脫乙酰魔芋葡甘露聚糖對(duì)玉米淀粉糊化及凝膠特性的影響

童慧琳, 謝 勇, 覃小麗, 張盛林, 劉 雄

(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院1,重慶 400715)

(銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院2,銅仁 554300)

(西南大學(xué)魔芋研究中心3,重慶 400715)

淀粉是人們?nèi)粘ｏ嬍持兄饕哪芰縼?lái)源,且在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛。其物理化學(xué)和營(yíng)養(yǎng)特性在很大程度上決定了淀粉食品的品質(zhì)[1]。然而,天然淀粉在加工過(guò)程中存在熱不穩(wěn)定性、酸敏感以及糊化后抗剪切力差、易回生等缺陷[2,3]。因此,為了滿足生產(chǎn)需求,除了對(duì)淀粉本身進(jìn)行改性以克服這些缺點(diǎn)外,研究人員通常在淀粉基質(zhì)食品中添加適當(dāng)?shù)挠H水膠體,以改善產(chǎn)品流變性、質(zhì)地、持水性及凍融穩(wěn)定性等[4]。魔芋葡甘露聚糖(KGM)是從魔芋塊莖中提取的一種中性多糖[5]。其分子鏈中每19個(gè)糖單元的C-6位置都有一個(gè)乙?；鵞6]。KGM因其良好的保水性、增稠性、凝膠性和乳化性而在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用。研究表明,KGM可以有效地提高淀粉體系黏彈性,減緩回生,并能提升其凝膠穩(wěn)定性[7,8]。

然而,KGM強(qiáng)吸水力所帶來(lái)的高黏性使淀粉凝膠質(zhì)地變軟,表觀黏度增大,極大限制了其在凝膠食品中的商業(yè)應(yīng)用[9]。已有研究表明,乙酰基是維持KGM分子螺旋結(jié)構(gòu),影響KGM水溶性及凝膠強(qiáng)度的重要基團(tuán)[10]。脫乙?；筀GM分子鏈從半卷曲變?yōu)樽跃砬?經(jīng)加熱形成熱不可逆凝膠,且隨著脫乙酰度增加及溫度升高,脫乙酰魔芋葡甘露聚糖(DKGM)凝膠強(qiáng)度增大,表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性[11,12]。Zhang等[13]將DKGM添加到魚(yú)糜中,使經(jīng)高溫處理的復(fù)合魚(yú)糜凝膠強(qiáng)度增大,結(jié)構(gòu)更均勻。官孝瑤等[14]將DKGM添加到面包中,發(fā)現(xiàn)DKGM既能增加面團(tuán)的粉質(zhì)特性以及黏彈性,又能較好地保持面包在儲(chǔ)藏期的水分含量,延緩面包硬度增加。張帥帥等[15]向馬鈴薯淀粉中添加DKGM,使復(fù)合體系的凝膠強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。但目前DKGM對(duì)淀粉糊化及其凝膠特性影響的研究較少,且機(jī)理尚不清楚。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)分析玉米淀粉-DKGM混合物的糊化特性、熱特性、流變學(xué)特性、質(zhì)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)等,探討了不同脫乙酰度KGM對(duì)玉米淀粉凝膠理化特性的影響,以期為DKGM在食品工業(yè)中的應(yīng)用及改善淀粉基質(zhì)食品品質(zhì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

純化魔芋精粉(純度≥86%);玉米淀粉(水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.70%,蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.17%,脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11%,直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.86%)。

1.2 儀器與設(shè)備

RVA-Tec Master快速黏度分析儀,DSC 4000型差示掃描量熱儀,DHR-1流變儀,TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀;Phenom Pro-17A0040型掃描電鏡。

1.3 方法

1.3.1 不同脫乙酰度KGM制備

參考官孝瑤等[14]方法并稍做修改,準(zhǔn)確稱取12 g KGM于360 mL 30%的乙醇溶液中,并在50 ℃水浴下磁力攪拌30 min,之后加入不同體積(0、12、20、28 mL)0.1 mol/L的NaOH溶液于50 ℃下反應(yīng)30 min。脫乙酰反應(yīng)完成后,使用30%乙醇洗脫兩次除去多余堿液,再用梯度乙醇溶液(體積分?jǐn)?shù)為75%、95%)進(jìn)行脫水,最后經(jīng)真空冷凍干燥得到DKGM,其脫乙酰度分別為0.00%、37.27%、56.36%、71.17%。

1.3.2 玉米淀粉-DKGM混合體系制備

配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的玉米淀粉懸浮液,在磁力攪拌狀態(tài)下加入DKGM,使體系中玉米淀粉和DKGM質(zhì)量比為9∶1,混合體系置于30 ℃水浴鍋磁力攪拌1 h使DKGM充分溶脹。玉米淀粉-DKGM混合體系分別命名為DKS1、DKS2與DKS3(對(duì)應(yīng)DKGM脫乙酰度為37.27%、56.36%、71.17%),相同步驟處理的玉米淀粉-KGM混合體系命名為KS,以純玉米淀粉為空白對(duì)照,命名為S。

1.3.3 RVA糊化特性的測(cè)定

樣品總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(干基),使用快速黏度分析儀并按照文獻(xiàn)[16]的方法測(cè)定。

1.3.4 DSC熱特性測(cè)定

按1.3.2節(jié)的比例混合均勻,樣品總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%,4 ℃平衡12 h,采用差示掃描量熱法(DSC)測(cè)定其熱特性。以10 ℃/min 的升溫速率在30～90 ℃范圍內(nèi)掃描,并以空坩堝為參比[17]。

1.3.5 流變特性的測(cè)定

參考張雅媛等[18]方法并稍做修改,取1.3.3節(jié)的淀粉糊置于流變儀上,平板直徑40 mm,間隙0.5 cm,刮去多余樣品,25 ℃平衡30 s。

動(dòng)態(tài)黏彈測(cè)試:預(yù)實(shí)驗(yàn)確定線性黏彈性區(qū)域后,在1%應(yīng)變下,從0.1～100.0 rad范圍內(nèi)的頻率掃描中獲得動(dòng)態(tài)黏彈數(shù)據(jù)。

靜態(tài)流變測(cè)試:測(cè)定剪切速率(γ)從0～100 s-1及從100～0 s-1范圍內(nèi)樣品剪切應(yīng)力的變化。采用冪律方程對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)回歸擬和:

τ=Kγn

式中:τ為剪切應(yīng)力/Pa;K為稠度系數(shù)(Pa·sn);γ為剪切速率/s-1;n為流體指數(shù)。

1.3.6 質(zhì)構(gòu)測(cè)定

將1.3.3節(jié)制備樣品轉(zhuǎn)移至25 mL燒杯中,冷卻后,于4 ℃冰箱中冷藏24 h,測(cè)試前樣品平衡至室溫。測(cè)定條件:TPA模式,P36R探頭,測(cè)前、測(cè)中、測(cè)后速率均為1.0 mm/s,觸發(fā)力5 g,壓縮比40%。

1.3.7 微觀結(jié)構(gòu)觀察

取1.3.3節(jié)制備樣品室溫冷卻后,于4 ℃冰箱中冷藏24 h后置- 80 ℃冷凍。經(jīng)真空冷凍干燥后切薄片,采用掃描電鏡(500倍)觀察其表面樣貌。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理與分析

除掃描電鏡,所有實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均使用Origin 8.5軟件作圖,SPSS 20.0軟件Duncan法進(jìn)行顯著性分析,結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,P<0.05表示有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 DKGM對(duì)玉米淀粉糊化特性的影響

由表1可知,與純玉米淀粉相比,添加KGM與DKGM后,玉米淀粉的峰值黏度谷值黏度、終值黏度均顯著升高,這可能是由于KGM具有較強(qiáng)的吸水能力,其產(chǎn)生的黏度遠(yuǎn)高于玉米淀粉糊化產(chǎn)生的黏度,從而增加混合體系的黏度。谷值黏度為淀粉顆粒在95 ℃持續(xù)加熱時(shí),釋放出聚合物分子,黏度快速下降至最低時(shí)的黏度,谷值黏度升高,混合體系的熱穩(wěn)定性和抗剪切能力增強(qiáng)[19]。其中,DKS2組谷值黏度達(dá)到最高(1 734 mPa·s),DKS1次之,這可能是因?yàn)镈KGM在高溫下通過(guò)氫鍵連接,形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使得混合體系的抗剪切力增強(qiáng)[20]。同時(shí)隨著KGM脫乙酰度的增加,其分子間氫鍵減弱,疏水作用增強(qiáng),使高脫乙酰度組(DKS3)吸水溶脹力急劇降低,黏度降低,因此混合體系黏度隨之降低[21]。另外,除脫乙酰程度與溫度,DKGM的有效濃度對(duì)促進(jìn)其凝膠化至關(guān)重要。濃度越高,凝膠彈性與凝膠強(qiáng)度越大,而在玉米淀粉-DKGM混合體系共糊化時(shí),玉米淀粉競(jìng)爭(zhēng)性吸水使DKGM有效濃度增加,促進(jìn)其凝膠化,這也是DKGM使混合體系熱穩(wěn)定性提高的重要原因?；厣低ǔ７从沉说矸劾匣匦?。于淀粉而言,降溫使直鏈淀粉發(fā)生定向遷移,從無(wú)序狀態(tài)通過(guò)氫鍵連接逐漸變成有序結(jié)構(gòu),黏度增加[22]。相比于KGM,DKGM顯著降低了玉米淀粉的回生值,且該值與脫乙酰度呈負(fù)相關(guān),說(shuō)明DKGM比KGM更能影響直鏈淀粉重排聚集,從而更好地延緩玉米淀粉的短期老化。

表1 玉米淀粉-DKGM混合體系糊化特征值

2.2 DKGM對(duì)玉米淀粉熱特性的影響

淀粉糊化是顆粒在過(guò)量水中加熱從有序狀態(tài)向無(wú)序狀態(tài)的相變,它涉及在微晶和雙螺旋順序水平上有序區(qū)域的熔化,采用DSC可測(cè)定淀粉糊化時(shí)相變溫度(TO、TP)、轉(zhuǎn)換溫度范圍(TC-TO)以及所需的吸熱焓(ΔH)[23]。由表2可知,添加KGM和DKGM后,玉米淀粉糊化起始溫度、峰值溫度、終值溫度升高,糊化焓值由9.79 J/g降低至6.67 J/g,其中DKGM影響更明顯,且隨著脫乙酰度增加,峰值溫度與終值溫度向高溫移動(dòng),溫度范圍增大。Zhang等[24]采用DSC研究KGM對(duì)小麥淀粉熱特性時(shí)也發(fā)現(xiàn)相同趨勢(shì),即添加KGM后,糊化焓值ΔH降低。

表2 玉米淀粉-DKGM混合體系熱力學(xué)參數(shù)

這一現(xiàn)象通常被認(rèn)為是KGM強(qiáng)水和作用,與糊化過(guò)程淀粉競(jìng)爭(zhēng)性吸水所致。其中,DKS3熱特性變化最為顯著,一方面可能是高溫促進(jìn)高脫乙酰度KGM分子鏈的聚集和連接,使其凝膠化,導(dǎo)致淀粉糊化可用水減少[11];另一方面因?yàn)殡S著脫乙酰度增加KGM鏈上暴露更多的羥基,這些羥基可能與淀粉分子通過(guò)氫鍵結(jié)合,影響了淀粉晶體結(jié)構(gòu)的熔融。

2.3 DKGM對(duì)玉米淀粉流變特性的影響

2.3.1 動(dòng)態(tài)黏彈性

所測(cè)樣品貯能模量(G′)均大于損耗模量(G″)且無(wú)交叉,損耗角正切值(tanδ)均小于1,G′與G″隨頻率增加而上升,表現(xiàn)為一種弱凝膠動(dòng)態(tài)流變學(xué)譜圖[4]。由圖1a可知,與純玉米淀粉相比,添加KGM與DKGM后,混合體系G′和G"均顯著增加,在低頻范圍內(nèi),G′隨KGM脫乙酰度增加而增加;在高頻范圍內(nèi),KS、DKS1、DKS2組頻率依賴性增強(qiáng),說(shuō)明在玉米淀粉中添加DKGM,使其結(jié)構(gòu)內(nèi)部分子鏈段間纏結(jié)點(diǎn)增多,抗外力作用時(shí)阻力增大,凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)[25]。然而,隨著KGM脫乙酰度增加,DKS3組表現(xiàn)頻率依賴性低。這歸因于其混合體系糊化后本身黏度較低,且高脫乙酰度DKGM(71.17%)加熱自聚集形成具有一定剛性的凝膠分散于松散的淀粉溶膠中,這種大分子的聚集體在賦予混合體系一定彈性的同時(shí),可能干擾冷卻過(guò)程中直鏈淀粉重排形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[26]。

注:實(shí)心符號(hào)表示G′,空心符號(hào)表示G″。

tanδ值通常用于表示材料的黏彈性特征,為G″和G′的比值。tanδ越大,表明體系具有較強(qiáng)的流動(dòng)性及黏性比例,反之則彈性比例較大。由圖1b可知,玉米淀粉-DKGM混合體系在低頻范圍內(nèi)黏性較大,但隨著脫乙酰度增加,tanδ減小,彈性比例增大。其中,DKS3組tanδ隨頻率增加而增加,表現(xiàn)為與純玉米淀粉凝膠相似的類固體凝膠性質(zhì)。通常淀粉凝膠的剛性與其直鏈淀粉含量成正比,與顆粒膨脹程度成反比[17]。較高的黏性比例暗示著KGM可能影響直鏈淀粉的浸出與重排,而脫乙酰使KGM暴露了更多羥基,打破了雙螺旋空間結(jié)構(gòu)的平衡,其分子鏈在氫鍵的作用下有序化程度得到進(jìn)一步提升,賦予玉米淀粉-DKGM混合體系較好的彈性性質(zhì)。

2.3.2 靜態(tài)流變

玉米淀粉-DKGM凝膠靜態(tài)剪切流變特性如圖2所示,對(duì)各曲線進(jìn)行擬合后參數(shù)如表3所示。所有決定系數(shù)R2均大于0.9,說(shuō)明冪律模型很好地?cái)M合了樣品的流變特性曲線。K值反映淀粉糊的黏度大小。K值的顯著增加與RVA中黏度增加以及和動(dòng)態(tài)黏彈中G″的變化趨勢(shì)一致,表明添加KGM與DKGM后提高了玉米淀粉凝膠的黏彈性。曲線流體指數(shù)n小于1,說(shuō)明所有體系均表現(xiàn)為假塑性流體[18]。

注:實(shí)心符號(hào)表示上行線,空心符號(hào)表示下行線。

表3 玉米淀粉-DKGM混合體系靜態(tài)流變擬合參數(shù)

剪切稀化現(xiàn)象對(duì)食品加工過(guò)程具有重要影響。相比于KS組,添加DKGM后混合體系稠度系數(shù)K顯著下降,流體指數(shù)n值升高后降低,在DKS2時(shí)達(dá)到最高(0.19),在DKS3時(shí)最低(0.14),說(shuō)明玉米淀粉-DKGM混合體系假塑性增強(qiáng)并不僅是因?yàn)镈KGM本身黏度降低所致,可能存在分子間相互作用,使混合體系假塑性先增加后降低。Ma等[9]探究玉米淀粉與KGM相互作用,證實(shí)KGM與淀粉競(jìng)爭(zhēng)性吸水以及抑制淀粉顆粒的膨脹是影響其流體特性重要因素。觸變性是一種重要的非牛頓流體特性。普遍認(rèn)為,觸變環(huán)面積越大,觸變性越強(qiáng)[27]。添加KGM與DKGM后,混合體系的觸變環(huán)面積均顯著增加,表明玉米淀粉-DKGM凝膠內(nèi)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)經(jīng)剪切力破壞后,難以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。與KS組相比,觸變環(huán)面積隨KGM脫乙酰度增加表現(xiàn)為先減小后增大,在DKS2時(shí)觸變性最小,為1 391.47 Pa·sn。說(shuō)明KGM適當(dāng)脫乙酰后與淀粉共糊化所得的淀粉糊的流體指數(shù)增高,觸變性降低,使淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)受剪切應(yīng)變破壞程度減輕。

2.4 DKGM對(duì)淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

淀粉凝膠的結(jié)構(gòu)特征可用于評(píng)估口腔咀嚼食物的感覺(jué),也可反應(yīng)淀粉凝膠體系在儲(chǔ)存中的老化程度。在純淀粉凝膠的回生過(guò)程中,其凝膠硬度、內(nèi)聚性升高,黏著性降低。從質(zhì)構(gòu)的結(jié)果(表4)來(lái)看,與純玉米淀粉相比,玉米淀粉-DKGM凝膠的硬度及內(nèi)聚性降低,黏著性升高,玉米淀粉老化發(fā)生延遲。這可能是KGM包裹于糊化的淀粉分子周圍,阻礙了直鏈淀粉的定向遷移,削弱了其分子間作用力,這種相互纏繞作用使混合體系老化程度較空白組低,凝膠質(zhì)地更為柔軟[28]。另外,由于部分淀粉被KGM取代,混合凝膠中直鏈淀粉濃度降低,淀粉分子間作用力減弱,因而凝膠硬度降低[29]。隨著混合體系中KGM脫乙酰度增加,凝膠硬度從180.77 g增加到226.92 g,可能是由于高脫乙酰度DKGM吸水溶脹能力急劇下降,且加熱使其形成熱不可逆凝膠所致[10]。通常淀粉回生過(guò)程中,直鏈淀粉定向遷移,黏著性降低。內(nèi)聚性與凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān),低內(nèi)聚性意味著凝膠具有可塑性,說(shuō)明它可以適應(yīng)強(qiáng)烈的質(zhì)地變化并適合作咀嚼的食物材料,如涼粉、涼皮等凝膠類食品[30]。與KS組相比,添加了DKGM的淀粉凝膠,黏著性增加,內(nèi)聚性先降低后增加,在DKS2組黏著性最高為-79.12 g,內(nèi)聚性最低為0.76 g,說(shuō)明適當(dāng)脫乙酰KGM在改善淀粉凝膠的黏彈性的同時(shí),或許對(duì)直鏈淀粉的重排有抑制作用,但具體機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

表4 玉米淀粉-DKGM混合體系質(zhì)構(gòu)參數(shù)

2.5 DKGM對(duì)淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響

如圖3所示,純玉米淀粉凝膠孔隙不均勻,結(jié)構(gòu)松散易斷裂。相比之下,玉米淀粉-DKGM凝膠微觀結(jié)構(gòu)則發(fā)生較大改變,可見(jiàn)膠體填充于淀粉片段間,在不脫乙?；蛎撘阴６容^低時(shí)(KS、DKS1),與滲漏出的直鏈、支鏈淀粉交聯(lián)纏繞,形成較為緊密的片狀結(jié)構(gòu),削弱了凝膠結(jié)構(gòu)的剛性[31]。而DKS2與DKS3組呈類蜂窩狀結(jié)構(gòu),排列緊密且有序,凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加明顯,進(jìn)一步驗(yàn)證了流變與質(zhì)構(gòu)的結(jié)果。即低脫乙酰度KGM可增加玉米淀粉的黏性,形成質(zhì)地較軟的凝膠,而高脫乙酰度KGM可增加凝膠的硬度。其中,DKS3雖提高了凝膠的剛性與硬度,但其脫乙酰度高達(dá)71.17%,充分溶脹后呈有低黏性的顆粒分散于混合體系中,因此經(jīng)高溫凝膠化后的DKGM填充于淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中致使其孔隙不均勻。

圖3 玉米淀粉與DKGM復(fù)合體系微觀結(jié)構(gòu)(×500)a-S; b-KS; c-DKS1; d-DKS2; e-DKS3

3 結(jié)論

研究探討了不同脫乙酰度KGM對(duì)玉米淀粉糊化、流變、質(zhì)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,KGM與DKGM對(duì)玉米淀粉糊化特性均有顯著影響。具體而言,分別加入KGM和DKGM后,玉米淀粉糊化黏度均顯著增加,糊化焓值明顯降低。其凝膠儲(chǔ)能模量G′、損耗正切值tanδ以及稠度系數(shù)K均增加。相比于KGM,DKGM顯著降低了玉米淀粉的糊化黏度、回生值、熱焓值,并增強(qiáng)了其凝膠彈性性質(zhì)、硬度和內(nèi)聚性,說(shuō)明DKGM更能提高玉米淀粉的熱穩(wěn)定性,使玉米淀粉凝膠抗剪切力增強(qiáng),其中,KGM脫乙酰度為56.36%的DKGM的效果更好。玉米淀粉糊化性質(zhì)及其凝膠特性的改善,很可能與DKGM和玉米淀粉形成排列緊密且有序的類蜂窩狀凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此,適當(dāng)脫乙酰的DKGM可有效提高玉米淀粉的熱穩(wěn)定性與凝膠強(qiáng)度。后續(xù)可進(jìn)一步研究,DKGM與玉米淀粉相互作用的分子機(jī)制及其延緩淀粉長(zhǎng)期老化的效果。