曲金萍,陳金玉,+,張亞杰,張坤生,*,任云霞

(1.天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300134; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖北武漢 430070)

淀粉是一種多羥基天然高分子物質(zhì),它不僅可再生,還可以被生物降解,是一種重要的工業(yè)和食品原料[1]。淀粉與非淀粉類物質(zhì)(食用膠)在當(dāng)今食品工業(yè)中發(fā)揮著極其重要的作用,通常將兩者同時添加于食品體系中以使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)、控制水分流動等作用[2]。

玉米淀粉糊具有較好的抗剪切性、熱穩(wěn)定性,但它易于回生凝沉,形成膏狀[3-4]。實(shí)際生產(chǎn)中,絕大部分淀粉是以改性淀粉的形式被應(yīng)用于食品行業(yè)。有研究發(fā)現(xiàn),將淀粉和不同種類的食用膠混合使用,不僅可以提高其整體質(zhì)地，還能減少各自的使用用量,降低生產(chǎn)成本,改善傳統(tǒng)的單一物質(zhì)加工所帶來的性能缺陷,打破淀粉和食用膠單獨(dú)應(yīng)用的局限[5]。

食用膠的種類很多,目前應(yīng)用最多的有卡拉膠、果膠、黃原膠、瓜爾豆膠等。親水膠體對淀粉體系具有明顯的作用,可改變淀粉體系的糊化、質(zhì)構(gòu)和流變等特性,最終對產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)、口感、咀嚼度、穩(wěn)定性等有顯著的影響[6]?？ɡz和果膠具備膠體一系列的性質(zhì),因此被廣泛的用作增稠劑、凝固劑、乳化劑粘合劑等,應(yīng)用于食品工業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)和生化研究等領(lǐng)域[7-8]。

國內(nèi)對于玉米淀粉與卡拉膠/果膠混合體系特性的研究還沒有報(bào)道,柴春祥等[9]研究了黃原膠和馬鈴薯淀粉混合體系靜態(tài)和動態(tài)流變學(xué)性質(zhì),研究結(jié)果表明在相同流動方式下,淀粉糊的黏度隨黃原膠比例的增加而增加。國外一些學(xué)者如Alloncle等[10]研究了某些膠體與玉米淀粉混合體系黏彈性的變化關(guān)系。Christianson等[11]發(fā)現(xiàn)在淀粉溶液中添加親水膠體會使其溶液黏度升高,并且可降低淀粉的回生率。本文探究玉米淀粉和食用膠混合體系的凝膠、質(zhì)構(gòu)以及透光率的變化,為在食品工業(yè)中更好的應(yīng)用食用淀粉和食用膠混合體系以及優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)地和口感提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉 山東濟(jì)寧葵花有限公司;卡拉膠 廣東省肇慶市海星生物科技有限公司;果膠 星辰食品添加劑有限公司。

HW-S24電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;FA2004A電子天平 上海精天儀器有限公司;SMSTA TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro System公司;WFJ 7200可見分光光度計(jì) 尤尼柯(上海)儀器有限公司;Physica MCR301高級旋轉(zhuǎn)流變儀 奧地利安東帕公司;SMART-N1612028SN30VF去離子水儀器 上海康雷分析儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 玉米淀粉與食用膠共混體系的制備 根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定了玉米淀粉/卡拉膠、玉米淀粉/果膠兩種混合體系的5個不同配比,分別為10∶0、9.5∶0.5、9.0∶1.0、8.5∶1.5、8.0∶2.0 g/g。準(zhǔn)確稱取上述配比的兩種混合體系原料,加入去離子水分別調(diào)成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%(w/v)和6%(w/v)的2種混合體系。

1.2.2 透光度的測定 將1.2.1中配制的1%的淀粉乳溶液置于95 ℃水浴鍋中加熱糊化30 min,然后在冷水浴中冷卻至30 ℃。以蒸餾水為空白對照,在620 nm處來測定樣品的吸光度,同一樣品重復(fù)測定3次,取平均值。利用吸光度與透光度的關(guān)系計(jì)算透光度,公式如下:

A=-lgT

A:樣品的吸光度;T:樣品的透光度。

1.2.3 凝沉性的測定 將1.2.1中配制成的1%(w/v)的共混體系放置到95 ℃水浴鍋中加熱30 min,使之完全糊化,并將糊化后的樣品倒入30 mL的刻度試管中,樣品的體積為25 mL,并將其放置在25～30 ℃中靜置一段時間,每隔1 h記錄上層清液的體積,用上層清液體積占糊化液總體積的百分比來表示凝沉性質(zhì)。具體公式如下:

上清液體積分?jǐn)?shù)(%)=V×100/V總

式中:V:析出上層清液的體積,mL;V總：刻度管中糊化液總體積,mL。

1.2.4 凝膠質(zhì)構(gòu)的測定 將1.2.1中配制的6%(w/v)的混合體系放于95 ℃的水浴鍋中加熱糊化30 min,待凝膠冷卻至室溫,采用質(zhì)構(gòu)儀來測定凝膠質(zhì)構(gòu)特性(硬度、彈性、粘聚性、回復(fù)性),測定的參數(shù)為:探頭為P/0.5,測前速度為1.0 mm/s,測試速度為1.0 mm/s,測后速度為1.0 mm/s,觸發(fā)力為5 g,壓縮比為40%。平行測定3次,取其平均值。

1.2.5 剪切稀化的測定 用流變儀對樣品進(jìn)行流變測定。將1.2.1配制的6%(w/v)的樣品用取樣器取適量均勻涂在平板的表面上,驅(qū)動平板上表面下降,當(dāng)兩板間距為5 mm時停止,除去多余的樣品,然后在試樣周圍涂抹油,防止樣品水分蒸發(fā),設(shè)置溫度恒定為25 ℃,測定5組樣品在剪切速率(γ)從0～120 s-1遞增過程中表觀粘度(η)的變化。

1.2.6 動態(tài)粘彈性測定 取1.2.1配制的6%的淀粉糊置于流變儀的測定平臺上,平臺直徑4 cm,加入樣品后刮去平臺外多余樣品,設(shè)置程序測定溫度為25 ℃,掃描應(yīng)變 1%,測定由低頻率(0.1 Hz)至高頻率(10 Hz)內(nèi)今朝能模量(G′)、損耗模量(G″)隨角頻率的變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均重復(fù)三次,采用Excel 2007對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算平均值及標(biāo)準(zhǔn)差,Origin 9.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖,采用SPSS(p<0.05)比較平均值之間的差異性并進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米淀粉與食用膠共混體系透光度的分析

由圖1可見,隨著卡拉膠和果膠在混合體系中比例的增加,混合體系的透光度均呈下降趨勢,且降幅較大。未加入膠體時體系的初始透光度較高,為0.73?？赡苁且?yàn)榭ɡz和果膠加入玉米淀粉糊后,促使膠體和玉米淀粉分子形成一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),食用膠會包埋淀粉顆粒體,這種顆粒體懸浮在淀粉糊中,當(dāng)光透過混合體系時,大量的懸浮顆粒阻礙了光的通路,導(dǎo)致光發(fā)生散射[12];其次是食用膠抑制了淀粉顆粒的吸水溶解,食用膠的加入使膨脹粒子周圍溶液的折光系數(shù)降低,光的折射和反射強(qiáng)度增強(qiáng),光線在穿過淀粉糊時會引起光的散射,從而降低了淀粉糊的透光度和透明度;所以導(dǎo)致共混體系透光度發(fā)生下降[13-14]。

圖1 玉米淀粉與食用膠共混體系的透光度Fig.1 Transmittance of the corn starch and edible hydrocolloid mixed system

加入果膠的玉米淀粉糊化后透光度高于加入卡拉膠的玉米淀粉,這可能跟卡拉膠和果膠各自的結(jié)構(gòu)有關(guān),卡拉膠內(nèi)部含有的大量硫酸酯基團(tuán),而果膠是一種半乳糖含量較高的物質(zhì),果膠的這種結(jié)構(gòu)不能更好的抑制淀粉顆粒的吸水溶解,降低光的折射能力,使光的折射和反射強(qiáng)度稍弱,從而使透光度比卡拉膠的透光度偏高。

2.2 玉米淀粉與食用膠復(fù)配體系凝沉性的分析

凝沉性是指糊化后淀粉在室溫下冷卻靜置,分子被重新排列、從無序到有序并且產(chǎn)生凝結(jié)的現(xiàn)象。從圖2可以看出,不添加卡拉膠的玉米淀粉經(jīng)充分糊化冷卻靜置2 h后出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。玉米原淀粉糊上清液的體積隨時間的增加而逐漸增大。在靜置時間相同的條件下,隨著混合體系中卡拉膠比例的增加,上清液的體積在一段時間內(nèi)呈減少趨勢,當(dāng)趨勢平緩后玉米淀粉與食用膠質(zhì)量比為8.5∶1.5和8.0∶2.0時，上清液體積最小,這說明卡拉膠的加入能夠明顯減少上清液析出,當(dāng)復(fù)配體系比例超過8.5∶1.5時，上清液析出體積不再變化。這可能是因?yàn)殡S著體系中卡拉膠的增加,卡拉膠的內(nèi)部基團(tuán)與淀粉分子的某特殊位點(diǎn)結(jié)合,從而產(chǎn)生親水區(qū)域,使水分子可以充分的滲入淀粉顆粒內(nèi)部,并且能很好的與淀粉分子結(jié)合,使之具有較好的持水力,從而減緩上層清液的析出[15-16]。

圖2 玉米淀粉/卡拉膠共混體系的凝沉性Fig.2 Condensation of corn starch/carrageenan mixed systems

由圖3可見,在相同的靜置時間下,靜置5h之前,隨著果膠比例的增多,上清液的體積也呈明顯減少的趨勢,加入果膠也能增強(qiáng)淀粉的凝沉性。果膠也可以與水分子更好地結(jié)合從而使上清液體積析出減少,促進(jìn)水分子與淀粉分子的結(jié)合。

圖3 玉米淀粉/果膠共混體系的凝沉性Fig.3 Condensation of corn starch/pectin mixed systems

2.3 玉米淀粉與食用膠共混體系凝膠質(zhì)構(gòu)的分析

通常淀粉中直鏈淀粉的比例越高,分子間相互交聯(lián)和纏繞的幾率越大,因此淀粉凝膠的強(qiáng)度越大;而支鏈淀粉分子間的相互纏繞聯(lián)結(jié)使得淀粉凝膠會出現(xiàn)柔軟的結(jié)構(gòu)[5]。由表1、表2可知,相比于不添加膠體的原玉米淀粉,添加了卡拉膠和果膠的復(fù)配體系其硬度和膠著性顯著增加(p<0.05)。硬度和膠著性隨卡拉膠和果膠添加量的增加而增大,粘聚性則隨著食用膠添加量的增加而降低,說明這兩種膠體的加入促進(jìn)了直鏈淀粉分子之間的聚集重排,使支鏈淀粉的定向遷移受到抑制,食用膠與直鏈淀粉分子間的纏繞使復(fù)配體系形成了更緊密的凝膠結(jié)構(gòu),從而使體系表現(xiàn)出更強(qiáng)的硬度,但卡拉膠對于玉米淀粉凝膠強(qiáng)度的影響比果膠大。體系中食用膠的比例越大與直鏈淀粉分子間相互作用的幾率越大,形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密不易被破壞[17-19]。這可能是因?yàn)?種食用膠的分子結(jié)構(gòu)不同,每種膠體的帶電荷性質(zhì)、數(shù)量等均不同,結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致果膠與直鏈淀粉分子間相互作用的能力不如卡拉膠,混合體系在凝膠性質(zhì)方面表現(xiàn)出不同。

表1 玉米淀粉與卡拉膠的配比體系對質(zhì)構(gòu)的影響Table 1 Parameters of texture profile of corn starch/carrageenan mixed systems

表2 玉米淀粉與果膠的配比體系對質(zhì)構(gòu)的影響Table 2 Parameters of texture profile of corn starch/pectin gum mixed systems

2.4 混合體系流變學(xué)特性分析

2.4.1 玉米淀粉與卡拉膠共混體系剪切稀化的分析 剪切稀化是指隨著流體剪切速率的增加,表觀粘度降低的現(xiàn)象,是非牛頓流體重要流變學(xué)特性之一,剪切稀化流體又稱為假塑性流體[20]。

由圖4、圖5可知,玉米淀粉/卡拉膠、玉米淀粉/果膠體系的表觀粘度在0～100 s-1都表現(xiàn)為隨著剪切速率的增大而急劇下降,在剪切速率達(dá)到100 s-1后下降過程緩慢進(jìn)行,可見玉米淀粉和食用膠體系存在明顯的剪切稀化現(xiàn)象。玉米淀粉/食用膠體系經(jīng)過外力剪切充分后,其體系間會阻礙分子鏈互相交聯(lián)纏繞,從而使分子的運(yùn)動加強(qiáng)，促進(jìn)體系的流動，使體系的整體流動性增強(qiáng),在體系受到外部剪切作用力的同時,剪切力還破壞了其分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使體系間氫鍵作用力強(qiáng)度減弱,進(jìn)一步導(dǎo)致分子間相互作用力減弱,最終使其表觀粘度下降。當(dāng)剪切速率增大到一定值，表觀粘度下降緩慢,其原因可能是體系間的分子不能及時或已經(jīng)完全發(fā)生充分取向,使表觀粘度穩(wěn)定在一個數(shù)值附近。在相同的剪切速率下,體系中卡拉膠和果膠的比例越大其表觀粘度越大,這說明加入了卡拉膠和果膠使淀粉分子間的排列順序發(fā)生一定程度的改變,從而導(dǎo)致空間結(jié)構(gòu)更加致密。這與蘇曉芳等[7]的研究結(jié)果一致。

圖4 玉米淀粉/卡拉膠共混體系的剪切稀化Fig.4 Shear thinning of corn starch/carrageenan mixed systems

圖5 玉米淀粉/果膠共混體系的剪切稀化Fig.5 Shear thinning of corn starch/pectin mixed system

由圖4、圖5可知,在初始階段相同的剪切速率下,加入果膠的體系比加入卡拉膠的體系具有更高的表觀粘度,這可能與卡拉膠和果膠各自的結(jié)構(gòu)有關(guān)?？ɡz含有的內(nèi)部基團(tuán)帶有大量的負(fù)電荷,由于自身負(fù)電荷的排斥性,使其易于與淀粉分子間形成氫鍵,增加分子間的纏結(jié)位點(diǎn),使剪切稀化程度增加;果膠是由大量不同種類的半乳糖醛酸組成的,果膠分子間具有較強(qiáng)的相互作用力從而可以使其體系形成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的聚集體,使其混合體系流動性變差,從而使其體系在初始階段具有較高的粘度[21]。

2.4.2 動態(tài)粘彈性測定 儲能模量G′可以反映在物質(zhì)受到外力作用后發(fā)生彈性形變的程度;損耗模量G″則反映物質(zhì)在受到外力作用后阻礙流體流動的性質(zhì)[22]。

圖6、圖7顯示了玉米淀粉/卡拉膠、玉米淀粉/果膠混合體系儲能模量G′、損耗模量G″隨角頻率的變化關(guān)系圖。玉米淀粉/卡拉膠、玉米淀粉/果膠混合體系的G′和G″均比原玉米淀粉的高,均隨著角頻率的增加而增加,在低頻率時G′和G″隨頻率的增加而增加的更明顯,在高頻率時增加的不明顯。卡拉膠G″增加的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于G′增加的幅度,因而體系表現(xiàn)為一種典型的強(qiáng)凝膠的動態(tài)流變學(xué)圖譜[23]。

圖6 玉米淀粉/卡拉膠混合體系動態(tài)模量隨角頻率的變化Fig.6 Variation of dynamic moduli with frequence of corn starch/carrageenan mixed system

圖7 玉米淀粉/果膠混合體系動態(tài)模量隨角頻率的變化Fig.7 Variation of dynamic moduli with frequence of corn starch/pectin mixed system

這說明在動態(tài)粘彈性方面,卡拉膠和果膠的作用是一致的,它們的加入都可以使原玉米淀粉的粘彈性增加,使其質(zhì)地更好。這可能是因?yàn)榧尤氲目ɡz和果膠能夠使玉米淀粉分子鏈段之間的纏結(jié)點(diǎn)增多,促使體系形成了更穩(wěn)定、有序的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其混合體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)[5,24]。這種穩(wěn)定、有序的三維網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)使體系的結(jié)構(gòu)更好,不易受外界破壞。

3 結(jié)論

將玉米淀粉和食用膠以適當(dāng)比例進(jìn)行復(fù)配,能夠改變混合體系的一系列特性,如透光度、凝沉性、質(zhì)構(gòu)以及流變學(xué)特性等。實(shí)驗(yàn)表明添加食用膠相比于原玉米淀粉,其復(fù)配體系的透光度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,卡拉膠體系透光度比果膠體系透光度低。在混合體系靜置相同時間下，隨著食用膠比例的增多,混合體系的凝沉性顯示出逐漸增強(qiáng)的趨勢;靜態(tài)流變學(xué)試驗(yàn)顯示,混合體系的表觀粘度隨著剪切速率的增大而逐漸減小,直至趨于平緩;動態(tài)流變試驗(yàn)表明,該混合體系的粘彈性隨著食用膠比例的增加而增加。