方竹(Chimonobambusa quadrangularis)属于禾本科竹亚科寒竹属植物,因竹秆呈四棱形略方得名。方竹笋肉质鲜美,含有丰富的膳食纤维、蛋白质、氨基酸和矿物元素,且脂肪含量低,具有抗氧化、降血糖、降血脂、提升免疫力等多重功效,被誉为“笋中之王”[1]。目前,方竹笋主要加工方式有干制、腌制及罐制等,在加工过程中会产生大量笋头等副产物。超微粉碎作为一种无损精细加工技术,通过对物料的碾磨、冲击和剪切,使产品具备特殊理化性质,且更易被人体吸收。目前超微粉碎技术在果蔬加工等功能性食品开发中得到了广泛应用。本课题组前期已经尝试将方竹笋加工副产物制备成竹笋超微粉,能够有效改善方竹笋全粉的理化性质、感官品质及加工特性[2],可作为原料和添加剂进行应用,从而提升全笋利用率。
淀粉是人类日常饮食中的主要能量来源,在材料、医药、食品等行业也有广泛的应用[3]。然而,由于淀粉具有弱凝胶强度,低抗剪切性,易老化和稳定性较差等问题,使其在食品工业中的应用受到限制。研究表明,将蛋白质、膳食纤维或植物全粉添加入淀粉中,是一种提升淀粉理化特性及营养价值的有效方式[4-5]。竹笋超微粉作为一种高蛋白高膳食纤维粉体,目前其对淀粉理化及结构特性影响的研究还鲜有报道。因此,本文研究了不同添加量的方竹笋超微粉(Chimonobambusa quadrangularis shoot superfine powder,CQSSP)对大米淀粉糊化、流变等理化性质的影响,并采用红外光谱、X-射线衍射、扫描电镜等技术对大米淀粉的微观结构进行分析,以期为CQSSP的高值化利用和产品开发提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
金佛山方竹笋加工副产物,采自重庆特珍农业开发有限公司;大米淀粉,源叶生物科技有限公司。
1.2 仪器与设备
FW100高速万能粉碎机,北京科伟永兴仪器有限公司;LHL型流化床式气流粉碎机,山东潍坊正远粉体工程设备有限公司;Mastersizer 3000激光粒度仪,英国马尔文仪器有限公司;K9840自动凯氏定氮仪,济南海能仪器股份有限公司;G210滤袋式全自动脂肪测定仪,上海晟声自动化分析仪器有限公司;马弗炉,河南奥菲达仪器设备有限公司;UV2800A紫外可见分光光度计,江苏迅迪仪器科技有限公司;RVA-TecMaster快速黏度分析仪,瑞典波通仪器有限公司;DHR-1流变仪,美国TA公司;XRD-7000 X射线衍射分析仪,日本岛津公司;Spectrum100傅里叶红外光谱仪,美国PerkinElmer公司;ProX扫描电镜,荷兰Phenom World公司。
1.3 实验方法
1.3.1 CQSSP的制备
以金佛山方竹笋加工副产物为原料,洗净、切片,沸水烫漂8 min,在60 ℃烘箱中烘干后置于万能粉碎机中粉碎10 min,之后再置于气流粉碎机中粉碎30 min,得到CQSSP。
1.3.2 粒径的测定
取适量样品,缓慢加入到装有500 mL蒸馏水的烧杯中,并以2 500 r/min的转速搅拌,使其均匀分布于烧杯中。当遮光度升高至20%左右时,停止加样,采用激光粒度仪测定样品的粒度分布。
1.3.3 CQSSP基本成分的测定
水分含量测定:参照GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》中的直接干燥法;蛋白质含量测定:参照GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》;膳食纤维含量测定:参照GB 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》;脂肪含量的测定:参照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的测定》;总灰分含量的测定:参照GB 5009.4—2016《食品中灰分的测定》;总糖含量的测定:采用蒽酮比色法测定。
1.3.4 糊化特性的测定
准确称取3.00 g大米淀粉,加入CQSSP,其添加量分别为大米淀粉质量分数的2%,4%,6%,8%。未添加CQSSP的大米淀粉作为对照组(CK)。称量后将样品和去离子水加入快速黏度分析仪(rapid visco analyser,RVA)专用铝盒中搅拌,搅拌均匀后,进行淀粉糊化特性的测定。RVA转速程序设置为:在起初10 s时间内为960 r/min,之后保持为160 r/min。温度程序设置为:前1 min保持50 ℃,之后在3.75 min内升高至95 ℃,维持2 min,然后在3.5 min内降至50 ℃,并恒温2.75 min。测试结束,得到糊化特性曲线。
1.3.5 流变特性测定
将RVA测定后淀粉糊加到流变仪的帕尔贴板上,选用40 mm的平板夹具进行实验,设置间隙为1 000 μm,所有样品测量温度均为25 ℃。
静态剪切流变特性的测定:在温度25 ℃条件下,设定剪切速率从0～300 s-1递增,记录测试过程中剪切应力随剪切速率的变化关系。用Power law模型对数据进行拟合。方程如公式(1)所示:
δ=K×γn
(1)
式中:δ为剪切应力,Pa,K为稠度系数;Pa·sn;γ为剪切速率,1/s;n为流体指数。
动态流变特性的测定:将样品放在流变仪上,先进行动态应变扫描,在25 ℃条件下,测定在0.1%～100%应变范围内储能模量(G′)和损耗模量(G″)的变化情况,选择一个能使各复配体系样品在后续动态频率扫描时都能处在线性黏弹区里的应变值。之后对样品进行动态频率扫描,测定在0.1～10 Hz频率范围内的G′和G″的变化。
1.3.6 X-射线衍射分析
将RVA测定后的淀粉糊进行真空冷冻干燥,然后取0.5 g制成粉末后进行X-射线衍射分析,并同时对未糊化的原大米淀粉进行测定。扫描角度范围为5°～40°(2θ),扫描速率为2°/min,步长0.02°。参数测量在工作电压为40 kV,电流为30 mA。
1.3.7 红外光谱分析
采用Spectrum100傅里叶红外光谱仪对样品进行扫描测定。测试前对空气进行单通道扫描,作为空白。测定条件为:波数范围4 000～600 cm-1,扫描次数32次,扫描时间90 s,分辨率4 cm-1。
1.3.8 扫描电子显微镜形态观察
取适量粉末样品固定在铝制样品台的双面导电胶上,喷金处理后将放在扫描电镜的载物台上扫描观察,放大倍数为500倍。
1.4 数据处理
实验均重复3次,所得实验数据用SPSS 21.0软件进行差异显著性分析,结果用表示。采用Origin-Pro 8.1软件绘图。
2 结果与分析
2.1 CQSSP粒径及基本成分分析
在食品加工领域中,通常把平均粒径在10～25 μm的粉末称为超微粉体[6]。由表1可知,CQSSP的平均粒径为(12.55±0.07) μm,已达到超微粉的标准。CQSSP的基本成分中,含量较高的组分为蛋白质[(39.78±0.30)%]和膳食纤维[(27.23±0.13)%],两者含量总和约占CQSSP基本成分的70%。其次是总糖[(9.25±0.18)%]和灰分含量[(7.74±0.09)%]。而CQSSP中脂肪含量只有(2.40±0.12)%。以上结果说明CQSSP是一种高蛋白、高纤维、低脂肪含量的粉体,可以作为营养膳食补充剂或主食改良剂应用在食品工业中。
表1 CQSSP的平均粒径及基本成分
Table 1 The basic compositions and average particle size of CQSSP
样品平均粒径/μm基本成分水分/%蛋白质/%膳食纤维/%灰分/%脂肪/%总糖/%CQSSP12.55±0.076.61±0.1739.78±0.3027.23±0.137.74±0.092.40±0.129.25±0.18
2.2 CQSSP对大米淀粉糊化特性的影响
淀粉的糊化是淀粉颗粒受热吸水溶胀的过程,其本质是氢键的断裂和重排[7]。表2是CQSSP对大米淀粉糊化特性的影响。由表1可知,CQSSP是一种高蛋白质含量的粉体。蛋白质加热变性会导致溶液黏度的增加,同时蛋白质与淀粉之间可能存在的氢键作用也会提升淀粉糊黏度。研究表明,向淀粉中添加蛋白质会形成空间位阻,从而降低糊化过程中渗出淀粉分子的有效浓度和形成的氢键数量,最终使得淀粉糊黏度下降[9]。与CK相比,添加CQSSP显著降低了大米淀粉的峰值黏度和终值黏度,并随着CQSSP添加量的增加呈现递减趋势。峰值黏度和终值黏度分别反映了大米淀粉的溶胀能力和增稠幅度[8],说明随着CQSSP添加量的增加,大米淀粉变得更难溶胀,且淀粉糊稠度降低。因此,CQSSP中的蛋白质可能与淀粉分子形成氢键的能力较弱,或难以形成氢键。所以蛋白质对淀粉溶液的稀释效应可能是造成糊黏度下降的主要原因。
崩解值为峰值黏度和谷黏度的差值,反映了淀粉糊的热稳定性[10]。如表2所示,随着CQSSP添加量的增加,崩解值均降低,说明添加CQSSP能够抑制淀粉颗粒的崩解,提升大米淀粉糊的稳定性。这可能是因为CQSSP中富含的膳食纤维在加热过程中与可溶性淀粉颗粒通过氢键结合,相互缠绕并包裹在淀粉颗粒表面,起到了一定保护作用,使得淀粉颗粒难以与水分子接触,从而抑制了淀粉颗粒溶胀。这也使得大米淀粉的糊化需要更高的能量,因此所需糊化温度也随CQSSP的添加量显著增加,这与夏文等[11]报道的米糠膳食纤维对大米淀粉的作用结果一致。回生值反映了淀粉短期回生的程度,与直链淀粉分子定向排列形成三维网络结构相关。大米淀粉的回生值随着CQSSP添加量的增加而显著降低。LI等[12]研究表明亲水胶体与淀粉会在体系中竞争游离水。CQSSP中的亲水性多糖可能与水结合,导致了游离水的减少,从而降低直链淀粉分子的流动性。因此CQSSP的添加能抑制淀粉分子形成初始的凝胶网络,延缓短期回生。
表2 CQSSP对大米淀粉糊化特性的影响
Table 2 Effects of CQSSP on pasting properties of rice starch
样品峰值黏度/(mPa·s)崩解值/(mPa·s)终值黏度/(mPa·s)回生值/(mPa·s)糊化温度/℃CK3 734±12a797±8a4 256±15a1 319±14a79.45±0.43a大米淀粉+2%CQSSP3 542±21b567±9b4 163±40b1 189±21b81.20±0.06b大米淀粉+4%CQSSP3 397±15c405±8c3 645±9c753±11c81.95±0.03b大米淀粉+6%CQSSP3 302±12c383±17c3 589±7c626±43c82.65±0.46c大米淀粉+8%CQSSP3 234±20d179±5d3 531±64d595±26d84.30±0.03d
注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)
2.3 CQSSP对大米淀粉流变特性的影响
2.3.1 静态流变特性
图1 为CQSSP对大米淀粉静态流动特性的影响。由图1可知,所有样品的剪切应力均随着剪切速率的增加而增加,但增长速率逐渐降低,说明大米淀粉糊具有剪切稀化的特性。在同样的剪切速率下,添加CQSSP后剪切应力均小于CK,且随着添加量的增加而降低。这表明CQSSP的添加使大米淀粉凝胶更容易被破坏。凝胶的剪切性能与长链聚合物的解缠有关[13]。CQSSP中蛋白质可能会阻碍淀粉分子的定向排列,导致缠结的淀粉分子数减少,凝胶结构更为松散,因此更易被破坏。
将所得实验数据通过幂定律进行拟合,结果如表3所示。由表3可知,相关系数R2>0.99,表明Power law模型对静态流变数据具有较好的拟合度。流动特性指数n反映了样品与牛顿流体接近的程度,n值越低则流体假塑性越高。所有淀粉糊的n值均小于1,说明均为假塑性流体。添加CQSSP提升了大米淀粉的n值,表明CQSSP加入后淀粉糊的假塑性降低。研究发现向甘薯淀粉中添加低聚糖也得到了类似的结果[14],这可能是膳食纤维等多糖与水分子之间产生了相互作用,增加了剪切过程中长链分子间的流动阻力,从而抑制了长链淀粉的解缠,降低了假塑性[15]。稠度系数K值可作为黏度的指标。随着CQSSP添加量的增加,稠度系数K值逐渐降低。与CK相比,当添加量为8%时,K值显著降低了46.8%。因此CQSSP的添加显著降低了大米淀粉糊的黏度和对剪切力的抵抗力,这可能是蛋白质的阻隔效应减少了淀粉分子链间形成的氢键。该结果与RVA糊化特性中黏度变化一致。
图1 CQSSP对大米淀粉静态流动特性的影响
Fig.1 Effects of CQSSP on steady flow characteristics of rice starch
表3 CQSSP对大米淀粉静态流动拟合参数
Table 3 The fitting parameters of steady flow properties of starch mixed by CQSSP
样品KnR2CK139.650.302 00.993 5大米淀粉+2%CQSSP123.710.321 30.991 9大米淀粉+4%CQSSP117.420.317 00.991 1大米淀粉+6%CQSSP100.340.340 10.993 0大米淀粉+8%CQSSP74.360.382 10.994 4
2.3.2 动态流变
图2为CQSSP对大米淀粉G′和G″的影响。由图2可知,所有样品的G′和G″均随频率增加而增加,且G′>G″,呈现出典型的弱凝胶特性[16]。其中,添加CQSSP的大米淀粉的G′和G″均小于CK,且随着添加量的增加逐渐减小,表明添加CQSSP会降低大米淀粉的黏弹性。同时CQSSP的加入对大米淀粉弹性的影响要强于对黏性的影响,这与SINGH等[17]将阿拉伯胶加入到木薯淀粉中引起的变化一致。研究表明,淀粉凝胶的强度与直链淀粉的含量和分子间氢键的可用性有关,直链淀粉分子定向迁移形成的网络结构为凝胶提供弹性和黏聚性[18]。由RVA分析可知,部分淀粉颗粒被膳食纤维包裹,阻碍了直链淀粉分子的渗出,同时蛋白质等大分子物质阻碍了直链淀粉分子在淀粉糊中的扩散,使得淀粉分子相互作用的数量减少,网络凝胶稳定性减弱。有研究发现蛋白质的加入可以减弱淀粉溶液的电负性[19],因此CQSSP中的蛋白质可能使淀粉分子链间排斥作用减弱,进而降低淀粉凝胶有序性。HUANG等[4]在关于竹笋壳纤维对大米淀粉的影响研究中表明,纤维与直链淀粉分子间可能形成氢键,使得淀粉分子内氢键的形成受到抑制,导致凝胶三维结构的形成受到抑制。
a-G′;b-G″
图2 CQSSP对大米淀粉G′和G″的影响
Fig.2 Effect of CQSSP on G′ and G″ of rice starch
2.4 CQSSP对大米淀粉结晶结构的影响
图3为原大米淀粉和添加CQSSP的大米淀粉的X-衍射图谱。由图3可知,原大米淀粉是典型的A型晶体,在2θ角为15°、17.9°、18.7°、23.5°附近均出现强烈的衍射峰[20]。淀粉老化过程中,淀粉分子缓慢重结晶,导致结晶含量升高。因此衍射峰越高越窄,结晶度越高,则老化程度越强。图3中老化后的大米淀粉衍射图谱呈现出典型的B型峰,在2θ=17°处均出现明显的衍射峰,该特征峰主要是由长期老化所引起。与CK比较,CQSSP的添加未改变衍射峰位置,因此对淀粉晶体结构没有影响[21]。在2θ=17°处,当CQSSP添加量逐渐增加,衍射峰强度明显减弱,结晶度降低,表明CQSSP能抑制支链淀粉分子的重结晶,具有一定抗老化效果[22]。研究表明,小分子糖和水分子之间的相容性能很大程度上会影响淀粉老化[18];而大分子多糖能对淀粉颗粒内部支链分子结晶交联体系产生干扰,从而降低凝胶结晶度。因此可以推测结晶度的降低可能与膳食纤维干扰支链淀粉的聚集有关;同时CQSSP中含有的小分子多糖与水分子的相容性可以稀释淀粉分子[23],导致淀粉分子迁移率降低,从而抑制大米淀粉的老化。
图3 原大米淀粉和添加CQSSP 的大米淀粉的X-衍射图
Fig.3 XRD curves of native rice starch and rice starch with CQSSP
2.5 红外光谱分析
图4是添加CQSSP的大米淀粉红外光谱图。由图4可知,与CK组相比,添加CQSSP未产生新的吸收峰,且各峰振动并未出现较大差异。表明CQSSP和大米淀粉颗粒之间没有共价结合,两者相互作用方式可能是较弱的氢键相互作用[24]。在波数为3 380 cm-1左右的峰宽而强,是O—H伸缩振动导致的吸收峰。与CK相比,添加CQSSP后的O—H伸缩振动峰发生红移,这可能是膳食纤维与大米淀粉颗粒之间形成了氢键,并随着添加量的增加氢键作用增强[23]。波数在1 640 cm-1左右的吸收峰为水分子弯曲振动峰。随着CQSSP添加量的增加,波长逐渐由1 637 cm-1移到1 643 cm-1。KONG等[25]认为该处峰值波长的移动可能与添加物的羟基和直链淀粉的羟基发生氢键作用反应有关。因此CQSSP中的膳食纤维等多糖可能与糊化渗出的直链淀粉分子形成较强的相互作用,抑制了淀粉分子间形成氢键,从而延缓短期老化。这一结果也证实了动态流变分析中膳食纤维与淀粉分子间存在氢键作用的推测。
图4 添加CQSSP的大米淀粉红外光谱图
Fig.4 The fourier spectrograms of rice starch with CQSSP
2.6 CQSSP对大米淀粉凝胶微观结构的影响
图5是未添加和添加CQSSP后大米淀粉凝胶的微观结构图(放大500倍)。由图5得知,未添加CQSSP的大米淀粉凝胶表面较光滑,呈现不规则片层状,该结果与向大米淀粉中加入普鲁兰多糖结果一致[20]。与CK相比,添加2%CQSSP后,大米淀粉片状结构开始破碎;当添加量为4%时,凝胶表面仍较光滑,但网络结构上清晰可见不规则的大空洞;当添加量为6%时,孔洞明显增多,且孔径变小,孔壁较薄;当CQSSP添加量达到8%时,片层状结构完全消失,孔洞增多且不规则,凝胶结构已经呈现出蜂窝网状。根据红外光谱分析结果推断这可能是因为膳食纤维与淀粉分子之间的氢键作用降低了淀粉的持水能力,导致淀粉结合水减少,结晶变小且分布不均,凝胶的连续性被破坏,最终形成蜂窝状的多孔结构。
a-CK;b-大米淀粉+2%CQSSP;c-大米淀粉+4%CQSSP;d-大米淀粉+6%CQSSP;e-大米淀粉+8%CQSSP
图5 未添加和添加CQSSP后大米淀粉凝胶的微观结构图(×500)
Fig.5 SEM photographs (×500) of rice starch without and with CQSSP
3 结论
本研究表明,添加CQSSP对大米淀粉的理化和结构特性有显著影响。CQSSP中的膳食纤维等组分可能与糊化过程中的淀粉分子形成氢键,对淀粉颗粒进行包裹,并且添加CQSSP对淀粉溶液具有一定稀释作用,使得淀粉体系黏稠度下降,热稳定性增强,因此大米淀粉的峰值黏度、终值黏度和G″均降低,糊化温度升高。CQSSP与大米淀粉的相互作用也阻碍了淀粉分子之间的有序排列及其对水分的吸收利用,使得淀粉凝胶结构难以形成,连续性被破坏,从而降低了淀粉的崩解值、回生值、G′和结晶度,抑制了淀粉的老化和重结晶,最终由原淀粉的平滑片层状结构转变为破碎的疏松多孔网状结构。红外光谱分析进一步证实了CQSSP中多糖分子与淀粉分子之间存在氢键等相互作用。本文的研究结果可以为CQSSP在大米淀粉及其制品中的应用提供一定的理论参考。
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