細菌纖維素對大米淀粉凝膠老化的影響

謝新華 朱鴻帥 徐 超 常曉紅 呂 楠 歐陽宇 彭 亮

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450002)

淀粉中含有直鏈淀粉和支鏈淀粉，淀粉的短期老化是由直鏈淀粉造成的，而淀粉的長期老化是由于支鏈淀粉的支鏈在長期儲藏過程中重結(jié)晶引起的[1]。大米中的主要成分是淀粉，在煮制后容易發(fā)生淀粉老化，特別是在低溫儲藏過程中，并導(dǎo)致大米制作的產(chǎn)品硬度增加、黏度下降、口感變差等品質(zhì)上的劣變，使其食用品質(zhì)和商品價值降低[2]。近年來，國內(nèi)外廣泛研究了多糖、纖維素衍生物、膳食纖維等對大米淀粉老化的抑制[3-5]。

細菌纖維素(bacterial cellulose，BC)作為一種由許多納米級微纖絲組成的新型膳食纖維，在化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)上與普通膳食纖維相同，但細菌纖維素具有超細的納米結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)含大量親水基團，且微纖絲之間相互交織成無規(guī)則的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有極強的吸水性和持水能力[6]。為提高大米制品的品質(zhì)，有必要了解納米級細菌纖維素對淀粉凝膠老化影響，本實驗通過向大米淀粉中添加不同量的細菌纖維素進行糊化，研究細菌纖維素對大米淀粉凝膠短期老化和長期老化的影響。

1 材料與方法

1.1 材料和設(shè)備

大米淀粉：安徽省蕪湖市好亦快食品有限公司；細菌纖維素：海南光宇生物科技有限公司，純度為98%。

RVA4500型快速黏度分析儀：瑞典波通儀器公司；Quanta 250型掃描電子顯微鏡：美國FEI公司；DSC 214 Ployma型差示掃描量熱儀：德國耐馳公司；X’Pert Pro型X-射線衍射儀：荷蘭帕納科公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大米淀粉糊化特性的測定

依次稱取25.00 g蒸餾水、3 g樣品(細菌纖維素添加量0%、5%、10%、15%、20%，m/m)倒入鋁盒，手動攪拌約30 s，迅速將鋁盒放到快速黏度分析儀加熱臺中央。測定參數(shù)：50 ℃保持1 min，以12 ℃/min升溫到95 ℃，95 ℃保持2.5 min，然后以12 ℃/min降溫到50 ℃,50 ℃保持2 min。起始10 s轉(zhuǎn)動速率為960 r/min，使樣品均勻分散于蒸餾水中，然后保持160 r/min至測試結(jié)束。每個樣品3次平行。

1.2.2 大米淀粉熱力學(xué)特性的測定[1]

稱取細菌纖維素，常溫下水化2 h后，加入適量大米淀粉后水化1 h(細菌纖維素添加量0%、5%、10%、15%、20%，m:m)。稱取8 mg樣品到坩堝中，密封坩堝并在4 ℃平衡24 h后在DSC上糊化。用標(biāo)準(zhǔn)銦對DSC進行溫度和熱焓校正。以空坩堝作對照，沖洗氣體為氮氣，流量20 mL/min,以10 ℃/min的速率從25 ℃升溫到100 ℃。糊化后的樣品分別于4 ℃冷藏后的第1、3、5、7、14、21、28天將對應(yīng)的樣品取出再進行DSC測定，測定條件同上所述。每個樣品3個平行。

1.2.3 大米淀粉凝膠結(jié)晶度測定[4]

樣品制備同1.2.1，RVA糊化后的大米淀粉/細菌纖維素樣品倒入平板中，冷卻至室溫后放入4 ℃冰箱中冷藏28 d后冷凍干燥。干燥后粉碎過200目篩進行X-射線衍射分析。測定參數(shù)：管壓為40 kV，管流為30 mA，掃面范圍為4°～40°(2θ)，掃描速率為2°/min。通過MDI Jade 5.0軟件對X-射線衍射圖譜進行分析處理。

1.2.4 大米淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)測定[3]

按照1.2.1中方法，RVA糊化后的大米淀粉/細菌纖維素樣品倒入離心管中，在4 ℃冷藏28 d后進行冷凍干燥。干燥后用鑷子將樣品固定在雙面導(dǎo)電膠帶上，經(jīng)噴金后在掃描電子顯微鏡下觀察樣品微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 細菌纖維素對大米淀粉糊的影響

由表1可知，隨細菌纖維素的添加量增大，大米淀粉糊化的峰值黏度、崩解值、最終黏度、回生值均顯著下降。崩解值的顯著降低或許是大米淀粉在加熱糊化過程中，細菌纖維素抑制大米淀粉中的直鏈淀粉溶出；當(dāng)細菌纖維素添加量增大到20%時，大米淀粉的回生值從647.33 cP降低到244.67 cP，表明在溫度降低過程中細菌纖維素抑制了大米淀粉分子鏈的重新聚集排列，顯示細菌纖維素對大米淀粉凝膠的短期老化具有顯著的抑制效果，這與其他碳水化合物對淀粉凝膠老化抑制結(jié)果一致[7]。

表1 細菌纖維素對大米淀粉糊化的影響/cP

注：表中同列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)，余同。

2.2 細菌纖維素對大米淀粉凝膠熱力學(xué)特性的影響

由表2可知細菌纖維素的添加使得大米淀粉的糊化溫度、峰值溫度、最終溫度均有所升高，但糊化焓值則因細菌纖維素的添加而從12.94 J/g降低到8.50 J/g，這是由于細菌纖維素含有大量的親水性基團限制了淀粉顆粒與水分子之間的相互作用，從而抑制了淀粉糊化，使得大米淀粉糊化焓值的顯著下降。

表2 細菌纖維素對大米淀粉熱力學(xué)特性的影響

表3顯示了大米淀粉凝膠在4 ℃下貯藏不同時間的老化焓值，隨著儲藏時間延長，老化焓值顯著增大，經(jīng)過28 d冷藏后，未添加細菌纖維素的大米淀粉老化焓值增大到7.66 J/g，這是由于淀粉中支鏈淀粉重結(jié)晶引起的。隨著細菌纖維素添加量增大，老化焓值顯著降低，而當(dāng)細菌纖維素添加量增大到20%時，大米淀粉的老化焓降低到2.76 J/g，由此說明細菌纖維素對大米淀粉凝膠老化具有顯著的抑制效果。這是由于細菌纖維素含有的大量羥基與直鏈淀粉分子結(jié)合有效地阻礙淀粉分子鏈的有序化排列，進而抑制了大米淀粉凝膠的老化[8]。

2.3 細菌纖維素對大米淀粉凝膠結(jié)晶特性的影響

圖1為大米淀粉和大米淀粉凝膠的X-射線衍射圖譜。天然的大米淀粉在2θ為15.21°、17.36°、18.17°和23.14°可以觀察到典型的A型結(jié)晶峰[9]。當(dāng)大米淀粉凝膠在4℃冷藏以后，在2θ為17.06°附近顯示淀粉為B型結(jié)晶[10]，且相對結(jié)晶度達到13.26%。隨細菌纖維素的增大大米淀粉凝膠的相對結(jié)晶度顯著降低，且添加量越大使得大米淀粉凝膠的相對結(jié)晶度降低趨勢越顯著，當(dāng)細菌纖維素添加量增大到20%時，淀粉凝膠的相對結(jié)晶度降低到了7.93%，由此說明細菌纖維素對大米淀粉凝膠的長期老化具有抑制作用，這與熱力學(xué)測定結(jié)果一致。

表3 細菌纖維素對大米淀粉凝膠的老化焓的影響/J/g

圖1 大米淀粉和大米淀粉凝膠的X-射線衍射圖

2.4 細菌纖維素對大米淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖2中可見大米淀粉凝膠中存在大量的淀粉碎片，且大小不一、分布不均勻。說明大米淀粉已經(jīng)充分糊化，淀粉顆粒完全被破碎[11]。隨著細菌纖維素添加量增大，細菌纖維素填充于大米淀粉碎片片段間，使淀粉凝膠的碎片減少，形成的結(jié)構(gòu)更加完整、致密。這也從側(cè)面說明了細菌纖維素能與滲漏出來的直鏈淀粉和支鏈淀粉組合成了較為均勻的連續(xù)相，使得淀粉凝膠更加致密[11]。此外在添加20%細菌纖維素與淀粉相互作用糊化形成的凝膠還有完整的淀粉顆粒，可能是由于強吸水性的細菌纖維素與大米淀粉顆粒之間對水分子的競爭作用致使淀粉顆粒未完全糊化所致，而這一部分未完全糊化的大米淀粉顆粒具有緊密結(jié)構(gòu)，可以有效地阻礙淀粉分子鏈的有序化，進而抑制淀粉凝膠的老化[12]。

a 大米淀粉 b 大米淀粉+5%細菌纖維素

c 大米淀粉+10%細菌纖維素 d 大米淀粉+15%細菌纖維素

e 大米淀粉+20%細菌纖維素

3 結(jié)論

細菌纖維素的添加使大米淀粉凝膠回生值顯著降低，這是由于細菌纖維素含有大量親水基團，易與大米淀粉競爭吸附水分，抑制了直鏈淀粉分子鏈的重新聚集排列，從而抑制了大米淀粉凝膠的短期老化。大米淀粉凝膠在4 ℃貯藏過程中，隨貯藏時間延長，淀粉分子間重新排列形成新的晶體或聚合物，使其老化焓不斷增大；當(dāng)細菌纖維素添加量增加，競爭吸附了淀粉凝膠老化所需的水分，阻礙了支鏈淀粉分子間的重新締合，抑制了淀粉大分子形成新的晶體，使其老化焓和相對結(jié)晶度顯著降低，抑制了大米淀粉的長期老化。細菌纖維素可以新型的淀粉老化抑制劑應(yīng)用于淀粉基食品中，延長其貨架期和提高其品質(zhì)。

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