橡子是壳斗科栎属植物栎树的果实,栎树主要分布于北半球,在我国的河南、陕西、四川、湖北、河北、辽宁、云南等大部分省份均有分布,据估算我国橡子的年产量超过200万t[1]。橡子淀粉含量高达48%～85%[2],较于小麦、玉米、红薯等传统淀粉,橡子淀粉因单宁与淀粉颗粒的共生结构,使其具有独特的理化特征,如低损伤淀粉含量、高凝胶强度、低糊化温度及高抗性淀粉(30.80%～44.40%)等[3],在低升糖食品、无麸质食品、增稠剂等产品开发中具有很大潜力,同时因其天然属性和物理加工生产模式,在清洁标签食品领域具有良好应用前景。但天然橡子淀粉存在溶胀性能差、极性条件下不稳定、易老化等缺陷,限制了其实际应用[4]。橡子淀粉还含有单宁和槲皮素等多酚类物质,这类物质通常伴有苦、涩、酸等从而影响到食品的感官品质[5]。
物理改性是一种绿色食品加工技术,其不使用化学试剂和生物酶修饰即可改变淀粉颗粒结构,进而改善淀粉分子理化性质和功能特性[6]。动态高压微射流技术是一种非热物理加工技术,通过剪切、碰撞、高压、空化效应等产生的机械作用力减小颗粒尺寸,均匀分散材料,从而改变生物大分子的物理结构和功能特性[7],目前已应用于淀粉改性、蛋白质及多糖提取、饮料加工等领域[8]。本研究采用动态高压微射流改性橡子淀粉,研究处理前后对其结构和理化性质的影响,旨在为橡子淀粉的深度开发提供理论依据与技术参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
橡子粉,襄阳三珍食品有限公司;花生油,山东香达人食品股份有限公司;无水Na2CO3(分析纯)、KBr(光谱纯)、30%H2O2(体积分数,分析纯),国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
AH-2010型超高压微射流均质机,ATS安拓思纳米技术(苏州)有限公司;SmartLab SE型X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)仪,日本Rigaku公司;IR2000傅里叶红外光谱仪,日本岛津公司;Regulus 8100扫描电子显微镜,日立高新技术公司;LEICA DM2700 PX型显微成像系统,徕卡显微系统(上海)贸易有限公司;3000 Ultra激光粒度仪,英国Malvern公司;MS-70快速水分测定仪,日本AND公司;Tech Master快速黏度分析仪 (rapid visco analyser,RVA),瑞典Perten公司;TDL-60B离心机,上海安亭科学仪器厂;DSC Q20型差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry,DSC),美国TA仪器公司。
1.3 实验方法
1.3.1 橡子提纯淀粉的制备
橡子淀粉的制备参照高立琼等[9]的方法,再加以改动。橡子粉清水浸泡,每隔2 h换水1次(重复3次)。加入5倍体积的清水45 ℃下浸泡12 h后,换水继续浸泡24 h,沉降的淀粉层用2倍体积质量分数为0.5%的Na2CO3溶液浸泡3次,浸泡时间依次为4、6、12 h。再用5倍体积质量分数为1.0%的H2O2溶液,在pH 7、40 ℃条件下持续搅拌漂白5 h,然后静置6 h,沉降淀粉清水浸泡12 h后,4 000 r/min离心10 min,40 ℃烘干至恒重,粉碎后过100目钢筛即得橡子淀粉。
1.3.2 动态高压微射流处理
配制质量分数为10%的淀粉乳,分别在40、60、80、100、120 MPa的压力下循环处理2次,4 000 r/min离心10 min后,40 ℃烘干至恒重,研磨后过100目筛。
1.3.3 红外光谱分析
参考文茜等[10]的方法,称取1.0 mg的淀粉样品和150 mg不含水的KBr粉末,在研钵中快速研磨5 min,然后进行模片压制。置于红外光谱仪中进行分析,波数范围为4 000～400 cm-1,比较6组样品的红外光谱图。
1.3.4 X-射线衍射仪分析
测试参数:铜靶,管电压、电流分别为40 kV、40 mA,扫描速率2°/min,扫描范围5°～60°。
1.3.5 扫描电子显微镜观察
取微量橡子淀粉直接粘到导电胶上,喷金45 s,喷金电流10 mA;形貌拍摄时加速电压5 kV,能谱mapping拍摄时加速电压20 kV,探测器为SE2二次电子探测器。
1.3.6 偏光结构测定
配制10 g/L橡子淀粉悬浮液,制片置于偏光显微镜下观察淀粉的偏光十字。
1.3.7 粒径测定
配制成适宜浓度的橡子淀粉悬浮液,按照仪器提示进行操作。测试参数:样品折射率1.520,遮光度范围10%～15%,分散剂为纯水,分散剂折射率1.333,搅拌速度2 000～3 000 r/min,分析模型为通用。
1.3.8 持水能力测定
参考高丹等[11]的方法,并加以改动。离心管中加入1 g淀粉样品和5 mL水,搅拌均匀后室温静置1 h。3 000 r/min离心15 min,称取沉淀质量。实验重复3次,取平均值。持水能力计算如公式(1)所示:
持水能力
(1)
式中:m1,样品质量,g;m2,沉淀质量,g。
1.3.9 凝沉特性的测定
参考吴进菊等[8]的方法,并加以改动。配制质量分数1%的淀粉乳,95 ℃水浴15 min,并不断搅拌,使其完全胶凝化。取10 mL胶凝化的淀粉糊到具塞刻度试管中,记录溶液的高度,室温下静置24 h后,记录沉降物的高度。实验重复3次,取平均值。凝沉率计算如公式(2)所示:
凝沉率
(2)
式中:h1,胶凝化淀粉糊高度,cm;h2,沉降物的高度,cm。
1.3.10 冻融稳定性测定
参考鲍春铭等[12]的方法,并加以改动。配制质量分数3%的淀粉糊,沸水浴15 min后,取8 mL淀粉糊-18 ℃下冷冻24 h,室温解冻后,5 000 r/min离心15 min,测得沉淀物质量。分离的上清液与淀粉糊的质量比,即析水率。析水率计算如公式(3)所示:
析水率
(3)
式中:M,8 mL淀粉糊质量,g;m,沉淀物质量,g。
1.3.11 糊化特性测定
参考Wang等[13]的方法,并加以改动。用快速水分测定仪测定含水量,根据每组淀粉的含水率算出所需淀粉的质量及用水量,将3.0 g淀粉样品(以干基计)与25 mL蒸馏水混合,置于快速黏度计中,50 ℃持续1 min,3.5 min内升温到95 ℃,并持续3 min,然后在3.5 min内降至50 ℃,并持续2 min,记录此过程中样品的黏度变化。
1.3.12 热力学特性测定
参考Xie等[14]的方法,采用差示扫描量热法测定橡子淀粉热力学特性。称取5 mg淀粉样品和10 μL的纯水压片密封,在4 ℃冰箱中放置24 h。测定参数:扫描温度20～100 ℃,升温速度10 ℃/min,N2气体流量50 mL/min。
1.4 数据处理
各项测试均重复测定3次。采用Origin Pro 2024作图并计算各项数据的平均值、标准差和显著性(P<0.05),其中显著性分析使用Fisher-LSD法。按“平均值±标准差”表示。
2 结果与分析
2.1 动态高压微射流处理对橡子淀粉分子结构的影响
如图1所示,未经处理的橡子淀粉和动态高压微射流处理的淀粉在3 300 cm-1(O—H伸缩振动)、2 900 cm-1(C—H伸缩振动)及1 000～1 150 cm-1(C—O—C和C—O—H伸缩振动)处均出现了淀粉的特征吸收峰,且特征峰的位置未发生明显位移;动态高压微射流处理的橡子淀粉红外光谱图未出现新的特征吸收峰,这表明试验压力范围内的微射流处理并未改变淀粉分子的化学结构及官能团类型,这与陈雯净等[15]对莲子淀粉的研究结果一致。R995/1022代表淀粉的有序结构和双螺旋度[16],120 MPa处理后的橡子淀粉R995/1022由起始的1.06增加至1.12,这可能是由于动态高压微射流的剪切、碰撞、高压、空化等综合效应使得破坏的淀粉分子链重新排列,导致橡子淀粉双螺旋结构含量增加。
图1 不同压力处理橡子淀粉的红外光谱图
Fig.1 Infrared spectra of acorn starch treated under different pressures
2.2 动态高压微射流处理对橡子淀粉结晶结构的影响
与其他淀粉相比,橡子淀粉展现出独特的多晶型结构,根据品种和产地不同,呈现A型、B型和C型结构[3],会直接影响到其应用领域。如图2所示,未经处理的橡子淀粉和动态高压微射流处理的淀粉均在15°、17°、18°、23°附近出现特征峰,这表明试验所用橡子淀粉为A型晶型结构;动态高压微射流处理优先作用于橡子淀粉的无定形区,并未改变其晶型结构。在20°附近出现1个小衍射峰,表明橡子淀粉中存在V型结晶结构,这可能是橡子淀粉中的直链淀粉与其他客体小分子形成的超分子复合物,这与Chung等[17]对天然波斯橡子淀粉研究的结果一致。经动态高压微射流处理,橡子淀粉相对结晶度呈增加趋势,120 MPa处理的橡子淀粉相对结晶度由最初的35.34%增加至40.33%,这表明动态高压微射流在破坏淀粉颗粒中的结构松散无定形区和存在缺陷结晶区的同时,由于其独特的剪切、碰撞、高压、空化等综合效应,导致被释放出来的短链分子尤其是直链淀粉分子和短支链淀粉分子重新排列,形成了新的更小更致密的晶体,从而使得处理后的橡子淀粉相对结晶度上升。
图2 不同压力处理橡子淀粉的X-射线衍射图
Fig.2 X-ray diffraction patterns of acorn starch treated under different pressures
2.3 动态高压微射流处理对橡子淀粉颗粒形貌的影响
淀粉颗粒形态学特征呈现出显著的差异性,因不同植物来源及品种不同而呈现球形、椭圆形及多角形等不同形状[3]。如图3所示,橡子淀粉颗粒呈不规则多边形或类球形,表面相对光滑、完整,无明显孔洞或破损,颗粒界限清晰,呈现典型的天然淀粉微观形貌。随着处理压力升高,淀粉颗粒完整度下降,40 MPa时淀粉颗粒表面出现细小凹陷并逐渐粗糙,并有少量表面破损的淀粉颗粒,60～100 MPa时轻微破裂的颗粒数增加,120 MPa时淀粉颗粒破损程度进一步加剧,少部分颗粒完全破损。试验压力范围内的微射流处理,在一定程度上破坏了橡子淀粉颗粒的完整性,进而影响到橡子淀粉的持水性、冻融稳定性等理化性质。
a-对照组;b-40 MPa处理组;c-60 MPa处理组;d-80 MPa处理组;e-100 MPa处理组;f-120 MPa处理组
图3 不同压力处理橡子淀粉扫描电镜图
Fig.3 Scanning electron microscopy of acorn starch treated with different pressures
a-对照组;b-40 MPa处理组;c-60 MPa处理组;d-80 MPa处理组;e-100 MPa处理组;f-120 MPa处理组
图4 不同压力处理橡子淀粉偏光图谱
Fig.4 Polarized spectrum of acorn starch treated with different pressures
2.4 动态高压微射流处理对橡子淀粉偏光十字的影响
淀粉颗粒由密度和折射率不同的结晶区和非结晶区组成,2种结构的差异导致各向异性,当偏振光通过淀粉颗粒时形成马耳他十字[18]。如图4所示,橡子淀粉颗粒的马耳他十字结构完整清晰,多数为垂直交叉,且交点靠近颗粒中心。低压范围内,橡子淀粉颗粒的马耳他十字变化不大,随着压力上升,尤其是压力增至120 MPa时,部分淀粉颗粒失去了完整的马耳他十字,这表明淀粉颗粒的完整性被破坏,这与扫描电镜微观形貌、红外光谱计算的有序性、DSC测定的糊化温度降低的结果相印证。
2.5 动态高压微射流处理对橡子淀粉粒径分布的影响
如图5所示,随着处理压力的增加,D50和D90值均呈现下降趋势,从橡子淀粉的13.47 μm和71.77 μm分别降至80 MPa处理橡子淀粉的10.87 μm 和27.90 μm。100～120 MPa处理后粒径较80 MPa略微增加,可能是因为微射流处理后淀粉颗粒发生了一定聚集[18]。如表1所示,经动态高压微射流处理,橡子淀粉颗粒体积D[4,3]、表面积平均粒径D[3,2]均比未处理样品更小,橡子淀粉的比表面积呈上升趋势,80 MPa时上升至865.50 m2/kg,比表面积的增加将有利于淀粉分子的羟基与更多的水分子结合,从而改善橡子淀粉的持水能力。
表1 不同压力处理橡子淀粉粒径分布
Table 1 Particle size distribution of acorn starch under different pressure treatments
注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
样品名称D10/μmD50/μmD90/μmD[4,3]/μmD[3,2]/μm比表面积/(m2/kg)橡子淀粉5.05±0.02a13.47±0.06a71.77±1.48a26.40±0.46a8.12±0.04a704.03±3.32e40 MPa处理组4.47±0.02b10.87±0.06d24.47±0.40e14.70±0.20e6.72±0.02e850.53±2.60b60 MPa处理组4.40±0.02c11.07±0.06c44.20±1.90b18.53±0.32b6.87±0.03d831.37±3.46c80 MPa处理组4.14±0.03e10.87±0.12d27.90±1.37d14.60±0.36e6.60±0.06f865.50±7.85a100 MPa处理组4.48±0.04b11.73±0.15b31.27±1.36c16.57±0.45c7.07±0.06c808.60±6.85d120 MPa处理组4.31±0.01d11.87±0.06b30.43±0.25c15.63±0.06d7.14±0.01b800.23±1.45d
图5 不同压力处理橡子淀粉粒径分布
Fig.5 Distribution of acorn starch granules under different pressure treatments
2.6 动态高压微射流处理对橡子淀粉持水能力的影响
如图6所示,随着处理压力的增加,橡子淀粉持水能力呈现持续上升的趋势。正如上述粒径分析得出的结论,橡子淀粉经过动态高压微射流处理时,淀粉颗粒表面产生微针孔状结构,结构松散的无定形区和存在缺陷较多的结晶区被破坏,释放出部分短链分子,橡子淀粉粒径分布变小,比表面积增加,淀粉分子暴露出更多与水分子形成氢键的位点,橡子淀粉整体水合能力增强。王绍清等[19]研究发现,玉米淀粉经过100 MPa微射流处理1次之后,微针孔状结构增多,这种孔道结构的改变直接影响了玉米淀粉的持水能力。100 MPa处理橡子淀粉导致的颗粒二次团聚可能是导致其持水能力略有下降的原因,当处理压力提高至120 MPa时,更多的淀粉颗粒被破坏,其水合能力又快速增加。
图6 不同压力处理对橡子淀粉持水能力的影响
Fig.6 Effect of different pressure treatments on water holding capacity of acorn starch
2.7 动态高压微射流处理对橡子淀粉凝沉率的影响
如图7所示,动态高压微射流处理后的淀粉凝沉率均显著低于橡子淀粉,从40%降低至25%,这与张博[20]的研究结果一致。从上述粒径分析可知,经动态高压微射流处理,橡子淀粉粒径分布变小,比表面积增加,这会使得其表面电荷密度及静电斥力增加,从而抑制橡子淀粉颗粒聚集和沉降,提高其稳定性。因此,动态高压微射流处理能够有效抑制橡子淀粉的凝沉,这有助于改善橡子淀粉的抗老化能力和持水性,提升其在面包、馒头、酸奶以及速冻食品中的加工适应性。
图7 不同压力处理对橡子淀粉凝沉率的影响
Fig.7 Effect of different pressure treatments on the sedimentation rate of acorn starch
2.8 动态高压微射流处理对橡子淀粉冻融稳定性的影响
淀粉的冻融稳定性与其析水率呈负相关关系,析水率越低,冻融稳定性越好[21]。如图8所示,动态高压微射流处理后,橡子淀粉析水率下降,冻融稳定性提升,与游卿翔[22]对莲子淀粉的研究结果一致。其原因可能是高压微射流处理使淀粉颗粒表面变得粗糙并形成微小孔洞,导致直链淀粉的重排空间减少,降低冻融过程中的脱水收缩,从而可以抑制淀粉回生。
图8 不同压力处理对橡子淀粉析水率的影响
Fig.8 Effect of different pressure treatments on water evolution rate of acorn starch
2.9 动态高压微射流处理对橡子淀粉糊化特性的影响
淀粉糊化是一个动态过程,包含加热时的糊化及冷却后的回生。糊化特性对淀粉类产品的质地和保质期起着决定性作用[23],可以采用快速黏度测定仪对其淀粉的表观黏度特性进行测定。如图9与表2所示,经动态高压微射流处理,橡子淀粉峰值黏度呈降低趋势,120 MPa时最低。峰值黏度的降低与高压处理导致的淀粉颗粒过度破碎和分子链断裂有关。颗粒过度破碎和分子链断裂破坏了淀粉分子间的相互作用,从而降低了峰值黏度。随着处理压力增加,崩解值呈降低趋势,在80～120 MPa时显著降低,说明淀粉热稳定性增强,抗剪切能力提升,这与陈璐璐等[24]的研究结果一致。随着压力的升高,回生值总体呈降低趋势,这表明动态高压微射流处理可有效延缓淀粉回生,稳定淀粉糊结构。
表2 不同压力处理橡子淀粉糊化特性参数
Table 2 Pasting characteristic parameters of acorn starch treated with different pressures
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峰值时间/min起糊温度/℃橡子淀粉2 866.67±14.47a1 571.67±20.13ab1 295.00±11.14a4 049.67±23.46a2 478.00±20.42a4.75±0.04b83.23±0.06b40 MPa处理组2 757.00±53.11b1 555.00± 41.76ab1 202.00±11.36b3 520.33±9.02bc1 965.33±42.44bc4.60±0.00d83.23±0.06b60 MPa处理组2 686.33±2.52c1 544.00±5.57b1 142.33±8.08c3 515.67±34.43c1 971.67±29.77bc4.67±0.00c83.98±0.03a80 MPa处理组2 627.33±13.32d1 586.67±26.01a1 040.67±15.37d3 580.67±22.90b1 994.00±8.00b4.82±0.04a84.00±0.00a100 MPa处理组2 608.00±14.53d1 570.33±9.29ab1 037.67±18.82d3 487.33±52.29c1 917.00±44.54c4.82±0.04a84.00±0.05a120 MPa处理组2 588.33±31.47d1 539.33±20.31b1 049.00±11.53d3 523.00±38.59bc1 983.67±22.81b4.80±0.00ab84.03±0.06a
图9 不同压力处理橡子淀粉黏度曲线
Fig.9 Viscosity curves of acorn starch under different pressure treatments
2.10 动态高压微射流处理对橡子淀粉热力学特性的影响
和其他淀粉类似,橡子淀粉颗粒是半晶结构,在加热熔融时会从有序的晶态转变为无序的黏性胶体非晶态,其热力学特性可以采用差示扫描量热法测定。如表3所示,经动态高压微射流处理,橡子淀粉的糊化起始温度(To)降低、峰值温度(Tp)和终止温度(Tc)变化不大,主要是因为动态高压微射流会破坏橡子淀粉颗粒,部分损伤或释放的淀粉短链相比于结构完整的橡子淀粉能够在更低温度下开始熔融,导致糊化起始温度(To)降低;糊化终止温度反映了橡子淀粉颗粒最稳定结晶区域的热稳定性,其变化趋势表明试验范围内的高压微射流处理对橡子淀粉中结构最完善的结晶影响不大。经动态高压微射流处理,橡子淀粉的糊化焓升高,这主要是由于动态高压微射流处理独特的剪切、碰撞、高压、空化等综合效应会使得被破坏的无定形区或结构不完善的结晶区,进一步发生结构重排,相对结晶度升高,这与本文X-射线衍射测得的结果相一致。其他学者[22,25]研究时也发现由于淀粉双螺旋结构含量或结晶度的提高、淀粉颗粒结构的高度稳定性,其DSC测定时的熔融过程则需要更多能量。
表3 不同压力处理橡子淀粉热力学特性参数
Table 3 Thermodynamic parameters of acorn starch treated with different pressures
样品名称To/℃Tp/℃Tc/℃ΔH/(J/g)橡子淀粉67.63±1.41a75.66±0.15a79.45±0.33a4.71±0.97b40 MPa处理组64.96±0.34b75.43±0.16ab79.71±0.20a5.72±0.54a60 MPa处理组64.90±0.33b75.29±0.15b79.87±0.11a5.53±0.30ab80 MPa处理组65.88±1.76ab75.14±0.18bc79.43±0.11a5.33±0.15ab100 MPa处理组64.65±0.13b75.11±0.30bc79.54±0.61a4.96±0.51ab120 MPa处理组64.55±0.19b74.85±0.21c79.48±0.05a5.35±0.04ab
3 结论与讨论
动态高压微射流处理后,橡子淀粉的结构和性质发生了一系列的变化。傅里叶红外光谱的结果表明,动态高压微射流处理并未改变橡子淀粉的官能团结构,较高压力处理时橡子淀粉的双螺旋结构增加;XRD结果显示橡子淀粉为A型结晶,动态高压微射流的剪切、碰撞、高压以及空化效应一方面会破坏结构相对松散的无定形区和存在缺陷的结晶区,另一方面又会起到退火的重结晶效应,使释放处理的链状淀粉分子重新排列,形成新的晶体区域,这与热力学特性测得的糊化焓升高相一致;微观形貌和偏光十字的结果显示动态高压微射流会破坏橡子淀粉颗粒的完整性,随着处理压力升高伴随着对淀粉颗粒的表面蚀刻—部分重组—分子链断裂,推测120 MPa以上压力继续处理时糊化效果将更加明显;RVA测定的表观黏度结果显示,动态高压微射流处理的橡子淀粉峰值黏度、崩解值、最终黏度及回生值均呈下降趋势,抗回生能力增强,淀粉糊更趋稳定。经动态高压微射流处理后,橡子淀粉的粒径减小,比表面积增加;持水能力和冻融稳定性明显提升,持水能力由原来的0.83升高至0.95,析水率由45%降至31%,凝沉率显著降低,较动态高压微射流处理前下降了20.05%。综上,动态高压微射流可以通过调控橡子淀粉颗粒精细结构,改善橡子淀粉应用特性,本研究为橡子淀粉的绿色改性及其在面包、馒头等食品加工及酸奶、布丁、速冻食品等领域的应用提供了理论依据和技术参考。
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