王 立,楊 懿, 錢海峰, 張 暉, 齊希光
(江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無錫214122)
不同加工方式對(duì)淀粉性質(zhì)的影響
王 立,楊 懿, 錢海峰, 張 暉, 齊希光
(江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無錫214122)
淀粉作為食品尤其是谷物制品的主要成分,在人類日常飲食中占有十分重要的地位。超高壓、油炸、發(fā)酵、擠壓和微波作為食品領(lǐng)域5種常用的加工手段,能顯著地改變淀粉的糊化、老化、結(jié)晶等理化性質(zhì),影響其與食品其他組分之間的相互作用,進(jìn)而影響食品的品質(zhì)。作者主要綜述了這5種加工技術(shù)在淀粉類食品中的應(yīng)用,分析它們對(duì)淀粉性質(zhì)的影響及作用機(jī)理,以期為淀粉類食品的深入開發(fā)提供一定的參考。
超高壓;油炸;發(fā)酵;擠壓;微波;淀粉改性;淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物
以米面制品為主的谷物食品是我國(guó)傳統(tǒng)的主食來源,提供了居民膳食中60%~70%的熱量及60%的蛋白質(zhì)[1]。淀粉是谷物中最主要的組成部分,以其為主制作的食品種類多樣,同時(shí)具有碳水化合物含量高、脂肪含量低等特點(diǎn)。富含淀粉的食品在加工過程中常用的方法主要有超高壓、油炸、發(fā)酵、擠壓以及微波等。各種加工方法具有各自的特點(diǎn),能夠賦予食品不同的質(zhì)構(gòu)和口感。如超高壓加工技術(shù)(又稱高靜壓加工技術(shù))通常是以水為介質(zhì),在常溫和高靜壓(一般為100~1 000 MPa)下處理密封食品物料,使食品中的蛋白質(zhì)、酶和淀粉等生物大分子在高壓下變性、失活或糊化,達(dá)到食品改性和滅菌保鮮的目的[2]。油炸技術(shù)是以油為傳熱介質(zhì),使食物在較高溫度中熟化和干燥的一種加工方法,具有加熱均勻、傳熱速度快等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)能賦予食品較好的質(zhì)構(gòu)、色澤、外形、香氣和口感[3]。發(fā)酵技術(shù)是一種利用微生物產(chǎn)生的酸和酶等產(chǎn)物作用于食品以改善其品質(zhì)的加工方法,能夠有效地改善食品的質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味和口感,同時(shí)也能提高食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[4],因此,發(fā)酵技術(shù)常被用來對(duì)淀粉進(jìn)行改性并應(yīng)用于面包、面條、粉條和米粉等生產(chǎn)中,獲得比未發(fā)酵產(chǎn)品更加筋道、柔韌、滑爽的口感[5-6]。在擠壓加工過程中,預(yù)處理后的物料通過擠壓腔,經(jīng)過高溫、高壓和機(jī)械力的作用,形成一定形狀和組織狀態(tài)的產(chǎn)品[7]。微波技術(shù)則是利用微波輻射下介質(zhì)發(fā)生的熱效應(yīng)和電磁效應(yīng)來加工食品物料,具有方便、安全、高效、節(jié)能、清潔等優(yōu)點(diǎn),在食品工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用,同時(shí)還具有穿透性好、加熱均勻快速、營(yíng)養(yǎng)損失少等特點(diǎn)[8]。
上述這5種加工方法在實(shí)際生產(chǎn)過程中,均能顯著地改變淀粉的糊化、老化、結(jié)晶等理化性質(zhì),但其具體的加工原理還不是很清楚,因此逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究開發(fā)的熱點(diǎn)。作者主要綜述了這5種加工技術(shù)在淀粉類食品中的應(yīng)用,分析了其在加工過程中所起的作用及機(jī)理,以期為淀粉類食品的深入開發(fā)提供一定的參考。
超高壓(HHP)加工屬于一種非熱物理加工技術(shù),能破壞食品大分子中的非共價(jià)鍵,而對(duì)共價(jià)鍵幾乎沒有影響[9-11],是一種對(duì)食品風(fēng)味、口感和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值影響較小的食品加工技術(shù)[9,12]。HHP技術(shù)在谷物食品尤其是淀粉類食品中主要通過高壓改變淀粉性質(zhì)進(jìn)而改善食品品質(zhì)[13]。據(jù)報(bào)道,HHP導(dǎo)致的淀粉糊化存在淀粉顆粒的內(nèi)部,同時(shí)會(huì)影響淀粉中氫鍵的斷裂和形成[9],另外,淀粉的物理化學(xué)特性等也會(huì)有不同程度的變化[14-15]。
1.1 對(duì)直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的影響
淀粉顆粒表面有大量的直鏈淀粉,且越靠近顆粒表面其鏈長(zhǎng)越長(zhǎng);淀粉顆粒內(nèi)部,直鏈淀粉以輻射狀的方式單鏈隨機(jī)分布于支鏈淀粉中間[2],因此,HHP處理中浸泡會(huì)導(dǎo)致直鏈淀粉溶出。詹耀[9]發(fā)現(xiàn)壓力低于300 MPa時(shí),隨壓力升高,早秈米和晚粳米中的直鏈淀粉含量顯著降低;而高于300 MPa時(shí),壓力變化對(duì)直鏈淀粉的含量幾乎沒有影響;另外,隨壓力處理時(shí)間延長(zhǎng),直鏈淀粉含量先降低后增加,300 MPa時(shí)保壓10 min,早秈米和晚粳米中的直鏈淀粉含量為最低。劉延奇等人[16]發(fā)現(xiàn)經(jīng)HHP處理后,淀粉顆粒仍是完整的但膨脹受到限制,同時(shí)有少量的直鏈淀粉溶出。此外,Oh等人[17]研究HHP處理大米淀粉時(shí)發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉的溶出較少,僅占總量的2%~2.5%。HHP處理導(dǎo)致的淀粉糊化有別于傳統(tǒng)的熱糊化,沒有或僅有很少的直鏈淀粉分子溶出,且淀粉顆粒不發(fā)生明顯膨脹[18],同時(shí)其對(duì)遠(yuǎn)距離有序支鏈的破壞比對(duì)直鏈淀粉的破壞更強(qiáng)[19]。壓力能使支鏈淀粉降解為更短的支鏈或直鏈淀粉[20],減少雙螺旋結(jié)構(gòu),進(jìn)而降低膨脹度;也能使直、支鏈淀粉之間發(fā)生相互作用結(jié)合成雙螺旋結(jié)構(gòu),增強(qiáng)顆粒剛性結(jié)構(gòu),減少內(nèi)部物質(zhì)溶出,從而降低溶解度和膨脹度[15,21]。但也有不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,Li等人[22]發(fā)現(xiàn)HHP加工后綠豆淀粉結(jié)晶度降低,淀粉顆粒膨脹加速,直、支鏈淀粉溶出量增加并加速聚集老化。
現(xiàn)有的研究認(rèn)為HHP誘導(dǎo)淀粉糊化分為以下3個(gè)階段:第一階段,壓力<300 MPa,顆粒內(nèi)部的鏈支結(jié)構(gòu)完好且膨脹被抑制、粒徑減??;第二階段,壓力逐漸增加到450 MPa,外層直-脂復(fù)合結(jié)構(gòu)完好,但內(nèi)部的支鏈淀粉斷裂造成結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失,顆粒適度膨脹且有少量的直鏈淀粉溶出;第三階段,壓力>600 MPa,顆粒內(nèi)的鏈支結(jié)構(gòu)及表面的復(fù)合物層全被破壞,顆粒完全崩解破裂[20,23-24]。
1.2 形成直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物
Stolt等人[25]利用HHP處理大麥淀粉時(shí)發(fā)現(xiàn)形成了直鏈淀粉和脂質(zhì)的復(fù)合物。劉培玲等人[26]研究發(fā)現(xiàn),600 MPa以內(nèi)的HHP處理對(duì)HylonⅦ淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)具有韌化作用且使直鏈淀粉-脂質(zhì)絡(luò)合物形成的衍射峰增強(qiáng),他們推測(cè)脂質(zhì)在淀粉顆粒中呈放射狀分布,在高壓作用下淀粉分子的排列受到影響,從而脂質(zhì)可以與直鏈淀粉以及支鏈淀粉的長(zhǎng)鏈形成穩(wěn)定的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物,并存在于無定形結(jié)構(gòu)中。Oh等人[17]認(rèn)為HHP處理時(shí),直鏈淀粉先與脂質(zhì)相互作用形成螺旋復(fù)合物,進(jìn)而與支鏈淀粉分子纏結(jié)并顯著影響淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成限制了可溶性直鏈淀粉分子的移動(dòng),抑制了淀粉顆粒的分散、溶解和膨脹[22],同時(shí),該復(fù)合物也抑制了淀粉分子與水分子的氫鍵結(jié)合,導(dǎo)致淀粉顆粒中的水分容易析出,顆粒的破壞程度加劇[27]。
直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物在淀粉顆粒外層和內(nèi)部區(qū)域分布有差異,這可能是造成淀粉顆粒內(nèi)、外部不同耐壓性能最主要的原因。直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物主要分布在淀粉顆粒外層,因而淀粉顆粒表面對(duì)高壓的抵抗力更強(qiáng),能起到抑制顆粒膨脹和阻礙直鏈淀粉溶出的作用[18,24]。淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性隨直鏈淀粉鏈長(zhǎng)的增加而增強(qiáng),并隨脂質(zhì)飽和度的減小而減弱[28]。
1.3 對(duì)淀粉結(jié)晶特性的影響
報(bào)道稱HHP對(duì)淀粉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定的破壞作用且隨壓力增加,淀粉顆粒先被壓縮韌化,結(jié)晶度增加;隨后晶體結(jié)構(gòu)解體;最終顆粒崩解,但其內(nèi)部有序化增強(qiáng),隨即發(fā)生重結(jié)晶使結(jié)晶度增加[20]。
張晶等人[13]發(fā)現(xiàn)HHP處理板栗淀粉時(shí)不引起淀粉分子一級(jí)結(jié)構(gòu)變化,僅改變其二級(jí)結(jié)構(gòu)下分子原子團(tuán)的排列方式。壓力高于200 MPa時(shí)淀粉糊化開始,水分子滲透到顆粒內(nèi)部尤其是無定形區(qū)并破壞其結(jié)晶結(jié)構(gòu)[12,29]。淀粉晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)變化,從而改變其糊化時(shí)粘度特性、特征溫度、峰值時(shí)間等[17],因此,可以通過分析HHP處理后淀粉糊化參數(shù)等變化來了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變。如Li等人[22]研究HHP處理綠豆淀粉時(shí)發(fā)現(xiàn)ΔTr范圍變窄,說明淀粉顆粒結(jié)晶域內(nèi)晶體穩(wěn)定性降低。
劉培玲等人[26]利用HHP加工A型糯玉米淀粉時(shí)發(fā)現(xiàn),300 MPa的壓力對(duì)其只有韌化作用,支鏈淀粉之間相互以氫鍵鍵合形成新的結(jié)晶體使相對(duì)結(jié)晶度增加;而450 MPa的壓力能使其晶型轉(zhuǎn)變?yōu)锽型,原因在于構(gòu)成A晶型的雙螺旋結(jié)構(gòu)較松散,高壓下被破壞形成新的螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)致晶型改變;經(jīng)600 MPa的HHP加工后,X射線衍射峰更強(qiáng) (結(jié)晶度增強(qiáng)),說明淀粉分子發(fā)生了重結(jié)晶。HHP導(dǎo)致不同類型淀粉重結(jié)晶性質(zhì)變化規(guī)律的研究有限,有待后續(xù)實(shí)驗(yàn)深入探究。
研究發(fā)現(xiàn)淀粉對(duì)HHP的耐受性和敏感度與其晶型有關(guān)[9]。A型淀粉最不耐高壓,在HHP作用下會(huì)向弱B型轉(zhuǎn)化,且這種轉(zhuǎn)化對(duì)壓力作用較明顯;B型淀粉最耐高壓,能在加壓后保持其原始X射線圖案;C型淀粉耐壓性介于A、B型之間,高壓下也能向B型轉(zhuǎn)化。原因在于A型淀粉晶格中有8個(gè)水分子且?guī)缀醪缓辨湹矸郏讨ф溳^多的支鏈淀粉會(huì)造成雙螺旋結(jié)構(gòu)松散;B型淀粉具有空腔結(jié)構(gòu)且與36個(gè)水分子以氫鍵相互作用,對(duì)晶體結(jié)構(gòu)起穩(wěn)定作用[24,26,30]。此外,報(bào)道稱自由水是淀粉在HHP作用下晶型改變的關(guān)鍵因素[28]。
油炸是食品中常用的一種加工方法,在加工過程中淀粉經(jīng)熱作用以及與油脂的相互作用后生成淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物,使得淀粉的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著的變化,進(jìn)而影響到油炸產(chǎn)品的品質(zhì)及貯藏過程中的食用品質(zhì)[3]。因此,油炸對(duì)淀粉性質(zhì)影響的研究對(duì)于提升油炸制品的品質(zhì)及開拓淀粉的應(yīng)用具有重要意義。
2.1 形成直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物
淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物有兩種不同的形態(tài),低溫(<60℃)時(shí)形成I型復(fù)合物,有較低的離解溫度(<100℃)和無序的晶體衍射圖;高溫(>90℃)時(shí)形成II型復(fù)合物,有較高的離解溫度(>100℃)和明顯的V型X射線衍射圖樣[31]。淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成過程復(fù)雜,取決于多種因素,如淀粉的聚合度、分支度、濃度、反應(yīng)溫度以及脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)等。直鏈淀粉螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部的非極性區(qū)域可以與脂肪酸尾部的碳鏈之間形成單螺旋包接結(jié)構(gòu)[32]。支鏈淀粉能否與脂質(zhì)形成復(fù)合物仍存在爭(zhēng)議,Nakazawa等人[33]認(rèn)為,有少部分棕櫚酸滲入到支鏈淀粉結(jié)晶區(qū)并與其形成復(fù)合物;Huang等人[34]研究發(fā)現(xiàn),單甘酯能與支鏈淀粉形成復(fù)合物并抑制其重結(jié)晶。但Cjam等人[35]卻認(rèn)為單甘酯是與直鏈淀粉分子形成復(fù)合物,從而抑制淀粉的早期回生。
在油炸過程中,淀粉和脂質(zhì)相互作用導(dǎo)致淀粉顆粒變大,且淀粉峰值粘度、崩解值降低,剪切穩(wěn)定性提高[5]??登删闧36]推測(cè)在油炸過程中,部分紫甘薯直鏈淀粉與脂質(zhì)形成復(fù)合物,從而造成淀粉的特征峰位置和強(qiáng)度發(fā)生較大變化。張令文等人[37]也有類似的報(bào)道,發(fā)現(xiàn)復(fù)炸后在100~140℃出現(xiàn)淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物熔融峰,另外較高的溫度有利于形成穩(wěn)定的直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物[38]。油炸過程中形成淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物,限制淀粉顆粒溶脹并阻止直鏈淀粉溶出,導(dǎo)致淀粉的膨脹度、溶解度、碘蘭值、透光率均降低,糊化焓、糊化溫度升高,且對(duì)淀粉酶更穩(wěn)定[3,39-40]。復(fù)炸過程中更易形成淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物[41],且其含量隨復(fù)炸時(shí)間延長(zhǎng)而增加,從而形成更大的疏水空間并降低淀粉的膨脹度、溶解度,提高其凍融穩(wěn)定性。此外,報(bào)道稱直鏈淀粉的凝沉和直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成之間存在競(jìng)爭(zhēng)且后者更易發(fā)生[3],因此淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成可以抑制淀粉分子重排,進(jìn)而推遲淀粉的凝沉過程,降低透光率[41]。但周靜舫等人[3]卻發(fā)現(xiàn)油炸淀粉的回生值增加,上述機(jī)理不能對(duì)其進(jìn)行合理解釋,具體原因還有待深入探究。
2.2 對(duì)淀粉結(jié)晶特性的影響
研究發(fā)現(xiàn),直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物晶型一般為V型,但會(huì)隨著加熱溫度升高而轉(zhuǎn)變?yōu)镋型[3]。Bail等人[42]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)加熱溫度達(dá)到150℃時(shí),普通玉米淀粉 (水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%~35%)A型結(jié)構(gòu)開始消失并出現(xiàn)Vh型 (直鏈淀粉與線性有機(jī)分子形成的復(fù)合物晶型)結(jié)構(gòu);當(dāng)溫度升高到170℃以上時(shí),A型結(jié)構(gòu)完全消失,Vh型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成E型結(jié)構(gòu);另外,高直鏈玉米淀粉加熱至95℃出現(xiàn)Vh型結(jié)構(gòu)。
周靜舫等人[3]發(fā)現(xiàn),在油炸大米淀粉的X衍射圖譜上2θ角度值19.62處(油炸后)和19.86處(油炸后放置10 d)都出現(xiàn)V晶型特征峰。同樣,張令文等人[37]發(fā)現(xiàn)油炸后的淀粉均在2θ為20°附近出現(xiàn)不同強(qiáng)度的衍射峰,即直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物峰。淀粉在油炸過程中其結(jié)晶結(jié)構(gòu)和結(jié)晶特性均會(huì)發(fā)生改變,周靜舫等人[3]發(fā)現(xiàn),油炸后淀粉的(Tc-T0)值升高40.0 K,表明油炸后淀粉顆粒內(nèi)部的結(jié)晶體趨于多樣化;此外,研究發(fā)現(xiàn)初炸時(shí)間超過75 s時(shí)的淀粉結(jié)晶度高于初炸25 s時(shí)的結(jié)晶度,推測(cè)是直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成增加了淀粉的結(jié)晶度[43];但初炸100 s和復(fù)炸40 s后,淀粉結(jié)晶度隨油炸時(shí)間的延長(zhǎng)反而降低,具體原因仍有待深入探究。
發(fā)酵是一種傳統(tǒng)的谷物類食品加工方法,現(xiàn)有的谷物發(fā)酵食品種類豐富,如:發(fā)酵米粉、發(fā)酵米粥、發(fā)酵粉條、年糕、米果等[44]。在發(fā)酵過程中,乳酸菌、酵母菌等微生物的代謝產(chǎn)物(乳酸、胞外酶等)作用于淀粉顆粒,改變其物理化學(xué)性質(zhì)[45-46]。研究發(fā)酵對(duì)淀粉糊化、老化等特性的改變對(duì)于改善淀粉類食品的口感、風(fēng)味和質(zhì)構(gòu)、提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值以及開發(fā)優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵產(chǎn)品等都具有重要的意義。
3.1 對(duì)直鏈淀粉和支鏈淀粉分子結(jié)構(gòu)和含量的影響
發(fā)酵會(huì)改變淀粉的分子結(jié)構(gòu),比如減少大分子數(shù)量、增加小分子及中等大小分子數(shù)量[47]。閔偉紅[48]利用乳酸菌發(fā)酵米粉時(shí)發(fā)現(xiàn),乳酸主要促進(jìn)淀粉顆粒中蛋白質(zhì)溶出而對(duì)淀粉的降解作用較??;胞外酶主要降解支鏈淀粉,增加直鏈淀粉含量和平均聚合度,從而改變淀粉中直/支鏈淀粉的比例,但對(duì)蛋白質(zhì)的降解作用較小。發(fā)酵過程中,直、支鏈淀粉結(jié)構(gòu)和含量的改變導(dǎo)致淀粉的衰減值、剪切稀化程度降低[49-50]。發(fā)酵對(duì)支鏈淀粉的斷鏈和脫支作用集中在主鏈和長(zhǎng)鏈上[45],降低其結(jié)晶性、老化傾向和淀粉峰值粘度,但利于淀粉凝膠保持較多水分和較好的粘彈性,從而降低淀粉制品硬度[48,50]。另外,發(fā)酵過程中部分蛋白質(zhì)和脂肪被降解會(huì)促進(jìn)直鏈淀粉溶出[46],加速淀粉糊化和老化,增強(qiáng)其凝膠網(wǎng)絡(luò)的剛性和粘彈性,進(jìn)而增強(qiáng)淀粉制品的膠著性、咀嚼度和拉伸性能。
關(guān)于發(fā)酵對(duì)淀粉含量、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)影響有不同報(bào)道。陶華堂[46]應(yīng)用紅外檢測(cè)研究發(fā)酵大米時(shí)發(fā)現(xiàn)既沒有基團(tuán)消失也沒有新化學(xué)鍵或基團(tuán)生成,認(rèn)為發(fā)酵對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)的改變作用不大。丁文平等人[51]認(rèn)為發(fā)酵對(duì)大米中支鏈淀粉的降解和直、支鏈淀粉含量的影響不顯著。同樣,Lu等人[52]也得出類似結(jié)論。袁美蘭等人[53]報(bào)道發(fā)酵會(huì)減小玉米支鏈淀粉分子大小和聚合度、增加其平均鏈長(zhǎng)和外鏈長(zhǎng);同時(shí),支鏈淀粉的短鏈水解造成長(zhǎng)鏈比例上升,淀粉膨脹受抑制。
一般認(rèn)為,發(fā)酵降低支鏈淀粉分子的分支化程度,減弱其再結(jié)晶性;發(fā)酵過程中,部分脂肪和蛋白質(zhì)降解促進(jìn)直鏈淀粉溶出,加速凝膠形成。發(fā)酵技術(shù)對(duì)淀粉分子結(jié)構(gòu)和組成的影響及作用機(jī)理目前尚沒有統(tǒng)一定論,其可能與微生物種類、發(fā)酵條件和淀粉來源有關(guān),具體原因有待研究。
3.2 對(duì)淀粉結(jié)晶特性的影響
研究表明,發(fā)酵能改變淀粉的結(jié)晶度,但不改變其晶體類型[54]。發(fā)酵后淀粉紅外結(jié)晶指數(shù)(R值)上升,說明顆粒表面淀粉分子的短程有序度升高[50]。同時(shí),發(fā)酵后直鏈淀粉含量增加,其可以參與形成支鏈淀粉的晶核進(jìn)而促進(jìn)支鏈淀粉重結(jié)晶[46]。
關(guān)于發(fā)酵對(duì)淀粉無定型區(qū)和結(jié)晶區(qū)的影響有不同報(bào)道。閔偉紅[48]認(rèn)為發(fā)酵產(chǎn)物乳酸影響淀粉的結(jié)晶區(qū),而胞外淀粉酶影響淀粉的無定型區(qū);同時(shí),淀粉發(fā)酵后其非結(jié)晶區(qū)增大而結(jié)晶度減小,Yang等人[55]也有類似的發(fā)現(xiàn)。但丁文平等人[51]卻認(rèn)為發(fā)酵產(chǎn)物酸和酶主要作用于淀粉的無定形區(qū),而對(duì)晶區(qū)結(jié)構(gòu)的影響不顯著;同時(shí),無定形區(qū)的減少及發(fā)酵小分子物質(zhì)的不斷溶出提高了結(jié)晶區(qū)的相對(duì)比例,Lu[45,52]、袁美蘭[53]等人在研究中也獲得類似的結(jié)論。
總體看,發(fā)酵不會(huì)改變淀粉的結(jié)晶類型,乳酸主要破壞淀粉顆粒的無定形區(qū)。我們認(rèn)為上述研究結(jié)果出現(xiàn)分歧的主要原因可能在于具體的發(fā)酵條件不同(如菌種),因此,發(fā)酵對(duì)淀粉晶體特性的影響仍有待進(jìn)一步研究。
3.3 蛋白質(zhì)、脂質(zhì)與淀粉的相互作用
蛋白質(zhì)可以與直鏈淀粉結(jié)合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)緊密包裹淀粉顆粒外層,抑制其膨脹糊化;同時(shí),這種相互作用也增大了淀粉顆粒的空間位阻,進(jìn)而提高了其抗剪切能力。同樣,脂質(zhì)也可以與直鏈淀粉形成復(fù)合物,強(qiáng)化顆粒結(jié)構(gòu),限制其膨脹糊化,降低其衰減值[46]。另外,脂質(zhì)與蛋白質(zhì)在發(fā)酵過程中容易各自形成微觀富集區(qū),阻礙淀粉分子之間相互聚合和凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成[45]。因此,可以通過發(fā)酵技術(shù)改變蛋白質(zhì)、脂質(zhì)對(duì)淀粉的絡(luò)合作用,進(jìn)而改變淀粉的特性。
發(fā)酵前期,蛋白質(zhì)和游離脂肪酸緩慢溶出;而發(fā)酵后期,蛋白質(zhì)、脂肪酸被分解[56],含量迅速降低,其與淀粉的絡(luò)合作用被破壞。發(fā)酵產(chǎn)物乳酸的α-羥基可以與淀粉多肽鏈上的羥基形成氫鍵,從而促進(jìn)蛋白質(zhì)溶出[48,57]。但蛋白質(zhì)的含量在發(fā)酵4 d后趨于穩(wěn)定,再發(fā)酵對(duì)蛋白質(zhì)的影響不顯著[46]。發(fā)酵過程中,蛋白質(zhì)溶出和淀粉的釋放會(huì)加速淀粉的糊化,降低其峰值溫度、峰值粘度和抗剪切能力,升高其熱焓值[50]。此外,發(fā)酵后淀粉分子之間更易形成氫鍵締合,從而形成有序的凝膠結(jié)構(gòu),賦予淀粉制品透明的外觀和筋道的口感[45]。
3.4 對(duì)淀粉凝膠特性的影響
淀粉凝膠的性質(zhì)與支鏈淀粉分子結(jié)構(gòu)及直/支鏈淀粉的比例密切相關(guān)。一般認(rèn)為凝膠形成過程為:直鏈淀粉之間或其與支鏈淀粉的外側(cè)鏈結(jié)合形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),封閉支鏈淀粉內(nèi)鏈的同時(shí)將較多的水分及支鏈淀粉分散相包埋在內(nèi),維持凝膠較好的粘彈性[46]。另外,有報(bào)道稱支鏈淀粉對(duì)凝膠老化的影響比直鏈淀粉顯著[57]。
發(fā)酵使淀粉分子大小趨于均勻且容易靠近聚合,從而加速形成均勻致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[54,58]。發(fā)酵過程中,支鏈淀粉發(fā)生斷鏈,再結(jié)晶能力降低,凝膠相中得以保留更多水分,賦予凝膠良好的粘彈性。此外,直鏈淀粉含量增加和分子間氫鍵締合增多使凝膠硬度和彈性增強(qiáng)。據(jù)報(bào)道[45],發(fā)酵對(duì)淀粉凝膠特性的影響主要為乳酸的作用,一方面其作用于無定形區(qū)并水解支鏈淀粉,提高凝膠的保水性且加速凝膠老化;另一方面,其降低體系的pH值,促進(jìn)淀粉分子鏈聚合老化;發(fā)酵產(chǎn)物α-淀粉酶對(duì)凝膠性能的影響較小,原因在于其對(duì)生淀粉作用不敏感且酶活較低。此外,發(fā)酵產(chǎn)生的小分子糖類(葡萄糖、麥芽糖)、乙醇等會(huì)削弱凝膠結(jié)構(gòu)。
發(fā)酵降低支鏈淀粉的分支化程度,削弱其空間阻礙作用;加速直鏈淀粉之間及其與支鏈淀粉間的相互作用;同時(shí)也促進(jìn)脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的溶出與降解,有利于形成穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)并改善淀粉制品的食用品質(zhì)。但是,發(fā)酵加工受淀粉來源、發(fā)酵菌種、發(fā)酵條件及發(fā)酵調(diào)控等多種因素影響,且其對(duì)淀粉的改性作用仍停留在研究階段,因此,發(fā)酵對(duì)淀粉性質(zhì)影響的規(guī)律、發(fā)酵淀粉凝膠的形成機(jī)理以及其對(duì)凝膠特性的改善有待進(jìn)一步研究。
擠壓作為一項(xiàng)重要的食品加工技術(shù),現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于玉米、小米、燕麥、大米等谷物食品加工中,具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、環(huán)保、低成本、高效節(jié)能等優(yōu)勢(shì)。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在擠壓技術(shù)對(duì)淀粉性質(zhì)影響尤其是擠壓過程中淀粉發(fā)生糊化和降解方面開展了廣泛的研究[59],包括淀粉在擠壓機(jī)內(nèi)受到高溫、高壓和機(jī)械力作用發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化。研究擠壓加工中淀粉理化性質(zhì)的變化規(guī)律對(duì)于加工產(chǎn)品的品質(zhì)調(diào)控具有重要意義。
4.1 對(duì)直鏈淀粉和支鏈淀粉分子結(jié)構(gòu)和含量的影響
擠壓過程中,淀粉發(fā)生不可逆的α化作用,同時(shí)降解生成麥芽糊精和小分子寡糖[60-61];顆粒內(nèi)部淀粉分子間作用力被破壞而發(fā)生糊化,粘度降低[62]。陳子意[63]發(fā)現(xiàn)擠壓膨化時(shí),檳榔芋淀粉分子內(nèi)發(fā)生部分雙鍵斷裂并生成了新基團(tuán),說明淀粉在高壓、高剪切力作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變;另外,在擠壓過程中,支鏈淀粉中支鏈部分發(fā)生降解的幾率顯著地高于直鏈部分,且其降解作用類似于普魯蘭酶的作用,水溶指數(shù)增大。張潔等人[64]發(fā)現(xiàn),擠壓后蕎麥和玉米淀粉中直鏈淀粉含量有所增加,沈丹[65]在研究擠壓膨化鷹嘴豆淀粉時(shí)也得到類似結(jié)果。徐樹來[66]發(fā)現(xiàn)在擠壓時(shí)的高剪切力作用下,淀粉中的糖苷鍵斷裂且部分降解成小分子物質(zhì),因此,擠壓后淀粉的平均相對(duì)分子質(zhì)量和支鏈淀粉含量都減小。劉麗等人[67]發(fā)現(xiàn)大米淀粉經(jīng)過擠壓后,晶體的有序化程度和結(jié)晶度降低,說明支鏈淀粉在擠壓作用下發(fā)生了降解。但陳子意[63]卻發(fā)現(xiàn)擠壓后,直鏈淀粉含量降低,支鏈淀粉含量升高,淀粉的凍融穩(wěn)定性和膨脹力降低,凝沉穩(wěn)定性和溶解度提高。
楊庭等人[68]發(fā)現(xiàn)對(duì)原料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄D壓有助于面條內(nèi)部形成連續(xù)致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而制得強(qiáng)度和質(zhì)構(gòu)特性較好的糙米面條,Zhuang等人[69]也得到類似結(jié)果。我們認(rèn)為面團(tuán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成與擠壓對(duì)支鏈淀粉的改性以及直、支鏈淀粉之間的相互作用有關(guān),因此研究擠壓對(duì)淀粉分子性質(zhì)的影響有助于改善食品的品質(zhì),但其變化規(guī)律有待更加全面地研究。
4.2 形成直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物
報(bào)道稱油脂能降低擠壓對(duì)物料的膨化效果,一方面,油脂的潤(rùn)滑作用減少物料所受機(jī)械力,并且改變水、淀粉、油脂及蛋白質(zhì)間的界面效應(yīng),從而影響膨化產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)、密度及膨脹性;另一方面,在高溫、高壓和高剪切力作用下,甘油三酯水解產(chǎn)生單甘酯和游離脂肪酸,促進(jìn)淀粉-脂質(zhì)絡(luò)合物形成,降低淀粉的糊化度、裂解性、溶解性和消化率[70]。研究發(fā)現(xiàn),擠壓過程中直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物生成量與擠壓溫度和水分含量有關(guān),在較低溫度 (<100℃)下,復(fù)合物的含量隨溫度升高而增加;而在較高溫度(>100℃)下,復(fù)合物的含量隨溫度升高而降低;另外,隨著水分含量增加,游離脂肪酸增多而直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物生成量減小[71]。據(jù)報(bào)道[71],擠壓時(shí)剪切力的作用可以使直鏈淀粉-脂質(zhì)絡(luò)合物由V型結(jié)構(gòu)向更穩(wěn)定的E型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。
鏈狀脂肪酸或單甘酯能與淀粉生成結(jié)晶復(fù)合物降低淀粉的水溶性,且其水不溶性與脂肪酸碳鏈鏈長(zhǎng)及脂肪酸飽和度成正比[72]。甘油三酯或磷脂不能與淀粉形成穩(wěn)定的結(jié)晶體,原因在于其結(jié)構(gòu)較大,無法進(jìn)入淀粉螺旋內(nèi)部而只能附著于淀粉分子外表面。研究發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物不僅可以改善淀粉基物料的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,還可以調(diào)節(jié)復(fù)合體系的疏水性質(zhì)、降解性能、絡(luò)合性能等功能性質(zhì),因此可以作為食品穩(wěn)定劑、脂肪替代品、生物活性成分控釋載體、降解包裝材料和低血糖生成指數(shù)淀粉等[20]。
總之,擠壓時(shí)脂肪的水解促進(jìn)淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成,影響淀粉的溶解性、消化率和產(chǎn)品的膨化效果等。同時(shí),擠壓過程中發(fā)生美拉德反應(yīng),促進(jìn)淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物和蛋白質(zhì)-脂質(zhì)復(fù)合物生成并降低脂肪氧化速度和程度,從而改善產(chǎn)品口感,延長(zhǎng)食品貨架期。
近年來,微波作為一種安全、高效的加工方式在食品領(lǐng)域物料的干燥、殺菌、蒸煮以及焙烤等方面有著十分廣泛的應(yīng)用[8]。研究認(rèn)為,微波的快速加熱效應(yīng)和極化效應(yīng)影響淀粉分子間及其與水分子間的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率,進(jìn)而影響淀粉的分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)。因此,研究微波加熱過程中淀粉分子的變化規(guī)律及分子間的相互作用對(duì)微波淀粉改性理論與應(yīng)用的發(fā)展具有重要意義[73]。
5.1 對(duì)直鏈淀粉、支鏈淀粉分子結(jié)構(gòu)和含量的影響
微波輻射下,淀粉顆粒內(nèi)聚集大量熱量,破壞淀粉分子結(jié)構(gòu),造成支鏈淀粉降解和直鏈淀粉溶出,同時(shí)淀粉粘度(最高粘度、熱糊粘度、冷糊粘度等)下降[74-75]。微波加工過程中,淀粉分子結(jié)構(gòu)和含量受微波加熱功率和時(shí)間、淀粉直/支鏈比例和含水量及復(fù)雜體系中淀粉與其他組分的復(fù)合作用等因素影響。例如Palav[76]用微波輻射小麥淀粉時(shí)發(fā)現(xiàn),淀粉顆粒只發(fā)生短時(shí)、小幅度的膨脹,且高聚物溶出量與加熱速率成反比。同時(shí),當(dāng)?shù)矸蹆?nèi)直鏈淀粉含量較高時(shí),微波加熱溶出的直鏈淀粉可以迅速形成凝膠并在外圍包裹住淀粉顆粒,阻止顆粒進(jìn)一步膨脹糊化。此外,部分溶出的直鏈淀粉還可以與體系中的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等組分發(fā)生絡(luò)合作用,形成穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)阻止直鏈淀粉進(jìn)一步溶出。
測(cè)定表觀直鏈淀粉含量常用直鏈淀粉與碘絡(luò)合顯色法,這種方法受直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物以及支鏈淀粉結(jié)構(gòu)的影響較大。陳秉彥[73]研究發(fā)現(xiàn),低強(qiáng)度微波(2.0~4.0 W/g)對(duì)鮮蓮中直鏈淀粉含量幾乎無影響,但當(dāng)微波加熱功率提高到8.0 W/g時(shí),直鏈淀粉含量明顯下降,推測(cè)可能是微波促進(jìn)了直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成。
微波加工過程中,直、支鏈淀粉分子結(jié)構(gòu)和含量變化以及直鏈淀粉浸出機(jī)制并不十分明確,研究結(jié)果受微波加熱功率和時(shí)間、淀粉直/支鏈比例和含水量及淀粉與其他組分的復(fù)合作用等多種因素影響。因此未來的研究方向可以是:針對(duì)影響微波作用效果的多種因素進(jìn)行歸類,進(jìn)而更加系統(tǒng)深入地研究微波加工對(duì)淀粉分子結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律和機(jī)制。
5.2 對(duì)淀粉結(jié)晶特性的影響
Fan等人[77-78]利用小角度X衍射和紅外光譜等研究微波加熱大米時(shí)發(fā)現(xiàn),微波處理后淀粉的C—H振動(dòng)吸收峰位置下降,C—O振動(dòng)吸收峰位置上升,但其官能團(tuán)結(jié)構(gòu)不變。據(jù)報(bào)道[73],微波處理不改變A晶型淀粉的結(jié)晶類型但可使B晶型淀粉的晶型轉(zhuǎn)變?yōu)锳晶型。羅志剛[79]研究發(fā)現(xiàn),馬鈴薯淀粉經(jīng)微波處理后,X射線衍射強(qiáng)度增大,說明其結(jié)晶性增強(qiáng);而衍射角2θ為16.1°的衍射峰消失,產(chǎn)生衍射角2θ為4.93°的衍射峰,說明馬鈴薯淀粉的晶型由B型轉(zhuǎn)變?yōu)锳型。陸冬梅等人[80]研究微波加熱木薯淀粉時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)了晶體類型的轉(zhuǎn)變,但其結(jié)晶度卻明顯下降。一般認(rèn)為微波加工時(shí),B型晶體內(nèi)中間隧道中的36個(gè)水分子蒸發(fā)而脫水或新生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)占據(jù)原來水分子占據(jù)的空間,從而使晶體類型發(fā)生轉(zhuǎn)換。但在微波改性谷物淀粉的研究中,淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變,具體原因有待后續(xù)實(shí)驗(yàn)探究。
報(bào)道稱電磁波作用使淀粉分子發(fā)生一定程度的降解、快速遷移和重排,從而使直、支鏈淀粉分子內(nèi)與分子間易于相互靠近而發(fā)生交互作用,進(jìn)而增強(qiáng)淀粉結(jié)晶性[74]。淀粉結(jié)晶區(qū)增大使其起始糊化溫度增加,抗酶解性增強(qiáng),膨脹度和溶解度降低。微波處理后,淀粉的(Tc-To)值增加,說明直、支鏈淀粉分子內(nèi)與分子間形成晶體的異種化程度增加[74]。張民等人[75]研究發(fā)現(xiàn)微波處理后,大米淀粉的凝沉性、To、Tp、Tm和△H均增加,說明微波使淀粉分子間重新聚合產(chǎn)生更多的雙螺旋結(jié)構(gòu),從而形成耐高溫的結(jié)晶體[79],Cristina等人[81]也得出類似結(jié)論。
但還有研究發(fā)現(xiàn)微波造成部分淀粉的結(jié)晶度下降,羅志剛[74]研究微波處理小麥淀粉時(shí)發(fā)現(xiàn)其△H降低,認(rèn)為微波作用減少了其淀粉內(nèi)部的雙螺旋結(jié)構(gòu),同時(shí),凍融穩(wěn)定性的提高也說明微波降低了支鏈淀粉之間雙螺旋結(jié)構(gòu)的交聯(lián);因此,微波加工過程中,淀粉內(nèi)部主要發(fā)生直鏈淀粉分子內(nèi)和分子間牢固的氫鍵鍵合作用。余巧鶯等人[82]利用微波處理木薯淀粉時(shí)發(fā)現(xiàn)僅在2θ為20.20°附近存在一個(gè)彌散峰,說明其內(nèi)部大部分結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)化為無定型態(tài)。陳秉彥[73]研究發(fā)現(xiàn),蓮子淀粉相對(duì)分子質(zhì)量及晶區(qū)分布隨微波加熱功率的增大而減小,說明微波輻射抑制淀粉分子糊化后的晶區(qū)重排效應(yīng)。
上述研究結(jié)果的差異與微波加熱的特殊性有密切聯(lián)系,是微波對(duì)淀粉快速熱效應(yīng)和極化效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。首先,不同種類淀粉自身結(jié)晶水含量和所處加熱環(huán)境的水分含量不同;其次,不同來源的淀粉其組成成分上有較大差異,直接影響微波加工過程中介電特性的變化和淀粉對(duì)微波的吸收;第三,微波輻射時(shí)間和功率不同對(duì)淀粉性質(zhì)的影響也不同。上述多種因素都是通過影響微波加熱的作用效果間接影響淀粉分子特性。Lewandowicz等人[83]研究發(fā)現(xiàn),微波可以降低小麥淀粉和普通玉米淀粉的結(jié)晶度和溶解性,但幾乎不影響蠟質(zhì)玉米淀粉的物化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)學(xué)特性。因此,淀粉組成的差異以及淀粉分子之間、淀粉與其他介電高分子組分之間的相互作用對(duì)微波加熱效果的影響是未來研究的重點(diǎn),也是探討微波加熱對(duì)淀粉改性作用機(jī)理的重要方面。
超高壓、油炸、發(fā)酵、擠壓和微波作為食品領(lǐng)域5種常用的加工手段都會(huì)對(duì)淀粉的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響,因此,明確不同加工手段對(duì)淀粉性質(zhì)產(chǎn)生的影響及過程中淀粉與其他組分之間的相互作用,深入探討其機(jī)理并研究調(diào)控手段,對(duì)控制和提升淀粉類食品品質(zhì)及其深度開發(fā)具有重要的意義。
雖然現(xiàn)已開展了較多的相關(guān)研究,但仍存在一些問題:1)現(xiàn)有研究主要集中在食品貯藏保鮮、質(zhì)構(gòu)改善、貨架期延長(zhǎng)、技術(shù)和介質(zhì)改良以及和預(yù)處理工藝優(yōu)化等方面,在這些加工手段對(duì)淀粉性質(zhì)的影響以及這些性質(zhì)變化與產(chǎn)品品質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系還缺乏深入的機(jī)理研究。2)圍繞加工手段對(duì)淀粉顆粒膨脹、直/支鏈淀粉分子結(jié)構(gòu)和直鏈淀粉浸出量的影響等方面有一些研究報(bào)道,但得到的研究結(jié)果尚存在一些分歧,且研究過程中也存在一些難以解釋的現(xiàn)象。3)這些加工手段對(duì)食品中淀粉的改性作用及其過程中淀粉-脂質(zhì)相互作用的相關(guān)研究?jī)H限于對(duì)淀粉單一組分進(jìn)行處理,并且集中在單一的淀粉-脂肪酸體系中,其結(jié)果不足以反映實(shí)際加工過程對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。
針對(duì)上述存在的問題,我們建議今后可以圍繞以下方面開展研究:1)結(jié)合不同來源淀粉的特點(diǎn)、不同加工方式的特點(diǎn)、不同的加工條件等多種因素,系統(tǒng)深入研究這些加工手段對(duì)淀粉理化性質(zhì)的影響及其機(jī)理。2)食品體系中除淀粉外還有蛋白質(zhì)、脂肪等多種成分,研究時(shí)需要模擬實(shí)際加工過程中食品復(fù)雜體系內(nèi)不同大分子間的相互作用,深入探究具體加工過程中淀粉性質(zhì)發(fā)生的改變。3)淀粉在不同加工過程中理化性質(zhì)的改變會(huì)影響到其與食品中其他組分之間的相互作用,進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品的口感、風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)等產(chǎn)生影響,這些變化需要深入研究。
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Effects of Different Processing Methods on Starch Properties
WANG Li, YANG Yi, QIAN Haifeng, ZHANG Hui, QI Xiguang
(School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)
Starch as one of the main components of food,especially cereal products,plays an important role in human diet.The five commonly used processing methods,including ultra-high pressure,frying,fermentation,extrusion and microwave,could significantly affect the physicochemicalproperties ofstarch,such as gelatinization,aging,crystallization etc.The interactions between starch and other components of food also influence the food quality.The applications of the five processing methods in starchy foods were summarized and the effects on starch properties and mechanisms were discussed in this paper,which are helpful for the further development of starchy food.
ultra-high pressure,frying,fermentation,extrusion,microwave,starch modification,starch-lipid complex
TS 234
A
1673—1689(2017)03—0225—11
2016-09-23
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31471617)。
王 立(1978—),男,江蘇溧陽人,工學(xué)博士,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要從事谷物功能因子及健康食品方面的研究。
E-mail:wl0519@163.com
王立,楊懿,錢海峰,等.不同加工方式對(duì)淀粉性質(zhì)的影響[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào),2017,36(03):225-235.