海藻酸鈉膠凝與大米淀粉糊化共存體系的構建

周艷青，向忠琪，何 璐，趙文靜，楊 英*

（稻谷及副產物深加工國家工程實驗室，中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

淀粉是大米最主要的營養成分之一，有研究表明大米淀粉的回生是引起大米及其制品食用品質劣變的主要原因[1]，更是導致米制食品工業化生產受限的主要因素，因此有必要研究解決大米淀粉的回生問題。大米淀粉跟普通淀粉一樣以顆粒形態存在并由直鏈淀粉和支鏈淀粉構成，但大米淀粉顆粒呈現不規則的多邊形并且粒徑小至3～8 μm[2]。大米淀粉的回生是糊化后的淀粉分子從無序狀態通過重結晶作用逐漸變成有序狀態的過程[3-5]，因此可以嘗試通過調控淀粉分子之間相互作用過程，實現延緩大米淀粉回生的目的。目前，已有研究表明添加親水性膠體對淀粉糊化特性具有顯著性影響[6-8]，并對淀粉回生具有一定的抑制作用[9-11]。

海藻酸鈉是一種通過（1,4）-糖苷鍵將α-L-古洛糖醛酸（G鏈段）和β-D-甘露糖醛酸（M鏈段）相連而成的線性親水膠體，溶于水后可形成具有一定黏度的溶液體系[12-13]。由于海藻酸鈉結構簡單，易溶于水，并且其G鏈段可與鈣離子交聯形成致密的“蛋盒”狀凝膠結構[14-16]，因此，有不少研究利用這種凝膠調控水分子的運動情況[17]，并進行物質包埋和藥物緩釋[18-19]，以及制成薄膜而廣泛應用于食品包裝行業[20]。目前已有研究表明，海藻酸鈉會增加豌豆淀粉的糊化峰值黏度[21]和降低玉米淀粉的回生率[22]；而鈣離子會增加大米淀粉的糊化溫度[23]和海藻酸鈉-玉米淀粉體系的糊化焓值[24]。可見，海藻酸鈉和鈣離子很可能會影響大米淀粉的糊化過程和糊化后的狀態。但是，鮮見關于海藻酸鈉-鈣離子凝膠對大米淀粉糊化和回生特性影響的研究報道。

由Yang Ying等[25]建立的濃縮誘導型海藻酸鈉-鈣離子膠凝方法是一種操作簡便、條件可控的新型膠凝方法，主要通過熱處理引起的水分蒸發作用使海藻酸鈉-鈣離子混合溶液逐漸形成凝膠。由于淀粉糊化也需要在水分存在和加熱的條件下才能發生，若將適量的淀粉同配比合適的海藻酸鈉-鈣離子溶液混合后加熱，淀粉的糊化過程和海藻酸鈉-鈣離子膠凝過程應該會同時發生，而海藻酸鈉-鈣離子凝膠的形成很可能會牽制糊化后的淀粉分子的運動，從而減緩淀粉分子重排的速率，起到延緩淀粉回生的作用。為驗證這種可能性，本實驗采用濃縮誘導型海藻酸鈉膠凝方法，構建海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存的體系，主要采用流變學分析方法對該體系的原料配比進行研究，為利用濃縮誘導型海藻酸鈉凝膠抑制大米淀粉回生提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金龍魚清香絲苗米（秈米） 益海嘉里（南昌）糧油食品有限公司；海藻酸鈉 晶巖生物科技開發有限公司；無水氯化鈣 上海國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

DHR-2型動態流變儀 美國TA公司；FD5-4型真空冷凍干燥機 美國SIM公司；Nova Nano型SEM230掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM） 美國FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取與檢測

按一定料液比將大米倒入0.2 g/100 mL的氫氧化鈉溶液中浸泡6 h，再將其碾磨過篩，將得到的漿液倒入離心杯中，在4 000 r/min離心10 min，去除上清液及上層黃色物質，重復操作至無黃色物質出現。繼續加入純水洗滌樣品，直至樣品pH值呈中性。將樣品烘干，研磨成粉并過100 目篩，用自封袋保存備用。

所提取淀粉樣品的總淀粉含量測定：參照Megazyme總淀粉試劑盒測試方法；直鏈淀粉含量測定：參照GB/T 15683—2008《大米 直鏈淀粉含量的測定》[26]；水分含量測定：參照GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》[27]；脂肪含量測定：參照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》[28]；蛋白質含量測定：參照GB 5009.5—2016 《食品中蛋白質的測定》[29]。

1.3.2 樣品的制備

稱取適量海藻酸鈉，分別制備質量濃度為0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8 g/100 mL和2 g/100 mL的海藻酸鈉溶液（記為A）。

量取一定量蒸餾水將海藻酸鈉溶解，按照海藻酸鈉與鈣離子溶液體積比為1∶3的比例，將不同濃度的鈣離子溶液分別滴加到海藻酸鈉溶液中，使混合體系中鈣離子的濃度分別為0、2.0、3.0 mmol/L，即制成海藻酸鈉-鈣離子待測樣（記為AC0、AC2.0、AC3.0）。

量取一定量蒸餾水并將淀粉分散于其中，即制成淀粉待測樣（記為S）；量取等量蒸餾水將海藻酸鈉溶解，再將適量淀粉加入其中，充分混勻，即制成淀粉-海藻酸鈉待測樣（記為SA）；分別稱取2、4、6、8 g/100 mL和10 g/100 mL的大米淀粉加入鈣離子濃度為3.0 mmol/L的海藻酸鈉-鈣離子待測樣中，充分混勻制成淀粉與海藻酸鈉-鈣離子待測樣（記為SAC）。

1.3.3 流變測試

對海藻酸鈉溶液樣品進行穩流測試，測試條件為：在25 ℃，剪切速率由10 s－1升到200 s－1。

在100 ℃條件下將海藻酸鈉-鈣離子待測樣加熱0、20、30、40、50、60、70、80 min后分別取樣進行頻率掃描測試，測試條件為：先在溫度25 ℃、頻率1 Hz條件下對樣品進行0.1%～100%應變掃描，選擇合適的線性應變區間，再在所選應變區間及25 ℃對樣品進行0.1～10 Hz頻率掃描。

對選擇適宜濃度的海藻酸鈉-鈣離子待測樣進行時間掃描測試，測試條件為：先在溫度100 ℃、頻率1 Hz條件下，對樣品進行0.1%～100%應變掃描，選擇合適的線性應變區間，再在所選應變區間及100 ℃條件下，對樣品進行20 min的時間掃描。

分別對經過30 min加熱前后的SAC樣品和淀粉質量濃度合適并在100 ℃水浴下加熱0、5、10、15、20、25、30 min的S、SA、SAC樣品進行上述頻率掃描測試。

1.3.4 SEM測試

將糊化后的S、SAC冷凍干燥樣品制成5 mm×5 mm大小的薄片貼于金屬樁上噴金2 min后進行SEM測試，測試條件為：真空條件下，加壓電壓為20 kV，模式為二次電子。

1.4 數據處理

用Excel 2010處理數據和用Origin 8作圖。取多次測試平均值作為測試結果，并用power law模型分析穩流測試結果。

2 結果與分析

2.1 海藻酸鈉溶液質量濃度的選擇

圖1 海藻酸鈉溶液穩流特性隨其質量濃度的變化情況Fig. 1 Changes in steady fl ow properties of sodium alginate solution as a function of its concentration

為使擬構建的海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系含有足量的海藻酸鈉并具有較好的流動性，首先通過分析海藻酸鈉溶液的流動特性和黏度特性確定合適的海藻酸鈉質量濃度。通過power law模型參數流動指數n和黏稠指數k反映出的海藻酸鈉溶液的穩流特性如圖1所示。隨著海藻酸鈉溶液濃度的增加，n呈現穩定下降的趨勢，相應的k以海藻酸鈉溶液質量濃度1 g/100 mL為分界點先緩慢后急劇增加。顯然，海藻酸鈉溶液質量濃度過大會使體系的黏性大幅增強而流動性大幅減弱，不利于后期進行膠凝糊化共存體系的配制操作。但是，若海藻酸鈉溶液的質量濃度過小，則會導致能夠與鈣離子結合形成凝膠的海藻酸鈉過少，影響海藻酸鈉凝膠的形成。因此，為保證體系能夠形成海藻酸鈉凝膠，并且具有較好的流動性以便后續實驗操作，最終選擇海藻酸鈉的質量濃度為1 g/100 mL。

2.2 鈣離子濃度的選擇

為使擬構建的膠凝糊化共存體系含有足夠的鈣離子與海藻酸鈉形成凝膠，并具有非凝膠的初始狀態，本實驗接著通過分析體系狀態隨水分蒸發的變化情況確定鈣離子的濃度。由于動態流變參數儲存模量G’和損耗模量G”能夠有效地反映測試體系的黏彈性和物理狀態（當G’＜G”時，體系呈現似液狀態；當G’＞G”時，體系呈現似固狀態）[30]，本實驗主要通過動態流變測試分析樣品體系的物理狀態。

鈣離子初始濃度分別為0、2.0 mmol/L和3.0 mmol/L的海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系AC0、AC2.0和AC3.0樣品的G’和G′隨水分蒸發時間的變化情況如圖2所示。在水分蒸發前，AC0、AC2.0和AC3.0樣品的G′都小于對應的G′，并且它們的差值（G”－G’）依次減小；在水分蒸發過程中，3 個樣品的G’和G”都逐漸增大，但AC3.0和AC2.0樣品的G’不斷接近并先后超過對應的G”，而AC0的G’和G”始終保持近似的增速；當水分蒸發進行80 min時，AC3.0和AC2.0樣品的（G’－G”）值分別為68.7 Pa和207.0 Pa，而AC0樣品的G’仍小于G”。顯然，不含鈣離子的海藻酸鈉溶液（AC0）在水分蒸發過程中始終保持似液狀態（G’＜G”），而添加適量的鈣離子可使海藻酸鈉水溶性體系在水分蒸發過程中從似液狀態（G’＜G”）轉變成似固狀態（G’＞G”），并且增大鈣離子添加量在增強最終似固狀態的彈性（（G’－G”）值增大）的同時減弱了初始似液狀態的黏性（（G”－G’）值減小）。由海藻酸鈉與鈣離子能夠形成蛋盒型凝膠結構[15]可知，樣品體系經過水分蒸發作用后呈現的似固狀態就是體系中的海藻酸鈉與鈣離子形成凝膠的表現。因此，為使擬建體系具有良好的似液初始狀態以便后續實驗操作，并能通過適度的水分蒸發作用形成具有一定強度的海藻酸鈉-鈣離子凝膠，鈣離子的初始添加量必須小于海藻酸鈉與鈣離子形成凝膠臨界點的鈣離子濃度，但可以大于2.0 mmol/L（圖2）。

為確定擬建體系鈣離子的較適初始添加量，有必要測定出使海藻酸鈉形成凝膠的鈣離子臨界濃度。海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系狀態及鈣離子濃度隨水分蒸發量的變化情況如圖3所示，海藻酸鈉形成凝膠的臨界點（G’=G”）對應的鈣離子濃度為5.1 mmol/L，即使海藻酸鈉形成凝膠的鈣離子臨界濃度是5.1 mmol/L，因此擬建體系鈣離子的初始添加量應小于5.1 mmol/L。由于需要向海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系中添加淀粉才能完成膠凝糊化共存體系的構建，而添加淀粉會明顯減弱體系的流動性，并且淀粉糊化會從體系中搶奪水分從而加劇鈣離子的濃縮，因此鈣離子的初始添加量應與5.1 mmol/L有一定的距離，以保證擬建體系具有良好的流動性以便水分能夠均勻蒸發，并保證淀粉能夠在海藻酸鈉形成凝膠的過程中完全糊化。因此，選擇擬建體系鈣離子初始濃度為3.0 mmol/L是比較合理的。

圖2 鈣離子濃度不同的海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系黏彈性隨水分蒸發時間的變化情況Fig. 2 Change in viscoelasticity of sodium alginate-Ca2＋ aqueous solution containing different Ca2＋ concentrations as a function of water evaporation time

圖3 海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系狀態及鈣離子濃度隨水分蒸發量的變化情況Fig. 3 Changes in state and Ca2＋ concentration of sodium alginate-Ca2＋aqueous system as a function of percentage water evaporation

圖4 鈣離子濃度不同的海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系黏彈性在100 ℃隨加熱時間的變化情況Fig. 4 Change in viscoelasticity of sodium alginate-Ca2＋ aqueous system containing different concentrations of Ca2＋ as a function of heating time at 100 ℃

如圖4所示，海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系在100 ℃的黏彈性變化情況證實將擬建體系鈣離子初始添加量確定為3.0 mmol/L是比較合適的選擇，能使海藻酸鈉和鈣離子在水分蒸發過程中形成濃縮誘導型凝膠。與G’和G”小幅度先升后降最終都小于1 Pa的不含鈣離子的AC0樣品相比，分別含有2.5、3.0 mmol/L和3.5 mmol/L鈣離子的AC2.5、AC3.0和AC3.5樣品在水分蒸發過程中都呈現出典型的膠凝過程，即G’先超過G”，后與G′同時快速大幅度地上升至某一個遠高于G”的穩定值。AC3.0樣品形成凝膠后具有較好的凝膠強度（G’為1 341 Pa，（G’－G”）值為1 072 Pa），該凝膠很可能會對糊化后的淀粉分子結構狀態產生一定的影響。

2.3 淀粉質量濃度的選擇

為使擬構建的膠凝糊化共存體系含有足量的淀粉并能在水分蒸發前后由似液狀態轉變成似固狀態，本實驗接著通過研究淀粉質量濃度對濃縮誘導型海藻酸鈉膠凝體系狀態的影響選擇合適的淀粉添加質量濃度。本研究所用自提大米淀粉樣品的總淀粉、直鏈淀粉、水分、脂肪和蛋白質的質量分數分別為91.7%、22.8%、8.2%、0.48%和0.38%。根據上述分析結果配制能夠形成濃縮誘導型凝膠的海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系（含1%海藻酸鈉和3.0 mmol/L Ca2＋），淀粉添加量對該體系狀態隨水分蒸發作用（100 ℃加熱30 min）變化的影響如圖5所示。在水分蒸發前，SAC樣品的損耗角δ大于45°且不隨淀粉添加量發生顯著變化；在水分蒸發后，SAC樣品的δ不大于45°且隨淀粉質量濃度的增大而大幅減小，當淀粉質量濃度從2 g/100 mL增大到10 g/100 mL時，SAC樣品的δ從45°下降到了13°（下降率為71%）。由于δ為45°是體系固液狀態的轉變點（δ＞45°，體系處于似液狀態；δ＜45°，體系處于似固狀態）[31]，顯然淀粉質量濃度大于2 g/100 mL時能使SAC體系由水分蒸發前的似液狀態轉變成水分蒸發后的似固狀態，為在水分蒸發過程中同時出現海藻酸鈉膠凝過程和淀粉糊化過程提供了最大可能性。考慮到淀粉添加量過大會增加體系水分均勻蒸發的難度并有可能導致淀粉因體系水分過少而不能完全糊化，選擇淀粉質量濃度為4～6 g/100 mL比較適宜。

圖5 淀粉添加量對海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系δ隨水分蒸發作用（100 ℃加熱30 min）變化的影響Fig. 5 Effect of starch addition on loss angle changes of sodium alginate-Ca2+ aqueous system with and without water evaporation(heating at 100 ℃ for 30 min)

2.4 海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系的形成

為驗證上述海藻酸鈉、鈣離子和淀粉構成的體系能否在水分蒸發過程中同時出現海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化過程，本實驗最后按上述濃度配制樣品，并對SAC樣品及其對照樣品經過30 min、100 ℃水分蒸發處理后的顯微結構、G’和n進行對比分析。

海藻酸鈉質量濃度1 g/100 mL、鈣離子濃度3.0 mmol/L和淀粉質量濃度6 g/100 mL的SAC樣品及其淀粉對照樣品S經過水分蒸發處理后的顯微結構如圖6所示。SAC和S樣品都沒有出現糊化不完全的淀粉結構，并且與結構呈帶孔洞片狀斷裂松散分布的S樣品相比，SAC樣品呈現緊密連結成片的網狀結構。顯然，按上述質量濃度配制的SAC樣品體系能在水分蒸發過程中形成海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系。

圖6 SAC樣品（A）及其淀粉對照樣品S（B）經過30 min、100 ℃水分蒸發處理后的顯微結構Fig. 6 Microstructure of SAC sample (A) and starch control sample S (B) after water evaporation at 100 ℃ for 30 min

海藻酸鈉質量濃度1 g/100 mL、鈣離子濃度3.0 mmol/L 和淀粉質量濃度4 g/100 mL的SAC樣品及其淀粉對照樣品S和SA經過水分蒸發處理后的G’和n如圖7所示。S、SA和SAC樣品的G’值依次上升，而n值依次下降，驗證了SAC樣品在水分蒸發過程中形成凝膠并對淀粉糊起到一定的固化作用，從而增強了體系的似固非流動特性。因此，按上述配比的SAC樣品體系能在水分蒸發過程中形成海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系。

圖7 SAC樣品及其對照樣品S和SA經過水分蒸發處理后的G’和n的對比Fig. 7 Comparison of storage modulus G’ and fl ow index n between SAC sample and control samples S and SA

3 結 論

用流變學分析方法對海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系的原料配比進行研究。研究結果表明：選擇海藻酸鈉質量濃度1 g/100 mL、鈣離子濃度3.0 mmol/L和淀粉質量濃度4～6 g/100 mL時可以構建出海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系。

用SEM和流變學分析方法對海藻酸鈉、鈣離子和淀粉構成的體系能否在水分蒸發過程中同時出現海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化過程進行驗證。結果表明：SAC樣品呈現緊密連結成片的網狀結構，并且樣品的G’值上升，n值下降。顯然，SAC樣品體系能在水分蒸發過程中形成海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系，獲得對淀粉糊顯微結構產生顯著影響的濃縮誘導型海藻酸鈉凝膠。