不同提取方法对青稞淀粉结构和性质的影响

朱 静, 杨洁茹, 刘海波,, 王玉颜, 陈亚蓝,李 坤, 陈 龙, 李 飞, 刘 雄

(信阳农林学院食品学院1,信阳 464000) (西南大学食品科学学院2,重庆 400715)

青稞(highland barley, HB)作为藏族人民的主要粮食作物,通常被用于制作青稞面、青稞酒、糌粑等食品[1]。其富含膳食纤维、蛋白质、黄酮、β-葡聚糖等成分,具有预防心脑血管疾病和调节免疫等生理作用[2,3]。其中,青稞淀粉(highland barley starch, HBS)是HB中的主要成分,约占其质量的47.90%～79.00%[4]。与其他作物淀粉相比,HBS表现出更高的糊化温度、更好的回生和糊化能力,淀粉糊表现出非牛顿性质,具有剪切稀化特性[5]。因此,HBS的特性对青稞产品的加工质量和开发利用具有重要意义。

淀粉的分离提取是了解淀粉特性和进行适宜性加工生产的前提。HBS的提取通常有水浸泡提取、NaOH浸泡提取、Na2SO3浸泡提取和酶解提取等方法[4, 6],但不同的提取方法对淀粉呈现出不同的影响和效果。任欣等[6]采取水浸泡法提取了5种HBS并比较分析了不同种类的HBS的理化特性,发现昆仑12号的HBS更适合工业应用;张慧娟等[7]利用NaOH浸泡法提取的HBS颗粒表面光滑且粒度分布较均匀;Yang等[5]采用Na2SO3浸泡法提取北青和康青2个品种的HBS,发现北青HBS比康青HBS展现出更低的起始糊化温度、更大的糊化温度范围和峰值黏度;Sharma等[8]利用木瓜蛋白酶辅助提取的HBS表现较高的糊化温度、吸水性和黏度,但酶法提取经济成本较高,不适合大规模工业生产。近年来,超声技术因其高效、经济和环保等特点被广泛用于淀粉、多糖等成分的提取和加工[9, 10],因此可以考虑将超声技术应用于HBS的提取。

以往对HBS的提取及特性的研究较为单一,缺乏不同提取方法及其对HBS特性影响的系统性的比较和分析。因此,本研究拟利用超声辅助不同方法(水浸泡、NaOH浸泡和Na2SO3浸泡)提取HBS,探究不同提取方法对HBS的提取率、结构和性质的影响,为HBS的高效提取和规模化生产应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

青稞全粉(水质量分数9.36%、蛋白质质量分数10.00%、脂肪质量分数2.93%、淀粉质量分数67.05%);氢氧化钠、亚硫酸钠,分析纯。

1.2 仪器与设备

DHG-9070电热鼓风干燥箱,5810 R台式高速大容量冷冻离心机,KQ 5200 DE数控超声波清洗器,RVA 4500快速黏度仪,UltraScan PRO测色仪,XRD-7000 X衍射粉末衍射仪,JSM-6510LV扫描电子显微镜。

1.3 方法

1.3.1 青稞淀粉提取

称取过100目筛的青稞全粉100 g,按照青稞全粉与蒸馏水比例为1∶5(g/mL)搅拌浸泡2 h,过胶体磨2次(5 min/次)后将混合浆过100目筛子,收集滤液。提取方法(水浸泡,WS;超声-水浸泡,WSU;NaOH浸泡,SHS;超声-NaOH浸泡,SHSU;Na2SO3浸泡,SSS;超声-Na2SO3浸泡,SSSU)参考文献[5-7, 9]稍作修改,见表1。每组浸泡后离心(5 000 r/min,15min),弃去上清液,刮去上层黄灰色物质,收集下层白色淀粉加水制浆,过200目筛,刮去上层物质,收集下层淀粉在40 ℃条件下干燥24 h,研磨干淀粉块后过200目筛即得到青稞淀粉。淀粉提取率以青稞全粉中的淀粉被提取程度表示,按式(1)计算。

淀粉提取率=(m×c)/(M×x)×100%

(1)

式中:c为青稞淀粉中的总淀粉质量分数/%;x为青稞全粉中的淀粉质量分数/%;m为干燥淀粉制品的质量/g;M为称取青稞全粉的质量/g。

表1 青稞淀粉的不同提取方法

1.3.2 原料基本组分测定

水分含量测定参考GB 5009.3—2016中的直接干燥法;粗蛋白含量测定参考GB 5009.5—2016中的凯氏定氮法;粗脂肪含量测定参考GB 5009.6—2016中的索氏抽提法;直、支链淀粉含量测定参考李晓娟等[11]的方法。

1.3.3 淀粉色泽

利用测色仪测定不同提取方法的青稞淀粉的L、a、b值。以标准白板为对照,选择RsIN镜面反射模式对样品进行测定。

1.3.4 淀粉糊透明度

参考Liu等[12]的方法:配制50 mL、质量分数1%的青稞淀粉悬液,沸水浴中加热搅拌15 min(塑料膜封口以保持体积不变),冷却至室温后,在640 nm波长下测淀粉糊在放置0、3、6、9、12、24、36、48、72 h后的透光率,并以蒸馏水作为空白(透光率为100%)。

1.3.5 淀粉溶解度和膨胀力

根据薛艾莲[13]的方法并稍做改动:将50 mL、2%(g/g)的淀粉悬液在95 ℃的水浴中加热搅拌30 min,冷却至室温后离(3 000 r/min,15 min),移出上清液,120 ℃恒温烘箱中干燥4 h后称重,得被溶解淀粉质量A(g);离心管中沉淀物称重,则膨胀淀粉的质量P(g),样品干基质量为m(g)。溶解度S和膨胀力B分别按式(2)和式(3)计算。

1.3.6 淀粉糊冻融稳定性

根据Liu等[14]测定淀粉糊冻融稳定性的方法并加以修改:将80 mL质量分数为3%的淀粉悬液在沸水浴中加热搅拌15 min(塑料膜封口),略冷却后分装在10 mL的离心管中,装样量6 mL左右,称质量记作m1,置于-18 ℃冰箱中冷冻24 h,取出在30 ℃下解冻1.5 h,1次冻融的样品即可拿去离心。2次冻融样品将解冻后的样品继续放入冰箱冷冻24 h,再解冻、离心(3 000 r/min,15 min)。离心后移除上清液,沉淀物称质量记作m2,析水率按式(4)计算。

1.3.7 淀粉糊化特性

参考Suriya等[15]的方法,利用快速黏度仪进行青稞淀粉糊化特性的测定。称取(3.00±0.01)g(以14%为基准水质量分数)样品加入装有(25.00±0.01)g纯水的铝盒筒中,并用聚四氟乙烯搅拌器上下搅动10次后进行测定。

1.3.8 淀粉凝胶质构特性

将在快速黏度仪中糊化后的青稞淀粉糊,分装在10 mL玻璃烧杯中(装样量为烧杯的2/3,振动出气泡,刮平表面)室温下冷却,密封保存在4 ℃条件下24 h,测定淀粉凝胶的质构。设置参数:TPA模式,TA5探头,测试前速度:5.0 mm/s,测试中速度:1.0 mm/s,测试后速度:5.0 mm/s,穿刺距离:5 mm。

1.3.9 淀粉颗粒微观结构

利用扫描电镜观察青稞淀粉的颗粒形态。挑取少量青稞淀粉均匀分散在有导电胶的载物台上,洗耳球吹去多余样品,真空喷金处理后进行观察拍照,取×600、×2 000的放大图像。

1.3.10 X-射线衍射分析

将青稞淀粉样品放入XRD衍射检测槽进行X-射线衍射扫描。测定参数为:电压35 kV,电流30 mA,波长为0.154 nm的CuKa靶,测定的X衍射图谱的2θ范围在4°～40°,角度旋转速度为5(°)/min。

1.4 数据分析

所有实验重复3次,结果均表示为平均值±标准偏差。采用Microsoft Excel 2010整理数据,SPSS 17.0(Duncun法,P<0.05)分析处理数据,Origin 8.6作图。

2 结果与分析

2.1 不同方法提取的青稞淀粉基本成分

不同方法提取的青稞淀粉基本成分测定结果如表2所示。各方法提取的青稞淀粉含量均高于84.17%,说明这些方法可提取较高纯度的青稞淀粉。经超声处理后,青稞淀粉的脂肪含量都显著性降低(P<0.05)。WS、SHS和SSS的淀粉提取率分别为32.7%、44.46%和43.47%,在经过超声处理后,WSU、SHSU和SSSU的提取率增加了10%～20%,说明超声作用有助于青稞淀粉的分离。SSS和SSSU的直链淀粉(AM)质量分数最高接近30%,SHS和SHSU的AM质量分数最低约为20%。主要是由于NaOH对淀粉的晶体结构、形貌结构及分子结构均显著影响[16],溶液会将淀粉水解成短链,AM发生降解,含量下降[17],因此,NaOH浸泡后青稞淀粉的AM较低。支链淀粉(AP)含量:SHSU、SHS>WSU >WS、SSSU和SSS。结果表明:超声对青稞淀粉的AM含量没有显著影响,NaOH浸泡处理会降低AM含量,亚硫酸钠处理会增加AM含量。

表2 不同方法提取青稞淀粉的基本成分

2.2 不同方法提取的青稞淀粉色泽

由表3可知,不同提取方法的青稞淀粉的黄蓝色度(a)和红绿色度(b)有显著性差异,而亮度值(L)都没有显著性差异(P<0.05)。NaOH浸泡会使青稞淀粉的a和b增加,Na2SO3浸泡则会降低青稞淀粉的a和b,因为Na2SO3浸泡液会分解产生具有漂白作用的SO2[18]。超声处理对青稞淀粉的色泽没有显著性影响。总体而言,相比于WS和WSU组,SHS和SHSU的青稞淀粉的颜色略微偏黄,SSS和SSSU组的青稞淀粉颜色较其他方法略微偏白。

表3 不同方法提取的青稞淀粉色泽

2.3 不同方法提取的青稞淀粉糊透明度

透明度是淀粉糊的重要外在特征之一,不仅关系到淀粉及其加工产品的外观和用途,还影响淀粉产品的可接受性[19]。图1显示了不同提取方法的青稞淀粉透光率在放置0～72 h内的变化情况。在放置9 h后淀粉糊的透光率近乎水平稳定,没有显著性变化。稳定后不同方法提取的青稞淀粉的透光率关系为:WS>SHS、SHSU、WSU>SSSU、SSS,表明Na2SO3处理会明显降低淀粉的透光率,与SSSU、SSS处理的AM含量最高有关。研究表明,AM的含量是影响淀粉糊老化的主要内部因素,AM的链状结构在溶液中空间阻碍小易于取向和老化,淀粉中AM含量越高,淀粉就越易发生老化,淀粉糊的透明度也就越低[14, 15]。由图1可知,WS组颗粒物残留量最低,SSSU组最高,与透光率结果一致。淀粉悬液中大颗粒比例多并含有较少的颗粒残余物,使光的折射或散射小,从而使光透射率更高[20]。

图1 不同方法提取的青稞淀粉透光率

2.4 不同方法提取的青稞淀粉溶解度和膨胀力

当淀粉在过量的水中加热时,由于氢键断裂,晶体结构被破坏,膨胀的淀粉颗粒使直链淀粉渗出,淀粉发生溶解导致淀粉颗粒溶解度和膨胀力增加[21]。溶解度和膨胀力反映了淀粉链在无定形区域和结晶区域内的相互作用。这种相互作用的程度受到AM/AP比率和AM特性的影响[22]。淀粉颗粒的膨胀始于相对松散堆积的无定形区域,在接近结晶区域的非晶区域中进行,最后到达结晶区域[23]。溶解度表示淀粉在析水膨胀过程中溶出的可溶性直链淀粉的多少。由图2可知,不同方法提取的青稞淀粉溶解度:WSU>WS>SSSU>SSS>SHS、SHSU。SHS和SHSU组最小,与SHS和SHSU组的AM含量低,无定形区与结晶区的相互作用强有关;低AM含量的青稞淀粉(SHS和SHSU组)相应的膨胀力也大,膨胀力与直链淀粉含量的这种关系与Jing等[23]和Bento等[24]研究结果一致。SSS、SSSU、WS和WSU的膨胀力差别不大。结果表明超声处理能提高青稞淀粉的溶解度,稀碱和亚硫酸钠处理会降低淀粉溶解度,但能提高膨胀力。

注:同一指标组间标有不同小写字母表示差异显著(P<0.05),余同。图2 不同方法提取的青稞淀粉的溶解度和膨胀力

2.5 不同方法提取的青稞淀粉冻融稳定性

冻融稳定性可由析水率表示,数值越大,稳定性越差。经过冻融,青稞淀粉的凝胶结构被破坏,水分析出,使淀粉糊变成了松散状态。这是因为淀粉分子之间主要靠氢键连接,在低温下,随着冷冻时间的增加,淀粉分子间的相互作用力增大,淀粉分子链在平行取向形成凝胶束状结构时,迫使水分从凝胶中挤出[14]。由图3可以看出,不同提取方法的青稞淀粉在相同的冻融次数下,析水率存在一定差异。其中WSU组1次和2次冻融的析水率都很大,其冻融稳定也越差。其次WS和SHSU组冻融稳定性较差(两者没有显著差异)。相比于实验中的其他方法,SSS和SSSU组1次和2次冻融析水率都比较小,说明这2种方法的冻融稳定性较好,其中SSS的青稞淀粉冻融稳定性最好。研究发现,青稞淀粉糊的冻融稳定性与AM含量呈负相关性,一般淀粉糊中的AM因其链状结构的空间阻碍小,容易发生重排和缔合而产生凝沉现象,从而使淀粉糊的冻融稳定性变差[14, 25]。综合分析表明,超声处理会破坏淀粉的冻融稳定性,稀碱和亚硫酸钠处理能增强淀粉的冻融稳定性。

图3 不同方法提取的青稞淀粉冻融稳定性

2.6 不同方法提取的青稞淀粉糊化特性

不同方法提取的青稞淀粉糊化特性如表4所示。淀粉的峰值黏度通常与淀粉的水结合能力相关,关系到最终产品的质量[26]。6种方法提取的青稞淀粉之间的显著性差异较大(P<0.05),其中WSU和SHSU的峰值黏度显著高于其他组,SHS和SSS的峰值黏度显著低于其他组,说明WSU和SHSU取的青稞淀粉与水结合能力较好,SHS和SSS的较差。崩解值反映淀粉在加热搅拌过程中抵抗剪切的能力,是淀粉在加热过程中颗粒结构裂解难易程度的量度,崩解值越大,稳定性越好[27]。不同方法提取的青稞淀粉崩解值关系为:SHSU>WSU>SHS>WS>SSSU>SSS。SSS和SSSU的崩解值显著低于其他提取方法的,表明Na2SO3浸泡提取的淀粉稳定性差。淀粉糊冷却后,会在淀粉分子中发生回生或重排从而使淀粉黏度在谷值黏度的基础上有所回升。回生值反映了淀粉糊的稳定性,回生值越大,表明越容易老化,凝胶性能也就越强。不同方法提取的青稞淀粉回生值顺序为:WSU、SHSU>WS、SSSU>SHS、SSS。超声处理后的淀粉回生值都有所升高,表示超声处理的淀粉易发生老化。青稞淀粉的糊化时间WSU组最大,SHS组的最小,其他4种方法的糊化时间都没有显著变化。SSS和SSSU组的糊化温度高,其他4组没有显著性差异。结果表明超声能提高淀粉糊峰值黏度、崩解值和回生值,亚硫酸钠则相反;稀碱能降低峰值黏度和回生值,提高崩解值。

2.7 不同方法提取的青稞淀粉凝胶质构

凝胶的质地是评价淀粉凝胶产品性质的重要评价标准。硬度是指压缩凝胶的厚度至70%时所达到的力,而弹性则表示凝胶在撤去外力后恢复原来形态的能力,内聚性反映了凝胶内部粘结的紧密程度和抵抗外界破坏的能力[6]。不同方法提取的青稞淀粉凝胶质构参数如表5所示。不同组的青稞淀粉的硬度SHSU>SSSU>WSU、SHS、WS>SSS;凝胶弹性之间没有显著性差异(P<0.05);内聚性SSSU>SSS、SHS>WSU、SHSU、WS。淀粉凝胶的质构特性受多种因素包括直链淀粉含量、凝胶分散相和连续相之间的相互作用、支链结构等的影响[28]。此外,分支链的重结晶可改善淀粉凝胶的质构和力学性能,如凝胶强度和凝胶弹性增加[29]。结果表明,超声、稀碱和亚硫酸钠处理均能提高凝胶硬度和内聚性,但对凝胶弹性没有影响。

表4 不同方法提取的青稞淀粉糊化特征值

表5 不同方法提取的青稞淀粉凝胶质构参数

2.8 不同方法提取的青稞淀粉扫描电镜

不同方法提取的青稞淀粉的微观形态如图4所示。青稞淀粉主要呈扁球形、椭圆形和圆形的淀粉颗粒,也含有一定数量的形状不规则小颗粒,不同提取方法的青稞淀粉微观形态有所差别。其中,WS的青稞淀粉颗粒完整且表面光滑,无小裂痕或缺口,还含有少量形状不规则小颗粒物质(图4a、图4b)。WSU的青稞淀粉颗粒完整性部分被破坏,出现小缺口,同时小颗粒淀粉比例较WS的青稞淀粉组略有增加,小颗粒物质多且呈现不规则形状(图4c、图4d)。SHS的青稞淀粉颗粒是圆形或椭圆形,但相比于WS和WSU组,附着在淀粉颗粒上的小颗粒明显减少,且淀粉颗粒表面有出现凹陷和裂痕(图4e、图4f)。SHSU的淀粉形态较SHS组没有发生大的改变,但附着在大颗粒淀粉上的小颗粒物质明显增加,且形状大多不是规则的圆形或椭圆形(图4g、图4h)。SSS的青稞淀粉主要是圆润的颗粒,表面个别略有裂痕和缺口(图4i、图4j)。SSSU的青稞淀粉较SSS附着在颗粒上的小颗粒物质明显增加(图4k、图4l)。综合分析表明:稀碱处理对淀粉颗粒几乎没有破坏作用,超声和亚硫酸钠处理会使淀粉中的小颗粒物质增多,超声还会使少量淀粉颗粒表面产生破损。

2.9 不同方法提取的青稞淀粉X-射线衍射分析

青稞淀粉的X-衍射曲线见图5,不同方法提取的青稞淀粉的衍射峰强度存在一定差别,但均表现出“A”型衍射特征,即在2θ为15°和23°附近有一个单峰,在17°～18°范围内有连续的双峰,所以稀碱、亚硫酸钠和超声处理都不会改变青稞淀粉原有的晶型。X-衍射结果处理参考樊艳叶[16]的方法用MDI Jade6.0拟合分峰计算淀粉结晶度。不同淀粉的结晶度的计算结果如表6和表7所示,其中SSS组淀粉的结晶度最高,SSSU组的最低,WS、SHS和SHSU三组结晶度相近。由青稞淀粉的衍射峰特征值可知,其中所有超声处理组的出峰位置略优先于未加超声处理组,且在2θ为23°附近的峰强度有所降低。结果说明,超声处理后的青稞淀粉结晶度略有所降低,亚硫酸钠处理后的略升高,稀碱对结晶度没有影响。不同提取方法均不会改变青稞淀粉的结晶类型。

图4 不同方法提取的青稞淀粉扫描电镜图

图5 不同方法提取的青稞淀粉X-射线衍射

表6 不同提取方法的青稞淀粉的衍射角和强度比

表7 不同提取方法的青稞淀粉的结晶度和结晶类型

3 结论

研究不同提取方法对青稞淀粉的结构和性质的影响。结果表明:用NaOH、Na2SO3浸泡或超声波处理均可以显著提高青稞淀粉的提取率,超声波处理对淀粉提取率的提升程度更大。超声处理对青稞淀粉的直链淀粉、淀粉色泽、透光率和结晶类型无较大影响,但会明显增加淀粉的溶解度、黏度、崩解值、回生值、糊化时间和糊化温度;且超声辅助NaON或Na2SO3浸提处理时,不会改变稀碱和亚硫酸钠对淀粉的影响。NaOH处理会使青稞淀粉的直链淀粉含量降低、色泽略发黄、透光率降低、溶解度变小、黏度降低、膨胀力增大、崩解值提高。Na2SO3处理会使青稞淀粉的直链淀粉含量增加、色泽亮白、透光率降低、冻融稳定性升高、糊化温度提高、黏度降低、回生值变小。后续研究还可对最佳提取方法进行优化,得到提取淀粉的最佳条件,以提高青稞淀粉的产率。同时对提取的青稞淀粉的结构性质进行比较分析,以期为青稞淀粉的深加工应用提供参考。