三元盐酸盐低钠盐的制备及其对淀粉性质的影响

葛宝宝,许 杰,2,*,夏咏梅,王海军,刘 湘

(1.食品胶体与生物技术教育部重点实验室,食品科学与技术国家重点实验室,江南大学,江苏无锡 214122; 2.上海瑞宁生物科技有限公司,上海 200131)

三元盐酸盐低钠盐的制备及其对淀粉性质的影响

葛宝宝1,许 杰1,2,*,夏咏梅1,王海军1,刘 湘1

(1.食品胶体与生物技术教育部重点实验室,食品科学与技术国家重点实验室,江南大学,江苏无锡 214122; 2.上海瑞宁生物科技有限公司,上海 200131)

分别借助量值评估法、直接评分法、定量描述分析方法研究了三种盐及其混合物的咸度和口感。利用口感的相乘作用,借助感官评定和Design Expert V8.0.5.0b,用氯化钠、氯化钾、氯化钙制备了一种咸度口感俱佳的三元盐酸盐低钠盐。三种盐的相乘作用对低钠盐口感贡献依次为:氯化钠-氯化钾>氯化钠-氯化钙>氯化钾-氯化钙。复配盐咸度分值为0.9、口感分值为4.0时,其钠含量为7.78%,同等咸度下氯化钠的钠含量为29.49%。该低钠盐使得小麦与玉米淀粉的糊化温度与焓变上升,分别使得峰值温度最高升至66.10 ℃与74.73 ℃,糊化焓变最高升至0.8537 J/g与1.559 J/g;实验范围内该低钠盐对玉米淀粉的动态粘度特性影响不大,但使小麦淀粉的最终粘度降低。

低钠盐,咸度,淀粉,感官评价,糊化

过量地摄入食盐会导致人体内钠含量的过量积累,进而诱发高血压、心血管疾病等一系列疾病[1-2];因此降盐或开发低钠盐是亟待解决的问题。降低食盐摄入量、以食盐替代物替代食盐中的氯化钠、从动植物体中提取咸味肽,或者开发新型咸味物质来替代氯化钠等都是降盐的常见手段[3-5]。卤素阴离子是咸味的充分必要的条件,其中氯离子是口感最纯正的卤素阴离子,而且盐酸盐具有与氯化钠相似的物理化学性质,K+、Ca2+等离子对人体的健康同样发挥着重要的作用,可作为替代物加入新型低钠盐的设计[6-7],最简单和常见的方法是在氯化钠中直接加入氯化钾,但钾盐、钙盐等存在一定的异味与余味,通常也不使用钙盐配制低钠盐。但是,不同的味感间存在一定的协同作用,如甜味、酸味、鲜味在一定范围对咸味具有相乘作用,而苦味对咸味具有抑制作用[8];因此,通过细致的实验优化,用几种最简单的食盐类似物盐酸盐也有可能配出口感可以接受、咸度适中的低钠盐。基于此,本实验通过对单一盐酸盐的口感进行了细致的分析,以氯化钠、氯化钾、氯化钙的掺量为自变量,咸度、口感及钠含量为响应指标,通过Design Expert V8.0.5.0b设计,以期得到一种咸度口感俱佳的低钠盐。

与此同时,由于咸度来自于咸味剂和诸多咸味受体蛋白之间的相互结合后的信号传导,而谷胱甘肽、上皮细胞钠离子通道(Epithelial Na+channel,ENaC)和瞬时受体电位香草酸亚型1(Transient receptor potential vanilloid1,TRPV1)都是主要的咸味受体[9]。实验尝试通过计算比较谷胱甘肽与Na+、K+、Ca2+间的相互作用能与咸味强度之间的关系,以期初步辨别谷胱甘肽是否是盐酸盐的主要咸味受体。此外,食盐在烹饪时除了用于调味,也会用于改善淀粉的食用特性,例如淀粉的糊化特性等[10-11]。本实验设计制备了一种咸度口感俱佳的低钠盐,并探究了此低钠盐对不同种类淀粉糊化性质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

氯化钠 食品级,河南思宇食品添加剂有限公司;氯化钾,氯化钙 食品级,江苏科伦多食品配料有限公司;小麦淀粉 郑州市豫香食品发展有限公司;玉米淀粉 国药集团化学试剂有限公司;实验用水 均为去离子水,实验室自制。

EL204电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;DHG-9053A型电热恒温鼓风干燥器 上海一恒科技有限公司;SHZ-B水浴恒温振荡器 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;204 F1差示扫描量热仪 德国耐驰仪器制造有限公司;RVA 4500快速粘度分析仪 澳大利亚波通公司;100 mL一次性品味杯(PET) 浙江省东阳市塑料有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 评估人员的筛选与培训 参与感官评估的人员年龄分布在22～26岁之间,且无味觉异常报告。在正式实验开始之前,基本味觉实验、差异性实验及排序实验将被用于初步筛选和培训评估人员[3]。实验开始之前,针对具体的评定流程、待评估产品感官特性描述词语、评价指标、感官品评环境及相关的注意事项对评估人员进行培训,同时进行产品的预品尝;所有的待品评样品均置于100 mL透明的一次性品味杯,温度控制在25 ℃。经过对评估人员的筛选与评估,最终确定12人(男女比例1∶1)参与本实验的评估。

1.2.2 氯化钠适宜浓度确定 氯化钠最适浓度的确定参考Cardoso与Souza等人[12-13]的Just-about-right-test即“恰好实验”。准备不同浓度的氯化钠溶液,以平衡未知的方式呈送给评估员,按照-4-4(9级)评分标准进行打分,数字由低到高表示咸味由弱到强的变化,0分对应的浓度为适宜的浓度[14],分值-4与4分别对应两个极端的感受。在本实验中,-4分代表着咸味极端的清淡甚至无咸味,而4分代表着特别的咸。以食品级氯化钠为原料,配制0.25%～1.10%(m/v)系列溶液,以线性回归分析氯化钠适宜的浓度。

1.2.3 低钠盐设计 以低钠盐的咸度、口感、钠含量为响应指标,以氯化钠、氯化钾、氯化钙的添加量为实验变量,采用Design Expert V8.0.5.0b中的混料设计对其进行复配研究并确定低钠盐的最优配比[15]。

1.2.4 低钠盐感官评价 咸度测定主要参考量值评估法[16-17],且略有改动。定义0.75%(m/v)氯化钠溶液的咸度值为1,同等咸度下,样品的浓度为0.75%(m/v)氯化钠溶液浓度的倍数即为其咸度。

低钠盐的整体口感与剖面口感分别采用直接评分法及定量描述分析(Quantitative Descriptive Analysis,QDA)分析[18-20]。直接评分的评分原则见表1。QDA实验前,品评小组通过对产品的预品尝及查阅相关资料,最终在GB/T 10221-2012《感官分析术语》中确定了用于实验的感官特性描述词(咸味、苦味、涩味、酸味、鲜味、金属味、不愉快的后味、辣舌感),并建立了强度评价指标,评分标准为7分标准;其中0为不存在,1为刚好可以识别,2为极弱,3为弱,4为中等,5为强,6为较强,7为极强;结果以蜘蛛图呈现[21]。

表1 食盐替代物的口感评价标准Table 1 Standard of salt substitutes’ taste estimation

1.2.5 谷胱甘肽与Na+,K+,Ca2+间结合能的计算 由于谷胱甘肽分子中-COOH、-SH上的H都有迁移到-NH2上的可能,导致谷胱甘肽分子可能出现多种互变异构体。因此首先对谷胱甘肽互变异构体可能存在的结构进行构型优化,并将优化后的结构在同样的水平下进行频率分析,以此选出能量最低的构型。在此基础上,选出了三种能量最低、最稳定的谷胱甘肽分子互变异构体。进而计算其与Na+、K+、Ca2+的相互作用能。对三种最稳定谷胱甘肽分子互变异构体与Na+、K+、Ca2+离子组成的所有可能构型进行全自由度能量梯度优化,并在同样水平上对所有的驻点进行谐振子振动频率计算,无虚频,表明构型点为势能面上的稳定驻点。并按式(1)计算了它们的作用能:

表2 混料实验设计分组及结果(25 ℃)Table 2 Grouping design and results of mixture experiment(25 ℃)

注：该实验钠含量的计算以100 mL盐溶液为参考,下文同。

ΔE=E(GSH-ion)-[E(GSH)+E(ion)]

式(1)

式中,ΔE为谷胱甘肽与离子的相互作用能;E(GSH-ion)为谷胱甘肽与离子整个体系的总能量;E(GSH)为谷胱甘肽分子的能量;E(ion)为离子的能量。所有计算均在HF/6-31G(d)水平下使用Gaussian 09程序实现,收敛精度取内定值[22]。

1.2.6 淀粉热性能测定 依据Bumjoo等人[23]的方法,略有修改。分别用不同浓度的低钠盐溶液(0.25%～1.0%,m/v)制备8%(m/v)的淀粉悬浮液,用移液枪加样到DSC铝盒中,压盖密封(不扎孔),每份样品的质量控制在5 mg之内。仪器程序设定:以10 ℃/min从30 ℃升至90 ℃,以空白铝盒作为空白。N2流速70 mL/min。测定糊化起始温度(T0)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)及糊化焓变(△H)[24]。

1.2.7 淀粉糊化特性测定 采用RVA 4500快速粘度分析仪测定两种淀粉在添加不同浓度低钠盐溶液(0.25%～1.0%,m/v)时,对程序变温中粘度变化的影响[23]。其测定程序为标准方法1,即50 ℃保持1 min,在3.75 min内以50 ℃匀速上升至95 ℃,保温2.5 min,在3.75 min内从95 ℃匀速降至50 ℃,保温1.5 min。

2 结果与分析

2.1 氯化钠适宜浓度的确定

氯化钠的适宜浓度可以通过测定氯化钠浓度和咸度的对应关系来决定(图1)。根据此线性关系得出25 ℃下氯化钠溶液的适宜浓度为0.74%(m/v,组分质量占水体积百分数,全文同);为了称量及计算方便,本实验中氯化钠适宜的浓度选取0.75%。

图1 氯化钠的咸度与浓度曲线(25 ℃)Fig.1 NaCl salinity versus concentration(25 ℃)

2.2 低钠盐配方优化

2.2.1 回归模型分析 低钠盐的配方设计采用Design Expert V8.0.5.0b中的混料设计:以咸度、口感、钠含量的高低为响应指标,氯化钾(A)、氯化钠(B)、氯化钙(C)为主要组分,掺量范围分别为0.4%～0.7%、0.1%～0.3%、0.1%～0.3%(m/v,组分质量占水体积百分数,全文同)。在预实验及单因素实验的基础上,设计了16组实验(表2)[25]。本实验中所用的氯化钠为食品级(纯度为99%),钠含量以99%为基础计算。

分别对低钠盐的咸度及口感进行线性回归拟合,其回归方程分别如下:

咸度=0.97A+1.197B-0.49C

式(2)

口感=-8.08A-59.48B-5.33C+130.38AB+31.68AC+56.55BC

式(3)

式中,A、B、C分别为KCl、NaCl和CaCl2的浓度(%)。

式(2)系数表明,三种组分对复配盐咸度影响依次是:氯化钠>氯化钾>氯化钙(B>A>C),与其单独存在时的咸度评分一致;而单组分盐的咸度评分与文献一致[8]。表4的方差分析表明本实验所选用的模型具有足够强的响应,可用于分析和确定低钠盐的配方。从方差分析可以发现,p<0.0001,说明实验所选用的模型具有高度的显著性;模型的失拟项表示模型预测值与实际值不拟合的概率,该模型的方差分析中,失拟项在p=0.05水平上不显著,因此该模型的拟合程度较好。

图2 氯化钾(A)、氯化钠(B)与氯化钙(C)的两两交互作用Fig.2 Interaction between KCl(A),NaCl(B)and CaCl2(C)

表3 咸度回归方程及方差分析Table 3 The regression equation and variance analysis of the low-sodium salts salinity

表4 口感回归方程及方差分析Table 4 The regression equation and variance analysis of the low-sodium salts’ taste

2.2.2 交互作用 分析图2并结合低钠盐口感分析的回归方程可以看出,盐的交互作用强度依次为:氯化钠-氯化钾>氯化钠-氯化钙>氯化钾-氯化钙(AB>BC>AC)。

表5 低钠盐的最优配方及指标预测值(25 ℃)Table 5 The optimal formula and index predicted value of low-sodium salts(25 ℃)

以氯化钾、氯化钠、氯化钙的掺量为自变量,以低钠盐的咸度、口感及钠含量为响应指标,利用Design-Expert8.0.5b软件,优化得到三种较优配方(表5)。

2.3 低钠盐的感官评定

通过量值评估和直接评分法、QDA法分别对上述三种低钠盐进行感官评估。氯化钠浓度为0.75%(m/v,以100 mL计算)。

由图3所示,三种配方的咸度与口感均相差不大;配方3的其它异味如涩味、金属味以及不愉快的

图3 三种低钠盐的感官评价结果Fig.3 The sensory evaluation results of three kinds of low-sodium salts

表6 谷胱甘肽分子与Na+,K+,Ca2+的相互作用能Table 6 Interaction energies of Glu between Na+,K+ and Ca2+

图4 Na+分别与Glu,Glu1,Glu3相互作用体系中能量最低的构型Fig.4 The lowest energies configuration of the interaction system composed of Na+ and Glu,Glu1 and Glu3

注：ENa=-161.6593 a.u.;EK=-598.9720 a.u.;ECa=-676.1041 a.u.;1 a.u.=2625.5 kJ/mol。后味均强于配方1与2,而配方1与配方2的蜘蛛图总体相差不大。综合考虑以配方2最佳。

2.4 谷胱甘肽与Na+,K+,Ca2+离子的相互作用能

表7 低钠盐对玉米淀粉及小麦淀粉热性能参数的影响Table 7 Effect of low-sodium salts on the thermal property parameters of corn starch and wheat starch

谷胱甘肽三种互变异构体分别与Na+、K+、Ca2+的相互作用的计算结果见表6。其中Na+分别与Glu、Glu1、Glu3相互作用的能量最低构型如图4所示。如表6所示,对于同价离子,GSH、GSH1、GSH3与Na+、K+、Ca2+等离子的相互作用能均为:ΔE(Na+)<ΔE(K+),说明Na+更易与咸味受体结合,与咸味强度的口感一致;非同等电荷比较,ΔE(Ca2+)<ΔE(Na+)<ΔE(K+),与Ca2+的作用强度更强,与咸味强度的口感存在一定的差异,可能是由于钙离子带有两个电荷所致,也可能是由于咸味主要受控于离子通道及各类咸味受体,而谷胱甘肽并不占主要因素,咸味的来源更多以离子通道为主。

2.5 低钠盐(配方2)对小麦淀粉和玉米淀粉热性能和糊化特性的影响

表7表明低钠盐和氯化钠在实验浓度范围内使得小麦淀粉与玉米淀粉的糊化温度上升,延缓淀粉的糊化。主要表现在低钠盐溶液使得小麦淀粉的起始温度从57.01 ℃上升至62.95 ℃、峰值温度及终止温度的变化区间分别为62.88～66.10 ℃与67.76～69.47 ℃;同时使得玉米淀粉的起始温度从65.98 ℃上升至71.39 ℃、峰值温度及终止温度的变化区间分别为73.28～74.73 ℃与75.75～78.25 ℃。低钠盐浓度对小麦和玉米淀粉的糊化焓变影响表现不一。

表8 低钠盐对玉米淀粉及小麦淀粉糊化性能参数的影响Table 8 Effect of low-sodium salts on the gelatinization property parameters of corn starch and wheat starch

与空白相比,不同浓度的低钠盐提高了玉米及小麦淀粉的糊化焓变,焓变值变化区间分别为0.7388～0.8537 J/g与0.7424～1.559 J/g,且对小麦淀粉的影响更大。同等浓度下(0.75%),氯化钠和低钠盐对小麦淀粉的影响程度接近,但对于玉米，氯化钠组的糊化焓更高。这可能是由于盐溶液的加入,在水溶液中电离出不同的离子,这些离子的存在一方面阻碍了淀粉分子与水分子的碰撞接触;一方面可能与淀粉分子中的羟基发生作用,导致电荷量下降,体系的斥力降低,使其趋于一个更加稳定的体系,因此想要打破该体系,需要提供更多的能量,最终导致糊化温度及糊化焓变上升。

图5 低钠盐对玉米淀粉(a)和小麦淀粉(b)糊化特性的影响 Fig.5 Effect of low-sodium salts on the gelatinization property of corn starch(a)and wheat starch(b)

图5反映了程序变温中盐浓度对玉米淀粉与小麦淀粉糊化特性的影响。由图5可见,不同浓度的低钠盐对玉米淀粉的峰值粘度、最终粘度无显著影响(表8),但小麦淀粉的最终粘度有明显的降低(表8),此研究结果与前人的研究结果基本一致,所存在的差异可能主要来源于淀粉种类、盐种类及浓度的不同[26]，此外，不同浓度的低纳盐使小麦衰减值上升，玉米和小麦的回生值下降，0.75%的氯化钠对玉米及小麦淀粉粘度的影响趋势与低钠盐溶液一致。

3 结论

本实验通过最优设计得到了一种咸度口感俱佳的低钠盐,其最优配比KCl∶NaCl∶CaCl2为7∶2∶1 (w/w)。低钠盐的咸度值为0.9、口感为4.0时,钠含量仅为7.78%。不同浓度的低钠盐溶液均使得玉米淀粉及小麦淀粉的糊化温度(To,Tp,Tc)与糊化焓变(ΔH)不同程度的上升,分别使得峰值温度最高升至74.73 ℃与66.10 ℃,糊化焓变最高升至0.8537 J/g与1.559 J/g。不同浓度的低钠盐对玉米淀粉的粘度无显著影响,但明显降低小麦淀粉的最终粘度。

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Ternary hydrochloride low-sodium salt and its effect on properties of starches

GE Bao-bao1,XU Jie1,2,*,XIA Yong-mei1,WANG Hai-jun1,LIU Xiang1

(1.The Key Laboratory of Food Colloids and Biotechnology,Ministry of Education,State Key Laboratory of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China; 2.Shanghai Trendin Biotech Co.,Ltd.,Shanghai 200131,China)

Using magnitude estimation,direct rating and quantitative descriptive analysis respectively,the salinity and mouth-feel of three salts and their mixture were studied. Based on the multiplication effect,one kind of ternary hydrochloride low-sodium salts of good saltiness and taste was made of sodium chloride,potassium chloride,calcium chloride through the sensory evaluation and Design Expert V8.0.5.0b. The taste contribution sequence of low-sodium salt affected by three salts’ multiplication was NaCl and KCl>NaCl and CaCl2>KCl and CaCl2. The score of salty,mouth-feel and the sodium content were 0.9,4.0 and 7.78%,while the sodium content of NaCl was 29.49% at the equivalent saltiness. It is found that the gelatinization temperature and gelatinization enthalpy of both corn starch and wheat starch were increased by the addition of low-sodium salts,the peak temperature were up to 66.10 ℃ and 74.73 ℃,respectively. The gelatinization enthalpy was increased to 0.8537 J/g and 1.559 J/g,respectively. The low sodium salt had limited influence on the viscosity characteristics of corn starch,but the final viscosity of wheat starch was decreased.

low-sodium salt;salinity;starch;sensory evaluation;gelatinization

2017-02-20

葛宝宝 (1991-)，女，在读硕士，研究方向：食品添加剂的合成与应用，E-mail:gebaobao4698@163.com。

*通讯作者:许杰(1983-)，男，博士，工程师，研究方向：功能性多糖，风味物质及感官评测，E-mail:elwinxu@gmail.com。

江苏省高校优秀科技创新团队项目 (5812050205157360)。

TS202.3

A

1002-0306(2017)15-0078-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.016