黃原膠對(duì)木薯陰陽(yáng)離子淀粉糊性質(zhì)的影響

鄒金鳳,陳海明,王 穎,羅志剛

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院,廣東廣州 510640)

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黃原膠對(duì)木薯陰陽(yáng)離子淀粉糊性質(zhì)的影響

鄒金鳳,陳海明,王 穎,羅志剛*

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院,廣東廣州 510640)

本文采用Brabender黏度計(jì)和哈克流變儀研究了黃原膠對(duì)木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊黏度、凍融穩(wěn)定性及流變學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明:黃原膠使木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊的峰值黏度和崩解值均顯著增加,但其起始糊化溫度有所降低；添加黃原膠后,陽(yáng)離子淀粉的析水率有了一定程度的提高,凍融穩(wěn)定性減弱,而陰離子淀粉的析水率下降；黃原膠的加入使兩種變性淀粉凝膠的tanα值降低,儲(chǔ)能模量(G′)增大,這使得木薯陰陽(yáng)離子淀粉凝膠向趨于固性的方向發(fā)展。

黃原膠,木薯陰離子淀粉,木薯陽(yáng)離子淀粉,性質(zhì)

淀粉是一種多晶高聚物,其顆粒是由直連淀粉和支鏈淀粉兩種高分子有序集合而成,一般存在著結(jié)晶區(qū)和無(wú)定型區(qū)兩大部分。目前認(rèn)為淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)不是直鏈淀粉,而是存在于支鏈淀粉之內(nèi)[1]。由于其自身結(jié)構(gòu)的原因,在很多方面的應(yīng)用受到限制,如果天然淀粉在原有性質(zhì)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)特定處理,改良原有性能,增加新性能,便可得到淀粉的衍生物[2]。這在一定程度上可以彌補(bǔ)天然淀粉水溶性差、乳化能力和凝膠能力低、穩(wěn)定性不足等缺點(diǎn),從而使其更廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)中[3],近年來(lái)為滿足各行業(yè)發(fā)展的需求,淀粉衍生物的應(yīng)用與生產(chǎn)逐步受到重視,科研開(kāi)發(fā)工作也有了一定的進(jìn)展。

黃原膠是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸組成的多糖膠,其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)決定它卓越的理化性能,如良好的增稠性、觸變性、乳化性、假塑性,可作為增稠劑、懸浮劑、穩(wěn)定劑等,廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中[4]。它能夠與其他多聚糖產(chǎn)生交互作用導(dǎo)致黏度增加,同時(shí)又是一種安全無(wú)毒的綠色物質(zhì),因此成為食品工業(yè)中廣泛使用的第一種細(xì)菌多糖和目前國(guó)際上性能最優(yōu)越的生物膠之一。淀粉與多糖膠以一定的比例復(fù)配后,分子間協(xié)同效應(yīng)使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及糊化穩(wěn)定性得到進(jìn)一步的改善,降低生產(chǎn)成本,簡(jiǎn)化加工過(guò)程,進(jìn)而提高產(chǎn)品的整體質(zhì)量[5]。本文研究了木薯陰陽(yáng)離子淀粉與黃原膠復(fù)配時(shí)對(duì)其性質(zhì)的影響,以期為淀粉衍生物和黃原膠的復(fù)配體系在食品工業(yè)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)和方法指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

黃原膠(市售食品級(jí))、木薯陰離子淀粉(三偏磷酸鈉為交聯(lián)劑)、木薯陽(yáng)離子淀粉(季銨型3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨為醚化劑)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

BS210S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；MW-80A漩渦混合器 上海精科實(shí)業(yè)有限公司；TDL-5A型離心機(jī) 上海菲恰爾分析儀器有限公司；Scientz-18N型冷凍干燥機(jī) 寧波新芝生物科技有限公司；Viskograph-E型Brabender連續(xù)黏度計(jì) 德國(guó)Brabender公司；RS600型哈克流變儀 德國(guó)哈克公司。

1.3 淀粉糊黏度的測(cè)定

配制總質(zhì)量為400g,總濃度為6%,添加及未添加(淀粉/黃原膠質(zhì)量比:5.4/0.6,以干基計(jì))黃原膠(XG)的木薯陰離子淀粉(ATS)和木薯陽(yáng)離子淀粉(CTS)懸浮液,將樣品在磁力攪拌器上混勻,待其充分混勻后,將樣品置于Brabender黏度杯中。Brabender測(cè)定過(guò)程如下:從30℃開(kāi)始以1.5℃/min的速率升溫到95℃后保溫30min,再以1.5℃/min速率降溫至50℃后保溫30min。即可得到一條黏度隨時(shí)間溫度連續(xù)變化的Brabender黏度曲線。Brabender黏度曲線具有起始糊化溫度(PT)、峰值黏度(PK)、崩解值(BD)、回生值(SB)和終值黏度(F)五個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[6]。

1.4 凍融穩(wěn)定性的測(cè)定

1.4.1 析水率的測(cè)定 樣品冷卻后,使其在-20 ～-18℃下冷凍22h,然后在30℃的水浴融化2h,隨機(jī)取出一個(gè)樣品測(cè)其析水率,其余的放入冰箱,繼續(xù)凍融循環(huán),如此重復(fù)凍融循環(huán)5次。在4500r/min條件下離心10min,上清液棄去,稱取沉淀物質(zhì)量。重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次后,樣品析水率根據(jù)下面公式(1)計(jì)算得出[7]:

式(1)

1.4.2 掃描電子顯微鏡測(cè)定 將離心后的樣品凍融循環(huán)5次,進(jìn)行冷凍干燥,并將冷凍干燥的樣品切成薄片,使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其凝膠基質(zhì)剖面的顯微結(jié)構(gòu)[8]。

1.5 流變學(xué)性質(zhì)的測(cè)定

1.5.1 靜態(tài)流變特性的測(cè)定 采用哈克RS600型流變儀測(cè)定樣品的靜態(tài)流變學(xué)特性,將待測(cè)樣品置于不銹鋼平行板上,其中板間距為1mm,剪切速率為0.01～500s-1,剪切時(shí)間120s,在室溫條件下測(cè)定剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化關(guān)系。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)作出剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的關(guān)系曲線[9]。

1.5.2 動(dòng)態(tài)黏彈性的測(cè)定 通過(guò)改變流變儀的參數(shù)條件來(lái)測(cè)定樣品的動(dòng)態(tài)黏彈[10],為保證頻率掃描在線性范圍之內(nèi),選取1%的應(yīng)變,掃描頻率為0.1～100rad/s,在室溫條件下測(cè)定樣品的動(dòng)態(tài)彈性模量或儲(chǔ)能模量(G′)、動(dòng)態(tài)黏性模量或耗能模量(G″),由此計(jì)算出損耗角正切tanα值(tanα=G″/G′),并做出tanα隨角頻率變化的圖[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃原膠的添加對(duì)木薯陰陽(yáng)離子淀粉糊黏度的影響

添加及未添加黃原膠的木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊的Brabender黏度曲線和相應(yīng)特征值結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。

圖1 添加及未添加黃原膠的木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊的Brabender黏度曲線Fig.1 The Brabender viscosity curve of anionic and cationic tapioca starch paste with and without xanthan gum

表1 添加及未添加黃原膠的木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊的黏度特征值Table1 The Viscosity characteristic value of anionic and cationic tapioca starch paste with and without xanthan gum

由圖1可知,黃原膠的加入使陰陽(yáng)離子淀粉糊Brabender黏度曲線與未添加黃原膠的陰陽(yáng)離子淀粉糊相比發(fā)生了顯著的變化。添加黃原膠使兩種體系的峰值黏度和崩解值均增加,這是由于黃原膠分子呈現(xiàn)有序的螺旋結(jié)構(gòu),與水分子、直鏈淀粉之間的作用很緊密,因此體系黏度會(huì)有一定程度的增大,黏度的增加使作用在膨脹淀粉顆粒上的剪切力變大,促進(jìn)了淀粉顆粒的破碎,使其崩解值增加[12]。由表1可知,添加黃原膠后,木薯陰離子和陽(yáng)離子淀粉的起始糊化溫度分別由66.1℃和57.5℃降至57.1℃和49.8℃。表明黃原膠可以降低體系的起始糊化溫度。

2.2 黃原膠的添加對(duì)木薯陰陽(yáng)離子淀粉糊凍融穩(wěn)定性的影響

2.2.1 木薯陰陽(yáng)離子淀粉/黃原膠體系析水率的分析 由圖2可知,陰離子淀粉是一種交聯(lián)淀粉,分子量較大,凍融穩(wěn)定性差。加入黃原膠后陰離子淀粉的析水率顯著下降,這是由于黃原膠是一種陰離子多糖,其與陰離子淀粉之間的靜電相斥作用抑制了淀粉分子的老化,凝沉作用減弱,從而降低了析水率。木薯陽(yáng)離子淀粉(醚化淀粉)本身具有很好的凍融穩(wěn)定性,但黃原膠的加入使其析水率有了一定程度的提高[13]。這是因?yàn)榈矸鄣年?yáng)離子與黃原膠的陰離子之間的靜電吸引作用,促進(jìn)淀粉凝膠的凝沉,增加析水率。這與前面Brabender曲線的分析結(jié)果相一致。

圖2 添加及未添加黃原膠的木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊的析水率Fig.2 The drainage rate of anionic and cationic tapioca starch paste with and without xanthan gum

2.2.2 木薯陰陽(yáng)離子淀粉/黃原膠體系掃描電子顯微鏡的分析 由掃描電鏡結(jié)果可知,凍融循環(huán)5次后,木薯陰陽(yáng)離子淀粉凝膠在凍融循環(huán)時(shí)形成的冰晶,冷凍干燥時(shí)蒸發(fā)形成空腔,凝膠內(nèi)部變成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[14]。圖3可以看出,木薯陰離子淀粉凝膠經(jīng)凍融循環(huán)5次后,形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)細(xì)密、緊實(shí)。由于黃原膠自身的吸水作用,加入黃原膠后,木薯陰離子淀粉凝膠幾乎不能形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。木薯陽(yáng)離子淀粉的凍融穩(wěn)定性好,其凍融循環(huán)5次后的淀粉凝膠都不能完全形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而加入黃原膠的木薯陽(yáng)離子淀粉凝膠凍融循環(huán)5次后有明顯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成,由此可知,黃原膠的加入促進(jìn)木薯陽(yáng)離子淀粉凝膠的凝沉。

圖3 添加及未添加黃原膠的木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊凍融循環(huán)5次后的掃描電子顯微照片(500×)Fig.3 The SEM photos of anionic and cationic tapioca starch paste with and without Xanthan gum for five freeze-thaw cycles(500×)

2.3 黃原膠的添加對(duì)木薯陰陽(yáng)離子淀粉糊流變學(xué)特性的影響

2.3.1 靜態(tài)流變學(xué)特性分析 可根據(jù)冪定律方程對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,得出不同淀粉體系的稠度系數(shù)K,流變特性指數(shù)n,相關(guān)系數(shù)R2,結(jié)果如表2所示。其中冪定律方程為:

τ=Kεn

式(2)

式中:τ-剪切應(yīng)力(Pa)；K-稠度系數(shù)(Pa·sn)；n-流變特性指數(shù)；ε-剪切速率(s-1)

圖4顯示了不同木薯陰離子淀粉體系的剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的曲線圖。通過(guò)一元非線性回歸,得出所有樣品的K、n值及相關(guān)系數(shù)(R2)。由表2可知,采用冪定律描述樣品的流變曲線,可知加入黃原膠后陰離子淀粉體系的剪切應(yīng)力減小,而陽(yáng)離子淀粉體系的剪切應(yīng)力增加。黃原膠的添加使木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊流變特性指數(shù)n均小于1,Marek等[15]在研究黃原膠對(duì)淀粉的流變性特性影響實(shí)驗(yàn)中指出這一行為是典型的假塑性流體特征,由此可以表明木薯陽(yáng)離子淀粉和木薯陽(yáng)離子淀粉/黃原膠混合體系均為典型的假塑性流體。

表2 添加及未添加黃原膠的木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊的流變特性參數(shù)Table2 The rheological properties of anionic and cationic tapioca starch paste with and without xanthan gum

圖4 添加及未添加黃原膠的木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊的靜態(tài)流變特性曲線Fig.4 The static rheological characteristic curve of anionic and cationic tapioca starch paste with and without Xanthan gum

2.3.2 動(dòng)態(tài)黏彈性分析 G′是動(dòng)態(tài)彈性或儲(chǔ)能模量,反映物質(zhì)的固態(tài)性質(zhì)；G″是動(dòng)態(tài)粘性或耗能模量,反映物質(zhì)的流體性質(zhì)。tanα是耗能模量和儲(chǔ)能模量的比值(G″/G′)。圖5顯示了隨角頻率的變化,黃原膠對(duì)木薯陰離子和陽(yáng)離子淀粉糊動(dòng)態(tài)模量影響的變化圖。

圖5 添加及未添加黃原膠的木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊的動(dòng)態(tài)模量圖譜Fig.5 The dynamic modulus atlas of anionic andcationic tapioca starch paste with and without xanthan gum注:實(shí)心圖標(biāo)為儲(chǔ)能模量(G′),空心圖標(biāo)為耗能模量(G″)。

由圖5可知,添加黃原膠后,陰陽(yáng)離子淀粉凝膠的儲(chǔ)能模量(G′)和耗能模量(G″)均有一定程度的增加。在彈性凝膠中[16],動(dòng)態(tài)模量(G′和G″)不隨頻率變化而變化。由圖可以看出,所有體系中的G′始終大于G″,并且G′和G″隨著角頻率的增大而發(fā)生變化,Ikeda[17]]曾指出這一行為是典型的弱凝膠特征,由此可以說(shuō)明四種淀粉體系均為弱凝膠。由圖6可以看出,加入黃原膠后,陰陽(yáng)離子淀粉凝膠的tanα值也發(fā)生顯著的變化。加入黃原膠以后,兩種淀粉體系的tanα值均降低,說(shuō)明黃原膠的加入使陰陽(yáng)離子淀粉凝膠趨于固態(tài)方向發(fā)展[18]。

圖6 添加及未添加黃原膠的木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊的損耗角正切Fig.6 The loss angle tangent of anionic and cationic tapioca starch paste with and without xanthan gum

3 結(jié)論

通過(guò)研究黃原膠對(duì)木薯陰、陽(yáng)離子淀粉糊黏度、凍融穩(wěn)定性及流變學(xué)性質(zhì)的影響,結(jié)果表明:由于離子之間的靜電作用,黃原膠的陰離子與淀粉陰離子之間的相斥,減弱了黃原膠與木薯淀粉分子之間的作用,故其可促進(jìn)木薯陰離子淀粉的膨脹,抑制木薯陽(yáng)離子淀粉的膨脹。黃原膠的添加可使木薯陰陽(yáng)離子淀粉的峰值黏度和崩解值增加；凍融穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明黃原膠使木薯陰離子淀粉糊的析水率下降,木薯陽(yáng)離子淀粉的析水率增加。靜態(tài)流變特性測(cè)定結(jié)果表明木薯陰陽(yáng)離子淀粉/黃原膠體系淀粉糊的流變特性遵循冪率模型,均為假塑性流體。動(dòng)態(tài)粘彈性的測(cè)量結(jié)果表明木薯陰陽(yáng)離子淀粉/食品膠體系的凝膠均為弱凝膠,儲(chǔ)能模量始終大于耗能模量。加入黃原膠后,兩種淀粉凝膠的tanα值降低,凝膠趨于固態(tài)方向發(fā)展。

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Effect of Xanthan Gum on the properties of anionic and cationic tapioca starch paste

ZOU Jin-feng,CHEN Hai-ming,WANG Ying,LUO Zhi-gang*

(College of Light Industry and Food Sciences,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

The effect of Xanthan gum on the viscosity,freeze-thaw stability and the rheological properties of cationic and anionic tapioca starch were studied by using a Bradender viscometer and a Haake rheometer in the present work.The results showed that the addition of Xanthan Gum increased the peak viscosity,breakdown value for two kinds of cationic and anionic tapioca starch,but decreased their pasting temperature. The syneresis of cationic tapioca starch paste was increased to a certain extent,which reduced freeze-thaw stability. However,Xanthan Gum decreased the syneresis of anionic tapioca starch. After Xanthan Gum was added,the tanα value of two kinds of cationic and anionic tapioca starch gel decreased,energy storage modulus(G′)increased,which made cationic and anionic tapioca starch paste became more solid-like characteristics.

Xanthan Gum;anionic tapioca starch;cationic tapioca starch;properties

2014-07-28

鄒金鳳(1991-),女,碩士研究生,研究方向：功能碳水化合物化學(xué)。

*通訊作者:羅志剛(1975-),男,博士,副教授,研究方向：功能碳水化合物化學(xué)。

廣東省自然科學(xué)基金(S2013010012318)；廣東省產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目資助(2012B091100443、2012B091100047)。

TS215

A

:1002-0306(2015)09-0075-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.09.007