海藻酸鈉和低甲氧基果膠抑制油炸甘薯淀粉吸油效果及結構變化

房子蔚，王雨生，李 鑫，陳海華,2?

（1. 青島農業(yè)大學 食品科學與工程學院，山東 青島 266109；2. 青島農業(yè)大學 巴瑟斯未來農業(yè)科技學院，山東 青島 266109）

中國的甘薯種植面積和產量均居世界首位，為國內第四大糧食作物[1]。甘薯富含淀粉、多酚、β-胡蘿卜素等營養(yǎng)成分，作為健康食品受到消費者的青睞[2]。油炸是一種深受消費者歡迎的傳統加工技術，能使食品產生酥脆口感、金黃色澤和獨特的油炸風味，被廣泛用于淀粉類食品的工業(yè)化生產和家庭烹飪，如薯條、甜甜圈、方便面等[3-4]。油炸過程中，加熱溫度高，食品表面水分會迅速蒸發(fā)，產生蒸氣梯度，促使內部的水分向表面遷移，導致食物表面產生較多的孔洞，增加了食品對油的吸收[5]，因而，油炸食品通常具有較高的油含量。Chen等[6]發(fā)現，油炸過程中馬鈴薯淀粉的吸油量與淀粉結晶結構的破壞有關，且淀粉顆粒越小吸油越多。而高油含量食品并不利于身體健康，有研究表明，心血管和腦血管疾病的高發(fā)可能與過多食用高油含量食品有關[7]。因而很多研究又關注于如何調控油炸食品吸油率，如優(yōu)化油炸條件、改變油炸食品的初始含水率、添加親水膠體等[8]。Chen等[9]指出調節(jié)面糊中小麥淀粉和小麥蛋白的比例，可以降低油炸魚塊的油含量。其中，添加親水膠體是一種簡便、安全的控油方法。親水膠體含有較多的親水基團——羥基，能在食品油炸時與淀粉相互作用，形成物理屏障層，抑制食品吸油[10]。研究發(fā)現，黃原膠、果膠和β-葡聚糖等親水膠體均可抑制油炸甘薯淀粉吸油[11]。Chen等[8]研究發(fā)現油炸普魯蘭多糖-玉米淀粉混合物的結構比油炸玉米淀粉結構更致密，減少油炸過程中油分子滲入玉米淀粉，從而抑制玉米淀粉吸油。Oh等[12]掃描電鏡結果顯示添加松香糖后方便面表面光滑，多孔結構少，使得方便面的油含量降低了20.8%。

AG和LMP均為含羧基的親水膠體，常作為穩(wěn)定劑、增稠劑等用于糕點、凝膠食品，可有效抑制有害金屬（如鎘、鉛）等在體內積累[13-14]。然而，目前關于采用AG和LMP在油炸食品中的控油研究較少，本文以甘薯淀粉、AG和LMP為研究對象，探討親水膠體的種類和添加量對油炸甘薯淀粉的油含量及其分布、熱性質和結構等的影響，以期為開發(fā)低油脂含量的油炸淀粉類食品提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯淀粉（sweet potato starch，SPS），直鏈淀粉含量 21.1%，食品級：青島駿廚有限公司；海藻酸鈉（sodium alginate，AG），甘露糖醛酸與古洛糖醛酸的比值約為 1.17，食品級：青島明月海藻集團有限公司；低甲氧基果膠（low methoxy pectin，LMP），酯化度40%，食品級：鄭州萬搏化工產品有限公司；菜籽油，食品級：山東魯花集團有限公司；石油醚，分析純：萊陽康德化工有限公司；尼羅紅，分析純：北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設備

NMI20-040V-I低場核磁共振儀(low-field NMR，LF-NMR)：蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；Hitachi S-3400N掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)：日本日立株式會社；TCSSP5激光共聚焦顯微鏡(laser confocal microscope，CLSM)：德國徠卡儀器有限公司；DSC1型差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter，DSC)：瑞士梅特勒-托利多公司；D8 ADVANCE X射線衍射儀(X-ray diffractometer，X-ray)：德國布魯克AXS有限公司；iS10紅外光譜儀(infrared spectrometer，ATR-FTIR)：美國熱電尼高力公司；DF35A油炸鍋：桂林萬卓商貿有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 油炸淀粉樣品制備

參照Chen等[8,10]的方法，稱取5 g甘薯淀粉與蒸餾水混合，調節(jié)水分質量分數為甘薯淀粉的30%，在室溫靜置24 h平衡水分后，放入400目的篩網中，將篩網浸入170 ℃的菜籽油中，油炸5 min后取出篩網，瀝干，冷卻至室溫。所得樣品記為 Frying starch（FS）。

將上述蒸餾水分別更換為AG水溶液（AG質量分數為0.5%和2%，以甘薯淀粉干基為100%計，下同）和LMP水溶液（LMP質量分數為2%），重復上述步驟，所得樣品分別記為FS+0.5%AG、FS+2%AG、FS+2%LMP，用于測定總含油質量分數和表層油質量分數。預實驗結果發(fā)現2%AG抑制油炸甘薯淀粉吸油效果優(yōu)于 0.5%AG，所以本文通過用2%LMP與2%AG對比研究兩種親水膠體抑制油炸甘薯淀粉的吸油效果。

分別向 FS、FS+0.5%AG、FS+2%AG、FS+2%LMP的油炸樣品中加入 3倍體積的石油醚并充分攪拌后靜置5 min，倒掉上清液，重復3次。沉淀于室溫下干燥至恒重，研磨，過100目篩，脫油后的樣品分別記為 FSPS、FSPS+0.5%AG、FSPS+2%AG、FSPS+2%LMP用于測定掃描電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、結晶特性和熱性質。

1.3.2 總含油質量分數測定

油炸淀粉樣品中總含油質量與樣品質量之比即為樣品的總含油質量分數（CT，mg/g）。參照Chen等[8]的方法，采用 LF-NMR法測定 CT。準確稱取適量菜籽油于10 mL燒杯中，用保鮮膜密封后，將燒杯放入直徑25 mm的核磁管。測試前，樣品在核磁儀器中預熱 3 min，質子衰變信號由Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列捕獲，測量溫度為 32 ℃，等待進樣時間為 6 000 ms，回聲次數為6 000，回波時間為0.25 ms，重復掃描32次，記錄不同質量菜籽油的橫向弛豫譜。以氫質子信號峰強度為縱坐標，菜籽油質量為橫坐標，經線性擬合得標準曲線方程：y=0.074 3x+7.807，R2=0.950 5。

準確稱取油炸后瀝干的樣品m2（1.00±0.03）g，按上述方法，測定樣品的橫向弛豫譜，記錄橫向弛豫峰強度，根據標準曲線方程確定樣品中菜籽油質量，即總含油質量m1，根據CT=m1/m2計算樣品的CT。

1.3.3 表層油質量分數測定

樣品中表層油質量與樣品質量之比為表層油質量分數（CS，mg/g），其測定方法參照Chen等[14]的 ATR-FTIR法并稍做修改。準確稱取一定量菜籽油溶于石油醚中配制不同質量分數的菜籽油石油醚溶液，使用 ATR-FTIR采集菜籽油石油醚溶液的紅外信號。1 743 cm-1處的峰代表菜籽油。因此，以1 743 cm-1處菜籽油的峰面積為縱坐標，以菜籽油質量分數為橫坐標，經線性擬合得標準曲線方程：y=0.218x +0.003 4，R2=0.990 3。

取適量油炸后瀝干的樣品，使用 ATR-FTIR采集樣品的紅外信號，計算1 743 cm-1吸收峰面積，并根據曲線方程確定樣品中的表層油質量分數 CS。

1.3.4 掃描電子顯微鏡觀察

油炸甘薯淀粉的表觀形貌觀察參考Wang等[15]的方法并稍做修改。將 FSPS樣品粉末固定在掃描電子顯微鏡的樣品臺上，再噴上一層金薄膜，在5 kV加速電壓下放大5 000倍觀察油炸淀粉的表觀形貌。

1.3.5 激光共聚焦顯微鏡觀察

用新配制的1 g/mL尼羅紅乙醇溶液對FSPS淀粉樣品染色后，于 4 ℃暗處放置 12 h，經 3 500 r/min 離心15 min，所得沉淀用無水乙醇洗滌3次，去除多余的染料。將染色樣品置于載玻片上，用激光共聚焦顯微鏡觀察樣品中油的分布，激發(fā)波長為488 nm，放大200倍觀察。

1.3.6 熱性質測定

參照 Yu等[16]方法，在高純度氮氣氣氛下，用差示掃描量熱儀測定油炸甘薯淀粉的熱性質。準確稱量6 mg FSPS淀粉樣品至40 μL鋁坩堝中，加入12 μL蒸餾水后密封鋁坩堝，在室溫下平衡過夜。以空鋁坩堝作為參比，以 10 ℃/min的速度將樣品從25 ℃升溫至130 ℃，記錄DSC曲線。利用熱分析軟件（STAReEvaluation software）計算糊化起始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、終止溫度（Tc）和糊化焓（ΔH）等參數。

1.3.7 結晶特性的測定

參考Zhang等[17]的方法，用X-Ray測定FSPS淀粉樣品的結晶度。X-Ray的工作電壓和電流分別為40 kV和40 mA，測定溫度為25 ℃，掃描范圍為 4°～40°，掃描速率為 1.0（°/min）。根據X-Ray衍射圖譜，用結晶區(qū)面積與總面積的比值來計算淀粉的相對結晶度（relative crystallinity，RC）。

1.4 數據分析

采用軟件SPSS 17.0和Origin 8.0進行數據和圖像的處理與分析。數據以平均值±標準差的形式表示，利用LSD和Duncan多重比較法分析不同處理樣品間的差異顯著性（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 總含油質量分數

LF-NMR法是一種常用的分析樣品中含油量的方法，具有方便、快速等優(yōu)點。20～1 000 ms的弛豫峰是菜籽油的特征峰（圖 1），其強度與菜籽油質量成正比[8]。

根據圖1和圖2，FS的弛豫峰最強，CT最大，分別為36.8 a.u.和390 mg/g。添加親水膠體顯著改變了油炸淀粉的弛豫譜，不同樣品的弛豫峰強和CT降低了13%～35%。Chen等[8]報道添加普魯蘭多糖能降低油炸玉米淀粉的油含量，Oh等[12]報道添加松二糖降低了油炸方便面的油含量。添加AG的質量分數由0.5%升高至2%時，CT降低了22%，說明油炸過程中提高AG的質量分數能有效抑制淀粉吸油。將AG更換為相同質量分數的LMP時，FS+2%LMP的CT比FS+2%AG增加了25%，即AG抑制油炸淀粉吸油效果更顯著。親水膠體能夠抑制淀粉吸油，這可能是由于親水性膠體包裹在淀粉顆粒表面，形成物理屏障，阻礙了油脂向淀粉顆粒內部的滲透，減少了油炸淀粉的 CT[18]。與 LMP相比，AG具有更好的抑制吸油效果則可能是由于相同質量分數的 AG和LMP溶液，AG的黏度較高，且AG濃度越高，黏度越大，包裹淀粉顆粒的能力更強，形成的物理屏障更致密，表現出更強的阻礙油向淀粉顆粒內部滲透的能力。

圖1 油炸甘薯淀粉樣品的橫向弛豫譜Fig.1 CPMG proton distributions of FSPS with addition of AG and LMP

圖2 油炸甘薯淀粉樣品的含油質量分數Fig.2 The total oil content and surface oil content of FSPS with the addition of AG and LMP

上述結果表明，添加親水膠體可以抑制油炸過程中淀粉的吸油行為，抑制效果與親水膠體種類和添加量有關。

2.2 表層油質量分數

ATR-FTIR法是一種可靠的油脂定性/定量分析方法，ATR-FTIR光譜中，1 743 cm-1處的吸收峰是菜籽油的特征峰，峰面積越大，則樣品表層油質量分數越大[19]，因此1 743 cm-1處吸收峰面積可以用于定量分析油炸淀粉的CS[14]。如圖3所示，淀粉樣品經油炸后，在1 743 cm-1處生成一個明顯的吸收峰，這正是菜籽油的特征峰，說明油炸后樣品表面吸附了一定量的菜籽油。不同處理的特征峰面積有明顯差別，未添加AG或LMP的甘薯淀粉油炸后的特征峰最強，添加親水膠體的吸收峰明顯減弱，說明親水膠體顯著影響了油炸淀粉的吸油能力。

圖3 油炸甘薯淀粉樣品的紅外光譜Fig.3 The ATR-FTIR spectra of FS with AG and LMP

在所有樣品中，FS的CS最高（圖2），為320 mg/g。油炸過程中，與淀粉顆粒內部相比，表層淀粉分子間的氫鍵更容易被較高的油溫破壞，使表層淀粉吸水增多，淀粉結構變得疏松多孔，容易吸附油脂，因此淀粉顆粒表面吸附油多[14]。添加 AG或LMP后，CS顯著降低了20～210 mg/g，表層吸油明顯被抑制。Yang等[20]也發(fā)現，添加親水膠體可顯著降低油炸淀粉的表層油含量。添加的親水膠體包裹在淀粉顆粒表面，減少了淀粉與油的接觸，可能是降低CS的主要原因[8]。

與 FS+0.5%AG相比，FS+2%AG的 CS降低了約33%，說明提高AG的添加量可以進一步降低油炸淀粉的CS。Chen等[6]研究類似地得出，油炸玉米淀粉的表層油含量隨普魯蘭多糖的質量分數的增加而降低。與FS+2%AG相比，FS+2%LMP的表層油含量較高，說明添加相同質量分數的AG和LMP，AG抑制油炸甘薯淀粉表層吸油效果更好，這與AG溶液的黏度大、吸水能力和持水能力強，易在淀粉顆粒表面形成致密保護層，使淀粉糊化程度增加，淀粉的比表面積減少，與油的接觸面積減少可能有關系[21-22]。

另外，所有油炸淀粉樣品中，CT/CS約為80%（圖2），說明油炸過程中淀粉吸收的油主要分布在淀粉表層，Moreir等[23]同樣發(fā)現油炸馬鈴薯片的表層油占總含油量的比值很高。

上述結果表明，油炸過程中，淀粉的吸油以表面吸附為主。添加親水膠體后可以在淀粉表層形成致密的保護層，減少了油炸過程中油脂向淀粉表層的滲入，從而降低了淀粉表層的油含量。

2.3 微觀結構

掃描電鏡常用于觀察食品加工前后淀粉顆粒形態(tài)和尺寸變化[15]。如圖 4A所示，油炸后，甘薯淀粉顆粒發(fā)生一定程度的膨脹，但依然保持較好的顆粒形態(tài)，顆粒間形成大的團聚體。這可能是因為油炸過程中滲漏的直鏈淀粉沉積在淀粉顆粒周圍，淀粉顆粒因此相互粘結[8,24]。添加親水膠體后，淀粉明顯容易糊化，添加AG質量分數為0.5%的油炸甘薯淀粉，表面淀粉顆粒糊化，冷卻后形成光滑的膜狀結構覆蓋在淀粉顆粒表面，但內部依然有明顯的、未完全糊化的塊狀淀粉顆粒存在（圖4B）；提高AG質量分數至2%后油炸，淀粉幾乎完全糊化，顆粒消失，呈連續(xù)、致密的結構（圖4C）。而將AG更換為相同質量分數（2%）的LMP時，油炸淀粉中存在明顯的未糊化淀粉顆粒（圖4D）。這說明，提高AG的添加量，會促進油炸甘薯淀粉的糊化，而相比LMP，添加相同質量分數的AG更有利于甘薯淀粉的糊化，形成一層連續(xù)致密膜狀結構覆蓋在淀粉顆粒表面，這可能是油炸甘薯淀粉中油含量降低的原因。

圖4 掃描電子顯微鏡觀察油炸甘薯淀粉表面形貌照片（5000×）Fig.4 Scanning electron micrographs of FSPS (A),FSPS+0.5% AG (B), FSPS+2% AG (C) and FSPS+2% LMP (D)

2.4 油相分布

CLSM 能從微觀水平上觀察樣品內部油相的分布。通常，熒光染色劑尼羅紅在油脂豐富的環(huán)境中發(fā)出綠色熒光，可根據顯微照片中綠色區(qū)域的亮度和分布（圖 5）推斷油炸樣品中油含量和油相分布的變化[25]。圖5中，未添加親水膠體的甘薯淀粉油炸后，熒光最明亮（圖5B），綠色熒光集中分布在淀粉顆粒表面，這說明FSPS油含量很高，且油主要分布在顆粒表面。添加親水膠體明顯降低了油炸甘薯淀粉的熒光強度，改變了熒光分布區(qū)域，FSPS+2%AG（圖5D）的熒光強度最弱，顆粒內部油脂分布更為均勻，雖然顆粒表面存在少許的、面積很小的明亮熒光點，但與FSPS相比，表面熒光強度明顯降低、范圍減小，說明表層含油量占比降低，這與圖2中表層油分布變化一致。

分析上述結果說明，添加親水膠體 AG和LMP顯著降低了油炸淀粉的油含量，表層油分布減少，AG的控油效果更明顯，提高AG的添加量可以進一步提高其抑制吸油效果，明顯降低油炸淀粉表層油含量。Chen等[8]研究發(fā)現普魯蘭多糖和果膠均能降低油炸過程中淀粉對油的吸收，這可能是因為隨著油炸過程中水分不斷的損失，親水膠體逐漸析出并沉積于淀粉顆粒表面，形成一層物理隔離膜，減少油的吸附[20,26]。淀粉顆粒內部之所以出現較為均勻的熒光分布可能是由于AG和LMP的添加促進了油炸過程中甘薯淀粉的糊化，使直鏈淀粉形成單螺旋結構，更容易與油脂結合形成淀粉-脂復合物，分布于顆粒內部。另外，LMP本身含有疏水基團，油炸過程中，部分LMP的疏水基團與淀粉分子通過疏水相互作用形成復合物，也促進了顆粒內部熒光的呈現。

2.5 熱性質

DSC是研究淀粉熱力學性質的常用方法。加熱過程中，淀粉的相變溫度（即糊化轉變溫度）反映淀粉晶體熔融的難易程度，相變焓（即糊化焓ΔH）則與淀粉雙螺旋結構或淀粉結晶結構的損失有關[27]。如圖6所示，FSPS有一個明顯的吸熱峰，糊化轉變溫度 To、Tc、Tp和糊化焓 ΔH分別為66.25 ℃、71.68 ℃、79.41 ℃和2.85 J/g。添加親水膠體AG或LMP后，糊化轉變溫度和糊化焓值均明顯降低。與FSPS相比，FSPS+2%AG和FSPS+2%LMP的To分別降低了1.75 ℃、1.03 ℃，ΔH分別降低了2.13 J/g和1.73 J/g，即添加親水膠體能促進油炸甘薯淀粉的糊化，這與前文所述結果一致。Chen等[8]研究發(fā)現，加入普魯蘭多糖可以降低油炸玉米淀粉的To，這可能是由于親水膠體具有較強的持水能力，能夠減少油炸過程中水分的散失，充足水分的存在有利于淀粉從晶態(tài)向無定形態(tài)的轉變。

圖6 油炸甘薯淀粉樣品的DSC圖譜Fig.6 DSC curve of FSPS with or without AG and LMP

與FSPS+0.5%AG相比，FSPS+2%AG的ΔH降低了1.60 J/g，這說明提高AG的添加量能夠促進油炸過程中淀粉結構的破壞，Li等[13]也發(fā)現，AG的添加量越高，結合的水分越多，油炸過程中馬鈴薯淀粉結構破壞的程度越高。與 FSPS+2%LMP相比，FSPS+2%AG的ΔH更低，這應該與AG的吸水能力更強有關，可以為淀粉提供更多的水分，促進淀粉晶體結構的破壞和淀粉顆粒的糊化[28]。

2.6 結晶特性

XRD常用于研究淀粉與添加劑之間的相互作用。如圖 7所示，FSPS 在 2θ 為 15.19°、17.13°、18.02°、20.05°和 22.96°處存在強衍射峰，即油炸后甘薯淀粉顆粒仍保持較好的結晶結構，為A+V型結晶，相對結晶度為13.6%。添加AG或LMP后，油炸甘薯淀粉僅在 20°有一個強衍射峰，其他的衍射峰幾乎完全消失，結晶結構轉變?yōu)榈湫偷腣型，這與Chen等[8]的研究結果一致，說明添加親水膠體后，油炸過程中甘薯淀粉顆粒原有的結晶結構被破壞，并形成了呈V型結晶結構的淀粉-脂復合物[17]。

圖7 油炸甘薯淀粉樣品的X射線衍射圖譜Fig.7 The X-ray diffraction patterns of FSPS with the addition of AG and LMP

與FSPS相比，添加AG或LMP后的油炸甘薯淀粉相對結晶度明顯降低，且AG的添加量越高，相對結晶度越低，FSPS+0.5%AG的相對結晶度為9.1%，FSPS+2%AG的相對結晶度為5.7%，分別比FSPS降低了4.5%和7.9%，Chen等[8]也有類似發(fā)現。親水膠體包裹在淀粉表面，可以阻止油炸時淀粉中水分的損失，有利于淀粉的糊化[29]，提高AG添加量后，AG進一步保護甘薯淀粉中水分，從而促進淀粉的糊化、結晶結構的破壞，降低相對結晶度[30]。Chen等[6]也發(fā)現提高水分含量能降低油炸淀粉的相對結晶度。另外，提高 AG含量并沒有提高油炸后樣品的相對結晶度，說明形成的V型結晶結構減少，這可能是由于AG質量分數較低時，淀粉糊黏度較小，滲漏的直鏈淀粉可以與油形成淀粉-脂復合物，冷卻后呈 V型結晶結構；而AG質量分數較高時，滲漏的直鏈淀粉首先與較多的AG相互作用，形成更加致密的三維網絡空間，使淀粉糊黏度大增，從而阻礙了直鏈淀粉與油的接觸和淀粉-脂復合物的形成，導致相對結晶度較低。

與FSPS+2%AG相比，FSPS+2%LMP的相對結晶度增加了1.5%，說明親水膠體種類影響油炸甘薯淀粉的相對結晶度，且添加AG后油炸甘薯淀粉的相對結晶度降低程度更大。Chen等[8]研究發(fā)現，添加果膠的油炸玉米淀粉的相對結晶度明顯高于添加普魯蘭多糖的樣品。這可能是由于LMP含有較多的疏水基團，與淀粉分子通過疏水相互作用結合，抑制了油炸過程中淀粉分子鏈的遷移，可以減少油炸對淀粉有序結構的破壞[13]。

3 結論

本文研究了添加不同質量分數的AG和LMP對油炸甘薯淀粉吸油率的影響。結果表明，AG和 LMP的添加顯著降低了油炸甘薯淀粉的油含量，且AG抑制效果更好。提高AG的質量分數能進一步促進油炸淀粉糊化，形成連續(xù)、致密結構，并形成一定量的淀粉-脂復合物，減少油炸甘薯淀粉顆?？傆秃亢捅韺佑秃?。本研究為開發(fā)健康、低油的油炸淀粉食品提供了理論依據。