黃原膠對(duì)大米淀粉長(zhǎng)期回生的影響

唐敏敏， 洪 雁， 顧正彪， 姜?dú)g歡

（食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214122）

大米是世界上的主要糧食作物，在許多國(guó)家都有種植，我國(guó)是其最大生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)[1]。隨著人們對(duì)食品種類(lèi)要求的提高，以大米淀粉為主要生產(chǎn)原料的米制品也愈發(fā)多樣并且有很強(qiáng)的銷(xiāo)售潛力[2]。但是，由于大米淀粉在低溫下易回生，導(dǎo)致米制品品質(zhì)衰敗，包括變干、變硬、掉渣等，影響口感，嚴(yán)重限制了米制品的大規(guī)模生產(chǎn)。大米淀粉的回生過(guò)程可分為短期回生和長(zhǎng)期回生[3]。淀粉糊化后的初始階段（幾個(gè)小時(shí)內(nèi)），滲漏的直鏈淀粉分子首先發(fā)生定向遷移，形成三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此過(guò)程稱(chēng)之為短期回生[4]。長(zhǎng)期回生一般會(huì)超過(guò)幾周時(shí)間，是由于支鏈淀粉具有高支叉結(jié)構(gòu)，在聚合時(shí)受到較強(qiáng)的抑制，回生作用較慢。長(zhǎng)期回生在整個(gè)淀粉回生過(guò)程中占主要作用，是導(dǎo)致淀粉體系質(zhì)量變化的主要原因[5]。

親水性膠體的添加能夠控制整個(gè)體系的水分流動(dòng)性和質(zhì)構(gòu)，提高食品質(zhì)量和穩(wěn)定性，降低成本[6]，與化學(xué)手段抑制回生相比，更加安全有效。大量的研究主要集中在淀粉與膠體的糊化和流變學(xué)性質(zhì)上，對(duì)于回生的研究較少。Ferrero等人利用差示掃描量熱儀（DSC）比較了不同親水性膠體對(duì)玉米淀粉熱力學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著膠體濃度的增加，顯著提高了淀粉的Tp值，△H值顯著降低，抑制了淀粉的回生[7]。研究表明，小麥淀粉的糊化和回生性質(zhì)與親水膠體的種類(lèi)之間具有一定的相關(guān)性[8]。由于淀粉的長(zhǎng)期回生影響著淀粉制品的質(zhì)量，通過(guò)運(yùn)用質(zhì)構(gòu)儀、X-射線(xiàn)衍射儀 （XRD）和掃描電鏡（SEM）3種現(xiàn)代分析儀器，用Avrami方程擬合結(jié)晶過(guò)程，分析黃原膠對(duì)大米淀粉長(zhǎng)期回生的影響程度，為控制淀粉回生提供一定的理論依據(jù)，并對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

大米淀粉:水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.09%，江蘇寶寶集團(tuán)公司產(chǎn)品；黃原膠:水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.82%，蘇州丹尼斯克（中國(guó)）有限公司產(chǎn)品。

1.2 儀器和設(shè)備

電子精密天平:梅特勒-托利多上海有限公司產(chǎn)品；Pyris-1差示掃描量熱儀:美國(guó)PE公司產(chǎn)品；XT21-物性測(cè)試儀:美國(guó)SMS公司產(chǎn)品；D8 X-射線(xiàn)衍射儀:德國(guó)Bruker公司產(chǎn)品；QUANTA-200型掃描電子顯微鏡:美國(guó)FEI公司產(chǎn)品。

1.3 方法

1.3.1 凝膠質(zhì)構(gòu)測(cè)定 選取大米淀粉與黃原膠質(zhì)量比（100∶0，40∶1，20∶1，10∶1，體系中干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%）為研究對(duì)象，使淀粉于黃原膠溶液中充分分散再用RVA進(jìn)行糊化，將樣品在4℃下冷藏14 d后，采用物性測(cè)試儀對(duì)凝膠進(jìn)行質(zhì)地剖面分析（TPA）。測(cè)定條件:測(cè)前速度為1.0 mm/s，測(cè)試速度為1.0 mm/s，測(cè)后速度為1.0 mm/s，觸發(fā)力為 5.0 g，壓縮程度為40%，每個(gè)樣品重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。

1.3.2 X-射線(xiàn)衍射分析 樣品制備同 1.3.1，將RVA糊化后的樣品4℃下冷藏14 d，隨后冷凍干燥，研磨過(guò)200目篩，進(jìn)行XRD測(cè)定。XRD測(cè)定程序?yàn)?特征射線(xiàn)Cu靶，功率為1 600 W，NaI晶體閃爍計(jì)數(shù)器測(cè)量X-射線(xiàn)強(qiáng)度，掃描范圍為4～40°（2θ），掃描速度為 2 °/min。 發(fā)散狹縫 DS、防散射狹縫SS和接收狹縫RS分別設(shè)定為1.0，1.0，0.1 mm。每個(gè)樣品測(cè)量1次，用MDI Jade 5.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Hernan法計(jì)算樣品的相對(duì)結(jié)晶度[9]。

1.3.3 熱力學(xué)性質(zhì)測(cè)定 用標(biāo)準(zhǔn)銦對(duì)DSC進(jìn)行溫度和熱焓校正。預(yù)先用磁力攪拌器將大米淀粉均勻分散于黃原膠水溶液中（大米淀粉和黃原膠質(zhì)量比例為 100∶0，40∶1，20∶1，10∶1；體系中干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%）。稱(chēng)取 2 mg混合樣品到坩堝中，樣品密封后在室溫下放置24 h平衡后在DSC上糊化，條件是以10℃/min的速度從30℃加熱到100℃，以空坩堝為參比，氮?dú)鉃檩d氣，流量20 mL/min。糊化后的樣品隨即放入 4℃冰箱中分別貯存 1、3、5、7、14和21 d再進(jìn)行回生測(cè)定。測(cè)定條件同糊化測(cè)定條件相同，30℃到100℃重新加熱，從第二次加熱曲線(xiàn)中可以計(jì)算出樣品的回生焓值（ΔHr）。

1.3.4 掃描電子顯微鏡觀察 將1.3.1中RVA制得的大米淀粉/黃原膠樣品 （100∶0，40∶1，20∶1，10∶1）快速轉(zhuǎn)移至5 mL離心管中，于4℃冰箱中放置14 d后，進(jìn)行冷凍干燥，用四氧化鋨氣體固定4h，再經(jīng)離子濺射儀噴金，于掃描電子顯微鏡下觀察體系微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 凝膠質(zhì)構(gòu)分析

淀粉凝膠體系的硬度、黏著性和內(nèi)聚性可以用來(lái)表征回生的程度。在單獨(dú)淀粉回生過(guò)程中，凝膠的硬度上升，內(nèi)聚性升高以及黏著性下降[10]。表1中為不同比例淀粉和黃原膠混合體系儲(chǔ)存14 d前后凝膠質(zhì)構(gòu)參數(shù)對(duì)比。從表中可見(jiàn)，原淀粉在儲(chǔ)藏14 d后，凝膠硬度增加，黏著性下降，內(nèi)聚性升高。這主要是由于淀粉回生引起的[11]，體系在回生過(guò)程中水分流動(dòng)性降低，直鏈淀粉和支鏈淀粉分子定向遷移，導(dǎo)致凝膠硬度升高[4]。添加黃原膠后，體系的硬度降低，并且黃原膠的比例越大，趨勢(shì)越明顯。黃原膠能與直鏈淀粉相互纏繞，形成的凝膠質(zhì)地更為柔軟[12]，與此同時(shí)，直鏈淀粉分子間的聚集也受到了阻礙。因此淀粉/黃原膠體系的硬度降低。黃原膠對(duì)體系的黏著性和內(nèi)聚性也有影響，可以看出，14天后的大米淀粉/黃原膠體系的黏著性升高，內(nèi)聚性有微小下降。

表1 大米淀粉/黃原膠體系凝膠質(zhì)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of texture profile of rice starch/xanthan mixed systems

2.2 黃原膠與大米淀粉混合體系X-射線(xiàn)衍射結(jié)果分析

回生過(guò)程中淀粉體系中晶體的含量可以通過(guò)X-射線(xiàn)衍射測(cè)定。體系晶體的結(jié)晶含量越多，結(jié)晶區(qū)域越完整，則得到的衍射峰越高，越窄，回生程度越強(qiáng)[13]。因此X-射線(xiàn)衍射圖譜可以反應(yīng)淀粉的回生程度。

圖1和表2為大米淀粉與黃原膠混合樣品的回生X-射線(xiàn)衍射圖譜和其相應(yīng)的結(jié)晶參數(shù)。未糊化的大米原淀粉在 2θ接近 14.2°、17.37°、18.7°和23.37°時(shí)能觀察到強(qiáng)峰，如圖1中a線(xiàn)顯示了典型的A-型峰[14]。但是，糊化后的大米原淀粉在回生過(guò)程中形成了 B-型結(jié)晶[15]。大米淀粉/黃原膠體系在回生過(guò)程中顯示的也是 B-型結(jié)晶，其特征是在16.9°（2θ）處有一特征峰。這個(gè)峰的形成主要是體系中支鏈淀粉的長(zhǎng)期回生所引起的[16]。表2中進(jìn)一步計(jì)算結(jié)晶度，可以看出，大米淀粉與黃原膠體系的重結(jié)晶度要小于大米淀粉，可見(jiàn)黃原膠對(duì)大米淀粉的重結(jié)晶具有一定的抑制作用。

表2 X-射線(xiàn)衍射測(cè)定的回生樣品的相對(duì)結(jié)晶度Table 2 Relative crystallinity in retrograded samples as determined using X-ray diffraction

圖1 不同比例大米淀粉/黃原膠體系糊化后在4℃儲(chǔ)存14 d的X-射線(xiàn)衍射圖Fig.1 X-ray diffraction patterns of gelatinized rice starch/xanthan after 14 days’storage at 4 ℃

2.3 Avrami方程擬合結(jié)晶動(dòng)力學(xué)

淀粉儲(chǔ)藏過(guò)程中，相鄰的雙螺旋結(jié)合形成晶體，淀粉回生焓值反應(yīng)的就是該形成的晶體的熔化，并且這個(gè)晶體熔化形成的吸熱峰是支鏈淀粉長(zhǎng)期回生后再熔化引起的，而不是直鏈淀粉[15]。支鏈淀粉的重結(jié)晶在長(zhǎng)期儲(chǔ)藏過(guò)程中發(fā)生明顯變化。隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉體系內(nèi)晶體含量逐步增加，在DSC上表現(xiàn)為其融化熱焓值△H逐步增大。

表3列出了不同比例的大米淀粉和黃原膠混合物糊化后在4℃下貯存不同天數(shù)的回生焓值。可以清楚地看到，儲(chǔ)藏21 d后，淀粉黃原膠質(zhì)量比為10∶1時(shí)，其回生焓值從7.21 J/g降低到5.22 J/g，表明黃原膠對(duì)大米淀粉長(zhǎng)期回生具有顯著的抑制效果。

淀粉在回生過(guò)程中形成的結(jié)晶屬于天然高分子。所以現(xiàn)在廣泛采用Avrami模型來(lái)描述淀粉回生過(guò)程，該方程可表達(dá)包括晶核形成、晶體生長(zhǎng)、晶體成熟3個(gè)子過(guò)程的高分子聚合物結(jié)晶特性。Avrami模型可以很好的描述聚合物的晶核形成和晶體生長(zhǎng)初級(jí)過(guò)程[4]。

Avrami方程的基本模型為:

將兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，方程變?yōu)?

式 （2）中，△Ht為不同放置時(shí)間的晶體融化熱焓，△H∞為淀粉的極限晶體融化熱焓，回生21 d的晶體融化熱焓作為極限晶體熔化熱焓。k為結(jié)晶速率常數(shù)，與晶核密度和晶體生長(zhǎng)速率有關(guān)，n為Avrami參數(shù)，其大小與成核方式有關(guān)，n值越小，成核越快[17]。將不同放置天數(shù)的重結(jié)晶融化熱焓值代入式（2），得到淀粉結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程及參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 大米淀粉/黃原膠體系回生動(dòng)力學(xué)模型（4℃）Table 4 Avrami retrogradation kinetic models of rice starch/xanthan mixed systems（4℃）

利用Avrami方程研究黃原膠對(duì)大米淀粉回生的影響機(jī)理，結(jié)果表明，大米淀粉/黃原膠體系支鏈淀粉的重結(jié)晶生長(zhǎng)為一次成核（n＜1），且隨著黃原膠比例增加，n值增加，這表明晶核在結(jié)晶開(kāi)始時(shí)形成。添加黃原膠后，體系的結(jié)晶速率常數(shù)k隨著黃原膠比例增加而降低，表明在黃原膠存在條件下，大米淀粉的成核速度和重結(jié)晶增長(zhǎng)速度都降低，支鏈淀粉回生受到較大抑制。Ring等[18]認(rèn)為淀粉的長(zhǎng)期回生是由于其支鏈淀粉外側(cè)短支鏈通過(guò)雙螺旋結(jié)構(gòu)相互聚合后形成的結(jié)晶而引起，同時(shí)黃原膠與滲漏直鏈淀粉相互作用，并能填充到膨脹的淀粉三維網(wǎng)狀組織中，所造成的空間位阻阻止淀粉羥基之間的進(jìn)一步締結(jié)，淀粉結(jié)合水的能力增強(qiáng)，從而抑制淀粉重結(jié)晶。

2.4 大米淀粉/黃原膠體系的微觀結(jié)構(gòu)

選擇了大米淀粉/黃原膠質(zhì)量比為10∶1，觀察放置14 d后混合體系的微觀結(jié)構(gòu)。由圖2可見(jiàn)，與大米原淀粉相比，大米淀粉/黃原膠混合體系的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。大米原淀粉體系（a）存在大量的淀粉碎片，表面結(jié)構(gòu)粗糙，孔洞多且分布不均。加入黃原膠后，如圖（b）所示，黃原膠填充于淀粉碎片片段間，體系表面孔洞縮小，表面更加光滑，形成的結(jié)構(gòu)更加致密，這也從側(cè)面說(shuō)明黃原膠能與滲漏出的直鏈、支鏈淀粉組成了較為均勻的連續(xù)相，使得體系結(jié)構(gòu)更加致密[19]。

圖2 大米淀粉與黃原膠體系糊化后儲(chǔ)藏14 d后的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of RS and RS/Xan mixed system after 14 days’storage at 4℃

3 結(jié)語(yǔ)

作者研究了黃原膠對(duì)大米淀粉長(zhǎng)期回生的影響，表明黃原膠能夠顯著延緩大米淀粉的回生。發(fā)現(xiàn):1）大米淀粉/黃原膠體系的回生結(jié)晶峰型為B型，與原淀粉相比，大米淀粉/黃原膠體系的結(jié)晶度降低，形成的凝膠更加柔軟，儲(chǔ)藏穩(wěn)定性增加；2）淀粉結(jié)晶的形成和完善是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，其動(dòng)力學(xué)模型可用Avrami方程表示，黃原膠能填充于淀粉顆粒片段間，使體系的微觀結(jié)構(gòu)更加光滑致密，回生得到有效抑制。

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