木薯淀粉-黃原膠復配體系中淀粉糊化機理

朱 玲，張雅媛，洪 雁，顧正彪

木薯淀粉-黃原膠復配體系中淀粉糊化機理

朱 玲，張雅媛，洪 雁*，顧正彪*

(食品科學與技術國家重點實驗室，江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122)

采用光學顯微鏡(LM)及掃描電子顯微鏡(SEM)觀察木薯淀粉、木薯淀粉-黃原膠復配體系在糊化過程中淀粉顆粒形態的變化。淀粉糊化是淀粉與水分相互作用的過程，利用核磁共振儀(NMR)測定質子自旋-自旋弛豫時間(T2)，來反映體系糊化過程中黃原膠對水分運動性的影響；通過測定滲漏直鏈淀粉含量，反映黃原膠對木薯淀粉糊化過程中鏈段運動性的影響，從而探究木薯淀粉在黃原膠為連續相體系中的糊化機理。結果表明：黃原膠一定程度上可抑制升溫過程中淀粉顆粒的膨脹，同時SEM圖顯示黃原膠包裹于木薯淀粉顆粒周圍，形成空間位阻使得淀粉顆粒分散均勻，與淀粉糊具有良好的相容性；升溫過程中質子自旋-自旋弛豫時間(T2)的差異體現了糊化過程中水分分布及結合程度的變化，由于黃原膠的吸水及包裹作用使得淀粉糊化溫度升高，熱糊穩定性提高，表現為T2先降后升的拐點由50℃升高至60℃及95℃較高的T2；黃原膠的加入使得體系中鏈段運動性降低，表現為直鏈淀粉滲漏量隨著黃原膠配比增加而減少。

木薯淀粉；黃原膠；水分；糊化；機理

淀粉因其來源廣泛，兼有增稠、穩定等功能，在食品工業中受到廣泛應用。但由于原淀粉易老化、析水等缺點，限制了其應用[1-2]。親水膠體與淀粉復配用于食品體系中，可控制水分流動，賦予食品良好的質地，改善產品的質量和體系的穩定性，改善食品加工儲藏性能[1]。淀粉主要以淀粉糊的形式應用于食品工業中。因此，了解親水膠體對木薯淀粉糊化特性影響機理，對于掌握它們賦予食品特定功能特性的規律是至關重要的。

淀粉的糊化是水分與淀粉相互作用的過程，水分的分布及與鏈段結合程度、淀粉顆粒結構，皆隨著親水膠體的加入發生一系列的變化，本實驗通過觀察黃原膠(xanthan gum，XG)對木薯淀粉(tapioca starch，TS)顆粒結構、水分分布及鏈段運動性的影響，初步探究木薯淀粉在黃原膠體系中的糊化機理。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

木薯淀粉 廣西武鳴縣吉瑞淀粉廠；黃原膠 蘇州丹尼斯克(中國)有限公司 。

1.1.2 儀器與設備

快速黏度分析儀(RVA，Tecmaster) 澳大利亞Newport Scientific公司；LW200光學顯微鏡 上海光學儀器廠；BT-1600型圖象顆粒分析系統 遼寧丹東百特公司；QUANTA-200型掃描電子顯微鏡 美國FEI公司；核磁MQC23 牛津儀器公司；WFJ2000分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 糊化特性研究

分別稱取不同質量比的木薯淀粉-黃原膠(10:0、9.5:0.5、9.0:1.0、8.5:1.5、8.0:2.0)與去離子水混合于RVA專用鋁盒內，調制成質量分數6%的混合懸浮液(以干基計)。RVA測定程序如下：10s內轉速由960r/min降到160r/min并穩定，從50℃開始升溫，經過3min 42s升至95℃，并保溫1.5min，經過3min 48s降溫至50℃，50℃保溫2min。

1.2.2 光學顯微鏡觀察木薯淀粉及木薯淀粉-黃原膠體系中淀粉顆粒結構變化

取不同溫度(50、60、70、80、95℃)下恒溫20min的木薯淀粉、木薯淀粉-黃原膠(質量比為8.0:2.0)，滴至載玻片上，用0.1mol/L碘液染色，蓋好蓋玻片后，在光學顯微鏡(×400)下觀察并拍攝木薯淀粉顆粒形態[3]。

1.2.3 掃描電子顯微鏡觀察木薯淀粉及木薯淀粉-黃原膠體系微觀結構

稱取一定質量木薯淀粉、木薯淀粉-黃原膠(質量比為8.0:2.0)，分別加入去離子水配制成質量分數6%的混合液。在設定溫度條件下(50、60、70、80、95℃)攪拌均勻，并保溫20min，糊化后的樣品冷凍干燥。

取不同溫度下處理并經冷凍干燥的樣品先用戊二醛固定，磷酸緩沖液淋洗，再用鋨酸固定，磷酸緩沖液沖洗，然后以不同體積分數的乙醇脫水，最后在臨界點干燥，涂以鉑-鈀合金。在掃描電子顯微鏡下觀察木薯淀粉、木薯淀粉-黃原膠糊化過程中的微觀結構[4-6]。1.2.4核磁共振測定弛豫時間

稱取不同質量比例木薯淀粉-黃原膠于試管中，加入去離子水配置成質量分數6%的混合液，與恒溫水浴中升溫至相應溫度(30、50、60、70、80、95℃)。樣品在每個溫度下恒溫30min后開始測定，利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脈沖序列測定樣品自旋-自旋弛豫時間(T2)。將預處理的樣品分別置于永久磁場(20Mz)射頻圈中心進行測定。實驗參數如下：采樣點1024、回波個數380、重復掃描次數8、弛豫衰減時間1000～2000ms。結果分別以單指數模型其中A是信號幅度；A0是熱平衡時質子的信號幅度；t是時間變量，擬合T2研究水分在木薯淀粉、木薯淀粉-黃原膠體系中的運動情況[7-9]。

1.2.5 滲漏直鏈淀粉含量的測定

準確稱取一定量樣品置于三角瓶中，加入蒸餾水配置成總固形物含量為2%木薯淀粉-黃原膠共混體系(木薯淀粉-黃原膠質量比為10.0:0、9.5:0.5、9.0:1.0、8.5:1.5、8.0:2.0，添加黃原膠體系，淀粉質量不變，添加水使得總固形物不變)，在沸水浴中糊化20min，冷卻后在13000×g離心20min，用蒸餾水將上清液轉移至100mL容量瓶中并稀釋至刻度。準確吸取1mL定容后的溶液，加入1mol/L醋酸1mL、0.01mol/L碘液2mL，用蒸餾水定容至100mL作為待測樣品。取100mL容量瓶中加入1mol/L醋酸1mL，0.01mol/L碘液2mL，用蒸餾水定容，作為空白對照。所有樣品室溫下避光靜置20min，在波長620nm處測定吸光度，用馬鈴薯直鏈淀粉作為標準樣品并得出標準曲線(y=0.2171x＋0.0088，R2=0.9982)，計算得不同試樣中滲漏的直鏈淀粉含量[10]。

2 結果與分析

2.1 糊化特性

表1 木薯淀粉-黃原膠共混物的糊化特性Table 1 Gelatinization properties of tapioca starch-xanthan gum system

由表1可知，隨著黃原膠在共混體系中比例的增加，峰值黏度、崩解值、終值黏度顯著增加，黏度的增加，使得共混體系相對于原淀粉體系更有利于作為增稠劑在食品體系中應用。同時，回值隨著黃原膠添加量的增加而降低，回值表示溫度降低時，分子聚集作用發生的程度，即回生的程度。回值越低，回生越不明顯。由此可知，黃原膠一定程度上抑制了淀粉的回生，這將提高淀粉基食品在儲藏中的穩定性。同時，成糊溫度、糊化時間一定程度提高，這與黃原膠本身的親水性有關。黃原膠一定程度上改善了木薯淀粉的糊化特性，有關黃原膠對木薯淀粉糊化特性影響的機理在下文將做進一步闡述。

2.2 黃原膠對木薯淀粉糊化過程中顆粒結構變化影響

圖1 光學顯微鏡觀察木薯淀粉(a)、木薯淀粉-黃原膠(b)中淀粉顆粒結構(×400)Fig.1 Granular structures of tapioca starch and tapioca starchxanthan gum system examined by light microscope and scanning electrode microscope (×400)

淀粉糊化過程是淀粉顆粒吸水-顆粒膨脹-分子擴散的過程。通過光學顯微鏡觀察不同溫度下添加/未添加黃原膠的體系中木薯淀粉顆粒結構的變化，從表觀上能夠說明黃原膠對淀粉顆粒結構的影響。由圖1a可知，50、60℃時木薯淀粉顆粒稍有膨脹，70℃時顆粒膨脹明顯，至95℃時顆粒結構幾乎消失，淀粉顆粒破碎，完全糊化。由圖1b可知，相同溫度下的木薯淀粉顆粒膨脹程度較低，50℃幾乎不膨脹，且顏色較淺，至70℃淀粉顆粒膨脹顯著，95℃時淀粉顆粒膨脹度最高，且部分顆粒破碎，有完整顆粒存在。由此可知，黃原膠一定程度上抑制了淀粉顆粒的膨脹，提高了木薯淀粉顆粒耐熱穩定性。

2.3 掃描電子顯微鏡觀察木薯淀粉、木薯淀粉-黃原膠糊化過程

掃描電子顯微鏡(SEM)廣泛應用于淀粉的研究中，主要用于觀察淀粉顆粒的表面結構，用形態學來分析淀粉分子和測定淀粉顆粒的變化等[6]。通過掃描電子顯微鏡觀察，觀察糊化過程中木薯淀粉顆粒結構和黃原膠-淀粉體系的微觀結構的變化，研究黃原膠與木薯淀粉相互關系及其對木薯淀粉顆粒結構的影響。

圖2 木薯淀粉(a)、木薯淀粉-黃原膠(b)掃描電鏡圖Fig.2 SEM micrographs of tapioca starch and tapioca starch-xanthan gum

由圖2a可知，50℃的木薯淀粉顆粒結構完整，呈現木薯淀粉特有的“頭盔狀”。60℃時淀粉顆粒開始膨脹，支鏈淀粉與少量滲漏出的直鏈淀粉溶解在水中包裹于淀粉顆粒周圍；當達到70℃時，淀粉顆粒結構大部分消失；80℃時淀粉顆粒進一步破裂，淀粉糊成片狀；當95℃時淀粉已糊化完全，淀粉滲漏量最大，體系中稠度變大，SEM圖表現為褶皺狀。

由圖2 b可知，復配體系表現的顆粒結構有所不同。多糖之間相互結合方式有3種：相容(二者相互作用力類似于多糖自身作用力)、不相容(二者相互作用力相互排斥)、絡合(二者相互吸引結合)。50℃的木薯淀粉-黃原膠體系表現為完整的木薯淀粉顆粒分散在溶于水的黃原膠中，木薯淀粉與黃原膠分散均勻，且由于木薯淀粉不帶有離子，因而二者沒有靜電作用即相容體系；隨著溫度的升高(60℃)，淀粉顆粒開始膨脹，在黃原膠中分散更為均勻，由于黃原膠結合了體系中的部分水分及黃原膠的包裹作用使得木薯淀粉顆粒膨脹受阻，相對于原淀粉體系顆粒較小，且顆粒結構較完整；70℃淀粉顆粒膨脹度增加，溶于水的黃原膠與滲漏出的直鏈、支鏈淀粉形成均勻的連續相，未完全糊化的淀粉顆粒包裹于其中；隨著溫度的升高，淀粉糊化程度增加，體系成糊狀。黃原膠在水溶液中呈現有序螺旋結構，側鏈呈折疊狀態，靠近主鏈[11-12]。隨著溫度的升高，構象轉變為無序的無歸線團(側鏈離開主鏈)與淀粉鏈結合呈現無序的碎片狀。溫度升高至80℃，黃原膠構象呈現“棒狀”形態，體系黏度由于黃原膠構象變化及淀粉糊化程度增加而顯著增加；當溫度至95℃，木薯淀粉-黃原膠體系，表面光滑，少褶皺，表明木薯淀粉、黃原膠分散均勻。

2.4 黃原膠在木薯淀粉糊化過程中對水分的影響

水分在不同體系中以不同的結合狀態存在，維系水分子的作用力可以分為氫鍵結合力和毛細管力兩類[13]。由氫鍵結合力結合的水分習慣上稱為結合水或束縛水，與結合水相對應的水分稱為自由水或游離水。木薯淀粉、木薯淀粉-黃原膠分散于水中形成多相體系，從熱力學角度的理論來看，在升溫過程中體系處于能量不穩定狀態，體系中運動趨勢為由高能級向低能級的熱平衡態運動。隨著水分進入淀粉顆粒，淀粉顆粒結構消失，直鏈淀粉、支鏈淀粉分散于水中，黃原膠溶于水中呈現雙螺旋結構及特殊的網狀次生結構，升溫過程中皆與水分相互作用，因此，可以利用核磁共振儀(NMR)分析水分子的特性進而了解體系結構變化與水分的關系。

由波爾茲曼分布可知，低能級質子多于高能級質子，在恒定磁場中，高能級質子增加，最終導致兩個能級的質子數相等。這時，質子將不再吸收能量，因此觀察不到磁共振信號，質子達到飽和狀態。停止射頻，高能級的質子能以不產生電磁輻射的方式返回到低能級，最終導致不同能級的質子數分布恢復熱平衡。質子數在不同能級的分布由飽和值向熱平衡值恢復的過程，即高能態的質子向周圍環境釋放能量的過程稱為弛豫過程[14-15]，檢測質子的弛豫行為可直接反應水分子的流動性[16]。可由橫向弛豫時間(T2)來表征質子的弛豫行為。較長的T2說明分子具有較高的流動性。當水和底物緊密結合時，它就高度地固定，T2會降低[17]。

由圖3可知，木薯淀粉-黃原膠體系與單純的木薯體系相比，不同溫度下T2存在著差異，即水分運動性存在差異。水分運動性與溫度引起的熱效應及淀粉分子鏈伸長、鏈運動相關，且在不同溫度范圍內表征不同[17-18]。木薯淀粉體系在50℃前，T2稍有下降，由前面實驗結果可知，此溫度范圍內顆粒結構無明顯的膨脹，水分僅單純的進入淀粉顆粒內，淀粉顆粒形成的空間位阻使得水分運動性降低，同時，較低溫度下熱效應引起的水分運動較弱，綜合二者的作用使得T2稍有下降； 50～60℃后T2上升緩慢，60～70℃數值上升最為明顯，至80℃達到最大值，即這段溫度范圍內水分運動性逐漸增強，其原因主要是溫度升高過程中由于熱量的傳遞使得水分運動加劇。同時，結合圖1、2可知，50～60℃范圍內，水分與無定形區的游離羥基相結合，淀粉緩慢吸收水分，產生有限的膨脹，此時溫度引起的水分運動略高于淀粉對水分運動的阻礙，溫度進一步升高；60～80℃范圍內，溫度引起的水分運動性進一步增強，淀粉顆粒膨潤度增加明顯，淀粉分子間氫鍵斷裂，雙螺旋伸直形成分離狀態，淀粉的晶體結構遭到破壞，小的淀粉分子從淀粉顆粒中滲漏出來，水分在淀粉顆粒運動阻力下降，運動性增強；進一步升溫至95℃，淀粉糊化完全，溫度的升高使得水分中質子運動性增強，同時加快了其與淀粉分子鏈中氫鍵的交換速率，使得水分運動受淀粉鏈的束縛，因而自旋-自旋弛豫時間T2下降。

圖3 不同質量比的木薯淀粉-黃原膠自旋-自旋弛豫時間(T2)變化圖Fig.3 Relationship between T2 and temperature of tapioca starchxanthan gum with different ratios

由前面實驗結果可知，一方面黃原膠抑制了淀粉糊化過程中的顆粒的膨脹；另一方面，黃原膠包裹于淀粉顆粒周圍，使得淀粉在體系中分散更為均勻且形成的空間位阻一定程度上抑制了淀粉分子間相互作用。添加黃原膠的復配體系和木薯淀粉相比，不同溫度下(除95℃外)的弛豫時間均有所下降，且隨著黃原膠配比的增加，弛豫時間降低更為明顯，此現象是由于黃原膠在較低的溫度下溶于水形成連續相，淀粉顆粒作為分散相，相對于淀粉體系連續相黏度較高，且黃原膠溶于水形成三維結構，阻礙了水分的流動。30～60℃范圍內，T2一直下降，溫度升高熱效應增加，水分質子運動性增強，但同時由于黃原膠的阻礙作用及淀粉顆粒內部空間位阻，水分運動性總體呈現下降趨勢。60℃為弛豫時間先下降后上升的拐點，而不是像木薯淀粉體系中的50℃，其原因是由于黃原膠吸收了部分水分，延緩了淀粉糊化過程水分向淀粉顆粒中運動，使得淀粉膨脹及溶解降低，此與上述實驗結果一致。60～80℃范圍內，T2趨勢與木薯淀粉體系相似。80～95℃范圍內T2變化趨勢與木薯淀粉體系相反，其歸因于兩個方面：一方面，溫度上升，熱效應；另一方面，淀粉分子進一步解聚，水分運動性空間變大，同時高溫使得黃原膠空間結構由有序轉變為無序結構，且黃原膠抑制了淀粉鏈的斷裂及淀粉與淀粉之間的相互作用，使得水分運動性進一步增強，表現為T2上升。

2.5 黃原膠對木薯淀粉鏈段運動性的影響

淀粉的糊化一方面為水分進入淀粉顆粒內，與淀粉分子相結合，使得淀粉顆粒膨脹；另一方面，還包含淀粉鏈段的溶出；淀粉鏈段的伸展、運動與淀粉的黏度及回生特性密切相關。由前面實驗可知，黃原膠吸收體系中的水分使得淀粉顆粒膨脹受阻，且由于黃原膠對淀粉顆粒的包裹作用使得水分進入淀粉顆粒的運動性減弱。直鏈淀粉的鏈狀結構相對于支鏈淀粉的樹狀結構在體系中空間阻礙小，因而運動性較強。本實驗通過測定不同配比木薯淀粉-黃原膠共混物中滲漏直鏈淀粉含量(圖4)，探究黃原膠對木薯淀粉糊化過程中淀粉鏈段運動性的影響。

圖4 不同質量比的木薯淀粉-黃原膠中滲漏直鏈淀粉含量變化Fig.4 Effect of tapioca starch-xanthan gum with different ratios on the leakage amount of amylose

由圖4可知，隨著黃原膠質量比的增加，體系中滲漏出來的直鏈淀粉含量降低。由此結果推測，黃原膠一方面通過延緩淀粉糊化，阻礙了淀粉顆粒中淀粉的滲漏；另一方面，阻止了滲漏出的淀粉鏈段進一步遠程擴散，從而不同程度的減少直鏈淀粉在整個共混體系中的滲漏量，因而，在不同程度上使得淀粉糊連續相黏度增加。同時，糊化時木薯淀粉-黃原膠共混體系中，從淀粉顆粒中滲漏出的直鏈淀粉很容易暴露加入親水膠體，在鏈段的聚合過程中，與單獨的淀粉體系相比，親水膠體將與直鏈淀粉競爭與其他直鏈淀粉結合，且少量支鏈淀粉的外長鏈也會滲漏出來參與作用。因而，淀粉鏈段之間的作用減弱，空間阻礙增加，使得淀粉回生減弱。

3 結 論

綜上可知，淀粉糊化為淀粉與水分相互作用的過程，因而，從不同溫度下黃原膠對淀粉顆粒、水分運動性、淀粉鏈段運動性的影響，研究在糊化過程中黃原膠與木薯淀粉的相互作用。糊化過程主要分為3個階段：第一階段，木薯淀粉糊化溫度前，水分單純地進入淀粉顆粒，淀粉顆粒完整且僅少量淀粉溶于水中，淀粉顆粒膨脹不顯著，質子運動性隨著溫度上升而下降。由于黃原膠的冷水可溶性使得木薯淀粉-黃原膠體系水分運動性顯著下降，且隨著黃原膠添加比例的增加，現象越為明顯，體系淀粉顆粒比單獨的原淀粉體系中淀粉顆粒稍小，木薯淀粉均勻的分散于黃原膠中，二者具有較好的相容性。第二階段，溫度達到糊化溫度，水分運動性下降，分子鏈伸展，結晶區消失，淀粉顆粒膨脹顯著。由于黃原膠吸水且形成空間位阻使得水分相對于原淀粉體系流動性差，淀粉顆粒有限膨脹。第三階段，淀粉糊化，淀粉顆粒消失，淀粉顆粒膨脹至極限，且有部分顆粒破碎，較高的溫度促進了淀粉鏈與水分之間的作用，使得水分活度降低。黃原膠的加入使得淀粉顆粒膨脹受到抑制，溶解的淀粉鏈減少，且黃原膠與淀粉鏈段的作用抑制了淀粉鏈段之間相互作用，使得水分運動性進一步提高。

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Gelatinization Mechanisms of Tapioca Starch-Xanthan Gum System

ZHU Ling，ZHANG Ya-yuan，HONG Yan*，GU Zheng-biao*
(State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The morphological change of starch granules in tapioca starch and xanthan gum during gelatinization process was observed by light microscope (LM) and scanning electron microscope (SEM). The starch gelatinization was an interaction process between starch and water. A low-field NMR technique was used to observe the dynamics of water molecules in biopolymer system. The leakage amount of amylose was measured to monitor the mobility of starch chain. According to spinspin relaxation time (T2) of dynamic water molecule during gelatinization process, the gelatinization mechanism of tapioca starchxanthan gum system was explored. Results indicated that xanthan gum exhibited a reduction of swelling power in tapioca starch. Uniform dispersed steric hindrance was observed in starch granules through LM and SEM. Meanwhile, tapioca starch granules well dispersed in xanthan gum through the observation of SEM. Xanthan gum increased gelatinization temperature and the stability of tapioca starch, which was due to inflection point from 50 to 60 ℃ and higher T2at 95 ℃. Mobility of starch chains were reduced due to the addition of xanthan gum, which could be explained by the declined leakage of amylose.

tapioca starch；xanthan gum；water；gelatinization；mechanism

TS231

A

1002-6630(2011)03-0081-05

2010-06-04

國家自然科學基金項目(21076096)；高等學校博士學科點專項科研基金項目(20100093110001)

朱玲(1985—)，女，碩士研究生，研究方向為制糖工程。E-mail：foodstarch@yahoo.cn

*通信作者：顧正彪(1965—)，男，教授，博士，研究方向為碳水化合物資源的開發與利用。

E-mail：zhengbiaogu@yahoo.com.cn

洪雁(1974—)，女，副教授，碩士，研究方向為碳水化合物資源的開發與利用。

E-mail：yan_er74hong@yahoo.com.cn