荸薺淀粉糊流變性質(zhì)的研究

任劍豪 甘增鵬 詹浩通 廖盧艷

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院；湖南省發(fā)酵食品工程技術(shù)研究中心，長沙 410128)

荸薺中淀粉含量可觀，國內(nèi)外對荸薺淀粉的特性已經(jīng)有了部分研究[1]。但目前有關(guān)荸薺淀粉流變特性的研究報道較少，大量研究主要針對淀粉濃度、淀粉中蔗糖、食鹽、親水性膠體的添加對其他植物淀粉的流變特性的影響[2]。楊秋歌等[3]報道食鹽和蔗糖能提高小利馬豆淀粉糊的黏度，冷、熱穩(wěn)定性變好；胡珊珊等[4]的研究表明食鹽能使羥丙基木薯淀粉流變特性指數(shù)增加，蔗糖能使之流變特性指數(shù)減小。親水性膠體對淀粉的性質(zhì)影響有大量的研究，如龍明秀等[5]研究了魔芋膠對甘薯淀粉流變特性的影響；柳艷梅等[6]研究了果膠、阿拉伯膠、卡拉膠對大米淀粉流變性質(zhì)的影響；劉敏等[7]指出適量黃原膠的添加能夠有效提高蓮藕淀粉的穩(wěn)定性和流動性。

淀粉糊的流變特性是一種復(fù)雜的性質(zhì)，受多種因素的影響，如淀粉濃度、淀粉品種、溫度、添加劑等。流變性直接影響了淀粉食品的品質(zhì)優(yōu)劣和淀粉的應(yīng)用范圍，同時對加工后荸薺淀粉產(chǎn)品的品質(zhì)也有很大的影響。因此，深入研究淀粉糊的流變特性對荸薺淀粉及其制品開發(fā)有著重要意義。本實驗研究荸薺淀粉的濃度、鹽濃度、糖濃度以及黃原膠、瓜爾豆膠和卡拉膠3種親水性膠體對荸薺淀粉糊流變性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

荸薺淀粉(干基含水量10.85%)；食鹽、蔗糖：食品級，市售；黃原膠、瓜爾豆膠、卡拉膠：食品級。

1.2 主要儀器與設(shè)備

RVA-Techmaster快速黏度分析儀；Kinexus pro+旋轉(zhuǎn)流變儀。

1.3 方法

1.3.1 淀粉糊樣品的制備

樣品含水量10.85%，在RVA配套的軟件RCW上計算出標(biāo)樣的實際添加量為2.95 g，稱取標(biāo)樣，放入專用鋁筒中，加入25 g超純水，用RVA儀進(jìn)行制備。應(yīng)用糊化程序：RVA在50 ℃下保持1 min 20 s，升溫至95 ℃保持3 min 35 s，在95 ℃下保持2 min 30 s，從95 ℃降至50 ℃保持3 min 35 s，在50 ℃下保持2 min。

1.3.2 淀粉糊流變特性曲線的測定

靜態(tài)流變特性的測定：取少量荸薺淀粉糊，選擇直徑40 mm夾具，放入流變儀的測定平臺上，樣品間距為1.000 mm，刮去平板外多余淀粉糊，用干凈的紗布清潔平板。流變儀程序、參數(shù)設(shè)置：選擇靜態(tài)流變測試，溫度25 ℃，剪切速率從0.1～300 s-1遞增，再從300～0.1 s-1遞減，時間均為3 min，測定荸薺淀粉糊的表觀黏度、剪切應(yīng)力隨剪切速率升高、降低的變化。

動態(tài)流變特性的測定：選擇動態(tài)流變測試，測試條件：應(yīng)變1.000%，頻率由0.1 Hz升至10 Hz，時間為10 min，測定荸薺淀粉糊的儲存模量(G′)、損耗模量(G″)、損耗角正切值(tanδ)隨頻率增加的變化。

1.3.3 淀粉濃度對荸薺淀粉糊流變特性的影響

用25 mL蒸餾水溶解一定量的荸薺淀粉，分別調(diào)制成4%、6%、8%、10%、12%濃度的荸薺淀粉溶液，用RVA將其制成淀粉糊，用旋轉(zhuǎn)流變儀測定荸薺淀粉糊在不同淀粉濃度影響下的靜態(tài)流變特性曲線、動態(tài)流變特性曲線。

1.3.4 食鹽濃度對荸薺淀粉糊流變特性的影響

分別調(diào)制濃度為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的食鹽水代替蒸餾水，分別取25 mL食鹽水加入鋁桶，加入2.95 g的荸薺淀粉，其他步驟同1.3.4。

1.3.5 蔗糖濃度對荸薺淀粉糊流變特性的影響

分別調(diào)制3%、6%、9%、12%、15%濃度的蔗糖水溶液來代替蒸餾水，分別取25 mL蔗糖水加入鋁桶，加入2.95 g的荸薺淀粉，其他步驟同1.3.4。

1.3.6 黃原膠對荸薺淀粉糊流變特性的影響

分別稱取0、0.25%、0.5%、0.75%、1%的黃原膠濃度的黃原膠-荸薺淀粉混合粉2.95 g，加入超純水25 mL，其他步驟同1.3.4。

1.3.7 卡拉膠對荸薺淀粉糊流變特性的影響

將2.95 g荸薺淀粉記為100%，稱取0%、0.25%、0.5%、0.75%、1%的卡拉膠，分別與2.95 g荸薺淀粉混合得到卡拉膠-荸薺淀粉混合粉，加入超純水25 mL，其他步驟同1.3.4。

1.3.8 瓜爾豆膠對荸薺淀粉糊流變特性的影響

分別稱取0、0.25%、0.5%、0.75%、1%的瓜爾豆膠濃度的瓜爾豆膠-荸薺淀粉混合粉2.95 g，加入超純水25 mL，其他步驟同1.3.4。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉濃度對荸薺淀粉動態(tài)流變特性的影響

由圖1可知，在頻率增大的過程中，不同濃度淀粉糊在0.1～0.5 Hz的范圍內(nèi)，彈性模量(G′)和黏性模量(G″)急劇上升，達(dá)到0.5 Hz后上升的趨勢變慢。在頻率增大的過程中，各濃度荸薺淀粉糊的G′、G″的變化基本趨向一致。G′、G″與淀粉濃度呈正相關(guān)，濃度越高的樣品，G′、G″越大，上升速度越快。因為濃度越高的樣品中，淀粉分子間的相互作用越強，分子鏈的運動減弱，易形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8]?？傮w而言，荸薺淀粉具有彈性性質(zhì)和黏性性質(zhì)，具備凝膠(固體狀態(tài)下呈現(xiàn)出彈性)和溶膠(有液體的流動性和黏性)之間的力學(xué)物性[9]，由于G′均大于G″，所以彈性性質(zhì)占主導(dǎo)地位。tanδ隨頻率的增大而增大，且與淀粉濃度呈負(fù)相關(guān)。低淀粉濃度樣品的tanδ值更大，證明該體系的黏性更大，體系表現(xiàn)為更強的流動性。高淀粉濃度樣品tanδ更小，證明體系的彈性更大，體系表現(xiàn)為更強的固體性質(zhì)。

圖1 不同淀粉濃度下荸薺淀粉的彈性模量、黏性模量和損耗角正切值圖

2.2 淀粉濃度對荸薺淀粉靜態(tài)流變特性的影響

由圖2可知，大致趨勢上，各濃度淀粉糊的表觀黏度隨剪切速率的增大而減小，隨剪切速率的減小而增大，表明該淀粉體系呈現(xiàn)典型的“剪切稀化”現(xiàn)象[10]。圖2a前段出現(xiàn)的小范圍隨剪切速率增加而表觀黏度增加的現(xiàn)象可能是由于樣品本身的表面張力影響導(dǎo)致，這可能與其他食品成分對樣品表觀黏度產(chǎn)生類似的影響原因一致。在相同剪切速率的條件下，隨著淀粉濃度的增大，淀粉糊的表觀黏度增大。剪切速率范圍為0.1～300 s-1，隨著剪切速率的增大，剪切作用時間延長，荸薺淀粉糊的表觀黏度減小，最終趨向穩(wěn)定。因為剪切速率增大，分子鏈斷裂得越多，有利于淀粉糊流動，凝膠結(jié)構(gòu)越容易被破壞，黏度下降越明顯，不易恢復(fù)[11]。剪切速率范圍為300～0.1 s-1，表觀黏度隨剪切速率減小而增大，呈現(xiàn)出明顯的剪切稀化現(xiàn)象，表觀黏度總體上降低了。因為分子間鍵的破壞速度超過其再形成的速度，從而導(dǎo)致淀粉糊的抵抗剪切力下降，表觀黏度變小[12]。 黃峻榕等[13]研究發(fā)現(xiàn)薯類淀粉濃度增加，淀粉糊的動態(tài)黏彈性增強，與本實驗中結(jié)論一致。荸薺淀粉糊的靜態(tài)流變曲線趨向剪切應(yīng)力軸，剪切應(yīng)力與剪切速率之間的變化不成線性關(guān)系，則說明該淀粉糊為非牛頓性流體。體系的表觀黏度隨剪切速率的增大而減小，則說明荸薺淀粉糊為假塑性流體。相同剪切速率下，淀粉糊的濃度越高，其剪切應(yīng)力越大。

圖2 不同濃度的淀粉下荸薺淀粉的表觀黏度和剪切應(yīng)力圖

2.3 食鹽濃度對荸薺淀粉流變特性的影響

2.3.1 食鹽濃度對荸薺淀粉動態(tài)流變特性的影響

由圖3可知，與原淀粉相比，食鹽的添加大幅提高了荸薺淀粉糊的G′、G″。這是因為食鹽促進(jìn)了直鏈淀粉的溶出，并形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[14]。淀粉和鹽相互作用導(dǎo)致淀粉顆粒移動性下降，從而使得體系的G′、G″增大[15]。2%食鹽濃度淀粉糊的G′、G″最大，可能的原因是2%濃度的食鹽增強了直鏈淀粉的氫鍵聚合，讓淀粉顆粒嵌入直鏈而形成更加牢固的網(wǎng)絡(luò)。由于G′均大于G″，所以體系的彈性性質(zhì)占主導(dǎo)地位。與原荸薺淀粉相比，食鹽在1%、2%、2.5%、3%濃度范圍內(nèi)提高了荸薺淀粉糊的tanδ，增強了體系的流動性，而1.5%濃度的食鹽降低了淀粉糊的tanδ，證明體系的彈性更大，食鹽增強了體系的固體性質(zhì)。張旭東等[16]的研究表明低鹽濃度促進(jìn)玉米淀粉凝膠化，高鹽濃度抑制凝膠化；鄭炯等[17]研究中NaCl能對豌豆淀粉/低酯果膠復(fù)配體系流變性產(chǎn)生影響，均與本研究結(jié)果相同。

圖3 不同食鹽濃度下荸薺淀粉的彈性模量、黏性模量和損耗角正切值圖

2.3.2 食鹽濃度對荸薺淀粉靜態(tài)流變特性的影響

由圖4可知，食鹽的添加沒有改變荸薺淀粉糊剪切稀化的現(xiàn)象。加入食鹽后，淀粉糊的靜態(tài)流變曲線并沒有發(fā)生改變，這表明食鹽-荸薺淀粉糊復(fù)合體系仍為非牛頓型假塑性流體。在0.1～300 s-1剪切速率范圍內(nèi)，與原荸薺淀粉相比，食鹽的添加使得體系的表觀黏度下降，各食鹽濃度體系的表觀黏度值無明顯的差異。在300～0.1 s-1剪切速率范圍內(nèi)，表觀黏度隨速率的減小而增大，增加趨勢相同，原荸薺淀粉的表觀黏度均小于其他各食鹽濃度體系，且2%食鹽濃度體系的恢復(fù)后表觀黏度值最大。由此可見，鹽的添加提高了體系的恢復(fù)黏度的能力，可以選用合適的食鹽濃度以降低生產(chǎn)成本。同時，與原荸薺淀粉相比，鹽的添加提高了體系的剪切應(yīng)力。

圖4 不同食鹽濃度下荸薺淀粉的表觀黏度和剪切應(yīng)力圖

2.4 蔗糖濃度對荸薺淀粉流變特性的影響

2.4.1 蔗糖濃度對荸薺淀粉動態(tài)流變特性的影響

由圖5可知，隨蔗糖添加量的增大，G′、G″均呈逐漸增大的趨勢。3%糖濃度的淀粉糊的G′、G″小于原荸薺淀粉，12%糖濃度的荸薺淀粉糊G′、G″最大，可能的原因是蔗糖分子與水分子間形成氫鍵，減弱了淀粉與水分子之間的氫鍵作用，使得淀粉分子間氫鍵作用增強，從而增大了G′、G″。當(dāng)蔗糖添加量超出了水分子間的氫鍵飽和度，一部分淀粉分子與蔗糖分子形成氫鍵，使得淀粉分子間的氫鍵作用減弱，導(dǎo)致淀粉糊的G′、G″降低[18]。由于G′均大于G″，所以體系的彈性性質(zhì)占主導(dǎo)地位。Yoo等[19]研究發(fā)現(xiàn)了蔗糖的加入使大米淀粉糊的黏度減小，凝膠強度降低，且隨蔗糖濃度的增加G′、G″都減??；與本文結(jié)果不盡相同的原因可能是大米淀粉與荸薺淀粉構(gòu)成上有些許差異。與原荸薺淀粉相比，蔗糖的加入使得體系的tanδ下降，證明體系的彈性更強，蔗糖使得體系有更強的固體特性。

圖5 不同蔗糖濃度下荸薺淀粉的彈性模量、黏性模量和損耗角正切值圖

2.4.2 蔗糖濃度對荸薺淀粉靜態(tài)流變特性的影響

由圖6可知，加入蔗糖后，淀粉糊的靜態(tài)流變曲線并沒有發(fā)生改變，這表明鹽-荸薺淀粉糊復(fù)合體系仍為非牛頓型假塑性流體。剪切速率為0.1～300 s-1，各蔗糖濃度體系的表觀黏度隨著剪切速率的增大而減小。在同一剪切速率下，淀粉糊的表觀黏度與蔗糖的濃度呈正相關(guān)。與原荸薺淀粉相比，蔗糖的添加使得體系的表觀黏度增大。剪切速率為300～0.1 s-1，各蔗糖濃度體系的表觀黏度因剪切速率的減小而增大，恢復(fù)后的表觀黏度大小與蔗糖的濃度呈正相關(guān)關(guān)系，蔗糖提高了體系恢復(fù)表觀黏度的能力。糖濃度越高，體系的剪切應(yīng)力就越大。

圖6 不同糖濃度下荸薺淀粉的表觀黏度和剪切應(yīng)力圖

2.5 黃原膠對荸薺淀粉流變特性的影響

2.5.1 黃原膠對荸薺淀粉動態(tài)流變特性的影響

由圖7可知，0.25%黃原膠濃度的淀粉糊的G′、G″最大，而0.5%黃原膠濃度的淀粉糊的G′、G″最小。一定濃度黃原膠的添加提高了體系G′、G″，原因是膠體與荸薺淀粉之間具有協(xié)同增稠作用，黃原膠的加入使得淀粉與黃原膠體系內(nèi)部的分子鏈之間的纏繞點增多，凝膠體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到鞏固[20]。G′始終大于G″，說明所有體系均以彈性性質(zhì)為主。黃原膠濃度為0%、0.5%的樣品的變化曲線成持續(xù)增大的現(xiàn)象。黃原膠的添加明顯增大體系的tanδ，證明體系有更強的黏性，黃原膠-淀粉體系表現(xiàn)出更強的流動性。

圖7 不同黃原膠濃度下荸薺淀粉的彈性模量、黏性模量和損耗角正切值圖

2.5.2 黃原膠對荸薺淀粉靜態(tài)流變特性的影響

親水性膠體增強流體假塑性的原因可歸結(jié)為膠體與直鏈淀粉顆粒間的相互作用促進(jìn)了氨鍵的形成，提高了溶脹淀粉顆粒所占比例。由圖8可知，黃原膠-荸薺淀粉糊復(fù)合體系仍為非牛頓型假塑性流體。在剪切速率為0.1～300 s-1中，表觀黏度在剪切速率增加的很小范圍內(nèi)，淀粉糊的黏度下降地很快，隨著剪切速率的持續(xù)增加，體系的表觀黏度緩慢降低。這可能的原因是淀粉和黃原膠形成了一種把水分包裹起來的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不易流動，若破壞了這種結(jié)構(gòu)，釋放出包裹的水分，淀粉糊黏度下降速度就變快[21]。在300～0.1 s-1剪切速率范圍內(nèi)，表觀黏度隨剪切速率的減小而增大，其中0.25%濃度的黃原膠可提高體系的恢復(fù)表觀黏度的能力。剪切速率為0.1～300 s-1，0.25%、0.75%濃度的黃原膠提高了體系的剪切應(yīng)力，而0.5%、1%的黃原膠降低了體系的剪切應(yīng)力。300～0.1s-1剪切速率范圍，0.25%黃原膠濃度的樣品的剪切應(yīng)力最大。

圖8 不同黃原膠濃度下荸薺淀粉的表觀黏度和剪切應(yīng)力圖

2.6 卡拉膠對荸薺淀粉流變特性的影響

2.6.1 卡拉膠對荸薺淀粉動態(tài)流變特性的影響

由圖9可知，卡拉膠的加入，更大程度改變了淀粉分子間原有的排列方式，形成更加穩(wěn)定三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使體系結(jié)構(gòu)更為致密，提高荸薺淀粉的G′、G″，表現(xiàn)出較高的黏彈性。G′始終大于G″，體系以彈性為主。1%卡拉膠濃度的樣品的G′、G″最大。與原荸薺淀粉相比，0.25%、0.5%、0.75%濃度的卡拉膠降低了荸薺淀粉糊的tanδ值，說明該濃度下的體系有更強的彈性，體系表現(xiàn)出很強的固體特性。

圖9 不同卡拉膠濃度下荸薺淀粉的彈性模量、黏性模量和損耗角正切值圖

2.6.2 卡拉膠對荸薺淀粉靜態(tài)流變特性的影響

由圖10可知，卡拉膠的添加沒有改變淀粉糊剪切稀化的現(xiàn)象，復(fù)合體系仍為非牛頓型假塑性流體。與原荸薺淀粉相比，卡拉膠使得體系的表觀黏度下降且均小于原荸薺淀粉，1%卡拉膠濃度體系的表觀黏度最大。原因是該濃度下的卡拉膠與淀粉分子間纏繞程度更緊密，形成較為穩(wěn)定的氫鍵，阻礙了分子運動，對流動產(chǎn)生較大的阻力，體系的黏彈度較好[22]。在300～0.1 s-1剪切速率范圍內(nèi)，1%卡拉膠濃度下的體系恢復(fù)黏度的能力要高于原荸薺淀粉糊。剪切速率為0.1～300 s-1，隨著剪切速率的增大，剪切應(yīng)力在初始速率下會顯現(xiàn)出急劇增大的現(xiàn)象，隨后0.75%、1%卡拉膠濃度下體系的剪切應(yīng)力呈增大趨勢，而0.25%、0.5%卡拉膠濃度下體系的剪切應(yīng)力呈現(xiàn)出降低的現(xiàn)象。剪切速率為300～0.1 s-1，1%黃原膠濃度體系的剪切應(yīng)力最大，其他卡拉膠濃度體系的剪切應(yīng)力要小于原荸薺淀粉。

圖10 不同卡拉膠濃度下荸薺淀粉的表觀黏度和剪切應(yīng)力圖

2.7 瓜爾豆膠對荸薺淀粉流變特性的影響

2.7.1 瓜爾豆膠對荸薺淀粉動態(tài)流變特性的影響

由圖11可知，在瓜爾豆膠-荸薺淀粉的復(fù)配體系中，G′、G″隨頻率的增大而增大，且G′大于G″。荸薺淀粉與瓜爾豆膠分子鏈之間的纏繞點增加，體系的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更強，因此有更優(yōu)越的黏彈性[23]。瓜爾豆膠的羥基與淀粉間形成氫鍵，分子間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使得瓜爾豆膠與淀粉之間產(chǎn)生強烈的協(xié)同增效作用[24]。與原荸薺淀粉相比，添加0.5%、0.75%、1%濃度的卡拉膠使體系tanδ增大，這主要是瓜爾豆膠降低了混合體系弱凝膠結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[25]。

圖11 不同瓜爾豆膠濃度下荸薺淀粉的彈性模量、黏性模量和損耗角正切值圖

2.7.2 瓜爾豆膠對荸薺淀粉靜態(tài)流變特性的影響

由圖12可知，瓜爾豆膠的添加沒有改變淀粉糊剪切稀化的現(xiàn)象，復(fù)合體系仍為非牛頓型假塑性流體。在0.1～300 s-1剪切速率范圍內(nèi)，與原荸薺淀粉相比，瓜爾豆膠的添加使體系的表觀黏度下降且均小于原荸薺淀粉。在剪切速率為300～0.1 s-1中，表觀黏度隨剪切速率的減小而增大，0.25%、1%瓜爾豆膠濃度的體系恢復(fù)黏度的能力要強于原荸薺淀粉以及其他濃度體系。同時，0.25%黃原膠濃度的樣品的剪切應(yīng)力最大。張盼盼等[26]報道瓜爾膠、黃原膠、刺槐豆膠會使淀粉黏度上升，與本研究結(jié)果一致。

圖12 不同卡拉膠濃度下荸薺淀粉的表觀黏度和剪切應(yīng)力圖

3 結(jié)論

荸薺淀粉糊是典型的剪切稀化的非牛頓型流體。在淀粉濃度、鹽濃度、糖濃度、黃原膠、卡拉膠和瓜爾豆膠的影響下，荸薺淀粉糊流變特性發(fā)生變化。動態(tài)流變特性結(jié)果表明：G′、G″與淀粉濃度呈正相關(guān)。高濃度的蔗糖、黃原膠、卡拉膠以及瓜爾豆膠和食鹽的添加，提高了體系的G′、G″。高濃度的食鹽、黃原膠、卡拉膠和瓜爾豆膠，使得tanδ增大，體系表現(xiàn)為更強的流動性。而高濃度的淀粉以及蔗糖的添加，使得體系的tanδ降低，體系表現(xiàn)為更強的固體特性。靜態(tài)流變特性結(jié)果表明：淀粉濃度越高，體系的表觀黏度和剪切應(yīng)力越大，食鹽、蔗糖、黃原膠、卡拉膠和瓜爾豆膠在不同濃度下，對體系的表觀黏度和剪切應(yīng)力都有顯著影響。因此，荸薺淀粉的流變性質(zhì)可通過添加不同濃度的不同添加物來調(diào)整。此外，溫度、酸堿度、不同植物來源淀粉和其他食品添加劑對荸薺淀粉流變特性的影響還需要進(jìn)一步研究，以期為荸薺淀粉相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)提供更全面的參考。