動態(tài)高壓微射流改性可溶性大豆多糖對大米淀粉老化特性的影響

曾子聰，劉成梅，羅舜菁*，陳 軍，符 珍，龔二生

（南昌大學 食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江西 南昌 330047）

動態(tài)高壓微射流改性可溶性大豆多糖對大米淀粉老化特性的影響

曾子聰，劉成梅，羅舜菁*，陳 軍，符 珍，龔二生

（南昌大學 食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江西 南昌 330047）

采用動態(tài)高壓微射流（dynamic high pressure microf l uidization，DHPM）分別在80、120、170 MPa條件下對可溶性大豆多糖（soluble soybean polysaccharides，SSPS）改性，通過掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）和傅里葉紅外光譜（fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）比較改性前后SSPS表面形態(tài)和分子結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明：改性后SSPS的主體結(jié)構(gòu)基本未發(fā)生變化，只是樣品內(nèi)部氫鍵作用減弱，有序性降低；外觀形態(tài)發(fā)生破碎斷裂現(xiàn)象，形成多孔結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)變得松散。然后通過快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA）、差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）、FTIR手段研究改性后可溶性大豆多糖（modif i ed soluble soybean polysaccharides，MSSPS）對大米淀粉（rice starch，RS）老化特性的影響。添加MSSPS組與SSPS組比較，RS糊化峰值黏度、最終黏度、回復(fù)值、糊化焓值以及FTIR圖譜1 047、1 022 cm-1處的峰高比值均顯著降低（P＜0.05）。結(jié)果表明：添加MSSPS后，RS的老化程度顯著降低（P＜0.05），且改性壓強增大，MSSPS抑制老化的效果顯著增強（P＜0.05）。

動態(tài)高壓微射流；可溶性大豆多糖；大米淀粉；老化

以淀粉為主要原料的食品經(jīng)過冷卻或者儲藏一段時間后硬度變大，組織變得松散、粗糙，彈性和風味隨之消失，且不易被消化酶解，這就是淀粉的老化現(xiàn)象[1]。淀粉老化問題是一個世界性的難題，全世界每年都因淀粉老化問題要直接浪費掉大量的糧食。大米的主要成分是大米淀粉（rice starch，RS），淀粉老化嚴重影響了米制品的口感和接受程度，從而成為影響其品質(zhì)的主要因素[2]，同時它也是制約米制品產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素。因此淀粉類制品的抗老化研究一直是業(yè)界的難點和重點。

可溶性大豆多糖（soluble soybean polysaccharides，SSPS）是一種從豆渣中提取得到的活性多糖，具有降低膽固醇、提高盲腸有機酸含量、減肥及順暢通便等功能[3]。研究表明，SSPS添加到食品中能夠抑制淀粉回生、防止米飯的黏結(jié)[4-5]，當添加量為1.0%或1.5%時，即能使面包的比容增大，含水量增加，明顯延緩面包的老化現(xiàn)象[6]。動態(tài)高壓微射流（dynamic high pressure microfluidization，DHPM）是一種新興的集輸送、混合、超微粉碎等多種單元操作于一體的高壓加工技術(shù)，對物料具有很好的超微化、微乳化和均一化效果[7]。為進一步提高SSPS的理化性能，本課題組采用DHPM對SSPS改性，并對其改性前后的組分、結(jié)構(gòu)以及功能變化做了大量研究，結(jié)果表明改性后的可溶性大豆多糖（modif i ed soluble soybean polysaccharides，MSSPS）其分子外觀形態(tài)及單糖組成均發(fā)生顯著變化[8]，這些變化使其生理功能得到顯著改善[9-10]。本實驗室前期研究發(fā)現(xiàn)特別是MSSPS對RS的理化性質(zhì)有顯著影響，添加MSSPS后，RS的溶解度和透明度明顯提高，析水率和凝膠硬度也顯著下降，表明MSSPS對改善淀粉類食品的質(zhì)構(gòu)和食用品質(zhì)，提高其貯藏穩(wěn)定性均有很好的作用。此外，在前期研究中還發(fā)現(xiàn)改性后的MSSPS抑制淀粉老化的效果顯著提高。

為進一步探明DHPM改性的MSSPS對RS老化性質(zhì)的影響，本研究利用掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）和傅里葉紅外光譜（fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）觀察改性前后SSPS表面形態(tài)和分子結(jié)構(gòu)的變化，并通過快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA）、差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）、FTIR手段研究MSSPS對RS老化特性的影響，旨在為改善米制品的食用品質(zhì)、延長產(chǎn)品貨架期提供一定的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

秈米淀粉（RS）：昆明普洱永吉生物科技有限公司，生產(chǎn)批號2011070501；根據(jù)AOAC（2005）[11]測定蛋白質(zhì)含量為（0.44±0.01）%、脂肪含量為（0.61±0.03）%、灰分含量為（0.31±0.02%）、水分含量為（9.59±0.42）%；根據(jù)Yao Yuan等[12]的方法采用碘比色法測定直鏈淀粉含量為（28.92±0.19）%。

可溶性大豆多糖（SSPS） 鄭州荔諾生物科技有限公司，SSPS（苯酚-硫酸法，含量為90%），重均分子質(zhì)量Mw為6.91×104D。

1.2 儀器與設(shè)備

M-700微射流均質(zhì)機 美國Microfluidics公司；Free Zone真空冷凍干燥機 美國Labconco公司；Nicolet 5700傅里葉變換紅外光譜儀 美國熱電尼高力公司；RVATEC MASTER 瑞典Perten公司；Q2000-DSC差式掃描量熱儀（帶PE坩堝） 美國TA公司；QUANTA-200F環(huán)境掃描電子顯微鏡 美國PEI公司；HJ-6A數(shù)顯恒溫磁力攪拌器 金壇市醫(yī)療儀器廠；DFY-200小型高速粉碎機溫嶺市林大機械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 MSSPS的制備

將SSPS與蒸餾水配成質(zhì)量比1∶35的溶液，經(jīng)過動態(tài)高壓微射流均質(zhì)機分別在80、120、170 MPa條件下處理3 次。處理完后立即用流水冷卻至室溫，凍干備用。

1.3.2 RS老化樣品的制備[13]

將RS與MSSPS或SSPS按質(zhì)量比10∶0、9.5∶0.5進行混合，取一定量的混合樣品，然后按照1∶3的比例加入蒸餾水，于室溫下在磁力攪拌計上攪拌2 h，使兩者充分混合。然后將混合液在沸水浴上加熱糊化20 min，并不時搖動，然后取出冷卻至室溫并于4 ℃條件下老化7 d。將完成老化的樣品進行凍干，經(jīng)粉碎機粉碎后過100 目篩，備用。

1.3.3 糊化特性分析[14]

將RS與MSSPS或SSPS按質(zhì)量比10∶0、9.5∶0.5進行混合，分別取3 g混合樣品，放入RVA專用鋁盒中，加入25 mL去離子水攪拌均勻，制成淀粉乳，然后進行測定。采用系統(tǒng)內(nèi)置的Rice Starch Standard1方法，加熱和冷卻循環(huán)過程為：50 ℃保持1 min；然后以5 ℃/min升溫到95 ℃，保持7 min；再以6 ℃/min降溫至50 ℃，保持4.5 min；轉(zhuǎn)速在起始10 s內(nèi)為960 r/min，之后保持在160 r/min。

1.3.4 熱力學分析[15]

取2 mg 1.3.2節(jié)中制備的RS老化樣品到液體坩堝中，加入4 μL去離子水，密封，室溫下平衡24 h。以10 ℃/min速率從20 ℃加熱到95 ℃，觀察樣品糊化峰型以及對應(yīng)溫度。以空坩堝做對比，氮氣作為載氣，流速為20 mL/min。

1.3.5 傅里葉紅外光譜分析[16-17]

分別取2 mg凍干后的MSSPS和SSPS與200 mg KBr進行研磨、壓片后，掃描所得紅外圖譜用于MSSPS和SSPS的結(jié)構(gòu)分析；另取2 mg 1.3.2節(jié)中制備的RS老化樣品與200 mg KBr進行研磨、壓片，掃描得到紅外圖譜后，用OMNIC 8.2版軟件扣除空氣背景，校準基線并去卷積，去卷積參數(shù)為半峰寬26，增強因子2.4，去卷積范圍：1 200～700 cm-1；根據(jù)去卷積后的譜圖計算1 047、1 022 cm-1處的峰高比值用于老化淀粉的光譜分析。

紅外光譜掃描條件為：在室溫下進行掃描，波段范圍為4 000～400 cm-1，掃描分辨率為4 cm-1，掃描整合頻譜32 倍。

1.3.6 微觀結(jié)構(gòu)分析[18]

將導電雙面膠帶貼于鋁載物臺上，在雙面膠上涂抹MSSPS或SSPS樣品，多余的樣品用洗耳球吹去，將載物臺放于掃描電子顯微鏡中進行觀察，電子槍加速電壓為20 kV。

1.4 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 DHPM改性對SSPS的影響2.1.1 表面形態(tài)

圖1 SSPS和MSSPS的微觀結(jié)構(gòu)（×600）Fig.1 Microstructures of SSPS and MSSPS (× 600)

經(jīng)過DHPM改性后，用掃描電鏡觀察SSPS的表面形態(tài)，如圖1所示。未改性的可溶性大豆多糖在電鏡下為完整的塊狀結(jié)構(gòu)（圖1a），經(jīng)過DHPM處理變?yōu)楸∑瑺?，表面有細小的孔洞（圖1b），隨著壓強的增大，薄片尺寸變小，孔洞直徑增大（圖1c），當壓強達到170 MPa時，SSPS基本上被粉碎，孔洞結(jié)構(gòu)更為清晰（圖1d）。這直接說明了在DHPM的高速剪切、撞擊、瞬時壓降、空穴爆炸等作用下，物料被細化，同時SSPS內(nèi)部發(fā)生膨化作用，結(jié)構(gòu)變得松散。

2.1.2 紅外光譜鑒定

由圖2可知，未改性的SSPS在3 410、2 928 、1 631、 1 027 cm-1處具有較強的吸收譜帶。它們分別是由O—H伸縮振動、C—H伸縮振動、H—O—H伸縮振動、C—O—C非對稱伸縮振動以及C—O—H彎曲振動導致[9,19]。DHPM改性后，圖譜基本形狀未發(fā)生改變，也沒有新的吸收峰產(chǎn)生，表明SSPS的主體結(jié)構(gòu)基本沒有發(fā)生變化；而3 400 cm-1附近的吸收譜帶隨壓強增加逐漸變窄且向高波數(shù)方向移動，表明樣品內(nèi)部氫鍵作用減弱，分子結(jié)構(gòu)變得松散；同時，樣品在1 631 cm-1吸收峰的相對強度增大，表明樣品吸收的水分增多[20]，進一步驗證了本課題組的前期研究結(jié)論：主鏈降解程度較小，分子間氫鍵斷裂重組，側(cè)鏈則發(fā)生一定程度的斷裂[8]，導致樣品整體結(jié)構(gòu)變得松散，樣品結(jié)合水的能力及其反應(yīng)活性增強。

圖2 SSPS和MSSPS的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of SSPS and MSSPS

2.2 DHPM改性SSPS對淀粉老化特性的影響

2.2.1 糊化特征曲線

RVA曲線反映了淀粉在糊化過程中的黏度特性，通常其分析結(jié)果中的回復(fù)值反映了淀粉的老化程度，當直鏈淀粉較多且易于形成結(jié)晶時回復(fù)值較大，淀粉老化程度高；相反，當回復(fù)值較小時，老化程度則較低[21-22]。

圖3 添加MSSPS后RS的RVA黏度曲線Fig.3 RVA pasting prof i les of RS containing MSSPS

由圖3可知，添加MSSPS后RS的峰值黏度和最終黏度明顯降低，這主要是因為MSSPS與淀粉分子競爭結(jié)合水分，使得淀粉分子與水的氫鍵作用減弱[23]；同時MSSPS含有的羥基易于與淀粉分子形成氫鍵，以此干擾淀粉多聚物鏈的排列[24]；此外，SSPS本身黏度較低，改性后由于SSPS主側(cè)鏈發(fā)生不同程度的降解，導致其分子質(zhì)量降低，因而黏度進一步降低[9]，附著在淀粉顆粒表面可能起到潤滑作用，減少了淀粉顆粒的磨損以及淀粉組分的滲出[25]，從而降低峰值黏度和最終黏度。

由表1可知，添加MSSPS后RS糊化過程中的峰值黏度和最終黏度呈現(xiàn)明顯下降趨勢，且當改性壓強增大到120 MPa時，下降趨勢顯著（P＜0.05）。此外，添加MSSPS后RS的回復(fù)值顯著降低（P＜0.05），隨著改性壓強的增大，MSSPS的改性程度加劇，添加到RS中，回復(fù)值呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢（P＜0.05），當改性壓強達到170 MPa時，其降低的幅度達到51.2%。表明添加MSSPS能夠顯著抑制RS的老化進程（P＜0.05），且隨著改性壓強的增大，MSSPS抑制老化的效果顯著增強（P＜0.05）。

表1 添加MSSPS對RS糊化特性的影響Table1 Effect of MSSPS on pasting properties of RS

2.2.2 熱力學特性分析

利用DSC可以方便地測定老化淀粉重新糊化的吸熱焓（ΔH），ΔH與淀粉的老化程度呈正相關(guān)，因而可作為淀粉老化程度的指標[26]。表2數(shù)據(jù)表明添加SSPS后起始溫度（T0）、峰值溫度（Tp）均無明顯變化，終止溫度（Tc）向低溫方向移動，糊化溫度范圍（Tc～T0）縮小?？赡茉蚴翘砑覯SSPS后RS中支鏈淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得RS的結(jié)晶度以及結(jié)晶完整度降低，從而導致RS糊化過程中終止溫度降低[27]。

此外，表2數(shù)據(jù)表明添加SSPS后RS的糊化焓值（ΔH）有一定程度的降低，而添加MSSPS，ΔH顯著降低（P＜0.05），且添加改性壓強大的MSSPS，ΔH降低的幅度更大，當改性壓強達到120 MPa時，ΔH降幅已經(jīng)超過10%，而在最大改性壓強下（170 MPa）ΔH降幅最大，可以由5.6 J/g干基降低到4.5 J/g干基，降幅接近20%。該實驗結(jié)果與RS的糊化特性分析結(jié)果一致，均表明了MSSPS對RS老化具有顯著抑制作用。

表2 添加MSSPS對RS熱力學特性的影響Table2 Effect of MSSPS on thermal properties of RS

2.2.3 老化淀粉的光譜特征

傅里葉變換紅外光譜對淀粉結(jié)晶、分子鏈構(gòu)象、雙螺旋結(jié)構(gòu)變化極其敏感，是研究淀粉老化結(jié)晶的一種有效方法[28]。實驗中對添加MSSPS或SSPS后RS老化樣品的紅外圖譜作進一步去卷積處理，得到更為精確的圖譜如圖4所示，圖中主要的吸收峰分別是936、1 022、1 047、1 082、1 151 cm-1。1 082 cm-1和1 151 cm-1處吸收峰由C—O—H基團中C—O伸縮振動導致，1 022 cm-1和1 047 cm-1處的吸收峰則是脫水葡萄糖環(huán)上C—O—C基團中的C—O伸縮振動導致，936 cm-1處的吸收峰則是由C—H彎曲振動引起[29]。圖譜中1 047 cm-1處的吸收峰被認為是代表了淀粉體系中結(jié)晶區(qū)域的特性，而1 022 cm-1處的吸收峰則代表了無定型區(qū)域的特征；兩個峰的峰高比值（1 047 cm-1/1 022 cm-1）則與淀粉的結(jié)晶度有關(guān)，淀粉結(jié)晶度越大，該比值也越大[30]。

圖4 添加MSSPS后RS老化樣品的去卷積圖譜Fig.4 FTIR deconvoluted spectra of RS with addition of MSSPS

表3 添加MSSPS對RS紅外特征峰峰高比值的影響Table3 Effect of MSSPS on the ratios of the peak intensities at 1 047 cm-1and 1 022 cm-1

由表3可知，RS老化后峰高比值較大，添加不同改性壓強的MSSPS該比值分別為1.23、1.20、1.11，明顯低于RS（1.58），且隨著改性程度的增大顯著降低（P＜0.05），表明MSSPS的加入顯著降低了老化淀粉的結(jié)晶程度。這可能是因為MSSPS加入后對淀粉分子的相互結(jié)合形成空間位阻，導致其晶核形成較少，結(jié)晶度下降[31]；同時改性使得MSSPS暴露出更多的活性基團，加強了MSSPS與淀粉之間的氫鍵作用，阻礙了淀粉分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成，使其難以形成晶體結(jié)構(gòu)，導致結(jié)晶度降低。

由RVA、DSC以及FTIR的分析結(jié)果一致表明MSSPS對RS的老化進程有顯著抑制作用（P＜0.05），且隨改性壓強的增大，MSSPS對RS的抑制效果顯著增強（P＜0.05）。這主要是因為在DHPM的高速剪切和撞擊等作用下SSPS分子結(jié)構(gòu)變得松散，內(nèi)部有序性降低，同時暴露出更多的水合位點以及—OH、—COOH等極性基團[8]，水合性能和反應(yīng)活性均得到一定程度提高。MSSPS添加到RS中能夠與淀粉分子競爭結(jié)合水分，導致老化水分不足[32]；同時淀粉凝膠中自由水分含量減少導致淀粉分子遷移速率降低，延緩了淀粉分子的相互締合形成結(jié)晶。此外，水合的MSSPS還能形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]，對淀粉分子進行“固定”，阻礙淀粉分子間的相互締合。另一方面，MSSPS可能包覆在淀粉顆粒表面或者通過氫鍵、離子鍵與淀粉分子相互作用[25]，減弱了淀粉分子間形成氫鍵的能力，降低了淀粉分子重新締合的程度。此外，MSSPS經(jīng)DHPM改性后大部分側(cè)鏈脫離糖鏈，更多的單糖分子（如巖藻糖、木糖、甘露糖等）亦不同程度的脫離SSPS分子鏈[8]，它們可能與淀粉分子相互作用，阻礙淀粉分子間的締合，從而延緩淀粉的老化[33]。

3 結(jié) 論

經(jīng)DHPM改性后，SSPS的主體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，但氫鍵作用被減弱，樣品結(jié)構(gòu)的有序性遭到破壞；同時SSPS的外觀形態(tài)發(fā)生破碎斷裂現(xiàn)象，形成了多孔的結(jié)構(gòu)，這些變化均有利于提高SSPS的水合能力和反應(yīng)活性。將MSSPS添加到RS當中，與添加SSPS組進行比較，RS糊化過程中峰值黏度、最終黏度、回復(fù)值均顯著降低（P＜0.05）；熱力學分析結(jié)合FTIR光譜分析表明添加MSSPS后，RS的吸熱焓值以及表征淀粉結(jié)晶度的特征峰的峰高比值均顯著降低（P＜0.05）。實驗結(jié)果一致表明添加MSSPS可顯著減低RS的老化程度（P＜0.05），且隨改性壓強增大其抑制老化的效果顯著增強（P＜0.05）。DHPM可作為一種綠色、安全的物理改性手段，用于改善SSPS的反應(yīng)性能，經(jīng)其改性的SSPS添加到米面食品中對RS的老化有顯著的抑制作用，可提高米制品質(zhì)量、延長產(chǎn)品貨架期。

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Retrogradation of Rice Starch Inhibited by Soluble Soybean Polysaccharides Modif i ed through Dynamic High Pressure Microf l uidization

ZENG Zi-cong, LIU Cheng-mei, LUO Shun-jing*, CHEN Jun, FU Zhen, GONG Er-sheng
(State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

Soluble soybean polysaccharides (SSPS) were modif i ed by dynamic high pressure microf l uidization (DHPM) at 80, 120 and 170 MPa, respectively. Differences in surface topography and molecular structure between SSPS and DHPM-modif i ed SPSS (MSSPS) were analyzed by scanning electron microscope (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The results indicated that the hydrogen bond and internal order of samples were decreased while the major structure of SSPS was not changed by DHPM treatment. In addition, the surface topography of samples became loose as SSPS was ruptured and some cellular structures were formed. Rapid visco analyzer (RVA), differential scanning calorimetry (DSC) and FTIR were employed to investigate the effect of MSSPS on the retrogradation properties of rice starch (RS). The results showed that the peak viscosity, final viscosity, gelatinization enthalpy and setback value were significantly decreased (P ＜ 0.05) in the gelatinization of RS with the addition of MSSPS. FTIR spectrum showed that the ratios of the peak intensities at 1 047 cm-1and 1 022 cm-1were signif i cantly decreased (P ＜ 0.05) with the addition of MSSPS. These results demonstrated that the retrogradation extent of RS was decreased signif i cantly (P ＜ 0.05) with the addition of MSSPS. Moreover, the inhibitory effect of MSSPS on the retrogradation of RS was signif i cantly (P ＜ 0.05) enhanced with increasing DHPM pressure.

dynamic high pressure microf l uidization; soluble soybean polysaccharides; rice starch; retrogradation

TS201.7

A

1002-6630（2014）21-0040-05

10.7506/spkx1002-6630-201421009

2013-10-18

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD37B02-02）；國家自然科學基金面上項目（31271953）

曾子聰（1989—），男，碩士研究生，主要從事食品加工新技術(shù)研究。E-mail：katzeng@163.com

*通信作者：羅舜菁（1969—），女，副教授，碩士，主要從事食品加工新技術(shù)研究。E-mail：luoshunjing@aliyun.com