板栗(Castanea mollissima Blume)是我国的传统食品,栽培历史悠久,种植广泛。据统计,我国2018年板栗产量总计196.5万t,产量位居世界第一[1]。板栗营养价值丰富,富含38%～80%的淀粉[2],还有少量蛋白质(4%～7%)、脂肪(2%～4%)、酚类和微量元素等[3],具有预防高血压、抗氧化、延缓骨质疏松等功效[4]。板栗属于典型的淀粉类食物,在加工过程中易出现凝沉、老化等现象[5],淀粉在消化过程中被水解生成的葡萄糖会引起血糖升高,增加肥胖症、糖尿病等其他代谢疾病的发病率[6]。
国内外研究学者通过物理、化学、生物等方法改善淀粉的功能特性,以期降低淀粉在人体内的消化速率,提高淀粉的抗消化能力,其中物理方法较为安全、高效,且操作简便。微波处理是一种常见的物理方法,通过高频电场使淀粉分子间相互碰撞、摩擦、挤压等,电磁能转化为热能,在加热的同时改变淀粉的结构和功能特性[7]。淀粉经过微波处理后会改变淀粉的颗粒形貌、多尺度结构、热稳定性以及加工和食用品质等,LIU等[8]对藜麦淀粉进行微波处理,发现随着含水量和微波功率的增加,淀粉聚集程度增大,淀粉的有序性、结晶度、热稳定性略有提高,抗消化能力因淀粉含水量不同而有不同改变;OYEYINKA等[9]利用微波短时间处理含水量为30%的花生淀粉,发现随着微波时间的延长,颗粒表面的破损、凹陷,淀粉持水能力降低,支链淀粉含量减少,直链淀粉含量增加,相对结晶度降低,结晶类型未改变;LI等[10]采用微波处理不同品种的高粱淀粉,淀粉颗粒表面粗糙,糊化温度升高,糊化焓降低,体外消化率显著降低了3.21%～6.61%。
目前,微波改性的研究大多是对较低含水量(≤35%)的淀粉样品进行研究,淀粉的含水量对微波处理的结果有显著影响,而对高含水量板栗淀粉改性的研究较少。因此,本研究主要采用微波在高功率(800 W)、较长时间下(150 s)处理不同水分含量的板栗淀粉,探究微波对板栗淀粉的结构特性、理化特性及体外消化性的影响,为板栗淀粉改性及淀粉类食品的开发提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
板栗,燕山地区;α-淀粉酶(5 U/mg),Sigma-Aldrich公司;淀粉葡萄糖苷酶(3 260 U/mL)、GOPOD试剂盒,Megazyme公司。
1.2 仪器与设备
FCMCR-3CW微波反应器,巩义科瑞仪器有限公司;V-5800可见分光光度计,上海元析仪器有限公司;低速离心机,湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;RVA-4500快速黏度仪,瑞典波通仪器有限公司;SU-1510扫描电镜,日立公司;BT-9300ST激光粒度分布仪,丹东百特仪器有限公司;D/max-2500vk/pc型X射线衍射仪,日本理学公司;TENSOR 27傅里叶变换红外光谱仪,德国布鲁克公司。
1.3 实验方法
1.3.1 板栗淀粉的提取
采用碱法[4]提取板栗淀粉。板栗进行脱壳,打浆,过滤,4 ℃下静置12 h后,去除上清液;按1∶4的体积比加入1.5 g/L的NaOH,4 ℃下静置12 h后,倒去碱液;加入蒸馏水制成淀粉悬浮液,于3 000 r/min多次离心10 min,30 ℃鼓风干燥,研磨、过筛。
1.3.2 板栗淀粉的微波处理
根据GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》,采用直接干燥法测定板栗原淀粉含水量(10.25%)。称取10 g板栗原淀粉,用蒸馏水调节淀粉含水量至25%、35%、45%、55%、65%(以干基计),4 ℃平衡水分24 h,盖上微波专用保鲜膜,微波功率800 W,时间150 s,将样品冷冻干燥,研磨,过筛备用,板栗原淀粉记为CS,微波处理后的样品编号为MC-25%、MC-35%、MC-45%、MC-55%、MC-65%。
1.3.3 扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)
将样品置于粘有导电双面胶的载物台上,真空喷金后,在加速电压为 5 kV下,观察样品的形态。
1.3.4 粒度分析
利用激光衍射粒度分析对淀粉的粒度分布进行测定,分散剂为蒸馏水;遮光率10%～15%;记录D10/μm、D50/μm、D90/μm。
1.3.5 X-射线衍射法(X-ray diffraction,XRD)测定
利用X-射线衍射仪分析,条件：Co-Ka辐射,管压40 kV,管流40 mA,扫描范围2θ为3°～40°,扫描速率为2°/min,步长为0.02°。利用Jade 6.0软件计算相对结晶度。
1.3.6 傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)测定
采用KBr压片法[11]。取l mg淀粉样品按照1%的质量分数与KBr混合研磨均匀,压制成薄片,利用傅立叶红外光谱仪进行扫描,范围扫描为40～4 000 cm-1,利用OMNIC软件进行基线校正和去卷积处理。
1.3.7 直链淀粉含量的测定
参考CHRASTIL[12]的方法进行测定。
1.3.8 糊化特性的测定
配制8%淀粉乳于铝盒内,50 ℃下,保持1 min后,以24 ℃/min加热至95 ℃,保温2.5 min,再以同样的速率降至50 ℃,保温2 min。960 r/min下混合10 s,后降至160 r/min。记录峰值黏度、糊化温度等参数。
1.3.9 体外消化性的测定
参考LIU等[13]方法并稍作改动。用GOPOD试剂盒测定葡萄糖的含量,快速消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、慢消化淀粉(slow digesting starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch,RS)含量计算如公式(1)～公式(3)所示：
(1)
(2)
(3)
式中：G20为酶解20 min后的葡萄糖量,mg;G120为酶解120 min后的葡萄糖量,mg;FG为酶解前的游离葡萄糖量,mg;TS为样品的干基重,mg。
1.4 数据统计分析
实验重复2～3次,数据用SPSS 25软件处理数据,应用Origin 2022软件绘图。
2 结果与分析
2.1 淀粉颗粒的形貌与粒度分析
如图1所示,CS表面光滑、平整,呈椭圆形、不规则三角形。经微波处理后,MC-25%的颗粒表面无明显变化,部分出现破损。随着淀粉含水量的增加,淀粉颗粒表面破损较为严重,且凹陷程度加剧,颗粒体积明显增大,颗粒之间相互粘连,这是由于在微波的作用下分子间氢键被破坏[14],淀粉链受热吸水膨胀,淀粉颗粒间黏附性增加[15]。
D10、D50、D90是指小于此粒径的颗粒体积含量占全部颗粒的10%、50%、90%,通常以D50表示该淀粉的平均粒径。由表1可知,CS的D50值为6.48 μm,经过微波处理后淀粉颗粒粒径增加,尤其是MC-65%的粒径显著大于其他样品,这可能是由于微波处理下水分子进入淀粉颗粒内部使其膨胀[16],部分淀粉轻微糊化、颗粒之间出现粘连,从而使淀粉颗粒粒径增加。MC-25%的粒径最小,可能是由于低含水量下淀粉糊化程度较低,这与SEM结果一致。
a-CS;b-MC-25%;c-MC-35%;d-MC-45%;e-MC-55%;f-MC-65%
图1 CS与微波处理后的扫描电镜图
Fig.1 Scanning electron microscopy (SEM) images of CS treated with microwave
表1 CS与微波处理后淀粉颗粒的粒径 单位：μm
Table 1 Grain size of CS and microwave treated starch particles
样品名称D10D50D90CS1.534±0.001f6.480±0.006f14.230±0.014fMC-25%2.255±0.008e10.105±0.035e40.240±0.537eMC-35%2.762±0.004c14.610±0.057c57.135±0.460cMC-45%2.577±0.004d12.735±0.035d51.845±0.247dMC-55%3.757±0.023b21.645±0.191b72.925±0.544bMC-65%9.055±0.117a76.515±0.870a240.750±0.071a
注：不同的字母表示数据之间存在显著性差异(P<0.05)(下同)。
2.2 淀粉晶体结构
由图2可知,CS为C型晶体。经过微波处理后,淀粉的峰强度随着含水量的增加而减弱,MC-45%样品在2θ为5.6°的峰消失,结晶类型由C型转变为A型。MC-55%和MC-65%在5.6°的衍射峰较弱,说明含水量较高时,淀粉发生糊化,淀粉内部结构双螺旋被破坏,淀粉分子发生重排。由表2可知,CS的相对结晶度为31.4%,微波处理后结晶度降低7.6%～16.5%,这可能是在微波作用下,淀粉吸收较多的微波能并迅速转化为热能,水分子进入分子内部,使淀粉分子糊化加剧,氢键断裂直链淀粉溶出,与碘分子结合能力降低,导致直链淀粉含量减少,淀粉解旋使结晶区域受损[17]。含水量为25%～45%的淀粉,微波处理后结晶度随含水量的增加而增加,这可能是微波处理后会使淀粉分子内部重新排列,支链淀粉和短直链淀粉相互连接构成新的结晶区域,而MC-55%和MC-65%的相对结晶度较低,分别为15.8%和14.9%,显著低于CS和其他样品。结果表明,适当的含水量有利于形成有序的晶体结构,而过高的含水量则会使淀粉的结晶结构被破坏,该结果与LIU等[8]的研究结果一致。
图2 CS与微波处理后淀粉的X射线衍射图
Fig.2 X-ray diffraction of CS and microwave treated starch
表2 CS与微波处理后淀粉的结晶度、R995/1 022、R1 047/1 022、直链淀粉含量
Table 2 Crystallinity, R995/1 022, R1 047/1 022, amylose content of CS and microwave treated starch
样品名称结晶度/%R1 047/1 022R995/1 022直链淀粉/%CS 31.395±0.502a0.588±0.003c0.860±0.010b19.031±0.723bMC-25% 21.960±0.184c0.625±0.006b0.882±0.002b20.821±0.362aMC-35%23.285±0.346b0.632±0.004ab0.822±0.002c18.988±0.301bMC-45%23.765±0.375b0.645±0.000a0.944±0.020a16.218±0.362cMC-55%15.810±0.141d0.561±0.000d0.964±0.002a18.562±0.301bMC-65%14.855±0.205e0.479±0.012e0.959±0.001a18.647±0.301b
2.3 淀粉的短程有序性
在淀粉红外光谱中,800～1 200 cm-1范围内被认为淀粉构型的特征波段,主要是以995、1 022、1 047 cm-1这3个吸收峰来反映淀粉结构信息的变化,这3个吸收峰分别反映了淀粉的结晶区域、非晶结构、有序结构的变化[18],1 047/1 022 cm-1处的强度比值越大,表明淀粉有序度越高,995/1 022 cm-1处的强度比值越大表明淀粉双螺旋度越高[19],另外,3 000～3 600 cm-1反映的是氢键缔合的O—H键的伸缩振动,其中3 400 cm-1处是淀粉分子中O—H键与多个羟基的拉伸振动,若淀粉分子中的羟基形成氢键时,顶点往往又宽又强[20]。如图3所示,微波处理前后,仍具有相同的特征吸收峰,说明经微波处理对板栗淀粉只进行物理改性。MC-65%在3 400 cm-1及800～1 200 cm-1处,峰宽及峰强度发生明显改变,说明淀粉分子内部发生迁移或重排。R1 047/1 022和R995/1 022的变化趋势一致,均呈现先降低后增加,而后又降低的趋势。MC-65%淀粉的有序性、双螺旋度显著低于其他样品,表明淀粉分子内部氢键破坏严重,直链淀粉分解成短直链,无法形成致密的双螺旋结构,导致短程有序性的下降,这与XRD结果一致。
图3 CS与微波处理后淀粉的FT-IR谱图
Fig.3 FT-IR spectra of CS and microwave treated starch
2.4 糊化特性
根据图4和表3可知。微波处理后,板栗淀粉的峰值黏度随含水量的增加均显著降低(P<0.05),MC-65%峰值黏度最低(2 040.5 cp),表明微波处理含水量较高的淀粉,会使淀粉颗粒破损较为严重,淀粉吸水能力降低,从而导致黏度下降[21];淀粉崩解值反映了淀粉在高温下的耐剪切力,经微波处理后,板栗淀粉的崩解值随含水量的增加而逐渐降低,在MC-55%和MC-65%时降低的尤为显著,崩解值越小,且糊化温度越大,说明淀粉糊热稳定性越好[22],表明微波处理较高含水量的板栗淀粉会显著提高其热稳定性;淀粉的回生值则代表了淀粉的冷糊稳定性和抗老化能力,回生值越低,淀粉的冷糊稳定性和抗老化性越好。微波处理后板栗淀粉的回生值高于CS,随着含水量的增加,淀粉的回生值随之降低,这可能是由于微波处理后,低含水量时淀粉颗粒结构变得更为疏松,分子链断开形成大量短直链淀粉,这些短直链淀粉容易定向排列形成微晶结构,从而导致冷糊稳定性的变差,老化程度提高[23],这一变化随含水量的增加而得到改善,并在含水量达到65%时,淀粉的冷糊稳定性和抗老化能力与CS相似。
图4 CS和微波处理后淀粉的RVA曲线
Fig.4 RVA curves of CS and microwave treated starch
表3 CS和微波处理后淀粉的糊化特性参数
Table 3 Gelatinization characteristics of CS and microwave treated starch
样品名称峰值黏度/cP谷值黏度/cP崩解值/cP最终黏度/cP回生值/cP糊化温度/℃CS 2 867.00±19.80b1 869.50±9.19e977.50±9.19a3 242.00±21.21e1 386.50±10.61e67.80±0.00cdMC-25%2 961.00±16.97a1 977.50±6.36d963.00±5.66a3 489.50±26.16c1 515.00±15.56c67.40±0.64deMC-35%2 813.00±24.04c2 099.00±19.80c714.00±4.24b3 668.00±11.31b1 569.00±8.49b66.40±0.57eMC-45%2 744.50±0.71d2 191.50±10.61b553.00±9.90c3 837.50±14.85a1 646.00±4.24a68.55±0.07bcMC-55%2 483.50±3.54e2 308.50±17.68a172.00±16.97d3 840.50±24.75a1 528.50±12.02c69.40±0.00bMC-65%2 040.50±17.68f1 903.00±14.14e137.50±3.54e3 381.50±20.51d1 478.50±6.36d72.98±0.60a
2.5 体外消化特性
CS和微波处理后淀粉的水解曲线如图5所示,淀粉水解率随消化时间的增加而上升,并逐渐趋于平缓。微波处理后淀粉的水解曲线高于CS,表明微波处理提高了淀粉的消化速率,在MC-65%下消化速率最高,这是由于淀粉水分含量较高,糊化后淀粉晶体结构被破坏,更易与酶结合,淀粉抗消化能力降低,这与XRD和FT-IR结果一致。由表4可知,CS的RDS、SDS和RS含量分别为9.1%、12.5%和81.0%。微波处理后,随着淀粉含水量的增加,RS含量呈先增加后降低的趋势,说明微波处理促进了淀粉中的RDS、SDS和RS 3种组分之间的转化[24]。MC-35%、MC-45%的抗消化能力较高,RS含量分别为60.7%、66.8%,且淀粉的相对结晶度和短程有序较好,表明水分含量低于45%时,高功率长时间的微波作用会促进淀粉分子内部重排,双螺旋结构更加紧密[25],不易被酶水解;而MC-55%和MC-65%样品中RS含量显著降低,这可能是由于高含水量在微波作用下淀粉糊化程度较大,淀粉结晶区域被破坏,双螺旋解旋,使淀粉过度降解,导致淀粉结构不稳定,酶分子易进入淀粉分子内部水解淀粉,使淀粉的抗消化能力降低,不利于RS形成[26]。
图5 微波处理对板栗淀粉水解率的影响
Fig.5 Effect of microwave treatment on hydrolysis rate of chestnut starch
表4 CS和微波处理淀粉中RDS、SDS、RS的含量 单位：%
Table 4 Contents of RDS, SDS and RS in CS and microwave treated starch
样品名称RDSSDSRSCS 9.08±0.03e12.53±0.53f78.39±0.50aMC-25%19.66±0.23d30.19±0.38b50.16±0.15eMC-35%24.02±0.53a15.28±0.30d60.70±0.23cMC-45%19.11±0.44d14.06±0.21e66.82±0.24bMC-55%22.91±0.26b21.96±0.38c55.13±0.13dMC-65%20.88±0.31c37.43±0.09a41.69±0.40f
3 结论
微波处理对板栗淀粉的结构特性、理化特性及体外消化性有显著影响。在微波处理下,淀粉颗粒失去原有的颗粒形貌,颗粒表面破损、凹陷,且含水量的增加会加剧淀粉的糊化,颗粒团聚,从而导致粒径、热糊稳定性的增加,冷糊稳定性变差,老化程度提高。微波处理后淀粉的结晶度和直链淀粉含量下降,在含水量≤45%的条件下,淀粉的相对结晶度、有序性和消化性随含水量的增加呈上升趋势。表明在含水量较低条件下,短直链淀粉与支链淀粉相互连接,重新排列形成较为紧密的结构,在一定程度上提高了淀粉的抗消化能力,XRD和FT-IR的结果也证明了这一点。在含水量≥55%时,由于淀粉糊化程度较高,淀粉内部结构被破坏,其相对结晶度和有序性显著降低,抗消化能力减弱。综上所述,通过调节淀粉的含水量,利用微波处理可以改变板栗淀粉的结构,促进淀粉分子重新排序,进而影响淀粉的抗消化能力,本研究为板栗淀粉改性及淀粉食品开发提供参考。
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