淀粉水凝膠體系水分分布規律分析

林順順，史家琪，孫夫才，姜麗麗，馬兵團，李夢琴,*

（1.河南農業大學食品科學技術學院，河南 鄭州 450002；2.貝一食品（山東）有限公司，山東 臨沂 276000；3.河南同昌實業有限公司，河南 鄭州 450000）

淀粉是人類膳食的主要營養成分和能量來源，廣泛應用于食品、化工、紡織等領域。它是由單一類型的糖單元組成的多糖，根據其分子結構，可以將其分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，以不同大小、不同形狀的顆粒形式存在于谷類、薯類、豆類植物中[1]。淀粉顆粒經受熱吸水、膨脹、破裂、分子鏈纏結形成含有一定水分的網狀結構復合物，即淀粉凝膠[2-3]。通常情況下，淀粉凝膠可以被加工成為多種多樣的食品，如粉絲[4]、涼粉[5]、粉皮[6]等，這些食品的品質取決于淀粉的凝膠特性。同時，淀粉的凝膠特性受到內在和外在因素，如直鏈淀粉含量[7]、pH值[8]，影響淀粉制品的優劣。目前，已經有許多關于玉米、紅薯、馬鈴薯、豌豆淀粉的凝膠特性[6,9-10]和微觀結構[11]的報道。

值得注意的是，淀粉凝膠以其吸引水分子和捕獲脂肪的能力，使其可以在不同形態的食品中作為潤滑質地調節劑使用[12-13]，如提高肉類制品、奶類制品等的潤滑口感。近幾年，關于食品的感官質地研究受到大量關注，現代人類更傾向于從食物消費中獲得最大程度的感官愉悅，對潤滑度的感官感知通常是享樂性食物備受喜好的主要因素。食物的潤滑感知如平滑度、乳脂感、奶油感[14]等已成為食品質地感知的重要方面[15]。而食品的感官質地與食品的材料特征屬性，包括微結構性質、力學性質、孔隙形狀、空隙大小、水/油含量等因素都有關系。Heydari等[16]使用不同濃度的玉米淀粉、糯玉米淀粉和小麥淀粉作為脂肪替代品對油/水乳狀液流變學特性及摩擦學影響結果表明，淀粉種類和濃度會顯著影響乳狀液的潤滑質地。重要的是，水分直接影響糊化后淀粉分子鏈的遷移，決定淀粉分子鏈重新聚合的速率[17-18]。有研究表明，淀粉凝膠體系中的水起到增塑劑的作用，使淀粉聚合鏈更加柔韌，從而有利于直鏈淀粉/支鏈淀粉單元鏈的重排[19]。Zhu Yu等[20]研究發現玉米淀粉的凝膠特性和糊化度受到聚乙二醇-水質量比的顯著影響，聚乙二醇與水質量比40∶60的淀粉凝膠比100%水樣中的淀粉凝膠表現出更強的黏彈性和結構穩定性。同時，水分含量和加熱溫度會影響淀粉結構的可變性，從而影響淀粉的功能特性[21-23]。因此，淀粉凝膠體系中水分分布狀態規律對于淀粉凝膠和淀粉基食品的質地起著重要作用。

前期研究中，通過分析6 種淀粉不同質量分數間的凝膠質構性能差異，已經建立了6 種淀粉的5 種物理形態的淀粉膠凝模型體系[24]，得出當淀粉質量分數大于5%時，其淀粉凝膠屬于固體形態。本實驗在前期研究基礎上，分析不同淀粉質量分數對6 種淀粉水凝膠體系的水分分布規律，以期為研究提升淀粉基質類食品的感官質地提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉、紅薯淀粉、綠豆淀粉、豌豆淀粉購置于新鄉良潤全谷物食品有限公司，且前期研究[25]已對該6 種淀粉的粒徑、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量進行測定。

PQ 001 Micro MR型柜式核磁共振成像儀 上海Niumag電子科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 淀粉凝膠的制備

采用質量分數梯度法制備不同物理形態的膠凝[15]，具體為：準確適量淀粉，制備淀粉質量分數梯度為5%～14%的淀粉懸浮液，于500 mL燒杯中；將燒杯置于（98±2）℃水浴中攪拌加熱30 min[16]，緩慢倒入2 cm高度的培養皿中，并控制液面高度為1.5 cm；然后將培養皿平放于4 ℃冰箱中，使凝膠老化24 h，形成穩定的淀粉凝膠體系。

1.2.2 淀粉凝膠的低場核磁共振（low field-nuclear magnetic resonance，LF-NMR）測定

使用紐邁核磁共振分析應用軟件進行測定。準確稱取上述制備的淀粉質量分數為5%～14%的6 種淀粉凝膠1.500 g，使用多脈沖回波序列進行橫向弛豫時間（T2）的檢測，測定淀粉凝膠的水分分布。檢測參數：儀器測量溫度36 ℃，主頻22 MHz，偏移頻率777627.95 Hz，采樣點數500028，弛豫衰減時間3000.00 ms，累加次數8，回波時間1.000 ms。每種試樣至少重復測定3 次。

1.3 數據分析

用SPSS 26進行數據分析；Origin 2021進行數據處理及圖形的繪制；采用SIMCA-P 11軟件進行統計數據的主成分分析（principal component analysis，PCA）。

2 結果與分析

2.1 谷類淀粉水凝膠體系水分分布規律分析

圖1是谷類（玉米、小麥）淀粉在淀粉質量分數為5%～14%時所形成水凝膠的弛豫時間圖譜（T2），在0.01～10000 ms的橫向弛豫時間內可以觀察到3～4 個峰（大部分樣品結合水表現出雙峰頭現象），代表水分存在形式有：結合水、不易流動水和自由水。弛豫時間T2b（T21＋T22）峰表征與大分子緊密結合的結合水，T23為被截留在凝膠網絡結構中不易流動的水，也稱截留水、游離水，T24為具有高度流動性的自由水[26]。通常在含水凝膠體系中，絕大多數的水都是存在于凝膠網絡中的截留水[27]，圖1和表1結果也驗證了這一觀點，即在本淀粉凝膠體系中，不易流動水（T23峰）的相對含量最大。

表1 谷類淀粉不同狀態水橫向弛豫時間變化及相對含量的方差分析Table 1 Analysis of variance of transverse relaxation times and relative contents of different water states in cereal starch gels

圖1 不同質量分數谷類淀粉凝膠的LF-NMR馳豫圖譜Fig.1 LF-NMR relaxation spectra of cereal starch gels at different concentrations

在弛豫時間圖譜（T2）中，T2越大，表明該狀態水分子被凝膠網絡結構束縛的越弱，水分流動性越大；反之，T2越小，說明該狀態水分子被凝膠網絡結構束縛的越強，水分的流動性越弱[1]。從表1可以看出，隨著淀粉質量分數的增加（由5%增加至14%），玉米淀粉和小麥淀粉凝膠的T2（T21、T22、T23和T24）均呈減小趨勢，表明淀粉質量分數越大，凝膠網絡結構對各部分水分的束縛能力越強，即凝膠網絡與水結合的能力越強。這不難理解，因為高淀粉質量分數淀粉凝膠中暴露出更多氫鍵與水分子結合，使水分子被束縛，水分子的流動性降低[27]。該結論與Zhang Yifu等[28]結論一致，其研究認為淀粉凝膠在回生狀態下淀粉分子之間的交聯造成水分自由性降低。

由圖1可見，對于玉米淀粉凝膠，在淀粉質量分數（5%～14%）范圍，不同凝膠樣品之間結合水含量（A2b）無顯著差異。不易流動水含量（A23）呈（淀粉質量分數5%～6%）顯著減少后，（淀粉質量分數6%～14%）顯著增加趨勢（P＜0.05）。自由水含量（A24）變化趨勢與A23相反，即呈先顯著增加后顯著減小（P＜0.05），其中質量分數為11%和12%淀粉凝膠的A24為零。

對于小麥淀粉凝膠（圖1b和表1），質量分數為11%、12%和14%淀粉凝膠的結合水含量（A2b）均顯著高于其他質量分數。質量分數為7%淀粉凝膠的A23顯著低于其他樣品（P＜0.05），自由水相對含量（A24）顯著高于其他凝膠樣品（P＜0.05），且質量分數為11%～14%時，凝膠樣品的自由水相對含量均為零。淀粉在老化過程中，原淀粉分子與水分子之間的氫鍵會逐漸取代淀粉分子之間的氫鍵，導致內部分子與水分子的結合能力上升[29]。直鏈淀粉糊化后水解暴露出更多氫鍵，氫鍵與淀粉分子之間結合的機會增多[30]，從而顯著減少了凝膠中自由水的比例。在前期研究結果顯示，小麥淀粉中的直鏈淀粉含量（23.93%）顯著高于玉米淀粉（20.74%）[25]。分析認為，當小麥淀粉質量分數大于11%時，小麥直鏈淀粉糊化后已經暴露出足夠的氫鍵結合水分子，使得凝膠網絡結構中自由水的比例為零。

2.2 薯類淀粉水凝膠體系水分分布規律分析

與谷類淀粉不同，在0.01～10000 ms弛豫時間內，薯類（紅薯、馬鈴薯）淀粉凝膠的T2（圖2）均僅觀察到兩個明顯峰，即結合水和不易流動水。由圖2和表2可以看出，隨著質量分數的增大，即紅薯淀粉（由8%增至14%）和馬鈴薯淀粉（由5%增至13%），T21顯著減少（P＜0.05），說明由于淀粉質量分數增大，淀粉凝膠網絡結構與水分子的結合能力逐漸增強，水分子不能自由流動，即自由水均為零。表明淀粉質量分數會顯著增強淀粉凝膠網絡結構結合水分子的能力，這與谷類淀粉凝膠（2.1節）結論一致。

圖2 不同質量分數薯類淀粉凝膠的LF-NMR馳豫圖譜變化情況Fig.2 Changes in LF-NMR relaxation spectra of potato starch gels at different concentrations

由于在薯類淀粉凝膠體系中僅發現兩種狀態水（圖2b和表2），即結合水和不易流動水，因此不同質量分數對凝膠中結合水的影響趨勢與不易流動水呈相反趨勢變化。其結果顯示，對于紅薯淀粉凝膠，在質量分數7%時A23顯著高于其他樣品（97.15%），在質量分數12%～14%時A23穩定在95.51%～95.74%范圍。對于馬鈴薯淀粉凝膠，凝膠中不易流動水相對含量（A23）呈階段性顯著減小趨勢，即淀粉質量分數5%～7%凝膠的A23顯著低于8%～9%凝膠（P＜0.05）；8%～10%凝膠的A23顯著低于11%～14%凝膠（P＜0.05）。

相同淀粉質量分數，馬鈴薯淀粉凝膠中結合水的相對含量（A2b）普遍高于紅薯淀粉凝膠，說明在相同淀粉質量分數的凝膠中，馬鈴薯淀粉凝膠網絡結構中結合水所占百分比相對較高，說明馬鈴薯淀粉凝膠網絡結構具有較強包容結合水的能力，而結合水也即是與大分子結合最緊密、產品最不容易流失的水分。前期研究發現馬鈴薯淀粉餅干的口感潤滑質地明顯優于紅薯、小麥等其他淀粉餅干[25]，分析這應該與馬鈴薯淀粉凝膠中結合水相對含量較高有關。同時，Nwokocha等[31]發現愛爾蘭馬鈴薯淀粉的淀粉顆粒更大，磷含量更高，直鏈淀粉含量低。與甘薯淀粉相比，它還表現出更低的糊化溫度、更高的溶脹力和直鏈淀粉浸出率。其他相關文獻也顯示，由于馬鈴薯淀粉具有較低的直鏈淀粉含量和較高的磷酸鹽含量[32]，內部交聯更緊密，與紅薯淀粉相比，馬鈴薯淀粉凝膠更易與水分子結合，形成結合水[33-34]。

2.3 豆類淀粉水凝膠體系水分分布規律分析

豆類（豌豆、綠豆）淀粉凝膠的弛豫時間圖譜（圖3）中觀察到3～4 個峰（部分樣品結合水表現出雙峰頭現象），代表水分存在形式有：結合水、不易流動水和自由水。同時發現，在淀粉質量分數在5%～14%范圍內，相同質量分數時，豌豆淀粉凝膠的弛豫時間T2b、T23和T24均小于綠豆淀粉凝膠。隨著淀粉質量分數的增大，兩種淀粉凝膠圖譜均向左偏移，說明結合水的能力逐漸增強，而在綠豆質量分數大于9%，或豌豆淀粉質量分數大于13%，凝膠圖譜開始向右邊偏移，說明結合水的能力逐漸減弱。綠豆淀粉的橫向弛豫時間T23在質量分數為10%時最小，豌豆淀粉的T23在質量分數為13%時橫向弛豫時間最小，意味在此質量分數時凝膠中結合水穩定性最強[35]。綠豆淀粉的直鏈淀粉含量明顯高于豌豆淀粉[25]，淀粉糊化老化形成凝膠后，長直鏈淀粉斷裂成較短直鏈，直鏈淀粉分子之間的作用開始加強，水合作用減弱，所以在相同質量分數下，綠豆淀粉結合水的能力小于豌豆淀粉。劉紫薇等[36]研究發現改變綠豆的煮制時間，其綠豆淀粉中的支鏈淀粉較直鏈淀粉更易糊化，含量變化更為明顯。黃倩[37]研究發現綠豆淀粉的硬度、結晶度和抗性淀粉含量均高于豌豆淀粉凝膠，說明綠豆淀粉更容易凝膠化。

圖3 不同質量分數豆類淀粉凝膠的LF-NMR馳豫圖譜變化情況Fig.3 Changes in LF-NMR relaxation spectra of soybean starch gels at different concentrations

對不同狀態水分峰面積的相對含量分析結果顯示（圖3b和表3），豌豆淀粉凝膠中結合水的相對含量（A2b）在2.81%～4.15%，不同質量分數間無顯著差異。不易流動水（A23）在淀粉質量分數為5%和6%時顯著高于質量分數8%～14%。對于綠豆淀粉凝膠，凝膠中結合水的相對含量（A2b）在2.47%～3.23%，不同質量分數樣品間無顯著差異。不易流動水含量（A23）在淀粉質量分數為5%～8%時顯著低于質量分數9%～14%時，且在淀粉質量分數為9%～14%范圍內表現出顯著波動（P＜0.05）。

表3 豆類淀粉不同狀態水橫向弛豫時間變化及相對含量的方差分析Table 3 Analysis of variance of transverse relaxation times and relative contents of different water states in soybean starch gels

2.4 不同淀粉水凝膠體系水分分布對比分析

為更全面了解凝膠水分分布特征在不同淀粉間的差異特征，本研究利用SIMCA-P 11軟件先對不同狀態水分的峰面積百分比指標（A2b、A23、A24）進行標準化處理，即消除了指標之間數值差異，然后分別對同一淀粉質量分數下，不同淀粉凝膠間水分分布進行PCA，分析發現，相鄰質量分數的兩樣品PCA結果分布趨勢近似，因此僅提供6%、8%、10%、12%和14%質量分數時，不同淀粉凝膠樣品的分析結果（圖4、5）。

圖4 不同種類淀粉凝膠的LF-NMR馳豫圖譜變化情況Fig.4 Changes in LF-NMR relaxation spectra of different starch gels

一方面，對不同淀粉與水結合能力方面進行比較分析，結果顯示（圖4）凝膠中不易流動水的弛豫時間T23存在顯著差異（P＜0.05），總體表現為：豌豆淀粉凝膠中不易流動水的弛豫時間T23最小，馬鈴薯淀粉凝膠中不易流動水的弛豫時間T23最大，玉米淀粉凝膠和小麥淀粉凝膠弛豫時間居中，這說明豌豆淀粉凝膠網絡結構束縛不易流動水的能力最強，馬鈴薯淀粉凝膠網絡結構束縛不易流動水的能力最弱，而谷類淀粉凝膠介于二者之間。對淀粉不同質量分數（6%、8%、10%、12%和14%）對比發現，隨著質量分數的增加，6 種淀粉弛豫時間的極差逐漸減弱，表現為更聚攏，但豆類、谷類和薯類之間的類屬差異漸為明顯。這是因為，與谷類淀粉和薯類淀粉相比，豆類淀粉中直鏈淀粉含量較高[38-39]，老化程度大于谷類和薯類淀粉。同時由于淀粉質量分數的增大，增強了凝膠強度和網絡結構，水分與淀粉顆粒結合更加緊密，降低了水的自由度[11,40]。在直鏈淀粉與質量分數的雙重作用，淀粉凝膠強度、膠黏度均增加，表現為較強結合水的能力。該結論與楊紅丹[41]研究一致，豆類淀粉是水與底物結合最為緊密的一種淀粉。Jin Fengfang等[42]通過測定蒸煮特性、質地、體外淀粉消化率和抗氧化性能評估綠豆淀粉、馬鈴薯淀粉和玉米淀粉對黑米粉品質的改善效果，結果表明綠豆淀粉對提高黑米粉面條質量的作用優于馬鈴薯和玉米淀粉。

另一方面，對不同淀粉凝膠樣品間水分分布差異分析的PCA結果中（圖5），樣品在PC1-PC2二維圖中位置距離的遠近直觀地反映了樣品間差異的大小，即距離越遠差異越大。由圖5可知，在淀粉質量分數為6%時（圖5a、b），PC1為主要解釋變量（71%），因此主要沿PC1軸進行差異分析。圖上方不同顏色標尺代表了對應顏色淀粉水分相對含量（A2b和A23）值的范圍。分析發現，沿PC1方向，綠豆淀粉凝膠分布在圖的左側，其余5 種淀粉凝膠分布位置集中，且均位于PC1軸的右側，說明6%淀粉質量分數時，綠豆淀粉凝膠中水分分布特征顯著差異于其他5 種淀粉凝膠（P＜0.05），且該5 種淀粉凝膠中水分分布特征差異不顯著。具體差異表現為：綠豆淀粉凝膠中結合水（A2b）和不易流動水的相對含量（A23）顯著低于其他淀粉凝膠（P＜0.05）。

圖5 不同種類淀粉凝膠水分分布PCAFig.5 PCA plots of water distribution in different starch gels

同樣的方法分析得到，在淀粉質量分數為8%時（圖5c、d），綠豆淀粉凝膠中結合水（A2b）和不易流動水的相對含量（A23）均顯著低于其他5 種淀粉凝膠（P＜0.05）。在淀粉質量分數為10%時（圖5e、f），盡管綠豆淀粉凝膠中結合水（A2b）和不易流動水的相對含量（A23）均顯著低于其他淀粉凝膠中的A2b和A23（P＜0.05），但是可以明顯發現，除綠豆外的其余5 種淀粉凝膠樣品在PC1軸上的分布呈分散狀態，說明該5 種樣品之間的差異逐漸明顯，具體表現為：玉米淀粉和豌豆淀粉凝膠中的結合水（A2b）和不易流動水的相對含量（A23）顯著低于紅薯淀粉、小麥淀粉和馬鈴薯淀粉凝膠（P＜0.05）。在淀粉質量分數為12%時（圖5g、h），綠豆淀粉、豌豆淀粉和玉米淀粉凝膠中結合水（A2b）含量顯著低于紅薯淀粉、小麥淀粉和馬鈴薯淀粉凝膠（P＜0.05）；綠豆淀粉和豌豆淀粉凝膠中不易流動水相對含量（A23）顯著低于玉米淀粉、紅薯淀粉、小麥淀粉和馬鈴薯淀粉凝膠（P＜0.05），同時明顯發現，玉米淀粉凝膠顯著差異于小麥和紅薯淀粉凝膠（P＜0.05），又均顯著差異于馬鈴薯淀粉凝膠（P＜0.05）。在淀粉質量分數為14%時（圖5i、j），除了與質量分數為12%時凝膠相類似的差異顯著性結果外，還可以發現，豆類（綠豆和豌豆），薯類（紅薯和馬鈴薯）和谷物類（玉米和小麥）之間的差異也更加明顯。

綜上，豌豆淀粉凝膠網絡結構束縛水分（不易流動水）的能力最強，馬鈴薯淀粉凝膠束縛水分的能力最弱，而小麥、玉米淀粉凝膠介于二者之間。在淀粉質量分數≤10%時，與其他淀粉凝膠相比，綠豆淀粉凝膠中結合水（A2b）和不易流動水（A23）的相對含量均最低。在淀粉質量分數為12%～14%時，綠豆淀粉和豌豆淀粉凝膠中A2b和A23的相對含量均是最低，馬鈴薯淀粉凝膠中A2b和A23的相對含量均最高。且與淀粉質量分數≤10%時顯著不同的是，玉米淀粉、小麥淀粉和紅薯淀粉凝膠之間的差異逐漸顯著。總之，隨著質量分數的增加，豆類（綠豆和豌豆）、薯類（紅薯和馬鈴薯）和谷物類（玉米和小麥）之間的類屬差異更為明顯。

淀粉凝膠的形成過程，伴隨著淀粉的糊化、老化過程。由于糊化加熱被打開的淀粉鏈隨著老化過程又重新纏結，淀粉鏈之間更易形成氫鍵，使得水分子與淀粉鏈間形成的氫鍵斷裂，從而使部分與分子結合/束縛的水被擠出，轉變成自由水。而淀粉質量分數增加會增大分子之間的相互作用，因此，隨著淀粉質量分數的增大，基本會呈現不易流動水含量減少趨勢，如薯類淀粉和豆類淀粉。同時淀粉中直/支鏈淀粉含量以及淀粉粒徑也會造成淀粉凝膠中水分分布的差異。淀粉水凝膠體系中水分分布受淀粉質量分數和淀粉的種類的雙重影響。

3 結論

基于6 種淀粉在不同淀粉質量分數所形成的淀粉水凝膠體系，通過LF-NMR技術分析探索不同淀粉水凝膠體系的水分分布規律。結果顯示，淀粉水凝膠體系中，谷類（玉米、小麥）、豆類（豌豆、綠豆）淀粉凝膠體系存在3 種水分形式，即結合水T2b、不易流動水T23和自由水T24，薯類（紅薯、馬鈴薯）淀粉凝膠體系存在2 種水分形式（T2b和T23），且不易流動水（T23）均是主要的水分形式。

隨著淀粉質量分數（由5%增至14%）的增加，淀粉凝膠網絡結構束縛水分的能力增強，具體表現為凝膠橫向弛豫時間減小，圖譜均向左偏移。同時受淀粉質量分數的影響，淀粉凝膠網絡結構中不易流動水相對含量也發生顯著變化。具體為：谷物淀粉凝膠，低淀粉質量分數（5%～10%/9%）凝膠中不易流動水相對含量顯著低于高淀粉質量分數凝膠（11%/10%～14%）。薯類淀粉凝膠，隨著淀粉質量分數由5%增至14%，凝膠中不易流動水相對含量總體呈現階段性顯著減小后趨于穩定的趨勢。豆類淀粉凝膠，不同質量分數對豌豆淀粉和綠豆淀粉凝膠中不易流動水相對含量（A23）的影響呈現不同的差異特征，即在豌豆淀粉質量分數為5%和6%時，淀粉凝膠中A23顯著高于淀粉質量分數8%～14%時。在綠豆淀粉質量分數為9%～14%范圍內，淀粉凝膠中A23表現出顯著波動（P＜0.05）。

6 種淀粉凝膠在不同淀粉質量分數（6%、8%、10%、12%和14%）對比分析結果顯示，豌豆淀粉凝膠網絡結構束縛水分（不易流動水）的能力最強，馬鈴薯淀粉凝膠網絡結構束縛水分的能力最弱，而小麥、玉米淀粉凝膠介于二者之間。在淀粉質量分數≤10%時，與其他淀粉凝膠相比，綠豆淀粉凝膠中結合水（A2b）和不易流動水（A23）的相對含量均最低。在淀粉質量分數為12%～14%時，綠豆淀粉和豌豆淀粉凝膠中A2b和A23的相對含量均最低，馬鈴薯淀粉凝膠中A2b和A23的相對含量均最高。且與淀粉質量分數≤10%時顯著不同的是，玉米淀粉、小麥淀粉和紅薯淀粉凝膠之間的差異逐漸顯著。隨著質量分數的增加，豆類（綠豆和豌豆）、薯類（紅薯和馬鈴薯）和谷物類（玉米和小麥）之間的類屬差異更為明顯。

本研究結果為淀粉基質類食品加工中感官質地的提升提供基礎理論參考。