不同鹽離子對豌豆淀粉/低酯果膠復(fù)配體系理化特性的影響

鄭炯，余彬彬，曾瑞琪，張甫生

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶,400715) 2(食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心(西南大學(xué))，重慶，400715)

豌豆是廣泛種植并食用的豆類作物之一，其富含淀粉、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)及維生素等營養(yǎng)成分[1]。淀粉是豌豆的主要成分，與谷薯類淀粉相比，豌豆淀粉(pea starch, PS)的直鏈淀粉含量較高，具有黏度高、凝膠透明度高及強度大的特點[2]，主要被用于制作涼粉、粉絲等。PS也可以用于膜材料的制備，但其理化性能較差[3]。研究表明，親水性膠體與淀粉按適當比例復(fù)配后，能夠明顯改變淀粉糊化和流變等特性，進而改善因淀粉老化引起的感官及質(zhì)地變化[4]，并在食品加工和儲存期間保持產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性[5-7]。

淀粉與親水性膠體復(fù)配體系通常與許多其他成分共存于食品中。其中，鹽離子的類型、濃度及離子價態(tài)的差異對復(fù)配體系會有不同的影響。目前國內(nèi)外學(xué)者就不同因素對淀粉/親水性膠體的影響做了研究，SAMUTSRI等[8]對大米淀粉與親水性膠體共混體系研究發(fā)現(xiàn)，不同種類鹽離子對淀粉/離子型膠體共混體系的糊化、熱力學(xué)及流變特性有顯著影響。HONG等[9]對木薯淀粉/黃原膠體系進行了研究，發(fā)現(xiàn)NaCl能增加淀粉復(fù)配體系的黏度和假塑性。蔡冉旭等[5]研究發(fā)現(xiàn)，鹽的加入提高了馬鈴薯淀粉/黃原膠復(fù)配體系的峰值黏度，降低了稠度及假塑性。這些研究為含鹽的淀粉復(fù)配類食品的研究提供了理論指導(dǎo)。

果膠是一種良好的食品添加劑，具有穩(wěn)定、增稠、膠凝等功能特性。研究表明，果膠能夠延緩或抑制淀粉老化[10]，提高淀粉在冷藏條件下的穩(wěn)定性[11]。因此，將果膠加入淀粉中，可以不同程度地改善淀粉的加工特性。但目前關(guān)于鹽離子對淀粉/果膠復(fù)配體系理化特性的影響還未見報道。因此，本實驗選取PS和低酯果膠(low methoxyl pectin, LMP)為原料，測定復(fù)配體系的流變、質(zhì)構(gòu)、糊化、顯微結(jié)構(gòu)特性，考察不同種類和濃度的鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系理化性質(zhì)的影響，以期為含鹽的淀粉/果膠復(fù)配體系的應(yīng)用提供實驗支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

PS(直鏈淀粉含量44.94%，支鏈淀粉含量55.06%，食品級):成都達恒毛實業(yè)有限公司；LMP(酯化度20%，食品級):廣州鴻易食品添加劑有限公司；NaCl、KCl、CaCl2(分析純):成都市科龍化工試劑廠。

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，常州澳華儀器有限公司；pHS-3C酸度計，成都世紀方舟科技有限公司；RVA-TecMaster快速黏度分析儀，瑞典波通儀器有限公司；BX43生物顯微鏡，日本奧林巴斯株式會社；DHR-1旋轉(zhuǎn)流變儀，美國TA公司；CT3物性測定儀，美國Brookfield公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

根據(jù)前期預(yù)實驗結(jié)果，確定PS/LMP復(fù)配體系質(zhì)量比為8.5∶1.5。準確稱量PS與LMP的質(zhì)量，于燒杯中加入去離子水以及不同摩爾濃度(0.1、0.5、1 mol/L)的鹽溶液(NaCl、CaCl2、KCl)后混合，配制成質(zhì)量濃度為60 g/L的懸浮液(以干基計)。以不添加鹽離子的復(fù)配體系作為對照組，攪拌均勻后在沸水浴中加熱糊化30 min，糊化結(jié)束后取出，冷卻至室溫，樣品用于流變特性及質(zhì)構(gòu)特性的測定。

1.3.2 流變特性的測定

參考張雅媛等[12]的方法并加以改動。取PS/LMP復(fù)配體系樣品，采用平板-平板測量系統(tǒng)：平板直徑40 mm，平板間隙1 mm，上樣平衡時間3 min，刮去平板外多余樣品，加上蓋板。

靜態(tài)剪切流變設(shè)定：溫度25 ℃，剪切速率從0到300 s-1遞增，再從300到0 s-1遞減。本實驗采用Herschel-Bulkley模型對靜態(tài)剪切數(shù)據(jù)點進行回歸擬合，方程見公式(1)：

τ=K(γn)+σ0

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力,Pa；K為稠度系數(shù),Pa·sn；γ為剪切速率,s-1；n為流體指數(shù)；σ0為屈服應(yīng)力,Pa。

動態(tài)黏彈性設(shè)定：溫度25 ℃，掃描應(yīng)變1%，測定振蕩頻率在0.1～10 Hz內(nèi)貯能模量(G′)、損耗模量(G″)、損耗角正切值(tanδ)隨角頻率(0～62.8 rad/s)的變化情況。

1.3.3 質(zhì)構(gòu)特性的測定

采用質(zhì)地剖面分析(texture profile analysis, TPA)進行測定。測定條件：TA5探頭；測試前速度、測試速度、測試后速度均為1.0 mm/s；壓縮程度：40%；觸發(fā)力：5 g。

1.3.4 糊化特性的測定

參考蔡冉旭等[5]的方法并加以改動。準確稱量質(zhì)量比為8.5∶1.5的PS和LMP置于快速黏度分析儀(rapid visco analyzer, RVA)鋁盒中，加入去離子水和不同摩爾濃度(0、0.1、0.5、1 mol/L)的鹽溶液(NaCl、CaCl2、KCl)，配成質(zhì)量濃度為60 g/L的懸浮液(以干基計)，采用RVA標準程序1測定，程序如下：前10 s內(nèi)攪拌速率為960 r/min，后降至160 r/min進行測定。初始溫度50 ℃,保溫1 min，經(jīng)3.7 min升溫至95 ℃，并保溫2.5 min，經(jīng)3.8 min降溫至50 ℃，再保溫2 min。記錄峰值黏度、崩解值、終值黏度、回生值和糊化溫度。

1.3.5 淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的測定

參考周虹先[13]的方法并加以改動。準確稱量PS與LMP的質(zhì)量，于燒杯中加入去離子水以及0.5 mol/L的鹽溶液(NaCl、CaCl2、KCl)后混合，制備質(zhì)量濃度為60 g/L的PS/LMP懸浮液，攪拌均勻后在70 ℃下水浴15 min，冷卻至室溫后，加1～2滴至載玻片上，蓋好蓋玻片，在生物顯微鏡(×400)下觀察并拍攝淀粉顆粒的形態(tài)。

1.4 統(tǒng)計分析

所有試驗均重復(fù)3次，使用Origin 9.1繪制相關(guān)圖表，采用SPSS軟件計算平均值和標準差，運用Duncan法比較平均值之間的差異顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系流變性質(zhì)的影響

2.1.1 靜態(tài)流變特性的測定

圖1為復(fù)配體系分別在NaCl、CaCl2、 KCl溶液中的靜態(tài)剪切變化曲線。PS/LMP復(fù)配體系為典型的非牛頓流體。由圖1可知，隨著剪切速率的逐漸增加，復(fù)配體系的剪切應(yīng)力逐漸增加，且其靜態(tài)流變特性曲線凸向于剪切應(yīng)力軸，表明復(fù)配體系具有假塑性。鹽離子并未改變復(fù)配體系的非牛頓流體特性，但在一定程度上引起了復(fù)配體系抗剪切性能的變化。在相同的剪切速率下，剪切應(yīng)力越高，表明復(fù)配體系具有的抗剪切性能越強，其結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[14]。Na+和K+對復(fù)配體系的剪切性能影響較小，而Ca2+對復(fù)配體系剪切性能的影響較為顯著。在相同的剪切速率下，Ca2+存在時的復(fù)配體系剪切應(yīng)力較對照組明顯增加，且其剪切應(yīng)力隨著Ca2+摩爾濃度的增加而逐漸增大，說明Ca2+在很大程度上提高了復(fù)配體系的剪切穩(wěn)定性，這可能是由于Ca2+能夠在復(fù)配體系老化過程中促進直鏈淀粉的溶出，使得復(fù)配體系形成了較為穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)[15]。

a-NaCl;b-CaCl2;c-KCl；實心點表示上行曲線，空心點表示下行曲線圖1 不同鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系靜態(tài)流變特性的影響

Fig.1 Effectss of different salt ions on the static rheological properties of PS/LMP composite system

表1為不同鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系Herschel-Bulkley的擬合參數(shù)。由表1可知，Na+與K+的濃度對復(fù)配體系的n值影響較小，而Ca2+濃度的升高使n值增加幅度較大。這可能是因為Ca2+的交聯(lián)作用使其與果膠分子鏈、淀粉分子鏈彼此之間的纏結(jié)點增多，從而使樣品的流動阻力增大，體系剪切難度增大，假塑性減弱。與對照組相比，鹽離子使K增大，這是因為溶液中電離出的陰陽離子使樣品的靜電作用力增加，同時具有一定選擇性的金屬離子在溶液中起到分子間的連接作用[16]，從而使體系分子之間的作用力種類和強度增加，導(dǎo)致K值增大，因此鹽離子對復(fù)配體系具有良好的增稠作用。K和n值在Ca2+、K+濃度為0.5 mol/L時均有突變，這可能是由于溶液的正負電荷相等，體系內(nèi)部的作用力處于相對平衡狀態(tài)。Ca2+能更大程度地提高復(fù)配體系的增稠性，樣品K值隨Ca2+濃度的增加而增加，因為二價陽離子比一價陽離子對淀粉的影響更為明顯[5]，而且相比于Na+和K+，Ca2+還能夠與LMP發(fā)生作用，所以Ca2+對復(fù)配體系的影響更強烈。

表1 不同鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系Herschel-Bulkley擬合參數(shù)的影響

2.1.2 動態(tài)流變特性的測定

動態(tài)流變學(xué)可以測定PS/LMP復(fù)配體系的黏彈性，不僅與產(chǎn)品的實際應(yīng)用性能有直接關(guān)系，還能表征PS與LMP之間的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[17-18]。圖2分別是加入NaCl、CaCl2和KCl的PS/LMP復(fù)配體系動態(tài)模量和tanδ隨角頻率變化的曲線圖。所有復(fù)配體系的G′與G″均表現(xiàn)出較強的頻率依賴性[19]。復(fù)配體系的G′均隨著角頻率的增加而增加，當角頻率較低時復(fù)配體系的G′處于較低水平，復(fù)配體系表現(xiàn)出液態(tài)性質(zhì)，而在較高的角頻率作用下，G′升高，復(fù)配體系表現(xiàn)出固態(tài)性質(zhì)，鹽離子的加入并未改變復(fù)配體系的流體特征。

由圖2可知，鹽離子的加入能夠明顯降低復(fù)配體系的G′并且提高tanδ值。圖2-a為加入NaCl后，復(fù)配體系動態(tài)模量隨角頻率的變化曲線。當加入0.1 mol/L的Na+時，復(fù)配體系的G′與對照組相比下降迅速，G′值總體上降低為對照組的一半。當Na+的濃度增加到0.5 mol/L時，G′進一步降低，而當離子濃度增加到1.0 mol/L時，G′又有所回升，但總體上仍低于對照組。復(fù)配體系的G″則一直處于較低水平，在添加Na+前后，復(fù)配體系的G″值的變化較小，在整個測試過程中保持較為平穩(wěn)的狀態(tài)。圖2-c,2-e分別是加入CaCl2和KCl后復(fù)配體系動態(tài)模量隨角頻率的變化曲線，Ca2+和K+對復(fù)配體系動態(tài)模量的影響與Na+的作用相似。

實心點位G′,空心點為G″；a,b-NaCl;c,d-CaCl2;e,f-KCl圖2 不同鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系動態(tài)流變特性的影響

Fig.2 Effects of different salt ions on the dynamic rheological properties of PS/LMP composite system

離子濃度的逐漸增加引起復(fù)配體系G′的先減小后增大，可能是因為鹽離子濃度較低時，陰陽離子主要破壞PS淀粉分子間氫鍵的形成，使淀粉分子伸展和滑動，導(dǎo)致體系彈性性能下降；然而鹽離子對氫鍵的破壞有一定的飽和度，進一步將鹽濃度增加至1 mol/L時，多余的金屬離子中和了LMP分子的負電荷，體系分子間的氫鍵、靜電作用加強[20]，使體系G′值有所升高。王琨等[21]和YOO等[22]研究也發(fā)現(xiàn)Na+可以通過提高交聯(lián)密度促進LMP形成凝膠，同時Ca2+可以通過與羧基形成橋梁增強LMP的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[23]，所以Na+與Ca2+濃度在1 mol/L時,其G′值增大。由于G′下降的幅度較大，而G″一直處于較平穩(wěn)的狀態(tài)，因此復(fù)配體系的tanδ呈現(xiàn)增加的趨勢(圖2-b,2-d,2-f)。與對照組相比，體系表現(xiàn)為黏性比例增加，但鹽離子的類型及濃度大小對黏性比例的影響差別較小。

2.2 不同鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系質(zhì)構(gòu)特性的影響

表2為不同鹽離子條件下PS/LMP復(fù)配體系的質(zhì)構(gòu)參數(shù)。LMP能夠促進PS形成凝膠，淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)特性變化可以表征其老化的程度[13]。由表2可知，鹽離子的加入使得復(fù)配體系質(zhì)構(gòu)特性發(fā)生了較大改變。與對照組相比，3種鹽離子都能在一定程度上增大凝膠體系的硬度，而內(nèi)聚性、彈性、黏著性和咀嚼性的變化規(guī)律則因鹽離子的類型和濃度不同而有所差異。當加入Na+濃度為0.1 mol/L時，復(fù)配體系的硬度與對照組相比增幅較大。當Na+的濃度為0.5 mol/L時，復(fù)配體系的硬度反而降低。隨著Na+的濃度進一步增大，復(fù)配體系的硬度又增加。Ca2+對復(fù)配體系硬度的影響與Na+相似，在Ca2+濃度為0.5 mol/L時，硬度最低，但高于對照組。K+對復(fù)配體系硬度的影響較大，當K+濃度為0.1 mol/L時，復(fù)配體系的硬度幾乎增長為對照組的2倍，隨著K+濃度的逐漸增加，雖然復(fù)配體系的硬度表現(xiàn)出下降的趨勢，但與對照組相比仍處于較高水平，說明K+促進復(fù)配體系老化的程度較大。在相同的摩爾濃度下，不同鹽離子對復(fù)配體系硬度的影響也有一定的差異。當離子濃度為0.1 mol/L時，促進復(fù)配體系老化程度的鹽離子順序為K+>Na+>Ca2+；而當濃度>0.1 mol/L時，促進淀粉老化程度的鹽離子順序則表現(xiàn)為K+>Ca2+>Na+。

表2 不同鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系質(zhì)構(gòu)特性的影響

注：同一列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

彈性和內(nèi)聚性與淀粉凝膠內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，淀粉凝膠抵抗外界破壞的能力隨彈性和內(nèi)聚性的升高而增強。Na+幾乎對復(fù)配體系的內(nèi)聚性沒有影響。0.1 mol/L Ca2+使復(fù)配體系的內(nèi)聚性下降，但當Ca2+濃度增加后，復(fù)配體系的內(nèi)聚性與對照組相近。K+對復(fù)配體系的內(nèi)聚性影響較大，可降低復(fù)配體系的內(nèi)聚性。內(nèi)聚性可以體現(xiàn)淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的緊密程度。Na+和Ca2+對淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的影響較小，因而內(nèi)聚性的變化較小，而K+的添加使淀粉顆粒排列的緊密程度發(fā)生改變，從而導(dǎo)致內(nèi)聚性小于對照組。淀粉凝膠的彈性也可反映其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，鹽離子對復(fù)配體系的彈性影響較小。

黏著性和咀嚼性是淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的綜合反映，能夠表示淀粉凝膠在咀嚼過程中所需用力的大小。與對照組相比，少量的Na+和K+可使復(fù)配體系的黏著性和咀嚼性顯著增加，復(fù)配體系老化的程度加劇。隨著離子濃度的增加，黏著性和咀嚼性的增幅降低。Ca2+對復(fù)配體系黏著性與咀嚼性的影響與Na+和K+有所差異，與對照組相比，隨著Ca2+濃度的增加，黏著性逐漸增加，咀嚼性也有不同程度的增幅。Ca2+能顯著提高淀粉的老化程度，這可能與Ca2+可以促進LMP形成多孔、致密、有序的凝膠結(jié)構(gòu)有關(guān)[24]。

2.3 不同鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系糊化特性的影響

淀粉的糊化特性是其加工過程中的重要理化性質(zhì)之一，淀粉的糊化特性可用糊化過程中的峰值黏度、回生值、糊化溫度等表征。表3為PS/LMP復(fù)配體系的糊化特征值。由表3可知，鹽離子對復(fù)配體系的糊化特性有明顯影響。隨著鹽濃度的增加，復(fù)配體系的峰值黏度、終值黏度和糊化溫度均顯著提高，而回生值則呈降低趨勢，體系的崩解值隨著NaCl和KCl的濃度升高而減小，但CaCl2的濃度升高反而增大了體系的崩解值。

表3 不同鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系糊化特性的影響

糊化過程中的峰值黏度是由于淀粉充分吸水膨脹后，淀粉顆粒間相互摩擦而引起的淀粉糊黏度的增加，其大小可以反映淀粉吸水膨脹的能力。復(fù)配體系峰值黏度均隨著離子濃度的增加而增加，鹽離子可引起復(fù)配體系具有較強的滲透壓，使吸水膨脹的淀粉粒相互摩擦程度加強，且淀粉顆粒滲漏的直鏈淀粉與鹽離子、LMP之間的相互作用增強，增加了復(fù)配體系的連續(xù)相濃度[25]，因此黏度提高。峰值黏度增加的程度還與離子種類有較大的關(guān)系，在相同的離子濃度下，Ca2+的影響明顯大于Na+和K+，這可能是因為Ca2+與LMP中的COO-交聯(lián)構(gòu)成穩(wěn)定的“橋梁”結(jié)構(gòu)[26]，進一步增大了整體黏度，而K+的作用程度又較Na+稍明顯。

崩解值表示峰值黏度與峰谷黏度之差,可以表征淀粉的耐剪切性能,崩解值越大則樣品的耐剪切性越差[27]。從表3中可以看出，Na+在一定程度上可以保護淀粉顆粒不易受剪切力的破壞，提高熱穩(wěn)定性，導(dǎo)致崩解值降低，且隨著Na+濃度的增加，復(fù)配體系的崩解值逐漸降低。低濃度的K+對復(fù)配體系的崩解值影響不大，而隨著K+濃度的增加崩解值有不同程度的下降。與一價離子的作用效果相反，Ca2+大幅增加了復(fù)配體系的崩解值，較大程度地降低了復(fù)配體系的抗剪切性能。這可能是由于Ca2+與LMP的結(jié)合形成了弱凝膠，提高了復(fù)配體系的脆性所致?；厣当硎镜矸酆匣潭龋厣翟酱?，越易老化。鹽離子可以破壞淀粉分子之間的氫鍵，阻止淀粉結(jié)構(gòu)重新有序化排列形成微晶束，從而抑制PS的短期回升。糊化溫度可表征淀粉的熱穩(wěn)定性，淀粉的糊化溫度越高，淀粉越穩(wěn)定。鹽離子可顯著提高復(fù)配體系的糊化溫度(P<0.05)，提升復(fù)配體系的熱穩(wěn)定性。這是因為3種鹽離子均為強電解質(zhì)，溶于水后完全電離，并與體系爭奪水分，使體系水分子自由度降低[1]，從而抑制被LMP包裹的淀粉顆粒吸水膨脹，離子強度越大，糊化越困難，進而導(dǎo)致糊化溫度升高。

2.4 不同鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系顆粒結(jié)構(gòu)的影響

通過生物顯微鏡觀察PS/LMP復(fù)配體系中淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)變化發(fā)現(xiàn)，不同鹽離子對淀粉顆粒結(jié)構(gòu)有較大的影響。圖3-a，3-b，3-c，3-d分別是糊化后的對照組及添加Na+、Ca2+和K+的淀粉顆粒結(jié)構(gòu)圖。糊化后對照組中大部分淀粉顆粒都明顯膨脹，少數(shù)淀粉顆粒基本完全破裂成碎片。而鹽離子的加入似乎抑制了淀粉的糊化，當有鹽離子存在時，淀粉顆粒大多未過度吸水膨脹發(fā)生形變，仍保持原有的腎形。在NaCl、KCl溶液中，淀粉顆粒的直鏈分子多數(shù)都已滲出，只留下最外面不成形的空腔；當Na+存在時，已經(jīng)糊化的淀粉顆粒數(shù)量減少，K+的作用與Na+的作用效果相似，但Ca2+對淀粉糊化的抑制作用更加明顯。由于加入的鹽離子與水分子相互作用，阻礙水分子進入淀粉顆粒的無定形區(qū)；同時鹽離子與淀粉間的靜電作用大于淀粉分子之間的氫鍵作用，保護淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，膨脹度降低[28]。與Na+和K+相比，Ca2+的絡(luò)合作用更強，因此在一定程度上鹽離子能夠抑制PS顆粒的膨脹，增加體系糊化所需的能量，提高糊化溫度，且抑制能力與陽離子的價態(tài)有關(guān)。

a-對照組；b-NaCl;c-CaCl2;d-KCl圖3 不同鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系顆粒結(jié)構(gòu)的影響(×400)

Fig.3 Effects of different salt ions on the granular structures of PS/LMP composite system(×400)

3 結(jié)論

鹽離子對PS/LMP復(fù)配體系的流變、質(zhì)構(gòu)、糊化等理化特性有較大影響，其影響程度在總體上表現(xiàn)為Ca2+>K+>Na+。鹽離子的加入可促進復(fù)配體系的老化，提高其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強復(fù)配體系的抗剪切性能，并在一定程度上增大其黏度。與Na+、K+相比，Ca2+能更大程度地降低復(fù)配體系的G′，增加體系的黏性比例。鹽離子能增加復(fù)配體系的硬度，且其影響程度與鹽離子的種類和濃度有關(guān)。而Ca2+對復(fù)配體系的咀嚼性、黏著性等影響較Na+、K+更為顯著。與對照組相比，鹽離子能提高復(fù)配體系的峰值黏度、終值黏度、糊化溫度，并降低其崩解值。Ca2+能明顯抑制淀粉糊化，為復(fù)配體系起到一定的保護作用。