木薯淀粉與交聯甜菜果膠復配體系的靜電和氫鍵相互作用研究

閆璟圓, 馮嘉慶, 王子成, 黃琳茜, 王曉樂, 徐 磊

(淮陰工學院生命科學與食品工程學院,淮安 223003)

木薯淀粉(tapioca starch,TS)是一種從木薯塊莖中提取得到的淀粉,與其他淀粉相比,它具有溫和的風味、較低的糊化溫度和較高的黏度,可以在食品工業中用作保水劑、脂肪替代品等[1, 2]。然而,天然的TS具有易老化、不耐受高溫和剪切等缺陷,一定程度上限制了其應用[3]。因此,物理、化學和生物等多種改性方法已被用來改善TS的結構和性能[4]。研究表明可以通過添加非淀粉多糖來改變淀粉基食品的特性,與其他改性方法相比具有安全、操作簡便和經濟實用性好等特點[5]。

甜菜果膠(sugar beet pectin,SBP)是一種從甜菜渣中提取得到的陰離子多糖,由于其較高的中性糖和蛋白質含量,因而表現出較強的乳化活性,已被廣泛應用于食品和制藥行業中[6]。然而,SBP高度乙酰化的結構和較低的分子質量,導致其凝膠能力較差,很難通過調節Ca2+濃度、固形物含量或pH來實現凝膠化[7]。研究發現,SBP的阿拉伯糖和半乳糖殘基含有一定量的阿魏酸基團,可在過氧化物酶的作用下發生聚合反應生成交聯甜菜果膠(cross-linked sugar beet pectin,CSBP),形成具有一定強度的凝膠結構[8]。相較于SBP,CSBP具有更好的乳化活性、凝膠性和載體遞送能力[9, 10]。同時,本課題組前期研究還表明,CSBP可以有效改善玉米、小麥、豌豆淀粉的糊化、流變和老化特性。

近年來,淀粉與非淀粉多糖之間的相互作用機制已得到了廣泛的研究。Xie等[11]研究發現氫鍵在TS和涼草粉多糖復合凝膠的質構特性方面起著決定性作用,隨著氫鍵的破壞凝膠的硬度呈逐漸降低的趨勢。Li等[12]研究結果也表明,氫鍵是影響海藻酸鈉和普通玉米淀粉復配體系形成和穩定性的主要因素,而靜電相互作用僅對復配體系的穩定性有輕微影響。Lutfi等[13]的研究證實離子鍵對黃原膠和荸薺淀粉復配體系的理化性質具有重要影響,氯化鈉存在時體系的溶解度、透明度和黏度增加,而膨脹度降低。此外,氫鍵和靜電相互作用都被證明是涼草粉多糖和紅薯淀粉之間的主要相互作用力[14]。

目前雖然已經進行了CSBP對各種淀粉糊化、流變和老化特性影響的研究,但關于CSBP與淀粉相互作用機制仍有待深入研究。淀粉和非淀粉多糖之間可通過氫鍵、范德華力、疏水和靜電等多種非共價鍵發生相互作用,但考慮到CSBP和TS的結構特性,它們之間的相互作用可能主要為氫鍵和靜電相互作用[15]。高濃度的氯化鈉可屏蔽聚合物的電荷,起到靜電干擾劑的作用[11],而尿素是一種極性化合物,可優先與聚合物之間形成氫鍵,從而起到氫鍵破壞的作用[16]。因此,本研究在TS-CSBP(TCS)復配體系中分別添加氯化鈉和尿素2種物質,以探討靜電和氫鍵相互作用對復配體系的糊化、流變和微觀結構等的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

TS(食品級);SBP(酯化度55%,食品級);漆酶(10 000 U/mL,食品級);濃鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇等均為分析純。

1.2 儀器與設備

DHR-1流變儀,5810 R冷凍離心機,Mastersizer 2000激光粒度儀,V-1800紫外可見分光光度計,SU8010型場發射掃描電鏡。

1.3 方法

1.3.1 CSBP的制備

配制質量分數1%的SBP溶液,過夜攪拌均勻,接著用1 mol/L NaOH溶液將其pH調整為6.0,然后按20 U/mL添加漆酶,于45 ℃水浴鍋中反應0.5 h。待反應結束后,立即加入反應液3倍體積的無水乙醇,采用雙層紗網過濾得到沉淀,熱風干燥后磨粉過篩,得CSBP。

1.3.2 糊化性質的測定

參照Zhang等[17]的方法,利用流變儀的Starch pasting cell附件進行糊化性質的測定,并稍作修改。準確稱取0.075 g CSBP和1.25 g TS,加入25 mL去離子水,充分混勻,此即為TCS復配體系。分別向復配體系中加入不同量的氯化鈉(0.01、0.05、0.10 mol/L)和尿素(1、5、10 g/100 mL),充分攪拌后轉移至流變儀鋁盒中進行糊化測試。具體程序為:首先將樣品在50 ℃下保持1 min,接著以12 ℃/min的速率加熱至95 ℃并維持2.5 min,隨后將樣品以12 ℃/min的速率降溫至50 ℃并維持2 min,在整個測試過程中攪拌槳速率除前10 s為960 r/min,其余時間均為160 r/min。記錄糊化過程中黏度隨時間的變化,并從糊化曲線中得到峰值黏度、崩解值、終值黏度、回生值和糊化溫度等參數。

1.3.3 膨脹勢和透光率的測定

參照1.3.2節的方法,制備淀粉質量分數為1%的TCS復配體系及不同氯化鈉、尿素添加量的樣品,95 ℃糊化20 min,待冷卻至室溫后進行膨脹勢和透光率的測定。膨脹勢測定時,取適量樣品與10 mL離心管中,與4 000 r/min離心10 min,然后分別記錄所得沉淀的濕重和干重,以沉淀的濕重與干重之比表示膨脹勢[18]。透光率測試時,以去離子水作為100%,記錄樣品在620 nm處的透光率。

1.3.4 粒徑的測定

參照1.3.3節的樣品制備方法,待淀粉糊冷卻至室溫后進行粒徑的測定[19]。吸取適量樣品添加至激光粒度儀的樣品池中,當遮光率達到15%附近處開始測試。測定時設置顆粒折射率為1.53,分散劑折射率為1.33。

1.3.5 流變學特性的測定

參照Ma等[19]的方法,取適量1.3.2節中所得淀粉糊,轉移至流變儀的帕爾貼板中心處,并將平行板周圍多余的樣品移除。測試時選用平行板的直徑為40 mm,設置間隙為1 000 μm,控制溫度為25 ℃,平衡時間為2 min。

靜態流變特性的測定:剪切速率(γ)從0.1～100.0 s-1遞增,記錄剪切應力(τ)隨γ的變化。采用Power Law模型對實驗數據點進行回歸擬合,方程為:

τ=Kγn

式中:τ為剪切應力/Pa;K為稠度指數/Pa·sn;γ為剪切速率/s-1;n為流動行為指數。

動態黏彈性質的測定:控制應變為2%,頻率從0.15～15.00 Hz遞增,記錄樣品儲能模量G′及損耗模量G"隨頻率的變化。

1.3.6 微觀結構的觀察

取1.3.2中制備得到的樣品,真空冷凍干燥后用剪刀進行裁剪,然后取適當大小的薄片用導電雙面膠固定于樣品支架上,真空狀態下噴金后于SEM中進行觀察并拍照,放大倍數分別為50和300,設置加速電壓為5 kV。

1.4 數據處理

所有實驗均至少重復3次,使用SPSS 20.0軟件對數據進行ANOVA差異顯著性分析(P<0.05表示差異顯著),利用OriginPro 2021軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 糊化特性

添加氯化鈉和尿素后TCS復配體系糊化曲線和糊化參數的變化分別如圖1和表1所示,2種物質對復配體系糊化特性的影響具有顯著差異。隨著氯化鈉添加量的逐漸增加,復配體系的糊化曲線呈逐漸下移的趨勢,復配體系的峰值黏度、崩解值、終值黏度和回生值均呈現逐漸降低的趨勢(P<0.05),而糊化溫度呈逐漸增加的趨勢(P<0.05)。添加尿素后,復配體系的峰值黏度未發生顯著變化(P>0.05),崩解值隨添加量的增加呈逐漸增加的趨勢(P<0.05),而終值黏度、回生值和糊化溫度均呈現逐漸降低的趨勢(P<0.05)。

表1 不同氯化鈉和尿素濃度下TCS復配體系的糊化參數

圖1 不同氯化鈉和尿素濃度下TCS復配體系的糊化曲線

峰值黏度表示淀粉在糊化冷卻之前所能達到的最大黏度,主要與淀粉的吸水、膨脹能力相關[20]。研究表明,部分多糖類物質可以聚集在淀粉顆粒的表面,使淀粉顆粒充分膨脹而不崩解,進而提高淀粉的峰值黏度[14]。TCS復配體系的峰值黏度在添加尿素后未發生顯著變化(P>0.05),而添加氯化鈉后顯著降低(P<0.05),這主要是因為鹽離子的靜電屏蔽作用,作為一種酸性陰離子多糖,CSBP可與鈉離子發生靜電反應,進而削弱CSBP與TS之間的相互作用。這些結果表明TS與CSBP之間的作用力主要是靜電相互作用。而Li等[12]報道氫鍵是玉米淀粉和海藻酸鈉之間的主要作用力,產生這種差異的可能是由于所選用淀粉和多糖種類不同所致。在糊化實驗中,添加尿素的TCS復配體系在加熱后pH僅略微升高,表明實驗條件下尿素分子僅發生輕微的降解。作為一種典型的塑化劑,尿素分子的—NH2與淀粉分子的—OH之間可形成氫鍵,可以提高淀粉鏈的分離和流動性,因而糊化過程中隨著尿素添加量的增加TCS復配體系的崩解值逐漸增加,而糊化溫度逐漸降低[21]。此外,添加尿素后,TCS復配體系的回生值顯著降低。這可歸因于尿素的存在使淀粉分子鏈間的氫鍵受到破壞,因而冷卻過程中淀粉分子的聚集和重排受到嚴重抑制。

2.2 膨脹勢和透光率

添加氯化鈉和尿素后TCS復配體系膨脹勢的變化如表2所示。隨著氯化鈉的增加復配體系的膨脹勢呈逐漸降低的趨勢(P<0.05),這主要是由于未添加氯化鈉時CSBP與TS的相互作用可以使得淀粉顆粒能充分膨脹而不崩解,而氯化鈉的加入使得的這種相互作用減弱。而添加尿素后,復配體系的膨脹勢呈現先降低后增加的趨勢(P<0.05),這可能是由于加入尿素使得淀粉分子之間以及淀粉和水分子之間的氫鍵斷裂,因而復配體系的持水能力減弱,但隨著尿素濃度的提高復配體系吸收水的比重增加,因而膨脹勢反而略有升高。

表2 不同氯化鈉和尿素濃度下TCS復配體系的膨脹勢和透光率

淀粉糊透明度受到多種因素的影響,如淀粉顆粒大小、溶脹能力、直鏈淀粉含量、直鏈/支鏈淀粉比率以及溶脹/非溶脹顆粒殘留物水平[22]。添加氯化鈉和尿素后TCS復配體系透光率的變化如表2所示。隨著氯化鈉添加量的增加,TCS復配體系的透光率呈現先降低再增加的趨勢(P<0.05)。Lutfi等[13]在黃原膠、荸薺淀粉復配體系中也發現了類似的趨勢。添加尿素后,隨著添加量的增加TCS復配體系的透光率呈現逐漸增加的趨勢(P<0.05)。這可歸因于尿素對氫鍵的破壞作用,從而防止了淀粉分子在回生過程中的重排,較慢的回生速率增加了淀粉糊的透明度。

2.3 粒徑

添加氯化鈉和尿素后TCS復配體系的D50值變化如圖2所示。隨著氯化鈉添加量的增加,復配體系的D50值從191.15 μm逐漸降低到166.29 μm(P<0.05)。而添加尿素后,復配體系的D50值未發生顯著變化(P>0.05)。氯化鈉是一種常用的靜電干擾劑,它將通過靜電屏蔽相互作用影響CSBP與TS的相互作用,從而降低糊化過程中淀粉顆粒的膨脹。尿素是一種氫鍵破壞劑,可以破壞復配體系的氫鍵,主要影響復配體系的回生過程,而對糊化過程中粒徑的變化影響不大。這些結果與糊化特性的結果一致。

注:1～3分別為0.01、0.05、0.10 mol/L氯化鈉,4～6分別為1、5、10 g/100 mL尿素。

2.4 靜態流變學特性

由圖3可知,所有樣品的剪切應力均隨剪切速率的增加而增加,并表現出剪切變稀的特征。表3列出了根據Power Law模型擬合的樣品穩態剪切下的流動行為參數,R2均在0.99以上,表明模型對曲線具有較高的擬合精度。流動行為指數n反應流體與牛頓流體的接近程度,n值越接近于1意味著該流體越接近于牛頓流體[23]。TCS復配體系所有樣品的n值在0.50～0.57之間,小于1,表明樣品均為典型的假塑性流體。稠度指數K主要和樣品的增稠能力相關,可反應流體內部分子間作用力的大小,隨著氯化鈉和尿素添加量的增加,復配體系的K值均呈逐漸降低的趨勢,且氯化鈉的下降趨勢比尿素更顯著。氯化鈉的加入降低了復配體系中淀粉顆粒的膨脹,進而降低了顆粒間的相互作用,所以復配體系的黏度值降低。而尿素破壞了淀粉分子之間的氫鍵,在冷卻過程中進一步阻礙了淀粉分子的聚集和重排,導致復配體系的黏度值降低。這與糊化特性中觀察到的氯化鈉和尿素使復配體系黏度降低的結果是一致的(表1)。

圖3 不同氯化鈉和尿素濃度下TCS復配體系的靜態流變曲線

2.5 動態流變學特性

用流變儀測定了氯化鈉和尿素對TCS復配體系動態流變性能的影響,結果如圖4所示。添加氯化鈉和尿素前后,TCS復配體系的儲能模量G′均高于損耗模量G″,說明復配體系中彈性行為占主導,表現出類固體狀行為[24]。所有的樣品的G′和G″值均隨頻率的增加而增加,顯示出顯著的頻率依賴性,表明復配體系內部存在較強的分子間相互作用。氯化鈉和尿素的加入均導致TCS復配體系的G′和G″值降低,且隨著添加量的增加降低的趨勢也逐漸增加,表明復配體系的凝膠形成能力逐漸降低,這與Xie等[11]報道的結果相似。氯化鈉導致的G′和G″值下降是由于靜電屏蔽作用破壞了淀粉顆粒和多糖分子之間的相互作用,導致淀粉顆粒不能充分膨脹而形成連續的網絡結構,從而削弱了復配體系的凝膠網強度[25]。然而,添加尿素后G′和G″值的下降主要是因為尿素破壞了淀粉分子之間以及淀粉分子與多糖分子之間的氫鍵。相比之下,氯化鈉的作用尿素比更強,因此,TS和CSBP之間形成凝膠網絡結構的主要作用力是靜電相互作用。

圖4 不同氯化鈉和尿素濃度下TCS復配體系的儲能模量G′和損耗模量G″隨角頻率的變化曲線

2.6 凝膠微觀結構

由圖5可見,未添加氯化鈉和尿素時,TCS復配體系在糊化后形成了含有較大孔徑的均勻蜂窩狀網絡結構,呈現典型的淀粉、多糖復合凝膠微觀結構[26]。隨著氯化鈉和尿素添加量的增加,復配體系的網絡結構逐漸坍塌,孔壁更加粗糙,孔徑變得越來越不均勻。凝膠微觀結構的破壞將降低凝膠的強度,這與糊化和流變學特性分析的結果一致。與尿素組相比,氯化鈉組的凝膠結構更加緊湊和完整。當尿素質量分數達到5%和10%時,復配體系形成了海綿狀的網絡結構,這主要是因為尿素的加入打破了直鏈淀粉分子之間的氫鍵,從而阻止淀粉回生形成有序結構,影響了凝膠結構。

注:A TCS;B TCS-0.01 mol/L氯化鈉;C TCS-0.05 mol/L氯化鈉;D TCS-0.10 mol/L氯化鈉;E TCS-1 g/100 mL尿素;FTCS-5 g/100 mL尿素;G TCS-10 g/100 mL尿素。

3 結論

本研究表明,靜電相互作用是TS和CSBP之間的主要作用力。氯化鈉引起的靜電屏蔽作用對復配體系的整個糊化過程均有影響,而尿素導致的氫鍵破壞主要影響淀粉分子在冷卻過程中的重排。氯化鈉和尿素對TCS復配體系糊化特性的影響具有顯著差異,添加氯化鈉顯著降低了峰值黏度,而尿素對峰值黏度無顯著影響。復配體系的膨脹勢在添加氯化鈉和尿素后均顯著降低,而透光率在添加氯化鈉后降低,添加尿素后升高。添加氯化鈉降低了復配體系糊化過程中淀粉顆粒的粒徑,而添加尿素后無顯著變化。復配體系的K、G′和G″值均隨著氯化鈉和尿素添加量的增加呈逐漸降低的趨勢。添加氯化鈉和尿素使得復配體系的凝膠結構坍塌,孔徑變得不均勻。