阿拉伯膠對馬鈴薯淀粉糊化及流變性質的影響

廖 瑾, 張雅媛, 洪 雁, 朱 玲

(食品科學與技術國家重點實驗室,江南大學,江蘇無錫214122)

淀粉作為食品工業中重要的原輔料,被廣泛應用于食品加工中的各個領域,它對食品的營養、質地、風味等特性起著不可替代的作用,并為食品加工的多樣性提供了條件。經許多研究發現,向淀粉基食品中添加親水性膠體,兩者經適當比例復配后可達到很好的協效性,起到提高產品的穩定性,控制水分流動,降低成本和簡化加工過程等作用[1-2]。利用淀粉與膠體間的相互作用,對提高傳統食品產品質量,改善加工工藝和指導新型食品的研究與開發有較好地推動作用。

糊化是淀粉的基本特性之一,淀粉基食品加工、貯存以及食用中的口感等都與糊化特性密切相關[3]。因此,在食品科學研究中經常以糊化特性作為判斷淀粉或淀粉基食品質量的一項重要依據。淀粉糊化后形成的淀粉糊表現為非牛頓流體的流變行為,在一定條件下,黏度隨剪切速率增大而降低,這種假塑性流變特性對于其在很多領域的應用來說都是及其重要的[4]。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

馬鈴薯淀粉:黑龍江北大荒馬鈴薯產業有限公司提供;阿拉伯膠:蘇州丹尼斯克(中國)有限公司提供;快速黏度分析儀(RVA):澳大利亞Newport Scientific公司產品;AR-100流變儀:美國 TA公司產品;蔗糖、檸檬酸、NaCl:國藥集團化學試劑有限公司產品。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬鈴薯淀粉與不同比例阿拉伯膠混合體系的RVA糊化曲線測定 準確稱取樣品,分別與蒸餾水、質量分數30%的糖溶液、質量分數1%鹽溶液及p H=3檸檬酸溶液混合于RVA專用鋁盒內,調成質量分數為6%的馬鈴薯淀粉和添加0.06、0.18、0.30 g/dL阿拉伯膠的淀粉懸浮液(以干基計),按以下程序測定淀粉黏度曲線。具體為50℃,960 r/min;10 s,160 r/min,1.00 min,50℃;4 min,42 s,95℃;11 min,50℃;13 min結束。

1.2.2 靜態流變學的測定 取1.2.1中制備好的淀粉糊,放入應力可控型AR1000流變儀測定平臺,采用平板-平板測量系統,平板直徑為60 mm,平板間距1 mm,刮去平板外多余樣品,加上蓋板,并加入硅油以防止水分蒸發。在25℃下,測量剪切速率(τ)從 0～300 s-1遞增 ,再從 300～0 s-1遞減范圍內樣品變化情況,數據采集和記錄由計算機自動完成[5]。

采用冪率方程和 Herschel-Bulkley兩種流變模型對數據點進行回歸擬和,復相關系數R2表示方程的擬和精度。

冪率方程:

Herschel-Bulkley方程:

式中,τ、τ′為剪切應力,Pa;τ。為屈服應力,Pa;K、K′為稠度系數,Pa ·sn;γ、γ′為剪切速率,s-1;n、n′為流體指數。

2 結果與分析

2.1 不同質量濃度阿拉伯膠對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響

2.1.1 水介質中阿拉伯膠對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響 馬鈴薯淀粉在未添加或添加不同濃度阿拉伯膠條件下的糊化曲線如圖1所示。從圖中可以看出,加入膠體后,馬鈴薯淀粉的峰值黏度急劇下降,且隨著膠體含量的增加,下降趨勢愈加明顯。當膠體質量濃度達到0.18 g/dL以上時,峰值黏度消失。

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由圖中同時可以看到馬鈴薯淀粉與阿拉伯膠混合體系的崩解值明顯降低,與原淀粉相比,具有更好的熱穩定性,但在冷卻過程中,淀粉黏度明顯上升,回生程度略有增加。這可能是由于加入膠體后,糊化過程中馬鈴薯淀粉顆粒膨脹受到抑制,崩解時破損程度較小,有更多的淀粉分子回延長到原來趨于平行排列的狀態,彼此重新以新的氫鏈結合,再次形成微晶束,因而在回生階段表現出較大的黏度。此外,阿拉伯膠對馬鈴薯淀粉的起始糊化溫度沒有明顯影響。

阿拉伯膠對馬鈴薯淀粉糊化黏度的抑制作用主要存在以下兩方面的原因:(1)阿拉伯膠是一種含有鈣、鉀、鎂等多種陽離子的弱酸性大分子多糖,而馬鈴薯淀粉分子上結合有大量的磷酸基。阿拉伯膠分子中的陽離子與馬鈴薯淀粉分子上的磷酸根及羥基結合,導致電荷下降,同時離子的存在影響了馬鈴薯淀粉與水分子的相互作用,抑制了馬鈴薯淀粉顆粒的膨脹,從而使淀粉難以糊化,峰值黏度降低;(2)親水性膠體與淀粉顆粒中的可溶性直鏈淀粉之間能形成穩定的氫鍵,使分子的水合旋轉半徑增大,從而增加體系的表觀黏度。而阿拉伯膠具有高度的分支結構和球狀形態,在空間所占據的水分體積比例較少,與直鏈淀粉分子的作用力極弱,因而無法有效增加體系黏度。

2.1.2 鹽環境中阿拉伯膠對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響 以上實驗可以發現隨著阿拉伯膠含量的增加,混合體系 RVA參數值的變化更為明顯,因此,選取添加膠體濃度為0.30 g/dL的混合體系作為代表,研究不同應用環境中的糊化曲線。圖2顯示了馬鈴薯淀粉加入阿拉伯膠后在水與質量分數1%鹽溶液中的糊化曲線對比。

圖1 馬鈴薯淀粉與阿拉伯膠混合體系在水環境中的糊化曲線Fig.1 Pasting curves of potato starch/arabic gum mixed systems in water

圖2 馬鈴薯淀粉與阿拉伯膠混合體系在鹽溶液中的糊化曲線Fig.2 Pasting curves of potato starch/arabic gum mixed systems in salt solution

加入鹽可以顯著的降低馬鈴薯原淀粉的峰值黏度、崩解值及終值黏度,但對淀粉與膠體混合體系影響較小,曲線趨勢基本一致,僅黏度稍有降低。同時可以發現,混合體系在水環境中的黏度曲線與馬鈴薯原淀粉在鹽溶液中的黏度曲線較為相似,峰值黏度均大幅度降低,其后的黏度走勢也極為相似,再次驗證了離子作用對馬鈴薯淀粉糊化的影響。NaCl是一種強電解質,在水可以解離為Na+、Cl—,Na+可與馬鈴薯淀粉分子上的磷酸根及羥基結合,起到與阿拉伯膠相似的離子作用。此外,NaCl的存在降低了體系中的水分活度,從而影響了淀粉分子與水分子間的相互作用。

2.1.3 檸檬酸介質中阿拉伯膠對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響 酸環境是食品中經常遇到的一種體系,淀粉在酸溶液中的性質直接影響到了其應用前景。圖3表明,在p H=3的酸性條件下,馬鈴薯淀粉的起始糊化溫度升高,峰值黏度大幅降低,說明馬鈴薯原淀粉的抗酸能力較差。添加質量濃度為0.30 g/dL的阿拉伯膠后,混合體系的峰值黏度進一步降低,但崩解值和回值降低,說明其熱糊及冷糊穩定性增加。

2.1.4 蔗糖介質中阿拉伯膠對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響 甜食類產品需要較高的濃度,大部分食品在高糖溶液里希望得到高的黏度來改善食品的品質。圖4顯示了阿拉伯膠與馬鈴薯淀粉混合體系在質量分數為30%的蔗糖溶液中的糊化曲線。與在水介質中糊化的原淀粉相比,馬鈴薯淀粉和馬鈴薯淀粉/阿拉伯膠混合體系在蔗糖溶液中糊化溫度、終值黏度、回值均呈上升趨,峰值黏度顯著降低。這主要是因為蔗糖分子中有多個羥基,極易與水分子發生作用,從而使淀粉分子與水分子間相互作用減弱,淀粉分子鏈段間自身相互作用增強,糊化溫度升高。

2.2 靜態流變學特性的測定

圖3 馬鈴薯淀粉與阿拉伯膠混合體系在酸溶液中的糊化曲線Fig.3 Pasting curves of potato starch/arabic gum mixed systems in citric acid solution

圖4 馬鈴薯淀粉與阿拉伯膠混合體系在蔗糖溶液中的糊化曲線Fig.4 Pasting curves of potato starch/arabic gum mixed systems in sucrose solution

阿拉伯膠含量不同的淀粉糊在流動過程中需要的剪切應力隨著剪切速率的增加而增加,隨著阿拉伯膠含量的增加,淀粉糊流動過程中需要的剪切應力減小,曲線彎曲程度下降,淀粉糊流動時的阻力降低。

采用兩參數冪律方程和 Herschel-Bulkley方程對靜態流變曲線進行擬合,擬合情況見表1。由表1知,冪律方程和 Herschel-Bulkley方程均適用于馬鈴薯淀粉與阿拉伯膠混合體系流變曲線的擬合,復相關系數均在0.99以上,但 Herschel-Bulkley方程對流變曲線的擬合精度明顯高于冪律方程,尤其對于添加阿拉伯膠后的滯后下行曲線。兩種模型反映的結論基本一致。

馬鈴薯淀粉與阿拉伯膠混合體系在加熱糊化的過程中,膠體分子與直鏈淀粉分子間產生一定的相互作用,形成部分氫鍵,從而使其支鏈淀粉分子含量相對提高,體系表現為假塑性增強。但由于阿拉伯膠的高分支結構,使其與直鏈淀粉分子間產生的作用力較弱,因此,n值降低程度不大。同時,在外力剪切下,部分氫鍵受到破壞,使得在下行線時的n值變化程度降低。

表1 馬鈴薯淀粉與阿拉伯膠混合體系靜態流變的冪律方程和 Herschel-Bulkley方程擬合參數Tab.1 The Power lawand Herschel-Bulkley parameters for potato starch/arabic gum mixed systems

阿拉伯膠與馬鈴薯淀粉混合體系及原淀粉糊均表現出相似的順時針滯后環狀,即在剪切速率增大的方向上的剪切應力大于相應的剪切速率減小方向上的剪切應力。淀粉的觸變滯后現象是由于外部的剪切作用對體系內部整齊的網格結構有一定的拆散度,隨著剪切速率的增加,拆散程度加大;當剪切速率逐漸降低時,結構的恢復速率在短時間內不能完全跟隨上拆散速率,粘性變化曲線不能回復到原來曲線,因此,形成滯后環,出現觸變性。加入阿拉伯膠后,膠體與淀粉分子產生一定的相互作用,從而使這個網格結構更加牢固,不易受到外力的破壞,因此,滯后環面積明顯減小。

3 結 語

1)阿拉伯膠可顯著降低馬鈴薯淀粉糊化黏度,提高淀粉糊的熱穩定性,但在冷卻過程中,淀粉黏度明顯上升,回生程度略有增加。且隨著膠體濃度的增加,作用更加明顯。

2)馬鈴薯淀粉/阿拉伯膠混合體系具有較好的耐鹽、耐酸性,在糖介質中可表現出更高的黏度。

3)靜態流變實驗表明加入阿拉伯膠后的淀粉糊仍為假塑性流體,與原淀粉相比,假塑性增強,滯后環面積明顯減小。

[1]Christianson D D.Hydrocolloid Interactions with Starches[M].Westport:AVI Publishing Company,1982.

[2]Mandala I G,Bayas E.Xanthan effect on swelling,solubility and viscosity of wheat starch dispersions[J].Food Hydrocolloids,2004,18(2):191-201.

[3]趙思明,熊善能,姚霓.稻米淀粉的糊化動力學研究[J].糧食與飲料工業,2002(3):9-11.ZHAO Si-ming,XIOANG Shan-neng,YAO Ni.Study on the gelatinization kinetics of rice starch[J].Cereal And Feed Industry,2002(3):9-11(in Chinese)

[4]柴春祥.黃原膠對馬鈴薯淀粉流變學特性的影響[J].食品工業科技,2007:115-118.CAI Chun-xiang.Effect of Xanthan on rheological properties of pastes of potato starch[J].Science and Technology of Food Industry,2007:115-118(in Chinese)

[5]Bao Wang,Li-Jun Wang,Dong Li,et al.Rheological properties of waxy maize strch and xanthan gum mixtures in the presence of sucrose[J].Carbohydrate Polymers,2009.