淀粉是最常见的生物高分子材料之一,是一种可再生、廉价、易加工的资源,在食品工业中应用广泛。淀粉是植物贮存碳水化合物的形式之一,淀粉是马铃薯的主要成分,占其鲜重的15%～20%。淀粉颗粒呈半晶状,结晶度为15%～45%,结晶度取决于植物来源、颗粒数量和淀粉成分。淀粉表现出4种类型的X射线衍射图,分别对应于A型、B型、C型和V型多晶型物。A型和B型多晶型物在晶胞中的含水量和双螺旋排布不同,C型多晶型物是A型和B型多晶型物的混合物,主要存在于豆类和块茎植物中。淀粉颗粒由不同比例的直链淀粉和支链淀粉组成,支链淀粉所占比例较大,同时不同植物源的淀粉可能含有其他成分,如蛋白质和脂质。尽管淀粉来源广泛,但天然淀粉由于容易回生、脱水等缺陷,并不全都具有适合各种工业应用的功能特性,因此淀粉需要通过物理(热湿处理和韧化)、化学(交联、氧化和酸水解)或酶的方法进行改性[1]。韧化处理是在过量水分(质量比>60%)或适量水分(质量比介于40%～55%)含量和低于淀粉糊化初始温度的温度条件下保持一段时间所引起的淀粉结构及性质改变。因其具有成本低、化学安全、环境友好等优点而备受关注。该工艺能显著改变淀粉的功能特性,且不破坏淀粉的颗粒结构,可改善淀粉的消化特性,提高玉米淀粉的相对结晶度和凝胶化稳定性,降低甘薯淀粉的膨化力和峰值黏度。但传统的热处理过程较慢(通常超过12 h),且能耗较高。针对这些问题,本文提出了一种新型的韧化处理方法,缩短处理时间,提高处理效率。
介电加热包括微波(microwave, MW)加热和射频(radio frequency, RF)加热。MW是一种波长在1 mm～1 m的电磁波,其频率范围为300 MHz～300 GHz。MW处理常用频率是商用/工业915 MHz以及家用2.45 GHz。MW加热的主要机制是极性分子在外加电磁场中的重新定向,极性分子在电磁场中通过摩擦产生热量,水和油使食物中最主要的极性分子,因此大大加快了加热速度[2]。部分研究人员分析了介电处理后淀粉的物理化学特性,包括糊化特性、凝胶化特性、颗粒特性、分子质量分布、热特性、直链淀粉与支链淀粉的比例以及介电特性[3]。研究表明,MW处理会使淀粉的晶体形态从B型转变为A型并降低所有的小麦淀粉和玉米淀粉的结晶度、溶解度和膨胀性,同时提高淀粉的糊化温度[4]。MW处理会影响马铃薯淀粉-水体系的物理性质,包括颗粒大小、聚合度和热性质以及淀粉的交叉极化[5],使得淀粉的黏度及热焓值在MW处理后有所下降。RF是一种频率在1～300 MHz的电磁波,其加热机制与MW相同,广泛用于巴氏杀菌、灭虫、烘烤和干燥。RF与MW相比更容易控制温度,具有更大的穿透深度。由于其电磁频率较低,其热量分布比MW更均匀[6]。ZHU等[7]利用RF对湿淀粉进行加热,发现其加热均匀性得到显著提高。BANURA等[8]研究了玉米和木薯淀粉RF加热后的特性,结果表明RF加热可以提高2种淀粉的水结合能力和溶胀力。
作为一种新兴的加热技术,淀粉RF加热特性的研究十分有限。本文研究了介电加热处理对湿淀粉的影响。本研究将水化淀粉分别加热处理1、3、5、7 min,测定了其结构、糊化特性、热特性、晶体结构、粒径分布、膨胀力和透光率,并与MW韧化马铃薯淀粉为对比,为RF淀粉韧化效果提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
马铃薯淀粉(含水量为17.23%)购买于上海aladdin生化科技股份有限公司;其他化学试剂均为分析级。
1.2 仪器与设备
P70D20AP-TF格兰仕微波炉,广东格兰仕微波生活电器制造有限公司;光纤温度计,加拿大FISO科技公司;SJ-9A-27-JY射频发生器,河北华氏纪元有限公司;JSM-6360LV扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM),日本电子株式会社;DMBA400偏光显微镜,麦克奥迪实业集团;D8 X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD),德国Bruker公司;Mastersizer 2000激光粒度分析仪,英国Malvern公司;DSC-7差式扫描量热仪(differential scanning calorimetry, DSC),美国Perkin-Elmer公司;SUPER3 RVA快速黏度分析仪(rapid visco analyzer,RVA),澳大利亚Newport公司;UV-3010紫外分光光度计,日本Hitachi公司。
1.3 实验方法
1.3.1 样品的介电处理
向淀粉中加入蒸馏水直至总含水量为45%,并在24 ℃下平衡1 d。将湿样品放置于直径为15.4 cm的玻璃培养皿中并在2 450 MHz的微波炉内加热处理,样品参照XIA等[9]的方法,设定MW功率为10 W/g干淀粉。样品分别加热1、3、5、7 min,用光纤温度计监测样品温度,插入深度为0.5 cm,共测定了5个点的温度,包括培养皿中心和均匀分布在周围的4个点。根据MW加热的时间将样品命名为MW-1、MW-3、MW-5和MW-7。
使用27 MHz射频发生器对物料进行加热。将水化淀粉样品放置在圆柱状玻璃样品容器中(直径35 cm,高度10 cm),并置于极板中心。在加热过程中,将光纤温度探头插入淀粉样品测量温度,插入深度为0.5 cm。选取5个点,其中1个为中心点,其余4个点均匀分布在圆周上。经过预实验确定两电极板之间高度为115 mm,RF功率为10 W/g干淀粉。样品经RF加热后根据加热时间分别命名为RF-1、RF-3、RF-5和RF-7。
1.3.2 扫描电子显微镜观察
将淀粉样品用双面胶带固定在铝金属样品台上,喷金处理。在5 kV的加速电压下,使用扫描电子显微镜在1 000×放大倍数下观察并照相。
1.3.3 偏振光显微镜观察
用偏光显微镜观察淀粉颗粒结构。观察前将淀粉颗粒分散在质量比为1∶1的水和甘油混合物中,然后转移到载玻片上,放大400倍观察。
1.3.4 X-射线衍射晶体衍射图谱
晶体结构的测定采用X射线衍射仪,并参照XIA 等[9]的方法。测定条件:辐射源为Cu的Kα射线;步长为 0.02;步长时间为2 s;衍射角度为2θ;扫描范围为4°～60°。
1.3.5 粒度分布
采用激光粒度分析仪测量淀粉颗粒的分布。取50 mg淀粉悬浮在5 mL葵花籽油中,旋涡混匀后置4 ℃下1 h,每10 min振荡1次,然后转移至激光衍射粒度分析仪的分散盒中,由仪器自动测定。
1.3.6 热特性
采用差式扫描量热仪测定淀粉样品的热特性。称取3 mg的淀粉(干基)于铝制坩埚内,加入9 μL蒸馏水后密封,在4 ℃下平衡1 d后进行扫描,扫描温度范围为20～120 ℃,升温速率为10 ℃/min。
1.3.7 糊化特性
采用快速黏度分析仪测定淀粉的糊化特性。将蒸馏水和淀粉样在铝样罐中混合,得到质量分数为6%的淀粉悬浮液(总重26.5 g)。,在50 ℃下保温1 min,在3.75 min内由50 ℃升至95 ℃,在95 ℃下保温2.5 min,然后在3.75 min内降至50 ℃,最后保温2 min。测得淀粉糊的黏度曲线,并分析崩解值(breakdown, BD)、回生值(setback, SB)、糊化温度(gelatinization temperature, GT)、最低黏度(trough viscosity, TV)、峰值黏度(peak viscosity, PV)和最终黏度(final viscosity, FV)。
1.3.8 膨胀度
膨胀度的测定采用LI等[10]的方法。
1.3.9 透光率
取50 mL质量分数为1%的淀粉乳置于100 mL烧杯中,在沸水浴中不断搅拌15 min,水浴过程中不断加水保持其原有体积不变,冷却至室温后按照LI等[11]的方法并稍作修改,测定淀粉糊的透光率。通过紫外分光光度计测量620 nm处的吸光度来确定0、24、48、72、96、120 h的透光率。
1.3.10 支链淀粉的支链长度分布
按照MA等[12]的方法并稍作修改测定链长分布。称取10 mg分离纯化后的支链淀粉加入0.9 mL蒸馏水,充分振荡后95 ℃水浴加热15 min,冷却至室温后加入2.5 mL 0.1 mol/L的醋酸钠缓冲液(pH 4.0)后,再加入5 μL异淀粉酶(1 000 U/mL),置于40 ℃水浴保温振荡24 h。煮沸20 min停止酶解。处理后的样品离心取上清液,通过0.45 μm的过滤器。选用用高效液相排阻色谱仪分析,流动相采用0.1 mol/L醋酸钠溶液,流速为0.6 mL/min,流动相的折光指数取1.334,淀粉样品的折光指数增量(dn/dc)为0.160。将柱温保持在40 ℃。将得到的典型双峰曲线通过峰值积分软件分析确定支链淀粉的支链长分布。
1.4 数据分析
所有实验均重复3次,实验数据采用SPSS 20.0统计软件进行方差分析,并采用邓肯检测法确定显著性差异。
2 结果与分析
2.1 淀粉的形态特性
未处理的淀粉颗粒有2种类型,如图1-A所示,较大的为椭圆形、较小的为圆形,2种类型都具有明显的偏光十字[13]。介电加热后的马铃薯淀粉颗粒形状与未处理的相比无显著差异,但一些颗粒的表面出现了细微的缺口和断裂。经过对比可发现RF和MW处理的淀粉存在不同,MW加热的淀粉颗粒的表面较RF加热粗糙,部分小颗粒凝胶化并黏附在大颗粒上,增大了淀粉的粒度。这些颗粒的部分凝胶化是因为介电加热过程中的分子摩擦产生了大量的热量,导致温度分布不均匀。随着加热时间的延长,2种加热方式对颗粒表面的破坏趋势均增大。WANG等[1]发现热处理没有导致糯玉米淀粉颗粒表面发生显著变化,与本研究结果相似。
A- 未处理;B-RF-1;C-MW-1;D-RF-3;E-MW-3; F-RF-5;G-MW-5;H-RF-7;I-MW-7;1-SEM;2-PLM
图1 淀粉颗粒SEM、PLM
Fig.1 SEM and PLM images of starch granules
大多数淀粉颗粒在偏振光下呈现十字纹。淀粉颗粒由非晶态和晶态2种结构组成,根据淀粉分子的排列,用偏光显微镜观察时,显示出各向异性并产生双折射现象[14]。双折射的强度取决于微晶取向、颗粒大小和相对结晶度。经介电处理后,颗粒的十字纹略有改变,变形或消失。与MW加热相比,RF加热会使淀粉产生更多的缺口。介电加热产生的分子振动和热效应可通过作用于淀粉颗粒结晶区域中的水分子来破坏颗粒,此外分子摩擦也会使氢键断裂增加[15]。此外晶体的层状结是由有序的双螺旋支链淀粉侧链簇组成的[16],由于分子的振动,晶体区域可能因此解链。因此经过介电处理后,晶体区域被破坏,结晶区域再生,导致偏光十字发生改变,这与链长分布结果一致。
2.2 XRD图谱分析
马铃薯淀粉的相对结晶和晶体形态如图2和表1所示。马铃薯淀粉的晶型为B型,相对结晶度为31.72%,介电加热的样品具有与未处理样品类似的晶体结构。与MW加热淀粉相比,RF加热的淀粉在加热相同时间后,由于穿透性和产生热量的差异,结晶度更高,对颗粒结晶造成破坏。在相对较短的加热时间(1、3、5 min),RF和MW处理样品的晶体形态几乎相同,但当加热5 min时产生了显著差异,RF加热淀粉的相对结晶度由31.25%降至21.39%,MW加热淀粉的相对结晶度由30.96%降至17.76%。相对结晶度下降是由于吸水和晶体的熔融导致非晶区的溶胀[16]。当加热时7 min时,RF处理淀粉的相对结晶度为33.12%,MW处理为25.5%,结晶度反而提升。分析结果认为直链淀粉分子与直链淀粉分子之间发生重新缠绕,形成双螺旋链且晶体排列比未处理的淀粉更有序,使得晶体堆积且晶体完整性的增加[8]。因此介电处理1 min至5 min淀粉结晶度会降低,而处理7 min结晶度会提高。结晶度降低的结果与VERMEYLEN等[17]的结果一致。
图2 淀粉颗粒的XRD图谱
Fig.2 XRD pattern of starch granules
表1 淀粉的粒度分布和结晶度
Table 1 Granule size distribution of starch and crystallinity
样品d(4,3)/μmd(3,2)/μmd(0.1)/μmd(0.5)/μm相对结晶度/%未处理47.29±0.12i40.40±0.02g25.74±0.01i44.18±0.07f31.72±0.01bRF-148.92±0.05f41.93±0.03e26.84±0.01e45.72±0.04d31.25±0.05cRF-359.84±0.25c45.15±0.06b26.09±0.02g50.61±0.04b25.52±0.02eRF-562.45±0.60b44.50±0.01c25.87±0.02h50.00±0.03c21.39±0.03gRF-776.20±0.12a51.34±0.01a28.29±0.00a58.58±0.00a33.12±0.02aMW-148.45±0.01h41.62±0.01f26.71±0.01f45.35±0.01e30.96±0.00dMW-348.97±0.03e42.06±0.02d26.98±0.01c45.82±0.02d23.40±0.03fMW-548.86±0.01g42.06±0.01d27.05±0.00b45.76±0.01d17.76±0.01hMW-749.02±0.01d42.03±0.01d26.92±0.01d45.80±0.01d25.50±0.01e
注:表中不同小写字母表示样品在0.05水平上差异显著(下同)
2.3 粒径分布
马铃薯淀粉的粒径分布范围相对较窄,主要为58～72 μm,平均粒径d(4,3)为(47.29±0.12)μm,MW处理后,淀粉的d(0.5)和 d(4,3)值相似。可以观察到RF处理后淀粉的d(0.5)和 d(4,3)值增大,粒径分布变宽,总体呈现径变大的趋势,这与进一步的聚集有关。在RF处理过程中,淀粉颗粒的外层凝胶化,造成较多的破碎。淀粉颗粒或与小颗粒相互聚集,增大了颗粒的尺寸。
相同处理时间下,MW加热淀粉的体积直径小于RF加热。RF具有较低的电磁频率,穿透深度比MW更深,因此在RF加热下有更多的颗粒凝胶化和聚集。淀粉颗粒的平均粒径和粒度分布影响其理化性能,如热性能、冻融稳定性和糊化性能[18]。因此,RF处理后淀粉颗粒分布和平均颗粒尺寸的增大可能会改变加热样品的冻融稳定性以及糊化性能。
2.4 热特性
淀粉热特性是食品加工的一个重要方面,未处理、MW加热和RF加热淀粉的DSC参数如表2所示,未处理马铃薯淀粉的ΔH、Tp、To和Tc值分别为:(19.74±0.23) J/g、(64.07±0.28) ℃、(60.12±0.19) ℃和(86.46±0.98) ℃。表2表明RF和MW热特性指标均显著降低,且随处理时间的增加变化热特性指标变化幅度不大。说明RF及MW韧化可有效降低物料的糊化难度。介电处理过程中破坏了淀粉结构。淀粉糊化受直支比、结晶度以及淀粉链特性的影响[19]。GT值高表明淀粉的糊化需要更多能量,较短时间(小于5 min)内,介电加热改变淀粉结构,使得其结晶度部分破坏,双螺旋被拆解,链长缩短。
DU等[20]认为Tp,Tc和To受晶体区域分子结构的影响。Tp主要体现了淀粉颗粒结构的稳定性和抗胶凝性[21]。ΔH能反映糊化过程中双螺旋的解离量和双螺旋的有序性,介电处理后淀粉的ΔH值显著低于未处理的淀粉。较低的ΔH值反映了晶体区域稳定性和组织结构百分比的降低。短时间(1、3 min)RF加热淀粉的ΔH值高于MW加热淀粉,ΔH的降低表明,在介电加热过程中结晶区或非晶区淀粉的双螺旋结构被破坏。随着加热时间的增加,MW处理的淀粉的Tp,Tc和To均降低,这一结果与WANG等[22]研究结果一致。
表2 淀粉的热特性
Table 2 Thermal properties of starch
样品To/℃Tp/℃Tc/℃ΔH/(J·g-1)未处理60.12±0.19a64.07±0.28a86.46±0.98a19.74±0.23aRF-158.52±0.43bcd61.17±0.08c64.67±0.18e13.89±0.11bcRF-359.05±0.11bc60.79±0.08cdef64.56±0.01f13.52±0.39bcdRF-559.09±0.27b60.45±0.02ef64.15±0.11g13.29±0.52cdRF-758.82±0.11bcd60.35±0.45f64.76±0.26d12.47±0.23eMW-158.71±0.05bcd60.34±0.02f63.81±0.12h12.86±0.17deMW-358.33±0.37d60.93±0.01cd64.77±0.16d13.34±0.29cdMW-558.47±0.14cd60.90±0.07de65.18±0.02c14.15±0.12bMW-760.06±0.25a62.23±0.19b65.61±0.14b13.04±0.40de
2.5 糊化特性
经RVA测定的未处理、MW和RF加热淀粉的糊化特性如表3和图3所示,未处理马铃薯淀粉的PV值、TV值、FV值、BD值、SB值和GT值分别为:(4 336±2) mPa·s、(1 420±8) mPa·s、(1 622±4) mPa·s、(2 916±10) mPa·s、(202±12) mPa·s、(67.0±0.0) ℃。GT值是淀粉糊化所需的最低温度,在加热过程中黏度开始增加时的温度[23]。经介电处理淀粉的成糊温度均低于未处理的淀粉,且介电加热淀粉的处理时间越长,淀粉的GT值越低,说明淀粉抗膨胀性越弱。
PV表明淀粉粒在崩解前的最大溶胀能力。介电加热后淀粉的黏度明显降低,可能是因为脱链反应减少了直链淀粉含量,从而导致的淀粉分子质量较低。且MW加热淀粉的PV值始终大于RF加热淀粉的值。介电加热与传统的热处理方法相比,可以在短时间内降低PV值,有利于工业加工。
而样品的TV值经介电处理后发生的升高可能是由于介电处理后淀粉颗粒结构强度降低且随处理时间的增加而减弱,这一原因加速了颗粒结构的破坏。这些结果表明介电加热淀粉的热处理稳定性大大降低。TV值表示淀粉糊黏度,BD表示TV与PV的差值,二者反映淀粉糊的稳定性。BD值较低表明淀粉在加热过程中缺乏抵抗剪切冲击的能力,除了具有较高的热稳定性外,其变质的趋势也有所降低。未处理马铃薯淀粉的BD值最高,而RF加热7 min的BD值最低。在相同的处理时间内,MW加热淀粉的BD值高于RF加热淀粉的BD值。BD值随介电处理时间的增加而降低。
FV表示冷淀粉糊的黏度,主要是在冷却过程中由于淀粉分子的重新排列而增大。淀粉的FV值随介电处理时间的增加而增加,且RF处理淀粉始终大于MW处理淀粉。TV值与FV值有相同的趋势。SB值(PV值减去FV值)受淀粉回生能力的限制,SB值越低逆反应的可能性越小。介电加热淀粉的SB值与未处理淀粉的SB均有所下降,说明介电加热可以降低淀粉的老化程度。因此介电加热的淀粉更适用于烘焙食品。
表3 淀粉的黏度参数
Table 3 Pasting parameters of starch
样品PV/(mPa·s)TV/(mPa·s)BD/(mPa·s)FV/(mPa·s)SB/(mPa·s)GT/℃未处理4 351.67±26.31a1 424.33±9.61e2 927.33±20.21a1 626.67±8.62f2 725.00±27.69a66.93±0.06eRF-13 730.33±40.50d1 580.00±13.23cd2 150.33±28.29c1 733.33±35.22e1 997.00±35.22d68.12±0.42abcRF-33 513.00±15.00fg1 746.67±21.94bc1 699.67±92.23d1 911.33±16.44c601.67±22.25f68.63±0.03aRF-53 458.67±26.10g1 755.67±25.32b1 703.00±3.46d1 944.33±15.63b1 514.34±30.42g67.57±0.49cdRF-73 211.00±39.74i1 931.67±13.32a1 279.33±39.37e2 151.00±7.81a1 060.00±40.50h68.32±0.49abMW-13 962.00±19.52b1 555.33±11.72d2 340.33±69.76b1 731.33±11.06e2 230.67±22.44b67.23±0.49dMW-33 844.00±31.05c1 580.00±7.00cd2 264.00±31.22b1 746.33±14.57de2 097.67±34.30c67.83±0.03bcdMW-53 668.33±24.11e1 599.33±16.17c2 281.33±42.67b1 766.00±9.54d1 902.33±25.93e67.78±0.06bcdMW-73 549.67±24.01f1 775.33±14.57b1 774.33±15.04d1 935.33±9.45bc1 614.34±25.80f68.55±0.00a
a-RF;b-MW
图3 淀粉的RVA图像
Fig.3 RVA image of starch
2.6 膨胀度分析
处理前后的马铃薯淀粉在不同温度下的膨胀力(swelling power, SP)如表4所示,在50～80 ℃,所有样品的SP值均随温度的升高而逐渐升高,在60～70 ℃和70～80 ℃,SP值增加较多。50 ℃时,介电加热淀粉的SP值均高于未处理淀粉,介电加热淀粉的SP值随加热时间的延长呈现先增大后减小的趋势。SP值从60 ℃到80 ℃呈现相反的模式,这与PV值吻合。
淀粉在湿润条件下加热,淀粉的结晶结构被破坏,淀粉粒膨胀;水分子通过氢键与暴露在外的支链淀粉以及直链淀粉的羟基连接,导致SP值的增加[24]。不同介电处理淀粉SP值的差异受其其分子质量、脂质-直链淀粉复合物、淀粉颗粒的形态结构、直链淀粉与支链淀粉的比例、直链淀粉与支链淀粉的链长分布不同所影响。MW加热淀粉的SP值大于RF加热淀粉的SP值。此外根据之前的实验结果[9],直链淀粉能限制膨胀并保持溶胀颗粒的完整性。RF加热淀粉的直链淀粉比例高于MW加热淀粉,这是其SP值较低的原因。随着处理时间的延长,马铃薯淀粉的SP值降低,这一结论也与WANG等[1]采用湿热法处理玉米淀粉的结果一致。
表4 淀粉的膨胀力
Table 4 Swelling power of starch
样品膨胀力/%50 ℃60 ℃70 ℃80 ℃未处理1.90±0.06e8.47±0.09abc35.49±0.04b47.44±0.05aRF-12.49±0.04c10.13±0.44a38.37±1.14a46.67±1.31aRF-32.75±0.01b8.94±0.96abc34.01±0.53c41.24±0.67dRF-52.93±0.25ab8.65±0.20abc32.38±1.42de39.26±0.56eRF-73.05±0.19a7.95±0.17bc28.17±0.45f33.83±1.02fMW-12.20±0.05d9.14±0.45ab37.94±0.82a45.24±0.02abMW-32.28±0.03cd7.96±0.17bc36.58±0.32b43.81±1.35bcMW-52.28±0.13cd7.15±0.36cd35.34±0.52b42.01±1.19cdMW-72.37±0.05cd5.58±1.92d31.79±0.45e35.59±0.64f
2.7 透光率分析
未处理和介电加热淀粉的透光率百分比如表5所示,透光率与淀粉的老化过程有关。所有淀粉样品的透光率在贮藏期间(0～120 h)均逐渐降低,且介电加热淀粉的透光率在贮藏期间低于未处理的淀粉。淀粉糊的透光率是淀粉糊中膨胀颗粒数量的函数,SINGH等[25]研究表明膨胀的淀粉颗粒越多,透光率越低。且有研究表明透光率越低直链淀粉含量越高。介电加热淀粉透光率均低于未处理淀粉,表明介电处理改变了淀粉的分子结构,提高了直链淀粉的含量。随着储存时间的加长淀粉开始回生,从而使得其透光率随储存时间增加逐渐降低。MW和RF处理淀粉在透光率和透光率变化趋势中差距不大。
表5 淀粉的透光率
Table 5 Light transmittance of starch
样品透光率/%0 h24 h48 h72 h96 h120 h未处理85.53±0.75a85.77±0.74a85.17±0.80a83.30±1.83a70.95±0.92a68.60±2.26aRF-179.40±0.14ab72.55±0.78cd72.45±0.21c72.60±1.41ab62.50±0.28ab52.35±0.07bcdRF-369.70±0.14cd68.65±0.92de65.35±0.92d62.80±0.14bc57.15±1.63abc45.50±0.71cdRF-564.85±0.21e65.25±0.92ef65.35±0.78d56.60±0.71c50.40±0.28bc35.15±0.35eRF-739.15±2.62g37.15±1.63i35.00±1.70g32.70±2.12d29.30±0.57d26.10±0.57fMW-175.45±0.07bc79.25±2.90b79.15±2.47b74.90±8.07ab70.37±9.94a52.90±2.69bcMW-373.90±1.27bc76.50±0.14bc76.15±0.49bc76.30±0.71a70.40±3.11a54.55±1.63bMW-554.55±0.46f57.10±0.99fg56.10±0.42f51.45±0.50c46.60±0.28bc44.40±3.11dMW-753.33±0.45f54.50±0.42h52.70±0.30e50.50±0.28c41.15±0.78cd24.65±3.18f
2.8 支链淀粉结构分析
支链淀粉的结构对淀粉的理化性质和消化率有很大的影响。支链淀粉链长分布可以直观地反映淀粉经过改性后不同聚合程度的链片段的分布和变化情况。淀粉含有直链淀粉和高支链支链淀粉,支链淀粉根据聚合程度(DP)进一步分为A链(DP 6-12)、B1链(DP 13-24)、B2链(DP 25-36)和B3链(DP>37)。A链形成双螺旋结构,存在于淀粉颗粒的结晶区,B链主要存在于非结晶区。不同介电处理的马铃薯淀粉支链长度分布不同。如表6所示,未处理的淀粉中DP 6-12、DP 13-24、DP 25-36、DP≥37所占比例分别为27.87%、49.86%、15.91%、6.43%。MW能量逐渐渗透到淀粉内部,A链增加但增加速率随着加热时间的延长而减少。MW处理5 min后B1链的比例增加,说明MW破坏了淀粉的结晶区,短链与生长链缠绕在一起使结晶区域再生,处理7 min后,链长分布趋于稳定,说明结晶区已再生。这与相对结晶度的变化趋势一致。
RF处理后,A链的比例先升高后降低,且B链的比例升高。A链相互缠绕形成长链,经过5 min RF处理后趋于稳定,7 min RF处理后结晶区再生,这一结果也与相对结晶度的结果相一致。较好的加热均匀性和较强的穿透性可以抑制淀粉的过热现象,有助于解决淀粉的高支化问题。
表6 淀粉的链长分布
Table 6 Chain length distribution
样品链长分布/%A链B1链B2链B3链未处理27.87±1.80e49.86±2.25a15.91±0.31bcd6.43±0.11aRF-146.02+2.50a43.15±1.88c10.83±0.66g0.00±0.00fRF-342.24±1.88b45.19±1.93b12.59±0.56f0.00±0.00fRF-533.4±1.90c44.91±2.61bc16.62±0.66bc5.05±0.34bRF-733.39±2.39c44.65±1.51bc16.93±1.00b4.99±0.10bMW-132.65±1.60c44.15±1.93bc18.82±0.80a4.39±0.40cMW-339.72±2.34c42.84±2.23c15.26±0.61cd2.19±0.25dMW-541.63±1.61b43.06±2.00c13.78±0.70ef1.51±0.20eMW-733.47±1.77c45.17±1.84b14.83±0.80de2.66±0.47d
3 结论
本研究中将含水量为45%的马铃薯淀粉分别用MW和RF在加热密度为MW功率为10 W/g干淀粉的条件下加热1、3、5、7 min,并通过SEM、PLM、XRD、粒度分布、DSC、RVA、SP、透光率和支链DP分布进行了测定。介电加热对淀粉颗粒的形态外观和XRD衍射图谱影响较小,主要影响淀粉颗粒和链结构、包括颗粒大小分布和颗粒表面形貌,淀粉颗粒表面凹陷,偏光十字变形或消失,ΔH、To、Tp和Tc值降低,PV和BD降低。介电处理降低了SB值使淀粉的回生速率降低,从而更适用于烘焙产品。未处理的马铃薯淀粉的透光率明显高于经介电处理的淀粉,这与SB值的结论是一致的。
结构的改变对淀粉的理化性质有很大的影响。RF处理后淀粉颗粒表面粗糙,部分小颗粒经过较长的加热时间后糊化。RF加热后淀粉颗粒的平均体积大于MW加热,此外RF加热后淀粉的相对结晶度和体积直径均高于MW加热后的淀粉,说明发生颗粒凝聚。但RF加热后淀粉的PV值、BD值、SP值和透光率均低于MW加热的淀粉。介电加热与传统的热处理方法相比,可以在较短的时间内得到相同的结果,有利于节能并提高加工效率。
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