不同提取方法对面包果淀粉性质的影响

钟雪瑶,王少曼,张彦军,*,谭乐和,于寒松,*,徐 飞,吴 刚

(1.吉林农业大学食品科学与工程学院,吉林长春 130000;2.中国热带农业科学院香料饮料研究所,海南万宁 571533)

面包果(Artocarpusaltilis(Parkinson)Fosberg)是桑科(Moraceae)菠萝蜜属(Artocarpus)特色热带果树,原产于南太平洋的玻利尼西亚和西印度群岛,是当地的主要粮食作物。目前,在我国海南、广东、台湾等地引种栽培[1],产业发展处于试种阶段。由于面包果中具有高含量的碳水化合物(76.7%),多年来其一直被作为重要的能量来源[2],且其鲜果果实营养丰富,富含淀粉(12.76%)、膳食纤维(5.19%)、蛋白质(0.95%)和多种人体必需矿物质[3]。然而,在我国面包果的功能用途尚未被人们普遍认知。面包果中的淀粉可作为有待开发利用的优质淀粉新资源,将面包果转化成淀粉将提供一种更稳定的储存形式,并增加其通用性。

淀粉的提取工艺是影响淀粉品质的重要因素,碱法、湿磨法、表面活性剂法、酶法和超声波法是目前提取淀粉的主要方法[4]。刘文菊等[5]采用湿磨法提取的绿豆淀粉溶解度大且提取率低;何义萍等[6]对碱法和超声辅助酶法分离燕麦淀粉进行比较,试验结果显示超声辅助酶法的淀粉提取率较高且节约能耗,对环境污染小。目前对面包果的研究主要集中在面包果的形态特征和面包果淀粉的物理化学改性方面[7-8],Marta等[9]对采用湿磨法提取的面包果淀粉进行四种热改性,比较对面包果淀粉理化性质的影响;Siswoyo等[10]通过碱法制备面包果淀粉,并研究退火对淀粉凝胶特性的影响。对面包果淀粉的不同提取方法比较尚未研究报道。

因此,本实验采用湿磨法、碱法、中性蛋白酶法三种不同方法提取面包果淀粉,并对其提取率、破损率、组分含量、形貌、溶解度和膨胀力进行比较分析,综合考察不同提取方法对面包果淀粉性质的影响,为面包果淀粉的提取和进一步开发利用提供一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

面包果 中国热带农业科学院香料饮料研究所提供;中性蛋白酶Protex-7 L(酶活力≥200000 U/g) Novozyme公司;破损淀粉-酶试剂盒、淀粉-酶试剂盒 爱尔兰Megazyme公司;其他试剂 均为国产分析纯。

AL104型电子天平 美国梅特勒-托利多仪器有限公司;HX-PB908多功能料理机 奥克斯集团有限公司;Master-s-plus UVF型全自动超纯水系统 上海和泰;Avanti JXN-26型高速冷冻离心机 贝克曼库尔特商贸有限公司;JDG-0.2真空冷冻干燥机 兰州科技真空冻干技术有限公司;RH-600A高速多功能粉碎机 荣浩五金厂;盛蓝HZ-2010 K多层恒温摇床 常州市三盛仪器制造有限公司;MB45型快速水分测定仪 美国梅特勒-托利多仪器有限公司;NDA701杜马斯定氮仪 意大利VELP;DHG-9625 A电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;DK-98-IIA型电热恒温水浴锅 天津市泰斯特仪器有限公司;DLSB-5 L/10低温冷却循环泵 巩义市予华仪器有限责任公司;SPECORD 250 PLUS紫外-可见分光光度仪 德国耶拿分析仪器股份公司;Phenom Prox台式显微能谱一体机 荷兰Phenom公司;SBC-12离子溅射仪 北京中科科美科技股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 湿磨法提取面包果淀粉 将新鲜的面包果去除皮之后清洗干净,切成片,按固液比1∶5 g/mL比例加入蒸馏水,置于多功能料理机中磨浆20 s,浆液用100目网筛过滤,滤渣再水洗过滤三次,收集合并滤浆,室温静置2 h,弃去上清液,絮状物经蒸馏水洗涤表面后离心(8000 r/min,15 min),轻轻刮去沉淀物上层淡黄色物质,沉淀物反复水洗离心两次,收集沉淀物真空冷冻干燥(-20 ℃冰箱中冷冻12 h,55 ℃下真空冷冻干燥12 h)。

1.2.2 碱法提取面包果淀粉 参考胡美杰等[11]方法做适当修改。将新鲜的面包果去除皮之后清洗干净,切成片,按固液比1∶5 g/mL比例加入蒸馏水,置于多功能料理机中磨浆20 s。加入0.2% NaOH,分装于锥形瓶中,55 ℃摇床(130 r/min)反应24 h,反应结束后用100目网筛过滤,滤渣再水洗过滤三次,收集合并滤浆,室温静置2 h,弃去上清液,絮状物经蒸馏水洗涤表面后离心(8000 r/min,15 min),轻轻刮去沉淀物上层淡黄色物质,沉淀物反复水洗离心两次,收集沉淀物真空冷冻干燥(-20 ℃冰箱中冷冻12 h,55 ℃下真空冷冻干燥12 h)。

1.2.3 中性蛋白酶法提取面包果淀粉 参考张正茂等[12]的方法做适当修改。将新鲜的面包果去除皮之后清洗干净,切成片,按固液比1∶5 g/mL比例加入蒸馏水,置于多功能料理机中磨浆20 s,加入0.15%中性蛋白酶液,分装于锥形瓶中,55 ℃摇床(130 r/min)反应24 h,反应结束后用100目网筛过滤,滤渣再水洗过滤三次,收集合并滤浆,室温静置2 h,弃去上清液,絮状物经蒸馏水洗涤表面后离心(8000 r/min,15 min),轻轻刮去沉淀物上层淡黄色物质,沉淀物反复水洗离心两次,收集沉淀物真空冷冻干燥(-20 ℃冰箱中冷冻12 h,55 ℃下真空冷冻干燥12 h)。

1.2.4 面包果淀粉提取率的测定 面包果淀粉提取率(%)=提取得到的面包果淀粉质量(干基g)/原料面包果中淀粉含量(干基g)×100

1.2.5 面包果淀粉破损率的测定 参考符琼[13]的方法做适当修改。采用破损淀粉-酶试剂盒方法(Megazyme)进行淀粉破损率的测定。

1.2.6 面包果淀粉化学成分分析 水分含量的测定:快速水分测定仪;蛋白质含量的测定:依据GB 5009.5-2016采用燃烧法测定[14];脂类含量的测定:依据GB 5009.6-2016采用索氏抽提法测定[15];灰分含量的测定:依据GB 5009.4-2016采用第一法测定[16]。

1.2.7 面包果淀粉形貌观察 参考Zhang等[17]的方法做适当修改。将淀粉样品烘干,粘在导电胶上,然后用离子溅射仪真空喷金20 s,使用10 kV加速电压下的扫描电镜观察并拍摄。

1.2.8 面包果淀粉溶解度和膨胀度的测定 参考宫冰[18]的方法做适当修改。称取一定量的样品,配制成质量分数为1%的淀粉乳,取20 mL置于离心管中,分别于55、65、75、85和95 ℃水浴加热30 min,每5 min用玻璃棒搅拌一次。水浴加热的样品冷却后离心(4000 r/min,12 min),上清液倒入已知质量的蒸发皿中,置于105 ℃烘箱中烘干至恒重,即为溶解的淀粉质量A(g);离心管中沉淀物质量为D(g),淀粉样品质量为W(g),按下列公式计算溶解度S和膨胀度P。

1.3 数据处理

每组试验均重复3次,运用Origin 2018和SPSS 22.0软件进行统计分析,采用不同的字母表示0.05水平的显著性差异,数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同提取方法对面包果淀粉的提取率和破损率的影响

课题组前期测定面包果的淀粉含量为12.76%[3],不同方法制备的面包果淀粉提取率和破损率如表1所示。湿磨法、碱法、中性蛋白酶法的提取率分别为23.90%、66.25%、66.05%,碱法提取的面包果淀粉提取率最高,但与中性蛋白酶法提取的面包果淀粉提取率并无显著性差异(P>0.05)。与湿磨法相比,碱法和中性蛋白酶法制得的面包果淀粉提取率显著提高(P<0.05)。中性蛋白酶法相较于碱法而言处理手段更加温和,其制备的面包果淀粉提取率略低于碱法可能是因为面包果淀粉的结构致密,与蛋白质紧密相连,酶不易将蛋白质水解,与淀粉分离较碱法困难[19]。另外,从提取的淀粉破损率层面分析可看出,碱法提取的面包果淀粉破损率最大(4.20%),是中性蛋白酶法(2.28%)破损率的1.84倍,说明中性蛋白酶法对面包果淀粉颗粒的破坏程度较小,能更好的保留面包果淀粉颗粒的完整性[20]。而湿磨法对面包果淀粉破损程度(1.92%)虽最轻,但只比中性蛋白酶法破损率略低,其提取率却远低于中性蛋白酶法。

表1 不同方法制备的面包果淀粉提取率和破损率

2.2 不同提取方法对面包果淀粉提取物中化学成分的影响

不同提取方法对面包果淀粉提取物中化学成分的影响结果如表2所示,其主要反映的是三种提取方法制得的面包果淀粉提取物中蛋白质和脂肪的残留量。三种方法所得淀粉中蛋白质含量的变化范围为0.38%～2.61%,脂肪含量变化范围为0.10%～0.55%。其中采用湿磨法提取的面包果淀粉中蛋白质和脂肪残留量最高,分别为2.61%和0.55%。由于蛋白质的亲水性,湿磨法所得面包果淀粉的水分含量和灰分含量相应地也最高(12.97%和0.36%)。碱法提取的面包果淀粉中蛋白质残留量最低(0.38%),是由于碱性溶液可能会破坏蛋白质分子中的氢键,从而使蛋白质分子更好的溶解在碱溶液中,提高蛋白质分子和淀粉的分离效果[21]。对比三种方法的蛋白质和脂肪残留量,中性蛋白酶法与残留量最少的碱法相差幅度较小,而与残留量最大的湿磨法相差幅度较大。

表2 不同方法制备的面包果淀粉中化学成分含量

2.3 不同提取方法制备的面包果淀粉扫描电镜分析

由扫描电镜观察得到的三种方法提取面包果淀粉的微观形貌如图1所示,可以看出面包果淀粉颗粒较小,直径小于10 μm(基于SEM显微照片的比例),颗粒大多数呈多面体形,棱角圆滑,有的呈球形和椭圆形,颗粒表面光滑,这与Nwokocha等[22]的描述一致。采用不同提取方法得到的面包果淀粉颗粒形貌存在一定差异,湿磨法提取的面包果淀粉表面有明显蛋白质残留,且部分表面有裂痕和孔洞;采用碱法提取的面包果淀粉则破损最严重,表面光滑度明显下降,分散的淀粉颗粒较少,大多数淀粉颗粒之间因破损严重而明显粘连,这与表1中碱法提取的淀粉破损率最大相互佐证;而采用中性蛋白酶法提取面包果淀粉颗粒比碱法更为规整,且淀粉分子表面也较为光滑。淀粉在加工研磨过程中由于机械力的作用会对淀粉分子外部形态和内部结构造成损伤,破损淀粉会影响淀粉本身的功能性质和营养品质,如小麦粉在加工成面条或者饺子粉时,破损淀粉含量过高会更容易导致产品品质劣质[23]。本实验中的碱法提取的面包果淀粉破损大,可能会对其产品加工特性产生不利影响。

图1 不同提取方法制备的面包果淀粉微观形貌(5000×)

2.4 不同提取方法制备的面包果淀粉溶解度和膨胀度

淀粉的溶解主要是吸水膨胀的淀粉颗粒解体后直链淀粉逸出扩散在水中的结果,反映了糊化之后的淀粉溶解于水中的含量。从图2a可看出,在55～95 ℃的温度作用下,不同方法提取面包果淀粉的溶解度均随温度的升高而明显增大,这是由于温度的升高导致淀粉分子内的化学键断裂,从紧密排列变为疏松状态,吸水量和分子流动性迅速增加,促进了颗粒破裂后的淀粉分子在水中的分散。面包果淀粉的溶解度75 ℃后迅速增加,黄欢等[24]研究报道表明从70 ℃开始,马铃薯淀粉的溶解度亦显著增加。在不同温度下,湿磨法提取的面包果淀粉溶解度最大,其溶解度在4.82%～16.84%之间,这可能是由于其溶解析出直链淀粉含量最高,残留蛋白质含量最多且湿磨法提取的面包果淀粉部分表面有裂痕和孔洞,在溶解过程中残留蛋白质和颗粒破裂后的淀粉分子在水中的分散较多。碱法和中性蛋白酶法提取的面包果淀粉溶解度相差较小,分别为1.77%(55 ℃)、10.96%(95 ℃)和1.92%(55 ℃)、11.54%(95 ℃)。膨胀度是淀粉颗粒在水悬浮液中受热后的疏松吸水能力。图2b中,随着温度的升高,不同方法提取面包果淀粉的膨胀度均表现出增大现象。这一结果与吴会琴等[25]对白芸豆和小利马豆淀粉的观察结果一致。在55～75 ℃之间,三种方法提取的淀粉膨胀度都增加缓慢,75 ℃后面包果淀粉大量吸收水分而发生不可逆膨胀,相对应地其溶解度也呈剧烈上升趋势。湿磨法提取的面包果淀粉在不同温度下的膨胀度也最大,分别为4.58%(55 ℃)、16.27%(95 ℃),湿磨法的面包果淀粉溶解度大,大量直链淀粉从淀粉颗粒中溢出,使淀粉颗粒吸收更多的水分,导致淀粉颗粒吸水膨胀,即膨胀度增大。碱法和中性蛋白酶法提取的面包果淀粉膨胀度分别为1.52%(55 ℃)、10.45%(95 ℃)和1.41%(55 ℃)、10.62%(95 ℃),在误差范围内无显著差异(P>0.05)。

图2 不同温度下面包果淀粉的溶解度和膨胀度

3 结论

利用不同方法提取的面包果淀粉在性质方面存在一定差异。湿磨法所制备面包果淀粉的破损率虽最小,但其提取率最低,同时蛋白质和脂肪残留量也较多。碱法提取的面包果淀粉的提取率高,蛋白质和脂肪残留量也最少,但其破损情况最为严重,造成淀粉颗粒间彼此粘连严重,同时碱法提取过程中会产生大量碱性废液,不仅增加了废水处理的成本,还会对环境造成污染。中性蛋白酶法制得面包果淀粉的提取率与碱法的无显著性差异(P>0.05),并且其破损率远小于碱法,中性蛋白酶法提取的面包果淀粉颗粒比碱法更为规整。三种方法所制备的面包果淀粉的溶解度和膨胀度均随温度的升高而升高,其中湿磨法制得的淀粉溶解度和膨胀度最大,碱法、中性蛋白酶法则无显著性差异(P>0.05)。综合分析对比湿磨法、碱法、中性蛋白酶法三种不同的提取方法对面包果淀粉性质的影响,中性蛋白酶法提取率高、破损率低、蛋白质和脂肪残留量低、淀粉颗粒规整,为面包果淀粉提取的最佳方法,如果综合考虑淀粉工业化生产经济环保问题,中性蛋白酶法可作为面包果淀粉的一种新型绿色提取工艺。