高靜壓處理對蓮藕淀粉糊化、流變及質構特性的影響

陳巧莉 張甫生 陳厚榮 廖珠玲 何英杰

(西南大學食品科學學院，重慶 400715)

蓮藕淀粉是常見的食用淀粉，也是食品加工的重要原料，其市場需求量極大[1]。研究表明，蓮藕淀粉的熱穩定性、抗剪切性差，且冷卻條件下不易形成凝膠[2]；此外，與葛根淀粉、玉米淀粉相比，蓮藕淀粉中直鏈淀粉含量高，更易老化[3]，一定程度上限制了其在食品、醫藥及紡織領域的發展。因此，為了克服蓮藕淀粉加工性能上的不足，擴大其應用范圍，對蓮藕淀粉進行改性研究已成為熱點[4-6]；此外因化學改性存在試劑殘留等安全問題，故近年來興起的高靜壓等物理加工技術為蓮藕淀粉改性提供了一種新思路。

高靜壓(High Hydrostatic Pressure, HHP) 技術是在相對溫和條件下對食品原料加以100～1 000 MPa的壓力，以改善食品質地結構、延長食品保質期的一項新型非熱加工技術[7-8]。HHP改性處理可以不同程度地降解淀粉顆粒結構，進而改變淀粉的理化性質[9]。目前高靜壓改性淀粉的研究大多集中在宏觀性質與顆粒結構上，如Vallons等[10]發現超高壓改性淀粉的糊化特性與回生特性優于傳統熱糊化淀粉；Tan等[11]研究顯示高靜壓可提高板栗淀粉的儲存模量和凝膠強度，并增強淀粉的抗凝沉性；孫沛然等[12-13]研究顯示超高壓處理可顯著降低秈米淀粉、糯米淀粉和蓮子淀粉的老化程度；Blaszczak等[14-15]研究表明木薯淀粉、玉米淀粉經高靜壓處理后結晶結構消失，黏度升高，可用作即食粥等產品的增稠劑和抗淀粉老化劑等。

綜上，高靜壓改性能有效地改善淀粉抗凝沉性、抗老化等特性，目前關于壓力對淀粉改性的文獻較多，關于保壓時間和水分含量對淀粉性質影響的研究較少；且尚未見采用高靜壓技術改善蓮藕淀粉宏觀性質的報道[16]。基于此，本試驗系統研究不同壓力、淀粉乳濃度和保壓時間對蓮藕改性淀粉的糊化、流變及質構等宏觀特性的影響，以期為改善蓮藕淀粉的加工性能，拓寬其在食品加工中的應用領域，并為高靜壓改性其它淀粉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

蓮藕淀粉：安徽省樅陽縣企發藕粉食品有限公司。

1.2 試驗儀器與設備

高壓設備：HHP-750型，包頭科發高壓科技有限公司；

高精數顯電子天平：FA2104型，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9140A型，上海齊欣科學儀器有限公司；

數顯恒溫水浴鍋：HH-2型，常州奧華儀器有限公司；

快速黏度分析儀:RVA-TecMaster型，瑞典波通儀器有限公司；

旋轉流變儀：DHR-1型，美國TA公司；

物性測定儀：CT3型，美國Brookfield公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 蓮藕淀粉的高壓處理

(1) 配制30 g/100 g的蓮藕淀粉懸浮液，裝入耐高壓袋中真空封口并充分搖勻，分別在壓力梯度0，200，300，400，500，600 MPa下處理20 min。

(2) 配制30 g/100 g的蓮藕淀粉懸浮液，裝入耐高壓袋中真空封口并充分搖勻，在壓力為600 MPa下處理分別處理10，20，30，60 min。

(3) 分別配制10，20，30 g/100 g的蓮藕淀粉懸浮液，裝入耐高壓袋中真空封口并充分搖勻，分別在壓力為600 MPa下處理20 min。

樣品取出抽濾，于40 ℃烘箱中烘干后，裝入自封袋內密封，常溫保存備用。

1.3.2 淀粉糊化過程的測定 采用快速黏度分析儀(RVA)測定淀粉的糊化黏度，并繪制曲線，準確稱取2 g淀粉，加入25 mL去離子水，混合于RVA專用鋁盒內配制成一定濃度的淀粉乳。測定過程設定：在50 ℃下保溫2 min后，以12 ℃/min 的速率將其從50 ℃加熱到95 ℃，在95 ℃下保溫2.5 min，再以同樣的速率降到50 ℃。測定過程中，前10 s內攪拌速率為960 r/min，而后攪拌速率均為160 r/min。

1.3.3 靜態流變特性的測定 采用平板-平板測量系統，平板直徑40 mm，設置間隙1 mm，測定溫度25 ℃，加入糊化好的樣品(6%淀粉乳沸水浴糊化30 min)，輕輕刮去平板周圍多余的樣品。測定過程設定：溫度25 ℃，剪切速率從0～300 s-1遞增，每30 s記錄一個點，記錄該過程中剪切應力的變化情況。運用冪定律(Power law模型)對數據點進行回歸擬合，剪切應力按式(1)計算:

τ=Kγn，

(1)

式中：

τ——剪切應力，Pa；

K——稠度系數，Pa·sn；

γ——剪切速率，s-1；

n——流體指數。

1.3.4 動態黏彈性測定 在溫度25 ℃，掃描應變值1%，振蕩頻率0.1～10 Hz下，測定糊化好的樣品(6%淀粉乳沸水浴糊化30 min)貯能模量G′和損耗模量G″隨角頻率的變化情況。

1.3.5 凝膠質構測定 將糊化好的樣品(6%淀粉乳沸水浴糊化30 min)在室溫下冷卻密封，于4 ℃下冷藏24 h后，用物性測定儀進行質構測定。測定條件：TPA模式，TA5探頭(直徑12.7 mm的圓柱狀平頭探頭)，測定過程速度均為1.0 mm/s；壓縮程度40%；觸發力5 g。

1.4 數據處理

試驗結果用“平均值±標準差”表示。所有試驗均重復進行3次。圖表繪制采用軟件Origin 8.1，數據的方差分析應用SPSS 17.0統計軟件，平均值之間的差異性使用Duncun法(P<0.05)進行比較。

2 結果與分析

2.1 高靜壓對蓮藕淀粉糊化特性的影響

高靜壓處理后蓮藕淀粉的糊化特性參數見表1。由表1可知，與原淀粉相比，經200～500 MPa不同壓力處理后，峰值黏度、谷黏度、終值黏度和糊化溫度分別升高2.40%～20.63%，7.60%～37.10%，3.10%～24.47%，2.70%～14.17%，崩解值和回生值相差不大。當壓力上升到600 MPa時，峰值黏度和崩解值分別降低37.65%和96.49%，而谷黏度、終值黏度、回生值及糊化溫度各升高了13.38%，13.43%，13.54%，17.40%。這與Li等[17]研究高壓處理對綠豆淀粉糊化性質的影響結果類似，即600 MPa處理可明顯改變淀粉的糊化特性，其中崩解值越小，表明淀粉的抗熱及抗剪切性越強[18]。蓮藕淀粉的上述變化主要是200～500 MPa 處理時，隨著處理壓力的升高，淀粉顆粒受擠壓重排程度加深，其結構變得越致密，故加熱后各黏度值和糊化溫度持續上升；而當壓力至600 MPa時，因蓮藕淀粉已達被完全破壞的臨界點，原有顆粒被破壞降解，顆粒之間相互黏連成塊；由于塊狀淀粉吸水膨脹能力顯著減弱或喪失，故導致其在加熱糊化過程中各糊化特征值和較低壓力處理下的產生較大差異[19]。

不同濃度的蓮藕淀粉經600 MPa高壓處理后差異較大，相對于原淀粉，淀粉濃度在10%～20%時，蓮藕淀粉的峰值黏度、谷黏度、崩解值、終值黏度和回生值分別降低63.01%～80.28%，34.63%～67.36%，95.19%～95.73%，37.24%～60.12%，43.23%～43.45%，其起始糊化溫度升高2.5%～5.9%；而當淀粉乳濃度為30%時，除峰值黏度和崩解值分別下降37.65%和96.49%外，谷黏度、終值黏度、回生值和糊化溫度均高于原淀粉，分別提高了13.38%，13.43%，13.54%，17.40%。出現這種較大差異的原因主要是高靜壓導致淀粉糊化的過程是通過水合作用實現的，需要有自由水的存在[20]。當淀粉濃度提高到30%時，自由水的含量降低，從而使淀粉糊化的進程受到一定程度的抑制，故相對于較低濃度處理的淀粉，30%濃度處理下淀粉糊化特征值下降程度較小，甚至有所上升。不同濃度處理均降低蓮藕淀粉的崩解值，淀粉的穩定性增加，且在10%～20%時600 MPa高壓處理還使其回生值明顯降低，蓮藕淀粉的抗老化能力得到有效提高。此外，保壓時間對蓮藕淀粉的糊化特性參數影響也較大，當保壓時間為10～20 min時，谷黏度、終值黏度、回生值、糊化溫度分別升高13.38%～24.48%，13.43%～22.29%，13.54%～17.25%，2.51%～17.40%，峰值黏度及崩解值分別下降30.44%～37.65%，93.76%～94.50%；由表1可知，當處理時間超過30 min時，蓮藕淀粉的谷黏度、崩解值、峰值黏度、回生值及糊化溫度等均無法得到。而終值黏度在處理30 min時略微上升3.5%，超過30 min后，顯著下降39.22%。這表明保壓時間達到30 min以上時，淀粉已被完全糊化，內部結構遭到破壞，且淀粉顆粒體積增大，導致在加熱過程中淀粉的膨脹能力受限，整體黏度較低，存在終值黏度但無峰值黏度等參數。這與Bauer等[21]的研究結果一致，即在一定的溫度和壓力條件下，處理時間越長，淀粉糊化度越高。

2.2 靜態流變特性測定

淀粉的流變特性會影響相關食品的黏稠度、穩定性以及其加工過程中原料的運輸、攪拌、混合及能量損失等，進而影響淀粉的應用范圍。高靜壓處理后蓮藕淀粉的流變曲線見圖1。由圖1可知，不同處理條件下的流變曲線彎曲程度不一，但都不同程度地凸向剪切應力軸，故可判斷它們都為非牛頓流體，且剪切應力隨剪切速率的增加而增大，具有假塑性流體的特性[22]。其中，當壓力為0～500 MPa時，隨著壓力上升，流變曲線凹向剪切應力軸的程度變大，更加趨向于非牛頓流體；而當壓力上升到600 MPa時，淀粉的流變曲線圖和原淀粉相比，較遠離剪切應力軸，其非牛頓流體性質減弱[圖1(a)]。隨著淀粉濃度從10%升高到30%，流變曲線凹向剪切應力軸的程度逐漸增大，表現出較強的非牛頓流體性質，但都低于原淀粉，特別是當濃度從10%增加到20%時，曲線變化程度明顯增大，非牛頓流體性質更加顯著[圖1(b)]。保壓時間[圖1(c)]對流變曲線變化影響也較大，總體上流變曲線越來越趨近于剪切速率軸，特別是當保壓時間大于20 min時，趨勢更明顯，保壓時間的延長使淀粉的非牛頓流體性質減弱程度增大。

同時采用冪定律分別對高靜壓處理后蓮藕淀粉曲線的數據點進行擬合(P<0.05)，結果見表2。由表2可知，在所有的處理條件下，蓮藕淀粉的決定系數R2均大于0.99，表明該模型對蓮藕淀粉的擬合精度較高。流體指數n均小于1，表明高靜壓并沒有改變蓮藕淀粉的流體類型，仍為假塑性流體。稠度系數K與增稠能力有關，K越大，增稠效果越好[22]。在0～500 MPa壓力處理下，稠度系數K隨著壓力的升高而提高，說明整個體系的稠度增加，表明在這個壓力范圍內，高靜壓處理對蓮藕淀粉有較好的增稠作用。這可能是在一定的壓力作用下，淀粉分子之間受到擠壓，顆粒結構更加致密，以致其在外力作用下不易伸展變形[23]；但當壓力達600 MPa時，由于淀粉顆粒受到破壞降解，外力作用時較易伸展變形[23]，故稠度系數K與原淀粉相比明顯下降，增稠效果減弱。同時當淀粉濃度從10%上升到30%時，稠度系數K增大，而流體指數n減小，表明其流動性減弱，越傾向于非牛頓流體。這是由于淀粉濃度越大，淀粉分子之間的作用力就越強，顆粒之間更容易黏連聚集，較難通過氫鍵方式和水分子結合，從而淀粉顆粒在高靜壓作用下伸展變形程度減小，結構難以被破壞，故稠度系數增大[24]。此外，延長保壓時間，稠度系數K劇烈下降，增稠效果明顯減弱。特別是當處理時間達到60 min時，增稠效果最差。這是由于隨著保壓時間的延長，淀粉顆粒受到更大程度的破壞，吸水膨脹能力下降，糊化后淀粉黏稠度與凝膠性降低[25]。

表1 高靜壓處理蓮藕淀粉的糊化特征參數?

? 同列不同字母表示各數據間有顯著性差異(P<0.05)。

圖1 不同高壓處理下蓮藕淀粉的流變曲線圖

2.3 動態黏彈性

動態黏彈性可測定樣品的黏彈性，對食品加工特性及產品質量控制具有重要的作用[26]。其中，儲能模量(G′)表示樣品形變過程中的彈性大小，而損耗模量(G″)則表示其黏性大小[27]。高靜壓處理蓮藕淀粉的動態黏彈性見圖2。由圖2可知，所有處理條件下蓮藕淀粉的G′均大于相對應的G″，說明所有淀粉體系的黏彈性都以彈性為主，G′和G″曲線在角頻率掃描范圍內未有交叉現象，說明蓮藕淀粉在處理前后表現為弱凝膠狀態[28]。

在0～500 MPa時，G′和G″隨著角頻率的增加而增加，但當壓力升高到600 MPa時，G′和G″下降且低于原淀粉[圖2(a)]。這與Vallons等[29]的研究一致，即一定壓力范圍內，G′和G″隨處理壓力的升高而增大,而過高壓力則使G′和G″降低。可能是淀粉顆粒在600 MPa高壓下受到一定程度的破壞降解，吸水膨脹能力降低，導致淀粉糊的凝膠強度減弱[30]。同時G′和G″淀粉濃度在10%～30%時均逐漸增大，但最終都小于原淀粉所對應的[圖2(b)]，主要是高濃度淀粉的有效水分含量減少，抑制部分淀粉顆粒被破壞，而未被破壞的部分淀粉在糊化過程中仍具有較強的吸水膨脹能力，最終形成強度較大的凝膠[30]。另外，隨保壓時間的延長，G′和G″也降低且均小于原淀粉的[圖2(c)]，原因為600 MPa高壓下淀粉顆粒已受到破壞，隨保壓時間的延長，其破壞程度增加，淀粉顆粒吸水膨脹能力也急劇下降，從而明顯減弱淀粉糊的凝膠強度，即表現在動態黏彈上為G′和G″減小[31]。

圖2 不同高靜壓處理下蓮藕淀粉貯能模量G′及G″隨時間變化曲線

Figure 2 Curve of storage modulusG′ andG″ of lotus root starch under different high hydrohydrohydrostatic pressure

表2 不同高壓處理下蓮藕淀粉流變特性的擬合參數?

? 同列不同字母表示各數據間有顯著性差異(P<0.05)。

2.4 質構特性

淀粉凝膠質構與食品品質特性密切相關，凝膠硬度、彈性、咀嚼性等特性對食品口感、持水性等有著重要影響[32]。高靜壓處理蓮藕淀粉的凝膠質構參數見表3。在200～500 MPa 壓力下，與原淀粉相比，凝膠的硬度、黏性、黏著性和咀嚼性分別下降13.16%～47.37%，12.90%～38.71%，11.11%～55.56%，6.024%～49.000%，彈性升高6.667%～41.550%；當壓力達到600 MPa時，凝膠的硬度、黏性、黏著性、咀嚼性的變化趨勢和200～500 MPa壓力處理后一致，且各指標下降更加顯著。因為高靜壓處理會對淀粉顆粒結構造成不同程度破壞，淀粉分子結構的變化還會導致淀粉發生糊化[33]，隨著壓力的升高，該作用越明顯，故各指標值呈現下降趨勢，且在600 MPa處理下最明顯。600 MPa下淀粉顆粒被嚴重破壞，淀粉分子水合能力顯著下降，加熱形成凝膠的強度較低[34]，故導致彈性也下降。

濃度變化對淀粉凝膠質構特性影響也較大，在10%～30%的濃度時，除內聚性外，凝膠的各質構指標值較原淀粉而言均顯著下降，但隨濃度的升高，凝膠質地下降不明顯。特別是30%濃度的淀粉凝膠，相比10%濃度淀粉凝膠，除硬度為其0.5倍外，黏性、彈性、黏著性和咀嚼性均分別為其各指標的2.0，2.3，1.3，1.2倍。這主要與水分含量對高靜壓的影響有關[35]，水分含量越小，高靜壓對淀粉的影響越小，淀粉破壞程度減弱，故高濃度處理較低濃度處理而言，指標值的變化程度減小。加壓時間對高靜壓處理蓮藕淀粉的質構影響也較大，在10～60 min的保壓時間內，淀粉凝膠各質構指標也呈下降的趨勢。尤其是加壓時間大于30 min時，各指標值下降速率更快；相比保壓30 min而言，60 min時凝膠的硬度、黏性、彈性、黏著性和咀嚼性顯著下降。保壓時間越長，蓮藕淀粉的破壞程度也越大，故各指標值下降程度也隨著保壓時間的延長而增加[36]。此外，不同高靜壓處理下，蓮藕淀粉的內聚性均未發生明顯變化，內聚性不僅受淀粉分子之間相互作用的影響，而且與直鏈淀粉含量、支鏈淀粉結構有關[37]，內聚性未發生變化的具體原因有待進一步研究。

表3 高靜壓處理下蓮藕淀粉的質構參數?

? 同列不同字母表示各數據間有顯著性差異(P<0.05)。

3 結論

高靜壓處理使蓮藕淀粉宏觀和微觀性質發生了一定的變化，如200～500 MPa時，蓮藕淀粉的各黏度值、糊化溫度、稠度系數K、G′和G″隨著壓力的增大均顯著升高；600 MPa時，崩解值顯著降低，且隨著淀粉濃度和保壓時間的增加，降低程度越明顯，淀粉抗剪切性提高；相對于蓮藕原淀粉，經10%～20%濃度處理后的蓮藕淀粉回生值降低，抗老化能力提高；經高靜壓處理后的蓮藕淀粉流體指數n均小于1，仍為假塑性流體。此外，增加淀粉濃度和減少保壓時間，蓮藕淀粉的彈性、咀嚼性顯著升高，硬度下降，但內聚性均未發生明顯變化。高靜壓處理使蓮藕淀粉的抗剪切性、抗老化性及質構特性在一定程度上得到改善，可以考慮將改性后的蓮藕淀粉應用于糖果、面包、果凍中，賦予產品良好的咀嚼性，或將其添加到醬料中起到穩定產品質感的作用。

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