华南农业大学张名位研究员等:不同葡萄糖当量值预消化大米膨化粉的理化性质和结构特性

2023-10-25作者:来源:责任编辑:食品界 字体A+AA-

特殊医学用途配方食品是为特定疾病人群提供营养支持而专门加工配制的配方食品。有研究表明,作为特医食品原料中主要碳水化合物营养素之一的麦芽糊精会导致肠道损伤、炎症和促进有害微生物的增殖和定植等变化。大米含有特殊的谷物风味,无致敏性,淀粉(碳水化合物)含量占比超80%,故可作为麦芽糊精的替代物应用到特医食品中。大米挤压膨化处理是将大米粉应用到特医食品的主要途径,但膨化大米粉的黏度远高于麦芽糊精,易引起粉剂产品冲调性问题和乳剂产品稳定性问题。使用生物酶水解结合挤压膨化处理谷物原料可改变原料物理和结构特性。

华南农业大学食品学院的阮蕴莹和广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所的邓媛元,张名位*等借鉴前人研发的预酶解-挤压膨化改善大米粉特性技术,参照麦芽糊精的葡萄糖当量(DE)值指标,制备不同DE值预消化大米基质粉,并进一步评价其吸水性指数(WAI)、水溶性指数(WSI)、粉体流动性、糊化度、糊化特性、可溶性蛋白含量及淀粉体外消化特性,以及采用扫描电子显微镜、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱等对其结构进行分析,以期为大米粉替代麦芽糊精在特医食品中的应用提供一定理论基础。

1 不同DE值预消化大米膨化粉WAI和WSI比较

如图1所示,经过预酶解处理后,预消化大米膨化粉的WAI随其DE值增大而显著降低(P<0.05),由7.11(DE 0组)降低至1.71(DE 15组),降幅达76%;相反,预消化大米膨化粉的WSI则随DE值增大显著提高(P<0.05),由29.48%(DE 0组)提高至73.49%(DE 15组),增幅达149.29%。其中,DE 15的大米粉在所有样品中WAI最小,WSI最大。

在预酶解-挤压膨化处理过程中,大米所含淀粉被α-淀粉酶降解成小分子糖和糊精类物质,可形成的淀粉凝胶减少,预消化大米膨化粉亲水性变弱,WAI下降;与此同时,随着酶解产生的小分子糖和糊精等可溶性糖增加,预消化大米膨化粉在水中的分散性增强,WSI升高。WAI的降低和WSI的提高有利于预消化大米膨化粉在水中溶解,冲调时不易结块,溶解速度快。

2 不同DE值预消化大米膨化粉流动性比较

如表1 所示,不同处理组预消化大米膨化粉休止角随DE值增大而逐渐降低,但各组间无显著差异(P>0.05);此外,滑角也呈相似的下降趋势,由40.85°(DE 0组)降低至38.75°(DE 15组),降低了5.14%。休止角和滑角与粉体的流动性密切相关,一般而言,休止角和滑角越小,摩擦力越小,粉体流动性越好。本研究中,不同DE值预消化大米膨化粉休止角均小于40°,可以满足工业应用中生产流动性的需要。滑角则反映了粉体与固体表面接触的性质,本研究中,预消化大米膨化粉滑角随着DE值增大而逐渐降低,说明在工业应用中生产时,只需要设计较小的进料斗角度即可实现粉体的流动。
由表1可知,Carr指数和Hausner比值随DE值提高逐渐增大,Carr指数由25.74%(DE 0组)提高至35.89%(DE 15组),提高了39.43%;Hausner比值由1.35(DE 0组)提高至1.56(DE 15组),提高了15.56%。该结果表明,大米粉经α-淀粉酶酶解和挤压膨化处理后,结构变得松散,粉末颗粒之间空隙变大,从而导致了Carr指数和Hausner比值的增大。粉体流动性不仅影响粉体的生产、输送和装载等过程,同时也反映了其在工业应用中生产时倒入容器中的难易,较好的粉体流动性有利于粉剂型特医食品的冲调与食用。

3 不同DE值预消化大米膨化粉糊化度及糊化特性比较

如图2所示,预消化大米膨化粉的糊化度随着DE值增大整体呈下降趋势。相比于DE 0组样品,DE值小于5的样品糊化度下降较少,约降低1%;当DE值超过5后其糊化度显著降低(P<0.05),分别降低了5.26%(DE 10组)和7.42%(DE 15组)。本研究中,大米粉由于经过淀粉酶预消化处理,淀粉被部分水解,其水解程度随着样品的DE值增大而加深,淀粉水解成糊精化淀粉、寡糖或小分子糖后会降低其挤压过程中的膨化率,从而导致糊化度逐渐降低。

如表2所示,随着DE值增大,预消化大米膨化粉的峰值黏度、最低黏度、最终黏度、衰减值和回生值均呈下降趋势。相比于对照,DE 15的预消化大米膨化粉其峰值黏度、最低黏度、最终黏度、衰减值和回生值分别降低了59.85%、27.63%、37.79%、97.10%和94.87%。大米粉经过α-淀粉酶预酶解和挤压膨化处理后,淀粉颗粒被破坏,吸水性和溶胀力下降,从而导致了峰值黏度的降低。随着预消化大米膨化粉DE值增大,其衰减值和回生值均明显降低,说明预消化大米膨化粉DE值越大,其抗剪切能力和热稳定性越好,越不容易发生老化。通过选取衰减值和回生值较低的预消化大米膨化粉,将其应用至乳剂型特医食品中后,有利于降低乳液的黏度、提高乳液体系的稳定性。

4 不同DE值预消化大米膨化粉可溶性蛋白含量比较

如图3所示,结果表明,随着DE值增大,预消化大米膨化粉的可溶性蛋白含量逐渐降低,DE 10组可溶性蛋白含量较DE 0组降低了74.87%,而DE 15组样品虽然较DE 10组样品可溶性蛋白含量进一步降低,但两组并无显著差异(P>0.05)。大米中的淀粉和蛋白质相互包裹并结合,随着淀粉酶解程度的加深,与淀粉相结合的蛋白质被游离出来的含量不断增加;经过高温高压挤压膨化处理后,失去淀粉包裹保护作用的游离态蛋白质严重变性,这可能是导致可溶性蛋白含量随样品DE值增大而不断降低的原因。

5 不同DE值预消化大米膨化粉快消化淀粉含量比较

如图4所示,随着DE值增大,预消化大米膨化粉的快消化淀粉含量呈升高趋势,由62.53%(DE 0组)提高至71.10%(DE 15组),提高了13.71%。快消化淀粉含量提高的原因一方面与其水解程度加深有关,随着大米膨化粉DE值的增加,其由淀粉水解产生的糊精化淀粉、寡糖和小分子糖含量提高;另一方面,由于可溶性蛋白含量增加,与淀粉结合的蛋白质逐渐减少,消化酶与淀粉更容易接触,从而被检测出来的快消化淀粉含量随之增大。


6 不同DE值预消化大米膨化粉微观结构比较

如图5所示,所有预消化大米膨化粉均呈现不规则形态,表面均有不同程度的裂纹和鳞状结构。相对而言,DE值为0的预消化大米膨化粉表面较为光滑,鳞状结构较少,随着DE值增大,预消化大米膨化粉表面的裂纹越来越多,鳞状结构越来越明显,粉体不规则程度增加;其中DE 10和DE 15的样品组表面还观察到了细小的孔洞(图5D、E),这应该是α-淀粉酶酶解淀粉引起的结构变化。疏松多孔的结构一方面有利于水分进入粉体内部,使其具有良好的水溶性;另一方面,有利于提高其松散状态,增强粉体流动性,这与1、2节中高DE值的预消化大米膨化粉WSI、Carr指数和Hausner比值等指标增大相符。


7 不同DE值预消化大米膨化粉X射线衍射分析

如图6所示,原大米粉在2θ 15°、17°、18°、23°处有较强的衍射峰,其中2θ 17°、18°为连续的双峰,呈现典型的A型结构。经过挤压膨化处理后,大米粉的衍射峰减少,出峰位置也发生了变化,在2θ 13°、20°处出现较强的衍射峰,淀粉由原来的A型变为V型结构。此外,经过预酶解处理的大米膨化粉与原大米膨化粉相比,其晶型均为V型结构。大米粉经过挤压膨化处理后,晶型由A型变为V型,这与直链淀粉-脂质复合物的形成有关,这种复合物会阻碍直链淀粉的重排,延缓体系中回生现象的发生。这与3节糊化特性研究中随着DE值增大预消化大米膨化粉回生值减小,淀粉不易老化的研究结果相符合。

此外,发现原大米粉的相对结晶度为20.67%,经过挤压膨化后,大米粉的相对结晶度显著下降(P<0.05),可能是由于大米粉在通过挤压机时受到高温高压以及剪切力的综合作用,淀粉的结晶结构被破坏,无定形区域面积增加,导致相对结晶度降低,这与5节中预消化大米膨化粉快消化淀粉含量随DE值增加而增大的研究结果相符;而不同DE值预消化大米膨化粉相对结晶度无显著差异(P>0.05)。


8 不同DE值预消化大米膨化粉蛋白质二级结构含量分析

采用Peakfit 软件对红外光谱中酰胺I 带(1600~1700 cm-1)进行拟合分峰处理,以分析蛋白质二级结构的相对含量。谱带在1650~1660 cm-1范围内的归属为α-螺旋,谱带在1600~1640 cm-1范围内的归属为β-折叠,谱带在1660~1700 cm-1范围内的归属为β-转角,谱带在1640~1650 cm-1范围内的归属为无规卷曲。由图7可知,与原大米粉相比,不同DE值预消化大米膨化粉的 α-螺旋相对含量显著降低(P<0.05),由21.47%降低至11.48%,降低了46.53%;β-转角相对含量显著提高(P<0.05),由20.56%提高至32.46%,提高了57.88%;β-折叠和无规卷曲相对含量无显著变化(P>0.05)。产生这种现象的原因可能是在经过挤压膨化处理时,大米粉中的蛋白质受热发生变性,分子结构被破坏,导致代表蛋白质有序结构的α-螺旋相对含量显著降低,而β-转角相对含量显著增加,说明蛋白质结构从稳定有序逐渐向松散无序转变。此外,在预酶解-挤压膨化过程中,大米粉受到高温高压高剪切作用,一部分蛋白质结构被破坏,转向松散无序的状态;一部分生成淀粉-蛋白质复合物,导致可溶性蛋白含量的降低,与4节可溶性蛋白含量指标降低相符。大米膨化粉中不同DE值预消化大米膨化粉之间二级结构相对含量无显著差异(P>0.05),说明酶添加量对其未产生明显影响。

结 论

制备了不同DE值预消化大米膨化粉,并评价了其理化性质及结构特性。结果表明,随着DE值增大,预消化大米膨化粉的WAI、糊化度、可溶性蛋白含量、最终黏度等指标整体呈降低趋势;而WSI、Carr指数、Hausner比值、粉体流动性等有所提高;此外,经过预酶解处理后,DE值大的样品组微结构表面变得粗糙多孔,但与原大米膨化粉比,不同DE值预消化大米膨化粉中淀粉的相对结晶度以及蛋白质二级结构并无明显变化。研究结果为大米粉替代麦芽糊精在特医食品中的应用提供了一定理论基础。

本文《不同葡萄糖当量值预消化大米膨化粉的理化性质和结构特性》来源于《食品科学》2023年44卷第14期29-36页,作者:阮蕴莹,邓媛元,张 雁,魏振承,唐小俊,李 萍,张 元,王智明,刘 光,张名位*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221022-222。