聚葡萄糖對大米淀粉凝膠老化特性的影響

常曉紅,張 蓓,郝明遠,張佳帆,尹 琦,武飛揚,謝新華

(河南農業大學食品科學技術學院,農業部大宗糧食加工重點實驗室,河南鄭州 450002)

冷藏是食品常用的保藏方法之一,它能抑制病原菌等微生物的生長繁殖,保持食品的感官品質和營養價值,延長食品的貨架期。但米制品在冷藏時,易發生不同程度地劣變,影響米制品的品質。這是由于大米的主要成分是淀粉,糊化后的淀粉在低溫下發生老化造成的[1]。

目前主要通過添加糖類、乳化劑、親水膠體等的方式來抑制大米淀粉老化的方法,如Chen等[2]研究發現,普魯蘭多糖不僅可以通過抑制大米淀粉的膨脹與糊化,來抑制大米淀粉中直鏈淀粉的短期老化,還可以通過減緩淀粉分子鏈之間的移動、締合,來抑制其支鏈淀粉的長期老化;Viturawong等[3]發現黃原膠通過氫鍵與滲漏的直鏈淀粉相互作用,減慢復配體系中水分子的遷移,抑制大米淀粉的老化。

聚葡萄糖是一種水溶性膳食纖維,具有熱量值低、溶解度高、穩定性好等特性,已廣泛應用于飲料、乳制品、糖類巧克力、焙烤食品等領域[4-5]。劉安軍等[6]研究發現聚葡萄糖具有抗凍性,可部分替代商業抗凍劑用于食品中。本實驗以大米淀粉為原料,通過添加不同比例的聚葡萄糖,研究聚葡萄糖對冷藏過程中大米淀粉凝膠老化特性的影響,為聚葡萄糖改善米制品中的品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米淀粉 水分、灰分、蛋白質、脂肪以及直鏈淀粉含量依次分別為12.6%、0.11%、0.32%、0.52%和24.20%,江蘇蕪湖市好亦快食品有限公司;聚葡萄糖 水分含量為3.80%,河南孟州泰利杰有限公司;銦標準物 德國耐馳(NETZSCH)儀器制造有限公司。

RVA 4500型快速粘度分析儀 瑞典波通(Perten)儀器公司;FD-1005型真空冷凍干燥機 上海今友實驗設備有限公司;DSC 214型差示掃描量熱儀 德國耐馳(NETZSCH)儀器制造有限公司;QUANTA FEG 250型場發射掃描電鏡 美國FEI公司;X’Pert PRO型X射線衍射儀 荷蘭PANalytical公司;ME104E/02型電子天平 美國梅特勒-托利多(METTLER TOLEDO)儀器設備有限公司;FW 80型萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 糊化黏度特性測定 稱取3.00 g大米淀粉,再依次稱取大米淀粉質量的0、5%、10%、15%、20%的聚葡萄糖,將稱好的樣品加入裝有25.00 g蒸餾水的RVA自帶的鋁制樣品測量罐中,用配套的攪動槳葉在其中不停地攪拌,防止沉降。攪拌均勻后,將鋁盒固定于粘置于RVA的加熱臺上,參照Banchathanakij等[7]方法測定淀粉糊化黏度特性。

1.2.2 熱特性測定 準確稱取2.00 g大米淀粉,依次加入大米淀粉質量的0、5%、10%、15%、20%的聚葡萄糖。先將聚葡萄糖(PD)加入到6.00 g蒸餾水中,在攪拌均勻后緩慢加入大米淀粉,在室溫條件下,在磁力攪拌器上水化1 h后,精確地從攪拌均勻的樣品中移取8.00 μL于坩堝中,用天平稱取并記錄加入樣品的質量,密封之后在室溫下放置24 h平衡,在DSC中進行糊化測定,測定完后放至室溫后,再于4 ℃下分別冷藏1、3、5、7、14、21、28 d后進行老化測定[8]。

實驗前用銦標準物進行儀器校正,在測試時用空坩堝進行對照。測量參數為:溫度范圍30～110 ℃,升溫速率為10 ℃/min,降溫速率為10 ℃/min,保護氣為氮氣,流速為20 mL/min。在第一次糊化測定中,可得出糊化的起始溫度、峰值溫度和終止溫度,根據峰面積計算大米淀粉的糊化焓值;在4 ℃冷藏放置不同時間后,進行第二次老化測定,根據峰面積計算大米淀粉凝膠的老化焓值。

1.2.3 X-射線衍射測定 樣品制備如1.2.1,將RVA糊化后的樣品轉移至培養皿中,冷卻至室溫,密封,4 ℃冷藏14 d后,放入-40 ℃預凍24 h后,放入真空冷凍干燥機中進行冷凍干燥。將冷凍干燥好的樣品用萬能粉碎機粉碎,然后過200目篩,所得粉末進行X射線衍射分析。XRD掃描范圍為5～40 °(2θ),掃描速度為2 °/min,掃描電壓為40 kV,掃描電流為40 mA,用MDI Jade 6.0軟件分析衍射圖譜,用Hernan法計算相對結晶度。

1.2.4 微觀結構觀察 樣品制備如1.2.1,將RVA糊化后的樣品轉移至4 mL離心管中,冷卻至室溫,密封放置于4 ℃冷藏14 d后,放入-40 ℃預凍24 h后,放入真空冷凍干燥機中進行冷凍干燥,用雙面導電膠將干燥好的樣品粘到樣品臺上,用吸耳球吹去多余樣品,在真空噴金儀內噴金3次,然后固定于載物臺上,在加速電壓25 kV時進行200倍放大掃描觀察。

1.3 數據處理

所有的實驗均重復三次,所得實驗數據用SPSS 13.0軟件進行單因素方差分析,結果用均值±標準差表示,并用Duncan法進行顯著性分析(p<0.05為數據間具有顯著性差異,p>0.05為數據間無顯著性差異)。

2 結果與分析

2.1 聚葡萄糖對大米淀粉糊化黏度特性分析

由表1可知,聚葡萄糖對大米淀粉的糊化特性有顯著影響,且聚葡萄糖的添加比例越大,影響越顯著(p<0.05)。與原大米淀粉相比,聚葡萄糖的添加量為20%時,峰值黏度和最終黏度分別降低了1322.56、1383.17 cp,下降顯著(p<0.05),這是因為聚葡萄糖與水分子的結合力高于淀粉與水分子之間的結合力,使淀粉與水分子之間的氫鍵相互作用減弱,增強了大米淀粉分子間的相互作用,引起淀粉黏度變小[9];同時,糊化溫度從77.05 ℃升高到84.34 ℃,表明水分的缺失使大米淀粉的糊化變得緩慢。

表1 大米淀粉/聚葡萄糖體系的糊化特性

添加聚葡萄糖后,大米淀粉/聚葡萄糖體系的崩解值顯著降低(p<0.05),這可能是因為聚葡萄糖減少了直鏈淀粉的滲出,提高了大米淀粉糊的穩定性;此外,大米淀粉/聚葡萄糖體系的回生值從670.89 cp降低到142.67 cp,下降顯著(p<0.05),表明糊化后的淀粉糊在冷卻過程中,尤其是直鏈淀粉,分子通過氫鍵重新有序化排列的能力下降[10],由此可見,聚葡萄糖對大米淀粉的短期老化起到了較好的延緩作用。

2.2 聚葡萄糖對大米淀粉熱特性結果分析

表2為大米淀粉與聚葡萄糖混合體系的DSC糊化溫度及焓值。從表2中數據可以看出,添加聚葡萄糖后,大米淀粉的糊化的起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、結束溫度(Tc)向高溫方向移動,且存在顯著差異(p<0.05),與RVA糊化特性測定中的糊化溫度升高相一致;糊化焓值則隨著聚葡萄糖的加入而降低,從13.2 J/g降低到9.71 J/g,降幅約為26.44%,進一步說明了聚葡萄糖與淀粉競爭水分子,抑制大米淀粉的吸水、膨脹及糊化,且滲漏出的大米直鏈淀粉變少,淀粉結晶區與非結晶區構型發生變化,融化所需的焓值降低。

表2 大米淀粉/聚葡萄糖體系的DSC糊化溫度和焓值

由表3中數據可知,隨著冷藏時間的延長,大米淀粉凝膠的老化焓值均不斷增大,但添加聚葡萄糖后,老化焓值會顯著降低。原大米淀粉凝膠在4 ℃冷藏放置28 d后,其老化焓值增加到4.34 J/g,當添加5%聚葡萄糖時,其老化焓值為3.74 J/g,而當添加20%聚葡萄糖時,其老化焓值降到2.67 J/g,這說明聚葡萄糖可以抑制大米淀粉凝膠的長期老化。這主要是因為聚葡萄糖分子量小且分子結構中含有羥基,在冷藏過程中,會與部分支鏈淀粉分子的短側鏈結合,阻礙了支鏈淀粉分子通過氫鍵締合,抑制支鏈淀粉重結晶形成有序的晶體結構,結晶熔融所需的熱量降低,即支鏈淀粉的重結晶度降低,大米淀粉凝膠老化程度降低[11]。

表3 糊化后的大米淀粉/聚葡萄糖體系在4 ℃冷藏不同天數的老化焓值

2.3 聚葡萄糖對大米淀粉凝膠晶體結構的影響

圖1是原大米淀粉與冷藏14 d的大米淀粉/聚葡萄糖混合體系的XRD衍射圖譜結果,每個衍射圖譜均有衍射峰,說明原大米淀粉與大米淀粉凝膠中均有晶體存在。由圖1可以看出,原大米淀粉的XRD衍射結果中,2θ角分別在15 °、17 °、18 °和23 °出現衍射峰,為典型的A型結晶峰[12];而在4 ℃冷藏14 d后的大米淀粉凝膠的XRD衍射結果中,峰值位置發生變化,在17°出現特征峰,為B型結晶峰[13],這個特征峰主要是支鏈淀粉的長期老化引起的。隨著聚葡萄糖添加比例的增大,大米淀粉/聚葡萄糖體系的B型特征峰強度變弱。圖1中左側標注的數據是其對應樣品的相對結晶度,可以看出,添加聚葡萄糖后,大米淀粉凝膠的相對結晶度從14.09%降到8.61%,與DSC老化焓值測定結果一致,說明聚葡萄糖對大米淀粉凝膠的重結晶有一定的抑制作用。

圖1 原大米淀粉和大米淀粉/聚葡萄糖體系的X-衍射圖譜

2.4 聚葡萄糖對大米淀粉凝膠微觀結構的影響

由圖2可以看出,大米淀粉凝膠呈蜂窩狀結構,其中的孔洞是由于大米淀粉凝膠在4 ℃冷藏過程中支鏈淀粉分子重結晶,發生不同程度的長期老化,導致大米淀粉凝膠結構中含有重結晶脫出的水,真空冷凍干燥過程中,脫出的水先凍成冰晶,冰晶再揮發造成的[14]?？锥丛酱?重結晶度就越高,老化程度越高。添加聚葡萄糖后,大米淀粉凝膠表面孔洞縮小,表面更加細致、光滑,說明大米淀粉凝膠中重結晶脫出的水變少,重結晶度降低,再一次證明了聚葡萄糖可以延緩大米淀粉凝膠的長期老化。

圖2 糊化后的大米淀粉/聚葡萄糖體系在4 ℃冷藏14 d后的SEM圖(200×)

3 結論

隨著聚葡萄糖添加量的增大,大米淀粉的糊化黏度、崩解值、回生值和糊化焓值都顯著降低,主要是因為聚葡萄糖與水分子的結合力高于淀粉與水分子之間的結合力,與淀粉分子競爭水分子,抑制淀粉分子的吸水、膨脹及糊化,從而抑制大米淀粉凝膠的短期老化。在4 ℃下冷藏不同天數后,大米淀粉的老化焓值不斷增大,表明在冷藏過程中,大米淀粉凝膠發生長期老化;添加聚葡萄糖后,大米淀粉凝膠老化焓值從4.34 J/g降到2.67 J/g,下降顯著(p<0.05),說明聚葡萄糖可以減弱支鏈淀粉分子間形成氫鍵的能力,抑制大米淀粉凝膠的重結晶,延緩大米淀粉的長期老化。XRD結果表明,冷藏后大米淀粉凝膠的結晶類型發生變化,與原大米淀粉凝膠相比,相對結晶度從14.09%降到8.61%。根據掃描電子顯微鏡結果可以看出,大米淀粉凝膠呈蜂窩狀結構,添加聚葡萄糖后,表面更致密、光滑,說明大米淀粉凝膠保水性增強;孔洞變小,說明重結晶度降低,再一次證明聚葡萄糖可以抑制大米淀粉凝膠的老化。

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