不同添加劑對菱角淀粉凝膠的微觀結構及質構的影響

李麗，金嘉奇，易陽，況龍，陳旭龍

(1.武昌工學院，武漢 430065；2.武漢輕工大學，武漢 430023)

隨著我國食品工業的快速發展，消費者對食品的色、香、味、形、質地等方面的要求越來越高，食品添加劑已經成為現代食品不可或缺的組成部分，其對食品品質的改善起到了舉足輕重的作用。淀粉凝膠食品如粉皮、涼粉等是我國具有獨特風味特色的傳統食品，深受大眾的喜愛[1]。研究表明，淀粉種類、處理條件、添加劑類別都會使凝膠的微觀結構、質構及穩定性發生改變，進而影響產品的加工性能、質地形態和貨架期。本文從食品添加劑的角度，研究不同添加劑對淀粉凝膠微觀結構及質構的影響，旨在為生產實踐提供一定的參考依據。

豁銀強等[2]研究了大米谷蛋白對大米淀粉凝膠化及凝膠特性的影響，結果表明，隨著大米谷蛋白添加量的增加，大米淀粉凝膠的黏聚性、黏性及回彈性均呈升高趨勢。掃描電鏡顯示，添加大米谷蛋白的大米淀粉凝膠的孔洞深度增加，直徑增大，結構顯得較為松散。肖志剛等[3]研究了甜菜果膠對淀粉凝膠調控形成機制的研究，結果表明，甜菜果膠與玉米淀粉之間形成氫鍵，并相互交聯構成網絡結構，凝膠中淀粉顆粒碎片減少，凝膠結構更加致密均一。隨著甜菜果膠添加量的增加，淀粉凝膠的黏度、崩解值和回生值逐漸降低，質構特性有顯著改變。謝濤等[4]研究了回生抗性淀粉種類對米淀粉凝膠形成的影響，結果表明，未添加RS Ⅲ的米淀粉凝膠存在很多不規則、深淺不一的大洞，而加入RS Ⅲ使米淀粉凝膠的網狀結構變得更為規整、致密；添加錐栗、馬鈴薯與綠豆RS Ⅲ后能加速米淀粉凝膠的形成，與未添加RS Ⅲ的米淀粉凝膠相比，其硬度分別增加了2.38，1.97，1.25倍，黏著性分別增加2.56，1.99，1.32倍(P<0.01)，彈性增加1.07，0.81，0.53倍。劉曉慶等[5]研究了不同改良劑對豌豆淀粉凝膠化及凝膠特性的影響，結果表明，黃原膠、復合磷酸鹽、魔芋粉及復合穩定劑對豌豆淀粉凝膠的微觀結構均有顯著影響，其中魔芋粉的影響相對較小。岳曉霞等[6]以馬鈴薯淀粉為原料，研究了單硬脂酸甘油酯、羧甲基纖維素鈉、瓜爾豆膠及β-環糊精對馬鈴薯淀粉老化度、粘度的影響。結果表明，4種添加劑均可改善馬鈴薯淀粉的老化性，瓜爾豆膠降低老化度的作用效果最為明顯。

本課題以鮮菱角為原料，先制備菱角淀粉，然后通過特定的工藝制備菱角淀粉凝膠。通過選取不同類別的添加劑，設計空白組、單甘酯組、海藻酸鈉組及復合磷酸鹽組進行對比，探討不同添加劑對菱角淀粉凝膠的微觀結構、凝膠強度及質構的影響，旨在為菱角淀粉凝膠食品的開發應用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 主要材料

菱角：市售；海藻酸鈉、復合磷酸鹽、單甘酯：河南喜萊客生物有限公司。

1.2 主要儀器設備

TA.XT plus物性測試儀 英國Stable Micro System公司；S-43000型掃描電子顯微鏡 日本日立公司；FA2004B電子分析天平 奧豪斯儀器有限公司；-80 ℃冰箱 北京愛立斯生物科技有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 武漢科爾儀器設備有限公司；冷凍干燥機 北京四環科學儀器廠有限公司；JMS-120膠體磨 上海羌迪機械設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 菱角淀粉的提取

將新鮮菱角去皮、洗凈后切成小塊，加入3倍的水浸泡約12 h，用膠體磨打漿，然后用200目的篩網過濾，收集濾液、濾渣加適量的水重復打漿，收集并合并濾液，靜置后棄去上清液，沉淀物于40 ℃下鼓風干燥完全，密封保存備用。

1.3.2 菱角淀粉凝膠樣品的制備

取12 g菱角淀粉置于50 mL的燒杯中，加入15 mL蒸餾水溶解(單甘酯組樣品即將2‰的單甘酯溶于蒸餾水中,海藻酸鈉組樣品即將3‰的海藻酸鈉溶于蒸餾水中,復合磷酸鹽組樣品即將4‰的復合磷酸鹽溶于蒸餾水中)，攪拌均勻備用；取250 mL燒杯，加入90 mL 95 ℃的熱蒸餾水，置于95 ℃的恒溫水浴鍋中，將制備好的菱角淀粉漿液勻速加入250 mL燒杯的熱水中，勻速攪拌，水浴攪拌加熱20 min，然后置于室溫緩慢冷卻，待凝固后即可得到淀粉凝膠樣品。

1.3.3 菱角淀粉凝膠電鏡實驗

樣品準備：取凝膠樣品的中間部位，將4組樣品切片，均勻放置在準備好的冷凍托盤中，并做好標記，將冷凍干燥盤放入-18 ℃冰箱中預冷12 h左右，然后置于冷凍干燥機內冷凍干燥50 h干燥結束后，取出凝膠片并研磨成粉，過100目篩，置于密封袋中保存備用。

取一個電鏡樣品的底座，清理干凈后，在底座上貼上方形的導電膠，在導電膠上面均勻涂抹菱角淀粉凝膠樣品粉末，并輕輕按壓，用吸耳球吹去多余的粉末，然后進行鍍金處理。

采用S-43000型掃描電子顯微鏡(SEM)，設定掃描電壓為15 kV，然后將樣品置于電子顯微鏡下放大不同倍數(500，2.0 K)，在不同角度下進行觀察拍照。

1.3.4 菱角淀粉凝膠強度及質構特性測定[7]

樣品制備：將水浴加熱20 min的淀粉凝膠流體倒入干凈的250 mL燒杯中，表面盡量整理平整，并保持凝膠樣品的高度一致，冷卻成型備用。

凝膠強度：采用TA.XT plus物性測試儀，測試探頭為P/0.5，測前速度為1.5 mm/s，測試速率為1.0 mm/s，測后速度為1.0 mm/s，穿刺深度為10 mm，觸發力為2 g。在測試前用同型號的空燒杯進行調零。

質構特性：采用TA.XT plus物性測試儀，測試探頭為P/45，測前速度為1.0 mm/s，測試速率為2.0 mm/s，測后速度為1.0 mm/s，壓縮比為50%，觸發力為10 g，時間為5 s。

1.4 數據處理

每組實驗均進行2次平行實驗，相對偏差不超過±0.5%，試驗結果取兩次實驗的平均值。每個樣品同一放大倍數的電鏡圖片共3張，從中選取效果較佳的1張。

2 結果與分析

2.1 菱角淀粉的基本成分

由表1可知，新鮮菱角除去水分以外，含量最多的為淀粉，其次是粗蛋白質，還含有少量的礦物質和粗脂肪。通過特定工藝提取的菱角淀粉，在其非水組分中，除去極少量的粗蛋白、粗脂肪和礦物質以外，基本全為淀粉。

表1 新鮮菱角與菱角淀粉的理化成分對比Table 1 The comparison of physical and chemical components between fresh water chestnut and water chestnut starch

2.2 菱角淀粉凝膠微觀結構測定結果與分析

(a)空白組500倍

由圖1可知，當放大倍數為500倍時，菱角淀粉凝膠呈現明顯的三維網絡結構，且結構較為疏松,孔洞分布較均勻；當放大倍數為2.0 K時，可見凝膠表面較為光滑，局部呈片狀。

(a)海藻酸鈉組500倍

由圖2可知，與空白組相比，海藻酸鈉組凝膠亦呈三維網絡結構，但其結構相對緊實，孔洞結構不明顯；當放大至2.0 K倍時，可見其表面光滑度變差，局部顆粒狀較為明顯。海藻酸鈉是一種親水性多糖，可在各類食品中按生產需要適量使用，常用作增稠劑、膠凝劑和穩定劑，在菱角淀粉凝膠體系中，海藻酸鈉高度分布于其中，并與水分子發生偶極-偶極相互作用，故而使得其孔洞結構不明顯，結構相對緊實；同時，可能由于海藻酸鈉相比菱角淀粉，其吸水速度相對較慢，在凝膠形成過程中還未充分吸水而導致其表面光滑度變差。

(a)單甘酯組 500倍

由圖3可知，與空白組相比，單甘酯組凝膠的三維網絡結構明顯受到破壞，多呈碎片狀，無明顯的孔洞結構，但其致密性尚好；當放大至2.0 K倍時，可見其片層結構明顯，局部出現少許斷裂，表面較為光滑。單甘酯即單硬脂酸甘油脂肪酸酯，可在各類食品中按生產需要適量使用，常用作乳化劑[8]，分布于菱角淀粉凝膠水相與油相的界面，在一定程度上阻斷了凝膠淀粉與水的相互作用，故而使得其結構發生斷裂，出現明顯的碎片。

(a)復合磷酸鹽組500倍

由圖4可知，與空白組相比，復合磷酸鹽組凝膠呈現三維網絡結構，但網絡結構相對致密，部分孔洞較大，有少數斷裂現象；當放大至2.0 K倍時，可見其片層結構明顯，局部出現部分斷裂，表面尚為光滑。復合磷酸鹽主要包括焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉及三聚磷酸鈉3種成分，可用于食用淀粉及方便米面制品，常用作水分保持劑[9]、酸度調節劑、穩定劑及凝固劑，可溶于水相體系，并與水分子發生離子-偶極相互作用，故而使得其孔洞相對減少，結構相對致密。

2.3 菱角淀粉凝膠強度測定結果與分析

由表2可知，在應力面積和應變高度一定的條件下，復合磷酸鹽組的凝膠強度最大(336.616 g)，其次是海藻酸鈉組和空白組，單甘酯組的凝膠強度最小(162.930 g)。與空白對照組相比，復合磷酸鹽組的凝膠強度增加了76.49%，海藻酸鈉組的凝膠強度增加了47.62%，原因可能是復合磷酸鹽和海藻酸鈉與凝膠體系中的水分子相互作用，在一定程度上強化了菱角淀粉與水的相互作用，使得其強度顯著增加；與空白對照組相比，單甘酯組的凝膠強度降低了14.58%，原因可能是單甘酯定向于菱角淀粉菱角體系的水相和油相界面，在一定程度上阻斷了凝膠淀粉與水的相互作用，使得其強度有所降低。

表2 菱角淀粉凝膠樣品凝膠強度測定結果Table 2 The determination results of gel strength of water chestnut starch gel samples

2.4 菱角淀粉凝膠質構特性測定結果

由表3可知，在硬度方面，復合磷酸鹽組的硬度最大，單甘酯組的硬度最小；與空白對照組相比，復合磷酸鹽組硬度增加12.80%，海藻酸鈉組硬度增加1.84%，由此可見，復合磷酸鹽可明顯增強菱角淀粉凝膠樣品的硬度。與空白對照組相比，單甘酯組的硬度降低8.27%，原因可能是單甘酯作為乳化劑，在一定程度上可抑制淀粉的老化。在彈性方面，與空白對照組相比，海藻酸鈉組的彈性增加14.19%，單甘酯組的彈性增加6.11%，而復合磷酸鹽組略有增加，由此可見，海藻酸鈉和單甘酯均可改善菱角淀粉凝膠樣品的彈性。在耐咀性方面，與空白對照組相比，海藻酸鈉組降低5.14%，單甘酯組相差不大，而復合磷酸鹽組增加6.70%，由此可見，復合磷酸鹽可在一定程度上提升菱角淀粉凝膠樣品的耐咀性。

表3 菱角淀粉凝膠樣品質構特性測定結果Table 3 The determination results of texture properties of water chestnut starch gel samples

3 結語

結果表明，海藻酸鈉、單甘酯及復合磷酸鹽均能影響菱角淀粉凝膠中水分子流動程度及淀粉分子間相互作用，進而改變了菱角淀粉凝膠的微觀結構、凝膠強度及質構特性，且不同類型的添加劑其影響效果各不相同。在生產實踐中，可根據產品的實際需要，選擇適宜的添加劑類別，對產品的品質進行適度改良。此外，后期還將選用天然防腐劑[10]或生物保鮮劑，對菱角淀粉凝膠的穩定性或保質期進行系統的研究，力求為菱角淀粉凝膠食品的工業化生產提供一定的依據。