微波作用下无机盐离子对莲子淀粉结构特性和理化性质的影响

卢志阳, 涂东堃, 雷艳平, 徐径馨, 郑宝东, 田玉庭

(福建农林大学食品科学学院,福建 福州 350002)

微波处理作为一种物理改性方法是改变淀粉结构和性质的重要手段[1].目前,国内外对微波处理淀粉性质的研究大部分在形貌结构、糊化特性、热特性、流变性质和回生性质等方面[2-3].研究表明,微波辐射处理对淀粉的结构特性(颗粒形态、分子结构、晶体结构等)和理化性质(膨胀力、溶解度、热力学性能等)有明显的影响[4-6].

莲子淀粉是一种高直链淀粉,在加工过程中其凝胶性能不稳定及易老化限制了在工业上的应用,而微波处理能有效改变食品物料的结构及加工特性,被广泛应用在淀粉基食品的加工[7].微波过程中水分含量、脂质和盐离子均会影响淀粉的介电特性,淀粉介电特性的变化则导致在微波作用下淀粉性质发生改变[8].介电特性是衡量电磁场中食品物料将电磁能吸收并转化为热能的指标,由介电常数(ε′)和介电损耗(ε″)2个参数决定.微波过程中物料吸收电磁波的能力主要取决于它的介电损耗因子(介电损耗与介电常数的比值),介电损耗因子越高,物料从电磁波中获得更多能量使加热速度变快[9],进而改变微波过程中淀粉的结构,影响淀粉的理化性质[10].

目前已有大量研究报道了微波处理对马铃薯[11]、玉米[12]和大米[13]等不同植物来源淀粉结构和性质的影响,但关于微波作用下无机盐离子对莲子淀粉的影响鲜见报道.据此,本研究以莲子淀粉为材料,采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪和差示扫描量热仪等,分析了微波作用下无机盐离子对莲子淀粉结构特性和理化性质的影响,旨在为微波技术在淀粉改性的加工应用上提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原材料 新鲜冻莲来源于福建绿田食品有限公司.

1.1.2 试剂 氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙和氯化铜均为分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司;溴化钾(光谱纯)购自默克中国科技仪器公司.

1.1.3 仪器与设备 主要仪器与设备有PC20M5W美的微波炉(中国美的生活电器制造有限公司)、HJ-4A数显恒温多头磁力搅拌器(常州金坛精达仪器制造有限公司)、PNA-X矢量网络分析仪(美国Agilent科技有限公司)、JSM-6360LV扫描电子显微镜(日本电子株式会社)、VERTEX70型傅里叶变换红外光谱仪(布鲁克仪器公司)、Avance Ⅲ HD 400WB(9.4 T)固体宽腔超导核磁共振波谱仪(德国Bruker科技有限公司)、Ultima ⅣX-射线衍射仪(日本理学株式会社)、DSC214型差示扫描量热仪(德国奈驰科技有限公司).

1.2 莲子淀粉的提取

根据本实验室前期研究的莲子淀粉的提取方法,将速冻的鲜莲去芯后与蒸馏水按照1∶3的体积比混合后置于食品级高速组织粉碎机中破碎.破碎的莲子浆液用100目筛过滤,弃去滤渣,静置沉淀12 h.静置结束后,将莲子浆液的上层悬浮物和上清液倒出,所得沉淀的淀粉用蒸馏水清洗,再静置沉淀6 h.此过程反复2次,直到所得沉淀物基本为白色.将所得沉淀物与3倍体积的75%乙醇混合,置于电动搅拌机中搅拌6 h,然后静置沉淀,弃去上清液,此过程反复2次以上以除去油脂类残留物.将得到的沉淀平铺于不锈钢盘中,置于45 ℃烘箱中干燥24 h,烘干后磨粉并过100目筛即得莲子淀粉.

1.3 盐溶液与淀粉的复合微波处理

参考Pietrzyk et al[3]的方法并略作修改.分别配制含0.2 g·L-1氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙和氯化铜的盐溶液,将10 g淀粉与25 mL去离子水混合后置于烧杯中用机械搅拌器以300 r·min-1的速度搅拌5 min,将所得悬浮液转移到布氏漏斗中,用真空泵排出多余的水.将所得沉淀与20 mL氯化钠溶液混合后置于烧杯中用机械搅拌器以300 r·min-1的速度搅拌5 min,再将所得悬浮液转移到布氏漏斗中,用真空泵排出多余的水.此过程重复2次,然后用去离子水冲洗样品,直到氯化物离子消失,将所得淀粉进行冻干并过200目筛.氯化钾、氯化镁、氯化钙和氯化铜的处理过程与氯化钠相同,空白对照则将相应的盐溶液替换为去离子水.称取10 g淀粉于培养皿中,并加入一定量的去离子水,调节淀粉体系的水分含量为25%,在微波炉中以400 W的功率进行微波处理5 min.将未加无机盐进行微波处理的对照组样品命名为LS-MW-C;将加入不同无机盐进行微波处理的样品分别命名为LS-MW-(Na、K、Mg、Ca、Cu);将天然莲子淀粉样品命名为LS-N.

1.4 莲子淀粉结构特性的测定

1.4.1 颗粒形态 取过200目筛的莲子淀粉粉末少许,用导电胶粘着于样品台上并吹掉浮粉,之后在真空条件下喷金处理10 min.喷金后的样品通过场发射扫描电镜在低真空模式下放大1 000倍进行颗粒形态的观察.

1.4.2 结晶特性 莲子淀粉的晶体结构采用X-射线衍射仪测定.测定条件:电压40 kV,电流40 mA,铜Kα射线的波长为0.154 06 nm,扫描范围(2θ)为5°～40°,扫描速率2°·min-1,步长0.02°.采用MDI Jade 6.5软件对数据进行处理.

1.4.3 短程有序结构 将莲子淀粉与溴化钾以1∶100的质量比混匀后置于玛瑙研钵中研磨至细粉状,采用液压设备压制成膜.以空气为背景采集红外光谱.采集条件:扫描64次,分辨率4 cm-1,全波段扫描(波数400～4 000 cm-1).

1.4.4 螺旋结构 取300 mg莲子淀粉于固体核磁测试腔中进行13C核磁共振波谱扫描测试.测试条件:测试频率100.62 MHz,测试采用4 mm探头,扫描次数4 096次,自旋速度6 kHz,循环延迟2 s,采集时间0.013 s,谱宽38 kHz.

1.5 莲子淀粉理化特性的测定

1.5.1 介电特性 使用矢量网络分析仪测量莲子淀粉的介电特性,该分析仪将开放式同轴线连接到介电探头上.使用空气、水(已知温度)和金属3种材料校准探头,以确保测量的准确性.每个样品在测试前混合均匀.

1.5.2 膨胀度和溶解度 参考Guo et al[14]的方法并略作修改.称取0.2 g莲子淀粉放入离心管中,加入蒸馏水配制0.2 g·mL-1莲子淀粉水悬浮液,分别在一定温度(60、80 ℃)的水浴锅中加热,其间不断搅拌,持续30 min.加热结束后将淀粉于3 000 r·min-1离心20 min,将上清液倾倒于恒质量的称量瓶中,置于烘箱中在105 ℃下烘干至恒质量.通过下列公式计算淀粉的膨胀度和溶解度.

膨胀度/%=沉淀物质量/(样品质量-上清液干质量)×100

溶解度/%=上清液干质量/样品质量×100

1.5.3 热力学性质 参考Fan et al[15]的方法并略作修改.称取3 mg莲子淀粉,按1∶3的质量比加入去离子水于铝制坩埚中.样品密封后放置于室温下平衡24 h.平衡后将样品转移至差示扫描量热仪中进行测试.测试条件:从30 ℃加热到100 ℃(加热速率为5 ℃·min-1),以空坩埚作为参比,使用氮气作为载气.根据糊化曲线得出起始温度(T0)、峰值温度(TP)、终止温度(TC)和热焓值(ΔH).每组试验重复3次.

1.6 数据处理

除13C核磁共振波谱仅测量了1次外,其他测试项目均至少进行3次重复.使用OriginPro 2021 v9.8软件处理图像,使用Data Processing System 9.05软件处理数据,统计学显著性为P<0.05.

2 结果与分析

2.1 莲子淀粉的结构特性

2.1.1 颗粒形态 莲子原淀粉和加入不同无机盐离子的莲子淀粉经微波处理后的扫描电镜图如图1所示.

图1 不同处理下莲子淀粉颗粒形态的扫描电子显微图片(×1 000)

图1显示,与原淀粉相比,莲子淀粉经微波处理后,其颗粒形态基本不变,大多数呈椭圆形,小部分呈圆形,但不少淀粉颗粒表面出现了不同程度的形变和凹陷,说明淀粉颗粒的整体结构比较稳定.部分淀粉颗粒聚集形成较大的淀粉簇,呈现团状聚集的形态,有部分淀粉颗粒完全破裂,这可能是淀粉在微波作用下,淀粉颗粒中的水分子等极性分子之间发生相互摩擦和碰撞,导致分子间和分子内的氢键断裂,使得结晶区分子重新排列造成结晶区减少,进而对淀粉颗粒造成破坏导致淀粉颗粒部分糊化[16].此外,微波作用下不同无机盐离子使淀粉颗粒扭曲变形的数量有一定程度的增加,淀粉颗粒较为分散,没有出现较大团聚的淀粉簇,这说明微波作用下无机盐离子使更多的淀粉颗粒受到了破坏.含有二价无机盐离子(Mg2+、Ca2+、Cu2+)的淀粉颗粒更为分散,这可能是微波作用下二价无机盐离子导致淀粉的介电损耗正切值增大,淀粉颗粒吸收的电磁波转换成热量的能力提高,使得淀粉中的水分迅速流出,不容易在淀粉表面发生聚集.

2.1.2 结晶特性 采用X-射线衍射仪测量莲子淀粉长程有序结构的相关信息.天然莲子淀粉是具有复杂结晶度的半结晶物质,X-射线衍射谱在约15°、17°、18°和23°处有明显的晶体特征峰,在5.6°、20°和26°附近有较弱的晶体特征峰,是典型的C型结晶型结构的特征,此特征与前人的研究结果[7]一致.

由图2可知,莲子淀粉结晶度与X-射线衍射谱中特征峰的面积呈正相关,不同样品的衍射峰强度与原淀粉相比均略微减小,这说明微波作用下无机盐离子破坏了淀粉的结晶区.

图2 不同处理下莲子淀粉的X-射线衍射谱

相对结晶度是指淀粉在X-射线衍射谱中结晶区的比例.当淀粉分子的结构受到破坏,淀粉结晶区被破坏变成无定形区导致结晶度降低[17].通过计算得出,LS-N的相对结晶度为24.3%,LS-MW-C的相对结晶度下降到18.0%,说明微波处理破坏了淀粉的结晶区.此外,LS-MW-Na、LS-MW-K与LS-MW-C相比,相对结晶度有一定程度的增加,而LS-MW-Mg、LS-MW-Ca、LS-MW-Cu与LS-MW-C相比,相对结晶度进一步下降至16%左右.这说明微波作用下二价无机盐离子加剧淀粉结晶区的破坏,而一价无机盐离子(Na+、K+)在一定程度上保护了淀粉结晶区.微波作用下含有不同无机盐离子的莲子淀粉的相对结晶度存在差异,这可能是微波作用下二价无机盐离子进入到淀粉颗粒内部,并与淀粉的分子链相互作用,淀粉分子链的有序排列受到破坏,使得淀粉晶体结构减少[12];且无机盐离子半径越小,在微波场中的极化作用越强,促进非晶区的水合作用,进而破坏结晶区.

2.1.3 短程有序结构 通过傅里叶变换红外光谱的特征吸收峰鉴定淀粉分子中基团振动的情况,检测分子构象的变化、分子间化学键的分布和淀粉官能团类型[18].

由图3可知,红外光谱吸收峰的位置基本一样,也没有新旧吸收峰的出现或消失,这表明无机盐离子在微波作用下没有使莲子淀粉的分子结构和化学键发生改变[19].研究表明,红外光谱去卷积得到的图谱在1 047 cm-1和1 022 cm-1处的吸收峰的变化分别与淀粉结晶区和无定形区有关,R(1 047 cm-1与1 022 cm-1的比值)可表征淀粉结构的有序程度,有序程度与结晶度呈正相关[20].由图4可知:与LS-N相比,LS-MW-C的R下降;与LS-MW-C相比,LS-MW-Na和LS-MW-K的R增大,而LS-MW-Mg、LS-MW-Ca和LS-MW-Cu的R下降.这说明微波处理使莲子淀粉的有序程度和结晶度下降.此外,淀粉中的Na+和K+在微波作用下,使淀粉有序程度和结晶度增大,而Mg2+、Ca2+和Cu2+在微波作用下则加剧淀粉有序程度的破坏和结晶度降低.这可能是极性分子(如水分子、无机盐离子)在微波作用下改变了淀粉颗粒之间的相互摩擦所产生的热能,导致分子构象发生变化.淀粉颗粒在加热糊化的过程中吸水膨胀,无机盐离子参与淀粉颗粒中的水合反应,使分子间与分子内的氢键断裂.盐析离子(Na+、K+)保护淀粉分子间的氢键,而盐溶离子(Mg2+、Ca2+)破坏淀粉分子间的氢键.从傅里叶变换红外光谱得出的结论与从X-射线衍射谱得出的结论一致.

图3 不同处理下莲子淀粉的傅里叶变换红外光图谱

2.1.4 螺旋结构 通过核磁共振波谱对淀粉颗粒中的短程有序结构进行研究,可获得淀粉中螺旋结构的种类和数量.为了揭示莲子淀粉更详细的构象转变,通过13C核磁共振波谱进一步明确单螺旋、双螺旋和无定形结构的变化[21].不同处理莲子淀粉样品的13C核磁共振波谱如图4所示.

由图4可知,莲子原淀粉的13C核磁共振波谱在C1区观察到3个峰,分别位于101.27×10-6、100.26×10-6和99.51×10-6处.其中,100.26×10-6处的峰比较微弱,表明莲子淀粉是B型结构占比较多的C型淀粉[22].经微波处理,100.26×10-6处的峰明显增强,在C1区出现明显的三重峰,对应A型淀粉中螺旋对称排列的3个葡萄糖残基[23].这表明微波处理使莲子淀粉由C型晶体转变成A型晶体.此外,含有无机盐离子的莲子淀粉在微波处理后,LS-MW-Na、LS-MW-Mg和LS-MW-Cu在100.26×10-6处的峰变弱,表明Na+、Mg2+和Cu2+会抑制微波作用下莲子淀粉形成A型晶体.

图4 不同处理下莲子淀粉的13C核磁共振波谱

研究表明,淀粉的碳信号可以分为以下几个区域:C1区(96×10-6～106×10-6)是直链淀粉和单螺旋结构的特征峰区;C2、C3、C5区(70×10-6～79×10-6)反映直链淀粉螺旋链的相对自由程度,其振动强度与自由度呈反比,这是由于B-型双螺旋结构作用于2,3,5碳位上的氢键形成的;C4区(80×10-6～84×10-6)反映淀粉颗粒中无定形区的大小,其面积与双螺旋结构程度的大小呈反比.

由表1可知,LS-MW-C中C1和C4区的比例增大,说明微波处理使莲子淀粉单螺旋结构和无定形区增加,双螺旋结构减少.这可能是微波处理破坏了淀粉链的α-1,4-糖苷键和α-1,6-糖苷键,从而破坏了淀粉的双螺旋结构,表明淀粉的结晶区被破坏,并且在微波作用下二价无机盐离子破坏结晶区的能力比一价无机盐离子更强,这与从X-射线衍射谱得出的结论一致.微波作用于含有无机盐离子的莲子淀粉,除LS-MW-K外,其他样品C1和C4区的比例进一步增大,说明微波作用下Mg2+、Ca2+、Cu2+和Na+加剧淀粉中螺旋结构的解离.这与文献报道的微波处理对绿豆淀粉的影响[24]相一致.

表1 不同处理下莲子淀粉的波谱区比例

2.2 莲子淀粉的理化特性

2.2.1 介电特性 通过测定微波处理前后含有不同

无机盐离子的莲子淀粉的介电常数和介电损耗,进而明确含有不同无机盐离子的莲子淀粉在微波作用下的能量吸收和转化情况,结果如图5所示.

图5显示,莲子原淀粉的介电常数和介电损耗分别为1.9和0.2左右,而加入不同无机盐离子的莲子淀粉,其介电常数均在3以上,介电损耗均在0.6以上.这说明无机盐离子使淀粉吸收电磁波的能力及将电磁波转化为热量的能力增强,淀粉与微波相互作用的能力增强,进而导致淀粉结构发生了改变,这与莲子淀粉结构特性的研究结果一致.其中,在微波作用下二价无机盐离子比一价无机盐离子的作用效果更好,此结果与Fan et al[25]的研究结果相一致,这可能与加入的无机盐离子的半径有关.

不同字母表示差异显著(P<0.05),相同字母表示差异不显著(P>0.05).

2.2.2 膨胀度和溶解度 膨胀度和溶解度可作为评价淀粉质量的指标直接影响淀粉糊的功能特性.膨胀度主要受支链淀粉的影响,而直链淀粉含量则影响溶解度.

由图6-7可知,80 ℃水浴加热的莲子淀粉与60 ℃水浴加热相比,膨胀度有明显增大,溶解度略有增加.经80 ℃水浴加热的莲子淀粉组,微波作用下加入无机盐离子的淀粉膨胀度进一步下降,以LS-MW-Cu下降更为显著,LS-MW-Ca和LS-MW-Cu的溶解度略有增加.这可能是微波作用下无机盐离子加剧了淀粉结晶区的破坏,直链淀粉分子加速流出,无机盐离子通过氢键作用增强了直链淀粉分子间和分子内的作用力,促进直链淀粉和支链淀粉中游离羟基与水分子结合.此外,淀粉中部分双螺旋结构解旋减弱了淀粉与水的相互作用,淀粉在水浴加热条件下不易吸水膨胀,导致淀粉的膨胀度下降[7].由于微波作用下二价无机盐离子对淀粉结晶区的破坏性更强,因此,含有二价无机盐离子的淀粉在水浴条件下的膨胀度比含有一价无机盐离子的淀粉更低.

不同字母表示差异显著(P<0.05),相同字母表示差异不显著(P>0.05).

不同字母表示差异显著(P<0.05),相同字母表示差异不显著(P>0.05).

2.2.3 热力学性质 差示扫描量热技术是获取不同淀粉在特定温度下热力学变化的重要技术,反映淀粉熔融性质和结晶结构的差异[24].热焓值通常与淀粉的晶体数量(双螺旋或单螺旋结构)呈正相关[26].不同处理的莲子淀粉样品的热性能如表2所示.

表2 不同处理下莲子淀粉的热性能1)

由表2可知,只有LS-MW-Cu的起始温度、峰值温度和结束温度有一定程度的升高,而微波作用下Na+、K+、Mg2+和Ca2+对莲子淀粉起始温度、峰值温度和结束温度没有产生明显影响,这表明在微波作用下无机盐离子不会加剧对淀粉微晶结构的破坏.莲子原淀粉经微波处理后热焓值下降,此外,LS-MW-Na、LS-MW-K的热焓值与LS-MW-C相比略有增大,LS-MW-Ca、LS-MW-Mg、LS-MW-Cu的热焓值与LS-MW-C相比减小.热焓值能够反映淀粉微晶区的双螺旋结构和分子有序性,热焓值越小说明淀粉结晶区有序性越差,结晶区和非晶区稳定性下降,这表明微波作用下水分子和无机盐离子等极性分子在高温和强烈的振动下会破坏莲子淀粉结晶区和非晶区的双螺旋结构[19],Mg2+、Ca2+和Cu2+促进了双螺旋结构的熔融进程,破坏双螺旋结构,使糊化过程中双螺旋结构解旋所需的热量减少,热焓值下降.这与从傅里叶变换红外光谱、X-射线衍射谱和13C核磁共振波谱得出的结论一致.

3 结论

本研究结果表明:加入无机盐离子后莲子淀粉的介电常数和介电损耗均增大,无机盐离子在微波作用下使淀粉吸收电磁波的能力及将电磁波转化为热量的能力增强;微波作用下无机盐离子使淀粉颗粒扭曲变形的数量进一步增加;微波作用下Mg2+、Ca2+和Cu2+加剧淀粉分子间氢键和双螺旋结构的破坏,导致淀粉颗粒短程有序程度和结晶度下降;淀粉理化性质的变化与结构变化有关,含有Mg2+、Ca2+和Cu2+的莲子淀粉经微波处理后,淀粉颗粒的膨胀受到抑制;Mg2+、Ca2+和Cu2+在微波作用下破坏了淀粉的双螺旋结构会导致热焓值下降.