燕麥β-葡聚糖對(duì)小麥淀粉回生特性的影響

沈 軍，王 林，鄒恩坤

1.無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)

2.中糧面業(yè)(泰業(yè))有限公司 (泰興 225400)

隨著主食工業(yè)化進(jìn)程的加快，以稻谷或小麥為原料制作的米面等制品已普遍采用冷鏈(通常低于4 ℃)進(jìn)行儲(chǔ)藏和配送。淀粉作為小麥粉和大米的主要營養(yǎng)組分，不僅具有半結(jié)晶顆粒結(jié)構(gòu)、糊化膠凝性等特點(diǎn)，同時(shí)其糊化后的凝膠還具有在低溫條件下易發(fā)生分子鏈重排的現(xiàn)象(即回生特性)，而這種獨(dú)特的回生特性已被證實(shí)是導(dǎo)致米面制品在低溫儲(chǔ)存過程中口感變差、品質(zhì)劣變的主要因素[1-3]。因此，如何通過科學(xué)的技術(shù)手段來控制米面制品的回生成為主食工業(yè)化生產(chǎn)中亟待解決的關(guān)鍵問題。

燕麥β-葡聚糖是一種存在于燕麥籽粒糊粉層和亞糊粉層的植物多糖，其分子鏈主要是由D-葡萄糖單元通過β-1，3和β-1，4糖苷鍵混合連接而成。目前，國內(nèi)外普遍認(rèn)為燕麥的諸如降低膽固醇、提高免疫力、降低血糖等功能特性主要與其所含的β-葡聚糖的高黏度特性有關(guān)[4,5]。此外，燕麥β-葡聚糖的高黏度、高持水性以及乳化穩(wěn)定性使其具有優(yōu)越的加工特性，也是一種理想的食品添加劑。因此，研究β-葡聚糖對(duì)于小麥淀粉回生特性的影響將有利于米面制品的工業(yè)化生產(chǎn)?；诖耍疚目疾炝瞬煌肿恿康难帑湨?葡聚糖對(duì)小麥淀粉回生特性的影響，旨在從分子角度闡述燕麥β-葡聚糖與小麥淀粉間的相互作用，從而為控制小麥淀粉回生提供思路和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

小麥淀粉，實(shí)驗(yàn)室自制；燕麥β-葡聚糖(純度70%)，購自張家口一康生物科技有限公司；二甲亞砜(DMSO)，色譜純；其余試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

快速黏度儀(RVA-TecMaster)，瑞典Perten公司；Haake-RS6000旋轉(zhuǎn)流變儀，德國Thermofisher公司；Q20差示掃描量熱儀(DSC)，美國TA公司；高效液相色譜儀(HPLC)和示差檢測器(RI)，美國Agilent公司；多角度激光檢測器(MALLS)和，美國Wyatt公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1酸解法制備不同分子量的β-葡聚糖

采用鹽酸水解法制備不同分子量的燕麥β-葡聚糖，具體步驟如下：配置1%(w/v)的β-葡聚溶液，60 ℃水浴振蕩混合2 h后加入1mol /L HCl溶液，使HCl濃度為0.2 mol/L，待反應(yīng)一段時(shí)間后加入4 mol/L NaOH溶液，冰水浴15 min終止反應(yīng)；然后無水乙醇進(jìn)行沉淀，離心， 40 ℃熱風(fēng)干燥沉淀，得到不同分子量的β-葡聚糖，分別記為0 min-β-葡聚糖、30 min-β-葡聚糖、60 min-β-葡聚糖。

1.3.2β-葡聚糖分子量的測定

將不同分子量的β-葡聚糖樣品溶于含0.05 mol/L LiBr的DMSO溶液，配制適宜濃度，過0.45 μm有機(jī)濾膜，上樣至HPSEC-MALLS-RI系統(tǒng)進(jìn)行測定，相關(guān)數(shù)據(jù)采用ASTRA6.0軟件分析。

1.3.3β-葡聚糖-小麥淀粉混合物的制備

不同分子量的燕麥β-葡聚糖分別按照1%、2%、3%的比例取代小麥淀粉，充分混合均勻制備不同比例的β-葡聚糖/小麥淀粉混合物(D/WS)，并以WS作為空白對(duì)照。

1.3.4β-葡聚糖-小麥淀粉混合物的糊化特性測定

參照GB/T 24853—2010的方法測定β-葡聚糖-小麥淀粉混合物的糊化特性，每個(gè)樣品均測試3次。

1.3.5淀粉凝膠短期回生特性的測定

β-葡聚糖對(duì)小麥淀粉凝膠短期回生特性的影響以測定淀粉凝膠的流變學(xué)性質(zhì)來表征，具體內(nèi)容參照張曉宇[6]的方法，稍作修改。

(1)溫度掃描測試：配置濃度為10%的樣品懸浮液，并用磁力攪拌器不停的攪拌保持均勻(60 min)，用移液管量取樣品約1 mL置于流變儀的不銹鋼平臺(tái)上，平衡2 min后開始測量。溫度掃描測試的程序?yàn)椋阂? ℃/min的加熱速率從25 ℃加熱到95 ℃，測量儲(chǔ)能模量(G′)、損耗模量(G″)隨溫度的變化。測試過程中角頻率和應(yīng)變值分別固定為1 Hz和1%。

(2)動(dòng)態(tài)粘彈性測試：對(duì)溫度掃描后的樣品，立即進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描測試。相關(guān)指標(biāo)參照張曉宇的方法進(jìn)行。

(3)穩(wěn)態(tài)剪切流變測試：采用溫度掃描后的樣品，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流變測試。在25 ℃溫度下，剪切速率從0 s-1增加到200 s-1(上行曲線)，再從200 s-1降低到0 s-1(下行曲線)，測試剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化。

1.3.6淀粉凝膠長期回生特性的測定

有關(guān)淀粉凝膠長期回生特性的測定采用田耀旗[7]的方法。為保證樣品的平行性和實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性，測定的樣品均為經(jīng)上述RVA糊化后的淀粉凝膠，依據(jù)在4 ℃下保存的時(shí)間，分別記為0、1、3、7 d后的淀粉凝膠樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同酸解時(shí)間下的β-葡聚糖分子量測定

由圖1可知，隨酸解時(shí)間的延長，LS和RI的信號(hào)圖譜峰逐漸后移，表明酸解時(shí)間的增加可導(dǎo)致β-葡聚糖的洗脫體積增大，相關(guān)β-葡聚糖的分子量如表1所示。

表1 不同酸解時(shí)間下β-葡聚糖的分子量

圖1 不同酸解時(shí)間下的β-葡聚糖的HPSEC-MALL-RI的信號(hào)圖譜

2.2 燕麥β-葡聚糖對(duì)小麥淀粉糊化特性的影響

添加不同分子量β-葡聚糖的小麥淀粉糊化特性參數(shù)見表2。由表2可知，β-葡聚糖的添加使得小麥淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度均明顯降低。這與Brennan[8]和Sharma[9]等研究結(jié)果一致，推測是因?yàn)棣?葡聚糖的吸水能力大于小麥淀粉，在糊化過程中與小麥淀粉競爭水分，限制淀粉顆粒的溶解和膨脹，從而導(dǎo)致小麥淀粉的峰值黏度、最終黏度、谷值黏度出現(xiàn)降低[8,10]。李淵、Satrapai和Banchathanakij[11-13]等在研究大麥葡聚糖對(duì)小麥淀粉的糊化特性時(shí)也發(fā)現(xiàn)添加大麥葡聚糖的存在會(huì)降低小麥淀粉的糊化黏度。

表2 添加不同比例燕麥β-葡聚糖的WS體系的糊化參數(shù) cp

崩解值是峰值黏度和谷值黏度之差，崩解值越小，淀粉凝膠的熱穩(wěn)定性越高；崩解值越大，凝膠的耐剪切性越差[14]；由表2可以看出，燕麥β-葡聚糖的存在雖然使得小麥淀粉的崩解值和回生值均有所下降，但不同分子量和添加量的β-葡聚糖間的崩解值間無顯著差異。回生值反映的是淀粉糊化后分子重新結(jié)晶的程度，回生值越大越容易老化。當(dāng)添加量為2%時(shí)，添加高分子量的β-葡聚糖(HM--β-glucan)的小麥淀粉回生值最低，表明其回生抑制效果最好。推測這可能是由于燕麥β-葡聚糖的分子鏈纏繞在小麥淀粉顆粒表面，形成空間位阻，阻礙了淀粉的短期回生[10,15]。因此，接下來重點(diǎn)研究了添加量為2%時(shí)的淀粉凝膠回生特性變化。

2.3 β-葡聚糖對(duì)小麥淀粉流變學(xué)特性的影響

2.3.1動(dòng)態(tài)流變性質(zhì)

2.3.1.1 溫度掃描

從圖2可知，添加不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉與純小麥淀粉的彈性模量(G′)均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這主要與糊化過程中淀粉三維凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成與破壞有關(guān)[16-18]。然而，與純小麥淀粉相比，含燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉體系均表現(xiàn)出較低的彈性模量，推測這是由于β-葡聚糖具有高持水性，它的存在會(huì)抑制淀粉顆粒的吸水膨脹，從而限制直鏈淀粉的浸出，阻礙淀粉凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而導(dǎo)致其彈性模量低于原淀粉體系。此外，從圖中可以看出，隨著β-葡聚糖分子量的減小，糊化過程中的彈性模量逐漸降低，說明淀粉凝膠的剛性隨β-葡聚糖分子量的降低而降低。在本實(shí)驗(yàn)的溫度掃描過程中，模擬的是淀粉糊化后短期回生的過程，而淀粉的短期回生主要是淀粉中直鏈淀粉分子的重排。因此，β-葡聚糖的添加所帶來的淀粉凝膠剛性的降低從側(cè)面表明其對(duì)小麥淀粉的短期回生具有抑制作用。另外，分子量小的β-葡聚糖流動(dòng)性大，這使得其與直鏈淀粉相結(jié)合的幾率增加，這可能是低分子量β-葡聚糖對(duì)淀粉短期回生的抑制作用增強(qiáng)的主要原因。

圖2 含不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉溫度掃描曲線(添加量為2%)

2.3.1.2 頻率掃描

含不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉凝膠動(dòng)態(tài)頻率掃描曲線如圖3所示。從圖3a中可以看出，隨著掃描頻率的增加，淀粉凝膠的彈性模量(G′)和損耗模量(G″)都逐漸增加，且G′值高于相應(yīng)的G″值，表明含或不含β-葡聚糖的淀粉凝膠體系均具有良好的黏彈性。對(duì)于含β-葡聚糖的淀粉凝膠體系來說，其彈性模量顯著地小于不含β-葡聚糖的純小麥淀粉凝膠體系，這可能是由于β-葡聚糖的加入使得凝膠體系中β-葡聚糖分子和淀粉分子鏈間的纏結(jié)加劇，增大了混合物凝膠體系的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)密度[19,20]。此外，β-葡聚糖自身屬于高粘度的溶液，推測這也是導(dǎo)致淀粉凝膠彈性模量下降，黏性增大的原因之一。由圖3b可以看出，含或不含β-葡聚糖的淀粉凝膠體系的損耗正切角tanδ均小于1，表現(xiàn)為一種典型的弱凝膠流體學(xué)特征[21,22]；同時(shí)隨著β-葡聚糖分子量的減小，凝膠體系的tanδ呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這說明β-葡聚糖的加入傾向于增加淀粉凝膠體系的黏性，而黏性高的淀粉凝膠可增加淀粉分子鏈在回生過程中進(jìn)行分子重排的阻力，從而具有抑制淀粉回生的能力。

圖3 含不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉動(dòng)態(tài)頻率掃描曲線(添加量為2%)

2.3.3靜態(tài)流變性質(zhì)

圖4為添加不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉凝膠體系的靜態(tài)流變性質(zhì)。由圖可發(fā)現(xiàn)，含不同分子量β-葡聚糖的淀粉凝膠體系在流動(dòng)中所受的剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增大而增大(上行線)，且上行線的數(shù)據(jù)大于下行線，這說明含β-葡聚糖的淀粉凝膠具有剪切變稀的性質(zhì)[19]。與不添加β-葡聚糖的小麥淀粉凝膠體系相比，當(dāng)添加量為2%β-葡聚糖時(shí)，淀粉凝膠體系的剪切應(yīng)力降低，且隨著β-葡聚糖分子量的減小其降低幅度增大。這表明β-葡聚糖的存在會(huì)弱化淀粉凝膠體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而抑制淀粉的短期回生行為。

圖4 含不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉靜態(tài)流變曲線(添加量為2%)

2.4 β-葡聚糖對(duì)小麥淀粉長期回生的影響

DSC是測定淀粉回生的常用方法，DSC曲線可用于反映淀粉的回生性質(zhì)。表3為含不同分子量β-葡聚糖的淀粉的長期回生參數(shù)。由表3可知，純小麥淀粉和添加不同分子量β-葡聚糖的小麥淀粉的起始溫度To均在100 ℃左右，這是由于低溫時(shí)的回生淀粉的結(jié)晶較少，無法在DSC曲線上形成顯著的峰，所以100 ℃以下無顯著的回生焓值。從表中可以看出，回生0 d時(shí)，相比于純淀粉，含β-葡聚糖的淀粉體系的To、Tp、Tc顯著下降，表明在此期間葡聚糖/淀粉混合體系新生成了許多不穩(wěn)定或者不完美的結(jié)晶；加入β-葡聚糖后淀粉體系的回生焓ΔH顯著降低，說明β-葡聚糖能抑制淀粉體系的長期回生。另外，隨β-葡聚糖分子量的減小，同等添加量下的淀粉體系ΔH逐漸降低，表明β-葡聚糖分子越小，對(duì)淀粉體系回生的抑制能力越強(qiáng)。這可能是由于隨著分子量的減小，β-葡聚糖的支鏈數(shù)量增加，能更多的與支鏈淀粉相互作用，形成空間位阻，阻礙了直鏈淀粉和支鏈淀粉聚合重排，從而對(duì)小麥淀粉的長期回生呈現(xiàn)出顯著的抑制作用。這與BeMiller等人的研究結(jié)果：水膠體可以改變淀粉的表觀粘度，減緩淀粉糊在冷凍(Sae-kang等)或凍藏(Mali等)過程中的回生速度的結(jié)果相符合[21]。

表3 含不同分子量β-葡聚糖的小麥淀粉的長期回生參數(shù)(2%)

3 結(jié)論

燕麥β-葡聚糖的存在使得小麥淀粉的回生值顯著降低，將糊化后的樣品4 ℃儲(chǔ)存7 d后，其回生焓顯著降低；添加燕麥β-葡聚糖在降低淀粉的粘彈性的同時(shí)與淀粉間的相互作用延緩了淀粉的短期回生，且隨燕麥β-葡聚糖分子量的減小，燕麥β-葡聚糖對(duì)淀粉長期回生的抑制作用增強(qiáng)。