的消失与淀粉颗粒膨胀同时发生[14,18],这印证了扫描电镜得到的结果。

图2 原淀粉和处理淀粉的偏光十字照片(200×)Fig.2 Birefringence images of native and the fried starch samples(200×)

2.3油炸对淀粉结晶结构的影响

天然马铃薯淀粉和不同温度油炸处理淀粉样品的X-衍射图谱如图3所示。从图3中可以看出,天然马铃薯淀粉特征峰是5.6°、17.1°、22.3°、24.0°,是典型的B型结晶结构。经过油炸处理后,淀粉结晶结构消失。这可能是由于高温破坏了淀粉的结晶区,双螺旋结构遭到破坏[19]。这与前面偏光显微镜所得的结果一致。

图3 天然淀粉和油炸淀粉的X-衍射图谱Fig.3 X-ray diffraction patterns of native and the fried starch samples 注:a:天然马铃薯淀粉,b:120 ℃油炸淀粉,c:140 ℃油炸淀粉,d:160 ℃油炸淀粉,e:180 ℃油炸淀粉;图4同。

2.4油炸淀粉的红外图谱分析

红外光谱法是分析和检测物质组成与结构的重要方法之一,利用物质中存在的官能团在中红外区有选择性吸收这一特征,能够确定物质的组分、构象、和构型,是分析淀粉等有机高分子物质的重要工具。天然马铃薯淀粉和不同温度油炸处理淀粉样品的红外光谱如图4所示,淀粉的红外光谱中出现的1150、1080、1020 cm-1的吸收峰为C-O键的特征吸收峰,3000～3500 cm-1附近是O-H的伸缩振动峰,2930 cm-1处的吸收峰对应着C-H不对称伸缩振动峰[]。油炸淀粉与原淀粉的峰型重合度很高,没有新的峰出现,说明油炸处理不会破坏淀粉分子化学键,也没有产生新的化学基团。这与刘佳男[18]等研究微波热处理对高粱淀粉的红外分析结果一致。

图4 天然淀粉和油炸淀粉的红外光谱Fig.4 FT-IR spectra of native and the fried starch samples

表1 油炸处理对马铃薯淀粉粘度曲线关键点值的影响Table 1 Effect of frying on key point values of viscosity curve of starches

2.5淀粉样品的糊化特性

图5显示了原淀粉和不同温度油炸样品的Brabender粘度曲线,粘度曲线各关键点值见表1。由图5和表1可知,油炸淀粉峰值粘度、衰减值均小于原淀粉,且随着油炸温度的升高,粘度逐渐降低,这是因为油炸增强了淀粉无定形区分子之间的作用力,使得颗粒结构变得更加紧密,引起了加热糊化时淀粉黏度的下降[21]。120～160 ℃最终粘度大于原淀粉,180 ℃最终粘度小于原淀粉,油炸温度越高,无定型区重组形成的结构越稳定。衰减值反应了淀粉的热糊稳定性,经油炸处理淀粉衰减值远小于原淀粉,说明油炸淀粉热糊稳定性远好于原淀粉,回生值反映了淀粉冷糊稳定性,油炸淀粉回生值小于原淀粉,说明油炸淀粉冷糊稳定性优于原淀粉,凝沉性减弱。这是因为油炸过程中油脂与淀粉的相互作用阻碍了凝沉的发生。蔡丽明[22]曾指出在直链淀粉凝沉和直链淀粉-脂类复合物的形成之间有一个竞争机制,直链淀粉-脂类复合物形成比淀粉凝沉更易发生。

图5 油炸对马铃薯淀粉粘度曲线的影响Fig.5 Effect of frying on viscosity curves of potato starch samples

2.6淀粉样品的透光率

透明度是淀粉糊所表现出的一个重要外在特征,淀粉用于食品中时会影响成品的外观,而淀粉的透光率是重要的评价指标。淀粉糊的透光率受多方面因素影响,淀粉糊化后,其分子重新排列相互缔合的程度是影响淀粉糊透光率的重要因素[23-24]。图6显示了原马铃薯淀粉和不同温度油炸处理淀粉样品的透光率。由图6可知,原淀粉透光率较大,油炸淀粉透光率较低,这是因为油炸后短直链淀粉分子增多,颗粒分子间容易发生缔合,使透光率降低,此外,脂类也可以降低淀粉的透光率[25-26]。

图6 天然淀粉和油炸淀粉的透光率Fig.6 The transparency of native and the frying starch samples

2.7淀粉样品的冻融稳定性

淀粉作为增稠剂赋予食品黏润、适宜的口感,但冷冻和解冻会使淀粉糊出现脱水收缩的现象,这是由于冷冻是一个剧烈的过程,会对淀粉糊的结构造成严重的破坏,影响食品的质构[27]。可以用析水率的高低来反映淀粉的冻融稳定性,析水率越低,冻融稳定性越好。

原马铃薯淀粉及不同温度油炸淀粉的冻融稳定性变化如图7所示。随着油炸温度的升高,油炸淀粉的析水率呈现增大的趋势,且远大于原淀粉,可能是因为样品中直链淀粉含量高,空间位阻变小,在低温冻融的过程中,淀粉分子与水之间的作用力减弱,且温度越高,这种作用力越弱,从而使油炸淀粉冻融稳定性变差。这说明油炸淀粉类食品不适于冷冻。有研究报道,淀粉冻融稳定性与淀粉中直、支链淀粉含量有关,支链淀粉含量越高,形成的空间位阻越大,阻碍水分子析出[28-29]。这与透明度的研究结果一致。

图7 天然淀粉和油炸淀粉的冻融稳定性Fig.7 The freeze-thaw stability of native and the fried starch samples

3 结论

油炸使淀粉的颗粒形态、结晶结构、透明度及冻融稳定性等发生了显著变化。与原淀粉相比,油炸淀粉颗粒出现凹陷、膨胀和破裂现象,随着油炸处理温度升高,样品的偏光十字清晰程度减弱,甚至消失。样品结晶结构消失,只包含非结晶区。油炸破坏了淀粉结构,且油炸温度越高,样品结构破坏程度越强,淀粉结构的破坏,有助于提高淀粉的消化吸收率,这表明淀粉的最适油炸温度是180 ℃。从红外图谱中发现,油炸淀粉与原淀粉具有相似的主要特征吸收峰,油炸处理不会破坏淀粉分子化学键,也没有产生新的化学基团。经过油炸处理后,淀粉样品的透光率比原淀粉低。油炸淀粉冻融稳定性极差,这说明油炸淀粉类食品不适于冷冻。

[1]Mir-bel J,Oria R,Salvador M L. Deep-fat frying under moderate vacuum of potato cylinders[J]. International Journal of Food Science and Technology,2012,47,1369-1377.

[2]Rimac-Brncic S,Lelas V,Rade D,et al. Decreasing of oil absorption in potato strips during deep fat frying[J]. Food Eng,2004,64:237-241.

[3]张令文,计红芳,娄世垚,等. 油炸过程中淀粉的颗粒形貌、结晶度与热力学特性变化[J]. 现代食品科技,2015,5:36-42.

[4]周静舫. 面窝加工工艺参数优化及油炸对大米淀粉特性影响研究[D]. 武汉:华中农业大学:2008.

[5]Llorca E,Hernando I,Perez-Munuera I,et al. The structure of starch granules in fried battered products[J]. Food Hydrocolloids,2007,21:1407-1412.

[6]Chen L,Ren F,Yu X P,et al. Pasting investigation,SEM observation and the possible interaction study on rice starch-pullulan combination[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2015,73:45-48.

[7]Liu Y Q,Xie H F,Shi M M. Effect of ethanol-water solution on the crystallization of short chain amylose from potato starch[J].Starch-Stärke,2016,68:683-690.

[8]庄琳，宋小娇，徐燕红. 水青树木材红外光谱特征研究[J].湖北农业科学,2017,56(7):1334-1339.

[9]王春艳,蒋天宇,刘宏生. 淀粉在DMSO/水溶剂体系中的形态结构及相变研究[J]. 现代食品科技,2016,32(6):98-103.

[10]赵广河,甘秋香. 苹婆淀粉理化性质的研究[J]. 食品工业,2014,35(1):113-115.

[11]李新华,杨强,王琳,等. 银杏果淀粉与玉米、马铃薯淀粉理化性质的比较研究[J]. 食品工业科技,2012,33(9):142-145.

[12]夏雪娟，廖芙蓉，阚建全. 籽粒苋籽实中淀粉的理化性质

[J]. 食品科学,2014,35(1):110-114.

[13]Andrade M M P,Oliveira C S D,Colman T A D,et al. Effects of heat-moisture treatment on organic cassava starch[J]. Therm Anal Calorim,2014,115:2115-2122.

[14]刘佳男,于雷,王婷,等. 微波处理对白高粱淀粉理化特性的影响[J]. 食品科学,2017,38(5):186-190.

[15]刘东莉. 不同链/支比玉米淀粉颗粒结构原位表征与分析[D]. 杭州：浙江大学,2014.

[16]王青林,张睿,肖建东,等. 湿热处理对不同淀粉理化特性的影响[J]. 食品工业,2016,37(12):88-91.

[17]Atrous H,Benbettaieb N,Hosni F,et al. Effect of γ-radiation on free radicals formation,structural changes and functional properties of wheat starch[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2015,80:64-76.

[18]John W D. Phase transitions of the starch-water system[J]. Biopolymers,1979,18:263-275.

[19]Liu X,Wu J H,Xu J H,et al. The impact of heat-moisture treatment on the molecular structure and physicochemical properties of Coix seed starches[J]. Starch-Stärke,2016,68(7-8):662-674.

[20]Wang J P,Su H L,Wang S. physicochemical properties of octenyl succinic anhydride-modefied potato starch with different degrees of substitution[J]. Society of Chemical Industry,2009,90:424-429.

[21]汝远. 热处理对玉米淀粉结构和性质的影响[D]. 泰安：山东农业大学:2015.

[22]蔡丽明,高群玉. 淀粉一脂类复合物的研究现状及展望[J]. 粮油加工,2007(2)：85-87.

[23]杜先锋,许时婴,王璋. 淀粉糊的透明度及其影响因素的研究[J]. 农业工程学报,2002,18(1):129-131.

[24]曾绍校. 莲子淀粉品质特性的研究与应用[D]. 福州:福建农林大学,2007.

[25]Zhou H,Wang C,Shi L,et al. Effects of salts on physico-chemical,microstructural and thermal properties of potato starch[J]. Food Chemistry,2014,156:137-143.

[26]李媛,乔旭光. 生姜淀粉的基本性质[J]. 食品科学,2011,32(13):131-135.

[27]谭洪卓,谭斌,刘明,等. 甘薯粉丝生产中添加剂对甘薯淀粉回生的影响[J]. 食品科学,2008,29(6):133-138.

[28]翟琨,覃海兵,洪雁. 魔芋淀粉理化性质研究[J]. 食品科学,2008,29(9):59-61.

[29]张喻,章丽琳,曾嵘,等. 凉薯淀粉的理化性质研究[J]. 粮食与油脂,2016,29(9):19-22.