豁銀強(qiáng) 劉松繼 陳江平 何 萌 湯尚文

(湖北文理學(xué)院，襄陽 441053)

大米是世界上一半以上人口的主食。淀粉是大米的主要組分，占干物質(zhì)的80%以上[1]。大米淀粉具有致敏性低、易消化、清淡無味、顆粒小、白色、淀粉糊凍融穩(wěn)定性好、支鏈/直鏈淀粉比例差異大、消費(fèi)者易接受等特征[2,3]，這些特性使大米淀粉受到了人們的廣泛關(guān)注。然而，易回生、熱不穩(wěn)定及pH敏感等一些內(nèi)在缺陷限制了天然大米淀粉在某些領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。添加非淀粉多糖等天然添加劑改善淀粉基凝膠類食品的質(zhì)構(gòu)、流變特性等受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾昜4,5]。

不同來源的天然多糖結(jié)構(gòu)差異比較大，單體組成、糖苷鍵及分子量不同多糖的生物活性及作為添加物對(duì)淀粉質(zhì)凝膠食品品質(zhì)的影響不同。麥冬為常用滋陰中藥，具有緩解糖尿病和心血管疾病等廣泛的藥效，近年來也作為功能性成分在食品中應(yīng)用[6]。麥冬多糖作為麥冬的主要有效成分之一，有降血糖、抗氧化、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫系統(tǒng)和保護(hù)心血管系統(tǒng)等作用[7]。麥冬分為麥冬和山麥冬，目前已報(bào)道19種以上的麥冬多糖，其一級(jí)結(jié)構(gòu)主要是由果糖組成，含少量的葡萄糖。麥冬和山麥冬多糖的平均分子質(zhì)量為4 742 u和4 925 u，多分散性指數(shù)分別為1.1和1.2。麥冬和山麥冬多糖的主鏈?zhǔn)枪?(2→, →2)-果糖-(6→, →6)-葡萄糖-(1→, →1,2)-果糖-(6→，摩爾比分別為5.0∶18.2∶1.0∶5.3 和6.8∶15.8∶1.0∶5.8[6]。

目前鮮有麥冬多糖-淀粉相互作用的研究報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)研究麥冬多糖對(duì)大米淀粉糊化、流變特性及凝膠特性的影響規(guī)律，并探究麥冬多糖與大米淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)及水分子狀態(tài)。以期為麥冬多糖在大米淀粉基凝膠類食品中的應(yīng)用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

襄麥冬(山麥冬)，2019年7月初收集于湖北襄陽市東津鎮(zhèn)農(nóng)戶；秈米：市售。

1.2 儀器與設(shè)備

AR-2000動(dòng)態(tài)流變儀，TechMaster快速黏度儀，NMI20-025V-I核磁共振成像儀， TA.XT. Plus質(zhì)構(gòu)儀。

1.3 方法

1.3.1 大米淀粉和麥冬多糖的制備

大米淀粉的制備：大米樣品經(jīng)粉碎過80目篩，用10倍0.3%的NaOH溶液攪拌提取1 h，3 200× g離心15 min，棄上清，此操作重復(fù)2次。加10倍蒸餾水分散沉淀，用0.6 mol/L的HCl調(diào)pH至中性，3 200× g離心10 min，棄上清，5倍水洗沉淀、離心后棄上清，水洗3次。每次堿液提取離心后，刮去表層黃棕色膠狀物。所得淀粉置于45 ℃烘箱干燥24 h，粉碎過80目篩得米淀粉(以干基計(jì)，淀粉和含水量分別為90%和7%)，置于干燥器中室溫保存?zhèn)溆谩?/p>

麥冬多糖的制備：麥冬清洗除雜后加入2倍95%乙醇，經(jīng)植物組織搗碎機(jī)粉碎后浸泡2 h以去除色素及脂溶性物質(zhì)。殘?jiān)?0倍蒸餾水90 ℃水提3 h，重復(fù)上述提取3次，合并水提物，過D101大孔樹脂純化，濾液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至近干，加4倍溶液體積的純乙醇，4 ℃過夜沉淀。經(jīng)3 200× g離心15 min得沉淀，沉淀經(jīng)Sevag法去除蛋白后凍干，得麥冬多糖(經(jīng)硫酸-蒽酮比色法檢測(cè)多糖含量為87%)。

1.3.2 糊化特性的測(cè)定

分別向大米淀粉中添加0%、2%、4%、6%和8%的麥冬多糖，混合均勻，精確稱取每份樣品3.5 g置于RVA測(cè)量鋁桶內(nèi)，加25 g蒸餾水，用攪拌器上下攪拌均勻樣品后，迅速上機(jī)測(cè)試。測(cè)試程序如下： 960 r/min快速攪拌10 s，之后維持轉(zhuǎn)速160 r/min至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，在50 ℃保持10 s，隨后以0.2 ℃/s的升溫速度勻速升溫至95 ℃，并保持150 s，然后以0.2 ℃ /s勻速降溫至50 ℃，在50 ℃保持90 s。通過自帶軟件獲得糊化溫度、峰值黏度、崩解值、回生值、最終黏度等糊化特性參數(shù)。

1.3.3 流變行為分析

按1.3.2相同的方式向大米淀粉中添加麥冬多糖。取0.6 g樣品于密封瓶?jī)?nèi)，加5 mL蒸餾水，磁力攪拌2 h，45 ℃攪拌30 min，90 ℃糊化30 min，所得凝膠樣品用于流變測(cè)試。測(cè)試夾具：40 mm平行板，間距1 000 μm。

靜態(tài)流變：在37 ℃條件下觀察體系的剪切黏度與剪切速率的關(guān)系, 剪切速率范圍0.1～100 s-1。采用冪律方程模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

τ=K(γ)n

式中：τ為剪切應(yīng)力；K為稠度系數(shù)；γ為剪切速率；n為流變行為指數(shù)。

動(dòng)態(tài)流變：37 ℃條件下觀察體系的彈性模量G′、黏性模量G″及損耗因子tanδ與頻率的關(guān)系, 頻率掃描范圍0.1～100 rad/s。

1.3.4 凝膠水分狀態(tài)分析

以1.3.2方式向大米淀粉中添加麥冬多糖。分別稱取混合均勻的樣品12.5 g，加入37.5 g蒸餾水，磁力攪拌1 h， 45 ℃攪拌30 min，90 ℃糊化30 min，所得凝膠樣品4 ℃冷藏4 d后用于低場(chǎng)核磁分析。將冷藏好的樣品取出后室溫放置30 min， 取適當(dāng)樣品上機(jī)測(cè)試。測(cè)試參數(shù)為：進(jìn)行校正用Q-FID程序，利用CPMG序列采集樣品信號(hào)， TD為139 994，RFD為0.002，RG1為10.0，DRG為3，PRG為1，NS為4。對(duì)指數(shù)衰減曲線進(jìn)行反演后得到T2(橫向)弛豫圖譜，獲得T21、T22和T23不同松弛時(shí)間及表征不同狀態(tài)水分子比例的參數(shù)A21、A22和A23。

1.3.5 凝膠質(zhì)構(gòu)分析

按1.3.4同樣的方法制備凝膠樣品。取出冷藏好的樣品使其溫度回復(fù)至室溫后上機(jī)測(cè)試。測(cè)試參數(shù)如下：測(cè)前速度2.0 mm/s，測(cè)試速度1.0 mm/s，測(cè)試后速度2.0 mm/s，試樣壓縮比50%，兩次壓縮停頓時(shí)間為5.0 s，探頭類型為P 100。獲得硬度、彈性、黏聚性、咀嚼性、回復(fù)性等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)均至少重復(fù)3次，采用SAS 8.0的Duncan進(jìn)行方差中的多重比較分析樣品間差異顯著性(P<0.05)。利用Origin 9.0和Excel進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 糊化特性

糊化行為測(cè)試過程中，當(dāng)溫度達(dá)到糊化溫度(PT)時(shí)，淀粉顆粒開始膨脹，黏度迅速增加至峰值黏度(FV)，進(jìn)一步加熱，淀粉顆粒破裂引起黏度降至谷值黏度(TV)，冷卻過程中，直鏈和支鏈淀粉分子間發(fā)生重排引起黏度升高至達(dá)到最終黏度值(FV)[8]。

圖1 麥冬多糖-大米淀粉的RVA曲線

添加麥冬多糖對(duì)大米淀粉糊化行為和糊化參數(shù)的影響分別如圖1和表1所示。從圖1可以看出，所有樣品的RVA曲線變化趨勢(shì)類似，但添加麥冬多糖使大米淀粉糊化曲線整體下移，降低幅度隨麥冬多糖添加量增加而加劇。由于多糖與淀粉分子競(jìng)爭(zhēng)性吸收水分子，大米淀粉的糊化溫度隨麥冬多糖添加量增加而逐漸升高，其他研究也得到類似的結(jié)果[9]。

表1 麥冬多糖對(duì)大米淀粉糊化特性參數(shù)的影響

由于抑制了淀粉顆粒的膨脹，添加麥冬多糖使大米淀粉的峰值黏度降低，添加8%的麥冬多糖使大米淀粉的峰值黏度由4.43 Pa·s降至2.82 Pa·s。Liu等[10]研究也表明，小麥淀粉峰值黏度隨涼粉草多糖添加量增加而降低。由于減弱了淀粉顆粒和水的結(jié)合力，普魯蘭多糖等親水膠體引起淀粉糊峰值黏度減小[11]。而添加涼粉草多糖卻增加了木薯淀粉的峰值黏度[8]。以上研究表明，多糖對(duì)淀粉糊峰值黏度的影響受多糖及淀粉結(jié)構(gòu)和特征的影響。

由于抑制了大米淀粉顆粒發(fā)生膨脹和崩解，麥冬多糖以濃度依賴的方式顯著降低了大米淀粉的崩解值，表明添加麥冬多糖增強(qiáng)了大米淀粉對(duì)熱和機(jī)械剪切力的耐受性。因與滲出的直鏈淀粉分子相互作用抑制了淀粉分子在冷卻過程中再聚集的能力，麥冬多糖降低了大米淀粉糊的回生值。短期回生對(duì)大多數(shù)食品是不利的，因而添加麥冬多糖可有效改善糊化大米淀粉質(zhì)食品的品質(zhì)。

2.2 流變特性

2.2.1 靜態(tài)流變

圖2是添加不同量麥冬多糖大米淀粉糊剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線。所有樣品糊的剪切應(yīng)力均隨剪切速率增加而增大，表現(xiàn)為剪切稀釋的非牛頓流體。

圖2 麥冬多糖對(duì)大米淀粉靜態(tài)流變曲線

為了更好地探究不同體系在整個(gè)剪切速率范圍內(nèi)黏度的變化規(guī)律，采用冪律模型對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合，相關(guān)參數(shù)如表2所示。不同體系的回歸系數(shù)R2為0.83～0.89，表明方程的擬合度比較高。不同樣品的流體行為指數(shù)n為0.27～0.34(均小于1)，表明樣品為剪切稀釋型假塑性流體，添加麥冬多糖使大米淀粉糊的n值降低，表明體系的假塑性增強(qiáng)。造成這種結(jié)果的原因可能是，麥冬多糖抑制了淀粉分子間氫鍵的形成，淀粉分子呈現(xiàn)一種較為伸展的狀態(tài)，表現(xiàn)為明顯的假塑性[12]。稠度指數(shù)K可表征體系黏度大小[13]，由于抑制了直鏈淀粉的滲出及麥冬多糖與滲出的直連淀粉作用抑制了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，體系黏度減小，添加麥冬多糖使大米淀粉糊的K值降低。在葛根淀粉和蓮子淀粉中添加大豆可溶性多糖也出現(xiàn)類似的現(xiàn)象[14]。

2.2.2 動(dòng)態(tài)流變

添加不同量麥冬多糖大米淀粉糊的儲(chǔ)能模量(G′)、耗能模量 (G″)和損耗因子(tanδ)在頻率0.1～100 rad/s范圍內(nèi)的變化曲線如圖3所示。

所有體系的G′和G″均隨頻率增加而加大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的頻率依賴性；由于米淀粉和麥冬多糖間發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，相同頻率下淀粉凝膠的G′和G″隨多糖添加量增加而減小，大豆可溶性多糖-淀粉復(fù)合體系凝膠及涼粉草多糖-玉米淀粉復(fù)合凝膠體系也出現(xiàn)類似的結(jié)果[14,15]。因具有較多的羥基等極性基團(tuán)，多糖通過氫鍵與滲出的直連淀粉分子締合[16]，阻礙了直鏈淀粉分子間聚集形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了混合物樣品的黏彈性。所有樣品的tanδ均小于1且隨角頻率增加而加大，表明樣品均以黏性特征為主。隨麥冬多糖添加量增加，tanδ隨角頻率的變化曲線整體下移，表明添加麥冬多糖使大米淀粉凝膠由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變，在一些其他多糖-淀粉體系研究中也得到類似的結(jié)果[17]。

2.3 水分子狀態(tài)

食品基質(zhì)中的水根據(jù)運(yùn)動(dòng)能力大小分為結(jié)合水、束縛水及自由水3大類。T2能很好地表征水分子的運(yùn)動(dòng)情況，T2越小表明水分子與基質(zhì)結(jié)合越緊密而運(yùn)動(dòng)能力越弱。圖4為樣品T2松弛時(shí)間譜，所有凝膠樣品的T2經(jīng)反演擬合后均呈現(xiàn)4個(gè)峰，前兩個(gè)峰定義為T21，往后依次為T22、T23，位于0～1 ms之間的T21代表緊密結(jié)合水，位于1～10 ms之間的T22主要代表位于凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)孔洞中的束縛水，而位于10～1 000 ms信號(hào)較強(qiáng)的T23代表自由水。從圖4可以看出，所有樣品中的水大部分以游離態(tài)自由水形式存在，結(jié)合水和束縛水的量相對(duì)較少。

松弛譜的相對(duì)峰面積與相應(yīng)含水量成正比[18]。不同麥冬多糖添加量大米淀粉凝膠不同狀態(tài)水的百分比含量如表3所示。相對(duì)于純大米淀粉凝膠樣品，添加2%的麥冬多糖引起大米淀粉凝膠中自由水含量降低，而結(jié)合水含量顯著增加；進(jìn)一步加大麥冬多糖添加量，大米淀粉凝膠中的束縛水含量也顯著降低。該結(jié)果表明添加麥冬多糖引起凝膠中的水分子自由度降低。產(chǎn)生這種結(jié)果可能是因?yàn)辂湺嗵蔷哂休^高的親水性。此外，其競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合了與淀粉分子結(jié)合的水分子而抑制了淀粉顆粒的膨脹和凝膠化，部分凝膠化使能夠發(fā)生可逆膨脹淀粉顆粒內(nèi)的部分水分子被保留。天然淀粉顆粒中存在三種類型的水分子，即無定型生長(zhǎng)環(huán)中的水、半結(jié)晶片層中的水及β支鏈淀粉形成的六元環(huán)腔中的水[18]。添加多糖限制了淀粉顆粒的凝膠化，進(jìn)而降低了水分子在顆粒內(nèi)和顆粒間的重新分配，而使淀粉顆粒的持水力增強(qiáng)[19]。

表3 麥冬多糖對(duì)大米淀粉凝膠A21、A22、A23的影響

2.4 質(zhì)構(gòu)特征

由于大米淀粉凝膠較弱，本研究制備的凝膠于4 ℃儲(chǔ)存4 d以促進(jìn)凝膠穩(wěn)定。添加不同量麥冬多糖大米淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)如表4所示。麥冬多糖對(duì)大米淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特征有明顯的影響。

表4 大米淀粉-麥冬多糖凝膠的質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)

所研究的樣品中，對(duì)照大米淀粉凝膠的硬度最高，隨著麥冬多糖添加量增加，硬度值呈逐漸降低的趨勢(shì)。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是，麥冬多糖與滲出直鏈淀粉分子作用抑制了凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，使凝膠結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低。此外，利用麥冬多糖替代部分大米淀粉，相對(duì)于對(duì)照組樣品來說，添加麥冬多糖樣品體系中的直鏈淀粉含量降低也影響凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成。涼粉草多糖-紅薯淀粉復(fù)合體系也出現(xiàn)類似的趨勢(shì)，凝膠硬度隨涼粉草多糖替代量增加而降低[4]。

隨麥冬多糖添加量增加，大米淀粉凝膠的咀嚼性顯著降低。咀嚼性模擬人咀嚼食物至可吞咽狀態(tài)所需要的能量，咀嚼性值越低表明樣品的口感越好，該結(jié)果表明麥冬多糖能夠改善大米淀粉質(zhì)凝膠食品的感官特征。大豆可溶性多糖對(duì)葛根和蓮子淀粉凝膠產(chǎn)生類似的效果，即淀粉凝膠咀嚼性隨大豆可溶性多糖添加量增加而降低[15]。

添加麥冬多糖大米淀粉凝膠的內(nèi)聚性顯著降低，表明添加麥冬多糖使大米淀粉凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更易被破壞。隨著麥冬多糖添加量增加，大米淀粉凝膠的回復(fù)性顯著降低，表明添加麥冬多糖降低了大米淀粉凝膠的彈性。

結(jié)果表明，添加麥冬多糖能夠使淀粉凝膠從較硬的質(zhì)構(gòu)變得柔軟，這將對(duì)預(yù)測(cè)和調(diào)控大米淀粉基食品的質(zhì)構(gòu)具有較好的借鑒作用。

3 結(jié)論

用麥冬多糖替代大米淀粉能夠顯著改變大米淀粉糊化、流變及凝膠質(zhì)構(gòu)特征。麥冬多糖對(duì)淀粉顆粒膨脹產(chǎn)生一定的抑制作用，進(jìn)而隨著麥冬多糖添加量增加，大米淀粉糊的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度等黏度參數(shù)均降低，而峰值時(shí)間和糊化溫度不斷增加。大米淀粉及大米淀粉-麥冬多糖復(fù)合體系凝膠均是剪切稀釋的假塑性流體，添加麥冬多糖以濃度依賴的方式使大米淀粉糊的假塑性增強(qiáng)，而稠度指數(shù)、黏彈性、硬度、內(nèi)聚性、咀嚼性和回復(fù)性均降低。大米淀粉及大米淀粉-麥冬多糖復(fù)合體系凝膠中的水分子均以結(jié)合水、束縛水及自由水3種狀態(tài)存在，由于限制了淀粉顆粒受熱膨脹性及與水分子結(jié)合，麥冬多糖使淀粉凝膠中的水分子運(yùn)動(dòng)性降低，表現(xiàn)為束縛水和結(jié)合水含量增加而自由水相對(duì)比例降低。