动态高压微射流改性可溶性大豆多糖对
大米淀粉老化特性的影响

曾子聪,刘成梅,罗舜菁*,陈 军,符 珍,龚二生

(南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室,江西 南昌 330047)

 

摘 要:采用动态高压微射流(dynamic high pressure microfluidization,DHPM)分别在80、120、170 MPa条件下对可溶性大豆多糖(soluble soybean polysaccharides,SSPS)改性,通过扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)和傅里叶红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)比较改性前后SSPS表面形态和分子结构的变化。结果表明:改性后SSPS的主体结构基本未发生变化,只是样品内部氢键作用减弱,有序性降低;外观形态发生破碎断裂现象,形成多孔结构,整体结构变得松散。然后通过快速黏度分析仪(rapid visco analyser,RVA)、差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)、FTIR手段研究改性后可溶性大豆多糖(modified soluble soybean polysaccharides,MSSPS)对大米淀粉(rice starch,RS)老化特性的影响。添加MSSPS组与SSPS组比较,RS糊化峰值黏度、最终黏度、回复值、糊化焓值以及FTIR图谱1 047、1 022 cm-1处的峰高比值均显著降低
(P<0.05)。结果表明:添加MSSPS后,RS的老化程度显著降低(P<0.05),且改性压强增大,MSSPS抑制老化的效果显著增强(P<0.05)。

关键词:动态高压微射流;可溶性大豆多糖;大米淀粉;老化

 

Retrogradation of Rice Starch Inhibited by Soluble Soybean Polysaccharides Modified through
Dynamic High Pressure Microfluidization

 

ZENG Zi-cong, LIU Cheng-mei, LUO Shun-jing*, CHEN Jun, FU Zhen, GONG Er-sheng

(State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

 

Abstract: Soluble soybean polysaccharides (SSPS) were modified by dynamic high pressure microfluidization (DHPM) at 80, 120 and 170 MPa, respectively. Differences in surface topography and molecular structure between SSPS and DHPM-modified SPSS (MSSPS) were analyzed by scanning electron microscope (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The results indicated that the hydrogen bond and internal order of samples were decreased while the major structure of SSPS was not changed by DHPM treatment. In addition, the surface topography of samples became loose as SSPS was ruptured and some cellular structures were formed. Rapid visco analyzer (RVA), differential scanning calorimetry (DSC) and FTIR were employed to investigate the effect of MSSPS on the retrogradation properties of rice starch (RS). The results showed that the peak viscosity, final viscosity, gelatinization enthalpy and setback value were significantly decreased
(P < 0.05) in the gelatinization of RS with the addition of MSSPS. FTIR spectrum showed that the ratios of the peak intensities at 1 047 cm-1and 1 022 cm-1 were significantly decreased (P < 0.05) with the addition of MSSPS. These results demonstrated that the retrogradation extent of RS was decreased significantly (P < 0.05) with the addition of MSSPS. Moreover, the inhibitory effect of MSSPS on the retrogradation of RS was significantly (P < 0.05) enhanced with increasing DHPM pressure.

Key words: dynamic high pressure microfluidization; soluble soybean polysaccharides; rice starch; retrogradation

中图分类号:TS201.7 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)21-0040-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201421009

以淀粉为主要原料的食品经过冷却或者储藏一段时间后硬度变大,组织变得松散、粗糙,弹性和风味随之消失,且不易被消化酶解,这就是淀粉的老化现象[1]。淀粉老化问题是一个世界性的难题,全世界每年都因淀粉老化问题要直接浪费掉大量的粮食。大米的主要成分是大米淀粉(rice starch,RS),淀粉老化严重影响了米制品的口感和接受程度,从而成为影响其品质的主要因素[2],同时它也是制约米制品产业化发展的重要因素。因此淀粉类制品的抗老化研究一直是业界的难点和重点。

可溶性大豆多糖(soluble soybean polysaccharides,SSPS)是一种从豆渣中提取得到的活性多糖,具有降低胆固醇、提高盲肠有机酸含量、减肥及顺畅通便等功能[3]。研究表明,SSPS添加到食品中能够抑制淀粉回生、防止米饭的黏结[4-5],当添加量为1.0%或1.5%时,即能使面包的比容增大,含水量增加,明显延缓面包的老化现象[6]。动态高压微射流(dynamic high pressure microfluidization,DHPM)是一种新兴的集输送、混合、超微粉碎等多种单元操作于一体的高压加工技术,对物料具有很好的超微化、微乳化和均一化效果[7]。为进一步提高SSPS的理化性能,本课题组采用DHPM对SSPS改性,并对其改性前后的组分、结构以及功能变化做了大量研究,结果表明改性后的可溶性大豆多糖(modified soluble soybean polysaccharides,MSSPS)其分子外观形态及单糖组成均发生显著变化[8],这些变化使其生理功能得到显著改善[9-10]。本实验室前期研究发现特别是MSSPS对RS的理化性质有显著影响,添加MSSPS后,RS的溶解度和透明度明显提高,析水率和凝胶硬度也显著下降,表明MSSPS对改善淀粉类食品的质构和食用品质,提高其贮藏稳定性均有很好的作用。此外,在前期研究中还发现改性后的MSSPS抑制淀粉老化的效果显著提高。

为进一步探明DHPM改性的MSSPS对RS老化性质的影响,本研究利用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)和傅里叶红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)观察改性前后SSPS表面形态和分子结构的变化,并通过快速黏度分析仪(rapid visco analyser,RVA)、差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)、FTIR手段研究MSSPS对RS老化特性的影响,旨在为改善米制品的食用品质、延长产品货架期提供一定的理论基础和参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

籼米淀粉(RS):昆明普洱永吉生物科技有限公司,生产批号2011070501;根据AOAC(2005)[11]测定蛋白质含量为(0.44±0.01)%、脂肪含量为(0.61±0.03)%、灰分含量为(0.31±0.02%)、水分含量为(9.59±0.42)%;根据Yao Yuan等[12]的方法采用碘比色法测定直链淀粉含量为(28.92±0.19)%。

可溶性大豆多糖(SSPS) 郑州荔诺生物科技有限公司,SSPS(苯酚-硫酸法,含量为90%),重均分子质量Mw为6.91×104 D。

1.2 仪器与设备

M-700微射流均质机 美国Microfluidics公司;Free Zone真空冷冻干燥机 美国Labconco公司;Nicolet 5700傅里叶变换红外光谱仪 美国热电尼高力公司;RVA-TEC MASTER 瑞典Perten公司;Q2000-DSC差式扫描量热仪(带PE坩埚) 美国TA公司;QUANTA-200F环境扫描电子显微镜 美国PEI公司;HJ-6A数显恒温磁力搅拌器 金坛市医疗仪器厂;DFY-200小型高速粉碎机 温岭市林大机械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 MSSPS的制备

将SSPS与蒸馏水配成质量比135的溶液,经过动态高压微射流均质机分别在80、120、170 MPa条件下处理3 次。处理完后立即用流水冷却至室温,冻干备用。

1.3.2 RS老化样品的制备[13]

将RS与MSSPS或SSPS按质量比100、9.50.5进行混合,取一定量的混合样品,然后按照13的比例加入蒸馏水,于室温下在磁力搅拌计上搅拌2 h,使两者充分混合。然后将混合液在沸水浴上加热糊化20 min,并不时摇动,然后取出冷却至室温并于4 ℃条件下老化7 d。将完成老化的样品进行冻干,经粉碎机粉碎后过100 目筛,备用。

1.3.3 糊化特性分析[14]

将RS与MSSPS或SSPS按质量比100、9.50.5进行混合,分别取3 g混合样品,放入RVA专用铝盒中,加入25 mL去离子水搅拌均匀,制成淀粉乳,然后进行测定。采用系统内置的Rice Starch Standard1方法,加热和冷却循环过程为:50 ℃保持1 min;然后以5 ℃/min升温到95 ℃,保持7 min;再以6 ℃/min降温至50 ℃,保持4.5 min;转速在起始10 s内为960 r/min,之后保持在160 r/min。

1.3.4 热力学分析[15]

取2 mg 1.3.2节中制备的RS老化样品到液体坩埚中,加入4 μL去离子水,密封,室温下平衡24 h。以10 ℃/min速率从20 ℃加热到95 ℃,观察样品糊化峰型以及对应温度。以空坩埚做对比,氮气作为载气,流速为20 mL/min。

1.3.5 傅里叶红外光谱分析[16-17]

分别取2 mg冻干后的MSSPS和SSPS与200 mg KBr进行研磨、压片后,扫描所得红外图谱用于MSSPS和SSPS的结构分析;另取2 mg 1.3.2节中制备的RS老化样品与200 mg KBr进行研磨、压片,扫描得到红外图谱后,用OMNIC 8.2版软件扣除空气背景,校准基线并去卷积,去卷积参数为半峰宽26,增强因子2.4,去卷积范围:1 200~700 cm-1;根据去卷积后的谱图计算1 047、1 022 cm-1处的峰高比值用于老化淀粉的光谱分析。

红外光谱扫描条件为:在室温下进行扫描,波段范围为4 000~400 cm-1,扫描分辨率为4 cm-1,扫描整合频谱32 倍。

1.3.6 微观结构分析[18]

将导电双面胶带贴于铝载物台上,在双面胶上涂抹MSSPS或SSPS样品,多余的样品用洗耳球吹去,将载物台放于扫描电子显微镜中进行观察,电子枪加速电压为20 kV。

1.4 数据分析

所有实验均重复3 次,采用SPSS 19.0软件计算

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±s,使用Duncan’s法比较平均值之间的差异性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 DHPM改性对SSPS的影响

2.1.1 表面形态

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a

798518.jpg

b

 

798576.jpg

c

798583.jpg

d

 

a. SSPS;b. 80 MPa MSSPS;c. 120 MPa MSSPS;d. 170 MPa MSSPS。

图 1 SSPS和MSSPS的微观结构(×600)

Fig.1 Microstructures of SSPS and MSSPS (× 600)

经过DHPM改性后,用扫描电镜观察SSPS的表面形态,如图1所示。未改性的可溶性大豆多糖在电镜下为完整的块状结构(图1a),经过DHPM处理变为薄片状,表面有细小的孔洞(图1b),随着压强的增大,薄片尺寸变小,孔洞直径增大(图1c),当压强达到170 MPa时,SSPS基本上被粉碎,孔洞结构更为清晰(图1d)。这直接说明了在DHPM的高速剪切、撞击、瞬时压降、空穴爆炸等作用下,物料被细化,同时SSPS内部发生膨化作用,结构变得松散。

2.1.2 红外光谱鉴定

由图2可知,未改性的SSPS在3 410、2 928 、1 631、1 027 cm-1处具有较强的吸收谱带。它们分别是由O—H伸缩振动、C—H伸缩振动、H—O—H伸缩振动、C—O—C非对称伸缩振动以及C—O—H弯曲振动导致[9,19]。DHPM改性后,图谱基本形状未发生改变,也没有新的吸收峰产生,表明SSPS的主体结构基本没有发生变化;而3 400 cm-1附近的吸收谱带随压强增加逐渐变窄且向高波数方向移动,表明样品内部氢键作用减弱,分子结构变得松散;同时,样品在1 631 cm-1吸收峰的相对强度增大,表明样品吸收的水分增多[20],进一步验证了本课题组的前期研究结论:主链降解程度较小,分子间氢键断裂重组,侧链则发生一定程度的断裂[8],导致样品整体结构变得松散,样品结合水的能力及其反应活性增强。

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图 2 SSPS和MSSPS的红外光谱图

Fig.2 FTIR spectra of SSPS and MSSPS

2.2 DHPM改性SSPS对淀粉老化特性的影响

2.2.1 糊化特征曲线

RVA曲线反映了淀粉在糊化过程中的黏度特性,通常其分析结果中的回复值反映了淀粉的老化程度,当直链淀粉较多且易于形成结晶时回复值较大,淀粉老化程度高;相反,当回复值较小时,老化程度则较低[21-22]。

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图 3 添加MSSPS后RS的RVA黏度曲线

Fig.3 RVA pasting profiles of RS containing MSSPS

由图3可知,添加MSSPS后RS的峰值黏度和最终黏度明显降低,这主要是因为MSSPS与淀粉分子竞争结合水分,使得淀粉分子与水的氢键作用减弱[23];同时MSSPS含有的羟基易于与淀粉分子形成氢键,以此干扰淀粉多聚物链的排列[24];此外,SSPS本身黏度较低,改性后由于SSPS主侧链发生不同程度的降解,导致其分子质量降低,因而黏度进一步降低[9],附着在淀粉颗粒表面可能起到润滑作用,减少了淀粉颗粒的磨损以及淀粉组分的渗出[25],从而降低峰值黏度和最终黏度。

由表1可知,添加MSSPS后RS糊化过程中的峰值黏度和最终黏度呈现明显下降趋势,且当改性压强增大到120 MPa时,下降趋势显著(P<0.05)。此外,添加MSSPS后RS的回复值显著降低(P<0.05),随着改性压强的增大,MSSPS的改性程度加剧,添加到RS中,回复值呈现出不断降低的趋势(P<0.05),当改性压强达到170 MPa时,其降低的幅度达到51.2%。表明添加MSSPS能够显著抑制RS的老化进程(P<0.05),且随着改性压强的增大,MSSPS抑制老化的效果显著增强
(P<0.05)。

表 1 添加MSSPS对RS糊化特性的影响

Table 1 Effect of MSSPS on pasting properties of RS

样品名称

峰值黏度/

(mPa•s)

最终黏度/

(mPa•s)

回复值/(mPa•s)

糊化温

度/℃

RS

3 515±103a

5 097±65a

1 582±14a

80.80±0.23a

RS+SSPS

3 292±46b

4 189±16b

897±15b

80.65±0.15a

RS+80 MPa MSSPS

3 190±32b

4 055±10c

865±10c

80.75±0.32a

RS+120 MPa MSSPS

3 245±22b

4 029±23c

816±9d

81.50±0.11b

RS+170 MPa MSSPS

2 856±59c

3 628±38d

772±10e

80.75±0.29a

 

注:同列小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。下同。

 

2.2.2 热力学特性分析

利用DSC可以方便地测定老化淀粉重新糊化的吸热焓(ΔH),ΔH与淀粉的老化程度呈正相关,因而可作为淀粉老化程度的指标[26]。表2数据表明添加SSPS后起始温度(T0)、峰值温度(Tp)均无明显变化,终止温度(Tc)向低温方向移动,糊化温度范围(Tc~T0)缩小。可能原因是添加MSSPS后RS中支链淀粉结构发生变化,使得RS的结晶度以及结晶完整度降低,从而导致RS糊化过程中终止温度降低[27]。

此外,表2数据表明添加SSPS后RS的糊化焓值(ΔH)有一定程度的降低,而添加MSSPS,ΔH显著降低(P<0.05),且添加改性压强大的MSSPS,ΔH降低的幅度更大,当改性压强达到120 MPa时,ΔH降幅已经超过10%,而在最大改性压强下(170 MPa)ΔH降幅最大,可以由5.6 J/g干基降低到4.5 J/g干基,降幅接近20%。该实验结果与RS的糊化特性分析结果一致,均表明了MSSPS对RS老化具有显著抑制作用。

表 2 添加MSSPS对RS热力学特性的影响

Table 2 Effect of MSSPS on thermal properties of RS

样品

起始温度T0/℃

峰值温度TP/℃

终止温度Tc/℃

糊化焓ΔH/(J/g干基)

RS

46.8±0.3a

55.3±0.3a

76.5±0.2a

5.6±0.1a

RS+SSPS

46.3±0.1b

54.8±0.8a

70.5±0.7b

5.4±0.1ab

RS+80 MPa MSSPS

46.8±0.3a

55.3±1.1a

68.4±1.1c

5.3±0.1b

RS+120 MPa MSSPS

47.7±0.6a

54.6±0.7a

67.0±0.6c

5.0±0.1c

RS+170 MPa MSSPS

46.8±0.5ab

55.2±0.4a

65.3±0.5d

4.5±0.1d

 

 

2.2.3 老化淀粉的光谱特征

傅里叶变换红外光谱对淀粉结晶、分子链构象、双螺旋结构变化极其敏感,是研究淀粉老化结晶的一种有效方法[28]。实验中对添加MSSPS或SSPS后RS老化样品的红外图谱作进一步去卷积处理,得到更为精确的图谱如图4所示,图中主要的吸收峰分别是936、1 022、1 047、1 082、1 151 cm-1。1 082 cm-1和1 151 cm-1处吸收峰由C—O—H基团中C—O伸缩振动导致,1 022 cm-1和1 047 cm-1处的吸收峰则是脱水葡萄糖环上C—O—C基团中的C—O伸缩振动导致,936 cm-1处的吸收峰则是由
C—H弯曲振动引起[29]。图谱中1 047 cm-1处的吸收峰被认为是代表了淀粉体系中结晶区域的特性,而1 022 cm-1处的吸收峰则代表了无定型区域的特征;两个峰的峰高比值(1 047 cm-1/1 022 cm-1)则与淀粉的结晶度有关,淀粉结晶度越大,该比值也越大[30]。

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图 4 添加MSSPS后RS老化样品的去卷积图谱

Fig.4 FTIR deconvoluted spectra of RS with addition of MSSPS

表 3 添加MSSPS对RS红外特征峰峰高比值的影响

Table 3 Effect of MSSPS on the ratios of the peak intensities at

1 047 cm-1 and 1 022 cm-1

特征峰/cm-1

峰高比值(1 047 cm-1/1 022 cm-1)

RS

RS+SSPS

RS+80 MPa MSSPS

RS+120 MPa MSSPS

RS+170 MPa MSSPS

1 047/1 022

1.58±0.01a

1.29±0.01b

1.23±0.02c

1.20±0.01d

1.11±0.02e

 

注:同行小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。

 

由表3可知,RS老化后峰高比值较大,添加不同改性压强的MSSPS该比值分别为1.23、1.20、1.11,明显低于RS(1.58),且随着改性程度的增大显著降低
(P<0.05),表明MSSPS的加入显著降低了老化淀粉的结晶程度。这可能是因为MSSPS加入后对淀粉分子的相互结合形成空间位阻,导致其晶核形成较少,结晶度下降[31];同时改性使得MSSPS暴露出更多的活性基团,加强了MSSPS与淀粉之间的氢键作用,阻碍了淀粉分子双螺旋结构的形成,使其难以形成晶体结构,导致结晶度降低。

由RVA、DSC以及FTIR的分析结果一致表明MSSPS对RS的老化进程有显著抑制作用(P<0.05),且随改性压强的增大,MSSPS对RS的抑制效果显著增强
(P<0.05)。这主要是因为在DHPM的高速剪切和撞击等作用下SSPS分子结构变得松散,内部有序性降低,同时暴露出更多的水合位点以及—OH、—COOH等极性基团[8],水合性能和反应活性均得到一定程度提高。MSSPS添加到RS中能够与淀粉分子竞争结合水分,导致老化水分不足[32];同时淀粉凝胶中自由水分含量减少导致淀粉分子迁移速率降低,延缓了淀粉分子的相互缔合形成结晶。此外,水合的MSSPS还能形成一定的网络结构[9],对淀粉分子进行“固定”,阻碍淀粉分子间的相互缔合。另一方面,MSSPS可能包覆在淀粉颗粒表面或者通过氢键、离子键与淀粉分子相互作用[25],减弱了淀粉分子间形成氢键的能力,降低了淀粉分子重新缔合的程度。此外,MSSPS经DHPM改性后大部分侧链脱离糖链,更多的单糖分子(如岩藻糖、木糖、甘露糖等)亦不同程度的脱离SSPS分子链[8],它们可能与淀粉分子相互作用,阻碍淀粉分子间的缔合,从而延缓淀粉的老化[33]。

3 结 论

经DHPM改性后,SSPS的主体结构没有发生变化,但氢键作用被减弱,样品结构的有序性遭到破坏;同时SSPS的外观形态发生破碎断裂现象,形成了多孔的结构,这些变化均有利于提高SSPS的水合能力和反应活性。将MSSPS添加到RS当中,与添加SSPS组进行比较,RS糊化过程中峰值黏度、最终黏度、回复值均显著降低(P<0.05);热力学分析结合FTIR光谱分析表明添加MSSPS后,RS的吸热焓值以及表征淀粉结晶度的特征峰的峰高比值均显著降低(P<0.05)。实验结果一致表明添加MSSPS可显著减低RS的老化程度(P<0.05),且随改性压强增大其抑制老化的效果显著增强(P<0.05)。DHPM可作为一种绿色、安全的物理改性手段,用于改善SSPS的反应性能,经其改性的SSPS添加到米面食品中对RS的老化有显著的抑制作用,可提高米制品质量、延长产品货架期。

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收稿日期:2013-10-18

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD37B02-02);国家自然科学基金面上项目(31271953)

作者简介:曾子聪(1989—),男,硕士研究生,主要从事食品加工新技术研究。E-mail:katzeng@163.com

*通信作者:罗舜菁(1969—),女,副教授,硕士,主要从事食品加工新技术研究。E-mail:luoshunjing@aliyun.com