藕淀粉和超微全藕粉的糊化特性研究

余清清，張美霞，陳光靜，闞建全,2,3*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715) 2(農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室(重慶)，重慶，400715)3(中匈食品科學(xué)聯(lián)合研究中心，重慶，400715)

藕，又稱蓮藕(NelumbonuciferaGaertn)，睡蓮科多年生植物，是我國種植面積最大的水生蔬菜[1]。蓮藕富含淀粉、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素、生物堿等多種對有益的營養(yǎng)成分和生物活性成分，是一種價值較高的藥食同源水生經(jīng)濟作物[2]，深受消費者喜愛。蓮藕屬于熱敏性作物，在收獲貯藏期間容易腐爛褐變，造成大量浪費，降低了其食用品質(zhì)和商品價值。因此，有必要對蓮藕進行加工處理加以保藏。目前市場上蓮藕加工制品種類較多，傳統(tǒng)的有水煮藕片、糖醋藕片、鹽漬藕、姜藕、藕粉、藕汁飲料、清水蓮藕罐頭、果脯和糯米藕等[3-4]，但這些產(chǎn)品的附加值較低，缺少深加工。因此，應(yīng)采用新工藝技術(shù)和設(shè)備促進蓮藕的利用和開發(fā)。

超微粉碎技術(shù)是20世紀(jì)70年代為適應(yīng)現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一種高科技含量的物料加工技術(shù)，其原理是利用機械或流體動力將粒徑3 mm以上的物料顆粒粉碎至粒徑10 ～ 25 μm以下的微細顆粒。研究表明，物料經(jīng)超微粉碎處理后，淀粉顆粒的表觀結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)晶結(jié)構(gòu)改變[5]，顆粒表面積和空隙率增加，能顯著改善淀粉的理化性質(zhì)，如分散性、溶解性、吸附性、化學(xué)活性以及生物活性等[6-7]。目前，國內(nèi)外對淀粉超微化的研究主要集中在馬鈴薯淀粉[8]、小麥淀粉[9]、山藥淀粉[10]、玉米淀粉[11]、綠豆淀粉[12]等，關(guān)于超微全藕粉的制備及其糊化特性的研究還鮮有報道。

糊化特性是反映淀粉品質(zhì)好壞的一個重要指標(biāo)[13]，對淀粉的應(yīng)用及其深加工產(chǎn)品的質(zhì)量有一定的影響。因此，本文以不同品種蓮藕為原料，通過超微粉碎技術(shù)制備超微全藕粉，系統(tǒng)的對超微全藕粉和藕淀粉的糊化特性進行對比研究，以期為蓮藕在食品工業(yè)中的加工與開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蓮藕于2015年8月采自重慶市大足蓮藕生產(chǎn)基地，品種為蓮藕9217、00-26、00-01，分別編號為1號、2號、3號樣品(含直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24.17%，25.57%，23.33%)；護色劑：蘋果酸，檸檬酸，抗壞血酸，L-半胱氨酸。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9240型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科技有限公司；BFM-T6BI型翻轉(zhuǎn)式振動碾磨混煉機，濟南倍力粉技術(shù)工程有限公司；PF -I型沖擊式超微粉碎機，青島振中粉碎機械廠；Mastersizer MS-2000型衍射散射式激光測粒儀，英國MALVERN公司；LD5-2A離心機，北京醫(yī)用離心機廠；NETZSCH DSC 200 F3型差示掃描量熱儀，德國耐馳；Viskograph-E型BRABENDER連續(xù)黏度計，德國BRABENDER公司；TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro System公司；HZ-9211K型恒溫振蕩器，華利達實驗設(shè)備公司。

1.3 方法

1.3.1 藕淀粉的制備

參考BAIK等[14]的方法。將3種新鮮蓮藕洗凈去皮，切塊粉碎后過濾，靜置12 h，棄去上清液，并用蒸餾水清洗下層沉淀，再靜置6 h，反復(fù)水洗沉淀3次。將沉淀置于60 ℃烘箱中烘干，粉碎后過100目篩，得藕淀粉樣品，編號為1-淀粉、2-淀粉和3-淀粉。

1.3.2 超微全藕粉的制備

參考吳衛(wèi)國等[13]的方法并加以改進。將洗凈的新鮮蓮藕去皮后在60 ℃的護色劑(蘋果酸0.25%，檸檬酸0.15%，抗壞血酸0.15%，L-半胱氨酸0.15%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))中浸泡15 min，取出，切成2 ～ 3 mm的薄片，平鋪于70 ℃熱風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥8 h(控制水分含量在8%左右)后取出，于粉碎機中粗粉碎后再超微粉碎30 min，分別過100、200和300目樣品篩，得到不同粒徑的超微全藕粉樣品，編號為1-100、1-200、1-300、2-100、2-200、2-300、3-100、3-200、3-300。

1.3.3 粒徑分布測定

參考ZHANG等[15]的方法，采用激光粒徑測定法測定各組粉末的粒徑分布。

1.3.4 淀粉熱特性測定

參考OCLOO等[16]方法，采用差示掃描量熱儀法(differential scanning calorimetry，DSC)。稱取10.0 mg左右樣品于鋁盤中，加入蒸餾水使樣品達到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，將樣品密封并在室溫下平衡水分1 h，放入DSC測試儀中檢測，樣品盤以10 ℃/min的速率從40 ℃加熱至100 ℃。

1.3.5 溶解度和膨脹度測定

稱取用105 ℃干燥箱烘干至恒質(zhì)量的1 g淀粉樣品，置于離心管中配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉乳，95 ℃水浴加熱下攪拌30 min，冷卻后3 000 r/min下離心20 min，吸取上層清液水浴蒸干，烘干(105 ℃烘至恒重)后稱量，即溶解度為上清液淀粉干燥后質(zhì)量與淀粉干質(zhì)量之比；稱量離心管中沉淀的重量，即膨脹率為沉淀物與淀粉干質(zhì)量之比。

1.3.6 凍融穩(wěn)定性測定

以質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的濃度配制蓮藕淀粉乳，沸水浴加熱30 min后，冷卻至室溫。稱取一定量的淀粉糊于離心管中，放置于-20 ℃冰箱中冷凍24 h后取出，自然解凍后3 000 r/min下離心20 min，棄去上層清液，稱取沉淀物質(zhì)量，以成型情況和析水率為淀粉糊凍融穩(wěn)定性的評價指標(biāo)。其中，析水率/%=(淀粉糊質(zhì)量-沉淀物質(zhì)量)/淀粉糊質(zhì)量×100。

1.3.7 酶解率測定

參考并修改弓志青等[17]的方法。稱取1.0 g樣品(W)置于30 mL磷酸緩沖液(0.2 mol/L、pH 6.9)中，沸水浴加熱30 min。待其冷卻到25 ℃后加入320 IU的α-淀粉酶，于30 ℃條件下振蕩酶解14 h，最后加入5 mL 10 g/L的硫酸終止酶解反應(yīng)。4 000 r/min下離心10 min，用80%乙醇洗脫未被酶解的產(chǎn)物，再次離心后，于80 ℃烘箱內(nèi)將沉淀物干燥至恒重(P)。以每個樣品在不加酶的條件下做相同操作為空白，校正可溶性糖(A)的含量。淀粉酶解率表示為酶解后淀粉減重率，即:

(1)

1.3.8 BRABENDER糊化黏度曲線的測定

參考RUTKAITE、黃立新等[18-19]的方法并加以修改。稱取一定量樣品，加420 mL蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%淀粉乳，倒入測量筒中，75 r/min攪拌均勻，從35 ℃開始以1.5 ℃/min的速度加熱到95℃后保持30 min，再以1.5 ℃/min的速度冷卻至50 ℃后保持30 min，結(jié)束測定。

1.3.9 凝膠機械性質(zhì)測定

由前期預(yù)實驗可得，藕淀粉在較低的濃度下即可形成較好的凝膠，而超微全藕粉須在較高的濃度下才能形成較好的凝膠。因此，在研究濃度對凝膠性能影響時，設(shè)定藕淀粉的濃度梯度為6%～10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，超微全藕粉的濃度梯度為11%～15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。參考呂振磊等[20]的方法，稍作修改。用藕淀粉分別配制為質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%，7%，8%，9%，10%濃度的淀粉乳，超微全藕粉配制為質(zhì)量分?jǐn)?shù)11%，12%，13%，14%，15%濃度的全粉乳，攪拌均勻后在沸水浴中加熱糊化30 min，取出冷卻至室溫后密封，4 ℃冰箱中冷藏。24 h后采用TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀對樣品凝膠質(zhì)地進行測定，利用其自帶的數(shù)據(jù)處理軟件texture profile analysis(TPA)分析數(shù)據(jù)。測定條件：TPA模式，P/5探頭，觸發(fā)力5 g；距離：15 mm；測前速度：5.00 mm/s；測試速度：1.00 mm/s；測后速度：5.00 mm/s。每個樣品重復(fù)測定12次，結(jié)果取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗除特殊說明外，所有樣品均進行3次平行測定，結(jié)果取3次測定平均值，采用Excel 2010和Origin 9.0分析軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 藕淀粉和超微全藕粉的粒徑分布

淀粉顆粒的大小和形狀的差異可能源于其品種的生物學(xué)差異[21]，一般用顆粒的長軸長度來表示淀粉顆粒大小。由表1可知，1號、2號、3號藕淀粉的平均粒徑分別為44.568 μm、39.674 μm、43.409 μm，其中2號藕淀粉顆粒粒徑相對較小，1號和3號藕淀粉顆粒粒徑分布相近。同一品種超微全藕粉顆粒的粒徑分布比藕淀粉寬，藕淀粉的平均粒徑顯著低于100目超微全藕粉，高于200目和300目超微全藕粉，且隨著目數(shù)的增大，超微全藕粉粒徑分布更均勻，這是因為超微粉碎處理破壞了全藕粉的顆粒結(jié)構(gòu)，顆粒粒徑顯著降低。對于顆粒粒徑來說，粒徑分布越均勻，顆粒的理化性質(zhì)越接近。因此，在食品加工中對全藕粉采用超微粉碎處理，可以改善添加全藕粉的粗糙感。

2.2 藕淀粉和超微全藕粉的熱特性分析

糊化是淀粉應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，淀粉在水中通過加熱提供足夠的能量，結(jié)晶膠束區(qū)較弱的氫鍵被破壞，顆粒開始吸水膨脹，結(jié)晶“溶解”，大部分直鏈淀粉溶解到溶液中，淀粉粒解體，從而完成糊化形成黏稠的糊狀物[22]。由表2可知，1號、2號、3號藕淀粉的糊化溫度分別為62.4、61.1、63.9 ℃，低于同品種超微全藕粉的糊化溫度；對于同一品種的超微全藕粉，粒徑越細，顆粒的糊化溫度越低，糊化結(jié)束的溫度也越低。這可能是由于超微全藕粉含有蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)，與淀粉相互作用形成復(fù)合物，使淀粉的膨脹力下降，糊化溫度升高。同樣可以看出藕淀粉糊化所需吸收的熱量明顯高于同品種超微全藕粉，這是因為超微粉碎使淀粉顆粒結(jié)構(gòu)變得松散、晶體結(jié)構(gòu)被破壞程度更大[23]，水分子滲入到顆粒內(nèi)部藕淀粉使顆粒溶脹變得容易，淀粉分子有序化程度降低，說明藕粉的超微粉碎處理為水分子的進入提供了良好的條件，使全藕粉的熱特性得以提升。

表1 藕淀粉和超微全藕粉顆粒的平均粒徑分布單位：μm

注：D0.1表示粒徑小于該直徑的顆粒占10%；D0.5表示樣品中大于該粒徑和小于該粒徑的顆粒各占50%；D0.9表示粒徑小于該直徑的顆粒占90%；D表示顆粒的平均粒徑。

表2 藕淀粉和超微全藕粉的熱特性值Table 2 Lotus root starch and super-fine whole lotus root stzrch thermal properties value

注：表中同一列數(shù)據(jù)的上標(biāo)中，不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，相同小寫字母表示差異不顯著(p>0.05)，表3和表4同。

2.3 藕淀粉和超微全藕粉的溶解度和膨脹度分析

淀粉的溶解度和膨脹度與淀粉食品的工藝學(xué)特性密切相關(guān)，其大小與淀粉粒的大小、形態(tài)及分子質(zhì)量等有關(guān)，反映了淀粉的水和能力[24]。

由圖1可知，隨著溫度的升高，藕淀粉和超微全藕粉的溶解度逐漸增加。淀粉分子在常溫下很難溶于水，但溫度升高時，淀粉分子內(nèi)部的氫鍵被切斷，晶體結(jié)構(gòu)被破壞，水分子逐步從顆粒表面擴散到分子內(nèi)部，溶解度升高。在相同溫度下，超微全藕粉的溶解度顯著高于藕淀粉；隨著顆粒粒徑減小，超微全藕粉的溶解度逐漸提升。這是由于全藕粉經(jīng)超微粉碎后，顆粒結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，表面積和空隙率的增加使水更容易接近，溶解度增加[6]；同時全藕粉還含有大量水溶性蛋白質(zhì)，多糖及礦物質(zhì)等物質(zhì)，所以溶解度顯著增加。隨著顆粒粒徑減小，超微全藕粉的比表面積增加，使全藕粉的溶解性、分散性增加[25]。因此，經(jīng)超微粉碎處理的全藕粉有良好的溶解性，適于生產(chǎn)速溶、方便食品。

圖1 溫度對藕淀粉和超微全藕粉溶解度的影響Fig.1 Effect of temperature on the solubility of lotus root starch and super-fine whole lotus root starch

由不同溫度梯度藕淀粉和超微全藕粉的膨脹度測定結(jié)果(圖2)可知，隨著溫度的升高，藕淀粉和超微全藕粉的膨脹度增加。主要是因為隨著溫度的升高，淀粉顆粒吸水性增強，體積膨脹。相同溫度下，超微全藕粉的膨脹度高于藕淀粉，這可能是因為全藕粉含有蛋白質(zhì)、膳食纖維等物質(zhì)，吸水性增強，膨脹度增加。同時超微粉碎過程中的機械力作用使淀粉的晶格結(jié)構(gòu)被破壞，促進了水分子和淀粉分子游離羥基的結(jié)合，其溶解度與膨脹度增加；淀粉顆粒粒徑越小，遇水易發(fā)生團聚，導(dǎo)致水分子不易進入團粒核心，膨脹度降低[26]。由圖2還可以看出，不同品種藕淀粉的溶解度和膨脹度存在差異，在95 ℃時，1號、2號、3號藕淀粉的溶解度分別為3.2%、3.37%、2.58%，其膨脹度分別為31.3%、21.9%、32.5%，其中2號藕淀粉的溶解度最大，膨脹度最低，這可能與其直鏈淀粉含量最高有關(guān)。

圖2 溫度對藕淀粉和超微全藕粉膨脹度的影響Fig.2 Effect of temperature on the swelling ratio of lotus root starch and super-fine whole lotus root starch

2.4 藕淀粉和超微全藕粉的凍融穩(wěn)定性

淀粉的凍融穩(wěn)定性可以用析水率來反映，析水率越低，表明淀粉的凍融穩(wěn)定性越好，反之越差。由表3可知，藕淀粉的析水率明顯低于同品種超微全藕粉的析水率，即超微全藕粉的凍融穩(wěn)定性遠低于藕淀粉，且從外觀看，藕淀粉凝膠較硬，超微全藕粉凝膠較軟?？赡苁怯捎谠诶洳仄陂g，超微粉的淀粉分子由于顆粒結(jié)構(gòu)的破壞而易于取向排列，形成氫鍵，使結(jié)合水游離，淀粉糊的持水能力和抗冷凍能力降低[27]。此外，由表3還可知，隨著超微全藕粉粒徑的減小，淀粉糊的析水率逐漸增大。這說明超微粉碎處理降低了全藕粉的凍融持水能力，其抗冷凍能力減弱，低溫穩(wěn)定性較差，不宜用做冷凍及冷藏食品的原料或配料。

2.5 藕淀粉和超微全藕粉的α-淀粉酶酶解率

淀粉酶解率取決于淀粉本身固有的特性如粒徑、結(jié)構(gòu)、表面特性以及非淀粉成分與淀粉間的相互作用等因素[27]。由表3可以看出，同一品種的藕淀粉其α-淀粉酶酶解率顯著高于超微全藕粉，即超微全藕粉的抗α-淀粉酶酶解率較好，這可能是因為全藕粉含有較多α-淀粉酶不能水解的蛋白質(zhì)、膳食纖維等物質(zhì)，其淀粉含量相對低于藕淀粉。不同粒徑大小的超微全藕粉其α-淀粉酶酶解率隨著粒徑的減小而降低?？赡苁怯捎谌悍墼诔⒎鬯檫^程中，部分淀粉的結(jié)晶性被破壞，損傷淀粉增加，淀粉的持水力和膨脹度下降，酶與底物的接觸機會減小，酶解率下降[17,28]。

表3 藕淀粉和超微全藕粉的凍融穩(wěn)定性和α-淀粉酶酶解率Table 3 Lotus root starch and super-fine whole lotusroot starch freeze-thaw stability and α-amylasehydrolysis rate

此外，不同品種藕粉的酶解率也不同，3號淀粉的酶解率最高，1號淀粉的酶解率最低。

2.6 藕淀粉和超微全藕粉的BRABENDER黏度分析

不同品種藕淀粉的糊化起始溫度、峰值黏度等特征值見表4。由表4可以看出，藕淀粉的糊化溫度低于同品種超微全藕粉；超微全藕粉的糊化溫度和峰值溫度都隨著淀粉粒徑的減小而降低，這和DSC測定的結(jié)果一致。藕淀粉在各個關(guān)鍵點的黏度值均高于超微全藕粉，這可能是因為超微粉碎過程中的機械力作用使淀粉分子結(jié)構(gòu)被破壞，小分子數(shù)量顯著增加，對流動產(chǎn)生的黏性阻力增加，表觀黏度顯著降低[29]。全藕粉經(jīng)超微化處理后，淀粉顆粒幾乎不表現(xiàn)其溶脹性，使得淀粉溶液中的自由水分充足，黏度值很低，因此黏度的變化小，無顯著差異。其中100目超微粉在各個關(guān)鍵點的黏度值高于200目和300目的超微粉，200和300目超微粉的黏度值差異不明顯。

表4 藕淀粉和超微全藕粉的布拉班德黏度數(shù)據(jù)Table 4 Lotus root starch and super-fine whole lotus root starch Brabender viscosity data

降落值是峰值勁度與保持勁度的差值，反映淀粉顆粒的崩解程度及黏度的熱穩(wěn)定性；淀粉的降落值越小，熱糊穩(wěn)定性越好。回升值反映了淀粉糊冷卻時形成凝膠性的強弱以及淀粉糊的冷穩(wěn)定性；回升值越小，表明淀粉糊的抗老化性能較好。由表2可以看出，藕淀粉的熱穩(wěn)定性和抗老化性能都顯著低于超微全藕粉，這是因為超微粉碎破壞了全藕粉的顆粒結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒粒徑減小，導(dǎo)致淀粉糊凝沉現(xiàn)象的發(fā)生，提升了超微粉的凝膠性能[30]。隨著超微粉粒徑的減小，淀粉糊的熱糊穩(wěn)定性與抗老化性能變好。由于200目和300目超微粉的顆粒結(jié)構(gòu)幾乎全被破壞，其淀粉糊黏度變化相對穩(wěn)定，小于相對較完整的100目超微粉。不同品種藕粉的降落值按下列順序依次降低：1號淀粉>2號淀粉>3號淀粉；回升值按下列順序依次降低：3號淀粉>2號淀粉>1號淀粉。超微粉淀粉糊的黏度雖低于藕淀粉，但穩(wěn)定性較好，因此，在食品加工中添加超微全藕粉不會影響產(chǎn)品的貯藏穩(wěn)定性。

2.7 藕淀粉和超微全藕粉的凝膠特性

凝膠主要是淀粉糊化后從淀粉粒中滲析出來的直鏈淀粉分子的纏繞和有序化[31]，淀粉糊化后所形成凝膠的彈性、強度等特性對淀粉食品的口感及凝膠體加工、成型性能等都有較大影響。

淀粉糊的凝膠強度是由淀粉降解引起的，表現(xiàn)為脫水收縮和支鏈淀粉的結(jié)晶[32]。由圖3可知，隨著藕淀粉和超微全藕粉凝膠濃度的增加，凝膠強度逐漸增加，因為凝膠濃度增加的同時增加了淀粉分子淀粉鏈之間交聯(lián)作用，形成局部緊密積聚狀的不溶于水的非結(jié)晶狀凝膠[33]，凝膠強度增強。3個品種的超微全藕粉與藕淀粉相比較，均須在較高的濃度下才能形成較好的凝膠，且隨著全藕粉粒徑的減小，凝膠強度變差。這是由于全藕粉受到超微粉碎的機械力作用，顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，從而導(dǎo)致淀粉糊的凝膠質(zhì)地疏松，硬度、強度弱。此外，200和300目超微粉的淀粉顆粒被嚴(yán)重破壞，顆粒粒徑較小，兩者之間的凝膠強度差異不顯著(p<0.05)。

圖3 藕淀粉和超微全藕粉的凝膠濃度對其凝膠強度的影響Figure 3 Lotus root starch and super-fine whole lotus root starch gel concentration on the gel strength

由圖4可得，隨著藕淀粉和不同粒徑超微全藕粉凝膠濃度的增加，其凝膠彈性緩慢增加。這是因為凝膠濃度的增加，增加了凝膠體系的有效交聯(lián)數(shù)目，凝膠彈性增加。隨著超微全藕粉粒徑的減小，其凝膠彈性變差，這可能是因為全藕粉在超微粉碎后，晶體結(jié)構(gòu)改變，分子交聯(lián)松散，使得形成的凝膠彈性降低。3個品種的藕淀粉和超微全藕粉的凝膠強度曲線、凝膠彈性變化曲線相似，凝膠濃度相同時，2號淀粉的凝膠強度、凝膠彈性最大，3號最小，可能與其直鏈淀粉的含量有關(guān)。

圖4 藕淀粉和超微全藕粉的凝膠濃度對其凝膠彈性的影響Fig.4 Lotus root starch and super-fine whole lotus root starch gel concentration on the gel elastic

3 結(jié)論

(1)相同品種的超微全藕粉和藕淀粉的糊化特性變化趨勢相似，但超微粉碎后的全藕粉顆粒粒徑減小，糊化溫度、溶解性和膨脹度提升，糊化所需要的能量降低，凍融穩(wěn)定性變差；粘度顯著降低、穩(wěn)定性好，在較高濃度11%時才能形成凝膠，且形成的凝膠強度低、彈性好。

(2)隨著超微全藕粉粒徑的減小，顆粒粒徑分布更均勻集中，溶解度提升，膨脹度、凍融穩(wěn)定性和酶解率降低，淀粉糊粘度的熱穩(wěn)定性和冷穩(wěn)定性較好，其中200目和300目超微全藕粉的糊化特性相近。因此，對全藕粉進行適度的超微粉碎后，能顯著降低其顆粒粒徑，改善其糊化特性與加工特性。