不同DE值馬鈴薯淀粉基脂肪模擬物性質研究

劉 穎,劉羽萌,竇博鑫

(哈爾濱商業大學食品工程學院,黑龍江省高校食品科學與工程重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076)

脂肪模擬物是一種在感官性質和理化性質上模擬脂肪并且具有類似脂肪口感的物質,熱量較低,但是并不能完全替代脂肪[1-3]。其中以淀粉為基質的碳水化合物型脂肪模擬物因為其良好的口感和低廉的成本價格得到了人們的廣泛青睞。脂肪模擬物的制備常采用酸法和酶法,其中酶法的工藝條件溫和,副反應少,無需中和脫鹽[4-6]。

耐高溫α-淀粉酶是一種內切酶,其水解方式是沒有規律的隨機水解分子中間部位的α-1,4糖苷鍵。隨著水解時間的不斷變化,所制備的脂肪模擬產品的化學性質和物理性質也在發生明顯變化[7]。DE值即葡萄糖含量占總干物質的百分數,DE的大小可以間接表示淀粉的水解程度,DE值越高表示淀粉的水解程度越大。DE值是淀粉基制品能否成為脂肪替代物的關鍵[8-9]。

不同種類的食品對脂肪模擬物所需要具備的性質要求各不相同,例如奶油和色拉以及一些奶制品調味料要求模擬物具有良好的乳化性和乳化穩定性[10]。肉制品則要求脂肪模擬物具有較高的凝膠強度、持水性和凍融穩定性[11]。因此掌握和了解脂肪模擬物的理化性質就顯得至關重要。本文通過耐高溫α-淀粉酶改性的方法制備不同DE值的馬鈴薯淀粉基質脂肪模擬物,并對不同DE值脂肪模擬物的理化性質進行了比較,為脂肪模擬物最終在低脂產品中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉 哈爾濱市如意淀粉廠;耐高溫α-淀粉酶(酶活力104U/mL) 阿拉丁生化科技股份有限公司;馬鈴薯淀粉基質脂肪模擬物[12]實驗室自制;大豆色拉油 黑龍江九三油脂廠；氯化鈣、鹽酸 哈爾濱市新達化工廠；氫氧化鈉 天津市大陸化學試劑廠。

DHG-9141A型電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;DHP-9162B型電熱恒溫培養箱 上海一恒科學儀器有限公司;JA1003N電子天平 上海菁海儀器有限公司;TA New Plus質構儀 Isenso Inteligent Technology;TDZ4-WS醫用離心機 湖南湘儀儀器有限公司;pH計PHS-3C 上海儀電科學儀器股份有限公司；SEM掃描電子顯微鏡 Hitachi Science Systems,Lid。

1.2 實驗方法

1.2.1 脂肪模擬物的制備 取耐高溫α-淀粉酶1 mL用蒸餾水定容于1000 mL的容量瓶中。取80 mL的蒸餾水于200 mL的錐形三角瓶中,加入160 mL濃度200 mmol/L的CaCl2溶液,在95 ℃的水浴鍋中加熱。加入7.5 mL酶的稀釋液及淀粉漿(15 g淀粉于20 mL蒸餾水中)快速攪拌,在30 s內使溶液溫度達到95 ℃。攪拌10 min后,用l mol/L鹽酸滅酶,調pH小于2.0。待溫度冷卻到60 ℃時滅酶結束,1 mol/L氫氧化鈉調pH至6.5[13]。在制備過程中,通過改變酶解時間和反應溫度來得到不同DE值脂肪模擬物樣品。

1.2.2 持水性測定 分別稱取2.0 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的模擬物樣品,用蒸餾水將其配制成質量分數分別為10%和30%的糊液,混勻后,在4000 r/min離心20 min[14]。按下式計算持水性。

式中,M1為樣品中水分質量,g;M2為離去水分質量,g;M3為模擬物質量,g。

1.2.3 持油性測定 分別稱取2.0 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的模擬物樣品,用大豆色拉油將其配制成質量分數分別為10%和30%的液固混合物,混勻后,在4000 r/min離心20 min[15]。按下式計算持油性。

式中,M1為樣品中油的質量,g;M2為離去油的質量,g;M3為模擬物質量,g。

1.2.4 水溶性測定 冷水(25 ℃)水溶性的測定:分別稱取14 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的樣品,用蒸餾水將其配制成質量分數為10%的糊液,混勻后,在4000 r/min離心15 min[16],記錄上清液的重量。然后取5 g上清液于105 ℃鼓風干燥箱中烘干,稱量鋁盒中剩余固形物的重量。

熱水(70 ℃)水溶性的測定:分別稱取14 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的樣品,用蒸餾水將其配制成質量分數為10%的糊液,加熱到70 ℃后離心,以同樣方法測定其溶解性。按下式計算水溶性。

式中,M為上清液中總固形物質量,g;M1上清液總質量,g;M2為鋁盒中固形物質量,g。

1.2.5 凍融穩定性測定 分別稱取1.0 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的樣品,用蒸餾水將其配制成質量分數為7%的漿液,在70 ℃的水浴鍋中保溫20 min,然后將其放入-18 ℃的冰箱中冷凍24 h,取出后于室溫下自然的解凍8 h,在3000 r/min下離心20 min[17]得到凝膠。按下式計算析水率。離心后析水率越大凍融穩定性越差。

式中,M1為漿液總重,g;M2為凝膠總重,g。

1.2.6 凝膠性測定 分別稱取3.0 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的樣品,用蒸餾水將其配制成質量分數為30%的糊液,加熱至70 ℃,在2 ℃下放置約12 h形成凝膠后,采用質構儀測定凝膠性質。測定條件:探頭型號P/0.5,下壓速度2.0 mm/s,接觸凝膠后速度1.0 mm/s,提升速度2.0 mm/s[18]。其中凝膠硬度(強度)是指第一次穿破樣品時的壓力峰值。

1.2.7 乳化性和乳化穩定性的測定 乳化性:分別稱取1.0 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的樣品,加入25 mL的蒸餾水,于沸水浴加熱使之糊化,并保溫10 min,將25 mL大豆色拉油加入糊液中,冷卻至室溫,在2000 r/min下均質2次,每次30 s。將乳化液轉移至30 mL的離心管中,在3500 r/min下離心15 min。記錄乳化層高度和液體總高度,按下式計算乳化性[19]。

乳化穩定性:乳化后的樣品放置24 h,在3500 r/min下離心約15 min,記錄乳化層高度和液體總高度。按下式計算乳化穩定性。

式中,M1為乳化層高度,cm;M2為液體層高度,cm。

1.2.8 凝沉性測定 分別稱取0.3 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的樣品,用蒸餾水將其配制成質量分數為1.2%的乳液,于沸水中加熱糊化,并保溫15 min,冷卻至室溫,將淀粉糊放入25 mL具塞刻度管中,在25 ℃恒溫箱中靜置,分別記錄下經糊液0、l、2、4、5 d后上清液的體積[20]。

1.2.9 不同DE值模擬物顆粒形貌 利用SEM掃描電子顯微鏡對樣品顆粒進行形貌觀察。用專用棉棒將樣品敷在貼有專用雙面膠的樣品臺上,用吸耳球吹散使樣品均勻、盡可能單層貼于樣品臺,將樣品進行兩次噴金后用SME觀察,設置測試電壓20 kV,根據需求在合適的放大倍數下掃描,觀察[21]。

1.2.10 不同DE值模擬物動態流變特性測定 選擇直徑60 mm夾具和振蕩測試程序。將樣品移至旋轉流變儀測定平臺,樣品間距選擇550 μm,刮去平板外多余樣品,在平板周圍涂抹低密度硅油,防止樣品水分散失。流變儀測試參數設置如下:選擇溫度掃描模式,由25 ℃程序升溫至100 ℃,升溫度速率均為5 ℃/min,設置頻率1 Hz,應變0.4%[22]。溫度掃描參數包括儲存模量(G′)、損耗模量(G″)的變化。升溫過程中G′、G″的最大值分別記為G′m、G″m,此時對應的系統溫度記為T′m、T″m。

1.2.11 數據分析 采用統計軟件SPSS 16.0和Microsoft Excel 2010對數據進行處理并以平均值±標準差表示;采用Origin 7.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 DE值對模擬物持水性的影響

由圖1可知,馬鈴薯原淀粉(DE=0)的持水能力較差,質量分數30%的不同DE值脂肪模擬物較原淀粉的持水性顯著增加(p<0.05),且質量分數為30%脂肪模擬物的持水性明顯大于質量分數為10%的脂肪模擬物;當脂肪模擬物的DE值大于3時,隨著其DE值的增加,模擬物持水能力下降。脂肪模擬物吸水溶脹,形成三維網狀的結構,呈現弱凝膠狀態,三維網狀結構可以將大量的水分子截留在網狀結構內部。但是原淀粉由于其分子羥基間氫鍵的作用,分子內的直鏈和支鏈淀粉相互結合纏繞,形成較大的顆粒和束狀結構,顆粒表面堅實致密并且不利于與水分子的結合,所以導致原淀粉持水能力不高。由于脂肪模擬物的濃度降低,會相應的導致模擬物溶液的凝膠強度和粘性降低,凝膠強度降低導致三維網狀結構變得疏松并且不能截留更多的水分,質量分數為10%脂肪模擬物持水性比質量分數30%脂肪模擬物持水性明顯降低[23]。因此,質量分數為30%、DE值在2～3之間的脂肪模擬物持水性較好。

圖1 DE值對模擬物持水性的影響Fig.1 The effect of the DE value on the hydrophilicity of the analogue注：不同大寫字母表示與原淀粉(30%)相比， 差異顯著(p<0.05)，圖2同。

2.2 DE值對模擬物持油性的影響

由圖2可知,馬鈴薯原淀粉(DE=0)的持油能力較差,質量分數為30%的脂肪模擬物在不同DE值時其持油性與原淀粉相比顯著增加(p<0.05),且質量分數為30%脂肪模擬物的持油性明顯大于質量分數為10%脂肪模擬物。

圖2 DE值對模擬物持油性的影響Fig.2 The effect of the DE value on the oilly

隨著DE值的增大,原淀粉經耐高溫α-淀粉酶糊化,分子鏈被截斷,小鏈分子較多。在麥芽糊精形成凝膠的過程中,活性結晶域減少,彼此連接的結點數目變少,所形成的三維網狀的凝膠其凝膠強度也減小。模擬物的凝膠強度降低,導致模擬物分子間的作用力降低,隨著水解程度增大形成的凝膠網狀結構降低,不能束縛較多的油,離心時會析出[24]。因此,質量分數為30%,DE值在2～3之間的脂肪模擬物持油性較好。

2.3 DE值對模擬物水溶性的影響

由圖3可知,馬鈴薯原淀粉在冷水中(25 ℃)水溶性為1.52%,在熱水(70 ℃)中的水溶性為100%。不同DE值脂肪模擬物在冷水(25 ℃)中水溶性均比原淀粉明顯增加(p<0.05)。隨著DE值的不斷增加,脂肪模擬物的水溶性先增大,在DE值大于3時開始逐漸減小。熱水(70 ℃)中的溶解性均為100%。

圖3 DE值對模擬物水溶性的影響Fig.3 The effect of DE value on the water solubility of analogue注：不同大寫字母表示與原淀粉比， 差異顯著(p<0.05),圖4～圖6同。

由于原淀粉溶液中淀粉分子鏈較長,分子鏈結合緊密,分子顆粒粒徑較大,所以原淀粉的吸水性較差,水分并不能將淀粉顆粒充分溶解。且原淀粉顆粒在吸水后會產生沉淀現象,導致馬鈴薯原淀粉的水溶性較差。而經耐高溫α-淀粉酶水解后的脂肪模擬物,由于水解反應使其粒徑減小,水解后其結構變得脆弱,并且分子表面多有孔洞,在混合時,與水分子接觸的表面積增大,使溶解更加快速充分,所以溶解度增加[25]。原淀粉和脂肪模擬物在熱水中都會形成凝膠結構,會將大量的水分子留在凝膠結構內,所以離心后沒有上清液出現。所以在70 ℃下水溶性比25 ℃下水溶性增大許多。因此,溫度為25 ℃、DE值在2～3之間的脂肪模擬物具有良好的水溶性,且溶解度較穩定,良好的水溶性可以使脂肪模擬物更大程度的溶解并充分添加到食品中,從而增大脂肪模擬物在食品中的替代率。

2.4 DE值對模擬物凍融穩定性的影響

由圖4可知,不同DE值脂肪模擬物的析水率顯著降低，表明其凍融穩定性較原淀粉(DE=0)均顯著增加(p<0.05);當模擬物DE值大于1時,隨著DE值的增加,模擬物的凍融穩定性沒有明顯大幅度變化。

圖4 DE值對模擬物凍融穩定性的影響Fig.4 The influence of DE value on the freeze-thaw stability of simulated objects

馬鈴薯原淀粉在高溫下糊化,經耐高溫α-淀粉酶水解后分解成許多直鏈小分子,小分子在低溫冷卻后纏繞形成強度很大的凝膠。被分解的直鏈淀粉及其小分支相互結合形成緊密的三維網狀結構,將大量水分截留在凝膠束內,膠束內網狀結構致密,即使在凍融解凍后離心水分子也不會析出。凍融穩定性的變化與直鏈淀粉含量有關,由于直鏈淀粉易重新排列和締合而發生凝沉現象,所以直鏈淀粉含量越高產品凍融穩定性越差。原淀粉較脂肪模擬物直鏈淀粉含量高,因此,原淀粉凍融穩定性比脂肪模擬物差。

不同DE值的脂肪模擬物與原淀粉相比均具有良好的凍融穩定性,說明脂肪模擬物產品在較低溫度也能保持良好的凝膠強度,在解凍后仍能保持較多水分,其模擬脂肪特性不會消失[26]。

2.5 DE值對模擬物凝膠性的影響

由圖5可知,原淀粉的凝膠強度較高,隨著DE值的增加,模擬物的凝膠強度逐漸降低,并且脂肪模擬物DE值在0～1的范圍內時凝膠強度降低的最為顯著(p<0.05)。當DE值在2～3的范圍內時,其凝膠強度并沒有發生明顯變化;當DE值大于3時,脂肪模擬物幾乎不能形成凝膠[27]。

圖5 DE值對模擬物凝膠性的影響Fig.5 The effect of DE value on the simulation of gels

在淀粉糊靜止時,溶液中的淀粉分子是隨機運動的,且分子排列不規律。原淀粉分子顆粒較大,分子鏈較長并存在許多支鏈。這些支鏈緊密纏繞形成束狀結構,這種束狀結構成為在探頭下壓時的主要阻力。隨著探頭的不斷下壓,凝膠表面逐漸被切開,其中的一些分子隨著下壓的阻力卷入其中。隨著DE值的增加,淀粉的水解程度增大使得模擬物中的長分子鏈被水解,分子間相互纏繞的阻力降低,并且隨著水解程度的增大分子間粘度逐漸降低,不能夠形成穩定的弱凝膠狀態,使其凝膠性下降。穩定的弱凝膠狀態可以更好的模擬脂肪的結構以及脂肪的粘彈性,產生類似脂肪柔滑的口感。因此,DE值2～3之間的脂肪模擬物更適用于應用到食品生產中。

2.6 DE值對模擬物乳化性及乳化穩定性的影響

由圖6可知,不同DE值脂肪模擬物與原淀粉(DE=0)相比,其乳化性和乳化穩定性均有較大幅度的提高;當DE值在2～3范圍內時,模擬物的乳化性和乳化穩定性顯著提高(p<0.05),DE值大于3時乳化性和乳化穩定性均呈現下降趨勢。

圖6 DE值對模擬物乳化性及乳化穩定性的影響Fig.6 The influence of DE value on emulsification and emulsification stability of emulsification

隨著DE值的不斷增大,乳液粒子間的排斥力增大,阻止粒子的進一步聚集,所以乳化性逐漸降低[28]。因此,DE值2～3之間的脂肪模擬物具有良好的乳化性和乳化穩定性,可作為一種新型的乳化劑和乳化穩定劑應用到食品中。

2.7 DE值對模擬物凝沉性的影響

由圖7可知,馬鈴薯原淀粉(DE=0)的凝沉性較大,即馬鈴薯原淀糊溶液不穩定,易發生沉淀、老化;脂肪模擬物凝沉性有明顯下降趨勢,即模擬物較原淀粉相比不易發生沉淀,溶液較穩定,且隨著DE值的增加,脂肪模擬物的凝沉性增大。由于淀粉分子之間直鏈分子含量較多并且纏繞結合成緊密的束狀結構,從而所形成的淀粉顆粒體積較大,淀粉顆粒的粒徑較大。當束狀結構纏繞增大到一定體積以后,淀粉顆粒吸水便會形成沉淀。淀粉溶液會呈現渾濁或具有明顯分層的現象。淀粉凝沉性受多種因素的影響,如淀粉分子大小、結構、濃度、溫度、pH等,一般溫度大于50 ℃或小于-20 ℃時不易產生凝沉現象[29]。

圖7 DE值對模擬物凝沉性的影響Fig.7 The effect of DE value on the coagulation of analog objects

馬鈴薯原淀粉經過溶解、加熱,形成淀粉糊。淀粉內分子吸水溶脹,隨著水解時間的延長,淀粉內分子從自然的締合逐漸變成緊密的結合,形成較致密的網狀結構,結合緊密的大分子使淀粉糊變得渾濁或分層。隨著DE值的不斷增加,馬鈴薯原淀粉的水解程度逐漸增高,其直鏈部分被水解成更多的小分子,小分子鏈不易于結合且結合不緊密,所以不容易發生凝沉現象。因此,脂肪模擬物與原淀粉相比穩定性較好,內部結構較穩定,不易發生凝沉現象,可延長脂肪模擬物保質期。

2.8 脂肪模擬物微觀形態觀察

如圖8所示,原淀粉的表面光滑,無空隙,顆粒粒度較大。脂肪模擬物的微觀結構比較粗糙,表面出現明顯的孔洞,顆粒較原淀粉較小;隨著DE值的逐漸增加,生成小分子物質增多,顆粒表面變得疏松且凹凸不平,且顆粒尺寸大小分布不一,模擬物平均粒徑明顯變小。

圖8 模擬物掃描電鏡照片(1000×)Fig.8 SEM scan of the fat mimetic(1000×)

2.9 不同DE脂肪模擬物動態流變特性

隨著溫度的不斷上升,G′和G″出現下降趨勢。在溫度逐漸升高的過程中,淀粉顆粒受熱可以更好的吸收水分,所以不斷的膨脹。由于體積分數的增大,淀粉分子內不能夠包裹更多的直鏈分子,導致直鏈淀粉不斷的從淀粉顆粒中滲出,被滲出的直鏈淀粉與淀粉顆粒不斷的纏繞包圍,形成了結實致密的網狀結構。但是隨著溫度持續不斷的升高,可使其結構外圍小分子部分融化,導致其顆粒表面變得柔和更容易融化[30]。另一方面可能是由于溫度升高,分子不斷的吸水潤漲,潤漲到極致的淀粉粒發生破裂引起了G′、G″的下降。總體來看G′均大于G″,由于G′和G″分別表征樣品的彈性特征和粘性特征,說明樣品具有溶膠和凝膠之間的力學物性,同時具有粘性和彈性性質,并彈性性質占相對主導[31]。支鏈淀粉的分支點和直鏈淀粉部分鏈段構成淀粉的無定形區,解釋了淀粉粒有彈性形變的現象。

圖9 不同DE值脂肪模擬物的儲存模量G′ 和損耗模量G″的變化曲線Fig.9 The change modulus of storage modulus G′ and loss modulus G″ of different DE fats mimics

3 結論

馬鈴薯淀粉經耐高溫α-淀粉酶改性后制備脂肪模擬物,較原淀粉而言持水性、持油性和凍融穩定性均顯著增加;回生凝沉現象明顯下降;DE值在2～3之間的模擬物膠體溶液較原淀粉具有較好的乳化性、乳化穩定性、持水、持油能力和凍融穩定性,回生凝沉現象較原淀粉有所下降,使脂肪模擬物變得更不易老化。在DE值2～3之間的模擬物凝膠性較穩定,形成相對穩定的弱凝膠,可以更好的模擬脂肪結構和口感。

對DE值2～3脂肪模擬物微觀結構觀察表明,原淀粉分子經糊化后充分水解形成小分子,表面粗糙出現明顯孔洞。隨著DE值的增加,生成小分子物質增多,顆粒表面變得疏松且凹凸不平,粒徑較原淀粉相比明顯變小。

對DE值2～3脂肪模擬物動態流變學特性研究中,隨著溫度的不斷上升,G′和G″出現下降趨勢,且G′均大于G″。說明樣品具有溶膠和凝膠之間的力學物性,同時具有粘性和彈性性質,并彈性性質占相對主導。所以,DE值在2～3的脂肪模擬物具有可以作為脂肪模擬品的特性,可以應用在食品中。

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