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振动式超微粉碎处理时间对绿豆淀粉理化性质的影响

发布日期:2015-05-20 19:55:14
物理性质
通过一定的物理破碎手段可以改变淀粉颗粒 的结构与性能,进而影响淀粉相应的品质,当前国 内外相关研究大多集中于球磨机超微粉碎处理对 玉米淀粉马铃薯淀粉、大米淀粉、木薯淀粉等物理性质的影响研究,超微粉碎处理后淀粉的结构和多孔 性发生了明显变化,颗粒的大小、形貌和均匀度都 会发生改变,形状变得不规则,淀粉链长发生改变, 从而导致诸如分散性、溶解度、糊化性质、黏度性 质和化学活性等发生改变,水溶性成分增加,凝胶 性质发生变化等[1-6]。利用球磨机超微粉碎处理时间 一般都在几小时到几十小时,甚至上百小时不等, 而振动磨是通过介质与物料一起振动将物料进行超微粉碎,具有粉碎时间短、效率高、容易控制粉 碎程度等优点[7]。
 
淀粉回生是指糊化的淀粉颗粒在低温下又自 动排列成序,相邻分子间的氢键又逐步恢复形成致 密、高度晶化的淀粉分子束[8],即形成抗性淀粉 (resistant starch,RS)。RS是一种不能在人体小肠中消化吸收的淀粉,具有调节血糖、防治心脑血管 疾病、预防结肠癌、控制体重等功能[9-13],成为食 品营养学的一大研究热点,抗性淀粉与淀粉回生近 年来受到食品科学与工程专家的极大关注。当前提 高淀粉回生的处理方法主要有化学改性、酶处理等 方法[14-17],超微粉碎技术属于机械物理破碎改善 淀粉性质的方法,具有低成本、无污染、易控制等 优点[7]。
 
绿豆淀粉是制作龙口粉丝等中国传统淀粉回 生制品的良好原料,本文以绿豆淀粉为研究对象, 通过振动式超微粉碎处理,研究了处理时间对样品 的粒度分布、结晶度、溶解度、膨润力、凝沉性、 老化值、提高抗性淀粉形成等性质的影响,以期揭 示振动式超微粉碎处理对改善绿豆淀粉回生相关 理化特性的影响规律以及该处理方式应用于淀粉 类制品工艺改进的可行性,为提高绿豆淀粉制品中抗性淀粉含量的工艺改进提供理论依据及技术支撑。
 
1材料与方法 1.1材料与设备绿豆淀粉(其中淀粉质量分数为87.6%,含水 率为11.4%),由烟台双塔食品股份有限公司提供 (传统酸浆法制得);胃蛋白酶(1 000 u/mg),美 国Sigma公司;高温a-淀粉酶(40 000 u/mL),葡 萄糖淀粉酶(10 000 u/g),山东安克生物工程有限 公司;无水乙醇、盐酸、氯化钾、氢氧化钾等均为 分析纯。
 
Beckman Coulter LS 13320 激光粒度分析仪,美国贝克曼库尔特公司;D8 Advanced X-射线衍射 仪,德国布鲁克公司;WZJ—6L型振动式超微粉碎 机以及冷冻循环设备,济南倍力粉体技术工程有限 公司;TU-1810PC型紫外-可见分光光度计,北京 普析通用仪器有限公司;AL104型电子分析天平 (万分之一),梅特勒-托利多(上海)仪器有限公 司;16M高速台式离心机,湖南湘仪仪器有限公司; SKY-110X型振荡器,上海苏坤实业有限公司; GZX-9146MBE鼓风干燥箱,上海博迅实业有限公 司;XO-SM200超声波微波组合反应设备,南京先 欧仪器制造有限公司。
 
1.2绿豆淀粉超微粉的制备将试验用绿豆淀粉放入WZJ-6L型振动式超微 粉碎机中进行粉碎,分别获得粉碎10、20、30、40、 50 min的试验样品。设备功率1.1 kW,振动振幅为 5 mm,米用循环制冷系统,冷却温度为-20 C。
 
1.3粒度分布测定称取试样1g放入400 mL烧杯中,再加入 200 mL无水乙醇,搅拌均匀后用Beckman Coulter LS 13320激光粒度分析仪进行测定。粒径分布的离 散度=(Aw-A。)/认表示有《%的颗粒粒径小于该数值。
 
1.4 X-射线衍射测定淀粉晶相的结晶度采用粉末法测定绿豆淀粉样品,测定条件为: 特征射线CuKa,林克斯阵列探测器,管压管流分 别为40 kV、40 mA,起始角20=5°,终止角20=60°, 步长0.02°,扫描速度10°/min,积分时间0.2 s。用文献[19]的计算公式计算淀粉晶相的结晶度。
 
Xc=Ac/(Ac+Aa)x100%(1)
 
式中:Xc、Ac、Aa分别为结晶度、结晶峰面积、 无定形峰面积。
 
1.5溶解度和膨润力的测定精确称取1 g (干基)淀粉,放入校正了容量的带塞有刻度的离心管中,加纯水定容至50 mL, 得到2 g/100 mL淀粉乳,分别在25、50、75、95C 等4个不同温度下保温30 min后(不断震荡),以4000 r/min离心30 min,将上清液用水浴蒸干,于 105C下继续烘干至恒重后称质量,得到被溶解的 淀粉的质量A(g),离心管中膨胀淀粉质量户^),A 占样品淀粉质量F (g)的百分数,即为溶解度S (%);离心沉淀物户占灰x (100-幻的百分数,即 为膨润力S (%) [20]。
 
1.6凝沉性的测定制备1 g/100 mL (干基)淀粉乳,沸水浴加热 糊化10 min,冷却后,取100 mL放入具塞量筒中, 摇匀后,静置不动,每隔一定时间记录沉淀体积 (mL)及现象[21]。
 
1.7老化值的测定将定量的淀粉凝胶收缩脱水后进行离心,以分 离出的水质量作为淀粉老化作用的指标。将质量浓 度6 g/100 mL的淀粉乳于沸水浴上加热20 min,并 调糊使浓度维持稳定,称取一定量的糊在4C冰箱 内放置24 h后取出,以8 000 r/min的转速离心分离 15 min,以分离出来的水量作为老化值[22]。
 
1.8抗性淀粉的测定将不同超微粉碎处理时间的绿豆淀粉制成 7 g/100 mL的粉乳,采用微波功率650 W糊化处理5min,放入4C冰箱老化处理24 h,80C烘干,粉 碎后测定其抗性淀粉的含量。
 
采用耐高温型a-淀粉酶法测定抗性淀粉含量: 称取2 g试样,加入10 mL HCl-KCl缓冲溶液,加 入1 mL胃蛋白酶(300 u/mL),37C保持16 h (不 断振荡),加入5 mL PH值为5.8的磷酸盐缓冲溶 液和1 mol/L氢氧化钠,调整pH值至5.8后,加入 0.5 mL耐高温a-淀粉酶(200 u/mL),100C恒温 30 min (不断振荡),冷却至室温(25C),加入 0.2 mol/L盐酸调整PH值至4.4,加入2 mL葡萄糖 淀粉酶(1 000 u/mL),60C保温1 h (不断振荡), 冷却至室温(25C),加入4倍体积95%乙醇,混 合均匀,离心30 min (4 000 r/min),弃去上清液, 醇洗重复3次,将沉淀物溶解于5 mL 4 mol/L KOH 溶液中,用1 mol/L HCl溶液中和,加入2 mL葡萄 糖淀粉酶(1 000 u/mL) 60C恒温1h(不断振荡), 离心30 min (4 000 r/min),收集上清液。对沉淀 物至少水洗3次,离心后合并上清液,用水定容至 50 mL。用3,5-二硝基水杨酸比色法测定还原糖, 乘以0.9,即为抗性淀粉的量[23]。
 
1.9数据处理米用Microsoft Excel进行数据整理,用DPS软件包进行显着性测验和相关性分析,其中显着性 测验采用〖测验,取a=0.05。测定重复次数^=3。
 
2结果与分析2.1超微粉碎处理时间对绿豆淀粉粒度分布的影响不同超微粉碎处理时间的绿豆淀粉粒度分布 如图1。从图1可以看出,绿豆淀粉颗粒的平均粒 径、中位径和粒径分布的离散度随粉碎时间 的增加而增大,比表面积总体呈下降趋势(只在 10 min时略有增加),可能是淀粉颗粒在研磨介质经振动式超微粉碎处理的绿豆淀粉会出现大多利用球磨机处理淀粉所获得的研究结果有所差粒径颗粒含量有所升高的逆向变化现象。这与许异[4-5,22,25],可能与本研究所用绿豆淀粉来源(传统的滚动、碰撞和下落等运动的作用下,受到研磨和 冲击,内能不断增加,在颗粒的缺陷处、裂纹处、 结晶区域等处产生应力集中,部分颗粒塑性形变超 过极限时,导致颗粒粒度分布发生变化,产生粒径 在1 “m以下的颗粒[22]。随着处理时间的进一步增 加,粉碎过程中淀粉颗粒表面在机械力作用下处于 激活状态,颗粒表面的范德华力和静电引力增大, 高表面能的微细颗粒很容易产生相互团聚,即形成 二次颗粒,使颗粒的粒径增大[24]。
 
酸浆法制得)和超微处理方式(冷冻高频振动式超 微粉碎)有关。高频振动式超微粉碎过程不是简单 的物质细化过程,而是伴有复杂能量转换及淀粉性 质改变的动态平衡过程。因此在超微处理工艺中, 粉碎时间对于淀粉样品处理后的性质改变来说是 一个非常重要的因素。
 
2.2超微粉碎处理时间对绿豆淀粉结晶度的影响不同超微粉碎时间处理的绿豆淀粉的X-射线 衍射图如图2、结晶度如表1,从图2、表1可以看 出,随着处理时间的增加,衍射曲线中的尖峰衍射 特征逐渐减弱,半峰宽增宽,峰强度降低,结晶度 从32.6%降到5.4%,晶体的有序化程度降低,无定 形化程度逐渐增强,结晶颗粒被破坏。处理至40? 50 min时,尖峰衍射特征基本消失,变成馒头峰, 即呈现无定形结构衍射曲线,说明处理至40? 50 min时绿豆淀粉颗粒的结晶结构受到严重破 坏,表明机械力效应对绿豆淀粉颗粒具有非晶化的 作用。
 
图2不同超微粉碎处理时间的X-射线衍射图比较 Fig.2 X -ray diffraction at different times of superfine grinding表1不同超微粉碎处理时间绿豆淀粉的结晶度 Table 1 Effect of crystallinity at the different times of superfine grinding~超微粉碎处理时间Different times of Superfine01020304050grinding/min结晶度 Crystallinity/%32.628.924.113.67.15.42.3超微粉碎处理时间对绿豆淀粉溶解度和膨润 力的影响不同超微粉碎处理时间对绿豆淀粉溶解度的 影响见图3。从图3可以看出,用振动式超微粉碎 机处理绿豆淀粉样品,随着处理时间的延长,在同 一溶解温度下,样品在水中的溶解度大幅增加,如 25°C时原淀粉的溶解度仅为0.46%,处理10 min就可使其溶解度增加到5.50%,处理50 min使其溶解 度达到57.50%,增溶效果明显。这是因为超微粉碎 过程中的机械力作用使淀粉颗粒的形貌发生很大 变化,导致表面能增加,空隙率增加,解离了淀粉 的双螺旋结构[26],破坏了淀粉的晶格结构,促进了 水分子和淀粉分子游离羟基的结合,在较低的温度 下淀粉就能从颗粒中析出,导致超微粉碎后的绿豆 淀粉的溶解度大大增加。
 
图3不同超微粉碎处理时间绿豆淀粉在 不同温度下的溶解度Fig.3 Solubility at different temperatures of bean starches at different times of superfine grinding从图3也可以看出,同一超微粉碎处理时间的绿 豆淀粉样品其溶解度随着溶解温度的升高不断增加, 加热温度越高,淀粉分子结晶区氢键被切断的可能性 越大,结晶结构越易受到破坏,使得游离水更易于渗 入淀粉分子内部,温度越高其溶解度也愈高。
 
生淀粉分子靠分子间氢键结合而紧密排列,形 成胶束,间隙很小,水分子难以渗透进去,但是其 水溶液经加热后,部分胶束被溶解形成空隙,水分 子浸入内部,与余下部分淀粉分子结合,胶束逐渐 被溶解,空隙逐渐扩大,淀粉颗粒因吸水而体积膨 胀,导致淀粉膨润[9]。不同超微粉碎处理时间对绿 豆淀粉膨润力的影响见图4。
 
理时间的延长,淀粉晶粒结构不断被破坏减少,更 多的长链淀粉分子游离出来,在较低温度下,游离 的长链淀粉分子与水分子形成氢键,淀粉的体积膨 胀,防止水分散失能力也增强了,即膨润力随着超 微处理的时间延长而增加。
 
当淀粉溶液温度升高到其糊化温度以上时 (75、95°C),膨润力随着超微处理时间的延长而 降低。因为此时有更多的淀粉分子溶解在水中,导 致因吸水而膨胀的淀粉颗粒数减少,所以超微粉碎 处理降低了绿豆淀粉的高温膨润力。从图4也可以 看出,随着超微处理时间的延长,温度对膨润力的 影响力逐渐减弱。 2.4超微粉碎时间对绿豆淀粉凝沉性的影响从表2可以看出绿豆原淀粉(未处理的样品) 经过10 h的迅速沉降后,沉降速度减缓,最后沉淀 体积停止在27.0 mL;处理10 min的绿豆淀粉在8 h内迅速沉降,最后沉淀体积停止在23.0 mL;处理 20 min的绿豆淀粉在6 h内迅速沉降,最后沉淀体 积停止在15.5 mL。随着处理的时间延长,绿豆淀 粉糊的凝沉程度变高、凝沉速度变快。分析原因可 能是超微处理的绿豆淀粉,由于机械力的作用,在 淀粉颗粒的不定形区切断部分支链淀粉分子[27],加 快了淀粉链的重新凝聚,微晶束形成,淀粉分子内 部的结合水被游离出来。
 
表2不同超微细粉碎时间绿豆淀粉的凝沉性Table 2 Retrogradation of bean starches at different times of superfine grindingrmL沉淀时间超微粉碎处理时间 Different times of Superfine grindingr/minSedimentation time/h010203040502487.0±3.0a 75.0±3.0 a84.0±3.2ab70.0±2.5 b82.0±3.0b 63.0±3.5 c分层不明显 分层不明显上层溶液不透明;底部 有少量絮状物,2.0±0.1c 上层溶液不透明;底部 有少量絮状物,3.0±0.1 d上层溶液不透明;底部有 少量絮状物, 3.0±0.2d 上层溶液不透明;底部有 少量絮状物, 3.0±0.2e663.0±1.5 a57.0±1.5 b20.0±1.0 c18.0±1.0 d5.0±0.2 e3.0±0.2f849.0±1.5 a31.0±1.5 b20.0±1.0 c18.0±1.0 d6.0±0.2 e4.0±0.3 f1040.0±1.5 a30.0±1.4 b20.0±1.0 c18.0±1.0 d7.0±0.3 e4.0±0.3 f1236.5±1.4 a28.0±1.3 b18.5±1.0 c17.5±0.5 c8.0±0.3 d4.0±0.3 e2431.0±1.0 a25.0±1.3 b16.5±0.7 c17.5±0.5 c9.0±0.2 d4.0±0.3 e3628.0±1.0 a23.5±1.0 b16.1±0.7 c17.0±0.6 c9.0±0.3 d4.0±0.3 e7227.0±1.0 a23.0±0.9 b15.5±0.5 c16.5±0.5 c9.0±0.4 d4.0±0.2 e注:不同小写字母表示P<0.05水平上差异显着。
 
Note: Values in the column with different letters are significantly different (P<0.05).
 
超微粉碎处理处理30 min的绿豆淀粉,在前4 h 的静置时间内,在溶液上部有清液产生,但界限不 明显,很难准确读出沉淀体积;静置6 h,沉淀体 积为18.0 mL,低于处理20 min的绿豆淀粉(P< 0.05 ),但是24 h后,沉淀体积已略高于处理20 min 的绿豆淀粉CP>0.05)。说明糊化的淀粉在冷却过 程中部分淀粉链又会自动排列成序,形成致密不溶 性的淀粉分子微晶束,但由于分子量较小,需一定 时间的絮凝,才能分层明显。
 
超微粉碎处理40 min之后,因淀粉结晶被破 坏,分子链段变得更小,需要较长时间聚集才能形 成淀粉分子微晶束沉降下来,导致沉淀体积随着静 置时间的延长而增加,而且整个溶液体系不透明, 可能与超微粉碎处理绿豆淀粉40 min之后,淀粉在 室温时溶解度大幅升高有关。在本试验2.3中显示, 25时,超微粉碎40、50 min使其溶解度可达到 37.0%、57.5%,能够形成絮凝的分子链段变少,因 此虽然沉降体积减少,但是不能说明回生性质明显 提高。
 
2.5超微粉碎处理对绿豆淀粉老化值的影响淀粉老化的本质是糊化的淀粉分子在静置的 过程中又自动有序排列,并由氢键结合成束状结 构,使溶解度降低,直链分子和支链分子的分支都 趋向于平行排列,相互靠拢,彼此通过氢键结合, 重新组成混合微晶束[28]。
 
本试验以凝胶的析水量来反映绿豆淀粉的老 化值见图5。从图5可以看出,随着超微处理时间 的延长,其析水量逐渐上升,在20 min达到最高值, 随后逐渐下降,可以看出适度的超微处理时间可以 提高绿豆淀粉的老化程度,而长时间超微处理反而 降低了绿豆淀粉的老化程度。分析原因可能是适度 超微处理,使得淀粉颗粒的不定形区部分支链淀粉 分子被切断,加快了淀粉链的重新凝聚及微晶束形 成,淀粉分子内部的结合水被游离出来,从而提高 绿豆淀粉的老化程度;而经长时间超微处理,淀粉 分子链被打断成小分子,而小分子链不易形成分子 间氢键,也不容易重新结晶,超微的淀粉糊更加稳 定,不容易老化。
 
图5不同超微粉碎处理时间绿豆淀粉的凝胶析水量 Fig.5 Separating water of bean starches gelatin at different times of superfine grindingr2.6超微粉碎处理时间对抗性淀粉形成的影响不同超微粉碎处理时间对抗性淀粉形成的影 响见图6。由图6可以看出,超微粉碎处理时间在 0?20 min期间,随着时间的延长其形成抗性淀粉的 量逐渐增加;旦是在处理时间30?50 min期间,随着 处理时间的延长,其形成抗性淀粉的量逐渐降低,分 析原因可能与超微粉碎处理改变了绿豆淀粉中直链 淀粉/支链淀粉的比例、凝沉性及淀粉颗粒等有关。
 
有研究发现[29],在木薯淀粉的粉碎试验中,支 链淀粉比直链淀粉更容易被物理破碎,粉碎处理可 能将支链淀粉的分枝切下,直链淀粉和中间级分增 加。分子链段短的直链淀粉在糊化后的淀粉糊中由 于运动比较强烈、扩散速度较快、较难聚集,分子 链段长的直链淀粉在糊化后的淀粉糊中由于分子 间斥力较大、也难聚集,分子链段适中的直链淀粉 更容易回生形成抗性淀粉,所以适度减小绿豆原淀 粉中的直链淀粉分子链段,有利于抗性淀粉的形 成,但是过度的超微粉碎,又可使直链淀粉的分子 链段减小,难以形成直链淀粉双螺旋,反而使抗性 淀粉产率下降。
 
3结论1)随着振动式超微粉碎处理时间的延长,绿 豆淀粉颗粒的平均粒径、中位径(乃50)和粒径分布 的离散度增大,比表面积总体呈下降趋势,出现大 粒径颗粒含量有所升高的逆向变化现象,但同时淀 粉晶体的有序化程度降低,无定形化程度逐渐增 强,表明机械外力效应对绿豆淀粉颗粒具有明显的 非晶化作用。
 
2)随着振动式超微粉碎处理时间的延长,在 同一溶解温度下,绿豆淀粉样品在水中的溶解度大 幅增加,绿豆淀粉的低温膨润力随着超微处理的时 间延长而增加,高温膨润力随着超微处理的时间延 长而降低。振动式超微粉碎处理对绿豆淀粉增溶效 果明显,常温下即可较快吸水膨润,在工业化生产 中此性质的改变可明显降低能耗。
 
3)随着振动式超微粉碎处理时间的延长,绿 豆淀粉糊的凝沉程度变高、凝沉速度变快;超微处 理20 min可以提高绿豆淀粉的老化程度,对提高绿 豆抗性淀粉的形成具有较好的促进作用,说明振动 式超微粉碎处理对于淀粉制品中抗性淀粉含量的 提高是一种有效的前处理手段。
 
振动式超微粉碎过程对绿豆淀粉而言并不是 简单的物质细化过程,而是伴有淀粉性质改变的动 态平衡过程。振动式超微粉碎处理对于淀粉制品的 老化,即抗性淀粉的形成具有一定的促进作用,可 用于抗性淀粉制备的工艺改进,超微粉碎处理时间 对于样品性质的改变是一个非常重要的因素,加工 中应予以重视。
 
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