魔芋膠對蓮藕淀粉糊化和流變特性的影響

劉敏，代曜伊，畢家鈺，張甫生,2，鄭炯,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715) 2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

研究報告

魔芋膠對蓮藕淀粉糊化和流變特性的影響

劉敏1，代曜伊1，畢家鈺1，張甫生1,2，鄭炯1,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715) 2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

為考察親水性膠體對淀粉性質(zhì)的影響，以蓮藕淀粉為原料，加入不同比例的魔芋膠，研究兩者復(fù)配后蓮藕淀粉的糊化、流變、質(zhì)構(gòu)特性及微觀結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明，魔芋膠提高了蓮藕淀粉的黏度、回生值、崩解值，降低了糊化溫度。蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系為假塑性流體，并且隨著魔芋膠添加量的增加，稠度系數(shù)K增加，流體指數(shù)n減小，復(fù)配體系有更好的增稠性；魔芋膠的加入使體系黏性比例提高，具有優(yōu)越的黏彈性；同時加速了蓮藕淀粉凝膠體系的回生。淀粉復(fù)配體系的硬度、彈性、內(nèi)聚性降低，黏著性升高，其中蓮藕淀粉與魔芋膠質(zhì)量配比為8.5∶1.5時，形成的凝膠質(zhì)地最柔軟。同時通過掃描電鏡觀察到魔芋膠的添加使淀粉內(nèi)部形成更加均勻緊湊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

魔芋膠；蓮藕淀粉；糊化特性；流變特性；質(zhì)構(gòu)特性；微觀結(jié)構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn)蓮藕淀粉粒脆性大，在加熱攪拌下容易破碎或變形，在冷卻時，也不易形成凝膠[1]。研究表明，淀粉的糊化和流變特性對淀粉產(chǎn)品的加工工藝和食用品質(zhì)都有較大的影響[2]，為改善淀粉食品的品質(zhì)，在加工過程中常將淀粉與親水性膠體復(fù)配使用，克服原淀粉加工性能的不足，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性[3]。

魔芋膠作為一種常見的親水性膠體，也是一種極具開發(fā)潛力的膳食纖維資源，其主要成分為魔芋葡甘聚糖。魔芋葡甘聚糖屬于非離子型水溶性多糖，主要是由D-葡萄糖和D-甘露糖按1∶1.6的分子比例，以β-(1-4)糖苷鍵聚合而成，是一種高度緊密且具有分支結(jié)構(gòu)的大分子聚合物。研究表明，魔芋膠具有增稠性、乳化性、黏結(jié)性、持水性等功能特性[4]，在凝膠食品中能促成魔芋葡甘聚糖大分子建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，魔芋膠還具有良好的生物可降解性，使其成為制備可食性膜、涂層膜、包裝膜等的研究熱點[5-6]。

親水性膠體添加到淀粉中會產(chǎn)生相互作用，從而影響到淀粉體系的各種功能性質(zhì)，如糊化特性、流變及質(zhì)構(gòu)特性等，這些功能性質(zhì)對最終產(chǎn)品的食用品質(zhì)和感官特性有重要影響。國內(nèi)外有關(guān)親水性膠體對淀粉性質(zhì)影響的研究報道較多，如蘇曉芳等[7]研究了卡拉膠與紫薯淀粉復(fù)配體系的糊化與流變特性，發(fā)現(xiàn)卡拉膠能增加紫薯淀粉體系粘彈性；LEE等[8]探討了蔗糖對大米淀粉與瓜爾膠、大米淀粉與黃原膠復(fù)配體系流變特性的影響；吳銀琴等[9]發(fā)現(xiàn)，玉米淀粉與瓜爾膠復(fù)配體系形成的凝膠硬度值比單獨的淀粉凝膠硬度值小。目前，大多數(shù)研究集中于親水性膠體對馬鈴薯和玉米淀粉性質(zhì)的影響，而親水性膠體對蓮藕淀粉性質(zhì)影響的研究較少。因此，本文以蓮藕淀粉為原料，探究加入不同比例的魔芋膠，利用快速黏度分析儀、流變儀、物性測定儀和掃描電鏡，研究復(fù)配后體系糊化、流變、凝膠質(zhì)構(gòu)特性及微觀結(jié)構(gòu)變化。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

蓮藕淀粉，湖北愛荷食品有限公司提供；魔芋膠，淄博中軒生化有限公司提供。

1.2儀器與設(shè)備

FA2104電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋，RVA-TecMaster快速黏度分析儀，瑞典波通儀器有限公司；DHR-1旋轉(zhuǎn)流變儀，美國TA公司；CT3物性測定儀，美國Brookfield公司；JSM-6510LV鎢燈絲掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社(JEOL)。

1.3實驗方法

1.3.1 樣品制備

選擇5種不同配比的蓮藕淀粉與魔芋膠復(fù)配體系(質(zhì)量比10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0)，準確稱量各配比下的蓮藕淀粉、魔芋膠質(zhì)量，于燒杯中加入去離子水混合，配成質(zhì)量分數(shù)為6%的懸浮液(以干基計)，攪拌均勻后在沸水浴中加熱糊化30 min。除糊化特性外，流變、質(zhì)構(gòu)特性及微觀結(jié)構(gòu)的測定均采用此方法制作的樣品。

1.3.2 糊化特性的測定

參考吳銀琴等[9]的方法，選取5種不同配比的蓮藕淀粉與魔芋膠復(fù)配體系(質(zhì)量比10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0)，準確稱量后于RVA鋁盒中和去離子水混合，配成質(zhì)量分數(shù)為6%的懸浮液，按照美國谷物化學(xué)協(xié)會(AACC)規(guī)定方法Standard2在快速黏度分析儀中進行測定。程序如下：在50℃下保溫1 min，后以6 ℃/min的速度升溫至95 ℃，保溫5 min，再以6 ℃/min的速度降溫至50 ℃，保溫2 min。前10 s內(nèi)攪拌速率為960 r/min，而后以160 r/min攪拌速率進行黏度測定。

1.3.3 流變特性的測定

采用平板-平板測量系統(tǒng)，平板直徑4 cm，設(shè)置間隙1 cm，加入樣品并去掉平板邊緣多余樣品。每次測試均需更換樣品。

靜態(tài)流變特性測定：設(shè)置溫度25 ℃，剪切速率從0～300 s-1遞增，再從300 s-1～0遞減，記錄該過程中剪切應(yīng)力變化情況。采用冪定律(Power law 模型)對數(shù)據(jù)點進行回歸擬合，方程：

τ=Kγn

(1)

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

動態(tài)黏彈性測定：在溫度25 ℃，掃描應(yīng)變值為1%，測定振蕩頻率設(shè)為0.1～10 Hz內(nèi)貯能模量G′、損耗模量G″、損失正切tanδ和隨角頻率變化的情況。

動態(tài)時間掃描的測定：設(shè)置參數(shù)為溫度4 ℃，掃描應(yīng)變1%，頻率0.5 Hz，測定1 h內(nèi)樣品彈性模量(G′)和tanδ的變化情況。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)測定

參考張雅媛等[10]的方法稍加改動，將糊化好的樣品在室溫下冷卻，密封，在4℃下冷藏24 h后，用物性測定儀進行質(zhì)構(gòu)測定。測定條件：TPA模式，TA5探頭(直徑0.5英寸的圓柱狀平頭探頭)，測試前速度：1.0 mm/s；測試速度：1.0 mm/s；測試后速度：1.0 mm/s；壓縮程度：40%；觸發(fā)力：5 g。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)觀察

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對蓮藕淀粉與魔芋膠復(fù)配體系進行微觀結(jié)構(gòu)的觀察。掃描電鏡前須樣品進行干燥以獲得清晰精確的結(jié)果，采用真空冷凍干燥進行前處理[11]。前處理步驟：將樣品在培養(yǎng)皿中均勻涂膜，然后在冰箱中預(yù)冷凍24 h，再進行冷凍干燥48 h。冷凍干燥好的樣品用固定膠固定于樣品臺上，經(jīng)離子濺射儀噴金后，然后在15 kV電壓和不同的放大倍率下進行掃描電鏡觀察，選擇有代表性的視野拍攝。

1.4數(shù)據(jù)處理

實驗結(jié)果以“平均值±標準差”表示。所有試驗均進行3次重復(fù)。應(yīng)用SPSS 11.5統(tǒng)計軟件，對數(shù)據(jù)進行方差分析。使用Origin 8.6進行相關(guān)圖表的繪制和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1糊化特性的測定

蓮藕淀粉與魔芋膠復(fù)配體系糊化曲線如圖1所示，糊化特征值見表1。淀粉體系峰值黏度、終值黏度值越大，表明具有更好的增稠性；回生值越大，表明越容易老化，凝膠性越強；崩解值越大，耐剪切性越差；糊化溫度越高，說明晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，越不容易被破壞[12]。與單獨的蓮藕淀粉體系相比，蓮藕淀粉與魔芋膠復(fù)配體系的峰值黏度、終值黏度、崩解值、回生值明顯增加；而糊化溫度降低，這一結(jié)果與蔡冉旭 等[13]對玉米淀粉與黃原膠復(fù)配體系的研究結(jié)果類似。這是由于在加熱糊化過程中，魔芋膠與淀粉之間通過氫鍵[14]作用以及淀粉顆粒膨脹使得魔芋膠濃度增大，引起復(fù)配體系黏度增大；黏度的提高，造成更大的剪切力作用在淀粉顆粒上，使得顆粒易變形破損，即崩解值增大；另外，膠體與直鏈淀粉之間以氫鍵相互靠近，可能是導(dǎo)致復(fù)配體系的糊化溫度降低的主要原因；在降溫過程中，這種相互作用也會引發(fā)回生值增大。

圖1 蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系糊化曲線Fig.1 Pasting curves of lotus root starch/konjac gum mixed system

表1 蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系糊化特征值

2.2靜態(tài)剪切流變測定

由圖2可知，淀粉糊在流動中所需的剪切力隨剪切速率增大而增大，隨著魔芋膠添加量的增加，復(fù)配體系的剪切應(yīng)力也逐漸增加。采用冪定律對曲線的數(shù)據(jù)點進行擬合，結(jié)果見表2。由表2可知，決定系數(shù)R2均大于0.99，表明該模型具有較高的擬合精度。流體指數(shù)n<1，表明體系均為假塑性流體[15]。與單獨的蓮藕淀粉相比，添加魔芋膠后的復(fù)配體系上行線和下行線的稠度系數(shù)K升高，說明復(fù)配體系具有更好的增稠性[16]。K值隨著魔芋膠的添加量增加而增大，這是由于魔芋膠具有良好分散作用，促進淀粉在水中均勻分散，另外淀粉與魔芋膠以氫鍵結(jié)合交纏，從而產(chǎn)生強烈的協(xié)同增效作用，導(dǎo)致稠度增加[17]。復(fù)配體系n值比單獨的蓮藕淀粉體系n值小，說明復(fù)配體系假塑性增強，具有剪切變稀的特性， 這是由于在高速剪切作用下，纏結(jié)的分子結(jié)構(gòu)被拉直，流動阻力減??；剪切作用使體系內(nèi)部有一部分氫鍵斷裂，同時，魔芋膠分子鏈與淀粉分子鏈的纏繞使得流體分子鏈節(jié)順向性增加[18]，因此使體系剪切稀化，n值減小。

圖2 蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系靜態(tài)流變曲線Fig.2 Flow curves of lotus root starch/konjac gum mixed system

表2 蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系擬合參數(shù)

注：“/”前數(shù)據(jù)為上行線擬合數(shù)據(jù)，“/”后數(shù)據(jù)為下行線擬合數(shù)據(jù)。

2.3動態(tài)黏彈性測定

圖3 蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系動態(tài)模量(A)及tanδ(B)隨角頻率變化曲線Fig.3 Curves of dynamicmodylus and tanδ with angular frequency of lotus root starch/konjac gum mixed system

淀粉凝膠的黏彈性直接影響淀粉的實際應(yīng)用。圖3-(A)是貯能模量G′與損耗模量G″隨著角頻率變化的關(guān)系圖。由圖3可知，所有體系的G′都大于各自相應(yīng)的G″，表明2種體系的黏彈性都以彈性為主；而添加魔芋膠體系的G′和G″都分別大于單獨的蓮藕淀粉體系的G′和G″；說明膠體和淀粉之間存在一定的相互作用[19]。魔芋膠能夠增強蓮藕淀粉體系的彈性和黏性，這主要是因為魔芋葡甘聚糖大分子可以與水分子通過氫鍵、分子偶極、瞬時偶極等作用力聚集成龐大而難以自由運動的巨大分子，在水中使魔芋膠溶液變?yōu)檎吵淼姆桥ｎD流體[20]，使復(fù)配體系內(nèi)部纏繞節(jié)點增多。G′和G″隨著膠體比例的增加而呈現(xiàn)出先增加后降低的特點，當蓮藕淀粉與魔芋膠的質(zhì)量比為8.5∶1.5時，G′和G″最大，顯示出優(yōu)越的黏彈性。這表明添加了魔芋膠后，淀粉分子相互交聯(lián)，使復(fù)配體系黏彈性增大，但是加入魔芋膠的比例過高，限制了淀粉分子的伸展、滑動，使體系的G′和G″值降低。

tanδ為G″與G′的比值。tanδ值越大，體系表現(xiàn)出流動性越強的流體特征；反之，體系表現(xiàn)出明顯的固體特征[21]。圖3-(B)是蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系tanδ隨角頻率變化的曲線圖。由圖3-(B)可知，蓮藕淀粉與魔芋膠復(fù)配體系的tanδ比單獨的蓮藕淀粉體系tanδ大；表明魔芋膠和蓮藕淀粉的復(fù)配使用能增強體系流體性質(zhì)。但是隨著魔芋膠比例增加，tanδ值先增大后減小，在蓮藕淀粉與魔芋膠的質(zhì)量配比為8.5∶1.5時，tanδ值最大，復(fù)配體系黏性比例最高，黏彈性最好。

2.4動態(tài)時間掃描測定

圖4 蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系貯能模量(a)及tanδ(b)隨時間變化曲線Fig.4 Curves of storage modulus and tanδ with time of lotus root starch/konjac gum mixed system

淀粉糊化后的短時間內(nèi)，由于直鏈淀粉分子間進行定向遷移，通過鏈間氫鍵聚合重排，形成新的有序結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致淀粉老化，形成穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)，在流變測定中表現(xiàn)為G′值顯著升高，tanδ變小[22]。圖4為蓮藕淀粉與魔芋膠復(fù)配體系混合加熱糊化后1 h內(nèi)貯能模量G′以及tanδ隨時間變化曲線。由圖4可知，在初始90 s內(nèi)，所有體系G′值均快速升高，伴隨tanδ減小，之后G′值增長緩慢，最終復(fù)配體系G′值均大于單獨的淀粉體系G′，這一結(jié)果表明，復(fù)配體系在初始階段易回生，魔芋膠的添加加快凝膠結(jié)構(gòu)的形成。這是微觀相分離[23]的結(jié)果，另外親水性膠體的增稠性限制了淀粉分子運動，局部直鏈淀粉更早更快的結(jié)合，也可能導(dǎo)致老化而加速凝膠形成[24]。在添加了魔芋膠的4種復(fù)配體系中，質(zhì)量配比為9.5∶0.5、9.0∶1.0、8.5∶1.5這3種復(fù)配體系最終的G′值差異不大，而與這3種復(fù)配體系相比，質(zhì)量配比為8.0∶2.0的復(fù)配體系G′有明顯增大，這一結(jié)果可能是由于魔芋膠添加量的增加，復(fù)配體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為緊密引起的。

2.5凝膠質(zhì)構(gòu)的測定

表3為蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系的凝膠質(zhì)構(gòu)參數(shù)。硬度與直鏈淀粉分子間的相互交聯(lián)程度成正相關(guān)[25]，彈性與內(nèi)聚性與淀粉凝膠樣品網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，值越大，抵抗外界破壞的能力越強[26]。

表3 蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系質(zhì)構(gòu)參數(shù)

梁欽研究發(fā)現(xiàn)，魔芋膠的添加使直鏈淀粉的堅實度、黏聚性增大；卻使支鏈淀粉的堅實度降低，黏聚性增加[17]。由表3可知，和蓮藕原淀粉相比，復(fù)配體系硬度值、內(nèi)聚性、彈性值都減小，黏著性增大，說明魔芋膠和蓮藕淀粉能形成質(zhì)地更軟的凝膠，黏性增加。這是由于隨著魔芋膠比例的增加，蓮藕淀粉含量逐漸降低，淀粉分子間的聚合重排減少，從而體系硬度值減小；另外可能魔芋膠與蓮藕淀粉在加熱的情況下，其大分子物質(zhì)同時在溶液展開，形成相互交織在一起的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的膠體體系，使彈性和內(nèi)聚性、黏著性發(fā)生變化。在蓮藕淀粉與魔芋膠質(zhì)量配比為8.5∶1.5時，凝膠的硬度值、彈性最小，形成的凝膠質(zhì)地最柔軟。

2.6微觀結(jié)構(gòu)觀察

5種配比的復(fù)配體系在400倍下的掃描電鏡如圖5所示。蓮藕原淀粉糊化體系類似一種片層結(jié)構(gòu)，層與層之間有少量的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和大量的孔洞；加入魔芋膠后，魔芋膠填充在淀粉顆粒之間，孔洞減小，片層結(jié)構(gòu)逐漸消失，在殘留的片層之間形成了大量的有支撐作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；隨著魔芋膠加入量的不斷增加，復(fù)配體系的孔洞越來越小，數(shù)量也逐漸減少，魔芋膠和淀粉的相互作用形成了逐漸均勻、光滑的連續(xù)相，結(jié)構(gòu)更加的緊湊和致密。當蓮藕淀粉與魔芋膠質(zhì)量比例為8.0∶2.0時，體系結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，這一變化可能是魔芋膠含量增加后，魔芋膠分子間相互纏結(jié)作用增強而形成的。這與之前動態(tài)黏彈測定時該比例下的復(fù)配體系固體特征增強一致。

A、B、C、D、E分別為質(zhì)量比10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0的蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系圖5 蓮藕淀粉/魔芋膠復(fù)配體系微觀結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖Fig.5 Microstructure of lotus root starch/konjac gum mixed system

3 結(jié)論

(1)與單獨的蓮藕淀粉體系相比，隨著魔芋膠的添加量的增加，復(fù)配體系的峰值黏度、終值黏度、崩解值、回生值都逐漸增加，同時淀粉糊化溫度逐漸降低。

(2)蓮藕淀粉與魔芋膠復(fù)配體系是典型的假塑性流體，有更好的增稠作用；添加魔芋膠能增加體系的黏性比例，使復(fù)配體系易老化，有較好的穩(wěn)定性；加入魔芋膠后，復(fù)配體系形成的凝膠硬度、彈性、內(nèi)聚性更低，黏著性增強，表明形成的凝膠質(zhì)地柔軟，不易被破壞；添加魔芋膠后復(fù)配體系微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，形成了更加均勻、穩(wěn)定和致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(3)綜合考慮復(fù)配效果，在實際應(yīng)用中選擇蓮藕淀粉與魔芋膠質(zhì)量比為8.5∶1.5能夠較好的改善蓮藕淀粉糊化、流變及質(zhì)構(gòu)特性。對蓮藕淀粉與魔芋膠的復(fù)配體系糊化及流變研究，可為探討其他大分子多糖間的復(fù)配提供參考，以便于更好的改善食品加工工藝和指導(dǎo)新產(chǎn)品開發(fā)。

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Effectofkonjacgumonpastingandrheologicalpropertiesoflotusrootstarch

LIU Min1,DAI Yao-yi1,BI Jia-yu1,ZHANG Fu-sheng1,2,ZHENG Jiong1,2*

1 (College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China) 2(Chongqing Engineering Research Center of Regional Food, Chongqing 400715, China)

In order to explore the effect of hydrophilic colloid on properties of starch, the pasting, rheological, textural properties and microstructure of lotus root starch by adding konjac gum were investigated. The results showed that the viscosity, setback and breakdown values of lotus root starch were improved. The mixed system was pseudoplastic fluid, the consistency coefficient K was increased but the fluid index n was decreased, the mixed system exhibited a more significant thickening effect. The viscosity ratio was increased after adding konjac gum, the mixed systems had excellent visco-elastic characteristic, konjac gum accelerated the retrodegradation of lotus root starch. The hardness, elasticity and cohesion of starch mixed systems were decreased, but the adhesion of the mixed systems was increased; when the lotus root starch and konjac gum mass ratio was 8.5∶1.5, the gel was the softest. Meanwhile, a more uniform and compact network structure was observed by scanning electron microscopy.

konjac gum; lotus root starch; pasting properties; rheological properties; texture properties; microstructure

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013278

本科生(鄭炯副教授為通訊作者，E-mail：zhengjiong_swu@126.com)。

重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心能力提升項目(cstc2014pt-gc8001)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(SWU115051)

2016-10-27，改回日期：2017-01-03