黄原胶对莲藕淀粉糊化性质及流变与质构特性的影响

刘 敏，赵 欣，阚建全,3，张甫生,3，郑 炯,3,*

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.重庆第二师范学院 重庆市功能性食品协同创新中心，重庆 400067；3.重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆 400715）

莲藕一直以鲜销蔬菜为主，为响应国家退耕还湖政策，莲藕种植不断扩大，产量迅速增加，莲藕的加工成为重要的研究课题[1]。目前市面上受大众喜爱莲藕加工食品多为莲藕淀粉，它是莲藕的主要营养成分，也是一种方便食用的滋补品，更是一种重要的淀粉来源[2-3]。研究表明，藕淀粉粒脆性大，在加热搅拌条件下容易破碎或变形，热稳定性差；另外莲藕淀粉中直链淀粉含量比葛根淀粉、玉米淀粉的含量高，更易老化[4]，在加工中可以采用复配的方法，克服莲藕淀粉在加工中的不足。

黄原胶由5 个糖残基单元组成，其中侧链上的葡萄糖醛酸和丙酮酸群赋予了黄原胶负电荷，带负电荷的侧链相互作用决定了黄原胶优良的乳化稳定性、温度稳定性、与食品中其他组分的相容性以及流变性[5]，是已知所有亲水性胶体中用途较广泛、使用较多的胶体[6-7]。黄原胶用于乳品生产中能提高牛奶、冰淇淋[8]、饮料的稳定性，还可用于低脂肪食品[9]、肉制品等。芮汉明等[10]报道了黄原胶对板栗淀粉具有良好的抗老化性。

淀粉的糊化、流变等功能特性会影响淀粉质食品的加工，为满足各种加工可以用蛋白质或多糖与淀粉复配对这些特性进行改善，有学者用膳食纤维与淀粉进行复配以改善淀粉特性[11]，而添加亲水性胶体也会改变淀粉的糊化和流变特性，进而影响淀粉产品的加工工艺和食用品质[12-14]。因此对淀粉与胶体复配体系的糊化特性、流变及质构特性研究是有重要意义的。目前，国内外较多文献报道了将胶体与淀粉进行复配的研究，如Nagano等[15]研究了瓜尔豆胶对玉米淀粉流变特性的影响。石点等[16]发现黄原胶对玉米淀粉糊化有促进作用；张雅媛等[17]将玉米淀粉与黄原胶复配形成质地柔软的凝胶，但目前鲜见将黄原胶与莲藕淀粉复配的研究报道。因此，本实验将不同比例黄原胶与莲藕淀粉复配，考察黄原胶对莲藕淀粉糊化、流变、凝胶质构特性及微观结构的影响，作为亲水性胶体与淀粉复配体系研究的补充，为莲藕淀粉与黄原胶复配体系在食品中的应用提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

莲藕淀粉（含水量12%、含直链淀粉量29%、含支链淀粉量56%） 湖北爱荷食品有限公司；黄原胶（食品级，含水量8%） 淄博中轩生化有限公司。

1.2 仪器与设备

FA2104电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；HH-8数显恒温水浴锅、RVA-TecMaster快速黏度分析仪 瑞典波通仪器有限公司；DHR-1旋转流变仪美国TA公司；CT3物性测定仪 美国Brookfield公司；FD-1A-50冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司；JSM-6510LV钨灯丝扫描电子显微镜 日本电子株式会社。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

选择5 种莲藕淀粉与黄原胶复配体系（10∶0、9.5∶0.5、9.0∶1.0、8.5∶1.5、8.0∶2.0，g/g），准确称量莲藕淀粉、黄原胶质量，于烧杯中加入去离子水混合，配成质量分数为6%的悬浮液（以干基计），搅拌均匀后在沸水浴中加热糊化30 min。流变、质构特性及微观结构的测定均采用此方法制作的样品。

1.3.2 糊化性质的测定

参考唐敏敏等[18]的方法，将5 种不同配比的莲藕淀粉与黄原胶复配体系（10∶0、9.5∶0.5、9.0∶1.0、8.5∶1.5、8.0∶2.0，g/g），准确称量后于RVA铝盒中加入去离子水，配成质量分数为6%的悬浮液，按照美国谷物化学协会规定方法Standard 2在快速黏度分析仪中进行测定。程序如下：50 ℃保温1 min，以6 ℃/min的速率升温至95 ℃，保温5 min，再以6 ℃/min的速率降温至50 ℃，保温2 min。前10 s内搅拌速率为960 r/min，而后以160 r/min搅拌速率进行测定。

1.3.3 流变特性的测定

参考张雅媛等[17]的方法并加以改动，取用1.3.1节制作的样品，采用平板-平板测量系统，平板直径40 mm，设置间隙1 mm。每次测试均需更换样品。

静态流变特性：温度25 ℃，剪切速率从0～300 s-1递增，再从300～0 s-1递减。本实验采用幂定律（Power law）模型对静态剪切数据点进行回归拟合，方程式为：

式中：τ为剪切应力/Pa；γ为剪切速率/s-1；n为流体指数；K为稠度系数/（Pa·sn）。

动态黏弹性测定：测定温度25 ℃，通过预实验中对线性黏弹区的测定，确定扫描应变值为1%，测定振荡频率设为0.1～10 Hz内贮能模量（G’）、损耗模量（G”）、损耗角正切tanδ随角频率变化的情况，测定样品的黏弹性。

动态时间扫描：将样品置于平板上进行温度平衡5 min，温度4 ℃，扫描应变1%，在频率0.5 Hz条件下测定1 h内样品贮能模量（G’）和tanδ的变化情况。

1.3.4 质构测定

将1.3.1节制备样品在室温条件下冷却，密封，在4 ℃条件下冷藏24 h后，进行质构测定。测定条件：TPA模式，TA5探头（直径0.5英寸的圆柱状平头探头），测试前速率1.0 mm/s；测试速率1.0 mm/s；测试后速率1.0 mm/s；压缩程度40%；触发力5 g。

1.3.5 微观结构观察

采用扫描电子显微镜进行微观结构的观察。观察前样品需进行前处理，以获得清晰精确的结果。前处理方法：将样品在培养皿中均匀涂膜，然后在冰箱中预冷冻24 h，再进行冷冻干燥[19]。冷冻干燥好的样品切成薄片固定于样品台上，经离子溅射仪喷金后，使用扫描电子显微镜在不同的放大倍率观察并拍摄其凝胶基质剖面显微结构。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 黄原胶对淀粉糊化性质的影响

图1 莲藕淀粉-黄原胶复配体系糊化曲线Fig. 1 Pasting curves of lotus root starch-xanthan gum mixed systems

表1 莲藕淀粉-黄原胶复配体系糊化特征值Table 1 Pasting parameters of lotus root starch-xanthan gum mixed systems

如图1、表1所示，与单独莲藕淀粉体系相比，添加黄原胶明显降低了莲藕淀粉崩解值（峰值黏度与谷值黏度之差）和回生值（谷值黏度与终值黏度之差），而峰值时间（从测试开始到出现峰值黏度的时间）、终值黏度（测试结束时的黏度值）显著增加（P＜0.05）。这一结果与唐敏敏等[18]对黄原胶与绿豆淀粉复配结果类似。黏度值越大，表明具有更好的增稠性；回生值越大，表明越容易老化，凝胶性越强；崩解值越大，耐剪切性越差，峰值时间越短，表明糊化越容易。由于淀粉颗粒吸附黄原胶大分子增大了空间位阻排斥，提高了糊的热稳定性，因而降低了莲藕淀粉的崩解值。添加黄原胶后，与淀粉竞争吸附体系中的水分以及黄原胶与渗透出的直链淀粉通过氢键结合，都会抑制淀粉分子移动重排，降低回生值[20]，抑制短期回生。黄原胶作为亲水性胶体，加入从而抑制了淀粉的吸水速度，使得淀粉糊化的过程变的缓慢、推迟了糊化峰值时间[21]。添加黄原胶的体系终值黏度明显高于单独莲藕淀粉体系，这与黄原胶和淀粉分子之间氢键[22]作用以及链缠结有关。

如图1和表1所示，峰值黏度（加热使淀粉糊化开始至冷却前达到的最大黏度值）并未随黄原胶添加量的增加呈现规律性的变化，高比例（8.0∶2.0）的黄原胶使莲藕淀粉峰值黏度增大，而低比例（9.5∶0.5）的黄原胶使峰值黏度降低，这可能是因为黄原胶是特殊的带负电荷的胶体，分子间存在静电斥力，低比例条件下没有凝胶现象；而高比例时会发生分子链缠结，使黏度增大[16]。

2.2 黄原胶对淀粉流变特性的影响

2.2.1 静态流变特性

图2 莲藕淀粉-黄原胶复配体系静态流变曲线Fig. 2 Rheological curves of lotus root starch-xanthan gum mixed systems

表2 莲藕淀粉-黄原胶复配体系拟合参数Table 2 Power law parameters for lotus root starch-xanthan gum mixed systems

静态流变学是对样品施加线性增大或减少的稳态剪切速率，反映样品结构随剪切速率变化的规律。由图2可知，淀粉糊在流动中所需的剪切应力随剪切速率增大而增大，复配体系的剪切应力低于单独的莲藕淀粉。采用幂定律对曲线的数据点进行拟合，结果见表2。R2均大于0.98，表明拟合具有较高精度。K与增稠能力有关，K越大，增稠效果越好[23]。添加黄原胶后，体系的稠度系数K增大，这说明体系的整个稠度升高，复配体系具有良好的增稠作用，表2显示，复配体系比例为8.0∶2.0时，K最大，有最好的增稠效果；所有流体指数n小于1，说明黄原胶并未改变流体性质，体系仍为假塑性流体[24]。但是加入黄原胶后，流体指数n值降低，表明复配体系的假塑性增强，剪切易变稀。这是由于黄原胶自身的负电荷间的相斥性使之分子内无法形成氢键，分子链较舒展，易与淀粉分子间相互作用形成氢键，增强对流动的阻力，淀粉分子链与黄原胶分子链段间的缠绕作用增加了流体中分子链节的顺向性[17]，从而体系剪切变稀性增强，n值降低。

剪切作用对体系内部结构有一定的破坏作用，随着剪切速率的增加，破坏程度加大；当剪切速率逐渐降低时，结构的恢复速率在短时间内不能完全恢复，黏性变化曲线存在滞后现象，出现触变性[25]。由图2可知，添加黄原胶后，复配体系触变环面积减小，说明黄原胶有助于提高体系的剪切稳定性；并且复配体系曲线表现出逆时针环状，这表明添加胶体影响了原来的淀粉体系结构，复配体系经剪切作用后，在短时间内形成新的结构体系，从而导致流动阻力增大，下行曲线剪切应力与上行曲线相比明显增加[17]。

2.2.2 动态流变特性

图3 莲藕淀粉-黄原胶复配体系动态模量（A）及tanδ（B）随角频率变化曲线Fig. 3 Curves of dynamic modulus and tanδ against angular frequency for lotus root starch-xanthan gum mixed systems

动态流变学可用来测定不同样品的黏弹性，对食品加工特性和质量控制具有很大应用价值[26]。弹性模量表示应力能量在实验中暂时储存，以后可以恢复的弹性性质；黏性模量表示初始流动所需能量是不可逆损耗，已转变为剪切热的黏性性质[27]；损耗角正切值tanδ为损耗模量与贮能模量的比值。由图3可知，在一定范围的变化频率内（0.1～10 Hz），所有样品的贮能模量与损耗模量都稳定的增加，贮能模量始终大于损耗模量，即所有体系以弹性性质为主。随着黄原胶添加量的增大，贮能模量与损耗模量随频率均呈规律性的逐渐增加，并且tanδ小于1，淀粉与胶体之间表现出一种典型的弱凝胶动态流变学特性[28]。黄原胶使体系黏性和弹性都增强，其中复配体系8.0∶2.0黏弹性最好，这是大量的黄原胶与淀粉以及水通过氢键聚集成难以运动的大分子，导致内部缠节点增多[29]的结果。

tanδ越大，体系流动性强，tanδ越小，固体特性越强。所有体系tanδ随着扫描频率的增加而降低，而且添加黄原胶能明显降低tanδ，说明加入胶体的体系显示出更加弹性的固体性质。这与蔡旭冉等[30]对黄原胶与马铃薯淀粉复配的研究结果类似。随着黄原胶添加量的增加，tanδ逐渐减小，在比例为8.0∶2.0时，复配固体性质表现最明显。

2.2.3 动态时间扫描

图4 莲藕淀粉-黄原胶复配体系贮能模量（A）及tanδ（B）随时间变化曲线Fig. 4 Curves of storage modulus and tanδ against time for lotus root starch-xanthan gum mixed systems

回生初期，贮能模量的快速升高主要是直链淀粉的快速聚集形成了三维凝胶网络结构，通常将此过程中贮能模量的变化用来度量淀粉短期回生的程度[15]。如图4所示，贮能模量随着黄原胶添加比例的增大而增加，表明黄原胶的加入使得莲藕淀粉与黄原胶体系内部的分子链段之间的缠结点增多，凝胶体系网络结构得到巩固[31]，但是贮能模量随黄原胶含量变化而变化的趋势与之前动态黏弹性测定中的趋势有所不同，这可能与二者温度条件不同有关。添加了黄原胶体系在前100 s内贮能模量增幅较大，可能是由于水分蒸发引起的[32]。而后变得比较平稳，而单独莲藕淀粉凝胶贮能模量值到1 h后仍有小幅增加。贮能模量的增加越缓慢，表明淀粉渗漏出来的直链淀粉越少，黄原胶能够减弱直链淀粉的回生作用。tanδ随着黄原胶比例的增加而减小，这一结果表明，复配体系具有更好的稳定性。

2.3 黄原胶对淀粉凝胶质构特性的影响

表3 莲藕淀粉-黄原胶复配体系质构参数Table 3 Texture parameters of lotus root starch-xanthan gum mixed systems

由表3可知，添加黄原胶使莲藕淀粉凝胶发生了显著变化（P＜0.05）。随着黄原胶添加量增多，体系的硬度、内聚性、黏着性、咀嚼性先下降后增加，弹性值增大。这一结果与张雅媛等[17]对玉米淀粉与黄原胶复配体系凝胶质构研究结果类似。硬度与直链淀粉分子间的相互交联程度成正相关，而添加了黄原胶后阻碍了莲藕淀粉中直链淀粉的渗出，削弱了直链淀粉重排，因此复配体系的硬度降低。弹性值增大与动态流变测定结果一致，体系的内聚性、黏着性咀嚼性的变化可能与加入黄原胶后形成的网络结构有关。当添加比例为8.0∶2.0时，样品的弹性达到最大，硬度值较小，形成了质地较柔软的凝胶[33]，咀嚼性在所有添加了黄原胶的体系中也较好。

2.4 黄原胶对淀粉凝胶微观结构的影响

由图5A可以看出，未添加黄原胶的莲藕淀粉糊化体系呈现出一种不均匀、不连续的结构，存在孔洞和凹陷；由图5B可知，加入低比例的黄原胶后，有效填充在淀粉颗粒之间，结构发生明显变化并趋于光滑、均匀和紧密；如图5C所示，继续增加黄原胶，开始在均匀的表面出现突起的网络结构；如图5D所示，当莲藕淀粉与黄原胶质量比为8.5∶1.5时，突起的网络骨架结构数量明显增多；如图5E所示，此时在均匀紧密的结构上形成相互交联支撑的网络结构。这种微观结构的形成，使复配体系稳定性增强，凝胶性增强，且弹性也得到改善，莲藕淀粉与黄原胶复配体系表现出更好的增稠作用。这与徐贵静[34]对马铃薯淀粉与黄原胶复配体系微观观察结果类似。

图5 莲藕淀粉-黄原胶复配体系微观结构扫描电子显微镜图Fig. 5 Microstructure of lotus root starch-xanthan gum mixed systems

3 结 论

添加黄原胶对莲藕淀粉的糊化特性有显著影响。其中复配体系的崩解值、回生值都降低，同时终值黏度增大、淀粉糊化峰值时间延长。

莲藕淀粉与黄原胶复配体系具有更好的增稠作用和更强的假塑性；添加黄原胶提高了莲藕淀粉黏弹性；同时胶体与淀粉间的作用延缓了淀粉分子链自身重排引起的回生，使复配体系有较好的稳定性。

加入黄原胶胶后，复配体系形成的凝胶硬度、内聚性、黏着性、咀嚼性降低，但弹性有所增强，表明形成的凝胶质地柔软，不易被破坏；微观结构观察发现黄原胶使淀粉体系结构发生了明显变化，形成了更加均匀、稳定和致密的网络结构。

黄原胶能够较好地改善莲藕淀粉糊化、流变及质构特性，对莲藕淀粉与黄原胶的复配体系糊化及流变研究，可拓宽莲藕淀粉的应用范围，也可为探讨其他大分子多糖间的复配提供参考。但对于莲藕淀粉与黄原胶的相互作用机理还需要进行进一步的研究，以便更好地改善莲藕淀粉与黄原胶复配加工工艺，指导该类型产品的开发并广泛应用于食品工业中。

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