支链聚合度对菠萝蜜种子淀粉热力学特性的影响及老化动力学分析

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(1.黑龙江八一农垦大学食品学院,黑龙江大庆 163319; 2.中国热带农业科学院香料饮料研究所,海南万宁 571533)

菠萝蜜(ArtocarpusheterophyllusLam.)为桑科(Moraceae),典型的热带果树之一。起源于印度,千年之前引入中国,种植品种主要为马来西亚1～6号和11号等[1]。菠萝蜜由外皮、黄色果肉、鳞茎和种子组成,种子占果实总重的8%～15%,并富含大量淀粉,占干物质的60%～80%[2]。菠萝蜜种子淀粉(jackfruit seed starch,JFSS)可作为填充剂和胶凝剂等,改性JFSS也常应用在食品和非食品工业[3]。

淀粉在过量水存在下加热,会发生有序到无序相变称为淀粉凝胶化[4]。凝胶化淀粉低温储存时,从无序再转变为有序状态,形成重结晶称为淀粉老化[5]。淀粉老化分短期和长期两阶段,短期老化主要是直链淀粉结晶,在几小时内完成;长期老化主要是支链淀粉重结晶,支链淀粉呈分支结构,分子结合受限,需较长时间完成。支链淀粉重结晶通常采用Avrami方程表述,其可以表述晶核形成和晶体成长初级过程[6]。大部分淀粉重结晶都与支链淀粉重组有关,所以支链淀粉是影响淀粉老化的重要因素[6]。

前人大量研究表明,分子结构和精细结构是影响淀粉老化的重要因素。Singh等[7]发现,粒径分布及支链淀粉链长分布是影响淀粉凝胶化和老化特性的内在因素。Kohyama等[8]发现,支链淀粉链长分布是影响淀粉凝胶化和老化特性的最主要因素。目前,对分子结构和精细结构影响淀粉老化性质的研究较多,但不同支链聚合度对老化性质的影响未见报道。本研究将JFSS分离成直链和支链淀粉后,按体积比1∶1重新组合成新的淀粉体系,确定支链聚合度差异,阐明支链聚合度对凝胶化和老化淀粉特性的影响,为JFSS的加工利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

菠萝蜜种子 由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供,包括海南兴隆本地品种(BD)和马来西亚1号(M1)、马来西亚5号(M5)、马来西亚6号(M6)、马来西亚11号(M11);二甲基亚砜(色谱纯) 德国Meker公司;葡聚糖标准品T40 美国Sigma公司;其它试剂 均为国产分析纯。

HPSEC-MALLS-RI高效液相色谱系统(配有多角度激光光散射检测器、示差折光检测器及Astra数据处理系统) 美国Waters公司;DSC-Q2000差式扫描量热仪 美国TA公司;LXJ-IIB离心机 上海安亭科学仪器厂;Scientz-18ND冷冻干燥机 宁波新芝生物科技股份有限公司;HH-SJ2CD数显恒温磁力搅拌油浴锅 常州市金坛友谊仪器研究所;DHG-9625A电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;SY-100C脱壳机 台州市鲨鱼食品机械有限公司;HX-PB908多功能磨浆机 佛山市海迅电器有限公司;80胶体磨 上海科劳机械厂。

1.2 实验方法

1.2.1 菠萝蜜种子淀粉的制备 菠萝蜜种子放入50 ℃电热鼓风干燥箱内烘至外皮略干、内皮湿润时取出,用脱壳机快速去皮。将去皮后的菠萝蜜种子与少量蒸馏水混合,置于多功能磨浆机中进行粗粉碎得粗浆,与蒸馏水按质量比1∶3混合后,在胶体磨中细粉碎5 min,过200目筛,以蒸馏水洗涤除去可溶性糖,在4000 r/min条件下离心10 min,沉淀物与0.5 mol/L硫代硫酸钠溶液按质量比1∶1混合36 h,间隔搅拌,混合物在4000 r/min条件下离心10 min,弃去上清液,刮去沉淀物上层褐色皮,并多次水洗后,用1.0 mol/L盐酸中和至pH7.0,再在4000 r/min条件下离心10 min,沉淀物用质量分数50%无水乙醇进一步洗涤3次,最后将沉淀物在50 ℃真空冷冻干燥,直至最终水分含量小于13%[1]。

1.2.2 直链淀粉和支链淀粉的分离 JFSS加蒸馏水配制成质量分数3%,于100 ℃水浴摇床糊化1 h后,在5000×g条件下离心10 min,倒出上清液,沉淀物保存,备用。在上清液中加入1/2体积的无水乙醇,搅拌,静置12 h后,再次在5000×g条件下离心10 min,沉淀为湿直链淀粉。将上述保存备用的沉淀物,加蒸馏水配制成质量分数3%,于100 ℃水浴摇床糊化1 h后,在5000×g条件下离心10 min,所得到的沉淀加入甲醇配制成质量分数80%,充分搅拌后涡旋混合2 min,再次离心(5000 r/min离心10 min),沉淀即为湿支链淀粉。所得到的湿直链淀粉和湿支链淀粉沉淀在50 ℃真空冷冻干燥即得到样品[9]。

1.2.3 支链聚合度的测定

1.2.3.1 样品处理 支链淀粉样品加入预热至90 ℃的硝酸钠-二甲基亚砜溶液(即流动相液体),配制成质量分数为2%的溶液,置于90 ℃恒温磁力搅拌器中,搅拌10 h后,置于50 ℃水浴锅中保温。用台式离心机以12000×g离心10 min。取上层清液,过0.45 μm聚四氟乙烯滤膜[10]。

1.2.3.2 色谱条件 流动相:50 mmol/L硝酸钠-二甲基亚砜溶液,流动相使用超声波脱气20 min;流速:0.6 mL/min;色谱柱:Styragel HMW 6E DMF和HMW 2 MF串联并用;柱温:45 ℃;RI检测器:40 ℃;进样量:100 μL。葡聚糖标准品(T40,2 mg/mL)用于MALLS中使用的多角度光电二极管检测器的归一化[10]。

1.2.3.3 分析方法 使用数据分析软件Astra对光散射数据和示差折光检测器信号进行采集和分析。曲线拟合采用二阶Berry模型,计算重均分子量(Mw)和数均分子量(Mn)。重均聚合度(DPw)和数均聚合度(DPn)是通过Mw/162和Mn/162获得,162为无水葡萄糖分子量(g/mol)。淀粉分散度(D)按下式计算[11]。

重组的5种淀粉加入蒸馏水,使得水分含量分别达到60%,密封,于180 ℃油浴磁力搅拌器中充分糊化,放置冰箱中在4 ℃下分别保存0、1、3、5、7 d[13]。

1.2.5 热力学参数的测定 采用差示扫描量热仪(DSC)测定重组JFSS的热力学参数。将2 mg淀粉与4 μL蒸馏水按质量比1∶2混合,置于铝坩埚中密封,室温平衡24 h。以10 ℃/min的加热速率从10 ℃升温至100 ℃,同时采用空盘作为参比。测定凝胶化起始温度(To),峰值温度(Tp)和终止温度(Tc),通过对峰面积积分，计算出样品的凝胶化焓(ΔHg)。每种样品均测定三次进行分析[13]。

充分凝胶化的淀粉4 ℃下分别保存0、1、3、5、7 d后50 ℃真空冷冻干燥,直至水分含量小于9%再进行测定,测定方法与上述一致,测定其老化所形成结晶体发生熔融作用的To、Tp、Tc及老化焓(ΔHr)。每种样品均测定三次进行分析[13]。采用下式计算淀粉老化度(RD)[13]。

式中,ΔHr为老化焓,(J/g);ΔHg为凝胶化焓,(J/g);RD为老化度。

1.2.6 老化动力学方程 采用Avrami方程测定重组菠萝蜜种子淀粉的老化速率和结晶指数[13]。

1-θ=exp(-ktn)

θ=X(t)

ln{-ln[1-X(t)]}=lnk+nlnt

式中,t为结晶时间,(d);θ为t时刻的结晶度,(%);X(t)、x(t)分别为在时间t时测定的相对改变值和测量值;x0为初始老化度(0 d);x∞为最大老化度(7 d);k为结晶速率常数;n为样品老化过程中成核及晶核生长方式的指数,又称为Avrami指数,其数值等于生长的空间维数和成核过程的时间维数之和。

计算出各t时刻的ln[-ln(1-X(t))]后,对lnt进行线性回归,由曲线斜率确定Avrami指数n,曲线截距确定速率常数k。

1.3 统计分析

采用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析,实验数据表示为平均值±标准差。统计学上,p<0.05为显著性差异,p<0.01为极显著性差异;采用Origin 8.5软件进行绘图处理。

2 结果与分析

2.1 菠萝蜜种子淀粉的支链聚合度

5种JFSS的DPw、DPn和D的数据如表1所示。DPw、DPn和D的范围分别是189506～431481、120370～344444和1.144～1.574,在DPw、DPn中存在显著差异(p<0.05)。其中BD的DPw和DPn在5种样品中最高,M1的DPw和DPn在5种样品中最低。已有研究报道,小麦支链淀粉的DPw为4101～6463[14]、玉米支链淀粉的DPw为532700[15]、蜡质玉米淀粉的DPw为442154～469800[15-17]、蜡质大米淀粉的DPw为442154～994000[16,18];蜡质玉米淀粉的DPn为19106[17]、蜡质大米的DPn为47483[17]。与已有的研究结果对比,本研究中JFSS的支链淀粉DPw低于小麦支链淀粉的DPw,高于玉米、蜡质玉米和蜡质大米的支链淀粉DPw;JFSS的支链淀粉DPn高于蜡质玉米和蜡质大米的DPn,导致这种差异可能是由于植物来源、种植环境和淀粉的组成等不同造成的[1]。淀粉D表示分子大小差别的范围,M1具有最高的淀粉D,M5具有最低的淀粉D,表明M1的分子大小差别最大,M5的分子大小差别最小。

表1 菠萝蜜种子淀粉的支链聚合度Table 1 Polymerization degree of amylopectin in jackfruit seed starches

2.2 支链聚合度对菠萝蜜种子淀粉凝胶特性的影响

表2 不同支链聚合度菠萝蜜种子淀粉凝胶化温度及热焓值Table 2 Gelatinization temperatures and enthalpy of jackfruit seed starches with different polymerization degree of amylopectin

图1 不同支链聚合度的菠萝蜜种子淀粉凝胶化DSC曲线Fig.1 DSC curves of gelatinization of jackfruit seed starches with different polymerization degree of amylopectin

2.3 支链聚合度对菠萝蜜种子淀粉老化特性的影响

表3 不同支链聚合度的菠萝蜜种子淀粉DSC参数及老化度Table 3 DSC parameters and retrogradation degree of jackfruit seed starches with different polymerization degree of amylopectin

图2 不同支链聚合度菠萝蜜种子淀粉老化DSC曲线Fig.2 DSC curves of retrogradation of jackfruit seed starcheswith different polymerization degree of amylopectin

图3 在4 ℃储存条件下储存时间与老化度的关系Fig.3 Relationship between storage time and retrogradation degree at 4 ℃

2.4 老化动力学分析

表4 不同支链聚合度菠萝蜜种子淀粉老化动力学参数Table 4 Avrami retrogradation kinetic parameters of jackfruit seed starches with different polymerization degree of amylopectin

图4 不同支链聚合度下ln{-ln[1-X(t)]}与lnt的对应关系Fig.4 Corresponding relation between ln {-ln[1-X(t)]} and lnt at different polymerization degree of amylopectin

2.5 相关性分析

表5为重组JFSS的支链淀粉聚合度与Avrami参数间的Pearson双变量相关分析结果。n值和k值呈显著负相关(r=-0.888),说明老化速率受到晶体成核方式的显著影响。DPw(r=0.941)和DPn(r=0.899)与n值呈显著正相关(p<0.05),表明支链淀粉聚合度越高,晶体成核方式越趋近于自发成核;DPw(r=-0.973)与ΔHg呈极显著负相关(p<0.01),DPn(r=-0.920)与ΔHg呈显著负相关(p<0.05),DPw(0 d:r=-0.922;1 d:r=-0.923;3 d:r=-0.913;5 d:r=-0.913;7 d:r=-0.928)与储存0～7 d的ΔHr呈显著负相关(p<0.05),说明支链淀粉聚合度越低,体系中结晶部分越多,不定型区越少,容易老化[13]。

表5 支链聚合度与Avrami参数间的Pearson双变量相关分析Table 5 Pearson bivariate correlation analysis between polymerization degree of amylopectin and Avrami parameters

3 结论

本文通过研究支链聚合度对JFSS热力学特性的影响,并借助Avrami方程,考察支链聚合度对JFSS老化性质的影响。支链聚合度降低,JFSS老化速率增加,老化后形成的结晶更有序、更致密,且老化程度更高。支链聚合度与Avrami指数呈显著正相关(p<0.05),DPw与ΔHg呈极显著负相关(p<0.01),DPn与ΔHg呈显著负相关(p<0.05),DPw与储存0～7 d的ΔHr均呈现显著负相关(p<0.05)。所有结果表明,支链聚合度是影响淀粉贮藏过程中老化特性的重要结构因素,可为从淀粉精细结构研究淀粉老化特性提供理论参考。