水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉理化性能的影響

焦昆鵬，馬麗蘋，張曉宇，羅磊，向進(jìn)樂,2，樊金玲，杜琳

1(河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng),471023) 2(河南省食品綠色加工與質(zhì)量安全控制國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng),471023)3(食品加工與安全國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，河南 洛陽(yáng),471023)

馬鈴薯淀粉是一種重要的植物淀粉，其生產(chǎn)量和商品量?jī)H次于玉米淀粉[1-2]。馬鈴薯淀粉具有顆粒大、易膨脹、黏度高、糊化透明度高等獨(dú)特特性，因此常被用作穩(wěn)定劑、增稠劑和黏結(jié)劑廣泛地應(yīng)用于香腸、面包和膨化食品等淀粉基食品中[3]。水溶性大豆多糖是指從大豆或豆?jié){、豆腐、發(fā)酵豆等大豆制品加工的副產(chǎn)物豆渣中分離提取出的一種高度支化的天然聚陰離子多糖[4]，水溶性大豆多糖除具有膳食纖維所具有的功能特性以外，還具有諸如乳化性、酸性條件下對(duì)蛋白顆粒的穩(wěn)定作用、抗黏結(jié)性、抗氧化性、成膜性能及泡沫穩(wěn)定性等特性，是一種應(yīng)用廣泛的功能性食品添加劑[5]。

大量研究表明，茶多糖、普魯蘭多糖、亞麻多糖、黃原膠、瓜爾膠、果膠、菊糖以及葡聚糖等非淀粉多糖能影響淀粉的熱力學(xué)和流變學(xué)特性，改變和控制淀粉基食品的質(zhì)構(gòu)，改善保水性和凍融穩(wěn)定性，抑制貯藏期間淀粉的老化以及保持貯藏期間產(chǎn)品質(zhì)量等功能特性[6-11]。有研究表明β-葡聚糖可顯著降低燕麥淀粉的消化速度和程度[12]，瓜爾膠能顯著降低蠟質(zhì)玉米淀粉的消化速度和程度[13]。此外，針對(duì)普魯蘭多糖、果膠、黃原膠、菊糖、果膠、海藻酸鈉及阿拉伯木聚糖等開展的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)這些非淀粉多糖均具有一定程度的抑制淀粉消化性的特點(diǎn)[14-20]。

目前，有關(guān)水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉性質(zhì)如淀粉糊化、溶解性和膨脹力、透明度和消化性的影響尚未見報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)研究水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉理化性能的影響，以期為水溶性大豆多糖在馬鈴薯淀粉加工工業(yè)中的應(yīng)用提供一些理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉,山東金城股份有限公司；水溶性大豆多糖(純度為80 %),安徽中旭生物科技有限公司；高溫α-淀粉酶(40 000 U/g)、糖化酶(100 000 U/g),江蘇銳陽(yáng)生物科技有限公司。

差示掃描量熱儀(DSC1型),瑞士Mettler-Toledo公司；黏度儀(Viscograph-E 803 302型),德國(guó)Brabender公司；紫外可見分光光度計(jì)(722N型),上海精密科學(xué)儀器有限公司；分析天平(FA1 004型),上屏儀器公司；高速臺(tái)式離心機(jī)(TGL-18C型),上海安亭科學(xué)儀器廠；數(shù)顯恒溫水浴鍋(HH-4型),常州普天儀器制造有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水溶性大豆多糖-淀粉混合物的制備

用去離子水將水溶性大豆多糖配制成一定濃度的膠體溶液(以干基計(jì)，水溶性大豆多糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.5%、1.0%、3.0%、5.0%、7.0%)，用磁力攪拌器使之充分溶解分散。再稱取適量的馬鈴薯淀粉加入到上述配制好的膠體溶液中以制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.0%的馬鈴薯淀粉膠體混合物(干基)，攪拌至均勻，備用。

1.2.2 淀粉理化性質(zhì)的測(cè)定

1.2.2.1 糊化特性測(cè)定

稱取一定量1.2.1中不同含量的水溶性大豆多糖與馬鈴薯淀粉混合物，置于Brabender黏度儀的測(cè)量杯中對(duì)馬鈴薯淀粉的糊化特性進(jìn)行測(cè)定。設(shè)置測(cè)量盒扭矩為700 cmg，測(cè)量轉(zhuǎn)速為75 r/min，從30 ℃開始升溫，升溫速率為1.5 ℃/min，升溫到95 ℃后保溫30 min，再以1.5 ℃/min的降溫速率降至50 ℃，保溫30 min，得到黏度隨時(shí)間和溫度變化的Brabender黏度曲線[21]。

1.2.2.2 差示掃描量熱儀分析

稱取一定量1.2.1中不同含量的水溶性大豆多糖-淀粉-混合物，用差示掃描量熱儀專用塑料移液管從攪拌的樣品中取出適量樣品，放置差示掃描量熱儀專用的鋁高壓坩堝中，然后用精密天平(精度d=0.01 mg)稱量坩堝中的樣品質(zhì)量，用坩堝蓋子將樣品壓緊并制成片狀，最后將壓好的樣品進(jìn)行熱掃描并記錄糊化焓值。測(cè)定溫度為25～100 ℃，加熱速度為10 ℃/min。記錄初始糊化溫度，峰值糊化溫度，最終糊化溫度和糊化焓。用空白作為參照，每個(gè)樣品重復(fù)3次。糊化焓值以樣品中的干基淀粉計(jì)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)2次，取平均值。

1.2.2.3 透明度測(cè)定

取上述制備的50 mL混合樣品于100 mL的燒杯中，并在95 ℃的磁力攪拌水鍋鍋中攪拌糊化20 min。為了減少誤差，用熱蒸餾水將淀粉調(diào)至原來(lái)的體積，然后冷卻至室溫。取適量樣品置于1 cm比色皿中，在650 nm處用分光光度計(jì)測(cè)定樣品透明度[8]，重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.2.2.4 溶解度和膨脹力測(cè)定

取適量上述制備的樣品，在90 ℃水浴中攪拌15 min，冷卻至室溫，將糊狀物置于100 mL離心管中， 在3 000 r/min離心20 min，除去上清液，稱取管中剩余物質(zhì)質(zhì)量(P)及管中剩余物烘干后質(zhì)量(C)，分別按公式(1)和公式(2)計(jì)算溶解度(S)和膨脹度(B)，結(jié)果取3次的平均值。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：W為淀粉干基質(zhì)量，g；P為離心后沉淀物質(zhì)量，g；C為離心后沉淀物干基質(zhì)量，g。

1.2.2.5 體外消化率測(cè)定

參考汪名春等[20]的體外消化酶解法測(cè)定水溶性大豆多糖-淀粉混合物的體外消化特性。稱取200 mg的馬鈴薯淀粉(干基)和一定質(zhì)量的水溶性大豆多糖(水溶性大豆多糖分別占馬鈴薯淀粉干重的0、5%、10%、15%、20%)，置于裝有轉(zhuǎn)子的50 mL 燒杯中，然后加入制備好的5 mL 0.2 mol/L醋酸鈉緩沖溶液(pH 5.2)，在95 ℃的水浴中振蕩15 min，取出至冷卻至室溫，再置于37 ℃恒溫振蕩浴中10 min，然后加入在37 ℃下預(yù)熱的20 mL α-淀粉酶和葡糖淀粉酶混合物(用醋酸鈉緩沖溶液配制酶溶液，α -淀粉酶和葡糖淀粉酶用量分別為2 290 U和150 U)，然后置于37 ℃恒溫振蕩水浴鍋中水解，反應(yīng)溶液分別經(jīng)過不同時(shí)間(0、20、40、90、120、180 min)水解后從中取出1 mL，然后加入5 mL無(wú)水乙醇使之停止反應(yīng)。樣品在4 000 r/min離心15 min后，取上清液，通過DNS比色法[22]測(cè)定樣品中還原糖的含量，按公式(3)計(jì)算其水解率，結(jié)果取2次的平均值。

(3)

式中：Gt為水溶性大豆多糖-淀粉混和物在酶水解t時(shí)間后產(chǎn)生的葡萄糖質(zhì)量，mg。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均重復(fù)3次，用Excel整理數(shù)據(jù)，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析，數(shù)據(jù)以X±s表示，差異顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉糊化特性的影響

不同添加量的水溶性大豆多糖(水溶性大豆多糖添加量是指水溶性大豆多糖占干馬鈴薯淀粉質(zhì)量百分比)對(duì)馬鈴薯淀粉糊化特性的影響見圖1，其特征值變化如表1所示。。由圖1可以看出，在糊化起始階段，淀粉顆粒不溶于水，所有樣品體系黏度值均很低。而隨著體系溫度的升高，淀粉顆粒受熱吸水膨脹，其分子間和分子內(nèi)的氫鍵強(qiáng)度減弱，淀粉顆粒大量吸水膨脹，體系黏度逐漸升高并達(dá)到最大值，繼續(xù)受熱，引起氫鍵斷裂，顆粒破裂，直鏈淀粉析出，黏度下降，而在隨后的冷卻降溫過程中，直鏈淀粉分子重排，重新形成氫鍵，黏度上升[23]，馬鈴薯淀粉和水溶性大豆多糖/馬鈴薯淀粉混合體系均表現(xiàn)出上述類似的黏度曲線，但水溶性大豆多糖/馬鈴薯淀粉混合體系的黏度曲線整體下移，且水溶性大豆多糖添加量越高，曲線下移幅度越大。表1數(shù)據(jù)也表明，一定量水溶性大豆多糖的添加(當(dāng)添加量大于3%時(shí))使水溶性大豆多糖/馬鈴薯淀粉混合體系的峰值黏度顯著下降(P<0.05)，類似結(jié)果也出現(xiàn)在FUNAMI等[24]、LIU等[25]和SHENG等[26]的研究中。水溶性大豆多糖屬于陰離子多糖，在其半乳糖醛酸主鏈上分布著阿拉伯糖等中性糖側(cè)鏈，具有毛刷狀一樣網(wǎng)絡(luò)支架結(jié)構(gòu)，這一特點(diǎn)使其能夠?qū)Φ矸垲w粒進(jìn)行不同程度的包被，從而抑制了淀粉顆粒的吸水膨脹，造成了峰值黏度的下降[27]。

表1 水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉糊化特性曲線特征值的影響Table 1 The effect of soluble soybean polysaccharides on the characteristic value of potato starch gelatinization curves

圖1 添加水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉糊化特性的影響Fig.1 Effect of adding soluble soybean polysaccharides on gelatinization characteristics of potato starch

由表1可知，水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉糊化初始溫度影響不大，這與王思遠(yuǎn)等[28]和譚永輝等[29]研究結(jié)果相一致。另外，不同添加量的水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉糊的崩解值和回生值影響程度不同?；厣捣从沉说矸酆蠓肿渔湹倪w移重排能力和短期老化程度[30]?；厣翟降痛淼矸鄱唐诶匣潭仍降蚚31]。當(dāng)水溶性大豆多糖添加量從3%增加到7%，馬鈴薯淀粉回生值顯著下降(P<0.05)，降幅最大達(dá)到21%。這可能是水溶性大豆多糖與滲透出的直鏈淀粉以氫鍵結(jié)合，抑制淀粉分子移動(dòng)重排造成的[30]。崩解值反映了淀粉顆粒在加熱過程中的穩(wěn)定性[21]。崩解值越低，淀粉水合作用和膨脹能力越低，其耐剪切能力則越強(qiáng)[31]。當(dāng)水溶性大豆多糖添加量為3%時(shí)，復(fù)合體系的崩解值下降了12%，之后隨著水溶性大豆多糖添加量繼續(xù)增加，崩解值不斷下降，水溶性大豆多糖添加量為7%時(shí)，下降幅度最大，為65%。水溶性大豆多糖的添加致使水溶性大豆多糖/馬鈴薯淀粉復(fù)合體系崩解值和回生值的下降，說明水溶性大豆多糖能夠使得馬鈴薯淀粉糊熱穩(wěn)定性增加，并且抑制了馬鈴薯淀粉凝膠的短期老化，這與LIU等[25]和王思遠(yuǎn)等[28]的研究結(jié)果一致。

2.2 水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉差示掃描量熱曲線特征參數(shù)的影響

淀粉糊化時(shí)，淀粉顆粒高溫受熱吸水膨脹，致使其分子間和分子內(nèi)的氫鍵斷裂，過程中伴有能量變化。因此，可以通過差示量熱掃描測(cè)定[32]。糊化焓變與斷裂淀粉顆粒結(jié)構(gòu)所需的能量相關(guān)；糊化溫度反映了淀粉有序結(jié)構(gòu)消失的溫度范圍[28]。表2為水溶性大豆多糖添加對(duì)馬鈴薯淀粉糊化起始溫度、峰值溫度、終止溫度和焓變的影響。

表2 水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉差示掃描熱量曲線特征參數(shù)的影響Table 2 Effect of soluble soybean polysaccharides on characteristic parameters of differential sanning calorimetry curves of potato starch

由表2可以得出，隨著水溶性大豆多糖添加量的增加，馬鈴薯淀粉的糊化起始溫度、峰值溫度以及終止溫度基本保持不變，這與布拉班德黏度儀測(cè)定的起始糊化溫度不變相一致。差示掃描量熱法所測(cè)得的糊化起始溫度低于黏度儀所測(cè)的混合體系的糊化起始溫度，說明不同比例混合體系的熔融進(jìn)程早于黏度增加的開始進(jìn)程[33]。水溶性大豆多糖添加量在3%以下時(shí)，對(duì)馬鈴薯淀粉吸熱焓沒有明顯影響(P>0.05)，而當(dāng)水溶性大豆多糖添加量繼續(xù)增加，馬鈴薯淀粉焓變也緩慢增加，這可能由于馬鈴薯淀粉顆粒在升溫過程中受熱吸水膨脹，淀粉分子擴(kuò)散，氫鍵斷裂，而足夠量的水溶性大豆多糖在淀粉表面形成水化層，使得淀粉外層得到保護(hù)，要使氫鍵斷裂則需要更多熱量，具體表現(xiàn)為焓變?cè)黾覽34]。研究發(fā)現(xiàn)不同水膠體的添加會(huì)提高淀粉糊化終值溫度，而糊化起始溫度、糊化峰值溫度或者升高，或者不變，在多數(shù)情況下，糊化焓值下降。同時(shí)也有研究表明，水膠體對(duì)淀粉糊化溫度及焓值沒有影響[35]，而李遠(yuǎn)等[33]和BILIADERIS等[36]卻發(fā)現(xiàn)水膠體能增加淀粉糊化焓值。這可能是因?yàn)槟z體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致淀粉與水膠體之間的相互作用不同所造成，比如不同支化度、分子質(zhì)量、分子柔性、陰離子電荷的存在和類型等[35]?？傊?，水膠體對(duì)淀粉糊化的影響規(guī)律不一。本研究結(jié)果與王思遠(yuǎn)等[28]研究大豆多糖對(duì)大米淀粉糊化影響時(shí)的結(jié)果類似。

2.3 水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉糊透明度的影響

馬鈴薯淀粉糊透明度非常高，這一特點(diǎn)有利于食品加工過程中形成更好的色澤。淀粉糊化后，其分子重新排列、相互締合的程度是影響淀粉糊透明度的重要因素。如果淀粉顆粒在吸水和受熱時(shí)能夠完全膨脹，并且糊化后淀粉分子也不發(fā)生相互締合，則淀粉糊中無(wú)殘存的淀粉顆粒，也無(wú)回生后形成的凝膠束，淀粉糊非常透明[37]。而淀粉糊的透明度通常也會(huì)受到淀粉本身的成分以及外來(lái)添加物等因素的影響。圖2為水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉糊透明度的影響。由圖2可知，0.5%～1%水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉糊的透光率沒有顯著影響(P>0.05)，3%水溶性大豆多糖使馬鈴薯淀粉糊的透光率顯著下降了21.22%(P<0.05)，之后隨著水溶性大豆多糖的增加，馬鈴薯淀粉糊的透光率趨于平緩。這可能因?yàn)樗苄源蠖苟嗵歉街隈R鈴薯淀粉顆粒表面，阻礙淀粉顆粒完全膨脹糊化，導(dǎo)致淀粉糊中存在殘存淀粉顆粒，從而造成淀粉糊透明度下降[38]。

圖2 添加水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉糊透明度的影響Fig.2 Effect of adding soluble soybean polysaccharides on the transparency of potato starch paste

2.4 水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉膨脹力的影響

淀粉顆粒的膨脹力反映了淀粉樣品的水合能力，與支鏈淀粉含量和淀粉顆粒大小相關(guān)[39]。馬鈴薯淀粉在糊化過程中，其分子被切割，晶體結(jié)構(gòu)被破壞，然后游離水進(jìn)入淀粉分子內(nèi)部，使淀粉顆粒的體積膨脹。圖3為添加水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉膨脹力的影響。由圖3可以看出，0.5%～1%水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉膨脹力沒有明顯的影響(P>0.05)。而3%～5%水溶性大豆多糖能夠顯著抑制馬鈴薯淀粉的膨脹(P<0.05)，但沒有明顯的濃度效應(yīng)(P>0.05)。多糖如魔芋葡聚糖、瓜爾豆膠和刺槐豆膠的存在能延緩淀粉顆粒膨脹，這是由于多糖能夠使連續(xù)相增厚或與水結(jié)合以限制水的有效性或流動(dòng)性，從而防止顆粒膨脹[40]。水溶性大豆多糖溶液黏度較低，因此不大可能通過使連續(xù)相增厚而限制淀粉的水分供應(yīng)。一個(gè)可能的解釋就是水溶性大豆多糖在淀粉顆粒周圍形成多糖層，與淀粉競(jìng)爭(zhēng)自由水，降低淀粉顆粒與水相互作用的機(jī)會(huì)，從而抑制淀粉膨脹。

圖3 添加水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉膨脹力的影響Fig.3 Effect of adding soluble soybean polysaccharides on swelling power of potato starch

2.5 水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉溶解度的影響

當(dāng)?shù)矸叟c水共熱時(shí)，氫鍵發(fā)生斷裂，晶體結(jié)構(gòu)被破壞，水分子通過氫鍵與直鏈淀粉和支鏈淀粉的羥基相連，導(dǎo)致顆粒膨脹和溶解度增加[41]。圖4為添加水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉溶解度的影響。

圖4 添加水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉溶解度的影響Fig.4 Effect of adding soluble soybean polysaccharides on solubility of potato starch

由圖4可以看出，0.5%～1%水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉的溶解度沒有顯著影響(P>0.05)，而當(dāng)多糖添加量從1.0%增加到3.0%，馬鈴薯淀粉溶解度下降非常顯著(P<0.05)，之后淀粉溶解度趨于恒定。淀粉的溶解主要是直鏈淀粉和小的支鏈淀粉從膨脹的顆粒中溢出[42]。水溶性大豆多糖的添加致使馬鈴薯淀粉膨脹力下降(圖3)，再加上水溶性大豆多糖可能對(duì)馬鈴薯淀粉的物理包裹作用，而使淀粉顆粒中直鏈淀粉和小的支鏈淀粉溶出率下降，表現(xiàn)為溶解度下降。

2.6 水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉消化特性的影響

水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉消化特性的影響如圖5所示。由圖5可知，0～20 min淀粉的水解速度快速升高，20～180 min內(nèi)淀粉的水解速度相對(duì)緩慢。在相同水解時(shí)間內(nèi)，與原淀粉相比，加入水溶性大豆多糖后淀粉的水解率顯著下降(P<0.05)，且水解速率隨著水溶性大豆多糖添加量的增加而逐漸降低。水解180 min后，水溶性大豆多糖占馬鈴薯淀粉干基的20%時(shí)淀粉反應(yīng)體系的水解率由原淀粉的20.18%下降至16.24%。說明水溶性大豆多糖可以在一定程度上抑制淀粉的水解速度，且這種抑制作用隨著水溶性大豆多糖添加量的增加而增加，這與汪名春等[20]研究的菊糖可以減少馬鈴薯淀粉的體外消化率和消化程度的結(jié)果一致。淀粉顆粒受熱膨脹后會(huì)發(fā)生糊化，且糊化程度與淀粉消化性成正比[43]。水溶性大豆多糖的添加導(dǎo)致馬鈴薯淀粉消化性下降，可能是水溶性大豆多糖抑制馬鈴薯淀粉的膨脹，從而導(dǎo)致其糊化程度下降所造成的。另外，水溶性大豆多糖還可能與馬鈴薯淀粉相互作用，形成空間位阻，阻礙消化酶與底物的接觸，從而降低酶解效率。有研究表明，非淀粉多糖具有抑制淀粉消化酶酶活的作用[44-45]，這也可能是其導(dǎo)致淀粉消化率下降的原因之一。而水溶性大豆多糖導(dǎo)致馬鈴薯淀粉消化性下降的具體原因則有待進(jìn)一步研究。

圖5 添加水溶性大豆多糖對(duì)馬鈴薯淀粉水解率的影響Fig.5 Effect of adding soluble soybean polysaccharides on hydrolysis rate of potato starch

3 結(jié)論

當(dāng)水溶性大豆多糖添加量大于1%時(shí)，能降低馬鈴薯淀粉糊黏度，提高馬鈴薯淀粉黏度熱穩(wěn)定性，抑制馬鈴薯淀粉的老化，且能導(dǎo)致馬鈴薯淀粉的透明度、溶解度和膨脹力降低。水溶性大豆多糖還能在一定程度上可以延緩馬鈴薯淀粉的消化，而其對(duì)馬鈴薯淀粉的糊化溫度基本無(wú)影響。