不同木薯淀粉對凍融魔芋葡甘聚糖 凝膠特性的比較分析

徐聰，栗俊廣,2，張旭玥，趙電波,2，陳歷水，孫芳菲，白艷紅,2*

（1.鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室，河南鄭州 450001） （2.食品生產與安全河南省協同創(chuàng)新中心，河南鄭州 450001） （3.漯河市衛(wèi)龍生物技術有限公司，漯河市食品安全與營養(yǎng)健康重點實驗室，河南漯河 462000）

隨著休閑食品產業(yè)的不斷發(fā)展，以魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）為核心原料的凍融脫乙酰KGM凝膠在市場上受到廣泛關注，其代表性產品魔芋爽因其獨特的口感備受消費者的青睞。KGM在堿性條件下加熱脫去乙?；纬蔁岵豢赡婺z后[1-3]，再通過凝膠冷凍增強工藝，即凍融處理形成其獨特的質構特性[4-6]。凍融處理雖然能極大的增強KGM凝膠的機械強度，但經凍融處理后，凝膠析水現象嚴重，李曉飛等[7]發(fā)現30 g/L的KGM凝膠在凍融處理后析水率達到了50%。有研究認為KGM凝膠在冷凍過程中KGM分子的運動被限制，相互接觸而緊密結合，形成高分子聚集微區(qū)和非聚集微區(qū)，在解凍時非聚集區(qū)因為凝膠網絡被破壞而大量失水[8]。目前，關于KGM凝膠在凍融處理后的劇烈析水現象已經成為制約魔芋凝膠產品創(chuàng)新和品質提升的瓶頸問題。

針對這一問題，眾多學者利用KGM多糖和其他多糖如黃原膠、羧甲基殼聚糖、羧甲基纖維素等之間的協同作用以改善KGM凝膠特性[9-11]，Shang等[12]發(fā)現淀粉可有效改善凍融魔芋凝膠的析水現象。淀粉是食品工業(yè)中常見且廣泛應用的一種多糖。在原淀粉上經過物理、化學或酶改性形成的改性淀粉，可以不同程度的改善其抗凍性能[13]。目前市面上抗凍淀粉主要為酯化淀粉、交聯淀粉及交聯酯化淀粉等。王靜文等[14]發(fā)現添加醋酸酯淀粉（starch acetate，SA）可以有效降低冷凍水晶餃子皮的凍裂率，吳香[15]發(fā)現乙酰化二淀粉己二酸酯淀粉（acetylated di-starch adipate，ADA）可以有效提高肌原纖維蛋白凝膠的保水性，Arocas等[16]發(fā)現乙?；矸哿姿狨サ矸郏╝cetylated di-starch phosphate starch，ADP）可以有效降低奶油醬的解凍損失。但是利用改性淀粉改善凍融KGM凝膠析水現象和凝膠特性的研究鮮有報道，因此本文研究木薯淀粉（cassavastarch，CS）及三種以CS為基粉改性的SA、ADA和ADP淀粉對凍融KGM凝膠質構、保水性和結構的影響，為KGM/淀粉復合凝膠食品的開發(fā)提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 原料

S30903型號魔芋葡甘聚糖（KGM），上海源葉生物科技有限公司；木薯淀粉（CS）、木薯醋酸酯淀粉（SA）、木薯乙?；矸奂憾狨サ矸郏ˋDA）、木薯乙?；矸哿姿狨サ矸郏ˋDP），青州北聯淀粉有限公司；無水碳酸鈉，天津市大茂化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器

AB265-S分析天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；CR-GIII高速冷凍離心機，日本日立公司；TA-XT Plus質構分析儀，英國Stable Micro System公司；Vertex傅里葉變換紅外光譜儀，美國Bruker光學公司；D8 ADVANCE X射線衍射儀，荷蘭帕納科公司；STA449F3同步熱分析儀，德國耐馳儀器制造有限公司；SU8010冷場掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 凍融魔芋葡甘聚糖凝膠的制備

參考李晶等[2]的方法并稍加修改，在90 g去離子水中加入4 g魔芋葡甘聚糖，在6 g去離子水中加入0.48 g碳酸鈉，充分攪拌使魔芋完全溶解后，加入碳酸鈉堿液，以1500 r/min的轉速攪拌2 min后加入模具中封口溶脹2 h。將溶膠于95 ℃水浴鍋中隔水加熱1 h形成凝膠，待凝膠冷卻至室溫25 ℃后，于-18 ℃冰箱中冷凍12 h，隨后于25 ℃室溫下解凍6 h，即制得經凍融處理的魔芋葡甘聚糖凝膠（KGM）。

1.3.2 凍融魔芋葡甘聚糖/淀粉凝膠的制備

參考Shang等[12]的方法并稍加修改，在90 g去離子水中加入2.5 g魔芋葡甘聚糖和1.5 g淀粉充分溶解后，加入用0.48 g碳酸鈉完全溶解于6 g去離子水中的堿液，以1500 r/min的轉速攪拌2 min后在模具中封口溶脹2 h。后續(xù)制備方法如1.3.1所示，即制得經凍融處理的魔芋葡甘聚糖/木薯淀粉復合凝膠（KGM/CS）、魔芋葡甘聚糖/木薯醋酸酯淀粉復合凝膠（KGM/SA）、魔芋葡甘聚糖/木薯乙?；矸奂憾狨サ矸蹚秃夏z（KGM/ADA）、魔芋葡甘聚糖/木薯乙?；矸哿姿狨サ矸蹚秃夏z（KGM/ADP）。

1.3.3 質構分析

將經凍融處理后的凝膠切成10 mm高的圓柱體（底面直徑為25 mm），在質構分析儀中進行全質構分析，測試程序設定如下：使用P/36R探頭，壓縮形變量50%，觸發(fā)力5 g，測前速度2 mm/s，測中及側后速度1 mm/s，間隔時間5 s，即得到凍融凝膠的質構特性。

1.3.4 析水率和持水率的測定

析水率和持水率的測定參照Zhang等[17]的方法，記錄加熱后冷卻至室溫的凝膠質量為a，將經凍融處理后的凝膠用濾紙輕輕擦去表面水分，記錄質量為b，將擦去表面水分的凝膠在離心機中4 ℃下10000 r/min離心20 min后擦去表面水分，記錄質量為c。

1.3.5 傅里葉變換紅外光譜分析

參考Xia等[18]的方法，在400～4000 cm-1范圍內，測定冷凍干燥凝膠樣品的傅里葉變換紅外光譜。

1.3.6 結晶度分析

參考Liu等[19]的方法并稍加修改，在5 °至90 °范圍內，以0.02 °的步長測定冷凍干燥凝膠樣品的X射線衍射圖譜。

1.3.7 熱穩(wěn)定性分析

參照Zhu等[20]的方法并稍加修改，將約10 mg樣品在同步熱分儀中以氮氣為保護氣，從50 ℃以10 ℃/min加熱到200 ℃，記錄樣品隨溫度變化的質量損失。

1.3.8 微觀形貌觀察

參照李培源等[7]的方法并稍加修改，將2 cm立方的凝膠在液氮中迅速冷凍后，在-80 ℃下升華10 min后切片并噴金，送入高真空的冷場電子掃描顯微鏡中觀察凝膠切面的微觀結構。

1.3.9 數據處理

以上所有實驗均采用三次重復，所有圖表均使用Origin 2018軟件繪制，使用SPSS 22.0軟件進行顯著性分析，p<0.05為顯著性差異。

2 結果與討論

2.1 不同木薯淀粉對凍融魔芋葡甘聚糖凝膠質構特性的影響

由表1可知，相比于凍融KGM凝膠，使用不同木薯淀粉替代部分魔芋葡甘聚糖所制備的凍融復合凝膠的硬度、咀嚼性及回復性顯著降低（p<0.05），彈性和內聚性無明顯變化（p>0.05）。硬度、咀嚼性及回復性的變化可能是由于相比于四種淀粉，魔芋葡甘聚糖的粘度更高，形成的網狀結構更致密，在凝膠壓縮形變至50%時所承受的力也越大，因此凍融復合凝膠的硬度、咀嚼性及回復性均顯著降低。彈性和內聚性無明顯變化則表明使用不同種類的木薯淀粉代替部分魔芋葡甘聚糖對凍融凝膠的彈性及內聚性無明顯影響。在四種凍融復合凝膠中存在的質構特性的差異表明變性淀粉的種類對凍融復合凝膠的質構特性有直接影響，其中KGM/ADA和KGM/ADP復合凝膠的硬度、咀嚼性及回復性相比于其余兩種凍融復合凝膠有顯著提高，這可能是由于ADA和ADP淀粉均屬于交聯酯化淀粉[21]，在加工中引入了有機酯鍵，酯鍵相互交聯而形成了交聯鍵[22]，提高了淀粉內部與外部的聯系，繼而提高了交聯密度，使其能更好的填充在KGM凝膠網絡內部，從而提高了凍融凝膠的硬度、咀嚼性及回復性，這一點與鄭羅燕[22]的結果相類似。綜合五種凍融凝膠的質構特性，使用ADP淀粉代替部分魔芋葡甘聚糖所制備的凍融復合凝膠與凍融KGM凝膠的硬度和咀嚼性差異最?。╬<0.05），硬度從274.36 g下降至176.33 g，咀嚼性從130.57 g下降至79.32 g，且彈性、內聚性及回復性無顯著差異（p>0.05）。硬度和咀嚼性的降低可能會影響感官評價得分，但針對凍融KGM凝膠的質構特性中的硬度和咀嚼性與感官評價的正負相關性還需要進一步研究。

2.2 不同木薯淀粉對凍融魔芋葡甘聚糖凝膠保水性的影響

圖1a和圖1b分別為不同木薯淀粉對凍融魔芋葡甘聚糖凝膠析水率及持水率的影響。析水率和持水率是反應凝膠凍融后保水性的重要指標，凝膠在冷凍中冰晶的形成很容易破壞復合凝膠的網絡結構[23]，從而導致解凍過程中的高度脫水收縮，繼而影響凝膠的物理特性或功能特性。由圖1a可知，使用淀粉代替部分魔芋葡甘聚糖可以顯著降低凍融KGM凝膠的析水率，同時，KGM/ADP復合凝膠的析水率相比于最高的KGM凝膠從29.75%下降至8.71%。持水率反映了凝膠在凍融后的水分保持能力，從圖1b中可以發(fā)現，KGM/ADP復合凝膠的持水率為87.42%，最低的KGM/CS復合凝膠僅為64.78%，KGM凝膠為73.68%。綜合析水率和持水率可以發(fā)現，淀粉替代部分魔芋葡甘聚糖可以顯著提高凍融KGM凝膠的保水性，這與Shang等[12]的結論相一致，四種復合凝膠中保水性最好的是KGM/ADP凝膠，這可能是由于ADP淀粉中的有機酯鍵相互交聯[24]，有效提高了淀粉的潤脹率，能更好的吸收凝膠凍融中脫水收縮析出的水分，繼而降低析水率。同時，由于ADP淀粉引入的乙?；?，增強了淀粉內部與外部的聯系，提高了交聯密度，促進了凝膠強度的同時能使凝膠保持更多的水分。但析水率和持水率的趨勢的不同可能是由于ADP相比其他三種淀粉以及魔芋葡甘聚糖的抗凍性能更好，因而KGM/ADP凝膠表現出更低的析水率，但更低的析水率表明凝膠中含有更多的水分，這導致了持水率與析水率的趨勢不同，這與Liu等[25]的結論一致。

2.3 傅里葉變換紅外光譜分析

復合凝膠及KGM凝膠的傅里葉紅外吸收光譜如圖2a所示，不同木薯淀粉及堿處理后的淀粉的傅里葉紅外吸收光譜如圖2b所示。在圖2a中1725 cm-1處均未表現出吸收峰，此處為羰基的伸縮振動峰[26]，與魔芋葡甘聚糖分子的特征乙?；鶊F有關，這表明使用不同木薯淀粉代替部分魔芋葡甘聚糖不會影響葡甘聚糖的脫乙酰行為。雖然SA、ADA和ADP三種淀粉中同樣帶有乙酰基[27-29]，但復合凝膠粉末未在此處顯現出吸收峰，由此可以推斷出魔芋葡甘聚糖分子及SA、ADA和ADP在堿處理后都脫去乙?；膱D2b中可以看出，CS及堿處理后的CS由于分子中沒有乙酰基，在1725 cm-1均未表明出吸收峰，而SA、ADA和ADP在堿處理前在1725 cm-1表現的吸收峰在堿處理后均消失了，證明了上述推斷，這表明復合凝膠在制備中的堿處理不僅脫去了魔芋葡甘聚糖的乙酰基，也能脫去SA、ADA和ADP中的乙?；Ｒ蚨鴱秃夏z及KGM凝膠所表現出的凝膠特性的差異可能也與脫去乙?；@一行為相關，但具體機制還需進一步研究。

2.4 結晶度分析

復合凝膠及KGM凝膠的X射線衍射圖譜如圖3所示，所有凝膠均在在20 °左右時出現一個明顯的彌散峰，且沒有明顯特征峰。Yuan等[30]研究發(fā)現KGM呈現無定形狀態(tài)，結晶程度小，而淀粉/魔芋復合凝膠的XRD圖譜與KGM凝膠無明顯差異，這表明CS、SA、ADA、ADP這四種淀粉對KGM分子結晶形態(tài)的影響微弱。

2.5 熱穩(wěn)定性分析

復合凝膠及KGM凝膠的熱降解曲線如圖4所示，從50～200 ℃的熱降解曲線中，大致可以分為兩個階段，在50 ℃至約125 ℃中出現的較大的質量損失，Huang等[31]發(fā)現該溫度段的質量損失可能是由于凍干凝膠樣品中游離水損失，在這段質量損失中，其質量損失的一階導數即質量相對于溫度的質量損失率的峰值在約92 ℃附近，在此溫度下KGM凝膠的質量損失最小，這可能是由于相比于四種復合凝膠而言，KGM凝膠凍干后由于凝膠中含有的魔芋葡甘聚糖較多，在脫去乙?；鶊F后表現出的疏水性較強，吸收空氣中的游離水也最少，繼而質量損失也較為緩慢。在125～200 ℃中，四種復合凝膠一直保持相對平緩的質量損失，且KGM/ADP復合凝膠的質量最大，質量損失最低，KGM凝膠質量迅速損失，在200 ℃時已經低于四種復合凝膠，在質量損失一階導數圖中，可以明顯看出KGM凝膠出現兩個較大的質量損失率點，分別為150 ℃和180 ℃，Zhang等[32]發(fā)現該溫度段可能是凝膠樣品中的結合水的損失溫度，這表明復合凝膠樣品的結合水保持能力強于KGM凝膠，且KGM/ADP凝膠對結合水的保持能力最強，這與持水率的結論一致，綜合KGM凝膠與復合凝膠在兩大溫度段的質量損失，使用ADP淀粉代替部分魔芋葡甘聚糖所制備的復合凝膠相比于KGM凝膠在125～200 ℃的煎炒溫度段質量損失更低，但在50～125 ℃的蒸煮溫度段質量損失相比于KGM凝膠更高。

2.6 微觀形貌觀察

不同木薯淀粉對凍融魔芋葡甘聚糖凝膠微觀結構的影響如圖5所示，在凝膠的微觀結構中普遍存在的網狀結構，其壁層很薄，褶皺豐富，這與Pang等[33]的觀察結果類似。凝膠內部的網狀結構朝向各異。對比KGM凝膠和復合凝膠的微觀結構圖可以發(fā)現，KGM凝膠網狀結構最為致密，使用CS、SA、ADA、ADP所制備的復合凝膠網狀結構孔隙較大。但KGM/ADP凝膠的網狀結構最均勻有序，其次是KGM/SA凝膠，KGM/CS凝膠和KGM/ADA凝膠類似，KGM凝膠網絡結構孔隙大小最不均一。這可能是由于復合凝膠經凍融處理后脫水收縮程度小，析水率低，凝膠中含有的水分相較于KGM凝膠更多。KGM凝膠因大量失水而導致凝膠網絡結構被破壞，整體向內擠壓，網狀結構就更為致密，這也表現在KGM凝膠切面網狀結構不均勻上。KGM/ADP凝膠的網狀結構最均勻有序可能是由于ADP淀粉的因改性引入的交聯酯鍵，提高了交聯密度，對KGM網絡結構的支撐作用更好，在凍融處理后，凝膠脫水收縮程度小且均勻，凝膠向內擠壓的程度小。這與析水率的結果一致。即使用ADP淀粉替代部分魔芋葡甘聚糖后所制備的凝膠經凍融處理后抗脫水收縮的能力提高，雖然擴大了凝膠的孔隙，但提高了凝膠內部的均一性，繼而提高了產品的質量穩(wěn)定性。

3 結論

不同木薯淀粉均可以降低凍融KGM凝膠的析水率，降低凝膠硬度同時不影響凝膠的彈性，其中凍融KGM/ADP凝膠特性最佳。相比于KGM凝膠，KGM/ADP凝膠析水率從29.75%下降至8.71%，持水率從73.68%提高至87.42%，硬度從274.36 g下降至176.33 g，彈性、內聚性及回復性無顯著差異。紅外光譜和XRD分析顯示淀粉替代部分魔芋葡甘聚糖不會影響葡甘聚糖的脫乙酰行為和結晶形態(tài)。熱降解曲線表明不同木薯淀粉可以提高凍融KGM凝膠的熱穩(wěn)定性且使用ADP淀粉的復合凝膠的熱穩(wěn)定性最佳。微觀形貌觀察表明，不同木薯淀粉可以提高凍融KGM凝膠的抗脫水收縮能力且使用ADP淀粉的復合凝膠的抗脫水收縮能力最強。