崔少寧,謝 瑋,葛勝菊

(煙臺南山學(xué)院食品系,山東煙臺 265713)

淀粉作為一種原材料或食品添加劑,如增稠劑、穩(wěn)定劑或增強(qiáng)劑,在食品開發(fā)中起著至關(guān)重要的作用,如提供熱值與影響質(zhì)構(gòu)[1]。如甘薯淀粉常以增稠劑和穩(wěn)定劑的形式被用于生產(chǎn)甜味劑、紙張和紡織品[2],然而,受天然淀粉固有特性的限制,天然淀粉越來越不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求。淀粉在水分存在的條件下受熱發(fā)生糊化[3]。糊化淀粉在存儲和加工過程中易于老化,亦稱回生。淀粉回生是原淀粉的α化向熟化變性后的β化轉(zhuǎn)化的過程,是直鏈淀粉和支鏈淀粉分子重組的過程[4],這會降低食品的品質(zhì)和消化性。如米飯的回生、糕點(diǎn)及面包硬化均屬此類,因此,抑制淀粉回生是改善食品口感、延長貨架期的重要措施。目前,食品領(lǐng)域常用的抗淀粉回生方法主要包括物性修飾法、化學(xué)改性法、酶法和基因工程法。物性修飾法,即通過添加蛋白質(zhì)、食品膠體、糖和脂類等來抑制淀粉回生。已報道利用蛋白質(zhì)抑制淀粉回生:豬血漿蛋白質(zhì)/玉米淀粉[5]、麥谷蛋白/小麥淀粉[6]、米糠蛋白質(zhì)水解物/大米淀粉[7]等;采用食品膠體抑制淀粉回生:黃原膠/玉米淀粉、瓜爾膠/玉米淀粉、結(jié)冷膠/馬鈴薯淀粉等;采用糖抑制淀粉回生:糖/玉米淀粉[8]、極限糊精/玉米淀粉[9]、纖維素/淀粉[10]等?；瘜W(xué)改性法[11-12]、淀粉乙?；痆13]及氧化淀粉能夠提高淀粉的抗回生能力,但容易引起食品安全問題。典型的酶法修飾淀粉來抑制回生采用的是淀粉酶,有α-淀粉酶和β-淀粉酶[14-15],盡管生物酶法是抑制淀粉回生的良好方法,然而,通過酶法處理過的產(chǎn)品會出現(xiàn)技術(shù)弊端,如表面組織狀態(tài)差、食味不佳等[16]?；蛐揎椃╗17]技術(shù)要求和成本都很高,現(xiàn)今不適合工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。纖維素在調(diào)節(jié)人體生理機(jī)能方面起著非常重要的作用,具有促進(jìn)腸道蠕動、利于減肥、防治便秘、預(yù)防腸癌發(fā)生等功能,是食品研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。纖維素納米晶體不僅具有天然纖維素的固有特性,且具有高透明性、超精細(xì)結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度、高親水性、高模量、高結(jié)晶度和較大的比表面積等[4]。

采用物性修飾法中的添加外源物質(zhì)法改性淀粉,該法操作簡單、安全且作用效果明顯,纖維素納米晶為天然大分子,具有極佳的生物相容性及安全性。因此,本文將纖維素納米晶體與甘薯淀粉進(jìn)行復(fù)配,考察纖維素納米晶體對甘薯淀粉糊化特性和流變特性的影響,旨在開發(fā)天然淀粉回生抑制劑,為在分子水平上探索淀粉回生開辟一條新的研究途徑,改善淀粉基食品的品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘薯淀粉(水分含量13%) 青島海達(dá)爾淀粉有限公司;微晶纖維素(食品級) 上海諾申食品貿(mào)易有限公司;硫酸 濟(jì)寧市汶上縣長浩商貿(mào)有限公司;其它試劑 均為分析純。

MA35M-000230V1紅外水分測定儀、Secura電子天平 北京賽多利斯有限公司;DKZ-1電熱恒溫振蕩水槽 上海一恒科技有限公司;BCD-160TMPQ海爾冰箱 青島海爾股份有限公司;PHS-25精密pH計(jì) 上海雷磁儀器廠;MCR102型動態(tài)流變儀 奧地利Anton Paar 有限公司;KQ-500E超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;TechMaster RVA快速黏度分析儀 澳大利亞Newport 科學(xué)儀器公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 纖維素納米晶體的制備 稱取100 g微晶纖維素,加入1000 mL 65%硫酸溶液,攪拌均勻,50 ℃水解90 min,用100 W超聲波處理30 min,加入8000 mL去離子水終止反應(yīng)。將得到的乳白色懸浮液以11000 r/min離心10 min并洗滌至pH7,得到穩(wěn)定的纖維素膠體。將膠體液倒入玻璃平皿于-20 ℃冷凍24 h,經(jīng)冷凍干燥48 h得到樣品[18]。

1.2.2 纖維素納米晶體的透射電子顯微鏡分析 配制0.01%(w/v)的纖維素納米晶體懸浮液,取20 μL懸浮液浸沒碳涂層銅網(wǎng),冷凍干燥后,用乙酸雙氧鈾染色20 min,室溫干燥5 min。使用透射電子顯微鏡(Transmission electron micrographs,TEM)在80 kV條件下分析樣品[19]。

1.2.3 纖維素納米晶體對甘薯淀粉糊化特性的影響 稱取1.5 g甘薯淀粉(干基計(jì)),以0、0.03、0.06、0.09、0.12、0.15 g的纖維素納米晶體取代等量淀粉,置于鋁罐中,加入適量的蒸餾水,漿液濃度為6%,進(jìn)行糊化,記錄數(shù)據(jù)。樣品重復(fù)測定3次。

RVA模式,其具體參數(shù)設(shè)置為:淀粉漿在50 ℃下平衡1 min,以12 ℃/min的速率加熱到95 ℃,95 ℃保持2.5 min,再以相同的速率冷卻到50 ℃,最后在50 ℃保持2 min。攪拌葉片的轉(zhuǎn)速在前10 s為960 r/min,其他時間均為160 r/min。整個測定過程13 min[20]。

1.2.4 流變特性的測定 參考劉敏等[21]的方法并加以改動,取用1.2.3制作的樣品,采用平板-平板測量系統(tǒng),平板直徑50 mm,設(shè)置間隙1 mm。每次測試均需更換樣品。

靜態(tài)流變特性:溫度25 ℃,剪切速率從0～300 s-1遞增。冪定律模型用于靜態(tài)剪切數(shù)據(jù)點(diǎn)回歸擬合。方程為:

τ=Kγn

式中:τ 為剪切應(yīng)力(Pa);γ為剪切速率(s-1);n為流體指數(shù);K為稠度系數(shù)(Pa·sn)。

動態(tài)黏彈性測定:溫度25 ℃,通過預(yù)實(shí)驗(yàn)中對線性黏彈區(qū)的測定,確定掃描應(yīng)變值為1%。設(shè)定頻率從0.1 Hz到10 Hz,測定貯能模量G′隨角頻率ω變化的情況,記錄樣品的黏彈性。

動態(tài)時間掃描:將樣品置于平板上,4 ℃平衡5 min,掃描應(yīng)變1%,頻率0.5 Hz,測定樣品的儲能模量(G′)和tanδ在1 h內(nèi)的變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。所有試驗(yàn)均進(jìn)行3次重復(fù)。使用Origin8、Excel繪制相關(guān)圖表,并應(yīng)用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)方差。使用Duncan法(P<0.05)比較平均值之間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維素納米晶體制備

從圖1可以看出,纖維素納米晶體呈棒狀,寬<20 nm,長50～300 nm。纖維素由兩部分組成,結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū),無定形區(qū)反應(yīng)活性較大,結(jié)晶區(qū)則性質(zhì)穩(wěn)定,基本不發(fā)生反應(yīng)。在強(qiáng)酸水解過程中,特定溫度和強(qiáng)酸濃度將使纖維素中的β-1-4糖苷鍵發(fā)生一定程度的裂解。酸中H+進(jìn)入無定形區(qū)與氫鍵反應(yīng)生成水溶性物質(zhì)[22]。Tang等[18]采用低強(qiáng)度超聲輔助硫酸水解微晶纖維素,制得纖維素納米晶體的平均粒徑為332.4 nm。

圖1 纖維素納米晶體透射電鏡圖(×20.0k)

2.2 纖維素納米晶體對甘薯淀粉糊化特性的影響

纖維素納米晶體明顯地降低了甘薯淀粉的最終黏度,歸因于纖維素納米晶體與淀粉分子之間的氫鍵作用和鏈纏結(jié)。纖維素納米晶體對峰值黏度的影響甚微,這可能是由于纖維素納米晶體是帶負(fù)電荷的膠體,分子間存在靜電排斥,低比例條件下無凝膠現(xiàn)象;而高比例時會發(fā)生分子鏈纏結(jié),使黏度增大[20]。這與Sun等[27]的結(jié)果一致。羥丙基甲基纖維素對大米淀粉的峰值黏度和谷值黏度幾乎沒有影響,羧甲基纖維素鈉降低了大米淀粉的最終黏度和回生值。

表1 纖維素納米晶體/甘薯淀粉復(fù)合體系糊化特征值

2.3 纖維素納米晶體對甘薯淀粉流變特性的影響

2.3.1 靜態(tài)流變特性 圖2清楚地反映了樣品結(jié)構(gòu)隨剪切速率變化的規(guī)律。隨著剪切速率增大,剪切應(yīng)力逐漸增大,在相同的剪切速率下,復(fù)合體系的剪切應(yīng)力低于純甘薯淀粉,且隨著纖維素納米晶體含量的增加,復(fù)合體系在流動過程中需要的剪切應(yīng)力也相應(yīng)降低。

圖2 纖維素納米晶體/甘薯淀粉復(fù)合體系靜態(tài)流變曲線

曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用冪定律擬合。R2是趨勢線擬合程度的指標(biāo),擬合程度越高,趨勢線的可靠性就越高。R2>0.99,表明擬合具有較高精度。K值反映增稠能力,K值越大,增稠效果越好[24]。添加纖維素納米晶體取代等量淀粉,體系的稠度系數(shù)K減少,黏度降低,與RVA測定復(fù)合體系的黏度值降低規(guī)律一致。流動性指數(shù)n反映了黏-切依賴性的大小,所有流體指數(shù)n<1,說明復(fù)合體系仍為假塑性流體[28]。隨著纖維素納米晶體含量的增加,n逐漸接近于1,表明復(fù)合體系的假塑性逐漸減弱,流動性得到改善[29]。

表2 纖維素納米晶體/甘薯淀粉復(fù)合體系擬合參數(shù)

由圖3可知,剪切速率<25 s-1,淀粉糊的黏度迅速下降,且隨著剪切速率增加,黏度逐漸下降并趨于平衡。與純甘薯淀粉相比,甘薯淀粉/纖維素納米晶體復(fù)合體系的黏度略微降低,并隨著纖維素納米晶體的添加而增加。一定量的纖維素納米晶體取代淀粉,將降低淀粉糊的黏度,這可能是因?yàn)槔w維素納米晶體在淀粉糊化過程中能與淀粉相結(jié)合,減小了淀粉分子之間的黏結(jié)作用,在淀粉糊化過程中,淀粉顆粒的溶脹受到阻礙,因此淀粉分子間的黏結(jié)程度降低,這表現(xiàn)為淀粉糊黏度的降低[29]。

圖3 纖維素納米晶體/甘薯淀粉復(fù)合體系黏度隨剪切速率變化曲線

2.3.2 動態(tài)流變特性 動態(tài)流變反映樣品的黏彈性,儲能模量G′代表能量儲存的彈性性質(zhì);損耗模量G″表示能量損耗的黏性性質(zhì);動態(tài)機(jī)械損耗模量tanδ(tanδ=G″/G′)[24]。由圖4A可知,G′隨著角頻率的增加逐漸上升。由圖4B可知,tanδ小于1,即G′始終大于G″,所有體系均以彈性性質(zhì)為主,所有體系均呈現(xiàn)典型的弱凝膠動態(tài)流變圖。

圖4 纖維素納米晶體/甘薯淀粉復(fù)合體系儲能模量(A)與tanδ(B)隨角頻率變化的曲線

tanδ值越大,體系的黏性越強(qiáng),可流動性越強(qiáng);tanδ值越小,表明體系的彈性越強(qiáng)[30]。從圖4B可以看出,tanδ值隨著纖維素納米晶體比例增加而增大。這是由于儲能模量G′比損耗模量減少的程度更大,導(dǎo)致tanδ逐漸增大。這表明纖維素納米晶體與甘薯淀粉相互作用以增強(qiáng)流體的黏性。纖維素納米晶體對甘薯淀粉糊性質(zhì)的影響主要?dú)w因于纖維素納米晶體與淀粉形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間的相互作用。纖維素納米晶體具有良好的親水性導(dǎo)致淀粉分子的水合作用和分子內(nèi)氫鍵的形成受到影響,淀粉顆粒的溶脹受到抑制。

2.3.3 動態(tài)時間掃描 直鏈淀粉的快速聚集形成三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),儲能模量G′快速升高,因此G′的變化反映淀粉短期回生的程度[31]。從圖5可知,隨著纖維素納米晶體取代淀粉量增加,G′值逐漸降低,表明纖維素納米晶體的添加增強(qiáng)了體系的流體性。這與動態(tài)流變結(jié)果一致。添加纖維素納米晶體的體系在前2000 s內(nèi)G′增長速率迅速,可能是由于水分蒸發(fā)引起的。而后增長速率減緩,逐漸趨于平穩(wěn)。G′的增加越慢,淀粉中滲漏的直鏈淀粉減少,纖維素納米晶體能夠延遲淀粉的短期回生。tanδ隨著纖維素納米晶體比例的增加而增大,表明復(fù)合體系具有更好的流動性。

圖5 纖維素納米晶體/甘薯淀粉復(fù)合體系儲能模量及tanδ隨時間變化的曲線

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)探究了纖維素納米晶體對甘薯淀粉糊化特性和流變特性的影響。纖維素納米晶體顯著地降低了甘薯淀粉的回生值,而衰減值明顯增加。纖維與淀粉間的作用延緩了淀粉分子鏈自身重排引起的回生,使復(fù)配體系有較好的穩(wěn)定性。纖維素納米晶體/甘薯淀粉糊的流變模型符合冪率模型,屬于假塑性流體。纖維與淀粉結(jié)合后具有更好的增稠作用,添加纖維素納米晶體使復(fù)合體系的黏性增強(qiáng),為纖維素納米晶體在甘薯淀粉基制品的應(yīng)用提供參考。