不同添加劑對(duì)菱角淀粉凝膠的微觀結(jié)構(gòu)及質(zhì)構(gòu)的影響

李麗，金嘉奇，易陽(yáng)，況龍，陳旭龍

(1.武昌工學(xué)院，武漢 430065；2.武漢輕工大學(xué)，武漢 430023)

隨著我國(guó)食品工業(yè)的快速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)食品的色、香、味、形、質(zhì)地等方面的要求越來(lái)越高，食品添加劑已經(jīng)成為現(xiàn)代食品不可或缺的組成部分，其對(duì)食品品質(zhì)的改善起到了舉足輕重的作用。淀粉凝膠食品如粉皮、涼粉等是我國(guó)具有獨(dú)特風(fēng)味特色的傳統(tǒng)食品，深受大眾的喜愛(ài)[1]。研究表明，淀粉種類、處理?xiàng)l件、添加劑類別都會(huì)使凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)構(gòu)及穩(wěn)定性發(fā)生改變，進(jìn)而影響產(chǎn)品的加工性能、質(zhì)地形態(tài)和貨架期。本文從食品添加劑的角度，研究不同添加劑對(duì)淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)及質(zhì)構(gòu)的影響，旨在為生產(chǎn)實(shí)踐提供一定的參考依據(jù)。

豁銀強(qiáng)等[2]研究了大米谷蛋白對(duì)大米淀粉凝膠化及凝膠特性的影響，結(jié)果表明，隨著大米谷蛋白添加量的增加，大米淀粉凝膠的黏聚性、黏性及回彈性均呈升高趨勢(shì)。掃描電鏡顯示，添加大米谷蛋白的大米淀粉凝膠的孔洞深度增加，直徑增大，結(jié)構(gòu)顯得較為松散。肖志剛等[3]研究了甜菜果膠對(duì)淀粉凝膠調(diào)控形成機(jī)制的研究，結(jié)果表明，甜菜果膠與玉米淀粉之間形成氫鍵，并相互交聯(lián)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，凝膠中淀粉顆粒碎片減少，凝膠結(jié)構(gòu)更加致密均一。隨著甜菜果膠添加量的增加，淀粉凝膠的黏度、崩解值和回生值逐漸降低，質(zhì)構(gòu)特性有顯著改變。謝濤等[4]研究了回生抗性淀粉種類對(duì)米淀粉凝膠形成的影響，結(jié)果表明，未添加RS Ⅲ的米淀粉凝膠存在很多不規(guī)則、深淺不一的大洞，而加入RS Ⅲ使米淀粉凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得更為規(guī)整、致密；添加錐栗、馬鈴薯與綠豆RS Ⅲ后能加速米淀粉凝膠的形成，與未添加RS Ⅲ的米淀粉凝膠相比，其硬度分別增加了2.38，1.97，1.25倍，黏著性分別增加2.56，1.99，1.32倍(P<0.01)，彈性增加1.07，0.81，0.53倍。劉曉慶等[5]研究了不同改良劑對(duì)豌豆淀粉凝膠化及凝膠特性的影響，結(jié)果表明，黃原膠、復(fù)合磷酸鹽、魔芋粉及復(fù)合穩(wěn)定劑對(duì)豌豆淀粉凝膠的微觀結(jié)構(gòu)均有顯著影響，其中魔芋粉的影響相對(duì)較小。岳曉霞等[6]以馬鈴薯淀粉為原料，研究了單硬脂酸甘油酯、羧甲基纖維素鈉、瓜爾豆膠及β-環(huán)糊精對(duì)馬鈴薯淀粉老化度、粘度的影響。結(jié)果表明，4種添加劑均可改善馬鈴薯淀粉的老化性，瓜爾豆膠降低老化度的作用效果最為明顯。

本課題以鮮菱角為原料，先制備菱角淀粉，然后通過(guò)特定的工藝制備菱角淀粉凝膠。通過(guò)選取不同類別的添加劑，設(shè)計(jì)空白組、單甘酯組、海藻酸鈉組及復(fù)合磷酸鹽組進(jìn)行對(duì)比，探討不同添加劑對(duì)菱角淀粉凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、凝膠強(qiáng)度及質(zhì)構(gòu)的影響，旨在為菱角淀粉凝膠食品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要材料

菱角：市售；海藻酸鈉、復(fù)合磷酸鹽、單甘酯：河南喜萊客生物有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

TA.XT plus物性測(cè)試儀 英國(guó)Stable Micro System公司；S-43000型掃描電子顯微鏡 日本日立公司；FA2004B電子分析天平 奧豪斯儀器有限公司；-80 ℃冰箱 北京愛(ài)立斯生物科技有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 武漢科爾儀器設(shè)備有限公司；冷凍干燥機(jī) 北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司；JMS-120膠體磨 上海羌迪機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 菱角淀粉的提取

將新鮮菱角去皮、洗凈后切成小塊，加入3倍的水浸泡約12 h，用膠體磨打漿，然后用200目的篩網(wǎng)過(guò)濾，收集濾液、濾渣加適量的水重復(fù)打漿，收集并合并濾液，靜置后棄去上清液，沉淀物于40 ℃下鼓風(fēng)干燥完全，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 菱角淀粉凝膠樣品的制備

取12 g菱角淀粉置于50 mL的燒杯中，加入15 mL蒸餾水溶解(單甘酯組樣品即將2‰的單甘酯溶于蒸餾水中,海藻酸鈉組樣品即將3‰的海藻酸鈉溶于蒸餾水中,復(fù)合磷酸鹽組樣品即將4‰的復(fù)合磷酸鹽溶于蒸餾水中)，攪拌均勻備用；取250 mL燒杯，加入90 mL 95 ℃的熱蒸餾水，置于95 ℃的恒溫水浴鍋中，將制備好的菱角淀粉漿液勻速加入250 mL燒杯的熱水中，勻速攪拌，水浴攪拌加熱20 min，然后置于室溫緩慢冷卻，待凝固后即可得到淀粉凝膠樣品。

1.3.3 菱角淀粉凝膠電鏡實(shí)驗(yàn)

樣品準(zhǔn)備：取凝膠樣品的中間部位，將4組樣品切片，均勻放置在準(zhǔn)備好的冷凍托盤(pán)中，并做好標(biāo)記，將冷凍干燥盤(pán)放入-18 ℃冰箱中預(yù)冷12 h左右，然后置于冷凍干燥機(jī)內(nèi)冷凍干燥50 h干燥結(jié)束后，取出凝膠片并研磨成粉，過(guò)100目篩，置于密封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

取一個(gè)電鏡樣品的底座，清理干凈后，在底座上貼上方形的導(dǎo)電膠，在導(dǎo)電膠上面均勻涂抹菱角淀粉凝膠樣品粉末，并輕輕按壓，用吸耳球吹去多余的粉末，然后進(jìn)行鍍金處理。

采用S-43000型掃描電子顯微鏡(SEM)，設(shè)定掃描電壓為15 kV，然后將樣品置于電子顯微鏡下放大不同倍數(shù)(500，2.0 K)，在不同角度下進(jìn)行觀察拍照。

1.3.4 菱角淀粉凝膠強(qiáng)度及質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定[7]

樣品制備：將水浴加熱20 min的淀粉凝膠流體倒入干凈的250 mL燒杯中，表面盡量整理平整，并保持凝膠樣品的高度一致，冷卻成型備用。

凝膠強(qiáng)度：采用TA.XT plus物性測(cè)試儀，測(cè)試探頭為P/0.5，測(cè)前速度為1.5 mm/s，測(cè)試速率為1.0 mm/s，測(cè)后速度為1.0 mm/s，穿刺深度為10 mm，觸發(fā)力為2 g。在測(cè)試前用同型號(hào)的空燒杯進(jìn)行調(diào)零。

質(zhì)構(gòu)特性：采用TA.XT plus物性測(cè)試儀，測(cè)試探頭為P/45，測(cè)前速度為1.0 mm/s，測(cè)試速率為2.0 mm/s，測(cè)后速度為1.0 mm/s，壓縮比為50%，觸發(fā)力為10 g，時(shí)間為5 s。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每組實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行2次平行實(shí)驗(yàn)，相對(duì)偏差不超過(guò)±0.5%，試驗(yàn)結(jié)果取兩次實(shí)驗(yàn)的平均值。每個(gè)樣品同一放大倍數(shù)的電鏡圖片共3張，從中選取效果較佳的1張。

2 結(jié)果與分析

2.1 菱角淀粉的基本成分

由表1可知，新鮮菱角除去水分以外，含量最多的為淀粉，其次是粗蛋白質(zhì)，還含有少量的礦物質(zhì)和粗脂肪。通過(guò)特定工藝提取的菱角淀粉，在其非水組分中，除去極少量的粗蛋白、粗脂肪和礦物質(zhì)以外，基本全為淀粉。

表1 新鮮菱角與菱角淀粉的理化成分對(duì)比Table 1 The comparison of physical and chemical components between fresh water chestnut and water chestnut starch

2.2 菱角淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定結(jié)果與分析

(a)空白組500倍

由圖1可知，當(dāng)放大倍數(shù)為500倍時(shí)，菱角淀粉凝膠呈現(xiàn)明顯的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)較為疏松,孔洞分布較均勻；當(dāng)放大倍數(shù)為2.0 K時(shí)，可見(jiàn)凝膠表面較為光滑，局部呈片狀。

(a)海藻酸鈉組500倍

由圖2可知，與空白組相比，海藻酸鈉組凝膠亦呈三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)相對(duì)緊實(shí)，孔洞結(jié)構(gòu)不明顯；當(dāng)放大至2.0 K倍時(shí)，可見(jiàn)其表面光滑度變差，局部顆粒狀較為明顯。海藻酸鈉是一種親水性多糖，可在各類食品中按生產(chǎn)需要適量使用，常用作增稠劑、膠凝劑和穩(wěn)定劑，在菱角淀粉凝膠體系中，海藻酸鈉高度分布于其中，并與水分子發(fā)生偶極-偶極相互作用，故而使得其孔洞結(jié)構(gòu)不明顯，結(jié)構(gòu)相對(duì)緊實(shí)；同時(shí)，可能由于海藻酸鈉相比菱角淀粉，其吸水速度相對(duì)較慢，在凝膠形成過(guò)程中還未充分吸水而導(dǎo)致其表面光滑度變差。

(a)單甘酯組 500倍

由圖3可知，與空白組相比，單甘酯組凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)明顯受到破壞，多呈碎片狀，無(wú)明顯的孔洞結(jié)構(gòu)，但其致密性尚好；當(dāng)放大至2.0 K倍時(shí)，可見(jiàn)其片層結(jié)構(gòu)明顯，局部出現(xiàn)少許斷裂，表面較為光滑。單甘酯即單硬脂酸甘油脂肪酸酯，可在各類食品中按生產(chǎn)需要適量使用，常用作乳化劑[8]，分布于菱角淀粉凝膠水相與油相的界面，在一定程度上阻斷了凝膠淀粉與水的相互作用，故而使得其結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，出現(xiàn)明顯的碎片。

(a)復(fù)合磷酸鹽組500倍

由圖4可知，與空白組相比，復(fù)合磷酸鹽組凝膠呈現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，部分孔洞較大，有少數(shù)斷裂現(xiàn)象；當(dāng)放大至2.0 K倍時(shí)，可見(jiàn)其片層結(jié)構(gòu)明顯，局部出現(xiàn)部分?jǐn)嗔?，表面尚為光滑。?fù)合磷酸鹽主要包括焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉及三聚磷酸鈉3種成分，可用于食用淀粉及方便米面制品，常用作水分保持劑[9]、酸度調(diào)節(jié)劑、穩(wěn)定劑及凝固劑，可溶于水相體系，并與水分子發(fā)生離子-偶極相互作用，故而使得其孔洞相對(duì)減少，結(jié)構(gòu)相對(duì)致密。

2.3 菱角淀粉凝膠強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果與分析

由表2可知，在應(yīng)力面積和應(yīng)變高度一定的條件下，復(fù)合磷酸鹽組的凝膠強(qiáng)度最大(336.616 g)，其次是海藻酸鈉組和空白組，單甘酯組的凝膠強(qiáng)度最小(162.930 g)。與空白對(duì)照組相比，復(fù)合磷酸鹽組的凝膠強(qiáng)度增加了76.49%，海藻酸鈉組的凝膠強(qiáng)度增加了47.62%，原因可能是復(fù)合磷酸鹽和海藻酸鈉與凝膠體系中的水分子相互作用，在一定程度上強(qiáng)化了菱角淀粉與水的相互作用，使得其強(qiáng)度顯著增加；與空白對(duì)照組相比，單甘酯組的凝膠強(qiáng)度降低了14.58%，原因可能是單甘酯定向于菱角淀粉菱角體系的水相和油相界面，在一定程度上阻斷了凝膠淀粉與水的相互作用，使得其強(qiáng)度有所降低。

表2 菱角淀粉凝膠樣品凝膠強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果Table 2 The determination results of gel strength of water chestnut starch gel samples

2.4 菱角淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定結(jié)果

由表3可知，在硬度方面，復(fù)合磷酸鹽組的硬度最大，單甘酯組的硬度最?。慌c空白對(duì)照組相比，復(fù)合磷酸鹽組硬度增加12.80%，海藻酸鈉組硬度增加1.84%，由此可見(jiàn)，復(fù)合磷酸鹽可明顯增強(qiáng)菱角淀粉凝膠樣品的硬度。與空白對(duì)照組相比，單甘酯組的硬度降低8.27%，原因可能是單甘酯作為乳化劑，在一定程度上可抑制淀粉的老化。在彈性方面，與空白對(duì)照組相比，海藻酸鈉組的彈性增加14.19%，單甘酯組的彈性增加6.11%，而復(fù)合磷酸鹽組略有增加，由此可見(jiàn)，海藻酸鈉和單甘酯均可改善菱角淀粉凝膠樣品的彈性。在耐咀性方面，與空白對(duì)照組相比，海藻酸鈉組降低5.14%，單甘酯組相差不大，而復(fù)合磷酸鹽組增加6.70%，由此可見(jiàn)，復(fù)合磷酸鹽可在一定程度上提升菱角淀粉凝膠樣品的耐咀性。

表3 菱角淀粉凝膠樣品質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定結(jié)果Table 3 The determination results of texture properties of water chestnut starch gel samples

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)果表明，海藻酸鈉、單甘酯及復(fù)合磷酸鹽均能影響菱角淀粉凝膠中水分子流動(dòng)程度及淀粉分子間相互作用，進(jìn)而改變了菱角淀粉凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、凝膠強(qiáng)度及質(zhì)構(gòu)特性，且不同類型的添加劑其影響效果各不相同。在生產(chǎn)實(shí)踐中，可根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需要，選擇適宜的添加劑類別，對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)進(jìn)行適度改良。此外，后期還將選用天然防腐劑[10]或生物保鮮劑，對(duì)菱角淀粉凝膠的穩(wěn)定性或保質(zhì)期進(jìn)行系統(tǒng)的研究，力求為菱角淀粉凝膠食品的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的依據(jù)。