鈣離子對小麥淀粉-低酯甜菜果膠復配體系糊化和流變特性的影響

王心，張 萌，劉 笑，梁乃國，陳曉明，徐磊

（淮陰工學院生命科學與食品工程學院 江蘇淮安 223003）

淀粉是一種由葡萄糖單元通過糖苷鍵連接而成的天然高分子碳水化合物，它不僅是人類日常生活中的主要能量供給物質，還被作為穩(wěn)定劑、增稠劑和黏合劑廣泛應用于食品和非食品工業(yè)中[1]。小麥淀粉（wheat starch，WS）是小麥籽粒中含量最為豐富的組分，約占其質量的65%，對小麥食品的質量起著重要作用。WS 在食品加工中主要被用于制作脂肪替代品、河粉及涼皮等，同時，還被作為膠黏劑和增稠劑等廣泛應用于紡織、造紙、化妝品等工業(yè)中[2]。然而，天然小麥淀粉在加工過程中仍存在許多缺點，使其在某些食品中的應用受到限制。

目前，在食品加工中淀粉與親水性膠體的復配體系已被使用，可克服天然淀粉在加工過程中表現(xiàn)的不耐受蒸煮、剪切、酸堿和易老化等缺陷[3]。然而，淀粉/親水性膠體復配體系常與其它配料共同存在于食品中，因此很多因素都會對復配體系的理化特性產生影響[4]。其中，鹽離子對復配體系的影響最為顯著。近年來國內外學者就鹽離子類型、濃度和價態(tài)等條件對淀粉/親水性膠體復配體系的影響做了廣泛探討。Samutsri等[5]研究發(fā)現(xiàn)，鹽離子對大米淀粉/離子型膠體復配體系的影響要大于大米淀粉/非離子型膠體復配體系。Luo等[6]研究了涼草粉多糖/玉米淀粉體系，發(fā)現(xiàn)KCl 和NaCl主要通過靜電屏蔽作用影響復配體系，添加鹽離子抑制了糊化過程中玉米淀粉的膨脹，使淀粉顆粒保持完整，顯著提高了復配體系的糊化黏度。蔡旭冉等[7]對馬鈴薯淀粉/黃原膠復配體系的研究表明，加入鹽離子降低了復配體系的峰值黏度、終值黏度和崩解值，增加了復配體系的假塑性。

甜菜果膠（sugar beet pectin，SBP）是甜菜加工的副產品，相比于其它來源果膠SBP 具有較高的蛋白質和阿魏?；?，因而呈現(xiàn)出較高的表面活性和乳化穩(wěn)定性[8]。然而，SBP 較低的分子質量和較高的乙?；?，使其無法通過調節(jié)糖、酸比和添加鈣離子的方式形成凝膠，在一定程度上限制了其應用[9]。目前，酸法、堿法和酶法等手段被用來降低SBP 酯化度制備低酯甜菜果膠（low methoxyl sugar beet pectin，LP），從而提高SBP 對鈣離子的敏感性[10]。近年來，其它來源的果膠被加入淀粉中，研究表明果膠能夠不同程度地改善淀粉的加工特性[11]。然而，關于LP 對淀粉加工特性的影響尚未見報道，也未見鹽離子對LP/淀粉復配體系理化性質影響的報道。

本研究選取WS 和LP 為原料，探討鈣離子添加量對WS/LP 復配體系糊化、流變、質構及微觀結構的影響，以期為WS/LP 復配體系在食品加工中的應用提供試驗參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

WS，山東渠風食品科技有限公司；SBP，德國Herbstreith&Fox KG 公司；濃鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇、氯化鈣、溴化鉀，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器

DHR-1 流變儀，美國TA 儀器公司；SU8010型場發(fā)射掃描電鏡，日本日立株式會社；CT3-25k質構儀，美國Brookfield 公司；Nicolet iS5 傅里葉變換紅外光譜儀，美國Thermo 公司。

1.3 方法

1.3.1 LP 的制備 參照Zhang等[12]的方法，采用堿法制備LP。取20.0 g SBP 溶于2 L 去離子水中，過夜攪拌均勻，用1 mol/L NaOH 調節(jié)溶液pH值到12.0，于25 ℃下反應30 min 后立即用1 mol/L HCl 調節(jié)溶液pH 值到7.0，終止反應。然后，將反應液按體積比1∶3 加入無水乙醇，靜置2 h，過濾得果膠沉淀，將濾渣于45 ℃烘箱熱風干燥24 h，磨粉過100 目篩，備用。

1.3.2 糊化特性的測定 采用流變儀的Starch Pasting Cell 附件測定樣品的糊化性質[13]。于鋁筒中加入25 mL 去離子水，接著加入WS 和LP 使其質量分數(shù)分別達到6%和0.25%，得WS/LP 復配體系。然后，向復配體系中添加鈣離子，使其添加量分別達到0，0.5，1.0 和1.5 mmol/L，將不同鈣離子添加量的樣品分別記為WSLP、WSLP0.5Ca、WSLP1.0Ca 和WSLP1.5Ca。記錄所有樣品升溫過程中的黏度變化，測試程序如下：首先將樣品加熱至50 ℃并保持1 min，接著以12 ℃/min 的恒定速率將溫度從50 ℃升至95 ℃，并在95 ℃保持2.5 min。然后，以相同的速率冷卻至50 ℃，并保持2 min。在試驗前10 s 攪拌速度設置為960 r/min，而在其余時間攪拌速度設置為160 r/min。

1.3.3 流變特性的測定 參照李妍等[14]的方法并稍作修改。采用平板夾具進行流變特性測定，平板直徑為40 mm，間隙設置為1 000 μm。取1.3.2 節(jié)制備的淀粉糊，趁熱轉移到流變儀上，然后刮去板外多余樣品，25 ℃下平衡5 min 后開始試驗。

靜態(tài)流變特性測定：溫度25 ℃，剪切速率先從0.1～100 s-1遞增，再從100～0.1 s-1遞減。采用Herschel-Bulkley 模型對試驗數(shù)據(jù)點進行回歸擬合，公式如下：

式中：σ——剪切應力，Pa；σ0——屈服應力，Pa；K——稠度系數(shù)，（Pa·sn）；γ——剪切速率，s-1；n——流動特征指數(shù)。

動態(tài)頻率掃描測定：溫度25 ℃，設置頻率范圍0.15～15 Hz，應變2%，記錄儲能模量（G′）和損耗模量（G"）隨頻率的變化。

蠕變特性測定：控制應力恒定為1.0 Pa，保持120 s，記錄樣品蠕變柔量（J）隨時間的變化，采用Burgers 模型[15]對試驗數(shù)據(jù)點進行回歸擬合，公式如下：

式中：J——柔量/Pa-1；J0——瞬時柔量，Pa-1；Jm——延遲柔量，Pa-1；λ——延遲時間/s；η0——剪切速率s。

1.3.4 質構特性的測定 參照張晶等[16]的方法并稍作修改。取1.3.2 節(jié)制得的淀粉糊，趁熱裝進塑料圓筒（直徑22 mm×深度25 mm）中，密封后于4 ℃儲存24 h，使樣品完全形成凝膠。隨后，待凝膠恢復至室溫，選用TA-AACC36 探頭進行TPA質構分析。測量參數(shù)設置：測試前、測試中和測試后的速度均為1 mm/s，壓縮形變30%，觸發(fā)力5 g，可恢復時間5 s。

1.3.5 紅外光譜掃描 收集1.3.2 節(jié)制得的淀粉糊，冷凍干燥后研磨，過100 目篩。取干燥的樣品與KBr 按質量比1∶50 混合，然后將混合物充分研磨成細粉，壓成透明薄片后用傅里葉紅外光譜儀測量。掃描次數(shù)64 次，波數(shù)范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.3.6 微觀結構的測定 收集1.3.2 節(jié)制得的淀粉糊，真空冷凍干燥。將干燥后的樣品切成薄片后固定于樣品臺的雙面導電膠帶上，真空噴金后置于掃描電子顯微鏡（SEM）樣品室中，在5 kV 的加速電壓下放大100 倍進行形貌觀察并拍照。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗至少重復測定3 次，采用SPSS 20.0軟件進行方差分析（P<0.05），用OriginPro 2021 軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 鈣離子對WS/LP 復配體系糊化特性的影響

加熱淀粉懸浮液，當達到糊化溫度時，淀粉顆粒迅速吸水膨脹，體系黏度升高，淀粉顆粒從有序狀態(tài)轉變?yōu)闊o序狀態(tài)，而后降溫時淀粉分子迅速發(fā)生重排形成凝膠網(wǎng)絡結構，記錄糊化過程中黏度的變化獲得淀粉的糊化參數(shù)。添加鈣離子對WS/LP 復配體系糊化特征值的影響見表1。添加LP 后，WS 的峰值黏度和崩解值顯著降低（P<0.05），終值黏度顯著升高（P<0.05），而回生值和糊化溫度未發(fā)生顯著變化（P>0.05）。這可能是由于LP 可以覆蓋在淀粉顆粒表面，從而抑制淀粉顆粒在糊化過程中的吸水膨脹[17]。而在WS/LP 復配體系中添加鈣離子后，隨著濃度的提高，復配體系的峰值黏度、崩解值、終值黏度和回生值均逐漸升高（P<0.05），而糊化溫度未發(fā)生顯著變化（P>0.05），這與鄭炯等[4]的試驗結果相似。復配體系黏度的增加可能是由于添加鈣離子后形成果膠凝膠網(wǎng)絡，提高了連續(xù)相的黏度，從而導致體系中淀粉顆?；蚪龅闹辨湹矸鄯肿訚舛仍黾覽14]。然而，Yuliarti等[18]報道添加鈣離子降低了木薯/低甲氧基果膠復配體系的黏度，產生這種差異可能是由于不同研究中所采用的鈣離子、果膠濃度不同，當添加量較高時形成的凝膠網(wǎng)絡結構較強，具有較高的水合能力，可能在一定程度上限制淀粉顆粒的吸水膨脹與淀粉分子的滲出，最終降低了體系的黏度。

表1 鈣離子添加量對WS/LP 復配體系糊化特征參數(shù)的影響Table 1 Effect of calcium ion addition on pasting parameters of WS-LP blends

2.2 鈣離子對WS/LP 復配體系靜態(tài)流變特性的影響

由圖1 可知，所有樣品的黏度均隨剪切速率的增加而降低，表明所有樣品均為假塑性流體，具有剪切變稀的特征。隨著剪切速率的提高，淀粉分子鏈之間的纏結逐漸減少，因而表現(xiàn)出剪切變稀的行為，在其它淀粉與親水膠體復配體系中也報道了類似的結果[19]。添加LP 后，WS 的黏度略有增加，而后隨著鈣離子添加量的增加WS/LP 復配體系的黏度也逐漸升高。這種趨勢與糊化特性分析結果是一致的。

由圖2 可知，所有樣品的剪切應力均隨剪切速率的增加而增大。采用Herschel-Bulkley 模型對樣品的靜態(tài)流變曲線進行擬合，結果見表2。所有擬合方程的R2值均大于0.99，表明擬合度較好。所有樣品的流動特征指數(shù)（n）都小于1，均為典型的假塑性流體。在添加LP 后，WS 的上行曲線和下行曲線的屈服應力（σ0）均增大，而稠度系數(shù)（K）均降低。隨著鈣離子添加量的增加，WS/LP 復配體系的上行和下行曲線的σ0均逐漸增大，而K 均逐漸降低，表明鈣離子對復配體系具有很好的增稠作用。隨著鈣離子添加量的增加，一方面形成果膠凝膠結構，另一方面淀粉分子的局部濃度提高，促進了淀粉分子鏈相互纏結，因而體系顯示出較高的黏度。添加LP 并未影響WS 的滯后環(huán)面積，而隨著鈣離子添加量的增加，WS/LP 復配體系的滯后環(huán)面積先略有降低，后呈逐漸升高的趨勢。

圖2 鈣離子添加量對WS/LP 復配體系靜態(tài)流變曲線的影響Fig.2 Effect of calcium ion addition on flow curves of WS-LP blends

表2 WS/LP 復配體系Herschel-Bulkley 模型參數(shù)Table 2 Parameters of Herschel-Bulkley model for WS-LP blends

2.3 鈣離子對WS/LP 復配體系動態(tài)流變特性的影響

動態(tài)流變學可用于評估半固態(tài)食品的黏彈性和結構，WS/LP 復配體系的動態(tài)頻率掃描曲線如圖3 所示。所有樣品的儲能模量（G′）和損耗模量（G"）均隨頻率的增加而增加，且G′總是大于G"，表明彈性成分比黏性成分占主導地位，表現(xiàn)出類似固體的行為。與WS 相比，添加LP 后，樣品G′變化不大，而G"略有增加。添加鈣離子后，WS/LP復配體系的G′和G" 均隨添加量的增加呈逐漸增加的趨勢，這表明鈣離子可以顯著改善WS/LP 復配體系的黏彈性。這歸因于鈣離子的加入促進了果膠凝膠網(wǎng)絡的形成，使其水合能力提高，從而增強了體系中淀粉分子間的相互作用，進而有助于形成網(wǎng)絡結構，并增強黏彈性。與本研究結果一致，楊英等[20]研究發(fā)現(xiàn)鈣離子可以提高海藻酸鈉/大米淀粉復配體系的黏彈性。

圖3 WS/LP 復配體系的儲能模量和損耗模量隨頻率變化曲線Fig.3 Change curves of storage modulus and loss modulus with frequency of WS-LP blends

2.4 鈣離子對WS/LP 復配體系蠕變特性的影響

由圖4 可知，施加應力時應變急劇增加，而后隨著應力的持續(xù)施加應變繼續(xù)增加，所有樣品對應力均呈非線性響應，符合Burgers 模型。表3 為用Burgers 模型對樣品蠕變擬合參數(shù)，R2在0.8404～0.9576 之間。與WS 相比，添加LP 后，樣品瞬時柔量（J0）和延遲柔量（Jm）均降低；添加鈣離子后，WS/LP 復配體系的J0和Jm均隨添加量的增加呈逐漸降低趨勢。蠕變柔量與凝膠系統(tǒng)的變形和流動特性有關[21]。添加鈣離子后WS/LP 復配體系的蠕變柔量降低是因其具有更低的流動性和變形性。延遲時間（λ）與體系在特定應力下實現(xiàn)完全變形所需的時間成正比，而剪切速率（η0）可用于表征體系的流體行為[22]。添加LP 后，WS 的λ 和η0均增加，而后隨鈣離子的添加，WS/LP 復配體系的λ 和η0呈逐漸升高的趨勢。上述結果也表明鈣離子的增加增強了WS/LP 復配體系的凝膠強度。這歸因于鈣離子的添加促進了果膠凝膠網(wǎng)絡的形成，進而增加了淀粉分子鏈之間的相互作用，從而降低了凝膠系統(tǒng)的可變形性和流動性，因此降低了J0和Jm的值，而提高了λ 和η0的值。

圖4 鈣離子添加量對WS/LP 復配體系蠕變曲線的影響Fig.4 Effect of calcium ion addition on creep curves of WS-LP blends

表3 WS/LP 復配體系Burgers 模型參數(shù)Table 3 Parameters of Burgers model for WS-LP blends

2.5 鈣離子對WS/LP 復配體系質構特性的影響

由表4 可知，添加LP 后，WS 的硬度、內聚性、彈性、膠著性和咀嚼性都顯著增加（P<0.05）。在WS/LP 復配體系中，隨著鈣離子添加量的增加，體系的硬度、膠著性和咀嚼性都顯著增加（P<0.05），而體系的內聚性在添加鈣離子后未發(fā)生顯著變化（P>0.05）。此外，復配體系凝膠的彈性隨著鈣離子添加量的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。上述結果表明，添加鈣離子可有效改變WS/LP 復配體系的凝膠結構。添加鈣離子，促進了果膠凝膠網(wǎng)絡的形成，同時也增加了淀粉分子之間的相互作用，從而加強了復配體系的凝膠結構，改善了凝膠的質構特性。類似地，鄭炯等[4]稱，鈣離子添加到豌豆淀粉/低酯果膠復配體系中使體系的硬度和咀嚼性增加。Agudelo等[23]也發(fā)現(xiàn)含有鈣離子的木薯淀粉/低酯果膠復配體系具有更高的凝膠強度和彈性。

表4 鈣離子添加量對WS/LP 復配體系質構的影響Table 4 Effect of calcium ion addition on textural properties of WCS-CSBP blends

2.6 鈣離子對WS/LP 復配體系紅外光譜的影響

目前紅外光譜被廣泛用于表征淀粉的官能團及短程有序結構[24]。鈣離子添加量對WS/LP 復配體系紅外光譜的影響如圖5 所示。樣品在3 384 cm-1處的較強吸收峰由O-H 的伸縮振動引起，2 930 cm-1處的尖峰由C-H 的伸縮和彎曲振動引起。1 648 cm-1處的峰與樣品的含水量有關，為淀粉無定形區(qū)結合水的彎曲振動引起[25]，而1 156 和1 022 cm-1附近的峰與C-O 的伸縮振動有關。在4 000～400 cm-1范圍，WS 在添加LP 以及WS/LP復配體系在添加鈣離子后紅外光譜均未出現(xiàn)新的峰，表明樣品中沒有形成新的共價鍵。在復配體系中添加鈣離子可能主要通過改變氫鍵、靜電或疏水作用影響體系的理化特性[26]。

圖5 鈣離子添加量對WS/LP 復配體系紅外光譜的影響Fig.5 Effect of calcium ion addition on FTIR spectra of WS-LP blends

2.7 鈣離子對WS/LP 復配體系微觀結構的影響

采用SEM 觀察樣品糊化后形成的凝膠微觀結構，結果見圖6。圖中均未觀察到明顯的淀粉顆粒結構，表明淀粉顆粒已完全糊化。WS 糊化后呈致密的類蜂窩狀結構，添加LP 后，孔徑增大，孔壁表面變得更光滑。Liu等[27]在土豆淀粉中添加果膠類多糖也有類似的現(xiàn)象。隨著鈣離子濃度的增加，WS/LP 復配體系的孔徑逐漸增大，孔壁厚度逐漸增加。這可能是由于添加鈣離子后，淀粉分子以及果膠多糖之間的相互作用增強，水分子被固定，因而在冷凍干燥后水分蒸發(fā)形成更大的孔隙[24]。添加鈣離子后孔壁厚度增加，表明孔壁結構變得更加剛性，這也可能在一定程度上提高WS/LP 復配體系的硬度。當鈣離子濃度達1.5 mmol/L 時，WS/LP 復配體系形成大小不均勻的孔洞，這可能是由于高濃度鈣離子誘導的LP 交聯(lián)使其與淀粉分子的相容性降低所致。這也解釋了進一步提高鈣離子濃度，WS/LP 復配體系的凝膠硬度反而降低（結果未呈現(xiàn)）。

圖6 鈣離子添加量對WS/LP 復配體系微觀結構的影響Fig.6 Effect of calcium ion addition on microstructures of WS-LP blends

3 結論

本研究表明，添加鈣離子改變了WS/LP 復配體系的糊化和流變特性。鈣離子使復配體系的峰值黏度、崩解值、終值黏度和回生值增加（P<0.05），而對糊化溫度影響不大（P>0.05）。添加鈣離子后，復配體系仍為假塑性流體，而其σ0提高，K 降低，G′和G"均隨添加量的增加而逐漸增加。復配體系的硬度、膠著性和咀嚼性在添加鈣離子后均顯著提高（P<0.05）。此外，紅外光譜結果表明添加鈣離子后復配體系并未形成新的共價鍵，而微觀結構觀察發(fā)現(xiàn)，添加鈣離子后，復配體系的孔徑增大，孔壁厚度增加。本研究可為淀粉/親水膠體復配體系在復雜食品體系中的應用提供一定參考。在后續(xù)研究中，將對其它鹽離子及pH 值等因素對WS/LP 復配體系的糊化和流變特性的影響做更深入的研究。