李　濤, 安鳳平,2, 宋洪波,2, 王藝偉,2, 劉燦燦, 萬　成

(1.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院;2.福建省特種淀粉品質(zhì)科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002)

紫山藥(DioscoreaalataL.)又稱紫蒔藥、紫人參等，為一年或多年生藤本蔓性植物，在我國南方地區(qū)廣泛種植[1].淀粉是紫山藥中的主要成分，約占新鮮塊莖生物總量的16%～20%.

原淀粉因具有某些天然缺陷，大大限制了其應(yīng)用范圍[2].改性處理改善了原淀粉的加工性能和營養(yǎng)價(jià)值，使之廣泛應(yīng)用于肉類制品、烘焙制品、奶制品以及冷凍等食品中[3-4].淀粉改性主要包括物理法、化學(xué)法和酶法，其中物理法因具有方法簡(jiǎn)便、產(chǎn)品安全性好等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注.韌化法、濕熱法和壓熱法是物理改性淀粉的主要方法，是一類低成本、環(huán)保并能改善淀粉性能的方法[5].

淀粉的溶解特性、熱焓特性與食品加工過程設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)密切相關(guān)，消化特性是淀粉類食品營養(yǎng)和功能性的重要組成部分[6-8].近年來，關(guān)于紫山藥的研究多集中于小分子生物活性成分的功能性研究與利用[9-10]，而關(guān)于紫山藥淀粉加工利用的研究鮮有報(bào)道.因此，本試驗(yàn)開展韌化、濕熱和壓熱3種物理方法對(duì)紫山藥淀粉溶解、熱焓等理化性質(zhì)和消化特性影響的研究，并分析導(dǎo)致這些差異的原因，旨在為紫山藥淀粉的加工利用提供參考.

1　材料與方法

1.1　材料

紫山藥產(chǎn)自福建省三明市建寧縣，品種為紫玉淮山.

D-葡萄糖檢測(cè)試劑盒由愛爾蘭Megazyme公司提供；檸檬酸、氯化鈉、異抗壞血酸鈉、無水乙醇、磷酸氫二鈉和氫氧化鈣均為國產(chǎn)分析純.

主要儀器與設(shè)備有200F3型差示掃描量熱儀(德國NETZSCH公司)、JSM-6380 LV型掃描電鏡(日本JEOL公司)、MiniFlex 600型X-射線衍射儀(日本Rigaku公司)、Nicolet-460型傅立葉變換紅外光譜掃描儀(美國Thermo Scientific公司)和UV-1100型紫外可見分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司).

1.2　方法

1.2.1紫山藥淀粉的制備以新鮮紫山藥為原料，去皮、切片，置于復(fù)配護(hù)色劑(含0.05%檸檬酸、0.10%氯化鈉、0.35%異抗壞血酸鈉和0.06%氫氧化鈣)中室溫護(hù)色30 min.取出瀝干，加入3倍的蒸餾水，用攪拌機(jī)打漿.將漿液依次過紗布、100絹目和200絹目后，靜置沉降6 h.取下層沉淀并用蒸餾水反復(fù)清洗，每次清洗后室溫靜置4 h，棄去上清液，直到上清液澄清為止，置離心機(jī)中于4 000 r·min-1離心15 min，刮去上層雜質(zhì)，反復(fù)離心除雜，乙醇真空抽濾沉淀物后置烘箱中，于40 ℃烘至含水量為(10±0.2)%，粉碎后過100目篩，得紫山藥淀粉.

1.2.2基本成分的測(cè)定樣品中的淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分和粗纖維含量按照文獻(xiàn)[11]的方法測(cè)定，重復(fù)3次，取平均值.

1.2.3熱處理方法韌化處理：參考杜雙奎等[12]的方法.取含水量為75%的紫山藥淀粉乳，60 ℃下恒溫振蕩水浴24 h，于4 000 r·min-1離心10 min，烘干、粉碎，過100目篩.

濕熱處理：參考Xia et al[13]的方法.取紫山藥淀粉加水至水分含量為20%，放入密閉耐高溫的反應(yīng)釜中進(jìn)行濕熱處理(溫度100 ℃，時(shí)間10 h)，烘干、粉碎，過100目篩.

壓熱處理：參考張麗芳等[14]的方法并稍作修改.取紫山藥淀粉，加水配成25%的乳液，于高壓滅菌鍋(120 ℃)中處理30 min，烘干、粉碎，過100目篩.

1.2.4顆粒形貌觀察將少量樣品用雙面膠固定在制樣臺(tái)上，在真空條件下進(jìn)行噴金處理，采用掃描電鏡觀察淀粉顆粒形貌.

1.2.5傅立葉變換紅外光譜分析將干燥的淀粉樣品與溴化鉀以1∶100～1∶150的比例進(jìn)行混合，充分研磨.將研磨好的粉末倒入模具中抽真空壓片，于12 MPa壓力下保持30 s，壓至透明.傅立葉變換紅外光譜掃描儀掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)16～32.

1.2.6結(jié)晶特性的測(cè)定采用X-射線衍射儀測(cè)定.參數(shù)設(shè)定為：管壓40 kV，電流200 mA，在2θ=5°～35°的范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)掃描.采用MDI Jade 5.0軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1.2.7溶解特性的測(cè)定溶解特性包括溶解度和膨脹度，參考Gani et al[15]的方法測(cè)定.

1.2.8熱焓特性的測(cè)定準(zhǔn)確稱取3.4 mg淀粉樣品置耐高壓坩堝中，加入6.6 μL去離子水，鎖緊壓蓋后室溫平衡24 h.采用差示掃描量熱儀(DSC)進(jìn)行測(cè)定，掃描溫度范圍為20～200 ℃，加溫速率為10 ℃·min-1.起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)和糊化焓由差示掃描量熱儀曲線得出，糊化溫度范圍(R)=Tc-To.

1.2.9體外消化特性的測(cè)定參考Englyst et al[16]的方法測(cè)定，有部分改動(dòng).取0.2 g淀粉樣品置錐形瓶中，添加15 mL 0.2 mol·L-1醋酸鈉緩沖液(pH 5.2)，混勻后加入10 mL混合酶液(含290 U·mL-1豬胰α-淀粉酶和15 U·mL-1糖化酶)，置37 ℃恒溫水浴中振蕩120 min.于20、120 min各取0.5 mL酶解液，加入4 mL無水乙醇，于4 000 r·min-1離心10 min.取離心上清液，采用D-葡萄糖檢測(cè)試劑盒測(cè)定葡萄糖含量，根據(jù)公式(1)、(2)和(3)分別計(jì)算樣品中快速消化淀粉(ready digestible starch, RDS)、緩慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)、抗消化淀粉(resistant starch, RS)的含量.

(1)

(2)

RS/%=100-RDS-SDS

(3)

式中：G0—淀粉酶解前的葡萄糖質(zhì)量(mg)；G20—酶解20 min時(shí)的葡萄糖質(zhì)量(mg)；G120—酶解120 min時(shí)的葡萄糖質(zhì)量(mg)；W—樣品的質(zhì)量(mg).

1.2.10數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用DPS V7.65軟件分析處理間的差異顯著性(P<0.05)，采用OriginPro 8.0軟件繪圖.

2　結(jié)果與分析

2.1　紫山藥淀粉的基本成分組成

從表1可以看出，紫山藥淀粉樣品中的蛋白質(zhì)、脂肪、灰分和粗纖維含量低，淀粉含量高達(dá)97.26%，表明制備紫山藥淀粉的方法是合理的，淀粉樣品具有較高的純度.

表1　紫山藥淀粉樣品的基本成分(干基)1)Table 1　Basic components of purple yam starch sample (dry basis)

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3).

2.2　紫山藥淀粉的顆粒形貌

圖1顯示：紫山藥原淀粉顆粒大多呈不規(guī)則的卵形，且表面光滑、輪廓清晰；韌化處理對(duì)淀粉顆粒形貌影響較小，顆粒表面僅發(fā)生少許形變；經(jīng)濕熱處理的改性淀粉，顆粒表面有部分糊化引起的凹坑現(xiàn)象；經(jīng)壓熱處理的改性淀粉，由于高溫、高壓導(dǎo)致顆粒原有形貌已不存在，形成不規(guī)則的塊狀顆粒.

A：原淀粉;B：韌化改性淀粉;C：濕熱改性淀粉;D：壓熱改性淀粉.圖1　紫山藥原淀粉和改性淀粉的掃描電鏡圖Fig.1　Scanning electronic micrographs of native starch and modified starches prepared from purple yam

2.3　紫山藥淀粉的紅外光譜掃描

1 047/1 022和1 022/995 cm-1處吸收峰的比值可作為淀粉雙螺旋短程結(jié)構(gòu)有序度的指數(shù)，1 047/1 022 cm-1處吸收峰強(qiáng)度的比值越大，表明結(jié)晶度越高；1 022/995 cm-1處吸收峰強(qiáng)度的比值越小，表明淀粉顆粒中雙螺旋的分子有序度越高[17].從圖2可得出，原淀粉及韌化改性、濕熱改性、壓熱改性淀粉在1 047/1 022 cm-1處吸收峰的比值分別為0.628、0.642、0.589和0.518.與原淀粉相比，韌化改性淀粉的結(jié)晶度有所增大，濕熱改性淀粉則有所減小，壓熱改性淀粉的結(jié)晶度最小；原淀粉及韌化改性、濕熱改性、壓熱改性淀粉在1 022/995 cm-1處吸收峰的比值分別為1.17、1.05、1.26和1.43，表明淀粉顆粒中雙螺旋分子的有序度與結(jié)晶度呈正相關(guān).

2.4　紫山藥淀粉的結(jié)晶特性

從圖3可見，紫山藥原淀粉的特征峰出現(xiàn)在5.7°、17.3°、22.4°和24.1°處，表明原淀粉的結(jié)晶類型為B型，這與Nadia et al[18]得出的結(jié)論一致.原淀粉經(jīng)濕熱處理后，淀粉在23.3°處出現(xiàn)了新的吸收峰，在5.7°、22.4°和24.1°處消失，晶型由B型轉(zhuǎn)變?yōu)镃型；經(jīng)韌化和壓熱處理后，淀粉衍射特征峰的位置未改變，依然表現(xiàn)為B型.對(duì)原淀粉及韌化改性、濕熱改性、壓熱改性淀粉的X-射線衍射圖譜進(jìn)行處理，得結(jié)晶度分別為24.75%、25.90%、22.43%和15.36%.表明經(jīng)濕熱和壓熱改性處理后，淀粉的結(jié)晶度均較原淀粉降低，而韌化改性淀粉的結(jié)晶度升高，與紅外光譜掃描所得的結(jié)果一致.有文獻(xiàn)報(bào)道，采用壓熱或濕熱處理的淮山藥淀粉[19]和馬鈴薯淀粉[20]也出現(xiàn)了結(jié)晶度降低的現(xiàn)象.

圖2　紫山藥原淀粉和改性淀粉的紅外光譜掃描圖Fig.2　Fourier transform infrared spectra of native starch and modified starches prepared from purple yam

2.5　紫山藥淀粉的溶解特性

從表2可以看出，經(jīng)改性后，淀粉的溶解度均小于原淀粉，文獻(xiàn)[21]亦報(bào)道熱處理可導(dǎo)致淀粉溶解度減小.與原淀粉相比，韌化改性淀粉在溶解度為50～80 ℃的范圍內(nèi)均減小，僅在90 ℃時(shí)溶解度與原淀粉相當(dāng)；當(dāng)溫度為50 ℃時(shí)濕熱改性淀粉的溶解度與原淀粉相當(dāng)，隨著溫度的升高，溶解度小于原淀粉的溶解度，且溫度越高，差異越大；盡管壓熱改性淀粉的溶解度較原淀粉低，但總體上表現(xiàn)良好.可見，韌化改性淀粉的溶解性較差，濕熱改性淀粉的溶解度不佳，壓熱改性淀粉的溶解度較好.

表2　溫度對(duì)紫山藥原淀粉和改性淀粉溶解度的影響1)Table 2　Effect of temperature on solubility of native starch and modified starch prepared from purple yam

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)；同列數(shù)據(jù)后附不同字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同字母者表示差異不顯著(P>0.05).

表3顯示：各淀粉樣品的膨脹度均隨溫度的升高而增大；溫度為50～60 ℃時(shí)，改性淀粉膨脹度均較原淀粉顯著增大；溫度為80～90 ℃時(shí)，改性淀粉的膨脹度均顯著低于原淀粉(P<0.05).總體而言，韌化改性淀粉的膨脹性較差，濕熱改性淀粉的膨脹性不佳，壓熱改性淀粉的膨脹性較好.

表3　溫度對(duì)紫山藥原淀粉和改性淀粉膨脹度的影響1)Table 3　Effect of temperature on swelling capacity of native starch and modified starch prepared from purple yam

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)；同列數(shù)據(jù)后附不同字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同字母者表示差異不顯著(P>0.05).

各淀粉樣品的溶解度和膨脹度隨溫度的升高而增大，這主要與加熱過程中被破壞的淀粉晶體結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)[22].韌化處理促進(jìn)了淀粉中直鏈淀粉分子鏈與支鏈淀粉分子鏈的相互作用，致使分子結(jié)構(gòu)重排，提高了淀粉顆粒結(jié)晶的完美性及分子有序化，導(dǎo)致淀粉溶出率降低及顆粒水合能力下降[23]，因此，溶解度和膨脹度與原淀粉相比較低；濕熱作用下的水分子吸收了強(qiáng)輻射熱，變成高能水分子，使淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)改變形成小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，晶型由B型轉(zhuǎn)變?yōu)镃型，同時(shí)，直鏈淀粉與直鏈淀粉、直鏈淀粉與脂質(zhì)之間的相互作用更加緊密，極大地限制淀粉的溶解和膨脹[24]；與濕熱處理不同的是，高壓與過量的水分促使原淀粉顆粒破碎，鏈段部分裂解，重新取向、結(jié)晶[25]，使得結(jié)晶區(qū)中被切斷的氫鍵數(shù)目增多、雙螺旋結(jié)構(gòu)破壞，游離的水分子更容易滲透到淀粉分子內(nèi)部，因此具有良好的吸水膨脹性和溶解性.

2.6　紫山藥淀粉的熱焓特性

由表4可知，改性淀粉糊化的To、Tp和Tc均顯著高于原淀粉(P<0.05)，其中，壓熱改性淀粉的糊化溫度最高，濕熱改性淀粉次之，韌化改性淀粉相對(duì)較小.與原淀粉相比，濕熱和壓熱處理導(dǎo)致淀粉糊化焓顯著降低(P<0.05)，其中，壓熱改性淀粉糊化焓大幅度降低.

表4　紫山藥原淀粉和改性淀粉的熱力學(xué)特性參數(shù)1)Table 4　Thermal properties of native starch and modified starch prepared from purple yam

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)；同列數(shù)據(jù)后附不同字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同字母者表示差異不顯著(P>0.05).

糊化溫度(To、Tp和Tc)與淀粉顆粒內(nèi)部晶體部分的結(jié)晶狀況密切相關(guān)，內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)引起低熔點(diǎn)結(jié)晶向高熔點(diǎn)結(jié)晶轉(zhuǎn)變[26].韌化過程通過對(duì)結(jié)晶層雙螺旋鏈的作用使淀粉顆粒的完整度增加，晶體結(jié)構(gòu)更趨完美化[27]，提高了淀粉自身的結(jié)晶度，導(dǎo)致韌化改性淀粉To、Tp和Tc增大；相對(duì)于韌化改性淀粉對(duì)原有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的調(diào)整，濕熱，特別是壓熱處理致使淀粉原有結(jié)晶遭到破壞，結(jié)晶度降低，部分晶體重新締合形成新的高熔點(diǎn)結(jié)晶，導(dǎo)致To、Tp和Tc較原淀粉顯著增大.

糊化焓指雙螺旋結(jié)構(gòu)分離所需能量，與雙螺旋短程結(jié)構(gòu)有序性密切相關(guān)[28].韌化溫度的適宜及水分的過量，加速了水化速率和葡聚糖鏈的流動(dòng)，導(dǎo)致雙螺旋鏈在一定范圍內(nèi)的并排移動(dòng)形成完美的晶型結(jié)構(gòu)[29]，規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)解旋需要更多能量，因此與原淀粉相比糊化焓升高；淀粉顆粒中存在的雙螺旋結(jié)構(gòu)隨劇烈的熱能而發(fā)生降解，同時(shí)水分的存在促使?jié)駸崽幚磉^程中淀粉分子鏈間相互作用，限制了非結(jié)晶區(qū)的移動(dòng)性[25]，導(dǎo)致了淀粉糊化焓降低；高溫和高壓作用，迫使淀粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，雙螺旋結(jié)構(gòu)無序度增加，表現(xiàn)出壓熱改性淀粉的糊化焓顯著降低.

2.7　紫山藥淀粉的消化特性

表5　紫山藥原淀粉和改性淀粉中的RDS、SDS和RS含量1)Table 5　Content of RDS, SDS and RS in native starch and modified starches prepared from purple yam

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)；同列數(shù)據(jù)后附不同字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同字母者表示差異不顯著(P>0.05).

表5顯示，紫山藥原淀粉中RDS和SDS的含量較少，RS的含量最高，表明生淀粉難以消化利用.與原淀粉相比，韌化改性淀粉的RDS含量降低，SDS含量顯著增加，RS含量為75.87%，可利用性仍然很差；濕熱改性淀粉的可消化淀粉(RDS+SDS)大幅度增加，特別是SDS含量增幅最大，表現(xiàn)出良好的慢速消化特性；壓熱改性淀粉的RDS和SDS含量均明顯增大，特別是RDS含量很高，而RS含量很低，因此具有很好的快速消化特性.

淀粉的酶解速率與淀粉顆粒形貌、結(jié)晶類型以及雙螺旋結(jié)構(gòu)等因素有關(guān).完整的顆粒表面抑制淀粉酶浸入顆粒內(nèi)部，可提高淀粉的抗酶解性[30]；有序的雙螺旋結(jié)構(gòu)、完整且致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)較難酶解[31].在韌化溫和的作用條件下，淀粉基本保持原有的顆粒形貌，形成較高的結(jié)晶度以及有序的分子結(jié)構(gòu)抑制了淀粉的酶解，因此韌化改性淀粉的消化性不佳.在濕熱蒸汽的作用下，氫鍵受到破壞導(dǎo)致淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生解旋，淀粉顆粒不再致密，水分子進(jìn)入顆粒內(nèi)部，使顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，反應(yīng)在淀粉顆粒外部的現(xiàn)象就是淀粉顆粒表面的凹坑，結(jié)晶度和雙螺旋結(jié)構(gòu)的有序度較低，因此濕熱改性淀粉的消化性得以明顯改善.高溫和壓力的協(xié)同作用伴隨著部分分子鏈的斷裂、瓦解，顆粒內(nèi)部結(jié)晶區(qū)氫鍵破壞，結(jié)晶度和雙螺旋結(jié)構(gòu)的有序度最低，同時(shí)淀粉顆粒結(jié)構(gòu)破碎增大了與酶接觸的表面積，更易被淀粉酶結(jié)合利用[32]，因此，壓熱改性淀粉的可消化性最好.

3　結(jié)論

不同熱處理?xiàng)l件，如溫度、時(shí)間和水分等導(dǎo)致紫山藥淀粉表面結(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞，同時(shí)引起淀粉內(nèi)部雙螺旋分子的有序度和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使改性淀粉溶解與膨潤特性、熱焓和消化特性均明顯不同，擴(kuò)大了紫山藥淀粉在食品工業(yè)及其他行業(yè)的應(yīng)用范圍.其中，韌化改性淀粉表現(xiàn)出較差的溶解度、膨脹度和消化性，糊化溫度為76.25～84.42 ℃，糊化焓最高(7.84 J·g-1)；濕熱改性淀粉具有良好的緩慢消化特性，糊化溫度較高(89.20～106.83 ℃)，糊化焓較低(6.06 J·g-1)，溶解度和膨脹度最差；壓熱改性淀粉具有較好的溶解、膨潤以及快速消化的特性，其糊化溫度為98.72～120.52 ℃，糊化焓為1.96 J·g-1.

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