淀粉糊老化行為的粒子示蹤微流變表征方法初探

田緣，李雙紅，周韻，葉發(fā)銀，趙國華,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(重慶市甘薯工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

食品是一個多組分結(jié)構(gòu)體，其結(jié)構(gòu)層次非常復(fù)雜，既包含各種成分基礎(chǔ)的分子結(jié)構(gòu)，又包含這些成分之間相互作用形成的分子集聚體、亞微觀結(jié)構(gòu)單元和微觀結(jié)構(gòu)體等。這些結(jié)構(gòu)相互有機銜接最終形成了可被消費者感知的食品宏觀結(jié)構(gòu)[1]，也就是所謂的食品多尺度結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵。食品的多尺度結(jié)構(gòu)是其呈現(xiàn)特有質(zhì)地、口感以及營養(yǎng)消化特性的重要基礎(chǔ)。認(rèn)識與了解食品在加工貯藏過程中多尺度結(jié)構(gòu)形成規(guī)律以及它們與食品品質(zhì)形成的關(guān)系一直是食品科學(xué)家密切關(guān)注的核心問題[2-6]。受熱糊化的淀粉糊在冷卻過程中凝膠的形成就是其中一個典型例子[7]。經(jīng)過長期發(fā)展，已經(jīng)具備可以有效探知食品多尺度結(jié)構(gòu)形成或加工過程中食品結(jié)構(gòu)變化的方法與技術(shù)。對液態(tài)或半固態(tài)食品而言，流變學(xué)是一種研究其微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀品質(zhì)變化的有效工具[8]。目前來看，應(yīng)用最為廣泛的是各類機械式流變儀。它們通常在利用一定外力破壞食品原有結(jié)構(gòu)或使其發(fā)生形變的過程中獲取諸如剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力等參數(shù)，從而了解樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[9-11]。這種方法的缺陷也顯而易見，比如，測試過程要向樣品施加形變作用力，會給樣品結(jié)構(gòu)帶來擾動或破壞，無法準(zhǔn)確反映體系原有結(jié)構(gòu)[12]；針對食品質(zhì)地結(jié)構(gòu)形成的時間尺度，該法只能從不同時間點上取樣進(jìn)行測定，而無法就同一樣品隨結(jié)構(gòu)發(fā)展時間尺度連續(xù)觀察[13]。

基于粒子示蹤微流變的獨特優(yōu)勢，它逐漸在食品結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系研究中受到青睞，成為當(dāng)前食品物性學(xué)研究的一個熱點[12,14]。以應(yīng)用最為廣泛的被動粒子示蹤光學(xué)微流變儀為例，它是通過光學(xué)技術(shù)非接觸式的測量預(yù)先埋藏在樣品中微小粒子的布朗運動軌跡而獲取樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其宏觀品質(zhì)的變化[15-19]。截至目前，尚無以粒子示蹤微流變解析冷卻和冷藏過程淀粉糊微結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化的報道。本研究擬從豐富淀粉老化研究手段的角度，探索粒子示蹤微流變淀粉冷致凝膠形成過程中的應(yīng)用可能。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯淀粉，重慶金田股份有限公司；木薯淀粉，云南鴻泰股份有限公司，二者的淀粉含量分別為88.3和87.7 g/100 g；直鏈淀粉含量分別為26.0和19.9 g/100 g。以上含量均以干基表示。聚苯乙烯微球(半徑約500 nm)，上海輝質(zhì)生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

RHEOLASER MASTERTM光學(xué)流變儀，法國FORMULACTION公司；HH-2恒溫水浴鍋，數(shù)顯金壇市富華儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 淀粉糊冷卻過程的微流變表征

于250 mL燒杯中配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%(以干基計)淀粉懸浮液，加入0.4 mL聚苯乙烯微球作為示蹤粒子。用玻璃棒攪拌均勻后，稱量玻璃棒和樣品的總質(zhì)量。然后將燒杯放入沸水浴中加熱15 min，加熱過程中不停攪拌使淀粉漿受熱均勻，并充分糊化。加熱完畢，取出燒杯并立即稱重，補足加熱過程中散失掉的水分。取20 mL制備好的樣品迅速灌入測試玻璃瓶中(高140 mm；直徑為16 mm)，其中一部分樣品立即放進(jìn)儀器測試槽中進(jìn)行測試；其余樣品放入冰箱，4 ℃條件下分別冷藏6、12、24 h，放在室溫條件下平衡1 h后進(jìn)行測試。測試過程采用專家測試模式，測定條件為時長2.5 h，環(huán)境溫度25 ℃，自然冷卻。每條均方根位移(mean square displacement,MSD)曲線間隔時間60 s，每條MSD曲線最大去相關(guān)時間限制為1 000 s，d2/d2max比率的最大值為0.95。與樣品的黏彈性密切相關(guān)的MSD曲線由儀器自帶的RheoSoft Master 1.4.0.1軟件給出。

1.3.2 微流變指標(biāo)提取

利用光學(xué)微流變儀可獲得的粒子均方根位移(MSD，nm2)與去相關(guān)時間(decorrelation time,tdec)的關(guān)系圖(圖1)。該圖可以劃分為3個區(qū)間，分別為溶劑黏度感知區(qū)間(第1上升區(qū))，產(chǎn)品彈性差感知區(qū)間(平臺區(qū))和產(chǎn)品宏觀黏度感知區(qū)間(第2上升區(qū))。利用此曲線結(jié)合儀器自帶軟件，可以獲得彈性因子(elasticity index，EI)、固液平衡值(solid-liquid balance，SLB)、宏觀黏度因子(macroscopic viscosity index，MVI)、流度因子(fluidity index，F(xiàn)I)、彈性模量(elastic modulus，G′)、損耗模量(loss modulus，G″)和損耗角正切(loss tangent，tanδ)等能反映淀粉糊老化進(jìn)程的相關(guān)參數(shù)。假定在某個時間點上(t)所對應(yīng)的MSD-tdec關(guān)系圖平臺區(qū)對應(yīng)的縱坐標(biāo)為6δ2(nm2)，則產(chǎn)品的EI值則為1/6δ2(nm-2)。平臺區(qū)曲線的斜率(SLB=tanθ)反映產(chǎn)品固體特性與液體特性的相對強弱。斜率越低表示粒子運動越慢，產(chǎn)品的固體特性越強；反之，產(chǎn)品的液體特性越強。一般來說，當(dāng)SLB=0表示產(chǎn)品具有純粹的彈性(固體特性)；當(dāng)0

MVI=kb·T/(π6Dm×a)

(1)

式中，kb為波茲曼常數(shù)(J·K-1)，T為絕對溫度(K)，流度因子(FI，Hz)為宏觀黏度因子的倒數(shù)(1/MVI)。

圖1 粒子均方根位移與去相關(guān)時間關(guān)系及其解讀Fig.1 The relationship of mean square displacement and decorrelation time and its interpreting diagram

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉糊冷卻過程的光學(xué)流變圖譜

圖2給出了甘薯淀粉糊在冷卻過程中其均方根位移隨時間的變化趨勢(木薯淀粉糊以及甘薯淀粉和木薯淀粉的等比混合物所制成的淀粉糊也具有同樣的趨勢)?？梢钥闯?，冷卻早期的MSD曲線近似直線狀，處于淀粉糊內(nèi)的聚苯乙烯微球粒子運動的MSD隨tdec線性增加。這說明聚苯乙烯微球粒子可以在淀粉糊內(nèi)自由運動，不會受到任何限制[20]。這也就說明此時淀粉糊內(nèi)尚未形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，淀粉糊表現(xiàn)為近似牛頓流體的特征。隨著冷卻時間延長，MSD曲線逐漸降低并呈非線性，即MSD曲線在中等去相關(guān)時間范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個平臺區(qū)，而在較大去相關(guān)時間范圍內(nèi)曲線斜率變得越來越小。平臺區(qū)的出現(xiàn)表示在單位運動時間內(nèi)聚苯乙烯微球粒子的運動范圍逐漸縮??；而上升階段曲線斜率的增加則表示粒子運動要達(dá)到同樣的運動面積，需要增加時間[13]。所有這些都說明聚苯乙烯微球粒子在淀粉糊內(nèi)的運動逐漸受阻。隨著冷卻時間的延長，MSD曲線逐漸向高的去相關(guān)時間方向右移，平臺區(qū)沿橫坐標(biāo)不斷擴(kuò)展而沿縱坐標(biāo)逐漸降低，上升區(qū)的斜率不斷降低。平臺區(qū)的逐漸降低說明單位去相關(guān)時間內(nèi)粒子的運動范圍不斷縮小，束縛粒子運動的結(jié)構(gòu)“籠子”不斷減小，體系的彈性不斷增加[21]；MSD曲線越向右移，說明體系的黏度越大。上升階段MSD曲線的斜率實際是淀粉糊體系固態(tài)特性與液態(tài)特性的比值，斜率越低，說明粒子的運動速率越低，體系更傾向于固體特性。所有這些變化預(yù)示著淀粉糊內(nèi)部逐漸形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，體系從溶液向凝膠逐漸過渡，淀粉糊體系發(fā)生了老化。

圖2 甘薯淀粉糊均方根位移曲線隨冷卻時間的變化Fig.2 The changing tendency of mean square displacement curves along with cooling time for sweet potato starch paste

2.2 淀粉糊冷卻過程中彈性因子和流度因子的變化情況

由圖3可知，甘薯淀粉、木薯淀粉以及它們的等比混合物所制成的淀粉糊的EI在冷卻早期快速上升。很顯然木薯淀粉糊EI在老化初期的上升速度不及甘薯淀粉。甘薯淀粉糊在自然冷卻25 min后EI就達(dá)到了最高值(0.20 nm-2)，而木薯淀粉糊達(dá)到最高EI(0.11 nm-2)要自然冷卻50 min左右。在整個冷卻過程中木薯淀粉糊的EI始終顯著低于甘薯淀粉糊。與甘薯淀粉糊EI達(dá)到最高值后保持恒定不同，木薯淀粉糊在冷卻后期(>130 min)略有下降。與EI對老化時間的變化趨勢相反，所有淀粉糊的FI在冷卻早期都急劇下降直至為零。相比于EI，F(xiàn)I隨老化時間變化的更快。木薯淀粉糊和甘薯淀粉糊的FI分別在老化25 min和4 min就幾乎降低到零。在冷卻早期，木薯淀粉糊表現(xiàn)出比甘薯淀粉糊更高的FI值。甘薯淀粉糊比木薯淀粉糊具有更高的EI和更低的FI的主要原因是甘薯淀粉(26.0 g/100 g)中直鏈淀粉的含量明顯高于木薯淀粉(19.9 g/100 g)。更重要的是，等比混合淀粉糊EI和FI的變化都幾乎與甘薯淀粉重合，這說明混合糊的冷卻老化過程主要由甘薯淀粉主導(dǎo)。淀粉糊EI和FI自然降溫時間發(fā)生變化反映了體系內(nèi)淀粉老化的情況以及由此引起的三維網(wǎng)絡(luò)形成程度。結(jié)合淀粉老化的有關(guān)理論，冷卻早期EI和FI的快速變化，是由直鏈淀粉的短期老化行為所引起的。文獻(xiàn)報道由直鏈淀粉引起的淀粉短期老化發(fā)生速度很快[22]。按照常規(guī)淀粉老化進(jìn)程，在直鏈淀粉的短期老化逐漸結(jié)束時，由支鏈淀粉引起的長期老化將持續(xù)進(jìn)行[23-24]。但遺憾的是EI和FI在后續(xù)冷卻過程中都基本保持穩(wěn)定，沒有明顯的變化趨勢。因此可以認(rèn)為微流變獲得的EI與FI主要決定于淀粉的短期老化行為，而與淀粉的長期老化行為關(guān)系不大。

a-彈性因子；b-流變因子圖3 三種淀粉糊冷卻過程中彈性因子和流度因子的變化趨勢Fig.3 The changing tendency of elasticity index and fluidity index along with cooling time for three starch pastes

2.3 淀粉糊冷卻過程中宏觀黏度因子和固液平衡值的變化情況

由圖4可知，所有淀粉糊在老化前期其MVI都急劇上升，且甘薯淀粉糊的上升速度明顯高于木薯淀粉糊。隨冷卻時間的延長其上升速度逐漸變緩，但在后期木薯淀粉糊MVI的上升速度高于甘薯淀粉。混合淀粉糊MVI隨冷卻時間的變化曲線幾乎與甘薯淀粉糊完全重疊。就淀粉的SLB來看，木薯淀粉糊在前50 min急劇下降，在后續(xù)時間內(nèi)緩慢下降；甘薯淀粉在前30 min急劇下降，此后基本恒定?；旌系矸酆?0 min的SLB介于甘薯淀粉糊與木薯淀粉糊之間，但更接近于木薯淀粉。在30 min后混合淀粉糊的固液平衡值與甘薯淀粉基本一致?？梢钥闯瞿臼淼矸酆诶鋮s前10 min表現(xiàn)出純粹的液體特性(黏性)，在約27 min之前以黏性為主，之后轉(zhuǎn)變?yōu)橐詮椥詾橹鞯男袨椤６臼淼矸酆突旌系矸酆幢阍诶鋮s早期也表現(xiàn)出黏彈特性，卻沒有純粹的黏性特征窗口，它們分別在冷卻8 min和13 min后轉(zhuǎn)入以彈性為主體的行為區(qū)間。從曲線隨冷卻時間的變化可知，與EI和FI不同，MVI和SLB可以同時較好地反映淀粉的直鏈淀粉的短期老化和支鏈淀粉的長期老化。相比之下，SLB對淀粉糊早期的老化具有高的區(qū)分度，而MVI更能表征淀粉糊的長期老化行為。

a-宏觀黏度因子；b-固液平衡值圖4 三種淀粉糊冷卻過程中宏觀黏度因子和固液平衡值的變化趨勢Fig.4 The changing tendency of macroscopic viscosity index and solid-liquid balance along with cooling time for three starch pastes

2.4 淀粉糊冷卻過程中機械黏彈特性的變化情況

由圖5可知，在冷卻的早期，所有淀粉糊的G′和G″都隨冷卻時間急劇上升，但G″隨時間的變化速率明顯高于G′。在隨后的冷卻中，G′轉(zhuǎn)入緩慢上升階段，而G″進(jìn)入穩(wěn)定階段或緩慢下降階段。在冷卻早期所有淀粉糊的G″都高于其G′，tanδ>1.0。這表明在此階段淀粉糊以黏性為主，彈性為次，表現(xiàn)出類液體特性[25-26]；但在降溫老化后期，所有淀粉糊的G″都低于其G′，tanδ<1.0，淀粉糊表現(xiàn)出類固體特性。這說明淀粉糊在冷卻過程中發(fā)生了溶液到凝膠的轉(zhuǎn)變[27-28]。顯然，木薯淀粉糊形成凝膠需要更長的冷卻時間(67.22 min)，而甘薯淀粉糊和混合淀粉糊形成凝膠需要的時間相差無幾，分別為32.11和34.62 min。但是，與前面SLB=0.5對應(yīng)的時間點來看，機械譜所表征的固液特性的轉(zhuǎn)變點(凝膠形成點)明顯比SLB表征的要晚。從圖5還可以看出，和在EI和FI中觀察到的趨勢一致，混合淀粉糊的G′、G″和tanδ曲線基本與甘薯淀粉糊重合。

圖5 淀粉糊冷卻過程中機械黏彈特性的變化趨勢Fig.5 The changing tendency of mechanical viscoelastic nature of three starch pastes along with cooling time

2.5 淀粉糊冷藏后各關(guān)鍵指標(biāo)的變化情況

表1給出了冷藏后的淀粉糊在不同老化時間下彈性因子、流度因子、宏觀黏度因子和固液平衡值的變化情況。由表1可知，3種淀粉糊隨老化時間的延長均表現(xiàn)出相似的趨勢，彈性因子和宏觀黏度因子上升，流度因子和固液平衡值下降。這表明在老化的過程中，凝膠網(wǎng)絡(luò)尺寸逐漸縮小，強度逐漸增大，凝膠結(jié)構(gòu)進(jìn)一步形成[29-30]。在相同的老化溫度和時間條件下，甘薯淀粉糊EI值和MVI值遠(yuǎn)大于木薯淀粉糊，F(xiàn)I值和SLB值遠(yuǎn)小于木薯淀粉糊，這說明甘薯淀粉較木薯淀粉更易形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。盡管甘薯/木薯等比例混合后淀粉糊的EI值介于兩者之間，但在冷藏時間為0、6、12 h的條件下，混合樣品的EI值更接近于甘薯淀粉，而冷藏時間延長至24 h后，混合體系的EI值則與木薯淀粉相近。這再次表明相對較短的老化時間，甘薯淀粉對混合淀粉糊回生影響更大，而長期老化過程中，木薯淀粉的影響則占主導(dǎo)作用。從各指標(biāo)反映的結(jié)果來看，通過被動粒子示蹤微流變技術(shù)能夠在一定程度上對淀粉的長期老化行為進(jìn)行表征。

3 結(jié)論

作為一種新的流變學(xué)研究方法，被動粒子示蹤微流變具有很強的連續(xù)評價淀粉糊在冷卻老化過程中流變特性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的能力。但其各個指標(biāo)所能表征的方面有所不同?？偨Y(jié)起來，微流變給出的EI、FI和SLB能很好地表征淀粉糊冷卻初期直鏈淀粉的短期老化行為，且相比之下SLB具有更好的區(qū)分度。MVI可同時表征淀粉糊冷卻初期直鏈淀粉的短期老化與冷卻后期支鏈淀粉的長期老化。同時被動粒子示蹤微流變能很好地評價淀粉糊冷卻過程的黏彈特性變化以及進(jìn)行凝膠點的判斷，也能夠通過各關(guān)鍵指標(biāo)在一定程度上對淀粉糊的長期老化行為進(jìn)行表征。但這只是初步的探索，后續(xù)還需要將這一技術(shù)與傳統(tǒng)的快速黏度儀、機械流變儀、質(zhì)構(gòu)儀等對比，確定該方法的可信度與有效度，同時建立該技術(shù)在淀粉糊老化行為評價上的規(guī)范操作方法。

表1 不同老化時間下3種淀粉糊的關(guān)鍵指標(biāo)比較Table 1 Comparison of key indicators among three starch pastes under different aging time

注：同行中不同大寫字母的數(shù)據(jù)差異顯著，同列中不同小寫字母的數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)。