γ-聚谷氨酸對小麥淀粉凝膠凍融穩定性的影響

謝新華，范逸超，徐超，沈玥，張蓓，邢彩云

(河南農業大學 食品科學技術學院，河南 鄭州，450002)

近年來速凍面米制品的生產與發展迅速，湯圓、水餃、饅頭、速凍米飯等產品都有了一定規模的工業化生產。速凍食品在運輸、儲存、銷售的過程中多次的凍融會導致食品品質的劣變，例如口感變差、失水變硬、蒸煮后表皮破裂、失去彈性[1]。通過改變凍結方式、添加多糖、親水膠體、抗凍蛋白、淀粉酶等可以提高淀粉及其制品的凍融穩定性。MUADKLAY等[2]研究發現淀粉凝膠的凍融穩定性受親水膠體的添加和冷凍速率的影響，黃原膠對木薯淀粉的作用比刺槐豆膠、魔芋葡甘聚糖、瓜爾豆膠好，冷凍速率2.3 ℃/min最佳；YAMAZAKI等[3]研究發現黃麻葉多糖降低了玉米淀粉凝膠的析水率，改善了淀粉凝膠的微觀結構和流變學特性。

γ-聚谷氨酸(γ-polyglutamic acid，γ-PGA)是D型谷氨酸或/和L型谷氨酸通過γ-羧基和α-氨基形成的線性高分子陰離子聚合物[4]，由酰胺鍵連接，鏈之間可形成大量氫鍵，使其具有很好的水溶性、吸水性、保水性、抗凍活性[5]，γ-PGA可生物降解為谷氨酸，對人體安全無毒，能廣泛用于食品中。SHIH等[6]研究發現γ-PGA的抗凍活性隨其相對分子質量的降低而增加，其鹽類的抗凍能力Mg2+>Ca2+>Na+>K+；JIA等[7]研究發現γ-PGA添加量(質量分數)為0.5%、1%、3%的冷凍甜面團儲存8周后，制成的面包體積分別增加了6.3%、8.9%、3.3%，γ-PGA增強了冷凍面團的抗凍性；宋佳薇等[8]研究發現低分子質量γ-PGA對冷凍面團和面條的可凍結水含量、儲存模量、損耗模量和硬度影響較明顯，具有更強的抗凍保護作用。本文通過差式掃描量熱儀(differential scaning calorimeter,DSC)、低場核磁共振儀(nuclear magnetic resonamce,NMR)、X-射線衍射儀(X-ray diffractometry)、掃描電鏡(scanning dectron microscopy,SEM)來測定γ-PGA對小麥淀粉凍融穩定性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥淀粉，封丘雪菊華豐粉業有限公司；γ-PGA，西安四季生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

RVA 4500 型快速黏度分析儀，瑞典波通儀器公司；DSC 214 型差式掃描量熱儀，德國耐馳Netzsch公司；Micro MR型低場核磁共振儀，上海紐邁電子科技有限公司；ME 104E/02精密電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司/上海；FD 1005 型真空冷凍干燥機，上海今友試驗設備有限公司；X'Pert PRO X-射線衍射儀，荷蘭PANalytical公司；QUANTA FEG 250場發射掃描電鏡，美國FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

用快速黏度儀制備質量分數為6%(以淀粉干基計)的小麥淀粉糊，γ-PGA添加量(質量分數)分別為小麥淀粉的0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%。采用GBT 24853—2010的標準方法進行糊化[9]。淀粉凝膠在-18 ℃ 儲存22 h，25 ℃解凍2 h，作為一個凍融循環。

1.3.2 抗凍活性的測定

配制質量分數為0.7%的γ-PGA溶液，稱取10 μL于DSC坩堝中平衡2 h，蒸餾水為對照，空坩堝作參比，氮氣為載氣。測試參數：降溫至-30 ℃，并在該溫度下保持5 min，以5 ℃/min的速率升溫至30 ℃[10]。每個樣品3個平行，記錄凍結水的融化焓(△Hw)及凍結溶液的融化焓(△Hγ)。

抗凍活性(AF)計算公式如式(1)[11]：

(1)

式中：△Hw，凍結水的融化焓，mJ/mg；△Hγ，凍結溶液的融化焓，mJ/mg；C，溶液中抗凍劑含量，%(質量分數)。

1.3.3 老化焓值的測定

配制質量分數為30%(以淀粉干基計)的小麥淀粉懸浮液，γ-PGA添加量(質量分數)分別為小麥淀粉的0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%，稱取10 μL樣品于DSC坩堝中，室溫下平衡24 h，空坩堝作參比，氮氣為載氣。測試參數：20～100 ℃，以10 ℃/min的速率升溫。經過1、3、5、7次凍融循環后的樣品，在20～120 ℃以相同速率再次進行測定，每個樣品3個平行。并按照公式(2)計算淀粉凝膠老化率[12]：

(2)

式中：△Hr，老化焓，J/g；△Hg，糊化焓，J/g。

1.3.4 水分狀態測定

將1.3.1糊化后的樣品稱取0.5 g，進行1、3、5、7次凍融循環，解凍后用保鮮膜包裹放入核磁管中，置于永久磁場中心位置的射頻線圈中心，進行CPMG序列測定，每個樣品3個平行。序列參數：磁體溫度32 ℃，90°脈沖寬度17 μs，180°脈沖寬度33 μs，模擬增益RG1為20，數字增益DRG1為3，采樣頻率SW為200 KHz，重復采樣間隔時間TW為3 000 ms，累加采樣次數NS為32，采樣點數TD為249 014，回波個數NECH為5 000[13]。測試結束后進行數據反演。

1.3.5 晶體結構測定

將1.3.1制備的樣品，7次凍融循環后，在-40 ℃ 預冷凍48 h，真空冷凍干燥，將凍干的樣品粉碎，過200目篩，取少量樣品進行測定。另外，測定原小麥淀粉的晶體結構。測試參數：管壓40 kV，管流30 mA， 掃描方式為連續，掃描范圍5～40°(2θ)，掃描速度2°/min。用MDI Jade 6.0軟件分析衍射圖譜，按照公式(3)計算相對結晶度[14]。

(3)

式中：Xc，相對結晶度，%；Ac，結晶區面積；Aa，非結晶區面積。

1.3.6 微觀結構觀察

將1.3.1制備的樣品，7次凍融循環后，在-40 ℃預冷凍48 h，真空冷凍干燥。掰取一小部分樣品，固定在雙面導電膠上，噴金30 s后，掃描觀察其微觀結構。

1.4 數據處理

數據采用SPSS 22.0軟件進行統計學分析，采用Origin 2017軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 γ-PGA的抗凍活性

由圖1可知，γ-PGA凍結液融化起始溫度為-1 ℃，蒸餾水凍結液為-0.5 ℃，峰值溫度比蒸餾水低，γ-PGA 凍結液融化焓為323.2 J/g，蒸餾水凍結液為341.7 J/g，融化焓顯著降低。由公式(1)計算得γ-PGA抗凍活性(AF)為6.17，抗凍活性明顯，可能是因為γ-PGA的親水基團與水分子形成氫鍵，阻止部分水分子形成冰晶，明顯抑制了水分子在凍結時結晶，降低凍結液的融化焓[15]。

圖1 凍結水和凍結γ-PGA的DSC曲線Fig.1 The DSC curve of frozen water and frozen γ-PGA

2.2 γ-PGA對小麥淀粉老化焓值及老化率的影響

由表1、圖2可知，經過1、3、5、7次凍融循環后，小麥淀粉凝膠的老化焓、老化率隨凍融次數的增加而增加，添加γ-PGA后老化焓值、老化率均降低，且隨添加量增加而降低更明顯，說明γ-PGA延緩了小麥淀粉的老化，添加量為0.7%時效果最佳。在老化焓的測定中出現了兩個峰，峰Ⅰ在45～60 ℃，為支鏈淀粉分子重結晶的熔融峰[16]；峰Ⅱ在100～115 ℃，為γ-PGA- 淀粉體系的熔融峰[17]。γ-PGA分子鏈上的羥基與淀粉分子結合，阻礙淀粉分子通過氫鍵締合，減少直鏈淀粉滲出[18]，可以抑制淀粉的重結晶，延緩淀粉凝膠的老化，增加小麥淀粉的凍融穩定性。

表1 γ-PGA對不同凍融次數小麥淀粉凝膠老化焓的影響 單位：J/g

注：同列數值上標的字母不相同表示存在顯著性差異(P<0.05)，相同表示不存在顯著性差異(P>0.05)，下同。

圖2 γ-PGA-小麥淀粉老化率Fig.2 The aging rate of γ-PGA-wheat starch

2.3 γ-PGA對小麥淀粉凝膠水分遷移的影響

由圖3可知，凍融后的小麥淀粉水分子橫向弛豫時間圖譜中有3個峰，表明水分子有3種存在方式，其中T21為深結合水，T22為弱結合水，T23為自由水，添加γ-PGA后T21、T22、T23的弛豫時間基本都變短，水分結合緊密，不易遷移[19]。由表2、表3可知，未經過凍融的小麥淀粉凝膠，添加γ-PGA后深結合水比例先增加后降低，弱結合水比例降低。凍融循環次數逐漸增加，小麥淀粉凝膠的深結合水比例降低，弱結合水比例增加，水分子遷移使淀粉分子聚集，形成淀粉晶核，導致淀粉分子重結晶[20]；添加γ-PGA后，深結合水比例隨添加量的增加而增加，弱結合水比例隨添加量的增加而降低，抑制深結合水向弱結合水轉化[21]，添加量為0.7%時效果最好。γ-PGA的親水性羧基通過氫鍵與淀粉分子交聯，增加深層結合水相對含量，減少冰晶的形成[22]，增加小麥淀粉凝膠的凍融穩定性。

圖3 7次凍融循環水分子橫向弛豫時間Fig.3 The lateral relaxation time of water molecules after 7 freeze-thaw cycles

表2 凍融過程深結合水比例變化 單位：%

表3 凍融過程弱結合水比例變化 單位：%

2.4 γ-PGA對小麥淀粉凝膠晶體結構的影響

由圖4可知，經過7次凍融循環的小麥淀粉在2θ為17°、20°附近時出現2個結晶峰，為B型和V型結晶[23]，B型結晶主要是淀粉凝膠老化造成的，V型結晶是γ-PGA與小麥淀粉復合物老化造成的[24]，17°出現的結晶峰說明直鏈淀粉出現重結晶。相對結晶度隨γ-PGA添加量的增加而降低，添加γ-PGA添加量為0.7%時降低了3.55%，效果明顯。這是因為γ-PGA 與淀粉分子形成氫鍵，阻礙了淀粉分子間氫鍵的形成，抑制了小麥淀粉的重結晶[25]，增加了凍融穩定性。

圖4 7次凍融循環的X-射線衍射圖譜Fig.4 The X-ray diffraction pattern after 7 freeze-thaw cycles

2.5 γ-PGA對小麥淀粉凝膠微觀結構的影響

由圖5觀察到，經過7次凍融循環后淀粉凝膠的孔洞變大、不均勻、淀粉基質變的疏松，主要是熱能波動、水分遷移、結冰膨脹壓和滲透壓破壞了淀粉凝膠內部結構[26]，添加γ-PGA后小麥淀粉凝膠孔洞逐漸變小、變均勻、更緊密，當添加量為0.7%時效果明顯。這是因為γ-PGA黏度較大，在水溶液中產生的滲透壓阻止淀粉顆粒充分溶脹，使淀粉相體積減少[27]，與淀粉體系形成連續相，具有更緊密的結構[28]，γ-PGA阻礙了直鏈淀粉分子重排，提高了小麥淀粉糊的凍融穩定性。

圖5 7次凍融后的小麥淀粉凝膠微觀結構Fig.5 The wheat starch gel microstructure after 7 freeze-thaw cycles

3 結論

γ-PGA可以顯著降低小麥淀粉的老化焓值、老化率，延緩淀粉老化。γ-PGA使小麥淀粉凝膠的深結合水比例增加，弱結合水比例降低，水分結合緊密，減少了水分遷移與冰晶的形成。γ-PGA降低了小麥淀粉凝膠的結晶度，抑制了直鏈淀粉、支鏈淀粉的重結晶，控制了凍融循環導致淀粉凝膠的重結晶現象。添加γ-PGA明顯改善了淀粉凝膠的微觀結構，使其孔洞變小、更均勻、更緊密，緩解了凍融循環對其內部結構的破壞。γ-PGA明顯提高了小麥淀粉凝膠的凍融穩定性，且隨添加量的增加，效果越明顯，添加量(質量分數)為0.7%時，γ-PGA的作用最大。這與JIA等和宋佳薇等[7-8]的研究有類似的結果，他們的研究表明γ-PGA對冷凍面團有很好的抗凍保護作用，而面團的主要成分為淀粉和蛋白質，目前很少有關于γ-PGA對淀粉和蛋白質凍融特性的影響進行詳細的研究，本文則對淀粉制品抗凍保護方面提供了理論依據。