不同米淀粉精细结构对其回生特性的影响

刘 妍, 孙圣麟, 洪 雁,3, 顾正彪, 程 力, 陈召桂, 陈 爽

(江南大学食品学院1,无锡 214122) (嘉兴未来食品研究院2,嘉兴 314000) (江南大学食品科学与技术国家重点实验室3,无锡 214122) (浙江五芳斋实业股份有限公司4,嘉兴 314000)

即食米制品具有种类多样、营养丰富、食用方便等优点,成品细韧软糯,香甜可口,近些年来受到消费者的广泛欢迎。米糕的生产也经历多个发展过程,最初的原料只有大米,随着米糕种类不断多元化,制作米糕常用的原料主要有糯米、粳米、籼米、薏米、紫米、小米、黑米等,通过引入不同的加工工艺,逐渐形成了较为稳定的米糕制作体系。但由于米糕的主要成分是淀粉,淀粉的回生导致米糕在生产、加工、运输和销售的过程中出现黏性变差、老化变硬和储藏期较短的问题,因此控制淀粉的回生是解决米糕变质的有效手段之一[1]。

影响淀粉回生的因素主要有淀粉种类、淀粉精细结构、添加剂[2]、环境条件、溶液pH值及无机离子等。Vandeputte等[5]研究发现支链淀粉侧链聚合度(DP)在6～9或者大于25,淀粉不容易回生,DP值在12～22之间则会促进回生。Zhang等[6]表明香蕉淀粉因具有含量较高的支链淀粉超长链(DP>36)导致其回生速度较快。此外,淀粉的分子质量分布、链长分布、直/支链淀粉含量、短/长程有序性及半结晶层状结构等也会对回生产生一定的影响。尽管淀粉的精细结构对其回生特性的影响规律已被广泛报道,但不同种类淀粉的精细结构与其回生特性之间的关系深入系统地研究仍较少。

因此,本研究选择米糕产品中4种具有代表性的米粉(小米、黑米、糯米和粳米)作为研究对象,分别从4种米粉中提取淀粉,再对其精细结构和回生特性进行研究,明确精细结构对其回生特性的影响规律,以期为即食米制品的质量控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小米粉、黑米粉、糯米粉及粳米粉,米粉目数均为60目。

氢氧化钠、硼酸、浓硫酸、溴化锂、醋酸钠等均为分析纯;直链淀粉试剂盒;异淀粉酶(酶活10 000U/mL,酶学编号3.2.1.68)。

1.2 仪器与设备

MS-H-S10多通道磁力搅拌器,RJ-LD-50G低速大容量离心机,StarchMaster 2快速黏度分析仪,TA.XT plus物性分析仪,DISCOVERY DSC 25差示扫描量热仪,1260 Infinity Ⅱ凝胶渗透色谱,ICS-5000A Plus高效阴离子交换色谱,IS10傅里叶红外光谱仪,D2 PHASER X射线衍射仪,SAXSpoint 2.0小角X射线散射仪。

1.3 实验方法

1.3.1 米淀粉的提取

参考张杰[7]的方法并略有改动:称取一定质量米粉分散在质量分数0.03%NaOH溶液中,以1∶5(m/V)混合,磁力搅拌浸泡24 h。浸泡后多次离心(3 900 r/min,5 min),弃去上清液并刮去最上层和下层沉淀物质,用去离子水洗涤中间淀粉层数次后将沉淀放入40 ℃烘箱中干燥24 h,粉碎机粉碎,过100 μm筛得到米淀粉,密封置于干燥器中备用。

1.3.2 组分测定

水分含量测定参照GB 5009.3—2016中直接干燥法;灰分含量测定参照GB 5009.4—2016中总灰分的测定方法,蛋白质含量测定参照GB 5009.5—2016中凯氏定氮法;脂肪含量测定参照GB 5009.6—2016中索式抽提法,淀粉含量测定采用Megazyme的总淀粉测定试剂盒,直链淀粉含量测定采用Megazyme的直链淀粉试剂盒。

1.3.3 回生性质测定

1.3.3.1 糊化性质

采用快速黏度分析仪(RVA)测定样品的糊化特性,将淀粉与去离子水在RVA铝盒中混合均匀,配制成质量分数为6%(干基)的悬浮液,以测试程序中的标准1开始测定。通过糊化曲线中的终值黏度和谷值黏度大小判定各种淀粉的回生趋势。

1.3.3.2 质构特性

用物性分析仪对淀粉乳进行全质构分析,配制质量分数6%的淀粉乳,完全糊化后储存于铝盒中,测定第0天和第5天样品的质构参数。测定条件:使用P/25探头,测前速度为1 mm/s,测试速度为5 mm/s,测后速度为5 mm/s,触发力为2 g,下压距离10 mm。

1.3.3.3 热力学性质

称取2.5～3.0 mg淀粉于坩埚中,按照样品:去离子水质量比为1∶3(以湿基计)的比例加入去离子水,放入4 ℃冰箱平衡24 h,以空坩埚为空白对照,使用差示扫描量热仪(DSC)对样品进行糊化,测试条件:温度扫描范围为30～100 ℃,升温速率10 ℃/min,氮气流速为50 mL/min。糊化后的样品在4 ℃下储藏14 d后测定其回生性质,测定条件同糊化测定条件。

1.3.4 相对分子质量测定

准备称取10 mg样品于10 mL样品瓶中,然后放入转子并加入2.0 mL流动相(99.5%DMSO+0.5%LiBr),拧紧瓶盖并密封。将样品置于沸水浴中持续搅拌,并保持微沸状态,平衡至少12 h。进样前,样品须过0.22 μm有机滤膜(黄色滤膜),确保样品无浑浊。采用1260 Infinity Ⅱ凝胶色谱系统测定,测试条件参考梁尚云[8]的报道并略有改动:柱温:50 ℃,流速:0.6 mL/min,dn/dc值为0.066 mL/g。

1.3.5 链长分布测定

将10 mg淀粉分散于2.0 mL醋酸钠缓冲液中,沸水浴加热并持续搅拌30 min,将样品置于40 ℃水浴摇床中平衡15 min,然后加入100 μL异淀粉酶反应24 h,使淀粉完全脱支;沸水浴30 min终止反应;冷却至室温后,将样品全部转移至5 mL离心管中,10 000 r/min条件下离心10 min,取适当量上清液过0.22 μm滤膜后采用高效阴离子交换色谱(HPSEC-PAD)进行淀粉链长分布测定,测试条件参考Ren等[9]的方法。

1.3.6 短程有序性

参考Pourfarzad等[10]的方法采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)测试样品红外光谱,利用OMNIC软件对800～1 200 cm-1进行傅里叶自去卷积处理,设置条件:半峰宽:20.5 cm-1,增强因子:2,短程有序性为1 045 cm-1/1 022cm-1和1 022 cm-1/995 cm-1的峰强度比值。

1.3.7 结晶结构测定

采用X射线衍射(XRD)测定,参考焦雪艳等[11]的方法并略有改动,测试条件为:铜靶,管压30 kV,电流10 mA,步长0.05,扫描速度30(°)/min,衍射角(2θ)扫描范围为4°～40°。应用MDI Jade 6软件进行数据分析。

1.3.8 半结晶层状结构测定

配制质量分数为50%的淀粉浆,混合均匀,室温下平衡24 h,空白为纯水样品,用于SAXA分析。测试条件参考Zhang等[12]的方法,波长λ=0.154 0 nm的单色Cu-Kα射线,工作电压50 kV,功率为30 W,测试时间20 min,测试过程中光学元件及样品室均要处于真空状态。

1.3.9 数据处理

数据处理所有实验均设置3个平行,实验数据用平均值和标准偏差表示。数据作图用软件Origin 8.5,数据显著性分析和相关性分析用软件SPSS 17.0,通过单因素方差分析(ANOVA),P值低于0.05和0.01分别表示显著和相当显著的差异;采用皮尔逊相关和聚类分析。

2 结果与讨论

2.1 组分分析

4种米淀粉的基本组分如表1所示。米淀粉纯度最高的是粳米淀粉,总淀粉质量分数可达90.59%,最低的是黑米淀粉,总淀粉质量分数为79.61%。这与黑米中富含大量花青素有关系,在浸泡、反复洗涤的过程中,色素会掺杂在淀粉层导致部分淀粉的流失[13,14],同时黑米淀粉的脂肪含量和灰分含量均较高。小米淀粉的蛋白质量分数最高,可达0.60%。直链淀粉含量相差较大,小米淀粉的直链淀粉含量是最高的,比糯米淀粉的直链淀粉质量分数高出10.89%,这与杨梦恬[15]的研究结果一致。直链淀粉的含量很大程度上影响米淀粉的回生特性。在回生的过程中,直链淀粉分子的迁移运动使得分子之间能够平行排布,彼此链上的羟基均束缚在非常近的范围内,再通过羟基间的氢键吸引作用构成聚合体,直链淀粉含量高,回生速率可能就越大[16]。

2.2 回生性质分析

2.2.1 糊化特性分析

表2显示了不同米淀粉糊化特性参数。回生值为终值黏度和谷值黏度的差值,能够反映淀粉糊冷却后的稳定性和回生特性,通常作为评价淀粉糊老化程度的指标,淀粉糊的回生值越大,说明其越容易发生回生,导致其硬度和韧性相应增大。由表2可以看出,4种淀粉的回生值具有较大差异,糯米淀粉的回生值最小,仅有162 mPa·s,而黑米淀粉具有最大的回生值(1 007 mPa·s),这说明黑米淀粉最容易老化、凝胶能力最强。但根据2.1基本组分中直链含量来看,黑米淀粉的直链含量低于小米淀粉,这可能因为淀粉回生能力的强弱不仅受直链淀粉含量的影响,还会受到淀粉精细结构的影响。终值黏度指的是体系温度降低后,淀粉分子开始交互相连,此时淀粉糊的黏度为终值黏度[17]。与小米、黑米和粳米淀粉相比,糯米淀粉的终值黏度较小(737 mPa·s),说明短期内糯米淀粉分子聚集能力较差,回生速率较慢。

表2 不同米淀粉糊化特性参数

表3 不同米淀粉凝胶储藏5 d后质构参数

2.2.2 质构特性分析

随着储藏时间的延长,淀粉凝胶的硬度、黏性等指标会发生变化,因此,可以通过测定淀粉凝胶的质构参数来反映其回生特性,结果如表3所示。与储藏0 d的小米淀粉、黑米淀粉、糯米淀粉和粳米淀粉凝胶相比,储藏5 d后相应米淀粉凝胶的硬度分别增加了42.77%、32.55%、57.46%和80.78%。尽管糯米淀粉凝胶和粳米淀粉凝胶的硬度增长幅度较大,但由于这2种米淀粉凝胶初始硬度较小,导致其储藏5 d后的凝胶硬度较小。小米淀粉、黑米淀粉和粳米淀粉凝胶储藏后黏性分别降低了13.15%、33.40%和23.79%,糯米淀粉凝胶的黏性提高了208.07%,糯米淀粉凝胶的黏性增长显著,且与其他米淀粉相比,糯米淀粉储藏前后的凝胶硬度均较小,说明其凝胶的质地最为柔软。这是由于直链淀粉含量的不同导致形成凝胶时,直链淀粉含量越多,淀粉分子间的交联程度越大,因此形成的凝胶硬度会较大。因此,与其他米淀粉相比,小米淀粉更容易发生回生,而糯米淀粉的抗回生性能较好。

2.2.3 热力学性质分析

DSC法可以测定淀粉回生的趋势[18],不同米淀粉储藏14 d后的热力学参数如表4所示。经过14 d储藏后,4种已经糊化的米淀粉表现出不同的回生趋势,热焓值从大到小为:小米淀粉>黑米淀粉>粳米淀粉>糯米淀粉,热焓值与淀粉回生程度呈正相关。所以小米淀粉的回生程度最大,糯米淀粉的热焓值为0.74 J/g,远低于其他3种米淀粉的热焓值,说明糯米淀粉回生程度较低,糊化过程解开双螺旋所需要的能量少,淀粉颗粒结构与其他3种米淀粉相比不紧密,在相转变的过程中所需要的能量较小。

表4 不同米淀粉储藏14 d后的热力学参数

2.3 相对分子质量分布

不同米淀粉的重均相对分子质量(Mw)如表5所示。4种米淀粉中粳米淀粉的支链淀粉Mw最大(2.33×107g/mol),最小的是糯米淀粉的支链淀粉Mw(1.61×107g/mol)。直链淀粉含量对相对分子质量有一定的影响。直链含量的高低影响着淀粉回生的程度,大部分研究显示两者呈正相关趋势。根据表1来看,4种米淀粉中小米淀粉直链含量最高,结合凝胶渗透色谱(GPC)参数来看,小米淀粉的重均分子质量不是最大的,这说明回生不仅受到相对分子质量的影响,还会受到其他精细结构的影响。

表5 不同米淀粉的重均相对分子质量

2.4 支链淀粉链长分布分析

表6为不同米淀粉的支链淀粉链长分布信息。按照链长的不同,将支链淀粉侧链分为四个部分,分别是A链(636)。由表6可知,所有样品的A链和B1链含量较高,在小米淀粉中,B1链占比最高为40.91%。黑米、糯米和粳米淀粉的A链比例显著高于小米淀粉的A链比例。有研究表明,当支链淀粉所含的A链较多时,无法形成稳定的双螺旋结构,分子间松散程度较高且性质不稳定,淀粉分子链重排的程度较低,导致其回生程度较低[19]。因此,与小米淀粉相比,黑米、糯米和粳米淀粉的回生程度较低,这与本研究结果一致。此外,有研究指出较长的分子链会导致其空间位阻增大,中等链长分子链(DP13～24)占比高时会利于回生。同时B3链易于直链淀粉相互缠绕,限制水分迁移和热膨胀,容易使淀粉糊老化回生[20]。Shen等[21]认为内链之间的相互作用,可以促进双螺旋的产生继而促进回生。因此,A链和B链含量都会影响淀粉回生程度,当淀粉中A链占比较小,B1链和B3链占比较大时,淀粉的回生速率会更大。

表6 不同米淀粉的链长分布/%

2.5 短程有序性分析

红外光谱中1 045 cm-1/1 022 cm-1和1 022 cm-1/995 cm-1的峰强度比值能够反映淀粉颗粒的短程有序性,结果如表7所示。1 045 cm-1/1 022 cm-1的比值越大或1 022 cm-1/995 cm-1的比值越小,表明淀粉颗粒表面有序度越高。从表7可知,小米淀粉的1 045 cm-1/1 022 cm-1比值最大,且1 022 cm-1/995 cm-1比值最小,说明小米淀粉的表面有序度最高。有研究认为,支链淀粉分子中长链会形成较长的螺旋结构,同时会使链之间的氢键结合更牢固,易发生重新结晶,而较短的支链形成的双螺旋结构不稳定,不易重新结晶[22]。黑米、糯米和粳米淀粉的中长链占比较低,因此,这3种米淀粉形成的双螺旋稳定性较差,其颗粒表面有序度较低,导致其不容易发生回生现象。

表7 不同米淀粉短程分子有序度及相对结晶度

2.6 结晶结构分析

不同米淀粉的X-射线衍射图谱如图1所示,从图中可以看出,4种米淀粉均表现出典型的A型衍射峰,分别在15°、17°、18°和23°(2θ)处有明显的衍射峰。由表7可以看出,小米淀粉的相对结晶度最大(29.12%),黑米淀粉的相对结晶度最小(23.41%)。通过比较发现,本实验所用4种米淀粉测得的直链淀粉含量与相对结晶度没有明显的线性关系,但有报道认为,淀粉的相对结晶度随着直链淀粉含量的增加而减小,这说明淀粉的相对结晶度除了受其直/支比的影响,还可能受到其他结构特性的影响。有研究发现,链长分布对结晶度大小也会产生一定的影响。Shevkani等[23]认为DP>13的链占比大时,淀粉容易形成较稳定的结晶结构。根据支链淀粉链长分布的分析结果(表6),当淀粉分子中的中长链占比高时(DP>13),淀粉容易发生回生现象,所以推断当淀粉的中长链占比较高时,形成的双螺旋结构更稳定,淀粉分子的表面有序性和相对结晶度更高;反之,当淀粉的中长链占比较低时,表面有序度和相对结晶度高的淀粉分子也易发生回生。

图1 不同米淀粉的X-射线衍射图谱

2.7 半结晶层状结构分析

小角衍射可以对不同米淀粉的层状结构进行分析,表8和图2分别为不同米淀粉的SAXS参数和散射曲线。将4种米淀粉的SAXS双对数曲线中低角度散射矢量区进行回归拟合,得到的α值如表8所示。小米淀粉为质量分形,黑米、糯米和粳米淀粉为表面分形,且糯米和粳米淀粉的α值更大。表面分形的半结晶结构比质量分形的半结晶结构更紧密,有序化程度更高,因此黑米、糯米和粳米的半结晶结构比小米淀粉的更加紧密有序,紧实有序的结构可能会不容易发生回生。散射峰形状与半结晶结构有关,峰形越尖锐,半结晶结构越明显;散射峰强度与双螺旋结构排列有关,强度越大,双螺旋排列的一致性越好[25]。根据图2来看,4种米淀粉的峰尖锐程度相似,说明半结晶结构的完整性相似;糯米和粳米淀粉的峰强度更大,表示二者的双螺旋结构一致性更好,双螺旋一致性好的淀粉抗回生性能较好。

表8 不同米淀粉的SAXS参数

图2 不同米淀粉的SAXS曲线

淀粉颗粒是由结晶区和无定型区交替排列组成的半结晶聚合物,SAXS技术便可用来分析其半结晶结构特征。根据Woolf-Bragg公式:d=2π/q,可以得到淀粉颗粒的半结晶层厚度d。根据表8可知,小米淀粉半结晶层厚度d最大,达到6.978 4 nm,黑米淀粉其次,糯米淀粉和粳米淀粉的差距不明显。薛薇[26]表明直链淀粉含量对半结晶层厚度有一定影响,随着直链淀粉含量的增加,半结晶层厚度也呈增加的趋势,表1和表8的结果显示出,本实验选取的4种米淀粉符合该规律。可以推测,淀粉的半结晶层厚度增加,淀粉易发生回生现象。

图3 各指标间相关性分析热图

2.8 相关性分析

对淀粉回生及结构指标进行了相关性分析和聚类分析,结果如图3所示,米淀粉的各个指标之间存在着不同程度的相关性,红色表示指标之间呈正相关,蓝色表示呈负相关,色块越小颜色越淡表示相关性越小。本实验将回生值、终值黏度和热焓值作为回生性质的评定指标,根据图3可以看出,回生值、终值黏度和热焓值与直链淀粉含量、支链淀粉峰Mw、B1链含量、相对结晶度、d值呈正相关,与A链含量、q值、α值呈负相关。这表明当淀粉中直链淀粉含量高、支链淀粉峰Mw数值大、B1链含量高、相对结晶度大、d值较大时,淀粉会更加容易发生回生现象,且热焓值与直链淀粉含量的相关性系数为0.995,直链淀粉含量对淀粉回生的影响较大。聚类结果显示,不同精细结构的指标参数被聚为3类,第一类为相对结晶度、B1链含量、短程有序性、B3链含量、B2链含量、直链淀粉含量、热焓值和d值;第二类为支链淀粉峰Mw、回生值和终值黏度;第三类为α值、q值、A链含量和直链淀粉峰Mw。依据本实验分析的相关性和聚类分析,后续可以根据淀粉精细结构的特征来推测淀粉回生程度的大小。

3 结论

通过回生性质测定的现象,研究淀粉精细结构如何影响米淀粉回生特性。实验结果表明:回生性质显示黑米、小米淀粉表现出较强的回生能力,糯米、粳米淀粉较弱。回生现象的不同证明精细结构与回生性质联系紧密。小米和黑米淀粉的直链含量高,支链淀粉峰Mw较大、半结晶层状结构松散且厚度较厚,进而导致分子间容易聚集重排发生回生现象;中长链含量占比高保证形成的双螺旋较为稳定的同时也提高了表面有序性和相对结晶度,回生后形成的分子更稳定,具体表现为二者的回生值、硬度和热焓值偏大。而粳米淀粉和糯米淀粉直链淀粉含量低,短链占比高,相对不容易回生且糯米淀粉回生值、硬度和热焓值都较低,具有良好的抗回生性能。相关性分析结果显示出淀粉回生程度与直链淀粉含量、支链淀粉峰Mw、B1链含量、相对结晶度和d值呈正相关,淀粉的回生是一个受到多种因素影响的过程,未来可以探索更多精细结构如何影响回生及回生机理,为淀粉回生的研究提供更多的参考。