韌化處理對板栗淀粉特性的影響

劉 暢 閻賀靜 常學東

(河北科技師范學院食品科技學院1，秦皇島 066600) (河北省板栗產業協同創新中心2 ，秦皇島 066600)

淀粉是高等植物細胞中的儲存多糖，也是人類攝取能量的主要來源。天然淀粉存在某些理化特性的不足，不能滿足各種工業應用的要求[1]。因此，天然淀粉經常采用物理、化學和酶的方法進行改性。從食品安全的角度來看，物理改性沒有化學試劑和酶的殘留，是一種安全的改性方法[2]。

韌化處理是常用的一種物理改性方法，是指在過量(>60%)水分或中等水分(40%)條件、相對較低溫度(高于玻璃化溫度，低于起始糊化溫度)的一種熱處理過程[3-4]。近年來，國內外學者對淀粉的韌化改性進行了大量研究，并取得了一定的成果。由于淀粉的生物來源、淀粉結構、韌化處理條件不同，研究結果也不盡相同。文獻已報道大米、大麥、木薯、小麥、高粱、豌豆和馬鈴薯淀粉等韌化處理后淀粉顆粒穩定性增大，凝膠化溫度升高，膨脹度、糊化焓和酶解率變化各不相同[5-10]。韌化處理淀粉在食品工業中有重要的應用，如罐頭食品、冷凍食品和烘培食品，也可用于面條的生產[4]。此外，韌化處理淀粉能提高抗性淀粉(RS)的含量，可應用于食品中提高膳食纖維的含量[4]。

板栗(CastaneamollissimaBlume)是我國傳統的木本糧食植物，具有豐富的營養價值和保健功能，有“干果之王”的美稱。板栗的淀粉含量較高，約占干物質的38%～80%，是影響板栗品質和加工性能的主要因素[10-11]。國內外關于韌化處理對板栗淀粉理化特性的影響鮮有報道，本實驗以我國燕山板栗為材料，研究韌化處理對板栗淀粉結構和功能影響，以期為深入研究板栗淀粉的理化功能特性和進一步開發板栗深加工產品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

兩個品種板栗(早豐、燕魁)：河北遷西。

A3176α-淀粉酶：Sigma公司；E-AMGDF淀粉葡萄糖苷酶、K-GLUC GOPOD試劑盒、K-SDAM淀粉破損試劑盒：Megazyme公司。

SU-1510掃描電鏡：日本Hitachi公司；D/max-2 500 vk/pc型X射線衍射儀：日本Rigaku公司；TENSOR 27傅里葉變換紅外光譜：德國Bruker公司；DSC 200F3差示掃描量熱分析儀：德國Netzsch公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 板栗淀粉的提取

板栗淀粉的提取根據Liu等[11]方法。將提取的淀粉樣品于40 ℃烘干，研缽研細。

1.2.2 淀粉的韌化處理

于20 g淀粉中加入適量水，調整含水量為75%，混勻后移入具塞試管，密封并于4 ℃平衡水分24 h。分別將樣品置于30、40或50 ℃水浴中加熱處理24 h。3 000 r/min離心 10 min，棄上清液，將淀粉水洗后離心，于30 ℃鼓風干燥24 h，研磨后過100目篩。

1.2.3 淀粉破損率和直鏈淀粉含量的測定

淀粉的破損率采用淀粉破損試劑盒測定。直鏈淀粉含量參考Williams等[12]的方法測定。

1.2.4 淀粉的微觀形貌

將雙面導電膠貼于掃描鏡的金屬樣品平臺上，將少許淀粉樣品固定導電膠上，真空中將樣品噴金鍍膜處理后，置于掃描電子顯微鏡中，加速電壓為15 kV，觀察樣品的微觀形貌。

1.2.5 晶體特性分析

采用連續掃描法，X射線衍射儀分析條件為：CoKα輻射，管壓40 kV，管流40 mA，測量角度2θ為3°～40°，掃描速度1 deg/min，步長0.02°。

相對結晶度的計算采用Nara等[13]的方法計算：RC=Ic/ (Ia+Ic)×100%

式中：Ia為非結晶區的面積；Ic為結晶區的面積。

1.2.6 紅外光譜分析

制樣采用KBr壓片法，稱取樣品(1±0.05)mg，按照1%的比例與KBr混合、研磨、壓片，用傅里葉變換紅外光譜測試。掃描波數范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1。用Omnic8.0軟件對紅外譜圖進行基線校正及去卷積處理，半峰寬為16，增強因子為2.0，得到去卷積波譜圖，計算(1 045/1 022)cm-1峰強度比值。

1.2.7 淀粉的膨脹度

采用40 mg淀粉體系，參考Konik-Rose等[14]方法，通過對膨脹前后淀粉質量的變化來測定淀粉樣品的膨脹度。

1.2.8 淀粉的熱學特性

稱取3 mg干基淀粉樣品置于鋁盤中，加入9 μL蒸餾水，密封鋁盤后于室溫下平衡24 h。以空鋁盤做參比，用DSC測量樣品的熱特性。加熱溫度范圍20～120 ℃，升溫速率為10 ℃/min。用儀器配套軟件計算起始溫度To，峰值溫度Tp，結束溫度Tc，凝膠化焓ΔH。

1.2.9 淀粉的體外消化性

體外消化性采用Englyst等[15]的方法。用葡萄糖氧化酶測定生成葡萄糖的量，結果以淀粉水解率來表示?？煜矸?RDS)為20 min內消化的淀粉，慢消化淀粉(SDS)為20～120 min消化的淀粉，抗性淀粉(RS)為120 min內不能消化的淀粉。

淀粉水解率=(反應液中的葡萄糖釋放量×0.9/干物質中總淀粉量)×100%

1.2.10 統計分析

使用SPSS軟件分析數據，數據采用Duncan多重檢驗法進行顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 淀粉破損率和直鏈淀粉含量

如表1 所示，隨著韌化處理溫度的升高，兩種板栗淀粉破損率顯著增大，50 ℃韌化的淀粉破損率最大。和原淀粉相比，板栗淀粉韌化后的直鏈淀粉含量降低，50 ℃韌化的直鏈淀粉含量最低。韌化處理對直鏈淀粉含量的影響取決于韌化處理的方式以及淀粉的來源，文獻報道玉米，小麥、馬鈴薯、玉米、木薯淀粉韌化處理后直鏈淀粉含量沒有顯著變化[6,16]；但韌化處理后的豌豆、小麥、玉米、馬鈴薯淀粉的直鏈淀粉含量降低[17-18]，這可能是由于韌化過程使直鏈淀粉溶出，直鏈淀粉螺旋結構發生變化而減弱了直鏈淀粉螺旋和碘結合的能力[8]。

表1 韌化處理樣品的直鏈淀粉含量和淀粉破損率

注：數據表示為均值±標準方差，字母不同表示差異顯著，P<0.05，余同。

2.2 韌化淀粉的微觀形貌

板栗原淀粉和韌化淀粉的掃描電鏡圖如圖1所示。板栗淀粉顆粒形狀多樣，有圓形、橢圓形、三角形和不規則形等。原淀粉顆粒表面光滑完整，沒有裂縫、凹陷和孔洞。30 ℃韌化沒有使淀粉顆粒的微觀形貌發生變化；40和50 ℃韌化后，有的淀粉顆粒表面粗糙、出現凹坑和損傷、甚至形成孔洞，也有的顆粒發生黏結現象，50 ℃韌化使淀粉顆粒出現凹陷和黏結現象最顯著。這是由于韌化過程淀粉顆粒吸收少量水分，升溫使淀粉顆粒發生有限膨脹，冷卻后在淀粉顆粒表面形成塌陷，粉顆粒間發生黏結。微觀形貌的差異可能與淀粉顆粒大小、結構以及處理條件有關。文獻報道韌化處理的小麥和高粱淀粉顆粒表面粗糙，存在溝槽[4, 19]。而韌化處理的燕麥、扁豆和馬鈴薯等淀粉顆粒沒有變化[20]。

注：a，早豐；b，燕魁；1，原淀粉；2，30 ℃韌化；3，40 ℃韌化；4，50 ℃ 韌化，余同。圖1 韌化處理板栗淀粉的掃描電鏡圖 (×2 000)

2.3 淀粉晶體特性分析

板栗原淀粉在衍射角2θ為5.4°、 15°、17°和23°處有衍射峰(見圖2)，為C型晶體。韌化淀粉和原淀粉的出峰位置基本一致，仍為C型晶體，但峰強度降低。韌化后第1個峰的出峰位置向衍射角2θ增大的方向移動，由原淀粉的5.4°變為韌化后的5.6°。由表1可知，30和40 ℃韌化的板栗淀粉結晶度顯著增大；50 ℃韌化淀粉的結晶度低于40 ℃韌化。和原淀粉相比，50 ℃韌化的早豐淀粉結晶度增大，而50 ℃韌化的燕魁淀粉結晶度沒有顯著變化。韌化處理改善了淀粉顆粒內部的堆積狀態，通過晶體的熔融和內部重排增加了晶體的完美程度[1]；淀粉鏈間的相互作用增加，形成雙螺旋結構，這種改變和韌化溫度有關。

圖2 韌化處理淀粉的X射線衍射圖

2.4 韌化處理對淀粉紅外光譜的影響

淀粉的去卷積紅外圖譜見圖3，在900～1 200 cm-1之間內可見7個明顯的吸收峰。淀粉在1 047和1 022 cm-1的峰強度比值可用來表示淀粉在短程范圍內的晶體有序程度[21]。表1為樣品淀粉韌化處理后FTIR去卷積波譜的(1 047/1 022)cm-1峰強度比值，30 ℃韌化、40 ℃韌化使兩種板栗淀粉(1 047/1 022)cm-1峰強度的比值顯著增大，說明雙螺旋結構的短程有序性增大；50 ℃韌化后兩種淀粉的峰強度比值和原淀粉沒有顯著差異，這和晶體結構的結果一致。這可能由于韌化處理增加了晶體的完美程度，促進淀粉鏈間的相互作用，使支鏈淀粉的雙螺旋排列更有序。Chung等[16]也報道了韌化后的玉米、豌豆和扁豆(1 047/1 022)cm-1峰強度比值顯著增大。

圖3 韌化處理淀粉去卷積紅外光譜圖

2.5 韌化處理對淀粉的膨脹度的影響

韌化處理后板栗淀粉的膨脹度如表2所示，在50～92.5 ℃，原淀粉和韌化淀粉的膨脹度隨溫度的升高而增大。韌化處理淀粉的膨脹度均低于原淀粉，膨脹度隨韌化處理溫度的升高而降低。膨脹度的大小順序為：原淀粉>30 ℃韌化>40 ℃韌化>50 ℃ 韌化淀粉。由于韌化使板栗淀粉微晶完善，分子排列更有序，淀粉鏈間的相互作用增大，從而抑制支鏈淀粉分子的自由膨脹。文獻也報道韌化能降低高粱、小麥、大麥、大米、木薯、馬鈴薯淀粉的膨脹度[5,18, 22-23]。

2.6 韌化處理對淀粉熱性質的影響

韌化淀粉的熱力學參數見表3，不同的韌化溫度對板栗淀粉的糊化溫度有顯著影響。和原淀粉相比，隨著韌化處理溫度升高，2種板栗淀粉的To、Tp和Tc均呈增大趨勢，ΔH不變或稍有減少。Kiseleva等[7]認為韌化處理使淀粉晶體的厚度略有增大，而支鏈淀粉外側鏈長度的變化是糊化溫度升高的真正原因。韌化處理的溫度越高，淀粉顆粒的分子流動性越大，淀粉分子鏈之間的相互作用越強，所需的糊化溫度就越高。該結果與文獻報道的韌化小麥、大麥、大米及甘薯淀粉的研究結果一致[23-25]。韌化后2種板栗淀粉的糊化溫度范圍變窄，表明淀粉顆粒的晶體結構更均勻。

2種樣品韌化后ΔH有不同變化，早豐淀粉的ΔH隨韌化處理溫度的升高而降低；燕魁淀粉30、40 ℃ 韌化處理后ΔH變化不顯著，50 ℃韌化淀粉的ΔH顯著降低，這與Chung等[16]的研究結果一致。

2.7 韌化處理對淀粉體外消化性的影響

韌化前后淀粉各營養片段含量見表4。30和40 ℃韌化處理使板栗淀粉RDS含量顯著降低，SDS和RS含量略有增大，這反映了韌化過程中淀粉分子重組和晶體結構的完善，直鏈淀粉-直鏈淀粉以及直鏈淀粉-支鏈淀粉間相互作用增大，這一變化在30 ℃韌化處理后更為明顯，因為晶體的完美程度大于其他韌化處理。50 ℃韌化后的2種淀粉RDS和RS含量減少，SDS含量顯著增大，這是由于50 ℃韌化使淀粉顆粒表面形成了多孔結構和裂縫，淀粉酶更易進入淀粉顆粒內部進行水解。據文獻報道，韌化使小麥、西米、大米、豌豆淀粉更易被淀粉酶水解[26]；但另一些研究結果與此相反，認為韌化使小麥、小扁豆、土豆淀粉的水解力下降[4]。韌化的條件以及淀粉來源等因素決定淀粉的酶解特性。

表2 韌化處理淀粉的膨脹度

表3 韌化處理淀粉的熱力學參數

表4 韌化處理淀粉各營養片段的含量

3 結論

韌化處理對板栗淀粉的結構和功能有顯著影響。韌化后板栗直鏈淀粉含量降低，淀粉破損率顯著增大。40和50 ℃韌化處理使部分顆粒表面出現凹坑和孔洞，有些顆粒黏結糊化。板栗淀粉韌化處理后仍為C型晶體，晶體結構更完善，30和40 ℃韌化淀粉的結晶度較原淀粉增大。

板栗淀粉膨脹度隨韌化處理溫度的升高而降低，且低于原淀粉。DSC分析表明，韌化淀粉的To、Tp和Tc增大，ΔH不變或稍有減少。韌化處理對板栗淀粉的體外消化性有顯著影響，30和40 ℃韌化后板栗淀粉的RS含量略有增大，而50 ℃韌化后淀粉的SDS含量增大，RS含量減少。

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