FSHW | 中国非传统来源淀粉的理化和结构特性

2023-08-05 11:46:01

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Introduction

淀粉是一种可生物降解的无毒害生物聚合物，存在于植物的谷物、种子、果实、根和块茎等不同部位。淀粉是人类膳食中的主要成分，其作为功能性成分广泛应用于各种食品、造纸、纺织、医药、化妆品等领域。现阶段的相关研究多集中在主流和商业来源的淀粉的结构、形态、热量和物理化学特性。然而，随着食品和非食品工业应用的发展，具有独特性能的新型淀粉来源显得极为重要。

淀粉的主要来源是谷物，但由于谷类食品和点心类食品生产行业需求的增加，谷物淀粉在食品和非食品行业的可及性日益减少。因此，研究方向转向研发新型淀粉来源，以满足各类工业食品应用的可行性要求。目前对非常规来源淀粉的分离、表征和应用方面的研究有限。然而，非传统淀粉的独特性质可能有助于改善其在食品和非食品中的应用。鉴于此，本文旨在探索中国非常规来源淀粉的形态、理化性质和功能特性。

Results and Discussion

分离淀粉的水分含量

如表1所示，不同植物来源的分离淀粉的水分含量在10.45%~13.51%之间，存在显著性差异（P＜0.05）。其中，扁豆籽淀粉（LSS）的水分最高（13.56%），糜子淀粉（PMS）最低（10.45%）。此外，不同提取技术可能会导致结果存在差异。

表1 中国非传统来源分离淀粉的水分含量和形态特征

分离淀粉的直链淀粉和淀粉含量

不同植物来源的分离淀粉的直链淀粉和淀粉含量如表2所示。其含量在11.46%～37.61%之间，存在显著性差异。其中，LSS的直链淀粉含量最高（37.61%），PMS最低（11.46%）。直链淀粉含量存在差异性的原因在于程序、品种类型、成熟度、地理和栽培条件的不同。此外，淀粉含量结果表明分离淀粉具有较高的纯度。

表2 中国非传统来源分离淀粉的直链淀粉含量、淀粉含量和色彩参数

颜色分析

颜色参数是提高消费者对食品选择兴趣的重要特征之一，表2记录了从不同植物中分离得到的淀粉的颜色参数。结果表明，分离淀粉的色彩参数值存在显著差异。具有较高亮度值的天然淀粉可以改善其在要求颜色均匀的食品工业中的应用。淀粉中出现不同程度的发红和发黄可能是由于淀粉本身的基因组成以及淀粉提取前原料的老化。

SEM

扫描电子显微镜在表征淀粉颗粒结构方面具有至关重要的作用。不同植物来源的分离淀粉的SEM图如图1所示。由于植物来源和栽培条件的不同，淀粉颗粒的大小和形状可能存在差异。淀粉颗粒大小在对分离淀粉的品质形状具有重要的影响，并且与淀粉制品的消化率和口感有关。其中，藜麦淀粉（QSS）颗粒的尺寸最小，在食品应用中具有替代脂肪的潜力。

图1 中国非传统来源分离淀粉的SEM图（A～H分别表示慈姑、鹰嘴豆、芡实、扁豆籽、黍稷、紫薯、藜麦和高粱）

XRD

自然界中的淀粉颗粒以半结晶颗粒的形式存在，包括结晶结构和无定形结构。淀粉的结晶度与颗粒内支链淀粉分子的有序结构有关。根据XRD图谱可以将淀粉颗粒的结晶结构分为A、B和C三种类型。一般来说，A型淀粉主要存在于谷类作物的种子中，B型淀粉主要存在于块茎和高直链淀粉作物的种子中。C型结晶结构是A、B型的组合，存在于在豆类植物和根茎中。不同植物来源的分离淀粉的晶体结构如图2所示。淀粉颗粒的衍射谱和结晶度的差异主要与品种、提取工艺、农艺条件和栽培条件有关。

图2 中国非传统来源淀粉的XRD图

FTIR分析

不同植物来源的分离淀粉的FTIR光谱如图3所示，所有分离淀粉在3000～3600 cm^-1范围内均存在一个较宽的特征峰，归因于O-H的复杂拉伸振动。在1153 cm^-1和1077 cm^-1处的特征峰归属于淀粉C-O-H中葡萄糖酐C-O的拉伸振动。

图3 中国非传统来源淀粉的傅里叶红外光谱图

糊化性质

糊化特性与淀粉的功能性直接相关，并对淀粉基产品的应用具有重要影响。采用快速粘度分析仪分析了来自不同植物来源的分离淀粉的糊化参数，结果如表3所示。不同分离淀粉间糊化参数存在显著性差异。分离淀粉的糊化性能与直链淀粉和支链淀粉的比例、淀粉结构、颗粒形态、结构和完整性、颗粒溶胀性、直链淀粉和支链淀粉的结晶度和链长等多种因素有关。

表3 中国非传统来源淀粉的糊化参数

溶胀能力和溶解性

溶胀能力和溶解性反映了淀粉颗粒的相互结合能力和持水能力。当淀粉在适量的水中加热糊化时，控制微晶中双螺旋结构的氢键被破坏并被取代，淀粉颗粒溶胀，其体积增加。随后，直链淀粉和支链淀粉链的浸出增加，提高淀粉颗粒的溶解度。在90 °C下测定分离淀粉的溶胀能力和溶解性，如表4所示，其结果存在显著性差异。分离淀粉溶解度的差异可能是由于淀粉组分含量和链长分布的不同所致。

表4 中国非传统来源淀粉的功能特性

淀粉的脱水作用

脱水作用是指由于淀粉链开始形成较厚的结构，水分子从凝胶中释放的过程。脱水收缩程度与低温储存时间成正比。表4记录了不同植物来源的分离淀粉在24 °C下储存4 h的脱水率。其中，PMS的脱水值最小（26.01%），更适于冷冻食品加工。分离淀粉脱水收缩程度的差异可能在于淀粉结构中直链淀粉的化学组成和分子间相互作用的不同。

Conclusion

本文探究了不同非传统来源分离淀粉的结构和理化性质，其差异可能是来源于不同地理生长环境。不同来源的淀粉因其典型的颗粒形态而具有独特的性质。本文的研究结果可以激发对非传统淀粉的深入研究，以探索其在食品和非食品工业中的应用潜力。

Physicochemical and structural properties of starches from non-traditional sources in China

Jingyi Yang^a,1, Chagam Koteswara Reddy^b,1, Zhili Fan^a, Baojun Xu^a,*

^a Food Science and Technology Program, BNU-HKBU United International College, Zhuhai 519087, China

^b Department of Biochemistry and Bioinformatics, Institute of Science, GITAM (Deemed to be University), Visakhapatnam 530045, India

¹ Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

In this study, we isolated starches from non-traditional sources, including quinoa, lentil, arrowhead, gorgon fruit, sorghum, chickpea, proso millet, and purple potato and investigated their morphology, physicochemical, and functional properties. Significant differences in starch particle morphology, swelling power, solubility, syneresis, crystalline pattern, and pasting viscosity were observed among the starches from these non-traditional sources. Further, all these isolated starches had unique properties because of their characteristic distinct granules when seen under scanning electron microscopy (SEM). The amylose content of the isolated starches shown significant difference (P < 0.05), and the values ranged between 11.46 % and 37.61 %. Results demonstrated that the isolated starches contained between 79.82 % to 86.56 % starch, indicating that the isolated starches had high purity. X-ray diffraction (XRD) patterns of starches isolated from sorghum, proso millet, quinoa, purple potato, and gorgon fruit presented A-type diffraction pattern; while lentil seeds, arrowhead, and chickpea starches presented C-type diffraction pattern. Overall, these results will promote the development of products based on starch isolated from non-traditional starches.

Reference:

YANG J Y, REDDY C K, FAN Z L, et al. Physicochemical and structural properties of starches from non-traditional sources in China[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(2): 416-423. DOI:10.1016/j.fshw.2022.07.043.

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