挤压改性对菠萝蜜种子淀粉精细结构的影响

李博，谭乐和，张彦军*，王雪飞

(1.中国热带农业科学院 香料饮料研究所，海南 万宁 571533； 2.黑龙江东方学院 食品工程，哈尔滨 150066)

食品挤压改性技术是集搅拌、破碎、杀菌、成型等过程为一体的高新技术，是一种高温短时连续的改性过程，有良好的安全性[1]，可广泛应用到制备药物壁材[2]，提高水产养殖产品在人体中的营养利用率等[3]。

菠萝蜜(Artocarpusheterophyllus)是一种热带植物[4]，果肉呈淡黄色，每个水果包含100～500粒种子[5]，每粒种子富含62.63%粗淀粉[6]，是一亟待开发的淀粉质资源。

因近年来菠萝蜜产业的迅速发展，其大量种子被废弃，造成了淀粉资源的浪费[7]。为进一步合理开发利用菠萝蜜种子淀粉，前人研究了种子淀粉的分离方法和理化性质，由于其良好的感官质量和卫生质量可安全地应用于食品、药品和其他领域[8]。但挤压改性后菠萝蜜种子淀粉精细结构的研究还未见报道，这严重限制了菠萝蜜种子淀粉作为新型淀粉资源的进一步开发与应用。鉴于此，以马来西亚Ⅰ号菠萝蜜种子为原料分离淀粉，进行挤压实验，测定精细结构，考察挤压改性对菠萝蜜种子淀粉精细结构的影响，为菠萝蜜种子淀粉的综合利用提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

菠萝蜜种子(马来西亚Ⅰ号)：中国热带农业科学院香料饮料研究所提供(2017年)；DS32-VII实验双螺杆挤压机：山东赛信有限公司；Dionex ICS-5000高压离子色谱仪：美国戴安有限公司；LC-20AB高效液相色谱联用多角度激光散射：日本岛津公司。

1.2 菠萝蜜种子淀粉(JFSS)提取

根据Noor等[9]的方法稍作修改，菠萝蜜种子在电热鼓风干燥箱内烘干，然后进行快速去皮，加水磨浆。于胶体磨研磨2 min，用盐酸调节pH到7，加入中性蛋白酶配成蛋白酶溶液，置于60 ℃摇床上反应9 h，滤渣经过多次水洗反复反应结束后过200目筛。合并滤液在3000×g下离心5 min，离心沉淀物上层蛋白质褐色表皮小心刮去。离心沉淀物经多次清洗，抽滤后收集沉淀物。沉淀物于真空冷冻干燥机内进行冷冻真空干燥(-30～0 ℃冷冻3 h，50 ℃恒温真空干燥10 h)，保存待用。

1.3 JFSS挤压实验

根据Zhang等[10]的方法稍作修改，取计算好的去离子水将JFSS调至设计的含水量(见表1)，倒进搅拌机搅拌5 min，确保水分均匀分布，并于密封袋中在4 ℃下平衡，使用前取出恢复至室温。设置双螺杆挤压机的一区、二区和三区机筒温度分别为60，70，90 ℃。挤压机内四区的机筒温度和机筒内物料区的螺杆转速设置为操作变量(见表1)。以单位进料进行挤压，待机器稳定后收集挤压产物。设置摸头的刀具转速为42 r/min，喂料桶内喂料速度设置为13 r/min，挤压产物冷却至室温后，于40 ℃下干燥24 h，4 ℃下保存放置，干燥研磨后过100目筛，将改性后的菠萝蜜种子淀粉命名为EJFSS。

表1 3个独立变量的操作参数编码表Table 1 Coding table of operation parameters for three independent variables

续 表

1.4 JFSS精细结构

1.4.1 EJFSS分子量分析

根据Bi等[11]的报道稍作修改，将淀粉在二甲基亚砜中彻底糊化溶解，淀粉分子均匀分散后利用LC-20AB高效液相色谱联用多角度激光散射仪测分子量。

1.4.2 EJFSS链长分布分析

根据Zhang等[12]的报道稍作修改，淀粉的精细结构由高效阴离子交换色谱法测定，脉冲安培检测法。将样品(40 mg)与2 mL醋酸缓冲液(50 mm，pH为6)混合，在1个试管中用1个塞子煮沸并在沸水浴中搅拌30 min，然后将混合物冷却至55 ℃，加入10 μL的普鲁兰酶，并在磁搅拌器A中搅拌15 h。将溶液置于沸水浴中20 min，将等分混合物离心5000×g，10 min，上清液经0.45 μm过滤器过滤，稀释10倍后再进行注射分析。HPAEC系统由ED50电化学检测器和Cabopac PA200柱组成。流动相为150 mm NaOH和500 mm 乙酸钠的梯度洗脱液，流速为150，0.5 mL/min。

2 结果与分析

2.1 EJFSS分子量及其分布

不同条件下EJFSS的重均分子量(Mw)，数均分子量(Mn)，平均回旋半径(Rg)和PI(Mw/Mn)的结果见表2，分子量分布结果见图1。

表2 淀粉的链长分布和分子量分析Table 2 Distribution of chain length and molecular weight of starch

注：相同指标同一列数字后不同字母表示0.05 水平上差异显著。

图1 淀粉的分子量分布Fig.1 Molecular weight distribution of starch

保持物料水分含量和挤压机双螺杆转速不变，当机筒温度从90 ℃升高到110 ℃时，JFSS的Mn从0.81×107g/mol降低到0.59×107g/mol，Mw从0.93×107g/mol降低到0.64×107g/mol，Rg从65.9 nm增加到77.4 nm，PI从1.15降低到1.09，Rg和PI的结果表明分子半径逐渐增大，分子量分布逐渐减小。保持挤压机机筒温度和螺杆转速不变，当物料水分含量从27%增加到34%时，JFSS的Mn从0.19×107g/mol增加到0.45×107g/mol，Mw从0.50×107g/mol增加到0.93×107g/mol，Rg从50.1 nm增加到69.3 nm，PI从2.62降低到2.07，分子半径逐渐增大，分子量分布逐渐减小。保持机筒温度和物料水分含量不变，当螺杆转速从20 r/min增加到30 r/min时，JFSS的Mn从0.60×107g/mol降低到0.18×107g/mol，Mw从0.81×107g/mol降低到0.41×107g/mol，Rg从67.9 nm降低到40.6 nm，PI从1.36增加到2.27，分子半径逐渐降低，分子量分布逐渐增加。基于本实验结果发现，挤压操作参数会显著影响淀粉的分子量，分子半径以及分子量分布。Willett等报道了相似的结果[13]，双螺杆挤压机水分含量为18%，螺杆转速为90 r/min，机筒温度从110 ℃升高到130 ℃时，蜡质玉米淀粉的重均分子量从336×106g/mol降低到40×106g/mol。表明JFSS的分子量及其分布受挤压机操作参数影响显著。

JFSS原淀粉Mw、Mn、Rg和PI分别为1.85×107g/mol,2.09×107g/mol,115.7 nm和1.13。改性后的JFSS的Pg均小于100 nm，Rg显著降低(P<0.05)，PI值变化不显著 (P>0.05)，分子量显著降低(P<0.05)，但分子量分布变化不显著。Liu等[14]报道了相似的结果，当机筒温度为95 ℃，螺杆转速为37.5 r/min，水分含量为70%时，挤压后的大米淀粉分子回旋半径由39.2 nm降低到20.7 nm。Zhang等[15]报道了挤压改性过程中淀粉分子糊化，直链淀粉析出结晶层被破坏，完成生物聚合物相的转变，即由固体颗粒转变成熔融状态、内部有序的分子间氢键断裂导致多糖分子被降解。表明JFSS分子在挤压改性过程中由于淀粉分子糊化、结晶结构、直链支链淀粉的排列改变等导致淀粉分子被降解。

2.2 EJFSS链长分布分析

根据Bi等的报道，A链(DP 6～12)和B1(DP 12～24)链构成了支链淀粉的短链，B3+链(DP≥37)为长链，长链与长链、短链与短链之间互相形成螺旋，构成了双螺旋结构，短链形成的双螺旋结构构成了淀粉颗粒的结晶区，长链形成的双螺旋结构构成了淀粉颗粒的半晶区和无定形区。A链(DP 6～12)、B1链(DP 12～24)、B2链(DP 24～36)和B3+链(DP≥37)见表2，相对应的链长分布图结果见图2。

保持物料水分含量和挤压机双螺杆转速不变，当机筒温度从90 ℃升高到110 ℃时，JFSS的A链比例从33.65%增加到44.85%，B1链的比例从46.08%减少到39.62%，B2链的比例从14.09%减少到10.29%，长链的比例从6.18%降低到5.24%。保持挤压机机筒温度和螺杆转速不变，当物料水分含量从27%增加到34%时，JFSS的A链比例由35.32%降低到37.18%，B1链的比例由49.44%降低到42.05%，B2链的比例由10.59%增加到14.32%，B3+链的比例由4.65%增加到6.45%。保持机筒温度和物料水分含量不变，当螺杆转速从20 r/min增加到30 r/min时，JFSS的A链所占比例由32.10%增加到41.84%，B1链的比例由48.53%降低到45.68%，B2链的比例由13.82%降低到9.62%，长链的比例由5.55%减少到2.86%。表明JFSS的支链淀粉的链长分布受挤压机操作参数影响显著。Nakazawa等[16]在高温硫酸改性蜡质玉米淀粉的实验中报道了相似的结果，保持其他条件不变，当水解温度从40 ℃增加到65 ℃时，链长分布从大多数在DP(聚合度)25之后变为0～25之间，说明随着水解温度增加，中、长链比例减少，短链比例增加。

JFSS原淀粉的A链、B1链、B2链和长链的比例分别为32.75%、36.08%、18.32%和12.83%，对比原淀粉，挤压改性后的淀粉A链、B1链比例显著增加，B2链、B3+链显著降低。Lee等报道了相似的结果[17]，在120 ℃下热处理水分含量为25.7%的马铃薯淀粉发现，A链所占比例为21.1%，未产生变化，B1链的比例由49.1%增加到49.6%，B2链的比例由17.8%降低到17.6%，长链的比例由12.0%减少到11.6%。

图2 EJFSS的链长分布Fig.2 Chain length distribution of EJFSS

根据González等[18]的报道，挤压改性后的淀粉短链分布比例变高导致双螺旋结构变长，中、长链分布比例变短导致无定形区的分布比例变低，分子间氢键作用力变弱。根据张雨桐等[19]的报道，淀粉分子长链比例含量高表明其拥有较长的长螺旋和各个链之间较强的氢键作用力，而短链含量高会形成有缺陷的结晶层和残缺的双螺旋链。挤压改性JFSS后其短链含量增加，中、长链含量减少，表明形成了有缺陷的结晶层，并且残缺的双螺旋链比例增加，双螺旋链之间的作用力减弱导致分子降解。此结果与2.1的结论相同。

3 结论

经过双螺杆挤压机挤压改性后的JFSS重均分子量、数均分子量和回旋半径均显著降低(P<0.05)，短链(A和B1)的比例显著变大，中、长链(B2和B3+)的比例显著变小(P<0.05)。改性的JFSS重均分子量、数均分子量、回旋半径、短链(A和B1)的比例显著变大，中、长链(B2和B3+)受双螺杆挤压机的机筒温度、物料水分含量和螺杆转速的影响显著。推测JFSS在挤压过程中由于高温、高压和高剪切力的作用导致原淀粉分子间多数氢键断裂，双螺旋结构被破坏，原有的结晶结构消失从而导致分子被降解。