7種特色根莖類淀粉的流變與凝膠特性研究

鄒金浩 李 燕 余虹露 郭時(shí)印 蘇小軍,3 李文佳 李清明

(1. 生物質(zhì)醇類燃料湖南省工程實(shí)驗(yàn)室〔湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)〕，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；3. 湖南省植物功能成分利用協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

根莖類作物主要包括甘薯、馬鈴薯、淮山、芋類等。中國(guó)南方根莖類作物資源豐富，擁有馬鋪淮山、江永香芋等國(guó)家地理標(biāo)志產(chǎn)品等極具地方特色的根莖類作物資源[1]。南方根莖類作物由于產(chǎn)量高，效益好，種植面積連年擴(kuò)大，淮山、香芋等根莖類作物主要作為蔬菜或糧菜消費(fèi)，木薯則多用于加工。淀粉是根莖類作物的主要成分，是人們賴以生存的重要能量物質(zhì)。不同品種淀粉的糊化和凝膠性質(zhì)差異較大，淀粉的糊化性質(zhì)和凝膠性質(zhì)與面條[2]、粉條[3]等產(chǎn)品品質(zhì)顯著相關(guān)，其凝膠強(qiáng)度對(duì)淀粉類食品加工、成型性能和淀粉質(zhì)食品的口感、速食性能影響顯著[4]。

淀粉來源與作物生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)淀粉性質(zhì)影響較大，目前對(duì)中國(guó)北方產(chǎn)的淮山等根莖類淀粉結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的研究[5-7]較多，而對(duì)南方產(chǎn)的根莖類淀粉的研究[8-9]主要集中在木薯淀粉，許多針對(duì)根莖類淀粉性質(zhì)的研究報(bào)道多以市售原料為研究對(duì)象，未考慮具體品種、產(chǎn)地的因素對(duì)淀粉性質(zhì)的影響。趙小梅等[10]對(duì)加工型淮山淀粉的糊化和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行了研究，但針對(duì)馬鋪淮山等中國(guó)南方產(chǎn)根莖類作物的淀粉未見報(bào)道。為深入了解中國(guó)南方特色根莖類作物淀粉特性，尋找淮山等根莖類淀粉在加工上的準(zhǔn)確定位，本試驗(yàn)擬以工業(yè)應(yīng)用較廣的木薯品種為參照，運(yùn)用RVA儀、流變儀、質(zhì)構(gòu)儀對(duì)南方特色的馬鋪淮山、雙峰淮山、桂淮2號(hào)、紫腳板薯、江永香芋中淀粉的糊化、流變和凝膠質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)其應(yīng)用潛能，為中國(guó)南方根莖類淀粉的開發(fā)利用提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

材料信息見表1。

表1 7種根莖類淀粉品種及來源

1.1.2 主要儀器設(shè)備

高速多功能粉碎機(jī)：800Y型，永康市鉑歐五金制品有限公司；

快速黏度分析儀：RVA-S/N2112681型，瑞典perten儀器有限公司；

旋轉(zhuǎn)流變儀：Kinexus pro+型，英國(guó)馬爾文儀器公司；

物性測(cè)定儀：TA.XT.plus型，英國(guó)Stable Micro Systems公司；

分析天平：BS224S型，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；

電子天平：TP-1200A型，湘儀天平儀器設(shè)備有限公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH-6型，常州澳華儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 淀粉的提取 參照Li等[11]的方法用水提法提取。

1.2.2 樣品的制備 準(zhǔn)確稱取7種根莖類淀粉，于燒杯中加入去離子水混合，配制成0.1 g/mL的淀粉懸浮液，攪拌均勻后在95 ℃水浴鍋中加熱糊化15 min。

1.2.3 淀粉糊化性質(zhì)的測(cè)定 準(zhǔn)確稱取(3.00±0.01) g的淀粉樣品放入快速黏度計(jì)專用鋁盒中，準(zhǔn)確量取25.0 mL 蒸餾水加入鋁盒中，將攪拌器置于鋁盒中上下快速攪動(dòng)，使樣品均勻，再置于快速黏度分析儀中。采用GB 24853—2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測(cè)定 快速黏度儀法》標(biāo)準(zhǔn)程序1的溫度模式，即RVA初始溫度為50 ℃，保持1 min，然后以12 ℃/min 升高至95 ℃，保持2.5 min，再以12 ℃/min降至50 ℃，保持2 min，根據(jù)RVA的曲線，分別獲得峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、回生值、崩解值、糊化溫度和峰值時(shí)間。

1.2.4 淀粉動(dòng)態(tài)流變特性的測(cè)定 取1.2.2中的淀粉糊，置于流變儀測(cè)定平臺(tái)，采用平板—平板測(cè)量系統(tǒng)，平板直徑為40 mm，平板間距為1 mm，刮去平板外多余樣品，加上蓋板，測(cè)試溫度為25 ℃，頻率變化范圍為0.1～10.0 Hz，測(cè)定樣品的黏彈性。

1.2.5 淀粉凝膠強(qiáng)度的測(cè)定 選用凝膠強(qiáng)度測(cè)試探頭P/0.5圓柱探頭測(cè)定。參數(shù)設(shè)定為：選取Compression模式，測(cè)試速度0.5 m/s，壓縮深度10 mm，凝膠強(qiáng)度值由質(zhì)構(gòu)儀軟件直接讀取。

1.2.6 淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的測(cè)定 將1.2.2中的樣品裝入20 mL注射器中冷卻，在4 ℃條件下冷藏24 h后形成直徑為2 cm的圓柱形凝膠。測(cè)試前將凝膠倒出切成直徑為2 cm、高為1 cm的小圓柱體進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測(cè)定。測(cè)定條件：選取TPA 模式，P/36R型探頭，測(cè)試前速率2.0 mm/s，測(cè)試速率1.0 mm/s，測(cè)試后速率 1.0 mm/s，壓縮程度40%，觸發(fā)力5 g。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉糊化特性

淀粉的糊化特性反映了淀粉的可利用性，南方不同特色根莖類淀粉的糊化特征值見表2。

由表2可知，不同根莖類淀粉的糊化特性存在顯著差異(P<0.05)，各淀粉在69.77～84.37 ℃時(shí)開始糊化，淮山淀粉和香芋淀粉的糊化溫度、峰值時(shí)間均大于木薯淀粉，說明淮山淀粉和香芋淀粉糊化過程中消耗的能量較大，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。糊化溫度的大小受多種因素影響，香芋淀粉糊化溫度高的原因可能與其淀粉顆粒較小有關(guān)，而造成淮山淀粉糊化溫度高的原因可能與其直鏈淀粉含量、結(jié)晶類型有關(guān)，具體原因還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。研究[12]表明，木薯淀粉的糊化溫度為65～72 ℃，峰值時(shí)間在4 min 左右，與本研究結(jié)果一致。

表2 不同品種根莖類淀粉的糊化特性?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

由表2還可知，木薯淀粉的崩解值均大于淮山淀粉和香芋淀粉，高倫江等[4]在研究不同淀粉糊化特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，木薯淀粉崩解值大于紅薯、馬鈴薯淀粉，說明木薯淀粉在根莖類淀粉糊化過程中崩解值較高，黏度下降速度較快，可以獲得柔軟的食品質(zhì)地，所以木薯淀粉可用來制作湯圓、芋圓等產(chǎn)品。

兩種木薯淀粉的糊化溫度差異不顯著(P>0.05)，SC9峰值時(shí)間較長(zhǎng)。各淮山淀粉的糊化溫度、峰值時(shí)間差異明顯(P<0.05)， SFY糊化溫度較高，SYPY峰值時(shí)間較長(zhǎng)?；瓷降矸酆湍臼淼矸燮贩N間的峰值、谷值、最終黏度、回生值、崩解值差異顯著(P<0.05)，其中SC9峰值、谷值、最終黏度、回生值均比SC205高，SC205崩解值比SC9高，MPY有著較高的峰值黏度，SFY有著較高的谷值黏度、最終黏度和回生值，而SYPY在淮山淀粉中有著較高的崩解值。

MPY的峰值、谷值、最終黏度均大于木薯淀粉，淀粉結(jié)合水的能力和糊化后形成凝膠的能力比木薯淀粉強(qiáng)，可用于粉條加工。SFY的回生值最大，說明其淀粉糊冷卻后穩(wěn)定好，凝膠性高，適宜制作方便食品。

2.2 淀粉動(dòng)態(tài)流變特性

動(dòng)態(tài)流變學(xué)可用來測(cè)定不同樣品的黏彈性，與食品的實(shí)際加工特性和質(zhì)量控制直接相關(guān)[13]。彈性模量反映了淀粉糊變形后恢復(fù)原形狀的能力，彈性模量越大，淀粉糊變形后恢復(fù)原形狀的能力越強(qiáng)，淀粉凝膠彈性越強(qiáng)[14]，黏性模量反映了淀粉糊抵抗流動(dòng)的能力，黏性模量越大，越不易流動(dòng)[15-16]。由圖1可以看出，GY2和MPY糊的彈性模量G′較高，SFY的黏性模量G″較高。

損耗角正切值tan δ為損耗模量G′與貯能模量G″的比值。由圖2可以看出，損耗角正切值(tan δ)均<1，淀粉糊彈性模量與黏性模量均隨頻率增加而增加，7種根莖類淀粉均表現(xiàn)為典型的弱凝膠動(dòng)態(tài)流變學(xué)譜圖。

2.3 淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性分析

2.3.1 淀粉凝膠強(qiáng)度分析 淀粉凝膠強(qiáng)度反映了淀粉糊化形成凝膠后的穩(wěn)定性，不同特色根莖類淀粉凝膠強(qiáng)度特征值見表3。

由表3知，不同品種根莖類淀粉凝膠強(qiáng)度差異明顯(P<0.05)，淮山淀粉(SYPY、GY2和MPY)凝膠強(qiáng)度、壓縮功、黏度和黏附功均顯著高于木薯淀粉和香芋淀粉，說明淮山淀粉凝膠分子間作用力大，在根莖類淀粉中有著凝膠結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的特點(diǎn)。

圖1 不同根莖類淀粉糊彈性模量G′及黏性模量G″隨頻率變化曲線

淀粉類凝膠食品一般具有一定的凝膠強(qiáng)度，這與淀粉的凝膠特性相關(guān)，淀粉凝膠強(qiáng)度對(duì)淀粉類凝膠食品的口感、穩(wěn)定性，食用性有很大的影響[17-18]。從表3可以看出，SYPY和MPY凝膠強(qiáng)度較大，分別為347.65，345.14 g，JYT凝膠強(qiáng)度最小，僅為48.59 g，所以SYPY和MPY適合制成具有一定強(qiáng)度的粉皮、涼粉。淀粉凝膠的黏度和黏附功直接影響到產(chǎn)品加工過程的黏著性，是影響加工性能的重要因素。表3結(jié)果顯示，GY2、SYPY、MPY凝膠的黏度和黏附功較大，說明其凝膠具有較高的黏稠性和堅(jiān)實(shí)性，在加工過程中應(yīng)該注意避免其黏著性過強(qiáng)，影響產(chǎn)品的成型以及設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖2 不同根莖類淀粉損耗角正切tan δ隨頻率變化曲線

Figure 2 Variation curves of different root crop starches loss tangent angle patterns with frequency

2.3.2 淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性分析 淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)特性各指標(biāo)參數(shù)見表4。

表3 不同根莖類淀粉凝膠特性?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

表4 不同品種根莖類淀粉的凝膠質(zhì)構(gòu)特性?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

由表4知，不同品種的根莖類淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性差異明顯(P<0.05)。硬度代表樣品變形所需要的力，膠黏性代表將半固體樣品破裂成吞咽時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)所需的能量，咀嚼性代表將固體樣品咀嚼為能夠吞咽狀態(tài)所需的能量[19]。黏附性大小反映了淀粉的老化程度[20]，彈性和內(nèi)聚性反映了淀粉凝膠內(nèi)部的緊密性，回復(fù)性代表凝膠受外力后所回復(fù)原來形狀的能力，黏附性代表樣品表面和其他物質(zhì)黏附時(shí)，剝離它們所需要的力。從表4可以看出，淮山淀粉凝膠硬度、膠黏性大于木薯淀粉和香芋淀粉，可能與各淀粉中直鏈淀粉含量有關(guān)[21]28-31。香芋淀粉和木薯淀粉凝膠硬度、膠黏性、咀嚼性差異不明顯(P>0.05)。木薯淀粉凝膠彈性、內(nèi)聚性均大于淮山淀粉和香芋淀粉。香芋淀粉凝膠黏附性小于淮山淀粉，說明香芋淀粉老化程度較大?；瓷降矸?SFY、GY2、SYPY)和香芋淀粉凝膠回復(fù)性均小于木薯淀粉，說明木薯淀粉凝膠抗壓力能力較強(qiáng)，淀粉凝膠內(nèi)部結(jié)合較緊密。黃峻榕等[22]研究表明，木薯淀粉凝膠硬度在5%，10%淀粉濃度條件下為34.5，96.6 g，且小于馬鈴薯、紅薯淀粉，本試驗(yàn)?zāi)臼淼矸勰z硬度分別為42.56，42.94 g，與其結(jié)果相近。

各淮山淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性差異明顯(P<0.05)，且MPY硬度、彈性、內(nèi)聚性、膠黏性、咀嚼性、回復(fù)性較大，SYPY黏附性較大。兩種木薯淀粉凝膠強(qiáng)度、彈性、膠黏性、咀嚼性、回復(fù)性無顯著差異(P>0.05)。SC9凝膠內(nèi)聚性比SC205大，且差異明顯(P<0.05)。

從表4可以看出，MPY凝膠硬度，彈性、膠黏性，咀嚼性、回復(fù)性最大，可作為一種凝膠劑，適用于凝膠糖果的制作上。SYPY凝膠的黏附性最大，而JYT的凝膠硬度，膠黏性，咀嚼性最小。一般而言，直鏈淀粉含量越高，分子相互間交連和纏繞的程度就越高，凝膠硬度也就越大[23]，推斷這7種根莖類淀粉中MPY直鏈淀粉含量最大，JYT直鏈淀粉含量最小。直鏈淀粉含量高的淀粉容易成膜[24-25]，由此可以推斷MPY有可成為可食用薄膜原料的潛力。

2.4 淀粉糊化與質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)的相關(guān)性分析

淀粉糊化與凝膠質(zhì)構(gòu)特性決定了淀粉凝膠類食品的力學(xué)味覺或流變學(xué)味覺，二者均反映了淀粉凝膠的力學(xué)性能。從表5可以看出，不同品種根莖類淀粉糊化與質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)之間具有一定的相關(guān)性，不同品種根莖類淀粉峰值時(shí)間與黏附性顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明從淀粉糊化測(cè)試開始到達(dá)到峰值黏度需要的時(shí)間越長(zhǎng)，冷卻回生后形成的淀粉凝膠的黏附性就越大，可能與直鏈淀粉和支鏈淀粉數(shù)量的比值有關(guān)。直鏈淀粉含量高的淀粉糊化需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，且直鏈淀粉含量高，在形成凝膠的過程中直鏈淀粉聚集程度就高，加快了淀粉糊的回生速率，同時(shí)會(huì)有更多的水從淀粉糊中析出，從而形成硬度、黏附性、膠黏性大的凝膠[21]37-39。不同品種根莖類淀粉峰值時(shí)間與彈性顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，說明峰值時(shí)間越長(zhǎng)，形成的淀粉凝膠的彈性就越小。

表5 根莖類淀粉糊化與凝膠質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)的相關(guān)性分析?

? *表示顯著(P<0.05)。

3 結(jié)論

不同根莖類作物間淀粉的糊化與凝膠質(zhì)構(gòu)特性存在較大差異，淮山淀粉有著糊化溫度高，峰值時(shí)間長(zhǎng)，凝膠強(qiáng)度、硬度大的特點(diǎn)，適合粉條等食品的加工應(yīng)用。木薯淀粉有著糊化溫度低，峰值時(shí)間短，崩解值大，凝膠彈性，內(nèi)聚性大的特點(diǎn)，適合湯圓、芋圓等食品的加工應(yīng)用。香芋淀粉有著糊化溫度高，凝膠強(qiáng)度、硬度、膠黏性、咀嚼性小的特點(diǎn)，在食品加工上的應(yīng)用還有待進(jìn)一步討論。不同作物品種間有一定的差異，但差異相對(duì)較小，根據(jù)具體品種的特點(diǎn)，可進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)應(yīng)用，MPY的凝膠硬度，彈性、膠黏性，咀嚼性、回復(fù)性最大，可作為一種凝膠劑，適用于凝膠糖果的制作。SFY的回生值最大，適宜穩(wěn)定性好，凝膠性高的方便食品的制作。7種根莖類淀粉糊均為假塑性流體，且GY2和MPY彈性較大，SYPY黏性較大。淀粉糊化的峰值時(shí)間與淀粉凝膠的黏附性和彈性顯著相關(guān)(P<0.05)，可以通過淀粉糊化的峰值時(shí)間來預(yù)測(cè)淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)的黏附性和彈性。7種根莖淀粉由于來源不同，淀粉性質(zhì)間的差異較大，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)其特性進(jìn)行合理利用。目前淮山淀粉和香芋淀粉的工業(yè)應(yīng)用較少，需進(jìn)一步模擬淀粉加工的條件，進(jìn)行特定產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用研究，系統(tǒng)研究加工性質(zhì)，挖掘其應(yīng)用潛能。