不同聚合度菊粉對木薯珍珠理化性質的影響

劉敏娟,黃 磊,艾鳳玲,萬博祎,田哲瑋,吳建永

(南昌大學食品科學與資源挖掘全國重點實驗室,江西 南昌 330047)

淀粉珍珠是由淀粉和水經造粒制成的球狀食品。煮熟的淀粉珍珠晶瑩剔透,具有良好的彈性和咀嚼性,通常與茶、牛奶或者椰奶一起食用,為飲品提供獨特的口感。在過去的20年里,這種飲料在亞洲越來越受歡迎,并傳到了歐美[1]。盡管如此,目前關于淀粉珍珠的研究仍十分有限。優質的淀粉珍珠通常要求透明度、顆粒強度、硬度和咀嚼性均較高[1-4]。這些品質與淀粉的吸水性、溶脹力、水溶性以及凝膠性質緊密相關,木薯淀粉被認為是生產淀粉珍珠較為理想的原料[3-5],但是仍需進一步改善。KASOTE等[2]研究了浸泡和高壓處理對木薯珍珠結構、糊化性質和抗性淀粉含量的影響。ZHANG等[4]研究發現淀粉醋酸酯、羥丙基二淀粉磷酸和羧甲基纖維素有助于改善木薯珍珠蒸煮前后的品質。但相對于人工合成添加劑,消費者更接受天然成分。

菊粉是由D-果糖經β(1→2)糖苷鍵鏈接而成的天然直鏈多糖,可作為益生元、脂肪替代品、糖替代品、質地調節劑等改善食品營養和品質[6,7]。按照聚合度,菊粉可分為低聚合度(DP≤10)、中聚合度(DP 2-60)和高聚合度(DP≥23)[8-9]。同溫度下,低聚合度菊粉的水溶性和持水性要高于中、高聚合度菊粉,而在同濃度下,高聚合度菊粉具有更高的粘度[10]。

菊粉作為一種多羥基聚合物,可通過氫鍵與直鏈淀粉相互作用或插入直鏈淀粉形成的網絡結構,有助于形成牢固的三維凝膠結構[11]。因此,添加菊粉也許能改善木薯珍珠的顆粒強度和蒸煮品質。經廣泛查閱文獻,尚未發現相關報道。本研究首次采用圓盤造粒法制備木薯珍珠,考察不同聚合度菊粉對木薯珍珠的粉末性質、顆粒強度和蒸煮品質的影響,發現低聚合度菊粉可以有效改善木薯珍珠品質。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木薯淀粉(廣西紅楓有限公司);菊粉(比利時Beneo公司):低聚合度菊粉(LPI),DP≤10;中聚合度菊粉(MPI),DP 2-60;高聚合度菊粉(HPI),DP≥23。

1.2 儀器與設備

圓盤造粒機(KR1000,河南紅星礦山機器有限公司);快速粘度分析儀(Tec Master,Newport Scientific公司);紅外光譜儀(Nicolet iS10,賽默飛世爾科技有限公司);紫外分光光度計(TU-1900,北京普析通用儀器有限責任公司);質地分析儀(XT-plus,英國Stable Micro System公司);真空冷凍干燥機(FD5,美國SIM公司);掃描電子顯微鏡(Quanta-200,荷蘭FEI公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 木薯珍珠的制備

木薯淀粉與3%(w/w)的菊粉混合均勻。取40 g的混合粉末,加入20 mL水潤濕30 min,再過12目篩。將潤濕、過篩后的粉末加入圓盤造粒機,轉速為60 r·min-1。隨后將剩余60 g混合粉末加入到圓盤造粒機中,同時以噴霧的方式緩慢加入36 mL水作為造粒粘結劑。制備的淀粉顆粒置于40 ℃烘箱中干燥12 h,得到木薯珍珠(TP)。添加3% LPI、MPI和HPI的木薯珍珠分別標記為LPI-TP、MPI-TP和HPI-TP。

1.3.2 菊粉對木薯珍珠粉末性質的影響

1.3.2.1 吸水性、溶脹力和水溶性測定

將0.4 g木薯珍珠粉末與25 mL蒸餾水混勻,所得懸濁液在25 ℃恒溫振蕩水浴鍋中震蕩30 min,在4 800 r·min-1下離心20 min。收集上清液,置于105 ℃干燥至恒重,并稱量沉淀物質量。參照HU等[12]的方法,計算吸水性、溶脹力和水溶性。吸水性以沉淀質量占沉淀中干物質重量的百分比表示,溶脹力以沉淀質量占樣品干重的百分比表示,水溶性以上清液干物質的重量占樣品干重的百分比表示。

1.3.2.2 糊化特性

用快速粘度分析儀(RVA)測定木薯珍珠的糊化性質。將2 g木薯珍珠粉末和25 mL去離子水先后加入RVA測試罐。經程序化的攪拌、升溫和降溫(50 ℃-95 ℃-50 ℃)后,得到RVA曲線[13]。儀器自動從RVA曲線分析出峰值、谷值、終值和崩解值粘度。

1.3.2.3 分子間作用力測定

木薯淀粉與3%(w/w)的菊粉混合,取3 g混合物懸浮于30 mL濃度為0、0.2、0.6、1.0 mol·L-1的氯化鈉或尿素溶液中[14],隨后在95 ℃下水浴20 min再冷卻至室溫。最后用流變儀測定樣品在0.1～10 Hz頻率范圍內的儲能模量(G′)變化。

1.3.2.4 紅外光譜分析

用紅外光譜儀分析木薯珍珠的紅外特征。將木薯珍珠粉末與KBr充分混合,以KBr為背景,在透射模式下記錄樣品在400～4 000 cm-1范圍內的光譜,掃描次數為64次,分辨率為4 cm-1[15]。

1.3.3 菊粉對木薯珍珠顆粒強度的影響

1.3.3.1 破裂力

用質地分析儀的一次壓縮程序測定木薯珍珠的破裂強度[16]。選用P/36R圓柱形探頭,測試距離為1 mm,測試前、中和、后速度分別設置為2、1和2 mm·s-1。曲線上出現的峰值為破裂力。

1.3.3.2 摩擦損失

將木薯珍珠包裝好,在搖床中以190 r·min-1搖晃60 min。取出珍珠并吹去粉末后稱重。摩擦損失為破碎及磨損珍珠質量占初始珍珠質量的百分比。

1.3.4 菊粉對木薯珍珠蒸煮和感官品質的影響

1.3.4.1 蒸煮時間

將木薯珍珠加入沸水中,定時取出小部分,用兩塊玻璃板壓緊,直至沒有白芯,所用時間即為最佳蒸煮時間[17]。

1.3.4.2 蒸煮損失

在105 ℃下將蒸煮水烘干至恒重,蒸煮水中的干物質重量占木薯珍珠干重的百分比為蒸煮損失[18]。

1.3.4.3 體積膨脹比

用體積置換法[17]測定木薯珍珠蒸煮前后的體積,兩者的比值即為體積膨脹比。

1.3.4.4 透明度

將粉碎過100目的木薯珍珠粉末懸浮于蒸餾水中(1%,w/v),再置于沸水浴中加熱15 min。冷卻至室溫(25 ℃)后,用紫外可見分光光度計在620 nm波長下測定樣品的透光率[19]。透光率越高,樣品的透明度越高。

1.3.4.5 質構

用質地分析儀中的TPA程序測定熟珍珠的質地特性。選用P/36R圓柱形探頭,壓縮形變率為90%,設定測試前、中、后速度分別為2、1和1 mm·s-1[18]。系統軟件自動分析樣品硬度、粘性和咀嚼性。

1.3.4.6 感官評定

感官評定小組由10名經過培訓的評審人員組成,對煮熟的木薯珍珠的外觀色澤、組織狀態和風味口感3個方面進行評價[20]。評定標準如表1所示。

1.3.4.7 微觀結構

將煮熟后的木薯珍珠冷凍干燥,用刀片沿其橫軸施壓使其自然斷裂。將珍珠的斷面朝上,用導電膠將其粘于觀察臺上,噴鍍一層金屬薄膜。用掃描電鏡在5 kv加速電壓觀察斷面的微觀結構。

2 結果與分析

2.1 菊粉對木薯珍珠粉末性質的影響

添加LPI和HPI可以顯著提高木薯珍珠粉末的吸水性和溶脹力,而添加MPI則顯著(p<0.05)降低吸水性(表2)。LPI對木薯珍珠粉末的吸水性和溶脹力影響最大,使兩者從174.8%和175.7%分別提高至188.7%和195.6%。

表1 木薯珍珠的感官評定標準Tab.1 Sensory evaluation criteria of tapioca pearls

不同聚合度菊粉均能顯著提高木薯珍珠粉末的水溶性(p<0.05)(表2)。菊粉較淀粉水溶性更好,是導致珍珠粉末水溶性增加的主要原因。HPI-TP的水溶性(2.30%)比MPI-TP(3.85%)和LPI-TP(3.56%)的水溶性低,可能是因為HPI水溶性較差[10]。

添加菊粉顯著降低了木薯珍珠粉末的峰值、谷值、終值和崩解值粘度(p<0.05),且添加不同聚合度菊粉差異不顯著(表2)。淀粉的粘度主要由支鏈淀粉決定[10],木薯珍珠糊化粘度的降低可能是由于菊粉吸水性強,與淀粉競爭水分[14],導致支鏈淀粉分子無法完全伸展,阻礙粘度的上升。也可能是菊粉通過氫鍵與浸出的直鏈淀粉相互作用,形成屏障,抑制淀粉顆粒的溶脹[14],從而降低木薯珍珠粉末的糊化粘度。

紅外譜圖中,3 387 cm-1處的峰帶歸因于聚合物羥基的伸縮振動吸收[14],2 930 cm-1處的峰帶為C-H伸伸振動,1 646 cm-1處的峰帶是吸附在淀

表2 菊粉對木薯珍珠粉末性質的影響Tab.2 Effect of inulin on the physicochemical properties of tapioca pearl powder

粉無定形區域中的水分子振動的結果[21],1 369 cm-1處的峰帶可能與C-H的振動有關[14],1 159 cm-1處的峰帶歸因于C-O鍵的伸縮[18],999 cm-1附近的吸收峰主要是由于C-OH的彎曲振動[22]。添加菊粉后,木薯珍珠粉末沒有出現新的紅外吸收峰,說明菊粉與淀粉之間沒有產生新的官能團,即菊粉沒有與淀粉發生共價結合(圖1)。但是,菊粉的添加使得羥基吸收峰發生紅移,波數從3 387 cm-1移動到3 391～3 416 cm-1,且菊粉分子量越低則紅移越明顯。這表明菊粉與淀粉發生了氫鍵相互作用,限制了羥基的伸縮振動,且低聚合度菊粉與淀粉的相互作用更強。

σ/cm-1

尿素可通過形成競爭性氫鍵破壞原體系中的氫鍵,但是不影響原體系中的靜電相互作用;氯化鈉通過靜電屏蔽干擾原體系的靜電相互作用,但是對氫鍵作用影響不大[14,23]。因此,可以添加不同濃度的尿素和氯化鈉,通過觀察凝膠體系的儲能模量(G′)的變化來探究菊粉與木薯淀粉之間的相互作用類型,進一步驗證紅外光譜的實驗結果。如圖2所示,隨著尿素和氯化鈉濃度的增加,菊粉與木薯淀粉混合物的G′不斷降低,表明菊粉與木薯淀粉之間存在氫鍵和靜電相互作用。JI等[14]的研究也發現,菊粉與小麥、馬鈴薯和豌豆淀粉之間均存在氫鍵相互作用,菊粉和豌豆淀粉之間還存在較強的靜電相互作用。比較圖2a和2b可知,LPI與木薯淀粉混合物的G′明顯高于純木薯淀粉,說明添加LPI可以增加淀粉凝膠的彈性。這與LPI提高木薯珍珠硬度和咀嚼性的結果一致。菊粉與淀粉的分子相互作用或許是影響木薯珍珠顆粒強度和蒸煮品質的重要因素之一(詳見2.2、2.3小節)。

f/Hz

f/Hz

f/Hz

f/Hz

2.2 菊粉對木薯珍珠顆粒強度的影響

木薯珍珠在儲運過程中可能會受到壓力或摩擦力,導致磨損甚至破裂。因此,顆粒強度高,即破裂力大、摩擦損失小的木薯珍珠質量好。濕法造粒時,固體粉末隨著圓盤的旋轉而流動,水作為粘結劑以小液滴的形式灑入。除了水的“液橋”作用外,粉末狹縫間的毛細管作用也是固體粉末團聚成大顆粒的重要驅動力[24]。在濕法造粒過程中,固體粉末中的可溶性成分會析出溶入液相。顆粒干燥后,“液橋”轉變為“固橋”[25],從而將顆粒固化。因此,粉末的水溶性對顆粒強度有顯著影響。

添加菊粉可以顯著(p<0.05)降低木薯珍珠的摩擦損失,可能是因為添加菊粉顯著提高了珍珠粉末的水溶性(表2)。添加LPI效果最好,使木薯珍珠的摩擦損失從1.96%降低至1.04%,而MPI-TP和HPI-TP的摩擦損失分別為1.41%和1.21%。

添加LPI和MPI對木薯珍珠破裂力無顯著影響,添加HPI顯著(p<0.05)降低了破裂力。菊粉是由D-果糖是經β(1→2)糖苷鍵連接而成的線性直鏈多糖[6]。本研究中HPI的聚合度為DP≥23。HPI可能因分子鏈太長而不容易取向,不易與淀粉分子形成氫鍵,反而增加了顆粒的異質性,導致顆粒強度降低。隨著菊粉聚合度的增加,羥基吸收峰的紅移程度降低(圖2),也表明相較于LPI和MPI,HPI更不易與淀粉分子形成氫鍵。

2.3 菊粉對木薯珍珠蒸煮和感官品質的影響

蒸煮品質是評價木薯珍珠的另一項重要指標。一般而言,期望木薯珍珠具有較短的蒸煮時間,較低的蒸煮損失,較高的體積膨脹率、透明度、硬度和咀嚼性[1-4]。由表3可知,添加LPI的效果最佳,不僅能顯著降低木薯珍珠的蒸煮損失,還能顯著(p<0.05)提高其體積膨脹率、透明度、硬度和咀嚼性。菊粉作為一種多羥基聚合物,可以與直鏈淀粉相互作用或插入直鏈淀粉形成網絡結構[11,26],從而能提高木薯珍珠的硬度和咀嚼性。此外,菊粉作為一種親水性多糖,可提高水介質的折射率[27],且能與淀粉形成氫鍵,抑制淀粉分子重排,降低光透過淀粉分子時的折射率[28],從而提高凝膠體系的透明度。然而,添加MPI會使木薯珍珠的透明度從9.4%顯著(p<0.05)下降至8.8%。這是因為,淀粉凝膠的透明度還受其吸水性影響。吸水性越高,則凝膠透明度越高,因為水是透明的。添加MPI顯著降低了木薯珍珠粉末的吸水性(表2),因此對透明度產生了不良影響。添加HPI的效果最差,會顯著(p<0.05)增加木薯珍珠的蒸煮損失和蒸煮時間。蒸煮損失的增加可能是由于HPI-TP的顆粒強度較低。此外,3種菊粉均會提高木薯珍珠的粘性(從11.7 gs提高至14.2～15.1 gs),可能是因為水溶性的菊粉在蒸煮時溶于水中,最后附著在珍珠表面,導致粘性增

圖3 菊粉對木薯珍珠顆粒強度的影響Fig.3 Effect of inulin on the granule strength of tapioca pearls

表3 菊粉對木薯珍珠蒸煮和感官品質的影響Tab.3 Effect of inulin on the cooking and sensory qualities of tapioca pearls

加。添加3%不同聚合度菊粉對木薯珍珠的外觀色澤均無顯著影響,但是添加HPI對木薯珍珠的組織狀態產生了負面影響,而添加LPI可顯著(p<0.05)提高木薯珍珠的風味口感。

添加菊粉不會影響木薯珍珠的顆粒外觀(圖4a1-a4),但是會明顯提高其體積膨脹率(圖4b1-b4),該結果與表3中的結果一致。煮熟后的木薯珍珠的橫截面均呈蜂窩狀多孔結構(圖4c1-c4)?？锥唇Y構的形成是由于凍干過程樣品水分升華所致[17],因此該孔洞結構反映了木薯珍珠的吸水率,與體積膨脹率密切相關。添加菊粉使木薯珍珠的孔洞結構更致密、更均勻(圖4d1-d4),這與菊粉提高木薯珍珠體積膨脹率一致。從表3還可以看出,體積膨脹率越高,木薯珍珠的硬度和咀嚼性也越高。LPI-TP的體積膨脹率最高,其孔洞最致密且孔壁最厚(圖4d1-d4),與其硬度和咀嚼性最高結果一致。

a1-a4,蒸煮前木薯珍珠外觀;b1-b4,蒸煮后木薯珍珠外觀;c1-c4,熟珍珠100倍下的微觀結構;d1-d4,熟珍珠500倍下的微觀結構。

3 結論

菊粉會與淀粉發生氫鍵和靜電相互作用,與淀粉競爭水分,抑制淀粉顆粒溶脹,并提高粉末水溶性,從而影響木薯珍珠的顆粒強度和蒸煮品質。添加LPI效果最好,可以顯著降低木薯珍珠的摩擦損失和蒸煮損失,同時顯著提高其透明度、體積膨脹率、硬度、咀嚼性和風味口感。這是因為LPI的平均聚合度更低,與淀粉的氫鍵相互作用更強,形成的凝膠網絡結構也更強。添加MPI會顯著降低粉末的吸水性,從而降低木薯珍珠的透明度,而添加HPI則不易與淀粉分子形成氫鍵,反而增加了顆粒的異質性,導致顆粒強度降低,蒸煮損失升高,并對珍珠的組織狀態產生負面影響。