不同干燥條件對白魔芋精粉性質的影響及其結構表征

劉海利,范盛玉,張盛林,牛義,胡玲玉,張甫生

1(西南大學 園藝園林學院,重慶,400715)2(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)

魔芋(amorphophallus konjac)是天南星科魔芋屬多年生宿莖草本植物,在我國有著廣泛的種植,具有較高的經濟價值和保健價值,魔芋塊莖中含有豐富的葡甘聚糖。魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)是由D-葡萄糖與D-甘露糖殘基通過β-1,4糖苷鍵聚合而成的一種親水性多糖,是魔芋的主要功能性成分,具有良好的吸水性、增稠性、成膜性、凝膠性等[1],進入人體后可以促進食物的消化和吸收,調節人體的新陳代謝。研究表明KGM具有減肥、降血壓、降血脂、抗腫瘤等功效[2],目前已在食品、醫學、生物學等方面具有廣泛的應用。全球商品化的魔芋品種有花魔芋(A.rivieri)、白魔芋(A.albus)和珠芽魔芋(A.bulbifer)。白魔芋為我國特有的優質商品化品種,分布于金沙江干熱河谷等地帶[3],因KGM含量高、加工制品色澤亮白等優勢而享有盛譽,具有較大的開發利用潛力。

魔芋的成熟具有季節性,新鮮魔芋除加工成魔芋豆腐外,還通常被加工成魔芋精粉[3]。干燥是魔芋精粉生產中的一個必要環節,近年來,熱風干燥、真空冷凍干燥、微波干燥、紅外干燥等干燥技術應用于魔芋干燥[4-6]。魔芋中含有大量多酚氧化酶等熱敏性物質,在適當熱和氧的條件下會發生嚴重的酶促褐變,使魔芋精粉的色澤等品質受到影響[7],同時在干燥過程中魔芋精粉中的KGM等物質會發生降解,因此不同的干燥方式可能會對樣品的品質產生影響,選擇合適的干燥條件極為重要。

自然干燥是魔芋干燥中較常見的干燥方式,操作簡單、設備成本低,但其干燥效率較低、成品品質較差[8];畢振舉等[5]、衛永華等[9]發現真空冷凍干燥可以最大程度保持魔芋精粉的品質,但其設備成本較高,干燥效率較低;熱風干燥是常用的傳統干燥方式,對溫度控制要求較高,近年來熱風分段干燥方式因其干燥效率高、成品品質好等優點引起了研究者的關注。DA SILVA等[10]在對甜瓜種子的干燥研究中發現與連續干燥相比,分段干燥可以提高保存的蛋白質和脂質的品質;效碧亮等[11]發現熱風分段干燥可以縮短蘋果片干燥時間并提高產品品質;ZHU等[12]發現采用前期高溫、后期低溫的熱風分段干燥方式,可以顯著提高煙草的干燥效率且減少煙草在干燥過程中受到的損害。而目前關于熱風分段干燥應用于魔芋干燥的研究未見報道。

基于此,本研究以新鮮白魔芋為原料,探討自然干燥、真空冷凍干燥、熱風干燥(低溫干燥、高溫干燥、分段干燥)5種不同的干燥條件對白魔芋精粉色澤、KGM含量、乙?；?、流變學性質等的影響,并通過分子質量、傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared,FTIR)、X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)以及掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)等進行結構表征,旨在提高白魔芋的應用,為優化魔芋干燥工藝提供理論依據與數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原料:白魔芋,重慶石柱魔芋試驗示范實踐基地。

試劑:乙醇、鹽酸、NaOH,成都市科隆化學品有限公司;葡萄糖(分析純),重慶市鈦新化工有限公司;DNS試劑,北京雷根生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

DHG-9070A電熱鼓風干燥箱,上海一恒科學儀器有限公司;SCIENTZ-10 ND型真空冷凍干燥機,寧波新芝生物科技股份有限公司;FW100高速萬能粉碎機,北京科偉永興儀器有限公司;FA1004A電子分析天平,上海精天電子儀器有限公司;HZ-ZK8型數顯恒溫水浴鍋,鞏義市予華儀器有限責任公司;WR-18精密手持測色儀,深圳市威福光電科技有限公司;SF-756P紫外可見分光光度計,上海光譜儀器有限公司;HR-1型TA旋轉流變儀,美國TA公司;LC-20A多角度激光光散射儀-凝膠滲透色譜聯用儀,日本島津有限公司;Spectrum 100傅里葉紅外光譜儀,美國Perkin Elmer公司;X’Pert3 Powder型X射線衍射儀,荷蘭帕納特有限公司;BX43生物顯微鏡,日本OLYMPUS公司;Phenom Pro型掃描電鏡,荷蘭Phenom World公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品干燥

新鮮白魔芋洗凈削皮,切成均勻的5 cm×5 cm×0.5 cm大小的片狀,隨機分成6組,每組10個重復樣品,1組用于新鮮樣品測試,其他5組用于干燥,各組干燥條件參數如下。

1.3.1.1 自然干燥

將新鮮魔芋片平鋪在不銹鋼晾曬網上,置于實驗室通風干燥處自然干燥,每隔0.5 h翻一次面,干燥至魔芋片含水量為10%左右。

1.3.1.2 真空冷凍干燥

將新鮮魔芋片于-40 ℃冰箱預凍24 h,預凍好的樣品平鋪在不銹鋼盤,放入預熱好的真空冷凍干燥機,設置真空度為50 Pa,冷阱溫度為-40 ℃,干燥至魔芋片含水量為10%左右。

1.3.1.3 熱風干燥

將新鮮魔芋片平鋪在不銹鋼鋪曬網上,設定風速2 m/s,分別進行低溫干燥(60 ℃)、高溫干燥(100 ℃)、分段干燥(100 ℃干燥至樣品含水量為50%后轉移至60 ℃干燥),干燥至魔芋片含水量為10%左右。

取不同干燥條件的魔芋片在恒溫干燥箱里于105 ℃干燥4 h[13],測定干燥樣品的終含水量,重復3次測定,結果如表1所示,各樣品均符合GB/T 18104—2000《魔芋精粉》中的規定(魔芋精粉水分含量≤13%),可以進行后續測試。

表1 不同干燥條件下樣品的水分含量 單位:%Table 1 moisture content of samples under different drying methods

1.3.2 指標檢測

將不同干燥條件的魔芋片粉碎過篩,選擇40目～120目的樣品,為待測魔芋精粉。

1.3.2.1 色澤測定

將不同干燥條件得到的魔芋精粉分裝在底部直徑為3 cm的圓底塑料盒,樣品高度為0.5 cm,用色度儀測量樣品的色澤,記錄各樣品的L*值、a*值、b*值[5]。

1.3.2.2 KGM含量測定

準確稱量一定量不同干燥條件制得的魔芋精粉,用乙醇沉淀法提取樣品中的魔芋葡甘聚糖[6],按GB/T 18104—2000《魔芋精粉》附錄A進行KGM含量的測定。

1.3.2.3 乙?；繙y定

準確稱取2.000 0 g不同干燥條件的魔芋精粉于100 mL錐形瓶中,加入40 mL體積分數75%乙醇,在40 ℃的恒溫振蕩器內以150 r/min振搖30 min,樣品充分溶脹后加入5 mL 0.5 mol/L NaOH溶液,在40 ℃繼續振搖皂化24 h,用0.1 mol/L HCl溶液中和滴定過量的堿,以酚酞為指示劑,樣品的乙?；堪垂?1)計算[14]:

(1)

式中:V1,空白對照組消耗的HCl體積,mL;V2,樣品組消耗的HCl體積,mL;N,HCl的摩爾濃度,mol/L;M,摩爾指數,43 g/mol;m,樣品質量,g。

1.3.2.4 分子質量測定

通過多角度激光光散射儀-凝膠滲透色譜聯用儀測量樣品的分子質量,0.80 mg/mL樣品溶液通過0.22 μm的水系濾膜后用于測試,色譜柱為OHpak SB-804HQ柱,進樣量20 μL,流動相為0.9% NaCl溶液,流速1.0 mL/min,柱溫35 ℃,示差檢測器RI[15]。

1.3.2.5 FT-IR測定

將適量不同干燥條件的魔芋精粉放入傅里葉紅外光譜測定儀圓盤壓片測量,掃描光譜范圍4 000～600 cm-1,分辨率0.4 cm-1,掃描次數64[16],記錄樣品的紅外光譜。

1.3.2.6 XRD測定

將適量不同干燥條件的魔芋精粉放入載玻片上壓片后放入X射線衍射儀測試,掃描范圍5°～60°(2θ),掃描速度5 °/min[17],記錄樣品的衍射光譜。

1.3.2.7 光學顯微鏡觀察

使用光學顯微鏡對各樣品的大小分布及形態結構進行觀察,將適量的樣品粉末固定在載玻片上,用顯微鏡觀察,選擇有代表性的區域進行拍攝,拍攝倍數為100×。

1.3.2.8 SEM分析

使用SEM對各樣品的微觀結構進行觀察,將適量的魔芋精粉固定在樣品銅臺上,在真空度1.0×10-3Pa,濺射電壓1.2 kV條件下鍍金5 min,鍍金后的樣品送入電鏡觀察,選擇有代表性的區域進行拍攝,拍攝倍數為500×[6]。

1.3.2.9 流變學性質測定

將質量分數1.0%的魔芋精粉加入60 ℃的去離子水中,200 r/min攪拌60 min至KGM完全溶脹,自然冷卻至室溫(約25 ℃)后放至4 ℃的冰箱冷藏24 h,待測。

穩態剪切流變:測試模具為40 mm的平行板,測試間隙1.0 mm,測試溫度25 ℃,測試前平衡時間120 s,選擇流動掃描模式,剪切速率范圍0.1～100 s-1,對數取點[18],測定各樣品表觀黏度和剪切應力隨剪切速率變化的情況。

頻率掃描:測試模具為40 mm的平行板,測試間隙1.0 mm,測試溫度25 ℃,測試前平衡時間120 s,形變量γ 2%,在振蕩模式下進行頻率掃描,掃描范圍0.1～10 Hz[19],測定樣品的儲能模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗正切值(tanδ)隨頻率的變化。

1.3.3 數據處理

所有實驗進行3次平行,實驗結果表示為平均值±標準差的形式,采用SPSS 23.0進行數據處理與分析,采用Origin 2021進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 不同干燥條件對魔芋精粉色澤的影響

魔芋精粉的色澤是評判其品質的重要指標之一,GB/T 18104—2000《魔芋精粉》中明確指出,特級魔芋粉顏色亮白,允許存在極少量其他顏色的顆粒,隨著品質的逐漸降低,魔芋粉中非白色顆粒增多[15]。不同干燥條件對魔芋精粉色澤的影響如圖1所示,采用Lab法表示結果,其中L*值代表白度,L*值越大白度越大,a*值為紅綠值,a+表示偏紅,其值越大表示越紅,b*值為黃藍值,b+表示偏黃,其值越大代表越黃?？梢钥闯稣婵绽鋬龈稍飿悠返陌锥戎底畲?為88.44,顯著高于其他樣品(P<0.05),其次為熱風分段干燥的樣品,白度值為82.05,熱風高溫干燥的樣品a*值和b*值都顯著高于其他樣品(P<0.05),色澤偏向焦黃。產生以上現象的原因是在真空冷凍的條件下酶的生物反應難以進行,抑制了酶促褐變的發生[5],所得樣品與未干燥的新鮮魔芋色澤接近;高溫可以使多酚氧化酶失活,在一定程度上抑制酶促褐變,但持續的高溫會使樣品呈現出烤焦的黃色[4],因此采用先高溫滅酶后降低干燥溫度的分段干燥方式既可以抑制酶促反應又能避免過度烘烤出現的焦黃色。

a-L*值;b-a*值;c-b*值;d-樣品照片圖1 不同干燥條件對魔芋精粉色澤的影響Fig.1 Effect of different drying methods on the color of konjac flour

2.2 不同干燥條件對魔芋精粉KGM含量的影響

KGM含量是評價魔芋精粉品質好壞的重要指標,GB/T 18104—2000《魔芋精粉》中明確指出,魔芋精粉的KGM含量需≥50%,其中特級魔芋粉的KGM含量≥80%。不同干燥條件對魔芋精粉KGM含量的影響如圖2所示,可以看出真空冷凍干燥的樣品KGM含量為81.82%,顯著高于其他樣品(P<0.05),滿足特級魔芋粉的KGM含量要求,這是因為真空冷凍干燥的環境抑制了大部分微生物和酶的生物反應的進行,KGM無法被氧化,糖類物質損失較少[5],提高了KGM的留存率。熱風高溫、分段干燥所得樣品KGM含量僅次于真空冷凍干燥,分別為63.20%、64.63%,自然干燥的樣品KGM含量最低,為51.33%,與畢振舉等[5]在對不同干燥條件下富硒魔芋的KGM含量研究中發現規律一致,產生以上現象的原因是高溫條件降低了KGM的氧化程度,縮短了干燥時間[20],能在一定程度上提高KGM的含量。

圖2 不同干燥條件對魔芋精粉KGM含量的影響Fig.2 Effect of different drying methods on KGM content of konjac flour

2.3 不同干燥條件對魔芋精粉乙?；康挠绊?/h3>

乙?；欠植荚贙GM糖殘基支鏈上的結構,與魔芋精粉的溶脹行為和凝膠特性息息相關,其存在會使KGM分子間的空間位阻較大,阻礙分子間網絡結構的形成[21],因而低的乙?；坑兄贙GM形成良好的凝膠特性。不同干燥條件對魔芋精粉乙?；康挠绊懭鐖D3所示,可以看出真空冷凍干燥的樣品乙?；孔畹?為22.68%,這是因為在真空冷凍干燥的條件下,KGM內的水分直接從細胞內部升華,對KGM結構的破壞更加徹底[9],促進了乙?；鶑腒GM支鏈的脫離;自然干燥條件下乙?；孔罡?為27.20%,在熱風干燥條件下,乙?；暮颗判驗榈蜏馗稍?高溫干燥>分段干燥,產生以上現象的原因可能是因為高溫的熱處理促進了分子間的熱運動,增加乙?；拿摮蔥14]。

圖3 不同干燥條件對魔芋精粉乙?；康挠绊慒ig.3 Effect of different drying methods on acetyl content of konjac flour

2.4 不同干燥條件對魔芋精粉分子質量的影響

多糖的分子質量是表征其功能特性和生理活性的一個極為重要的指標,由于來源和提取方式不同,KGM的分子質量一般在200～2 000 kDa之間[22],重均分子質量(Mw)為在單位重量上平均得到的分子質量,D為重均分子質量(MW)與數均分子質量(Mn)的比值,其值越接近于1,說明樣品中分子質量分布越集中[6]。從表2可以看出所有樣品的D值都接近于1,即KGM分子質量分布較均勻集中。不同干燥條件所得的KGM分子質量有所差異,說明KGM的結構變化情況不同。自然干燥和熱風低溫的樣品分子質量較小,這是因為在室溫、熱風低溫干燥條件下,長時間的水分及合適的溫度條件促進了KGM的濕熱降解[23],真空冷凍干燥也會使多糖發生降解,但其降解的程度低于室溫和熱風低溫的濕熱降解;熱風高溫干燥與分段干燥的樣品分子質量>1 000 kDa,顯著高于其他樣品的分子質量,說明此時KGM降解率相對較低,這是因為高溫可以使水分快速喪失,減少了濕熱降解的發生,同時持續的高溫處理會促進分子的熱運動,所以采用先高溫使水分快速散失后低溫干燥的方式獲取的魔芋精粉KGM分子質量最高。

表2 不同干燥條件對魔芋精粉分子質量的影響Table 2 Effect of different drying methods on molecular weight of konjac flour

2.5 FT-IR結果分析

2.6 XRD結果分析

XRD經常用于表征樣品的晶體/非晶結構、晶格參數等結構特征,具有制樣簡單、對樣品無破壞性等優點[17],不同條件干燥的魔芋精粉XRD圖如圖5所示,在2θ=20°左右觀察到了一個寬的彌散峰,說明KGM呈現無定形狀態,與LI等[24]報道的結果一致,這是因為天然KGM中含有大量的無定形區域,少量的結晶區隱藏在無定形區域內,整體上呈現出一種無定形狀態?？梢钥闯鰺犸L高溫與分段干燥的樣品彌散峰明顯變窄且分段干燥的樣品更窄,說明與其他干燥條件相比,熱風高溫和分段干燥的樣品結晶度增加,分子結構更加有序[17]。同時觀察到自然干燥和熱風干燥的樣品在2θ=15°時觀察到了一個小的結晶峰,而真空冷凍干燥的樣品未出現,猜測可能是由于在真空冷凍干燥時水分從分子內部升華,對細胞破壞程度大,而自然和熱風干燥水分是從表面汽化,水分散失的形式不同而對結構造成了差異。

圖5 不同干燥條件的魔芋精粉XRD圖Fig.5 XRD pattern of konjac powder with different drying methods

2.7 不同干燥條件的魔芋精粉光學顯微鏡觀測圖

通過光學顯微鏡可以看出粉末樣品的大小形貌和分布狀態,各樣品的光學顯微鏡觀測圖如圖6所示,可以看出粉碎后的魔芋精粉組織結構完整,顆粒大致呈扁平的橢圓狀,與楊曉儀等[25]觀察到的魔芋精粉形貌類似。不同條件干燥的魔芋精粉形貌與分布狀態有所差異,真空冷凍干燥(圖6-b)和熱風干燥(圖6-c～圖6-e)得到的樣品顆粒分布均勻,而自然干燥(圖6-a)得到的樣品分布的均勻性差,有較多的小顆粒分子,可能為未去除的淀粉顆粒,產生以上現象的原因可能是熱風干燥是在密閉環境中的風力條件下,以及真空冷凍干燥得到的脆性樣品有助于淀粉顆粒和魔芋精粉的分離,而自然干燥條件下淀粉顆粒易被魔芋精粉包裹,通過篩分難以去除。

2.8 不同干燥條件的魔芋精粉SEM觀測圖

SEM可以直觀地觀察到魔芋精粉的表觀形態,由圖7可以看出KGM分子為規則的橢圓狀,不同干燥條件下的魔芋精粉表面形態有所差異。真空冷凍干燥(圖7-b)的樣品表面破損最嚴重且表面觀察到孔狀結構,是因為真空冷凍干燥時,細胞內部的水分發生升華,氣體沖出細胞,從而形成微孔[9],同時干燥的樣品為脆性,在粉碎時較易受到破壞。自然干燥(圖7-a)和熱風的低溫干燥(圖7-c)粉末樣品表面呈粗糙狀,而高溫(圖7-d)和分段干燥(圖7-e)的樣品表面光滑有序且分段干燥樣品光滑有序度更高,這是因為自然干燥與熱風干燥時,水分主要在魔芋精粉顆粒表面汽化,同時在魔芋的烘干過程中,KGM分子發生濕熱降解,在室溫、低溫條件下濕熱降解程度高,分子被破壞程度增加,而在高溫條件下雖然濕熱降解程度降低,但是持續的高溫烘烤會加劇分子間的熱運動[14],也會造成分子結構的破壞,因此先高溫滅酶使水分快速揮發后再降低干燥溫度的分段干燥模式得到的魔芋精粉表面較為光滑有序,受損程度較低。

a-自然干燥;b-真空冷凍干燥;c-熱風干燥60 ℃;d-熱風干燥100 ℃;e-熱風干燥100 ℃→60 ℃圖7 不同干燥條件的魔芋精粉SEM觀測圖(500×)Fig.7 SEM observation of konjac powder with different drying methods(500×)

2.9 不同干燥條件對魔芋精粉流變性質的影響

2.9.1 穩態剪切流變

穩態流變特性可以反映樣品的表觀黏度,從圖8可知,隨著剪切速率的增大,樣品的黏度逐漸減小,說明KGM水溶膠屬于典型的假塑性流體,呈現出剪切稀化的特性,這主要是由于隨著剪切速率的增加,體系中高分子鏈結構被破壞,以及剪切過程中分子鏈在流動方向上的定向取向而導致的[18]。不同條件干燥的魔芋精粉制得的KGM水溶膠黏度有所差異,主要與干燥過程中魔芋精粉的分子結構變化有關。一般來說,魔芋精粉水溶膠黏度與KGM的分子質量呈正相關[6],KGM分子質量越高,其黏度越高;但由于真空冷凍干燥的魔芋精粉中KGM含量顯著高于其他樣品(P<0.05),且魔芋精粉表面和內部有大量的孔隙,顆粒吸水速度快,KGM溶脹速度快[9],所以真空冷凍干燥樣品的水溶膠黏度顯著高于其他樣品。對自然干燥和熱風干燥的樣品來說,干燥過程中KGM的降解率及分子質量的差異導致了4組樣品黏度大小的變化,其規律與2.4節中不同干燥條件對魔芋精粉分子質量影響的規律相一致。

圖8 不同干燥條件對魔芋精粉表觀黏度的影響Fig.8 Effect of different drying methods on apparent viscosity of konjac flour

2.9.2 頻率掃描

頻率掃描可以反映樣品的動態黏彈性,對不同條件干燥的魔芋精粉制備的水溶膠進行頻率掃描,結果如圖9所示。G′為儲能模量,代表儲存在復合體系中的能量,反映體系彈性大小,G″為損耗模量,代表體系由于不可逆黏性形變損耗的能量大小,反映體系黏性大小[19],tanδ是G″與G′的比值,為損耗正切值,其值越大表示體系的內摩擦力越大,tanδ<1表示樣品彈性占主導地位,tanδ>1表示黏性占主導地位。在測定頻率范圍內,不同干燥條件的KGM水溶膠的G′(圖9-a)和G″(圖9-b)都隨著振蕩頻率的增大逐漸上升,相同頻率下,真空冷凍干燥的G′和G″值最高,即其分子結構的動態黏彈性最好,其次分別為熱風分段干燥、熱風高溫干燥、熱風低溫干燥、自然干燥,原因解釋同2.9.1節。在低頻率時,所有樣品的tanδ>1(圖9-c),說明KGM水溶膠中黏性占主導地位,分子鏈間存在較大的剛性,而隨著振蕩頻率的增大,所有樣品的tanδ<1(圖9-c),可能是因為過度的振蕩破壞分子結構[18]。

a-G′儲能模量;b-G″損耗能量;c-tanδ損耗正切值圖9 不同干燥條件對魔芋精粉動態黏彈的影響Fig.9 Effect of different drying conditions on dynamic viscoelasticity of konjac flour

3 結論

干燥是魔芋精粉生產中的一個必要環節,不同的干燥條件會對樣品品質產生影響,選擇恰當的干燥條件極為重要。研究結果表明自然干燥雖然操作簡單,但干燥效率低,得到的樣品品質較差;真空冷凍干燥雖然能得到較高品質的樣品,但對設備要求比較高,干燥效率低;綜合考慮,使用100 ℃→60 ℃的熱風分段干燥方式為最佳方法,可以獲得品質較好的魔芋精粉,且設備操作簡單,干燥效率高。該方法有望應用于白魔芋及其他魔芋精粉的生產中,未來可著眼于分段干燥方式的工藝優化。