聚葡萄糖對(duì)大米淀粉凝膠老化特性的影響

常曉紅,張 蓓,郝明遠(yuǎn),張佳帆,尹 琦,武飛揚(yáng),謝新華

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,農(nóng)業(yè)部大宗糧食加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南鄭州 450002)

冷藏是食品常用的保藏方法之一,它能抑制病原菌等微生物的生長(zhǎng)繁殖,保持食品的感官品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,延長(zhǎng)食品的貨架期。但米制品在冷藏時(shí),易發(fā)生不同程度地劣變,影響米制品的品質(zhì)。這是由于大米的主要成分是淀粉,糊化后的淀粉在低溫下發(fā)生老化造成的[1]。

目前主要通過(guò)添加糖類、乳化劑、親水膠體等的方式來(lái)抑制大米淀粉老化的方法,如Chen等[2]研究發(fā)現(xiàn),普魯蘭多糖不僅可以通過(guò)抑制大米淀粉的膨脹與糊化,來(lái)抑制大米淀粉中直鏈淀粉的短期老化,還可以通過(guò)減緩淀粉分子鏈之間的移動(dòng)、締合,來(lái)抑制其支鏈淀粉的長(zhǎng)期老化;Viturawong等[3]發(fā)現(xiàn)黃原膠通過(guò)氫鍵與滲漏的直鏈淀粉相互作用,減慢復(fù)配體系中水分子的遷移,抑制大米淀粉的老化。

聚葡萄糖是一種水溶性膳食纖維,具有熱量值低、溶解度高、穩(wěn)定性好等特性,已廣泛應(yīng)用于飲料、乳制品、糖類巧克力、焙烤食品等領(lǐng)域[4-5]。劉安軍等[6]研究發(fā)現(xiàn)聚葡萄糖具有抗凍性,可部分替代商業(yè)抗凍劑用于食品中。本實(shí)驗(yàn)以大米淀粉為原料,通過(guò)添加不同比例的聚葡萄糖,研究聚葡萄糖對(duì)冷藏過(guò)程中大米淀粉凝膠老化特性的影響,為聚葡萄糖改善米制品中的品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米淀粉 水分、灰分、蛋白質(zhì)、脂肪以及直鏈淀粉含量依次分別為12.6%、0.11%、0.32%、0.52%和24.20%,江蘇蕪湖市好亦快食品有限公司;聚葡萄糖 水分含量為3.80%,河南孟州泰利杰有限公司;銦標(biāo)準(zhǔn)物 德國(guó)耐馳(NETZSCH)儀器制造有限公司。

RVA 4500型快速粘度分析儀 瑞典波通(Perten)儀器公司;FD-1005型真空冷凍干燥機(jī) 上海今友實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;DSC 214型差示掃描量熱儀 德國(guó)耐馳(NETZSCH)儀器制造有限公司;QUANTA FEG 250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡 美國(guó)FEI公司;X’Pert PRO型X射線衍射儀 荷蘭PANalytical公司;ME104E/02型電子天平 美國(guó)梅特勒-托利多(METTLER TOLEDO)儀器設(shè)備有限公司;FW 80型萬(wàn)能粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 糊化黏度特性測(cè)定 稱取3.00 g大米淀粉,再依次稱取大米淀粉質(zhì)量的0、5%、10%、15%、20%的聚葡萄糖,將稱好的樣品加入裝有25.00 g蒸餾水的RVA自帶的鋁制樣品測(cè)量罐中,用配套的攪動(dòng)槳葉在其中不停地?cái)嚢?防止沉降。攪拌均勻后,將鋁盒固定于粘置于RVA的加熱臺(tái)上,參照Banchathanakij等[7]方法測(cè)定淀粉糊化黏度特性。

1.2.2 熱特性測(cè)定 準(zhǔn)確稱取2.00 g大米淀粉,依次加入大米淀粉質(zhì)量的0、5%、10%、15%、20%的聚葡萄糖。先將聚葡萄糖(PD)加入到6.00 g蒸餾水中,在攪拌均勻后緩慢加入大米淀粉,在室溫條件下,在磁力攪拌器上水化1 h后,精確地從攪拌均勻的樣品中移取8.00 μL于坩堝中,用天平稱取并記錄加入樣品的質(zhì)量,密封之后在室溫下放置24 h平衡,在DSC中進(jìn)行糊化測(cè)定,測(cè)定完后放至室溫后,再于4 ℃下分別冷藏1、3、5、7、14、21、28 d后進(jìn)行老化測(cè)定[8]。

實(shí)驗(yàn)前用銦標(biāo)準(zhǔn)物進(jìn)行儀器校正,在測(cè)試時(shí)用空坩堝進(jìn)行對(duì)照。測(cè)量參數(shù)為:溫度范圍30～110 ℃,升溫速率為10 ℃/min,降溫速率為10 ℃/min,保護(hù)氣為氮?dú)?流速為20 mL/min。在第一次糊化測(cè)定中,可得出糊化的起始溫度、峰值溫度和終止溫度,根據(jù)峰面積計(jì)算大米淀粉的糊化焓值;在4 ℃冷藏放置不同時(shí)間后,進(jìn)行第二次老化測(cè)定,根據(jù)峰面積計(jì)算大米淀粉凝膠的老化焓值。

1.2.3 X-射線衍射測(cè)定 樣品制備如1.2.1,將RVA糊化后的樣品轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)皿中,冷卻至室溫,密封,4 ℃冷藏14 d后,放入-40 ℃預(yù)凍24 h后,放入真空冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行冷凍干燥。將冷凍干燥好的樣品用萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎,然后過(guò)200目篩,所得粉末進(jìn)行X射線衍射分析。XRD掃描范圍為5～40 °(2θ),掃描速度為2 °/min,掃描電壓為40 kV,掃描電流為40 mA,用MDI Jade 6.0軟件分析衍射圖譜,用Hernan法計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度。

1.2.4 微觀結(jié)構(gòu)觀察 樣品制備如1.2.1,將RVA糊化后的樣品轉(zhuǎn)移至4 mL離心管中,冷卻至室溫,密封放置于4 ℃冷藏14 d后,放入-40 ℃預(yù)凍24 h后,放入真空冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行冷凍干燥,用雙面導(dǎo)電膠將干燥好的樣品粘到樣品臺(tái)上,用吸耳球吹去多余樣品,在真空噴金儀內(nèi)噴金3次,然后固定于載物臺(tái)上,在加速電壓25 kV時(shí)進(jìn)行200倍放大掃描觀察。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有的實(shí)驗(yàn)均重復(fù)三次,所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 13.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,結(jié)果用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,并用Duncan法進(jìn)行顯著性分析(p<0.05為數(shù)據(jù)間具有顯著性差異,p>0.05為數(shù)據(jù)間無(wú)顯著性差異)。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚葡萄糖對(duì)大米淀粉糊化黏度特性分析

由表1可知,聚葡萄糖對(duì)大米淀粉的糊化特性有顯著影響,且聚葡萄糖的添加比例越大,影響越顯著(p<0.05)。與原大米淀粉相比,聚葡萄糖的添加量為20%時(shí),峰值黏度和最終黏度分別降低了1322.56、1383.17 cp,下降顯著(p<0.05),這是因?yàn)榫燮咸烟桥c水分子的結(jié)合力高于淀粉與水分子之間的結(jié)合力,使淀粉與水分子之間的氫鍵相互作用減弱,增強(qiáng)了大米淀粉分子間的相互作用,引起淀粉黏度變小[9];同時(shí),糊化溫度從77.05 ℃升高到84.34 ℃,表明水分的缺失使大米淀粉的糊化變得緩慢。

表1 大米淀粉/聚葡萄糖體系的糊化特性

添加聚葡萄糖后,大米淀粉/聚葡萄糖體系的崩解值顯著降低(p<0.05),這可能是因?yàn)榫燮咸烟菧p少了直鏈淀粉的滲出,提高了大米淀粉糊的穩(wěn)定性;此外,大米淀粉/聚葡萄糖體系的回生值從670.89 cp降低到142.67 cp,下降顯著(p<0.05),表明糊化后的淀粉糊在冷卻過(guò)程中,尤其是直鏈淀粉,分子通過(guò)氫鍵重新有序化排列的能力下降[10],由此可見,聚葡萄糖對(duì)大米淀粉的短期老化起到了較好的延緩作用。

2.2 聚葡萄糖對(duì)大米淀粉熱特性結(jié)果分析

表2為大米淀粉與聚葡萄糖混合體系的DSC糊化溫度及焓值。從表2中數(shù)據(jù)可以看出,添加聚葡萄糖后,大米淀粉的糊化的起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、結(jié)束溫度(Tc)向高溫方向移動(dòng),且存在顯著差異(p<0.05),與RVA糊化特性測(cè)定中的糊化溫度升高相一致;糊化焓值則隨著聚葡萄糖的加入而降低,從13.2 J/g降低到9.71 J/g,降幅約為26.44%,進(jìn)一步說(shuō)明了聚葡萄糖與淀粉競(jìng)爭(zhēng)水分子,抑制大米淀粉的吸水、膨脹及糊化,且滲漏出的大米直鏈淀粉變少,淀粉結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)構(gòu)型發(fā)生變化,融化所需的焓值降低。

表2 大米淀粉/聚葡萄糖體系的DSC糊化溫度和焓值

由表3中數(shù)據(jù)可知,隨著冷藏時(shí)間的延長(zhǎng),大米淀粉凝膠的老化焓值均不斷增大,但添加聚葡萄糖后,老化焓值會(huì)顯著降低。原大米淀粉凝膠在4 ℃冷藏放置28 d后,其老化焓值增加到4.34 J/g,當(dāng)添加5%聚葡萄糖時(shí),其老化焓值為3.74 J/g,而當(dāng)添加20%聚葡萄糖時(shí),其老化焓值降到2.67 J/g,這說(shuō)明聚葡萄糖可以抑制大米淀粉凝膠的長(zhǎng)期老化。這主要是因?yàn)榫燮咸烟欠肿恿啃∏曳肿咏Y(jié)構(gòu)中含有羥基,在冷藏過(guò)程中,會(huì)與部分支鏈淀粉分子的短側(cè)鏈結(jié)合,阻礙了支鏈淀粉分子通過(guò)氫鍵締合,抑制支鏈淀粉重結(jié)晶形成有序的晶體結(jié)構(gòu),結(jié)晶熔融所需的熱量降低,即支鏈淀粉的重結(jié)晶度降低,大米淀粉凝膠老化程度降低[11]。

表3 糊化后的大米淀粉/聚葡萄糖體系在4 ℃冷藏不同天數(shù)的老化焓值

2.3 聚葡萄糖對(duì)大米淀粉凝膠晶體結(jié)構(gòu)的影響

圖1是原大米淀粉與冷藏14 d的大米淀粉/聚葡萄糖混合體系的XRD衍射圖譜結(jié)果,每個(gè)衍射圖譜均有衍射峰,說(shuō)明原大米淀粉與大米淀粉凝膠中均有晶體存在。由圖1可以看出,原大米淀粉的XRD衍射結(jié)果中,2θ角分別在15 °、17 °、18 °和23 °出現(xiàn)衍射峰,為典型的A型結(jié)晶峰[12];而在4 ℃冷藏14 d后的大米淀粉凝膠的XRD衍射結(jié)果中,峰值位置發(fā)生變化,在17°出現(xiàn)特征峰,為B型結(jié)晶峰[13],這個(gè)特征峰主要是支鏈淀粉的長(zhǎng)期老化引起的。隨著聚葡萄糖添加比例的增大,大米淀粉/聚葡萄糖體系的B型特征峰強(qiáng)度變?nèi)酢D1中左側(cè)標(biāo)注的數(shù)據(jù)是其對(duì)應(yīng)樣品的相對(duì)結(jié)晶度,可以看出,添加聚葡萄糖后,大米淀粉凝膠的相對(duì)結(jié)晶度從14.09%降到8.61%,與DSC老化焓值測(cè)定結(jié)果一致,說(shuō)明聚葡萄糖對(duì)大米淀粉凝膠的重結(jié)晶有一定的抑制作用。

圖1 原大米淀粉和大米淀粉/聚葡萄糖體系的X-衍射圖譜

2.4 聚葡萄糖對(duì)大米淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖2可以看出,大米淀粉凝膠呈蜂窩狀結(jié)構(gòu),其中的孔洞是由于大米淀粉凝膠在4 ℃冷藏過(guò)程中支鏈淀粉分子重結(jié)晶,發(fā)生不同程度的長(zhǎng)期老化,導(dǎo)致大米淀粉凝膠結(jié)構(gòu)中含有重結(jié)晶脫出的水,真空冷凍干燥過(guò)程中,脫出的水先凍成冰晶,冰晶再揮發(fā)造成的[14]。孔洞越大,重結(jié)晶度就越高,老化程度越高。添加聚葡萄糖后,大米淀粉凝膠表面孔洞縮小,表面更加細(xì)致、光滑,說(shuō)明大米淀粉凝膠中重結(jié)晶脫出的水變少,重結(jié)晶度降低,再一次證明了聚葡萄糖可以延緩大米淀粉凝膠的長(zhǎng)期老化。

圖2 糊化后的大米淀粉/聚葡萄糖體系在4 ℃冷藏14 d后的SEM圖(200×)

3 結(jié)論

隨著聚葡萄糖添加量的增大,大米淀粉的糊化黏度、崩解值、回生值和糊化焓值都顯著降低,主要是因?yàn)榫燮咸烟桥c水分子的結(jié)合力高于淀粉與水分子之間的結(jié)合力,與淀粉分子競(jìng)爭(zhēng)水分子,抑制淀粉分子的吸水、膨脹及糊化,從而抑制大米淀粉凝膠的短期老化。在4 ℃下冷藏不同天數(shù)后,大米淀粉的老化焓值不斷增大,表明在冷藏過(guò)程中,大米淀粉凝膠發(fā)生長(zhǎng)期老化;添加聚葡萄糖后,大米淀粉凝膠老化焓值從4.34 J/g降到2.67 J/g,下降顯著(p<0.05),說(shuō)明聚葡萄糖可以減弱支鏈淀粉分子間形成氫鍵的能力,抑制大米淀粉凝膠的重結(jié)晶,延緩大米淀粉的長(zhǎng)期老化。XRD結(jié)果表明,冷藏后大米淀粉凝膠的結(jié)晶類型發(fā)生變化,與原大米淀粉凝膠相比,相對(duì)結(jié)晶度從14.09%降到8.61%。根據(jù)掃描電子顯微鏡結(jié)果可以看出,大米淀粉凝膠呈蜂窩狀結(jié)構(gòu),添加聚葡萄糖后,表面更致密、光滑,說(shuō)明大米淀粉凝膠保水性增強(qiáng);孔洞變小,說(shuō)明重結(jié)晶度降低,再一次證明聚葡萄糖可以抑制大米淀粉凝膠的老化。

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