玉米淀粉-玉木耳多糖復配體系理化及結構性質

李 妍，崔維建，趙城彬，吳玉柱，王思琪，曹 勇，許秀穎，劉景圣

（吉林農業大學食品科學與工程學院，小麥和玉米深加工國家工程實驗室，吉林 長春 130000）

玉木耳（Auricularia corneaEhrenb.）[1]是吉林農業大學李玉院士團隊從毛木耳菌株中馴化培育出的具有穩定遺傳性狀的白色變異菌種，是一種富含多糖類物質的膠質菌，具有廣闊的發展前景[2-3]。現階段對玉木耳的相關研究較少，僅涉及玉木耳的成分檢測及食品研發、玉木耳多糖（A.corneaEhrenb.polysaccharide，ACEP）的提取優化與功能活性測定[4-6]，鮮見ACEP與食品成分間相互作用的研究。

玉米淀粉（corn starch，CS）作為增稠劑、穩定劑和黏著劑等廣泛應用于食品工業，具有低成本和生物相容性等特點。長期以來，國內外學者都十分重視CS資源的開發與利用。然而，天然CS存在一些缺陷，包括易老化回生、穩定性差等，不能滿足某些食品加工的要求[7]。有研究發現，非淀粉多糖的添加可以改善淀粉食品的口感和質地，增加黏度，提高產品穩定性，控制水分流動，延緩淀粉回生。這些性質的改善取決于多糖類型、濃度、分子質量、混合比例、混合方法等多種因素[8]。Liu Suchen等[9]發現涼粉草多糖可以提高小麥淀粉糊化初期的熱穩定性，提高淀粉的流變性能；蔡旭冉等[10]發現膠體與淀粉之間的電荷相互作用對復配體系的糊化性質和流變學性質起重要的作用；Achayuthakan等[11]發現在CS中添加瓜爾豆膠和黃原膠可以增加黏度和彈性，并限制淀粉基體系的回生和脫水收縮；Luo Denglin等[12]發現菊粉能夠增加小麥淀粉糊化溫度，降低峰值黏度并抑制直鏈淀粉回生。但目前鮮見將ACEP與CS復配的研究報道。

本實驗選用不同添加量的ACEP，制備CS-ACEP復配體系，并對其糊化特性、熱特性、流變及結構性質進行研究，分析體系中ACEP與CS間的相互作用，進一步補充了多糖與淀粉復配體系的研究數據，以期為ACEP作為功能性配料添加到富含淀粉類食品中提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

ACEP（總糖78.32%、蛋白質7.95%、水分10.55%）由實驗室自制；CS（總淀粉82.36%、直鏈淀粉28.29%、脂肪0.52%、蛋白質0.38%、水分11.42%） 上海金穗生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

3JK-1型快速黏度分析儀 澳大利亞Perten公司；MCR-302型流變儀 奧地利Anton Paar公司；Q-2000型差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀美國TA公司；AlPhal-4LDPlus冷凍干燥機 德國Christ公司；Phenom Pro臺式掃描電鏡 復納科學儀器（上海）有限公司；VERTEX70傅里葉紅外光譜儀德國Bruker公司。

1.3 方法

1.3.1 CS-ACEP復配體系的制備

根據Zhang Bao等[13]的方法并修改。準確稱量2.5 g樣品放入RVA專用鋁盒中，加入去離子水，配成質量分數10%的懸浮液，其中ACEP添加量為質量分數0%、0.5%、1.0%、2.0%、5.0%和10.0%。使用塑料攪拌槳將樣品完全溶解，避免樣品結塊、黏附以及掛壁。

1.3.2 指標測定

1.3.2.1 糊化性質的測定

取1.3.1節方法制備的復配體系，參考美國谷物化學師協會操作規程中的標準程序，采用升溫-降溫循環[14]：開始在50 ℃保持1 min，以12 ℃/min在3.75 min內升溫到95 ℃，在95 ℃保持2.5 min，然后在3.75 min內下降到50 ℃。

1.3.2.2 熱特性的測定

參考Zhang Xiaoyu等[15]的方法。稱取5 mg樣品加入坩堝中，其中ACEP添加量為0%、0.5%、1.0%、2.0%、5.0%和10.0%，按照質量比1∶2的比例加入去離子水，密封后在4 ℃條件下平衡24 h，以10 ℃/min的速率從30～100 ℃進行掃描，使用密封的空坩堝作為參考，記錄凝膠化的起始溫度（T0）、峰值溫度（TP）、終止溫度（Tc）和熱焓值（ΔH）。

1.3.2.3 流變學特性的測定

參考Zhou Danian等[16]的方法稍作改動。取1.3.2.1節中RVA制備的淀粉糊，于25 ℃平衡5 min后置于流變儀上，采用平板-平板測量系統，平板直徑4.0 cm，設置間隙1.0 cm，刮去平板外多余樣品，加上蓋板。

靜態流變特性的測定：在溫度25 ℃條件下，剪切速率（γ）從0～300 s-1遞增，再從300～0 s-1遞減。采用Herschel-Bulkley模型對數據點進行回歸擬和，方程如下：

式中：τ為剪切應力/Pa；τ0為屈服應力/Pa；K為稠度系數/（Pag sn）；γ為剪切速率/s-1；n為流體指數。

動態黏彈性質的測定：樣品在掃描溫度25 ℃、角頻率0.1～100 rad/s、1%應變的條件下測定。記錄儲能模量（G’）及損耗模量（G”）隨角頻率的變化。

1.3.2.4 微觀結構觀察

取1.3.2.1節中RVA制備的糊化樣品，冷凍干燥后切成薄片固定于樣品臺的導電雙面膠上，橫截面向上，參考郭宏偉等[17]的方法，噴金處理120 s后放在掃描電子顯微鏡中觀察，選取最佳角度與放大倍數觀察樣品的形貌狀態。

1.3.2.5 紅外光譜掃描

取1.3.2.1節中RVA制備的糊化樣品，冷凍干燥后粉碎并過100 目篩，干燥至質量恒定備用。使用傅里葉紅外光譜測定樣品的結構。參考Zhao Chengbin等[18]的方法并作部分改動：稱取1 mg樣品與150 mg溴化鉀在紅外燈下研磨混合均勻，置于模具中在15 MPa抽真空壓片60 s。扣除溴化鉀薄片的背景，在4 000～400 cm-1，掃描64 次，分辨率為4 cm-1，得到紅外光譜圖。采用OMNIC 8.0對譜圖進行基線矯正和自動平滑處理，得到處理后的紅外光譜圖。另外，進行去卷積處理，去卷積參數選擇半峰寬為40.4 cm-1，增強因子為3.1。

1.4 數據分析

實驗均重復3 次，使用Origin 2018軟件繪圖，采用SPSS Statistics 23.0軟件處理數據，通過ANOVA進行差異顯著性分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結果與分析

2.1 ACEP添加量對CS糊化特性的影響

圖1 CS-ACEP復配體系的糊化曲線Fig.1 Pasting curves of CS-ACEP blends

由圖1可知，添加ACEP后，復配體系的RVA糊化曲線整體上移，且ACEP添加量越高，曲線上移位置越高。表1表明，ACEP顯著增加了復配體系的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和峰值時間（P＜0.05），且黏度的升高與ACEP添加量呈正相關。這種現象可能是由于ACEP和CS復配體系的兩相性質[19]。一方面糊化過程中淀粉顆粒的膨脹導致多糖可用體積減少，ACEP處于體系連續相，其添加量增加，導致復配體系黏度隨之增大。另一方面，ACEP是親水性大分子，在復配體系中與CS競爭水分子，溶脹淀粉顆粒或浸出直鏈淀粉分子的有效添加量也會由于水分子的減少而增加。體系黏度的增加還可能是由于ACEP與浸出直鏈淀粉和低分子質量支鏈淀粉的相互作用，或浸出的淀粉鏈之間的相互作用。

與CS相比，添加1.0%和2.0% ACEP使體系糊化溫度降低，而CS-10.0% ACEP的糊化溫度顯著升高（P＜0.05）。這可能是由于少量的多糖對水分子的空間阻礙較小，多糖填充于復配體系，在淀粉顆粒間形成良好的橋梁，提高了淀粉顆粒與水分子間的親和力，促進淀粉凝膠網絡形成[20]。當多糖添加量增加，體系內可用水減少，淀粉顆粒無定形區域的水合作用減弱[21]，緊密包裹的多糖層使淀粉顆粒膨脹受限[22]，糊化變緩。此實驗結果也很好地佐證了2.2節DSC的結果。

由表1可知，與CS相比，添加ACEP后，體系崩解值降低，淀粉糊的穩定性變好，在食品加工過程中更好地抵抗熱處理和機械剪切。復配體系的回生值顯著降低（P＜0.05），CS短期回生受到抑制，特別是添加5.0% ACEP和10.0% ACEP時，體系的回生值分別降低了35.41%和50.89%。這可能是由于ACEP與淀粉競爭吸附體系中的水分以及ACEP與滲透出的直鏈淀粉通過氫鍵結合，都會抑制淀粉分子移動重排，降低回生值[23]。從應用的角度看，ACEP對淀粉長期回生的作用值得進一步研究，以開發口感好、保質期更長的淀粉基產品[24]。

2.2 ACEP添加量對CS熱特性的影響

DSC可以用于淀粉的凝膠化、老化及相變化的定量分析，CS-ACEP復配體系的熱特性曲線見圖2。由表2可知，與對照CS相比，添加ACEP使體系的T0無顯著變化（P＞0.05），TP顯著升高（P＜0.05）；0.5%～1.0% ACPE峰值溫度Tc有所升高，2.0%～5.0% ACEP無顯著變化，而10.0% ACEP使Tc顯著升高4.52 ℃（P＜0.05），這與Tester等[25]的實驗結果相似。可能是由于非淀粉多糖的添加導致淀粉用于凝膠化轉變的自由水分減少，淀粉顆粒無定形區域的水合作用減弱，從而導致淀粉凝膠化溫度升高，且隨著水的可用部分減少影響更強。

表1 CS-ACEP復配體系的RVA糊化特征參數Table 1 RVA gelatinization parameters of CS-ACEP blends

圖2 CS-ACEP復配體系的熱特性曲線Fig.2 DSC curves of CS-ACEP blends

表2 CS-ACEP復配體系的熱力學參數Table 2 DSC parameters of CS-ACEP blends

體系的ΔH隨ACEP添加量增大顯著降低（P＜0.05）。在其他淀粉-水膠體混合物研究中也得到ΔH降低的結果。可能是由于多糖的加入降低了水的可用性和/或流動性，導致淀粉顆粒中結晶區域的不完全熔化[26]。ΔH主要反映凝膠化時破壞淀粉雙螺旋結構所需能量，衡量淀粉凝膠化之前淀粉顆粒內部分子鏈段有序性，淀粉顆粒有序結構破壞會導致ΔH下降[27]。也可能是淀粉雙螺旋之間和相鄰雙螺旋之間的氫鍵的減少，形成晶體結構的雙螺旋的遷移率增加[28]。

2.3 ACEP添加量對CS流變學特性的影響

2.3.1 靜態流變特性

圖3 CS-ACEP復配體系靜態流變曲線Fig.3 Static rheology curves of CS-ACEP blends

由圖3可知，所有樣品的剪切應力均剪切速率的增加而增大。表3為用Herschel-Bulkley模型對復配體系流變擬合參數，結果表明該回歸擬合具有較高精度（R2為0.998 2～0.999 8）。添加ACEP后，復配體系上行曲線和下行曲線的稠度系數K均顯著增大（P＜0.05），分子鏈在糊化過程中更加伸展，支鏈的纏繞程度更大，體系增稠作用更好[29]，證實了糊化特性結果中ACEP使CS黏度增加的結論。流動指數n反映了流動行為的類型，所有樣品的n值均小于1，表明復配體系仍為典型的假塑性流體，上行和下行曲線的n值均隨ACEP添加量增加而減小，體系的假塑性更為明顯。Chen Haiming等[30]報道的多糖對淀粉靜態流變特性的影響也得到相似結論。所有樣品都觀察到應力-剪切滯后環（圖3），具有強烈的觸變效應，就淀粉糊而言，觸變性能可歸因于由連續剪切引起的凝膠網絡結構的損壞[7]。觸變環面積表示淀粉結構被破壞所需要能量，面積越大表示體系受外界作用后越難恢復至原先狀態[31]。表3表明，與對照CS相比，添加ACEP的復配體系觸變環面積顯著減小（P＜0.05），體系的剪切穩定性顯著增強，但并未隨ACEP添加量的增加呈現規律性的變化。

表3 CS-ACEP復配體系的靜態流變學擬合參數Table 3 Static rheological fitting parameters of CS-ACEP blends

圖4 CS-ACEP復配體系黏度曲線Fig.4 Viscosity curves of CS-ACEP blends

由圖4可知，所有樣品的表觀黏度均隨剪切速率的增加而降低，具有剪切稀化的特性。這是因為：凝膠體系中2 種大分子鏈以非共價氫鍵互相纏繞，分子鏈段間的纏繞點增加，流動時產生的黏性阻力增強，當受到高速剪切時，氫鍵部分斷裂而產生解旋作用，分子鏈由于纏結點的減少被拉直取向，流層間的剪切應力減少，從而使體系的表觀黏度降低[32]。與CS相比，復配體系的表觀黏度顯著增大，剪切變稀現象更明顯，且與ACEP添加量呈正相關。這種趨勢與糊化特性的結果非常一致（表1）。因此，如2.1節所述，ACEP與淀粉顆粒的相互作用及糊化過程中ACEP和淀粉有效添加量的增加可能是造成這種結果的原因。

2.3.2 動態流變學特性

動態黏彈性是糊狀類弱凝膠體系的一項重要指標，對食品加工特性和質量控制具有很大應用價值。G’能夠反映體系的彈性性質；G”反映體系的黏性性質。由圖5可知，所有樣品的G’與G”均無交叉，且G’均遠大于G”，G’和G”均隨角頻率增加而增大，表現為一種典型的弱凝膠流變學動態體系。添加ACEP后，體系的G’和G”均高于原淀粉，CS-0.5% ACEP表現出最高的G’，可能是由于ACEP和淀粉彼此交聯，分子鏈的纏結點增多，凝膠體系的網絡結構增強[33]，從而表現出更好的黏彈性。G”隨ACEP添加量增加而增大的效果與RVA黏性數據一致（表1）。

2.4 ACEP添加量對CS微觀結構的影響

圖6 CS-ACEP復配體系微觀結構Fig.6 Microstructures of CS-ACEP blends

圖6顯示，添加ACEP導致體系凝膠結構發生較大改變，復配體系凝膠表面的孔隙減小（圖6B～F）。孔隙代表在凝膠干燥之前的網絡內水的位置[34]。ACEP參與體系內水分的競爭，導致進入顆粒內部的水分變少，凝膠內孔隙變小。ACEP填充于CS之間，與滲漏的低聚合度的支鏈淀粉分子和直鏈淀粉相互作用，形成的組織結構更加緊密，剪切穩定性增強[35]。添加0.5%和1.0% ACEP的復配體系孔隙整齊均勻，孔壁光滑較薄，顆粒的邊界更清晰（圖6B、C）。隨ACEP添加量的進一步增加，凝膠孔隙表面開始形成相互交聯支撐的網絡片狀結構。這可能是ACEP的包裹效應使淀粉顆粒中浸出的直鏈淀粉不足以產生均勻的網絡，同時多糖可能與浸出的直鏈淀粉相互作用，圍繞溶脹的淀粉顆粒，形成黏性相，導致網絡片狀結構。

2.5 ACEP添加量對CS紅外光譜的影響

圖7 CS-ACEP復配體系的紅外光譜（A）和去卷積化光譜（B）Fig.7 Raw FTIR spectra (A) and deconvoluted FTIR spectra (B) of CS-ACEP blends

對ACEP和CS復配體系糊化后的樣品進行紅外分析，如圖7A所示，在4 000～400 cm-1范圍內，紅外吸收峰形狀及位置非常相似，無新的吸收峰出現或特征峰消失，且吸收峰無明顯偏移，說明體系并未產生新的基團。樣品在3 400、2 930、1 643 cm-1附近均具有較強吸收峰，它們分別是ü OH的伸縮振動吸收峰、ü CH2伸縮振動吸收峰、C＝O伸縮振動峰[36]。與對照CS相比，添加0.5% ACEP部分特征吸收峰強度增大，而ACEP添加量大于0.5%時，吸收峰逐漸變窄變高。CS-10.0% ACEP吸收峰強度最小。

對紅外光譜原始波譜1 200～900 cm-1譜段進行去卷積處理，采用（1 045/1 022）cm-1和（1 022/995）cm-1的吸收峰強度比值，可以分析淀粉有序結構的變化[37]。圖7B顯示所選區域出現8 個紅外吸收峰，其中1 054 cm-1附近的吸收峰是淀粉結晶區的結構特征，對應于淀粉聚集態結構中的有序結構；1 020 cm-1附近處吸收峰代表無定型淀粉的特征，對應于淀粉大分子的無規線團結構，993 cm-1附近吸收峰對應脫水葡萄糖單元的羥基在淀粉分子間所形成的氫鍵有序化結構[38-39]。由表4可知，與CS相比，添加0.5% ACEP使（1 054/1 020）cm-1比值增大，（1 020/993）cm-1比值降低，表明淀粉分子間形成的氫鍵數量增多，淀粉鏈可以通過氫鍵的誘導排列聚集，體系形成有序的網絡結構。當添加量大于0.5%，（1 054/1 020）cm-1比值降低，（1 020/993）cm-1比值升高，表明淀粉體系有序程度降低，一方面ACEP添加量增大可能導致淀粉分子鏈之間距離的增加，減少由淀粉分子間羥基形成的氫鍵，另一方面，ACEP可能通過自身的羥基與淀粉形成氫鍵，干擾淀粉有序結構的形成[40]。氫鍵的減少與2.1節中添加ACEP阻礙淀粉重新螺旋而抑制短期回生的結論一致。

表4 CS-ACEP復配體系的短程有序結構參數Table 4 Short-range order structural parameters of CS-ACEP blends

3 結 論

本研究表明，不同添加量的ACEP改變了CS的糊化性質、流變性質和結構性質。CS-ACEP復配體系的黏度顯著增大，崩解值、回生值降低，凝膠化轉變溫度升高，熱焓值降低，體系的穩定性增強，老化得到延緩。隨ACEP添加量的增加，體系的增稠效果、假塑性及剪切稀化現象更明顯。添加ACEP使體系的凝膠孔隙變小，添加量較低時有利于體系形成更加均勻、致密的網絡結構，但并未產生新的基團。目前的研究結果顯示，ACEP作為功能因子賦予CS基食品功能特性的同時，也在一定程度上改善了CS的加工性質，這為ACEP對淀粉類食品特性的影響提供了基礎數據，也為淀粉和多糖兩種大分子間復雜的相互作用提供了一定參考。