玉木耳多糖對雜糧粥糊化、流變及老化特性的影響

孫 聰，鄭明珠，許秀穎，蔡 丹，劉美宏，曹 勇，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 130118）

玉木耳是毛木耳白色變異菌種，是經雜交改良后選育出的穩定遺傳、優質高產新品種。玉木耳外觀溫潤如玉，口感清爽脆嫩，營養豐富多樣[1]。玉木耳多糖是一種天然食用菌多糖，研究發現其具有抗腫瘤[2]、抗疲勞[1]、抗氧化及抑菌等功效[3]。

罐裝粥類食品是一種復雜的生化膠體體系，其原料主要成分為淀粉，在貯藏期間淀粉會發生一系列變化，導致罐裝粥品質下降，如消化吸收率降低、淀粉凝沉、可溶性淀粉減少等[4]，通常把這些現象稱之為粥類的老化。多糖可以抑制淀粉的老化。曾子聰等[5]研究表明可溶性大豆多糖對大米淀粉的老化有顯著抑制作用，可提高米制品質量、延長產品貨架期。Torres等[6]研究表明多糖可以通過與淀粉分子間相互作用抑制淀粉的老化。肖東等[7]研究表明親水多糖能延緩鮮濕面淀粉的老化，延長鮮濕面的貨架期。陳龍[8]研究表明普魯蘭多糖對大米淀粉的短期老化與長期老化均有一定的抑制作用。玉木耳中含有豐富的玉木耳多糖，一定程度上可以抑制罐裝粥類食品在貯藏過程中出現的變質老化現象[9]，從而替代常規的穩定劑，有益健康。

本研究將玉木耳多糖加入到雜糧粥中，制成一款綠色營養的罐裝粥，同時用玉木耳多糖替代食品生產中常用的穩定劑。利用快速黏度分析（rapid visco analyser，RVA）儀、流變儀、差示掃描量熱（differential scanning calorimeter，DSC）儀結合Avrami動力學模型[10]，分析玉木耳多糖對雜糧粥的糊化特性、流變特性和老化特性的影響，闡明玉木耳多糖對雜糧粥老化的抑制作用，以期為深度開發營養豐富、安全健康的玉木耳粥類罐裝食品提供理論支持，也為玉木耳產品開發利用提供基礎數據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉木耳、糯玉米、燕麥、小米、紅豆、綠豆、蕓豆市售；乙醇（食品級） 濟南溪川化工科技有限公司。

1.2 儀器與設備

Q2000型DSC儀 美國TA儀器公司；TecMasterTM快速黏度分析儀 波通澳大利亞公司；MCR-302旋轉流變儀奧地利安東帕有限公司；Alpha1-4LDplus冷凍干燥機德國Christ公司；Allegra X-30R高速離心機 美國Beckman公司；C21-WT2103多功能電磁爐 廣東美的生活電器制造有限公司；DSX-2803高壓蒸汽滅菌鍋上海申安醫療器械廠。

1.3 方法

1.3.1 雜糧粥的制作

根據雜糧粥制作工藝要求，稱取糯玉米、燕麥、小米、紅豆、綠豆、蕓豆若干，清洗除雜后對原料進行預熟處理，將處理好的各種原料混合灌裝于滅好菌的玻璃罐中，加入純凈水，密封，置于高壓滅菌鍋中滅菌熟化，得到雜糧粥。

1.3.2 玉木耳多糖的提取

參考Yuan Qingxia等[11]的方法，略作修改，利用水提醇沉法提取玉木耳多糖。溫度90 ℃、料液比1∶90（g/mL）、提取時間4 h。混合提取物于4 ℃、4 000 r/min離心20 min，過濾后取上層清液。向濾液中加入3 倍體積乙醇進行醇沉，4 ℃冰箱中放置過夜，5 000 r/min離心10 min，過濾，取沉淀。用蒸餾水復溶沉淀，真空冷凍干燥后得到玉木耳多糖。玉木耳多糖質量分數為69.8%。

1.3.3 添加玉木耳多糖的雜糧粥制作

根據雜糧粥制作工藝要求，將1.3.2節中得到的多糖按照原料質量的0%、3%、6%、9%、12%依次加入到純凈飲用水中，混勻待用。參照1.3.1節對雜糧粥原料進行預熟處理后，加入到混合均勻的液體中密封，置于預先設定好溫度和時間的高壓滅菌鍋中滅菌熟化，最終得到含有不同比例玉木耳多糖的雜糧粥，按照多糖比例依次記為P0、P1、P2、P3、P4，其中P0為空白組。

1.3.4 樣品的制備

將制得的雜糧粥置于料理機中粉碎攪拌混合均勻后，真空冷凍干燥去除水分，置于干燥器中備用。

1.3.5 RVA測定

將雜糧粥的制作原料復配后打磨成粉，向其中按照原料總質量的0%、3%、6%、9%、12%依次添加玉木耳多糖，混合均勻待測。具體操作參照Ji Na等[12]方法，略作修改如下：稱取3 g待測樣品于RVA專用鋁盒中，向其中加入25 mL水攪拌均勻后，開始測定。測定程序設置為：50 ℃保溫1 min，以6 ℃/min的速率升溫至95 ℃，保溫5 min，再以6 ℃/min的速率降溫至50 ℃，保溫2 min。初始10 s內攪拌速率為960 r/min，隨后以160 r/min攪拌速率進行測定。最終獲得所測樣品體系的糊化特性曲線，并使用相關配套軟件記錄和分析數據。

1.3.6 流變儀測定

取適量1.3.3節所制玉木耳多糖雜糧粥樣品，置于料理機中破碎打磨成糊狀，再放置于均質機中均質，取出后冷卻至室溫，參考Bucsella等[13]的方法，將適量糊狀樣品移至流變儀操作平臺上，去除周邊多余部分，再用硅油將四周邊緣密封，防止水分揮發。運行參數設置如下：間隙1 mm，固定溫度25 ℃，剪切速率0～300 s-1遞增。記錄整個過程隨剪切速率變化的剪切應力。

1.3.7 DSC

依據Yu Zhen等[14]的研究，首先準確稱取5 mg樣品（1.3.4節）于DSC專用坩堝中，使待測樣品均勻分散在坩堝中，壓蓋密封后4 ℃貯藏。隨后分別在第0、1、3、5、7、21天時取出，設置實驗參數為掃描溫度范圍20～200 ℃，升溫速率10 ℃/min，載氣為氮氣，流速50 mL/min。測定時以空坩堝作參照。

1.3.8 雜糧粥老化動力學模型建立

根據Avrami提出的結晶理論數學模型分析發現，老化程度會隨時間延長呈指數率增加[10]，如式（1）所示：

式中：R為在t時刻淀粉的結晶量占最大結晶總量的百分比；k為結晶速率常數，k值越大，晶核生長速度越快；n為Avrami指數。

同時，在DSC測定中，由相應時刻的ΔH也可計算出淀粉在某一時刻的結晶率R，所以方程（1）為：

式中：ΔH0為初始ΔH，一般為0；ΔHt為待測樣品在t時刻的ΔH/（J/g）；ΔHz為最終ΔH，是待測樣品貯藏一定時間后的ΔH。由于ΔH0=0，所以式（2）為：

因此式（1）可以寫成：

對等式變型，可得：

對式（5）方程兩邊同時取2 次對數，可得：

因此，當得到待測樣品在t時刻的ΔHt和最終ΔHz，計算出ln[-ln（1-ΔH/ΔHz）]后，再對lnt進行線性回歸分析，就可計算出方程中的速率常數k值和Avrami指數n值。

1.4 統計分析

所有數據使用SPSS 19.0及Origin 8.6軟件進行統計分析，使用方差分析法分析顯著性。

2 結果與分析

2.1 糊化性質分析

表1 玉木耳粗多糖-雜糧粥體系糊化特征值Table 1 Pasting parameters of porridge with different amounts of added ACP

經過RVA的測定，樣品獲得的糊化特征值如表1所示。添加玉木耳多糖后，雜糧粥體系的峰值黏度、最終黏度與玉木耳多糖添加量呈顯著正相關（P＜0.05），相關系數R2分別為0.99和0.98，其中P3和P4的最終黏度值比P0（（1 922±78）mPa·s）分別上升至（2 152±102）mPa·s和（2 193±69）mPa·s；而隨著玉木耳多糖添加量的增加，回生值和衰減值顯著降低（P＜0.05），相比于P0（（259±11）mPa·s和（177±4）mPa·s），P3和P4的回生值減小了135 mPa·s和152 mPa·s，衰減值降低了46%。總體分析，在玉木耳多糖添加量增加的過程中，雜糧粥體系的糊化參數不斷變化，樣品P3與P4的各項糊化特征值趨于穩定，說明當玉木耳多糖添加量不小于9%時，雜糧粥體系的糊化性能趨于穩定。

RVA測定結果反映添加玉木耳多糖后，雜糧粥體系峰值黏度、最終黏度、回生值、衰減值等參數的變化，說明添加玉木耳多糖對雜糧粥的糊化特性產生了影響，這與孫棡[15]研究的黑木耳多糖對面條品質影響的結論類似。峰值黏度反映混合物結合水分能力以及增稠潛力[16]，峰值黏度、最終黏度增加，表明雜糧粥體系具有更好的黏稠性；回生值為最終黏度與最低黏度的差值[17]，反映雜糧粥體系的老化程度，添加玉木耳多糖后，回生值降低，表明延緩了雜糧粥體系的老化程度；衰減值為峰值黏度與最低黏度的差值[18]，反映雜糧粥體系的耐剪切性能，添加玉木耳多糖后，衰減值降低，表明雜糧粥體系的耐剪切性能增強。玉木耳多糖與淀粉分子競爭結合水分，使得淀粉分子與水的氫鍵作用減弱，降低了回生值，抑制了老化；淀粉顆粒與多糖分子結合增加了雜糧粥體系的熱穩定性，降低了衰減值；添加玉木耳多糖后黏度值的增加，與多糖分子和淀粉分子間相互作用及分子鏈間的纏結有關[19]。

2.2 流變特性分析

靜態流變學是對樣品施加線性增大或減少的剪切速率，反映樣品結構隨剪切速率變化的規律[20]。如圖1所示，隨著剪切速率的增大，各樣品的剪切應力呈增大趨勢，在相同剪切速率條件下，P1、P2、P3、P4組的剪切應力低于P0組，隨著玉木耳多糖添加量的增加，雜糧粥體系在受到剪切的過程中，所需的剪切應力逐漸減小。在剪切速率達到300 s-1時，相比于P0組，P3組剪切應力減小了221.78 Pa。當玉木耳多糖添加量為9%以后，剪切應力隨剪切速率變化趨于平穩。

圖1 玉木耳粗多糖雜糧粥體系流變曲線Fig. 1 Rheological curves of porridge with different amounts of added ACP

表2 玉木耳粗多糖雜糧粥體系流變擬合參數Table 2 Power law parameters for the rheology of porridge with different amounts of added ACP

應用冪定律方程τ=Kγn對得到的數據進行擬合[21]，其中：τ為剪切應力/Pa；γ為剪切速率/s-1；n為流體指數；K為稠度系數/（Pa·sn）。如表2所示，所有擬合方程的R2值均大于0.99，說明擬合度較好。添加玉木耳多糖后，K顯著增大（P＜0.05），P1、P2、P3、P4組K值分別比P0組增加了0.572、0.716、0.916、1.065，這一結果表明添加玉木耳多糖后，雜糧粥體系具有更好的黏稠性；同時觀察到所有樣品擬合方程的n值均小于1，這表明在設定的剪切速率范圍內，被測樣品均屬于假塑性流體。隨著玉木耳多糖的添加量增加，n值顯著降低，這表明整個雜糧粥體系的假塑性和剪切稀化性逐漸增強。導致這種現象的可能原因是多糖分子與淀粉分子相互交聯，當受到剪切力作用時，交聯受到破壞，所以剪切稀化性增強，隨著剪切運動的進行，分子間又開始重新排列，n值逐漸趨于穩定[22]。這與汪名春等[23]關于菊糖對小麥淀粉流變特性的影響結論基本一致。

2.3 熱力學參數分析

淀粉老化是指糊化后的淀粉分子從無序結構轉為有序結構，重新排列形成晶體的過程[24]。淀粉的老化程度可以用DSC進行測定，貯藏期間體系熱力學性質的變化反映其老化程度。其中，T0為起始融化溫度，表示淀粉重結晶（晶核）融化的起始溫度，是淀粉分子中晶體有序性最弱的部位開始融化的溫度；TC為終止融化溫度，表示淀粉分子中穩定性最高的部位的融化溫度；在淀粉老化過程中，T0、TC均呈上升趨勢，上升速率越快老化速率越快。

圖2 玉木耳粗多糖-雜糧粥體系T0（a）和TC（b）Fig. 2 Melting onset temperature (T0) (a) and conclusion temperature(TC) (b) of porridge with different amounts of added ACP

將各個樣品在4 ℃貯藏第0、1、3、5、7、21天，分別使用DSC進行測定，得到T0和TC的變化趨勢結果如圖2所示。可以看出，在貯藏期間，各樣品T0、TC均呈現上升趨勢，P1、P2、P3、P4組的T0和TC顯著低于空白組P0（P＜0.05），同時觀察到P4組樣品的T0和TC在7～21 d的貯藏期內趨于穩定。從圖2a可知，各樣品組的起始糊化溫度T0與貯藏時間呈顯著正相關（P＜0.05），但各組之間的貯藏期T0增加量差異不顯著（P＞0.05）；而圖2b中貯藏第21天，P0、P3和P4組的TC相較于0 d分別增加了12.7、9.7 ℃和11.1 ℃，其中P3組的TC在貯藏期間增加最少。結果表明所有樣品中的淀粉在貯藏期內均發生了不同程度的老化，出現了內部淀粉的重結晶現象，經過初期貯藏（約7 d）后的P3和P4組樣品的老化速率明顯降低，說明添加玉木耳多糖抑制了雜糧粥的老化。相比較于其他樣品，P3和P4組樣品在貯藏期內淀粉老化速率更加緩慢。

表3 玉木耳粗多糖-雜糧粥體系老化焓值ΔHTable 3 Retrogradation enthalpy change (ΔH) of porridge with different amounts of added ACP

ΔH也是反映老化的重要指標，ΔH越大說明重結晶越多，即老化程度越嚴重[25]。由表3可以看出，隨著貯藏期的延長，各組樣品ΔH逐漸上升，這與Wang Shujun等[26]關于淀粉老化的綜合敘述相符，說明淀粉的老化程度在逐漸加深，也就是說融化淀粉結晶所需要的熱量逐漸增加[27]。P1、P2、P3、P4組ΔH的上升速率在整個貯藏過程中均顯著小于P0組（P＜0.05），空白組P0和實驗組P3的ΔH從貯藏期1～21 d分別增加了8.94 J/g和3.07 J/g；在21 d的實驗結果中P3組的ΔH值顯著低于P0、P1和P2組樣品（P＜0.05），相對于P0組（（15.01±0.40） J/g）降低了6.89 J/g；同時結果顯示在貯藏期中P4組的ΔH值變化量略高于P3組，終止貯藏時的重結晶數量同樣更多。

綜合以上老化特性研究結果表明，玉木耳多糖的添加對雜糧粥貯藏期間的淀粉老化起到一定的延緩和抑制作用。有報道稱多糖分子會與淀粉分子之間的氫鍵相互作用[28]，考慮到多糖通過氫鍵與淀粉分子的分支相互作用，同時減少淀粉分子側鏈之間的氫鍵[29]，從而抑制淀粉鏈的重結晶，最終達到抗老化的效果，但本研究發現玉木耳多糖添加量過大則會減弱這一相互作用，在實驗組中選擇9%添加量的P3組抗老化效果最好。

2.4 雜糧粥老化動力學模型的建立

表4 玉木耳粗多糖-雜糧粥體系的老化動力學Avrami模型Table 4 Avrami kinetic models of porridge with different amounts of added ACP

為了進一步探究玉木耳多糖對雜糧粥體系的抗老化行為，對添加多糖組與普通組的熱力學參數進行Avrami線性回歸分析，得到雜糧粥老化動力學方程和相關參數如表4所示。研究表明對于n值，當n≤1時，晶體成核方式為瞬間成核；1＜n＜2時，成核方式為自發成核為主[30]。從表4可以看出，擬合方程n值均小于1，所以在雜糧粥老化過程中，淀粉結晶的成核方式以瞬間成核為主，即其結晶所需要的晶核多在貯藏初期形成，貯藏后期形成的較少；P1、P2、P3、P4組的k值均顯著小于（P＜0.05）空白組P0，k值大小可以直觀體現出雜糧粥中淀粉重結晶速率的高低，k值減小說明淀粉老化結晶速率越發緩慢，分析表中數據可知添加不同比例的玉木耳多糖，雜糧粥體系中的淀粉老化結晶均受到抑制，結晶速率逐漸減小，使得樣品中的淀粉老化反應延后，說明添加玉木耳多糖后，雜糧粥體系淀粉老化的成核方式發生改變，逐漸趨于自發成核，或者更接近于支鏈淀粉的重結晶方式[31]。這一結論與趙凱等[32]關于小麥淀粉老化動力學的研究結果一致。

3 結 論

玉木耳多糖對雜糧粥的糊化特性產生影響，隨著玉木耳多糖添加量的增加，雜糧粥體系的峰值黏度、最終黏度上升，回生值、衰減值下降；添加玉木耳多糖并未改變雜糧粥的流體性質，當剪切速率一定時，隨玉木耳多糖添加量的增加，剪切應力呈減小趨勢；玉木耳多糖對雜糧粥樣品的老化過程也存在影響，玉木耳多糖添加量增加，重結晶溫度（T0和TC）上升速率減小，ΔH降低；擬合出的Avrami模型表明玉木耳多糖添加量的增加會導致k值呈減小趨勢，雜糧粥淀粉老化結晶速率減緩。實驗結果表明，添加玉木耳多糖對雜糧粥糊化和流變特性以及老化進程均存在積極影響，且選擇玉木耳多糖添加量為9%時延緩老化作用最佳。本研究為玉木耳在食品生產中的深加工利用提供了理論依據并探索了應用價值，玉木耳多糖作為一種綠色、安全的添加劑可以替代人工合成穩定劑，可用于保持雜糧粥的口感并對貯藏過程中的淀粉老化現象產生較好的抑制作用，進一步提高雜糧粥的質量和貯藏品質。