菊粉-小麥淀粉復配體系理化特性及相互作用

冀曉龍,尹明松,趙陽,曹騰正,高潔,劉延奇*

1(鄭州輕工業大學 食品與生物工程學院,河南 鄭州,450001) 2(河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室,河南 鄭州,450001)

菊粉(inulin,IN),又名菊糖,一種天然的線性果聚糖,存在于菊苣根、大麗花塊莖、洋蔥、香蕉等多種水果和蔬菜中,工業上常用菊苣根提取天然IN[1]。IN主要是由D-呋喃果糖分子以β-(2→1)鍵連接而成,末端通過α-(1←→2)鍵與最后1個果糖相連,鏈長從2～60個單位不等[2]。研究表明,天然IN具有調節血糖、降脂、刺激腸道菌群、預防和緩解便秘、降低胃腸道疾病風險等功效[3-4]。近年來,IN因為顯著的功能特性,被廣泛的應用于食品加工行業,為功能性食品的研發提供新的方向。

小麥淀粉(wheat starch,WS)作為食品加工的原材料,價格低廉,被廣泛應用于面條、餅干、面包、蛋糕等產品中。然而,天然淀粉由于穩定性差、易老化、易膨脹等固有缺陷,無法滿足某些食品的加工要求[5]。目前,淀粉與非淀粉多糖復配體系受到了廣泛的關注。大量研究表明,非淀粉多糖與不同淀粉復配,可對復配體系的糊化、流變以及消化特性有顯著的影響。LUO等[6]發現涼粉草多糖可以促進玉米淀粉的糊化,增強復配體系的黏彈性。DARTOIS等[7]研究了淀粉-瓜爾豆膠復配體系的體外消化性,結果表明瓜爾豆膠的添加有效抑制淀粉酶的消化,且抗性淀粉(resistant starch,RS)含量升高。但目前未見將天然IN與WS復配體系的研究報道。

本文選用不同濃度的IN,制備IN-WS復配體系,研究其糊化、流變、消化等理化特性,同時進一步分析復配體系中IN與WS間的相互作用,旨在擴大WS的應用,為IN-淀粉基產品的開發提供研究數據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

天然IN(含量>88%,食品級),比利時Beneo公司；WS(水分含量13%,食品級),河南恩苗食品有限公司；葡糖氧化酶/過氧化物酶試劑(glucose oxidase/peroxidase reagent,GOPOD)(食品級),愛爾蘭Megazyme公司；淀粉葡萄糖苷酶(A709,分析純)、豬胰酶(P7545,分析純),美國Sigma公司；溴化鉀(光譜純),天津科密歐化學試劑有限公司；無水乙醇(分析純),天津市精細化工有限公司；氯化鈉,尿素(分析純),天津市大茂化學試劑廠。

4500快速黏度分析儀(rapid visco analyzer,RVA),美國Perten公司；Q20差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC)、DHR-1旋轉流變儀,美國TA公司；Vertex70傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR),德國Bruker公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 IN-WS懸浮液的制備

準確稱取不同質量的IN分散溶解在25 mL的蒸餾水中,磁力攪拌30 min,得到質量濃度0、50、100、150、200 g/L的多糖溶液。隨后向多糖的水溶液中緩慢加入2.5 g(100 g/L)的WS,并繼續攪拌30 min,得到懸浮樣品。

1.2.2 IN-WS復配體系糊化特性的測定

使用RVA測得IN-WS復配體系的糊化參數。取1.2.1方法制備的懸浮樣品25 mL至RVA專用測試鋁盒中,調用RVA標準程序1進行測試。具體程序如下：開始在50 ℃下保持1 min,升溫至95 ℃,保持2.5 min,然后再以相同速率降溫至50 ℃,保持2 min。

1.2.3 IN-WS復配體系熱力學特性的測定

使用DSC測試IN對WS熱力學特性的影響。參考張明月等[8]的方法并稍作改動。取5 μL不同濃度的IN水溶液和2.5 mg(干基)WS到鋁盤中,壓蓋密封,并在室溫下平衡12 h。將樣品盤從20 ℃加熱至120 ℃。使用密封的空盤作為參考,記錄樣品的起始溫度(To),峰值溫度(TP),終止溫度(Tc)和糊化焓(ΔH)。

1.2.4 IN-WS復配體系流變學特性的測定

使用旋轉流變儀(Discovery HR-1)測試IN-WS復配體系的流變學特性。參考REN等[9]的方法并稍作修改。將1.2.2方法制備的糊化樣品于4 ℃下平衡24 h,以充分完成水合。隨后將樣品轉移到旋轉流變儀上,平板直徑400 mm,間隙500 mm。

穩態流變特性的測定：以0.1～100 s-1測定樣品的穩態流變特性。通過連續剪切試驗確定表觀黏度與剪切速率之間的關系,測試溫度保持在25 ℃。

動態流變特性的測定：以1～25 Hz測定樣品的動態流變特性。通過振蕩頻率的變化測定樣品的儲能模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗因子(tanσ),測試應變為1%,溫度保持在25 ℃。

1.2.5 IN-WS復配體系體外消化特性的測定

IN-WS復配體系的消化特性參照景悅等[10]的方法。取1.2.2方法制備的糊化樣品,冷凍干燥,過100目篩,再準確稱取200 mg干燥樣品,加入4 mL的醋酸鈉緩沖溶液和1 mL胰α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶復配液,37 ℃下振蕩水解。在20和120 min時取0.1 mL水解液,加乙醇滅酶,離心后再取0.1 mL的上清液,加入3 mL GOPOD,水浴顯色,記錄510 nm處吸光值。另取0.1 mL標準葡萄糖溶液和蒸餾水分別作為標準和空白對照。根據樣品的吸光值,計算快速消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS),慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)和RS的含量。RDS、SDS和RS計算如公式(1)～公式(3)所示：

(1)

(2)

RS/%=[1-(RSD+SDS)]×100

(3)

式中：G20和G120分別為水解20和120 min后的葡萄糖含量；m,復合體系樣品的質量；FG為酶水解處理前WS中游離葡萄糖含量,FG=0。

1.2.6 IN-WS復配體系相互作用力的測定

參考REN等[11]的方法并稍作修改,探究IN-WS復配體系的相互作用力。將2 g WS和1 g IN混合粉末分別溶解在0、0.2、0.6、1.0 mol/L的氯化鈉和尿素中。將制備好的樣品在95 ℃下水浴20 min,冷卻至25 ℃。隨后在1～25 Hz進行頻率掃描測試,測試應變保持在1%。

1.2.7 IN-WS復配體系FT-IR掃描

使用FT-IR測定IN-WS復配體系的結構。取1.2.2方法制備的糊化樣品,趁熱冷凍干燥,粉碎過100目篩。按照1∶100(g∶g)稱取一定量的樣品與溴化鉀,充分研磨后壓片。測試光譜范圍為4 000～400 cm-1,分辨率為4 cm-1。

1.3 數據處理

所有試驗均重復3次。所有數據采用IBM SPSS Statistics 26.0軟件程序進行差異顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 糊化特性

淀粉的糊化是淀粉顆粒受熱吸水、膨脹并失去原有晶體結構的過程[12]。添加不同濃度IN的WS復配體系RVA糊化曲線如圖1所示,糊化參數如表1所示。添加不同濃度IN后復配體系的糊化溫度從91.55 ℃增加到95.35 ℃。結果表明IN延遲了復配體系的糊化,造成這種現象主要是因為IN具有較強的吸濕性,在糊化過程中與WS爭奪糊化所需的水分,使得糊化難度增大,糊化溫度增高[13]。

圖1 IN-WS復配體系糊化曲線Fig.1 Pasting curve of the IN-WS blended systems

由表1可知,IN-WS復配體系的峰值黏度、谷黏度以及最終黏度都隨著IN濃度的增加而不斷降低,呈現出濃度依賴性。這種現象主要是由于IN分子具有吸濕性,導致支鏈淀粉不能充分吸收水分,無法形成完全的黏性物質[11]。此外,IN分子作為一種非淀粉多糖也是引起淀粉黏度下降的原因之一。LIU等[14]試驗結果表明多糖可抑制淀粉顆粒的膨脹,導致黏度降低。這與本試驗的研究結果相一致。

崩解值反映淀粉顆粒對抗熱和剪切的穩定性[14],崩解值越小,表明在受熱過程中淀粉顆粒的結構越穩定。從表1中可以發現,IN的添加使復配體系的崩解值顯著降低(P<0.05)。試驗結果表明,IN提高了WS的熱穩定性。另外,在回生值中也觀察到了一樣的趨勢。回生值代表淀粉糊的短期老化,與直鏈淀粉的重排有關[15]。表1中,隨著IN添加量的增高,回生值逐漸降低,當IN添加量為20%時,復配體系的回生值達到最低。結果表明添加IN抑制了WS復配體系的短期老化,且IN添加量越高抑制效果越強。這種現象可能是因為IN分子與浸出的直鏈淀粉相互作用,從而抑制直鏈淀粉的重排[14]。

表1 IN-WS復配體系糊化特征參數Table 1 Pasting parameters of IN-WS blended systems

2.2 熱特性

IN-WS復配體系熱特征參數如表2所示,IN-WS復配體系的起始溫度(To)從56.95 ℃增加到62.74 ℃,峰值溫度(TP)從63.04 ℃增加到69.88 ℃,以及終止溫度(Tc)從75.65 ℃增加到82.82 ℃。起始、峰值和終止溫度水平與淀粉的玻璃化轉變密切相關。它們隨著IN濃度的增加而增加,表明IN的存在延遲了WS的糊化,這與RVA試驗結果相符。糊化焓(ΔH)與支鏈淀粉在顆粒內發生糊化所需的能量有關。由表2觀察到,隨著IN的添加,WS的糊化焓從10.07降低到7.68 J/g。

表2 IN-WS復配體系熱力學參數Table 2 Thermal parameters of IN-WS blended systems

糊化溫度的增高和糊化焓的降低可能是由于IN具有較強的吸水能力,可以與淀粉競爭有效水分子,限制了WS體系中的水分利用率,從而推遲糊化過程,同時也會引起WS的不完全糊化,降低糊化焓[16]。SUN等[17]在研究魔芋多糖對大米、馬鈴薯和豌豆淀粉的理化特性影響時也發現,魔芋多糖可抑制3種不同晶型淀粉的糊化過程。

2.3 流變特性

添加不同IN濃度后WS復配體系的穩態剪切和動態流變結果分別由圖2和圖3所示。

圖2 IN-WS復配體系表觀黏度曲線Fig.2 Apparent viscosity of the IN-WS blended systems

由圖2可以看出,所有樣品的表觀黏度隨剪切速率的增高而不斷降低,表現為剪切稀化行為,這表明添加IN的WS復配體系是典型的非牛頓流體[18]。IN的添加也增加了復配體系的表觀黏度,但是各濃度之間并沒有明顯的差異。由圖3-a和圖3-b觀察到所有復配體系的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨著頻率的增加而增大,IN的添加增大了WS糊的動態模量(G′,G″)。此試驗結果與REN等[19]在涼草多糖對大米淀粉流變特性影響研究的結果一致。此外,所有樣品的G′顯著高于G″,這一結果表明添加IN的WS復配體系具有典型弱凝膠的類固體行為[9]。由圖3-c可知,所有樣品的損耗因子(tanσ)均<1且隨著頻率的增高而增大。復配體系的損耗因子隨著IN添加量的增加呈現出先降低后增大的趨勢,這表明IN可以使復配體系的凝膠結構由類固態向類液態轉變[20]。這些結果表明,IN的添加能顯著的影響WS糊的流變特性。

a-儲能模量；b-損耗模量；c-損耗因子圖3 IN-WS復配體系動態黏彈性曲線Fig.3 Dynamic viscoelasticity of the IN-WS blended systems

2.4 體外消化特性

IN-WS復配體系中RDS、SDS和RS的含量如表3所示。RDS的含量隨著IN添加量的增大而顯著降低,表明IN可抑制WS的消化。當IN濃度高于10%時,SDS的含量變化不明顯(P>0.05),說明IN只有在較低的濃度下對SDS的抑制作用較強。另外,IN的添加增大了WS中RS的含量并且具有濃度依賴性,這進一步說明了IN對WS的消化具有明顯的抑制作用。KONG等[21]在冬蟲夏草多糖對WS體外消化的影響研究中得到了相似的結果。引起這種抑制作用的原因可能有2個方面。一方面,IN分子與WS對有效水的競爭,抑制了淀粉的膨脹,導致部分淀粉顆粒的不完全糊化,使得消化變得困難[18]。另一面,IN可能會包裹在淀粉顆粒表面,限制了消化酶進入到淀粉顆粒內部[22]。

表3 IN-WS復配體系RDS、SDS和RS的含量Table 3 Content of RDS,SDS,and RS of IN-WS blended systems

2.5 相互作用力

一般來說,非淀粉多糖和淀粉的復配體系中存在的相互作用力通常包括靜電力、氫鍵、疏水的相互作用和范德華力[23]。從分子的結構特征來看,IN和WS分子中存在大量的親水基團—羥基,因此氫鍵和靜電相互作用最有可能是多糖與淀粉相互作用的主要作用力。氯化鈉主要干擾靜電相互作用,對氫鍵影響作用不大,而尿素主要破壞氫鍵作用,對靜電作用沒有影響。因此,通過向多糖與淀粉復配體系中添加氯化鈉和尿素來探究IN與WS間的相互作用力。如圖4-a所示,隨著氯化鈉濃度的增加,IN-WS復配體系的儲能模量略有變化,但是總體上變化較小。

a-NaCl；b-尿素圖4 不同濃度NaCl和尿素對IN-WS復配體系的 儲能模量曲線Fig.4 Storage modulus (G′) curves of IN-WS blended systems with different concentrations of NaCl and Urea

由此可以推測IN與淀粉分子間的相互作用不是靜電力。如圖4-b所示,隨著尿素的不斷添加,IN-WS復配體系的儲能模量不斷下降,這表明尿素的添加破壞了IN與淀粉分子間的氫鍵作用。綜上說明,氫鍵可能是維持IN與WS分子間的主要力量。LI等[24]也報道了氫鍵是淀粉-多糖體系中的主要作用力。

2.6 FT-IR

圖5為IN-WS復配體系在4 000～400 cm-1的FT-IR圖。與原WS相比,添加IN后復配體系的吸收峰基本相同,并沒有出現新的吸收峰,說明IN與淀粉分子之間沒有形成新的共價鍵。IN-WS復配體系在3 400和2 900 cm-1左右出現的吸收峰分別與O—H和C—H的伸縮振動有關。其中,3 400 cm-1左右的吸收峰為典型的多聚體分子間締合羥基的特征峰[25],說明IN與WS分子間存在氫鍵的作用力,與相互作用試驗結果相一致。IN的添加使WS在3 429 cm-1處的吸收峰向3 446 cm-1處移動,但隨著IN添加量的增大,IN-WS復配體系的吸收峰又逐漸向低波數方向移動,說明復配體系分子間的氫鍵作用力逐漸增強。在1 647 cm-1處的吸收峰與樣品的含水量有關,對應于淀粉無定形區域結合水的O—H彎曲振動[26]。在1 021 cm-1處的吸收峰與C—O鍵的伸縮有關。929 cm-1處的吸收峰與整個無水葡萄糖環的拉伸振動有關[27]。

圖5 IN-WS復配體系FT-IR圖Fig.5 FT-IR spectra of IN-WS blended systems

3 結論

本文研究表明,IN的添加對IN-WS復配體系的糊化,流變和體外消化特性有顯著的影響。IN-WS復配體系的黏度、崩解值、回生值顯著降低,且具有濃度依賴性。IN的添加延遲了復配體系的糊化,降低了糊化焓。IN-WS復配體系為典型的非牛頓流體,具有剪切稀化行為。隨著IN濃度的添加,IN-小麥復配體系凝膠結構由類固態向類液態轉變。體外消化試驗結果表明IN的存在抑制WS的水解,提高了SDS的含量。IN與WS間主要發生氫鍵的相互作用,并沒有新的基團產生。目前的研究結果表明,IN的添加改善了WS的加工特性,為開發IN-淀粉基產品提供新的思路。