黄变对大米酸水解的影响

肖 悦,刘 敏,杨志莹,刘金光,孙 辉,邵 宏,周中凯,*

(1.天津科技大学食品科学与工程学院,天津 300457;2.国家粮食和物资储备局科学研究院,北京 100037;3.天津市经济贸易学校,天津 300381)

大米黄变是大米在储藏过程中的常见问题之一,大米有其原有的正常颜色,若出现淡黄色,称为黄变米,采后黄变(Postharvest yellowing of rice)是一种全球性稻谷的质量和功能的问题,不仅降低了大米的货币价值,还降低了其口感与品质[1]。淀粉作为大米的主要成分,占大米的70%～80%,是影响其理化性质的主要因素[2]。淀粉是主要储存多糖的碳水化合物并且是高等植物的重要能源之一,它是一种天然可再生聚合物资源,价格低廉,可完全生物降解[3],可通过物理和化学方法进行改性,生产出不同性质的改性淀粉,适用于不同的应用领域。酸改性(或酸稀释)淀粉用于不同的食品应用领域,颗粒结构和淀粉溶解度可以的到改善[4]。

淀粉主要由三部分组成:直链淀粉线性成分和微量直链淀粉及高度分枝的支链淀粉,其作为半结晶颗粒储存在植物中[5]。酸溶液进入淀粉内部之后,首先水解淀粉颗粒的无定形部分,然后水解结晶区以产生较短的链[6],后期速度较慢,因此非晶区域比结晶区域降解得更快[4]。Komiya等[7]观察到马铃薯淀粉颗粒的结晶区域在酸处理6 d后可能开始略微恶化,并且其量热法焓不变。有研究者研究了酸-醇结合或热酸结合改性处理玉米淀粉和其他抗性淀粉后淀粉中结晶层和非晶层的变化,发现改性后的淀粉非晶层被破坏,结晶层排列更加有序[8],Ogunmolasuyi等[9]观察到磷酸改性的山药淀粉具有更好的膨胀性能以及耐高温和剪切的稳定性,同时也降低了对水分的敏感性,尤其是在淀粉基食用生物膜中。酸改性降解淀粉是一种常见的处理淀粉的手段,在不破坏淀粉的基本粒径和结构的前提下,改善淀粉性质,使其变得更为实用[5]。

目前研究黄变米的研究领域主要在影响黄变的因素、黄变后的基本化学成分变化、以及预防稻谷黄变的措施上,国外研究者已经研究了低黄变率大米育种的诱导以及胚乳黄变的突变基因,并通过人工诱导稻谷黄变选出了最易黄变品种,测量了样品的理化性质[10-11]。但目前尚未发现关于利用化学处理来研究黄变稻谷内部结构的研究,特别是硫酸改性处理黄变米和正常大米样品,从淀粉层面上来研究和解释两者结构差异方面的报道;选择硫酸溶液的原因,是因为硫酸溶液能够提供两个质子,且硫酸根与大米内部的物质反应较为充分,加之挥发性较弱,所以反应体系相对稳定,酸水解较为彻底。酸水解后,可以使样品内部结构发生变化,从而拉大PHY与正常大米的差异,易于研究者观察[12]。

因此,本研究用不同浓度的浓硫酸溶液处理普通大米和PHY大米,研究其理化结构和结构的变化和属性,以期为预防稻谷黄变提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

粳米(盐丰系列)、籼米(丰两优)的黄变米和正常米 粳米正常米(japonica normal rice,JN)、粳米黄变米(japonica PHY rice,JY)、籼米正常米(Indica normal rice,IN)、籼米黄变米(Indica PHY rice,IY),样品见图1,产于2018年7月,安徽省淮南市与河北省唐山市,国家粮食储备局无锡科学研究设计院(黄变米拿到时就已黄变,在自然状态下黄变);硫酸(分析纯98%) 天津市北方天医化学试剂厂。

图1 样品对比图Fig.1 Comparison of samples

DSC3差示扫描量热仪 梅特勒托利多公司;X射线衍射仪 日本岛津-6100-日本岛津公司;扫描电子显微镜 日本日立公司;SAXSss型小角X散射仪 奥地利Anton parr公司;高速多功能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 酸水解 将JN、JY、IN和IY四种样品在培养皿中称重30 g,每个样品称重三次,然后分别加入0.1、0.5、1.0 mol/L的浓硫酸溶液中,要求溶液没过样品。样品浸泡72 h后,用蒸馏水洗涤其表面上的酸,然后置于通风橱中风干干燥3 h(25 ℃)。干燥后,用高速多功能粉碎机将样品研磨成粉末,为了避免粉碎机温度较高的影响,每10 s停止一次并等待仪器外壁的温度降到常温再继续研磨。将研磨好的样品(不过筛)置于自封袋中,并储存在干燥器中。

1.2.2 热力学性质测定 参考张秀[13]的方法,并做出相应调整,准确称取(4±0.05) mg样品,置于DSC铝质坩埚中,使用移液枪加10 μL蒸馏水并混合均匀,加盖之后使用压片机压片,之后密封保存,放置于室温下进行平衡(8 h),将平衡好的样品置差示扫描量热仪内置盘中,空白对照为空坩埚,温度从25 ℃加热至120 ℃,加热速率为10 ℃/min。测试结束后,通过差示扫描量热仪自带处理软件对曲线进行分析处理,得到焓值ΔH,起始温度To,峰值温度Tp和终止温度Tc四个指标。

1.2.3 广角度X射线衍射 使用X射线衍射仪测量结晶度和晶体类型,k值为1.54040,在30 kv加速电位和20 m电流与铜靶下操作。扫描范围为2θ值为5 °～35 °,扫描速度为2 °/min。准确称取1.5 g样品置于测量盘中,用称量纸压平,然后进行测量。X-射线衍射可以直观的显示出不同样品的晶型,通过Jade6.0软件处理可以得出每个样品的结晶度,是表征不同样品结构特征的重要指标。

1.2.4 小角度X射线散射 将样品配制成为60 g/mL的淀粉悬浮液,置于固体样品槽,于小角X散射仪的样品台中进行测量,测定波长0.1542 nm,管压40 kV,管流50 mA的条件下扫描5 min。

1.2.5 表观结构分析 使用扫描电子显微镜评估样品形态。首先,将双面胶带施加到扫描镜的圆形台上,然后取少量样品并且均匀涂抹。在碳喷涂和镀金之后,在40 kV压力下观察样品的微观结构。

1.3 数据处理

以上实验均重复三次以上。使用Origin Pro 9.0处理所有数据,通过单因素方差分析(ANOVA)分析和使用SPSS 19.0的Duncan多范围检验对数据进行统计学分析,Tukey法和邓肯氏多重比较法(Duncan’s multiple range test)进行多重比较。这些差异在95%水平被认为是统计学显着的(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 热力学性质分析

经过不同浓度酸溶液处理的普通大米(JN和IN)和黄变米(JY和IY)的热力学性质如表1～表4所示。黄变米的焓值(ΔH),峰值温度(Tp)和结束温度(Tc)均相应地低于正常大米。在酸处理前,粳米与籼米的黄变米糊化起始温度均低于各自的正常大米,0.1 mol/L酸处理后,粳米与籼米黄变米的糊化起始温度(To)低于各自的普通大米,0.5 mol/L条件下,粳米黄变米的该值比正常米高,1.0 mol/L条件下,两种黄变大米的起始糊化温度均高于正常大米。在酸处理前后,两种黄变大米的焓值均低于正常大米。吸热反应的焓值反映了样品中双螺旋和结晶区的数量,并影响了支链淀粉的含量,支链淀粉链长的分布和支链淀粉复合物的含量[1]。Sun等[14]研究人员提出,焓值(ΔH)是结晶区熔化的反映,因此与改性淀粉相比,天然淀粉的ΔH与改性淀粉的结晶度有密切关联[14],由此推测黄变米的结晶度应该相应地低于普通大米,这与Onbit等[3]研究相似。

表1 样品在酸处理前的热力学指标Table 1 Thermal characteristic parameters of all samples before sulfuric solution treatment

表2 0.1 mol/L硫酸溶液处理样品的热力学指标Table 2 Thermal characteristic parameters of all samples by 0.1 mol/L sulfuric solution treatment

表3 0.5 mol/L硫酸溶液处理样品的热力学指标Table 3 Thermal characteristic parameters of all samples by 0.5 mol/L sulfuric solution treatment

表4 1.0 mol/L硫酸溶液处理样品的热特性参数Table 4 Thermal characteristic parameters of all samples by 1.0 mol/L sulfuric solution treatment

表5 不同样品结晶度统计(%)Table 5 Wide-angle X-ray crystallinity statistics of different samples(%)

根据相关流变学文献可知,与正常大米相比,黄变米易形成弱凝胶,内部结构不易受到外力的破坏,恢复能力较强,同时,该凝胶形成的弱网络结构分解自身结构所需能量较少[15],与正常大米相比,黄变米的糊化起始温度与峰值温度向更高水平转变,样品不易糊化。

酸溶液水解样品后,与酸水解前相比,样品在测量中呈现更广泛的糊化范围,且酸溶液浓度越大,糊化范围越大;黄变米的ΔT比正常大米小,这与黄变米内部结构以及凝胶网络密切相关。

2.2 广角X射线衍射分析

正常大米和黄变米的广角X射线衍射的差异如图2所示。三种浓度的硫酸溶液处理没有改变普通大米和黄变米的晶体模式,所有样品都显示出“A型”晶体,即衍射角2θ在15 °、20 °和23 °有一单衍射峰,而在17 °和18 °有一相连双衍射峰。经0.1 mol/L硫酸溶液处理后,黄变米结晶度高于相应的普通大米,这些结果与没有经过酸解的正常大米和黄变米的结晶特性一致;这是由于在酸水解后,直链淀粉背景区首先被破坏,然后支链淀粉无定形区被破坏,最后直链淀粉结晶区被破坏[6,16],这表明酸溶液可能破坏了背景区域及无定型区,并促进支链淀粉的部分链重排及结晶度增加。

图2 样品在不同浓度酸溶液水解后的晶型图Fig.2 Wide-angle X-ray diffraction pattern of all samples

对于0.5和1.0 mol/L硫酸溶液处理后的样品,所有黄变米的结晶度都明显低于普通大米,这可能是因为酸渗透到淀粉颗粒内部,破坏了淀粉的结晶层和直链淀粉背景层[6],这表明酸处理促进了淀粉链的运动和淀粉颗粒内部水分子的运动,其导致淀粉颗粒内部氢键断裂,晶格排列被破坏,大米淀粉的相对结晶度降低。Malik等[17]研究者观察到,用较高浓度的乙酸溶液处理淀粉样品可显着降低其结晶度,这可能是由于大量的淀粉被乙酰化后内部分子进行了还原重新排序。淀粉中高度有序的晶体结构归因于分子内和分子间的氢键。乙酰化通过减少分子间氢键的形成来破坏有序的晶体;硫酸溶液进入淀粉分子内部之后,使α-1,4-糖苷键与α-1,6-糖苷键断裂,淀粉水解之后变成单糖,随着硫酸的水解,化学键受到破坏,紧接着直链淀粉无定形层与支链淀粉结晶层受到破坏;稻谷在储藏过程中,黄变之后大米内部所形成的凝胶结构比正常大米弱,其抵抗外力的作用较强[18],但酸处理过后,黄变米呈现出较大变化,即结晶度相比于正常大米降低,这说明酸水解后,黄变米与正常大米的结构差异增大,表现为黄变米的无定形层与结晶层更易受到外力的影响。

2.3 小角X射线散射分析

淀粉颗粒在0.6～0.7 nm处表现出明显的特征散射峰,这是半结晶层状结构的特征峰。Blazek等[19]研究者发现淀粉中散射峰的强度取决于有序半结晶结构的数量和结晶区与无定形的电子密度差异,且半结晶层状结构的有序度越高,峰面积越大[20-21]。天然淀粉颗粒分为半结晶生长环与无定形区,前者包含无定形层及结晶层,是由支链淀粉构成,用ρa与ρc表示各自的电子云密度,后者由直链淀粉构成,用ρu表示电子云密度[14]。Δρ指的是支链淀粉结晶层与支链淀粉无定形层的电子云密度差,Δρu指的是直链淀粉背景区与支链淀粉无定形层的电子云密度差;Δρ的增加有助于散射曲线的提高强度,Δρu的增加会增强小角度散射强度并降低散射峰分辨率[14]。

据文献[6]报道,酸溶液进入淀粉内部后,首先攻击直链淀粉无定形区,再攻击支链淀粉无定性区,然后在较晚阶段以较慢的速率攻击支链淀粉结晶区的部分,这是由于结晶区排列有序,结构紧密,相对无定形区来说,不易受到破坏。可以观察到酸溶液水解后的样品(图3B～图3D,图3b～图3d),与水解前(图3A、图3a)相比,散射强度明显增大,峰强度明显减小,这说明酸水解破坏了样品的直链淀粉无定形层及支链淀粉结晶层和无定形层。

图3 不同浓度硫酸溶液处理下的正常大米与黄变米的小角X射线散射图Fig.3 Double-logarithmic SAXS patterns of naive and acid hydrolysis normal rice and PHY

黄变米与正常大米相比,在0.1和0.5 mol/L的硫酸溶液处理下,样品的无定形区和支链淀粉的无定形层被彻底破坏,破碎的短支链可能同时形成有序的微区[22-23],所以导致黄变米的结晶度比正常大米要高,但此时两者结晶区有序程度无明显差异,随着酸溶液的持续水解,结晶层也受到了破坏[10,24],最终导致黄变米的结晶度下降。而在1 mol/L浓硫酸溶液处理条件下,粳米和籼米黄变米的散射强度与普通大米相比强烈增强,峰值左侧小角度区域的强度增加,峰值分辨率升高,表现出Δρ和Δρu的增加,这说明样品结晶区有序化程度提高,黄变米的结晶区有序化程度比正常米高,这与PHY的内部结构密切相关[15]。

2.4 表观结构分析

通过酸水解处理的普通大米和PHY大米的形态如图4所示,从两个大米品种中可以清楚地看到大米内部的典型结构,其中淀粉颗粒均匀分布或排列在内部,在正常大米和黄变米中淀粉粒具有典型的多角度形态;与酸处理前相比,酸处理后的样品的淀粉颗粒更加明显,且黄变米的淀粉颗粒更加松散。黄变米与正常米相比,结构表现出较松散的形态,多角形态显著,淀粉颗粒之间有明显的间隙和微小的缝隙,一些淀粉颗粒呈蜂窝状,随着酸溶液浓度的增大,部分淀粉颗粒的多角度形态消失,这说明PHY对酸溶液更加敏感,黄变过程改变了大米酸水解的影响。

图4 酸化处理的普通大米与黄变米的电镜图(5000×)Fig.4 Morphological properties of normal andPHY rice by sulfuric solution treatment(5000×)

3 结论

酸处理导致样品的热特性发生变化,样品的ΔT相比于酸处理前明显增大,酸处理后黄变米的ΔT和ΔH小于普通大米;广角X射线衍射和小角X射线散射的结果一致表明,在低浓度硫酸溶液水解下,黄变米与普通大米的结晶度差别不大,但在1 mol/L浓度的硫酸溶液处理中,黄变米的结晶度表现出明显的降低趋势,同时黄变米结晶区的重排程度比正常大米高,有序化程度也高;表观结构表明,酸处理之后的样品,样品的淀粉颗粒呈现出干瘪状态,部分小颗粒被酸溶液溶解,酸处理后黄变大米比正常大米颗粒松散,淀粉颗粒多角度结构不明显。综上,黄变改变了酸水解大米的性质,今后可利用其特殊理化特性,进行工艺优化,进行食品工业以及纺织业方面的研究,对劣质大米进行充分利用。