γ-聚谷氨酸對(duì)小麥淀粉凝膠凍融穩(wěn)定性的影響

謝新華，范逸超，徐超，沈玥，張蓓，邢彩云

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

近年來(lái)速凍面米制品的生產(chǎn)與發(fā)展迅速，湯圓、水餃、饅頭、速凍米飯等產(chǎn)品都有了一定規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。速凍食品在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、銷(xiāo)售的過(guò)程中多次的凍融會(huì)導(dǎo)致食品品質(zhì)的劣變，例如口感變差、失水變硬、蒸煮后表皮破裂、失去彈性[1]。通過(guò)改變凍結(jié)方式、添加多糖、親水膠體、抗凍蛋白、淀粉酶等可以提高淀粉及其制品的凍融穩(wěn)定性。MUADKLAY等[2]研究發(fā)現(xiàn)淀粉凝膠的凍融穩(wěn)定性受親水膠體的添加和冷凍速率的影響，黃原膠對(duì)木薯淀粉的作用比刺槐豆膠、魔芋葡甘聚糖、瓜爾豆膠好，冷凍速率2.3 ℃/min最佳；YAMAZAKI等[3]研究發(fā)現(xiàn)黃麻葉多糖降低了玉米淀粉凝膠的析水率，改善了淀粉凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和流變學(xué)特性。

γ-聚谷氨酸(γ-polyglutamic acid，γ-PGA)是D型谷氨酸或/和L型谷氨酸通過(guò)γ-羧基和α-氨基形成的線性高分子陰離子聚合物[4]，由酰胺鍵連接，鏈之間可形成大量氫鍵，使其具有很好的水溶性、吸水性、保水性、抗凍活性[5]，γ-PGA可生物降解為谷氨酸，對(duì)人體安全無(wú)毒，能廣泛用于食品中。SHIH等[6]研究發(fā)現(xiàn)γ-PGA的抗凍活性隨其相對(duì)分子質(zhì)量的降低而增加，其鹽類(lèi)的抗凍能力Mg2+>Ca2+>Na+>K+；JIA等[7]研究發(fā)現(xiàn)γ-PGA添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.5%、1%、3%的冷凍甜面團(tuán)儲(chǔ)存8周后，制成的面包體積分別增加了6.3%、8.9%、3.3%，γ-PGA增強(qiáng)了冷凍面團(tuán)的抗凍性；宋佳薇等[8]研究發(fā)現(xiàn)低分子質(zhì)量γ-PGA對(duì)冷凍面團(tuán)和面條的可凍結(jié)水含量、儲(chǔ)存模量、損耗模量和硬度影響較明顯，具有更強(qiáng)的抗凍保護(hù)作用。本文通過(guò)差式掃描量熱儀(differential scaning calorimeter,DSC)、低場(chǎng)核磁共振儀(nuclear magnetic resonamce,NMR)、X-射線衍射儀(X-ray diffractometry)、掃描電鏡(scanning dectron microscopy,SEM)來(lái)測(cè)定γ-PGA對(duì)小麥淀粉凍融穩(wěn)定性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥淀粉，封丘雪菊華豐粉業(yè)有限公司；γ-PGA，西安四季生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

RVA 4500 型快速黏度分析儀，瑞典波通儀器公司；DSC 214 型差式掃描量熱儀，德國(guó)耐馳Netzsch公司；Micro MR型低場(chǎng)核磁共振儀，上海紐邁電子科技有限公司；ME 104E/02精密電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司/上海；FD 1005 型真空冷凍干燥機(jī)，上海今友試驗(yàn)設(shè)備有限公司；X'Pert PRO X-射線衍射儀，荷蘭PANalytical公司；QUANTA FEG 250場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，美國(guó)FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

用快速黏度儀制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(以淀粉干基計(jì))的小麥淀粉糊，γ-PGA添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為小麥淀粉的0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%。采用GBT 24853—2010的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行糊化[9]。淀粉凝膠在-18 ℃ 儲(chǔ)存22 h，25 ℃解凍2 h，作為一個(gè)凍融循環(huán)。

1.3.2 抗凍活性的測(cè)定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的γ-PGA溶液，稱取10 μL于DSC坩堝中平衡2 h，蒸餾水為對(duì)照，空坩堝作參比，氮?dú)鉃檩d氣。測(cè)試參數(shù)：降溫至-30 ℃，并在該溫度下保持5 min，以5 ℃/min的速率升溫至30 ℃[10]。每個(gè)樣品3個(gè)平行，記錄凍結(jié)水的融化焓(△Hw)及凍結(jié)溶液的融化焓(△Hγ)。

抗凍活性(AF)計(jì)算公式如式(1)[11]：

(1)

式中：△Hw，凍結(jié)水的融化焓，mJ/mg；△Hγ，凍結(jié)溶液的融化焓，mJ/mg；C，溶液中抗凍劑含量，%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

1.3.3 老化焓值的測(cè)定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%(以淀粉干基計(jì))的小麥淀粉懸浮液，γ-PGA添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為小麥淀粉的0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%，稱取10 μL樣品于DSC坩堝中，室溫下平衡24 h，空坩堝作參比，氮?dú)鉃檩d氣。測(cè)試參數(shù)：20～100 ℃，以10 ℃/min的速率升溫。經(jīng)過(guò)1、3、5、7次凍融循環(huán)后的樣品，在20～120 ℃以相同速率再次進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品3個(gè)平行。并按照公式(2)計(jì)算淀粉凝膠老化率[12]：

(2)

式中：△Hr，老化焓，J/g；△Hg，糊化焓，J/g。

1.3.4 水分狀態(tài)測(cè)定

將1.3.1糊化后的樣品稱取0.5 g，進(jìn)行1、3、5、7次凍融循環(huán)，解凍后用保鮮膜包裹放入核磁管中，置于永久磁場(chǎng)中心位置的射頻線圈中心，進(jìn)行CPMG序列測(cè)定，每個(gè)樣品3個(gè)平行。序列參數(shù)：磁體溫度32 ℃，90°脈沖寬度17 μs，180°脈沖寬度33 μs，模擬增益RG1為20，數(shù)字增益DRG1為3，采樣頻率SW為200 KHz，重復(fù)采樣間隔時(shí)間TW為3 000 ms，累加采樣次數(shù)NS為32，采樣點(diǎn)數(shù)TD為249 014，回波個(gè)數(shù)NECH為5 000[13]。測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)反演。

1.3.5 晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定

將1.3.1制備的樣品，7次凍融循環(huán)后，在-40 ℃ 預(yù)冷凍48 h，真空冷凍干燥，將凍干的樣品粉碎，過(guò)200目篩，取少量樣品進(jìn)行測(cè)定。另外，測(cè)定原小麥淀粉的晶體結(jié)構(gòu)。測(cè)試參數(shù)：管壓40 kV，管流30 mA， 掃描方式為連續(xù)，掃描范圍5～40°(2θ)，掃描速度2°/min。用MDI Jade 6.0軟件分析衍射圖譜，按照公式(3)計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度[14]。

(3)

式中：Xc，相對(duì)結(jié)晶度，%；Ac，結(jié)晶區(qū)面積；Aa，非結(jié)晶區(qū)面積。

1.3.6 微觀結(jié)構(gòu)觀察

將1.3.1制備的樣品，7次凍融循環(huán)后，在-40 ℃預(yù)冷凍48 h，真空冷凍干燥。掰取一小部分樣品，固定在雙面導(dǎo)電膠上，噴金30 s后，掃描觀察其微觀結(jié)構(gòu)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用Origin 2017軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 γ-PGA的抗凍活性

由圖1可知，γ-PGA凍結(jié)液融化起始溫度為-1 ℃，蒸餾水凍結(jié)液為-0.5 ℃，峰值溫度比蒸餾水低，γ-PGA 凍結(jié)液融化焓為323.2 J/g，蒸餾水凍結(jié)液為341.7 J/g，融化焓顯著降低。由公式(1)計(jì)算得γ-PGA抗凍活性(AF)為6.17，抗凍活性明顯，可能是因?yàn)棣?PGA的親水基團(tuán)與水分子形成氫鍵，阻止部分水分子形成冰晶，明顯抑制了水分子在凍結(jié)時(shí)結(jié)晶，降低凍結(jié)液的融化焓[15]。

圖1 凍結(jié)水和凍結(jié)γ-PGA的DSC曲線Fig.1 The DSC curve of frozen water and frozen γ-PGA

2.2 γ-PGA對(duì)小麥淀粉老化焓值及老化率的影響

由表1、圖2可知，經(jīng)過(guò)1、3、5、7次凍融循環(huán)后，小麥淀粉凝膠的老化焓、老化率隨凍融次數(shù)的增加而增加，添加γ-PGA后老化焓值、老化率均降低，且隨添加量增加而降低更明顯，說(shuō)明γ-PGA延緩了小麥淀粉的老化，添加量為0.7%時(shí)效果最佳。在老化焓的測(cè)定中出現(xiàn)了兩個(gè)峰，峰Ⅰ在45～60 ℃，為支鏈淀粉分子重結(jié)晶的熔融峰[16]；峰Ⅱ在100～115 ℃，為γ-PGA- 淀粉體系的熔融峰[17]。γ-PGA分子鏈上的羥基與淀粉分子結(jié)合，阻礙淀粉分子通過(guò)氫鍵締合，減少直鏈淀粉滲出[18]，可以抑制淀粉的重結(jié)晶，延緩淀粉凝膠的老化，增加小麥淀粉的凍融穩(wěn)定性。

表1 γ-PGA對(duì)不同凍融次數(shù)小麥淀粉凝膠老化焓的影響 單位：J/g

注：同列數(shù)值上標(biāo)的字母不相同表示存在顯著性差異(P<0.05)，相同表示不存在顯著性差異(P>0.05)，下同。

圖2 γ-PGA-小麥淀粉老化率Fig.2 The aging rate of γ-PGA-wheat starch

2.3 γ-PGA對(duì)小麥淀粉凝膠水分遷移的影響

由圖3可知，凍融后的小麥淀粉水分子橫向弛豫時(shí)間圖譜中有3個(gè)峰，表明水分子有3種存在方式，其中T21為深結(jié)合水，T22為弱結(jié)合水，T23為自由水，添加γ-PGA后T21、T22、T23的弛豫時(shí)間基本都變短，水分結(jié)合緊密，不易遷移[19]。由表2、表3可知，未經(jīng)過(guò)凍融的小麥淀粉凝膠，添加γ-PGA后深結(jié)合水比例先增加后降低，弱結(jié)合水比例降低。凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增加，小麥淀粉凝膠的深結(jié)合水比例降低，弱結(jié)合水比例增加，水分子遷移使淀粉分子聚集，形成淀粉晶核，導(dǎo)致淀粉分子重結(jié)晶[20]；添加γ-PGA后，深結(jié)合水比例隨添加量的增加而增加，弱結(jié)合水比例隨添加量的增加而降低，抑制深結(jié)合水向弱結(jié)合水轉(zhuǎn)化[21]，添加量為0.7%時(shí)效果最好。γ-PGA的親水性羧基通過(guò)氫鍵與淀粉分子交聯(lián)，增加深層結(jié)合水相對(duì)含量，減少冰晶的形成[22]，增加小麥淀粉凝膠的凍融穩(wěn)定性。

圖3 7次凍融循環(huán)水分子橫向弛豫時(shí)間Fig.3 The lateral relaxation time of water molecules after 7 freeze-thaw cycles

表2 凍融過(guò)程深結(jié)合水比例變化 單位：%

表3 凍融過(guò)程弱結(jié)合水比例變化 單位：%

2.4 γ-PGA對(duì)小麥淀粉凝膠晶體結(jié)構(gòu)的影響

由圖4可知，經(jīng)過(guò)7次凍融循環(huán)的小麥淀粉在2θ為17°、20°附近時(shí)出現(xiàn)2個(gè)結(jié)晶峰，為B型和V型結(jié)晶[23]，B型結(jié)晶主要是淀粉凝膠老化造成的，V型結(jié)晶是γ-PGA與小麥淀粉復(fù)合物老化造成的[24]，17°出現(xiàn)的結(jié)晶峰說(shuō)明直鏈淀粉出現(xiàn)重結(jié)晶。相對(duì)結(jié)晶度隨γ-PGA添加量的增加而降低，添加γ-PGA添加量為0.7%時(shí)降低了3.55%，效果明顯。這是因?yàn)棣?PGA 與淀粉分子形成氫鍵，阻礙了淀粉分子間氫鍵的形成，抑制了小麥淀粉的重結(jié)晶[25]，增加了凍融穩(wěn)定性。

圖4 7次凍融循環(huán)的X-射線衍射圖譜Fig.4 The X-ray diffraction pattern after 7 freeze-thaw cycles

2.5 γ-PGA對(duì)小麥淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖5觀察到，經(jīng)過(guò)7次凍融循環(huán)后淀粉凝膠的孔洞變大、不均勻、淀粉基質(zhì)變的疏松，主要是熱能波動(dòng)、水分遷移、結(jié)冰膨脹壓和滲透壓破壞了淀粉凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)[26]，添加γ-PGA后小麥淀粉凝膠孔洞逐漸變小、變均勻、更緊密，當(dāng)添加量為0.7%時(shí)效果明顯。這是因?yàn)棣?PGA黏度較大，在水溶液中產(chǎn)生的滲透壓阻止淀粉顆粒充分溶脹，使淀粉相體積減少[27]，與淀粉體系形成連續(xù)相，具有更緊密的結(jié)構(gòu)[28]，γ-PGA阻礙了直鏈淀粉分子重排，提高了小麥淀粉糊的凍融穩(wěn)定性。

圖5 7次凍融后的小麥淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 The wheat starch gel microstructure after 7 freeze-thaw cycles

3 結(jié)論

γ-PGA可以顯著降低小麥淀粉的老化焓值、老化率，延緩淀粉老化。γ-PGA使小麥淀粉凝膠的深結(jié)合水比例增加，弱結(jié)合水比例降低，水分結(jié)合緊密，減少了水分遷移與冰晶的形成。γ-PGA降低了小麥淀粉凝膠的結(jié)晶度，抑制了直鏈淀粉、支鏈淀粉的重結(jié)晶，控制了凍融循環(huán)導(dǎo)致淀粉凝膠的重結(jié)晶現(xiàn)象。添加γ-PGA明顯改善了淀粉凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，使其孔洞變小、更均勻、更緊密，緩解了凍融循環(huán)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。γ-PGA明顯提高了小麥淀粉凝膠的凍融穩(wěn)定性，且隨添加量的增加，效果越明顯，添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.7%時(shí)，γ-PGA的作用最大。這與JIA等和宋佳薇等[7-8]的研究有類(lèi)似的結(jié)果，他們的研究表明γ-PGA對(duì)冷凍面團(tuán)有很好的抗凍保護(hù)作用，而面團(tuán)的主要成分為淀粉和蛋白質(zhì)，目前很少有關(guān)于γ-PGA對(duì)淀粉和蛋白質(zhì)凍融特性的影響進(jìn)行詳細(xì)的研究，本文則對(duì)淀粉制品抗凍保護(hù)方面提供了理論依據(jù)。