甜菜果膠對小麥淀粉老化的影響

王 心，閆璟圓，張 倩，許 歡，陳曉明，徐 磊

（淮陰工學(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)院 江蘇淮安 223003）

小麥?zhǔn)鞘澜缟蠌V泛種植的作物之一，可作為主要原料制作多種面制品，在我國居民日常飲食結(jié)構(gòu)中占有重要地位。小麥淀粉占小麥籽粒干基質(zhì)量的65%～75%，是小麥粉的主要成分，通常直鏈淀粉含量約為20%～30%[1]。在食品加工過程中，小麥淀粉可在熱和水的作用下發(fā)生糊化，然而，在貯藏過程中，糊化后的小麥淀粉不穩(wěn)定，很容易發(fā)生老化，會引起食品力學(xué)性質(zhì)的巨大變化，從而影響其營養(yǎng)價值和感官品質(zhì)。淀粉老化是一個不可避免的持續(xù)過程，在老化過程中，糊化淀粉從無定型狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌挠行蚪Y(jié)構(gòu)，一般可分為短期老化和長期老化[2]。其中，短期老化主要歸因于貯藏開始時直鏈淀粉的快速重排，而長期老化主要是由較長貯藏過程中支鏈淀粉的重結(jié)晶引起[3]。

淀粉老化是限制淀粉應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素，因此，近年來越來越多的科學(xué)家致力于探究如何有效控制淀粉老化。目前，物理[4]、酶[5]等多種手段被用于延遲不同來源淀粉的老化，此外研究證實添加部分親水膠體具有較好的抑制老化的效果，同時還可以克服天然淀粉的缺陷[6]。劉成梅等[7]研究表明大豆可溶性膳食纖維與大米淀粉顆粒存在競爭水分子的行為，從而限制了凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中淀粉分子鏈的運(yùn)動，抑制大米淀粉的短期和長期老化，且分子質(zhì)量越高抑制效果越明顯。Hou 等[8]研究發(fā)現(xiàn)水提阿拉伯木聚糖能夠抑制小麥淀粉的膨脹、溶解、直鏈淀粉滲漏，阻礙直、支鏈淀粉分子的聚集、重排，其中低分子質(zhì)量阿拉伯木聚糖對小麥淀粉短期老化抑制效果好，而高分子質(zhì)量阿拉伯木聚糖對小麥淀粉長期老化具有良好的抑制效果。Zhang 等[9]研究了高、低分子質(zhì)量果膠對玉米淀粉老化特性的影響，結(jié)果表明添加果膠使玉米淀粉在長期貯藏過程中的結(jié)晶度、凝膠硬度降低，且果膠分子質(zhì)量越低抑制老化效果越明顯，推測產(chǎn)生這種結(jié)果的原因主要是低分子質(zhì)量果膠更易滲透到淀粉分子內(nèi)部，從而增加淀粉鏈之間的距離，干擾淀粉回生過程中有序結(jié)構(gòu)的形成。謝新華等[10]詳細(xì)闡釋了細(xì)菌纖維素對大米淀粉凝膠糊化、熱力學(xué)、結(jié)晶性和微結(jié)構(gòu)的影響，指出該多糖可有效抑制大米淀粉凝膠的老化。親水膠體因來源、分子質(zhì)量、結(jié)構(gòu)等差異，故作用于不同種類淀粉時，影響效果存在顯著差異。

甜菜果膠（Sugar beet pectin，SBP）是一種甜菜加工的副產(chǎn)品，由于其較高的蛋白質(zhì)和阿魏?；?，因此較其它果膠具有更高的乳化活性和穩(wěn)定性，已被用作穩(wěn)定劑和營養(yǎng)藥物載體[11]。目前，雖有文獻(xiàn)報道了SBP 對淀粉凝膠的影響[12]，但未見SBP 對淀粉老化特性影響的研究報道。本研究通過流變儀、質(zhì)構(gòu)儀、傅里葉紅外光譜儀、X-射線衍射儀、掃描電子顯微鏡等多種檢測手段，探究SBP 添加量對小麥淀粉短期和長期老化特性的影響，旨在為拓展親水膠體在淀粉基食品中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要材料 小麥淀粉，山東渠風(fēng)食品科技有限公司；甜菜果膠（SBP），德國Herbstreith&Fox KG 公司。

1.1.2 主要儀器及設(shè)備 DHR-1 流變儀，美國TA 儀器公司；FD-2C 冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；SU8010 型場發(fā)射掃描電鏡，日本日立株式會社；Nicolet iS5 傅里葉紅外光譜儀，美國Thermo 公司；CT3-25k 質(zhì)構(gòu)儀，美國Brookfield 公司；SmartLab 9kw X-射線衍射儀，日本理學(xué)株式會社。

1.2 試驗方法

1.2.1 糊化性質(zhì)測定 參照Zhang 等[13]的方法，采用流變儀的Starch Pasting Cell 附件進(jìn)行小麥淀粉糊化性質(zhì)的測定。準(zhǔn)確稱取3.0 g 小麥淀粉，放入專用鋁盒中，加入25 mL SBP 溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，0.25%，0.50%，0.75%，1.00%），攪拌均勻后立即測定，記錄所有樣品的黏度曲線。程序控制如下：50 ℃平衡1 min，隨后以12 ℃/min 的加熱速率從50 ℃升高至95 ℃，然后在95 ℃下保持2.5 min，然后再以12 ℃/min 的降溫速率冷卻至50℃，最后在50 ℃下保持2 min?？刂茢嚢铇乃俣仍谇?0 s 為960 r/min，而其余時間恒定為160 r/min。為了更加直觀的描述淀粉糊化過程中性質(zhì)的變化，參照Palabiyik 等[14]的方法引入相對崩解值和相對回生值，其中，相對崩解值按式（1）計算，相對回生值按式（2）計算。

1.2.2 凝沉特性測定 取小麥淀粉0.1 g，加入10 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，0.25%，0.50%，0.75%，1.00%的SBP 溶液，振蕩混勻，然后于95 ℃水浴中加熱20 min，冷卻至室溫后立即轉(zhuǎn)移至10 mL量筒中，分別于4 ℃環(huán)境冷藏0，3，6，12，24，36，48 h，記錄上清液體積。

1.2.3 短期老化測定 采用流變儀的Starch Pasting Cell 附件進(jìn)行小麥淀粉短期老化測定，按照1.2.1 節(jié)方法制備淀粉糊，將樣品冷卻至20 ℃并保持5 min，使溫度和應(yīng)力達(dá)到平衡，然后進(jìn)行動態(tài)時間掃描，記錄儲能模量（G'）和損耗角正切（tanδ）在老化過程中的變化。測試溫度為20 ℃，時間為5 h，頻率為1 Hz，掃描應(yīng)變?yōu)?%。

1.2.4 凝膠強(qiáng)度測定 參照Zhang 等的[9]方法并稍作修改。取1.2.1 節(jié)中糊化的樣品，趁熱轉(zhuǎn)移至塑料圓筒內(nèi)（直徑28 mm，高度25 mm），冷卻至室溫后放置于4°C 冰箱，分別冷藏1，21 d 后進(jìn)行凝膠強(qiáng)度測定。測試條件如下：壓縮模式，選用TAAACC36 探頭，試驗前、試驗中和試驗后的速度均為1.0 mm/s，壓縮形變?yōu)?0%，觸發(fā)力為5 g。

1.2.5 傅里葉紅外光譜測定 取1.2.4 節(jié)中制備的老化21 d 的淀粉凝膠樣品，冷凍干燥后粉碎過100 目篩。將所得樣品與KBr 按照質(zhì)量比1∶50 混合，充分研磨，壓片后于傅里葉紅外光譜儀中掃描。掃描波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32 次，測試時以KBr 作為空白來扣除背景。

1.2.6 X-射線衍射測定 利用X-射線衍射技術(shù)對老化21 d 的淀粉凝膠樣品的長程有序結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量分析[15]。采用銅靶Cu Kα，管壓為40 kV，管流為150 mA，掃描范圍為5°～50°（2θ），掃描速度為5°/min。采用MDI Jade 6.0 進(jìn)行結(jié)果分析，相對結(jié)晶度為結(jié)晶面積與總衍射圖面積的比率。

1.2.7 微觀結(jié)構(gòu)觀察 按照1.2.4 節(jié)所述制備回生1，21 d 的淀粉凝膠樣品，真空冷凍干燥48 h，然后采用剪刀進(jìn)行裁剪，選取中心截面處樣品。利用雙面導(dǎo)電膠帶將樣品固定于樣品臺上，真空噴金后置于掃描電子顯微鏡中放大200 倍觀察，加速電壓為5 kV。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行ANOVA 差異顯著性分析（P＜0.05 表示有顯著性差異），并利用OriginPro 2021 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 糊化性質(zhì)

由表1 可知，隨著SBP 添加量的提高，小麥淀粉的峰值黏度和終值黏度均顯著升高（P＜0.05），1.00%添加量時分別提高了0.51 和0.23 倍。SBP是一種低分子質(zhì)量的高乙?；z，因而其黏度遠(yuǎn)低于其它來源果膠[16]。添加SBP 后，淀粉峰值黏度和終值黏度提高，此可歸因于一方面SBP 可促進(jìn)淀粉顆粒的膨脹，另一方面SBP 與膨脹的淀粉顆粒及滲漏出的直鏈淀粉相互作用，促進(jìn)了更加緊密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成[9]。相對崩解值可以描述淀粉顆粒在受到剪切和熱處理時的穩(wěn)定性[14]。當(dāng)添加SBP 后，淀粉的相對崩解值逐漸增加，這主要是因為SBP 導(dǎo)致淀粉糊黏度升高，因而在攪拌時施加在膨脹淀粉顆粒上的剪切力更大，可引起淀粉顆粒更大程度的膨脹和破裂。相對回生值可用于表征淀粉受熱膨脹過程中滲漏的淀粉分子在冷卻過程中重新聚集的能力[17]。與小麥淀粉相比，添加SBP 后，淀粉糊的相對回生值呈逐漸下降的趨勢，這可能是因為SBP 通過分子間纏繞和氫鍵等作用力與淀粉分子發(fā)生相互作用，從而干擾了淀粉分子的聚集和重排。此結(jié)果表明SBP 對小麥淀粉的短期回生具有一定的抑制作用。這一發(fā)現(xiàn)與Zhou 等[18]報道的黑木耳多糖可以增強(qiáng)蕓豆淀粉的黏彈性，而減緩了淀粉在冷藏過程中的回生的結(jié)果一致。添加SBP 后，小麥淀粉的糊化溫度雖略有降低，但并不顯著（P＞0.05）。

表1 SBP 對小麥淀粉糊化性質(zhì)的影響Table 1 Effect of added SBP on pasting properties of wheat starch

2.2 凝沉特性

稀淀粉糊在低溫靜置時，由于淀粉分子的重結(jié)晶作用，會出現(xiàn)凝沉現(xiàn)象，表現(xiàn)為上方清液、下方沉淀的明顯兩層[19]。添加不同含量SBP 后，小麥淀粉凝沉特性的變化如圖1 所示。未添加SBP 的小麥淀粉靜置后迅速發(fā)生凝沉現(xiàn)象，淀粉糊的清液體積分?jǐn)?shù)在3 h 就上升到了較高水平，高達(dá)57.00%，并在之后仍緩慢增加，12 h 后達(dá)到了76.03%，而后基本保持不變。隨著SBP 添加量的逐漸增加，小麥淀粉的凝沉速度逐漸降低，添加1.00%SBP 的小麥淀粉糊在靜置48 h 后，清液體積分?jǐn)?shù)僅為6.01%。以上結(jié)果表明小麥淀粉糊在SBP 存在下具有更好的貯存穩(wěn)定性，更不易發(fā)生凝沉現(xiàn)象，SBP 對小麥淀粉的老化有抑制作用。

圖1 SBP 對小麥淀粉凝沉特性的影響Fig.1 Effect of added SBP on sedimentation rate of wheat starch

2.3 短期老化特性

淀粉糊在冷卻過程中直鏈淀粉可以迅速發(fā)生聚集、重排，形成具有一定強(qiáng)度的凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此可以通過淀粉糊動態(tài)黏彈性的變化來表征淀粉的短期老化特性[7]。不同SBP 添加量的小麥淀粉在20 ℃老化5 h 內(nèi)G′和tanδ 隨時間的變化曲線如圖2 所示。G′值可以反映凝膠彈性的大小，如圖2a 所示，未添加SBP 的小麥淀粉的G′在老化前期迅速上升，表明直鏈淀粉快速發(fā)生聚集，促進(jìn)了凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，之后增長緩慢，5 h 后G′值增加了696.27 Pa。Zhang 等[20]也報道了小麥淀粉G′值的類似變化趨勢。添加SBP 后，小麥淀粉的G′值增長速率降低，添加1.00%SBP 的小麥淀粉5 h 后G′值僅增加了383.97 Pa。tanδ 是反映樣品黏彈性行為的重要指標(biāo)，具有低tanδ 的凝膠表現(xiàn)出彈性行為，而具有高tanδ 的凝膠則表現(xiàn)出黏性行為。如圖2b 所示，隨著時間的延長，所有樣品的tanδ 值均降低，表明所有淀粉糊都發(fā)生了短期老化，變得更具彈性。與G′變化的添加量依賴現(xiàn)象相對應(yīng)，tanδ 值的降低也與SBP 添加量有關(guān)。隨著SBP 添加量的增加，各個時間點的tanδ 值顯著升高，表明SBP 抑制了直鏈淀粉的聚集，老化過程中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較弱。G′和tanδ 的變化趨勢表明加入SBP 使小麥淀粉糊具有更好的穩(wěn)定性，適當(dāng)添加SBP 可以明顯改善小麥淀粉的短期老化行為。

圖2 添加SBP 后小麥淀粉在老化過程中G′（a）和tanδ（b）隨時間的變化Fig.2 Effect of added SBP on the variation of storage modulus（a）and tanδ（b）with time during wheat starch short-term retrogradation

2.4 凝膠強(qiáng)度

淀粉基食品硬度的增加是淀粉老化最顯著的結(jié)果，因此其可作為衡量淀粉老化的指標(biāo)[21]。添加和未添加SBP 的小麥淀粉凝膠，在4 ℃下貯藏1 d 和21 d 后的硬度如圖3 所示。SBP 的加入顯著增加了小麥淀粉的凝膠強(qiáng)度（1 d）（P＜0.05），這與糊化性質(zhì)試驗結(jié)果一致，表明淀粉糊黏度的增強(qiáng)有助于凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。隨著貯藏時間的延長，添加和未添加SBP 的小麥淀粉凝膠硬度均顯著增加（P＜0.05），表明淀粉發(fā)生了老化。添加SBP后小麥淀粉凝膠的硬度值顯著降低（P＜0.05），表現(xiàn)出更為柔軟的質(zhì)地。貯藏21 d 后，未添加SBP的小麥淀粉凝膠硬度增加了356.02 g，而1.00%SBP 添加量的小麥淀粉凝膠21 d 后硬度僅增加了178.19 g。SBP 的添加阻礙了老化過程中淀粉分子間的聚集、重排，從而降低了淀粉凝膠的強(qiáng)度，延緩了小麥淀粉的長期老化。茶葉提取物[22]、蛋白水解物[23]等其它物質(zhì)也被報道可以降低淀粉凝膠在貯藏期間的硬度。

圖3 SBP 對小麥淀粉凝膠強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of added SBP on gel strength of wheat starch

2.5 傅里葉紅外光譜

利用傅里葉紅外光譜（FTIR）對老化21 d 后的小麥淀粉樣品的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定，結(jié)果如圖4a 所示，在4 000～400 cm-1各個淀粉樣品紅外吸收基團(tuán)類型基本相同。3 700～3 100 cm-1處的強(qiáng)而寬的吸收峰與-OH 伸縮振動和分子間氫鍵相關(guān)，隨著SBP 添加量的增加，吸收峰逐漸變寬、變強(qiáng)且向低波長處移動，這一結(jié)果表明添加的SBP 與淀粉分子之間具有較強(qiáng)的分子間氫鍵作用。Liu 等[24]在報道多糖對淀粉FTIR 的影響時也得到類似結(jié)論。2 929 cm-1處的尖銳吸收峰為C-H 伸縮振動導(dǎo)致的。1 743 cm-1處的吸收峰是甲酯化的羧基的伸縮振動造成的，是果膠的特征吸收峰，隨著SBP添加量的增大，小麥淀粉樣品此處峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。1 650 cm-1處的尖銳吸收峰是由游離羧基的伸縮振動引起的。

圖4 SBP 對老化小麥淀粉的傅里葉紅外光譜（a）和去卷積光譜（b）的影響（老化21 d）Fig.4 Effect of added SBP on FTIR（a）and deconvolution（b）spectra of wheat starch retrograded for 21 days

對FTIR 1 100～900 cm-1譜段進(jìn)行去卷積處理，結(jié)果如圖4b 所示。其中，1 047 cm-1處的吸光度與淀粉的結(jié)晶區(qū)有關(guān)，而1 022 cm-1處的吸光度與淀粉的無定型區(qū)有關(guān)[25]。因此，1 047 cm-1/1 022 cm-1峰高比值可用于評價淀粉樣品的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和短程有序性。從表2 可知，添加SBP 后，回生21 d后的小麥淀粉樣品1 047 cm-1/1 022 cm-1峰高比值均有所下降，且隨著SBP 添加量的增加降低更為明顯。這一結(jié)果表明，添加SBP 后小麥淀粉老化過程中淀粉分子重排受到影響，有序結(jié)構(gòu)減少，SBP可以控制小麥淀粉的長期回生。

表2 SBP 對老化小麥淀粉的紅外特征峰峰高比值的影響（老化21 d）Table 2 Effect of added SBP on 1 047 cm-1/1 022 cm-1 ratio of wheat starch retrograded for 21 days

2.6 X-射線衍射

添加SBP 對老化小麥淀粉（21 d）的X-射線衍射圖譜的影響如圖5 所示。天然小麥淀粉呈現(xiàn)典型的A-型晶體衍射峰，依次在2θ 角15°，17°，18°，23°處出現(xiàn)衍射峰[26]。糊化后，小麥淀粉晶體結(jié)構(gòu)被破壞，老化21 d 后僅在2θ 角為17°和20°處出現(xiàn)較寬的衍射峰。雖然添加SBP 未影響小麥淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但隨著SBP 添加量的增加，相對結(jié)晶度從10.11%降低到8.06%。與未添加SBP 的小麥淀粉相比，相對結(jié)晶度顯著降低（P＜0.05），表明含有SBP 的小麥淀粉樣品具有較少的有序雙螺旋結(jié)構(gòu)。這可能是由于一方面SBP 增加了淀粉分子的空間距離，另一方面SBP 可與淀粉分子形成氫鍵，阻礙了淀粉分子間氫鍵的形成，從而最終干擾了老化過程中淀粉有序結(jié)構(gòu)的形成[9]。此結(jié)果與FTIR 中所測得的1 047 cm-1/1 022 cm-1峰高比值的變化趨勢一致，進(jìn)一步表明SBP 對小麥淀粉的老化具有抑制作用，且呈添加量依賴關(guān)系。

圖5 SBP 對老化小麥淀粉X-射線衍射圖譜的影響（老化21 d）Fig.5 Effect of added SBP on X-ray diffraction profile of wheat starch retrograded for 21 days

2.7 微觀結(jié)構(gòu)

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對老化不同時間的淀粉凝膠樣品微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。由圖6A～6E 可以看出，小麥淀粉凝膠呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，隨著SBP 添加量的增加，凝膠表面孔洞增大，孔壁增厚。老化21 d 后，淀粉凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變?nèi)酰z表面呈現(xiàn)粗糙的毛絨狀結(jié)構(gòu)。其中，0%和0.25%SBP 添加量的淀粉凝膠樣品蜂窩狀結(jié)構(gòu)基本消失，呈現(xiàn)碎片狀。然而，當(dāng)SBP 添加量大于0.25%時，小麥淀粉凝膠中仍然可以觀察到明顯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，較老化1 d 的樣品，表面孔洞變小，粗糙度略有升高，仍呈現(xiàn)出相對緊密和有序的結(jié)構(gòu)。這與Luo 等[27]研究的涼粉草多糖對小麥淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果相似。上述現(xiàn)象可歸因于淀粉凝膠老化過程中位于連續(xù)相中的淀粉分子會發(fā)生聚集而引起相分離，而SBP 可以抑制淀粉回生過程中的相分離行為，從而使凝膠保持相對致密的微觀結(jié)構(gòu)[28]。SEM 結(jié)果再一次證明了SBP 可以延緩小麥淀粉的長期老化。

圖6 SBP 對老化小麥淀粉微觀結(jié)構(gòu)的影響（200×）Fig.6 Effect of added SBP on microstructure of retrograded wheat starch（200×）

3 結(jié)論

本研究表明，SBP 對小麥淀粉的短期和長期老化均有明顯的抑制作用，且隨添加量的增加抑制老化的效果增強(qiáng)。添加SBP 后，小麥淀粉的峰值黏度、終值黏度和相對崩解值顯著提高（P＜0.05），而相對回生值顯著降低（P＜0.05）。隨著SBP 添加量的提高，小麥淀粉的凝沉穩(wěn)定性逐漸提高，短期老化得到明顯抑制。SBP 可以抑制小麥淀粉凝膠貯藏過程中硬度的增加，降低淀粉老化過程中有序結(jié)構(gòu)的形成。此外，高SBP 添加量可以使老化后的淀粉凝膠仍保持蜂窩狀結(jié)構(gòu)和較低的表面粗糙度。從應(yīng)用的角度看，SBP 對淀粉的老化作用值得進(jìn)一步探究，以便開發(fā)口感好、保質(zhì)期更長的淀粉基產(chǎn)品。