蛋白质的化学组成和分子结构明显与多糖不同,因为蛋白质比淀粉更能忍受在天然和变性状态之间的中间构象变化。在常压和室温下相应的红外光谱记录值之间的不同性质阐明了这一点。事实上,压力变性的凝胶蛋白氨化物I带表明它比天然或热变性蛋白有更多不同的类型,且包含新的类似天然的组成部分,通过部分压力展开蛋白之间的氢键形成分子间的非平行-片状结构,也出现在光谱图中。
超高压对淀粉的影响
压力导致糊化是一个依赖压力和温度的现象,且与热力学导致糊化相似,它可以不完全糊化。溶账逐渐被限制且颗粒形态比热力学过程保持得更好。虽然先前的非晶态水化和接下来的晶态融化是相似的糊化,可以应用相同的Flory-Huggins分析。另外,类似于热糊化,压力下淀粉糊化的特征温度和焓值与淀粉酶含量无关。压力糊化也依赖于淀粉的来源。B-型淀粉一般抗性较强。A-型淀粉结构被破坏且转变为B-型淀粉结构。加压淀粉糊和凝胶具有不同性质,包括一个与纯加热过程相比较小的老化。
关于压力糊化,加压的普通玉米淀粉、糯玉米淀粉及木薯淀粉的糊化初始温度r。值和值(分别是3T左右和80%-85%)相对于生淀粉都有所减少。大米淀粉是最受影响的A-型淀粉,因为仅保持为生淀粉的15%左右。马铃薯淀粉经历了一个轻微的转变因为值约为生淀粉的77%。髙直链玉米淀粉的值和值没有改变。两种B-型淀粉都没有额外的吸热峰。压力对1/2淀粉悬液(质量体积)的影响大于1/1的悬液,且A-型(普通和糯玉米及大米淀粉)和木薯淀粉(C-型)都完全糊化且产生类似于1/1的凝胶。马铃薯淀粉产生了一种失去自由水的弱且很软的块;直链玉米淀粉形态上没有改变。在所有加压的A-型和C-型淀粉中,DSC像前面一样检测到小的额外吸热峰且没有糊化迹象。B-型淀粉不存在额外吸热峰,但是显示出一些减少的糊化作用。X-射线衍射型表明加压可将A-型淀粉转变为B-型淀粉。
Kudla和Tomasik(1992年)报道了在室温下800、1000和1200MPa在1——lOmin内对干马铃薯淀粉(气流干燥和烘箱干燥)的影响,结构变化与压力和时间有关。较低的压力破坏了淀粉结构的完整性(糊精主要来自于支链淀粉),在中间压力下发生聚集而在高压下完整性又一次被破坏。气流干燥的样品有很高的可压缩性,且发生了一些类似于凝胶的转变,而烘箱干燥的样品形成了白色小球,淀粉粒损坏严重。
Katopo等(2002年)在室温下,用690MPa的超高压分别以5min或1h两种吋间作用于玉米淀粉、糯玉米淀粉、髙直链玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉和大米淀粉。结果发现,两种作用时间没有实质性的不同。凝胶色谱显示没有明显的分子破坏,但是这6种淀粉的X-射线衍射图样的强度有微小的下降。施压后的样品在水分过多的情况下进行DSC扫描,结果显示结晶度的降低对应着A-型淀粉和木薯淀粉(C-型淀粉)的To(2——4^)和AH(15%-25%)的减少。马铃薯淀粉受到的影响小一些。除了热力学糊化吸热峰之外,观察不到有其他峰的存在。Fernandez-Martin等(2001年)在ZltT用400、690MPa的压力作用于干粉状的玉米淀粉、豌豆淀粉、55%和70%的高直链淀粉30min,其结果与Katopo等报道的相似。
Ezaqui和Hayashi(1992年)在MT,0——600MPa的压力下对A-型淀粉(玉米淀粉、小麦淀粉和大米淀粉),B-型淀粉(马铃薯淀粉、欧洲粟淀粉和百合淀粉),C-型淀粉(甜马铃薯淀粉、木薯淀粉和绿豆淀粉)近20种淀粉进行了扩展研究。其结果和同种淀粉在0.IMPa,100T处理5min的对照样(直接压力处理或在放置2个星期后处理)作比较。A-型淀粉对压力更敏感,200——400MPa处理,很快引起溶账和酶消化性的增加,在约500MPa条件下,糊化约为70%。相对应地,显微镜和DSC在压力达300MPa下检测出淀粉颗粒的微小变化;400MPa下,变化已相当明显;在500MPa下,淀粉颗粒出现了整体溶账和形状破坏,且DSC曲线少了一个糊化峰。B-型淀粉对压力的抗性较强,仅在500MPa之后或更髙压力下才显示出变化。C-型淀粉的行为介于A-型和B-型之间。计算出压力产生酶消化性和溶账的中间值并标出DSC峰对应生淀粉的糊化温度。关于酶消化性和溶胀值,在很宽的压力范围内(230——570MPa),A-型淀粉与B-型淀粉相比整体处于一个较高的区域。相反,关于糊化温度值,A-型淀粉与B-型淀粉在同样的、相对窄的温度范围内(57-72T)被分区。作者阐述了压力处理引起生淀粉结构的破坏,而溶账的颗粒保护它们各自的表面,且新的结构不同于热糊化所产生的。被认为是自然结构部分重组的老化也被看作受压淀粉,但仅在一个微小的程度上。
Hibi等(1993年)使用50、100、150、200和500MPa下20min以及500MPa下60min的处理来研究高静水压在玉米淀粉、大米淀粉(普通的、脱脂的和蜡质改性的)和1/1马铃薯淀粉悬液中的应用。随压力升高至200MPa,所有玉米和大米淀粉的相对结晶度(X-射线分析得知)几乎没有变化(糯米约15%)。在500MPa下,所有的这些A-型淀粉的结晶度都减少到原来的65%——70%。两种时间处理几乎无差别。偏光显微镜法还可检测到颗粒溶胀和偏光十字消失。相反,马铃薯淀粉甚至在60min压力处理后也没有失去双折射性,且B-型衍射型增加。生玉米淀粉的颗粒相对密度要大于马铃薯淀粉,虽然高静水压处理后玉米淀粉的相对密度变大,马铃薯淀粉的相对密度变小。淀粉的结晶度越高,相对密度就越小。压力对玉米淀粉颗粒的水分含量影响甚微,但马铃薯淀粉在压力下水分含量增加。
Stute等(1996年)应用超高压(400——900MPa)在20T下处理25种不同类型的淀粉15min(A-型:苋菜、大麦、玉米、糯玉米、燕麦、花生、大米、糯米、黑麦、芋头和小麦淀粉;B-型:直链玉米、美人蕉和马铃薯淀粉;C-型:木薯类、棕榈、蚕豆、小扁豆、莲藕、绿豆、光皮和皱皮豌豆、木薯、菱角淀粉)。结果通过PM和DSC来表达糊化过程,并测定溶胀、消化力、淀粉糊黏度及凝胶强度。用DSC测定小麦、玉米、豌豆和糯玉米淀粉悬液(1/4),样品预先经受400——550MPa不同压力处理,因为A-型和C-型淀粉样品在中间髙压水平显示出易糊化性。马铃薯淀粉是最耐压的淀粉,不同类型之间没有明确的界限。然而,根据作者的描述,芋头淀粉(A-型)对600MPa的具有100%的抗性,而直链玉米淀粉(没有标明直链淀粉的含量)抗性很小。多种淀粉显示出限制性的溶账(直径为原来的1.5-2倍)且产生的淀粉糊质构光滑。一部分淀粉(糯玉米淀粉)显示出和加热糊化相似的溶胀和颗粒整体性破坏,且它们的黏度、消化性、溶解性和淀粉糊的性质也几乎相似。和压力糊化一样,压力老化和热糊化淀粉所显示出的老化不同,因为它发生在施压过程中或施压过程刚结束时,且发生在颗粒内部因为淀粉没有丧失整体性而直链淀粉也没有被滤去。
为了研究高压技术在粉状食品的潜在应用,Gomes等(1998年)研究了压力对淀粉酶的影响以及小麦粉(71.6%的碳水化合物)和黑麦粉(83.6%的碳水化合物)中的淀粉含量。含25%淀粉的浆在室温下被置于100——800MPa的压力下作用10——20min。在髙于300MPa压力下,由于淀粉糊化,a-淀粉酶和-淀粉酶的活力在两种面粉中都明显增加;在500——600MPa压力下,活力达到最高值,冷库价格然后下降。作者推断由于过度的压力存在于面粉中的淀粉酶可能失活以致不能有助于提高压力消化性,这也可以被看成一种整体减少作用。用没有受到淀粉酶作用的未处理的或在220——500MPa室温下处理20min的5%的马铃薯淀粉悬液作为对照样。淀粉颗粒大部分没有受损依然具有双折射性,但在大于等于600MPa压力时,淀粉颗粒受损且失去偏光十字,易于淀粉分解。
Onwulata和Elchediak(2000年)使用动力学脉冲压力处理来研究纯臼齿型玉米淀粉的功能性质。淀粉浆(20%)先被加热(25(€和70(€加热15min)然后由于重力被转移到压力室受到120循环/min的脉冲压力(414、620MPa)的作用(1次或5次)。压力室的流动速率在57——1001Vh,保持时间为Is。受压后的样品经冻干再使用核磁共振和电子扫描显微镜计算其持水能力、黏度(5%的悬液)、温度和熔化焓。基本上,加热到25T样品与没受压样品没有明显的不同。加热到70T样品的峰熔化温度减少但是对淀粉糊黏度无影响。显然,这些受到脉冲压力作用的最后样品对应着很大程度上的预糊化淀粉。因此,热力学预处理似乎是一个主要因素。根据我们的经验,持续15min,的预处理可能已经导致了70%——80%淀粉的糊化。另一方面,DSC只能在高水分条件下应用,这似乎不是评价压力对淀粉样品糊化作用的最好选择,且1s的保持时间似乎不足以引起玉米淀粉产生可感知的变化。
Stolt等(1999、2001年)关于高静水压的应用作了一系列的研究——首先致力于通过四种淀粉(襦玉米、直链玉米、黑麦和马铃薯淀粉)悬液(约10%)在600——900MPa,30T处理不同的时间(10——50min)研究遭受的结构改性。施压速率约为20MPa/min以减少绝热升温,这意味着需要35——50min才能达到设定压力值。假定产生约KTC的压缩热,因此,还需要大约15min再次达到设定的温度,过程时间从这一点开始计算。使用偏光显微镜和电流测定,通过比较加热糊化样品(90T、30min)来估算。在最强的条件下(900MPa,50min)直链玉米淀粉不会糊化,加压后的颗粒中观察到仅有微小的溶胀,且并无失去双折射性。黑麦淀粉在600MPa、50min处理后无凝胶,但出现一定程度的溶胀且失去双折射。马铃薯淀粉颗粒在75OMPa处理30min后溶账且失去双折射性,形成了一种非常刚硬的凝胶,贮藏系数约为热凝胶的10倍而相角约为热凝胶的一半。糯玉米淀粉在最弱的条件下(600MPa、lOmin)形成弱凝胶且完全溶胀,没有双折射性,颗粒失去整体性(C约为热凝胶的5倍且有相当低的S)。
Tabilo-Munizaga等(2002年)在室温、690MPa压力下放置30min,在直链玉米淀粉(55%和70%的直链)悬液(30%)中也测得了这种压力致黏度增加的情况。55%和70%这两种基因型淀粉的流动指数和黏度系数(/Q分别为0.450和0.111,以及1.538和0.906。在浓度为25%时,Stolt等(2001年)观察到550MPa放置lOmin处理导致黏度增加但并无进一步溶胀,甚至在550MPa放置45min也依然如此。加压会产生很强的乳状糊,贮藏系数与压力和时间有关,压力达到最大值约23kPa时得到完全糊化的淀粉。加压后直接用DSC没有测得老化,进一步的加压也没有更多影响。
Rubens等(1999年)以及Rubens和Heremans(2000年)使用傅里叶变换红外光谱测定糊化与压力和温度的关系。首先,在室温下使用钻石砧室以确定一定的压力(0.1-lOOOMPa,以100MPa/h的速度上升)对形态(用显微镜分析)和几种淀粉(玉米、糯玉米、豌豆、马铃薯、大米和木薯淀粉)悬液的红外光谱的影响。在振动光谱中反映不出部分溶胀和完全溶胀。所有淀粉的红外光谱在1200-900cm-1可观察到有三种压力导致的不可逆作用:首先,压力导致几个吸收带(1155、1080和1017cm-1)的带宽减少——但在1047cnT1却变宽了。其次,观察到在所有波段存在一个频率转换,在1080cm”1先于其他变化。最后,除1047cm“1外,所有波段的强度增加,并随压力而下降。尤其有用的是1017cm-1(非晶态淀粉)和lOWcm-1(有序淀粉)之间的强度比,它随压力增大相应增大且值不断增加。在压力下,这种转换的中点总是高于二次现象学所测得的。这可以被解释为由于淀粉颗粒中聚合物的水化发生在结晶之前。红外光谱表明B-型淀粉(马铃薯淀粉)比A-型(玉米、糯玉米和大米淀粉)和C-型(豌豆和木薯淀粉)淀粉耐压,这与其他学者的DSC测定结果一致。
Douzal等(1996、1998、2001年)研究了压力下淀粉糊化的过程,开始比较了室温下在高压室内加压至420MPa碘色小麦淀粉和马铃薯淀粉悬液的形态学变化。600MPa下16%淀粉悬液可压缩性的宏观测量和DSC测糊化度都被分析。当压力增加时,小麦和马铃薯淀粉颗粒在体积上并无减少;大部分小麦淀粉颗粒在加压过程中溶账、变色并被糊化。DSC显示糊化对应的这些变化随压力逐渐增大:300MPa下约15%,500MPa下约88%,600MPa下糊化完全。在大气压下,淀粉悬液的可压缩性比水低,但在300MPa下变强且到600MPa依然保持,减压后变化不可逆。悬液体积不可逆的减少和溶胀/溶化淀粉颗粒的增加相对,可解释为压力引起的水和淀粉氢键作用。马铃薯淀粉颗粒有轻微溶胀(由于氢键),然而颜色不变,DSC也检测不出任何糊化作用。
Katopo等(2002年)使用1/1和1/2的悬液在室温下用600MPa处理上面提到的淀粉(糯玉米、普通玉米、直链玉米、马铃薯、木薯和大米淀粉)5min及lh,两种时间没有明显不同。在有限制含量的水中,普通玉米淀粉和大米淀粉产生颗粒近乎完整的弱凝胶;糯玉米淀粉失去了颗粒完整性产生了强凝胶;木薯淀粉产生的凝胶基本与之相似但黏度小一些。关于B-型淀粉,马铃薯淀粉产生了一个没有自由水的易碎块,而直链玉米淀粉在压力下形态没有改变。压力得到的软块和凝胶经干燥和碾磨,因此重新构成了不同水分含量下的样品用作其余的分析(X-射线、DSC、黏度分析和GPC)。虽然GPC不能检测已处理淀粉和生淀粉之间的明显不同,但它的预处理可能会影响样品的其他性质。只有表格形式列出的DSC数据没有典型的DSC曲线很难判断其糊化特性。加压后的直接样品分析显示普通玉米、糯玉米、木薯和大米淀粉在大约41.5——46.6T存在一个很小的额外吸热发生(约0.1——0.9J/g),这是压力导致双螺旋重排的结果(老化)。
超高压对非淀粉多糖的影响
琼脂糖是一种由琼脂衍生的、重要的中性多聚物,作为一种基质在不同的色谱分析技术中有着广泛的应用。它不是一种食品亲水胶体,但它与琼脂和角叉多糖的近缘,使研究其压力-温度变化有重要意义。根据Gekko和Fukamizu(1991年)的研究,琼脂糖的熔化温度随压力的增加线性增加,平均斜率?,*0.023k/MPa。估算出的热动力学参数AW和AS为负值,如K-角叉多糖和角叉多糖,但与角叉多糖相比,AF为负值。压力下通过系统体积的负增长引起琼脂糖中氢键的交联失去,这可用与上面相同的亲水机制来解释。一个具体的桥亲水模型被提出,假设在交联结合中,一些水分子与亲水分子之间的氢键稳定形成水桥,就像胶原蛋白。这个水桥使水分子的一系列运动受到限制,而且这种限制最可能与体积变化有关,这足以弥补上面描述的单一亲水模型的正体积变化。
关于海藻酸盐[一种以D-甘露糖醛酸和a-L-古洛糖醛酸单元以(1^4)键连接的离子线性共聚物],Shioya等(1994年)报道了从100——900MPa压力条件下,当应用900MPa的静水压时,海藻酸钠与不同的钙盐混合形成凝胶,得到的凝胶质构随钙盐种类及其浓度的不同而变化。可溶和不可溶的钙盐都可用来形成凝胶。氯化钙形成不透明的、连续的和坚硬的凝胶。拧檬酸钙形成透明的、连续的软凝胶。这些结果都说明在高静水压下,不可溶钙盐离解,海藻酸钠的水化被加速。Schwertfeger(1999年)使用之前获得的海藻酸钠凝胶粒子分散液以在与之前的过程相比较低的压力下获得一个连续的凝胶。用力搅拌海藻酸钠和氯化钙溶液使之混合,凝胶粒子被洗出并重新分散在水中。悬液(3.7%)中的海藻酸钠粒子在25%;下加压到400MPa(1-5min),随后迅速降压。200MPa加压lmin之后,样品开始显示出不同的流变和导电性质,表明最初的流体发生了很大的转变,并且在高压下,变成了一个连续透明的坚实凝胶。粒子中的钙离子桥由于钙离子水化区域的水体积较小以及羧酸盐基团周围的重组被这些压力水平破坏。然后离解的海藻酸和钙离子在溶液中更加分散。通过迅速的再加压,海藻酸和钙之间的联系被迅速再建立,且遍及整个溶液部分。
Bian-Sheng等(2001年)研究了几种食品胶(角叉多糖、琼脂、高甲氧基果胶、海藻酸钠、黄原胶和古柯豆胶)在高压处理后的流变学特性。他们发现角叉多糖和琼脂溶液的黏度增加;高甲氧基果胶、黄原胶和古柯豆胶溶液没有很大变化;黄原胶溶液黏度下降。试验结果还表明角叉多糖和琼脂溶液的r藏系数(G’}变小。并日它们的C‘值小于处理后的C”值。压力处理前后高甲氧基果胶、海藻酸钠和黄原胶溶液的正切损失(tan5=c“/c)几乎相同。
在高压下的果胶凝胶中[离子亲水胶体由a-D-乳糖醛酸单元通过(1^4)键形成的一种线性链聚合物组成],Gustin等(1997年)报道说在压力200——400MPa处理30min时,低甲氧基果胶与多糖结合,加压后的凝胶与典型的热处理凝胶相比(130%:处理lOmin),弹性更大且硬度更小。低甲氧基果胶从一种无序的溶液变为一种光洁的凝胶,明显是由于钙在溶液中的重新分布。对高甲氧基果胶而言,这些溶液仅仅在糖浓度55%-62%(质量分数)这个狭窄区域才形成凝胶,糖浓度增加则需要更多的果胶。这种凝胶与相应的热凝胶相比,易碎性和黏性更小而弹性更大。对高甲氧基果胶的凝胶而言,由糖严格调整可利用水及一个合适的多糖浓度似乎是最基本的要求。
微晶纤维素是由经水解提纯的木浆(a-纤维素)分离纤维素微晶体制得的。它是一个由0-D-葡萄糖单元通过(1^4)键组成的线性聚合物形成的条纹结晶(在聚合物线性链之间的长的交叉区域)。因为它的水不溶性,MCC不是一种典型的亲水胶体,怛随着剪切使之分散,它可能存在相似的稠变性质。MCC颗粒在高剪切作用下可能被部分水化或完全溶胀,随着浓度和温度的改变成为一种微晶的完全分散胶体溶液甚至可产生摇溶凝胶。Onwulata和Elchediak(2000年)使用动力脉冲压力处理来研究MCC和一种变性糯玉米淀粉因此而产生的功能性质。浆状胶体(12%,PH5)被加热(25T和70%:,15min),通过重力作用被转移人高压室中,并通过120个循环/min的脉冲压力(414、620MPa)处理(1或5次)。通过压力室的流动速率从57I/h到100L/h,保留时间为1%加压后的样品被冻干然后计算其持水能力、黏度(5%悬液)、热力学特性,及熔化焓(在5%湿度下用DSC测样品)。在25丈下压力处理微晶纤维后,熔化能的跃迁受到了明显影响。在7(Tt下,熔化能峰与未加压的纤维素没有明显的不同;低压使密度增加而髙压明显减小持水能力(食品组成中纤维素的数量潜在增加)。可以推断出7(rc的预加热可能是获得这一结果的主要因素,尤其在变性的糯玉米淀粉中,处理后分子的降解通过核磁共振分析被报道。
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