交聯甜菜果膠對豌豆淀粉糊化及流變特性的影響

徐 磊, 閆璟圓, 陳舒拉, 白兆良, 王子成, 王 暢, 王曉樂

(淮陰工學院生命科學與食品工程學院,淮安 223003)

豌豆淀粉(PS)是豌豆蛋白加工過程中的主要副產物,與玉米、小麥或土豆來源的淀粉相比具有更低的價格[1, 2]。然而,天然PS存在一些固有的缺點,如易老化、熱穩定性差、抗剪切性差,無法滿足某些食品加工的要求[3]。因此,有必要對其進行適當改性,以克服天然PS的這些局限性,并改善其加工性能。目前,化學、酶和物理等多種技術手段已被用來對淀粉進行改性[4-6]。其中,在淀粉中添加非淀粉多糖作為一種綠色環保的物理改性方法引起了廣泛關注。劉曉慶等[7]發現,添加黃原膠和魔芋粉后,PS的糊化黏度增加,但凝膠強度和可塑性均降低。張曉宇等[8]研究表明,皂莢糖膠的添加可抑制玉米淀粉的短期和長期老化,且添加量越高抑制效果越好。此外,在淀粉中添加不同的非淀粉多糖會顯著影響淀粉的消化、流變和其他理化性質[9]。

甜菜果膠(SBP)是甜菜制糖過程中的一種副產物,與其他來源的商業果膠相比具有優越的乳化性能[10],然而因其較高的乙?；群洼^短的半乳糖醛酸伸展結構使其無法在Ca2+的存在下形成具有一定強度的凝膠結構[11]。研究發現,SBP的半乳糖和阿拉伯糖側鏈上含有大量的阿魏酸基團,可在漆酶和過氧化物酶等氧化酶的氧化作用下形成交聯甜菜果膠(CSBP)[12]。Zhang等[13]研究發現,辣根過氧化物酶可以對SBP產生交聯作用,增加SBP分子質量的同時并保持其溶解度,相較于SBP,CSBP具有更好的乳化活性。Kuuva等[14]報道稱,漆酶可引起SBP的交聯,使其形成具有一定強度的凝膠。

本課題組前期已進行了SBP和玉米、小麥淀粉相互作用的研究,發現SBP會影響淀粉的糊化和老化特性。然而,關于CSBP對淀粉理化性質的影響尚不清楚。研究表明,非淀粉多糖的分子質量、分枝度等分子性質可顯著影響其與淀粉的相互作用[15]。因此,在本研究中,選取PS作為模型淀粉,研究CSBP是否對其糊化和流變特性有積極影響,以期為改善PS的性能提供參考,并為CSBP在淀粉基產品中的應用提供新的見解。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SBP(酯化度55%,食品級);PS(食品級);漆酶(10 000 U/mL,食品級);鹽酸、氫氧化鈉、KBr等均為分析純。

1.2 儀器與設備

DHR-1流變儀,SU8010型場發射掃描電鏡,5810R臺式高速大容量冷凍離心機,Mastersizer 2000激光粒度儀。

1.3 方法

1.3.1 CSBP的制備

量取1 L去離子水,加入10 g 的SBP,過夜攪拌使其充分溶解,然后采用1 mol/L 的NaOH溶液調節pH為6.0,并加入20 000 U的漆酶,于45 ℃水浴反應30 min。反應結束后,立即用1 mol/L HCl溶液調節pH為7.0,并加入3倍體積的無水乙醇,過濾得到沉淀,充分干燥后磨粉過篩,得到CSBP。

1.3.2 糊化性質的測定

參照Zhang等[16]的方法,采用流變儀的Starch pasting cell附件進行PS糊化性質的測定。分別量取25 mL質量分數為0.00%、0.05%、0.10%、0.20%、0.30%的CSBP溶液于套筒內,加入適量PS,制得質量分數為6%的淀粉懸浮液。具體糊化程序為:首先將懸浮液在50 ℃下保持1 min,接著以12℃/min加熱至95 ℃,并在95 ℃下保持2.5 min,然后將懸浮液以相同速率冷卻至50 ℃,并在50 ℃下保持2 min,控制攪拌槳速度在前10 s為960r/min,而其余測試時間為160 r/min。分析糊化曲線,得到糊化溫度、峰值黏度、終值黏度、崩解值和回生值等參數。

1.3.3 膨脹勢和透光率的測定

按1.3.2節中的方法制備的質量分數為1%的淀粉糊,取適量淀粉糊于50 mL離心管中,待冷卻至室溫后,于4 000 r/min離心10 min,分別測定所得沉淀的濕重和干重,膨脹勢表示為沉淀的濕重與干重之比[17]。透光率測定時,取冷卻好的的淀粉糊,于620 nm處測定透光率,以去離子水為100%。

1.3.4 凝沉性的測定

參照李鑫等[18]的方法進行淀粉糊凝沉性的測定,按1.3.2節中的方法制備1%質量分數的淀粉糊,將至室溫后倒入10 mL量筒中,搖勻后于4 ℃冰箱靜置,每隔一段時間記錄上清液體積的變化。

1.3.5 流變學特性分析

參照Ma等[19]的方法進行PS流變學性質的測定,趁熱轉移適量1.3.2節制得的淀粉糊于流變儀平臺上,并刮去多余樣品,25 ℃平衡2 min后開始實驗,所選用平板直徑為40 mm,間隙設置為1 000 μm。

防治方法：調節玉米播期；使玉米苗期錯開灰飛虱的盛發期。間苗時去除病株。中耕并鏟除田邊和田間雜草。在玉米出苗前后，用50%的多菌靈800倍液噴霧防治1～2次。

1.3.5.1 靜態流變學的測定

剪切速率從0.1～100.0 s-1遞增,再從100.0～0.1 s-1遞減,記錄剪切應力隨剪切速率的變化,采用Herschel-Bulkley模型對所得數據進行擬合:

σ=σ0+Kγn

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

1.3.5.2 動態流變學的測定

控制應變為1%,角頻率從0.1～100.0 rad/s遞增,記錄樣品儲能模量(G′)、損耗模量(G″)及損耗角正切(tanδ)隨角頻率的變化。

1.3.6 粒徑的測定

參照Chen等[20]的方法進行糊化淀粉粒徑的測定,并稍作修改,按1.3.2節方法制備質量分數2%的淀粉糊,取適量制得的淀粉糊加入到激光粒度儀樣品池中,使遮光比達到15%左右,測定時設置顆粒折射率為1.53,分散劑折射率為1.33。

1.3.7 微觀結構分析

取適量1.3.2節制得的淀粉糊,于4 ℃放置24 h以充分形成凝膠,冷凍干燥后取樣品橫截面進行噴金處理,然后在5 kV的加速電壓下放大200倍進行觀察。

1.4 數據統計與分析

每個樣品均重復測定3次,使用SPSS 22.0軟件對數據進行單因素方差分析(P<0.05表示差異顯著),并利用Origin 2022 b軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 CSBP對PS糊化特性的影響

淀粉顆粒在糊化過程中經歷吸水、溶脹、晶體結構破壞以及直鏈淀粉溶出和重排等過程[21]。由圖1可看出,隨著CSBP添加量的增加,復配體系的糊化曲線呈逐漸上移的趨勢,但整體形狀未發生明顯改變。由表1可見,CSBP顯著增加了復配體系的峰值黏度、崩解值、終值黏度和回生值(P<0.05),且黏度的增加與CSBP的添加量呈正相關。這可能是由于:一方面,CSBP具有較強的包覆性能,糊化過程中其覆蓋在淀粉顆粒的表面可以增加淀粉的膨脹體積;另一方面,糊化過程中淀粉顆粒吸水膨脹導致CSBP可用空間減少,進而提高了連續相中CSBP的濃度,最終使復配體系黏度增大。與本研究結果一致,黃原膠和β-葡聚糖等親水膠體因其較高的增稠效應,也可提高淀粉的糊化黏度[22, 23]。然而,添加CSBP后,PS的糊化溫度顯著下降(P<0.05),表明PS顆?？梢栽谳^低的溫度下發生糊化。這與Rong等[21]研究的瓜爾豆膠對PS糊化溫度的影響結果相似。添加CSBP后,連續相中的淀粉有效濃度增加,淀粉顆粒之間的相互作用增強,因而糊化所需的熱能減少[24]。

圖1 CSBP-PS復配體系糊化曲線

2.2 CSBP對PS透光率和膨脹勢的影響

添加不同含量CSBP后,CSBP-PS復配體系的透光率和膨脹勢如圖2所示。添加CSBP顯著降低了復配體系的透光率(P<0.05),且CSBP添加的越多,透光率值越低。而CSBP-PS復配體系的膨脹勢隨著CSBP的添加呈逐漸增加的趨勢(P<0.05)。其結果可歸因于CSBP與PS的相互作用,溶液中存在CSBP可包覆在淀粉顆粒表面,使其得以充分膨脹,從而提高了膨脹勢,同時這種作用也在一定程度上減少了淀粉顆粒與水之間的相互作用,因而復配體系的透光率降低[25]。

表1 CSBP-PS復配體系的糊化特征值

圖2 CSBP-PS復配體系的透光率和膨脹勢

2.3 CSBP對PS凝沉性的影響

糊化的淀粉在放置一段時間后會逐漸形成上方清液下方沉淀物的現象,這主要是由于淀粉分子的重排和聚集引起,清液體積越大說明凝沉性越強,淀粉越易老化。CSBP添加對CSBP-PS復配體系凝沉性的影響見圖3。當CSBP質量分數小于0.10%時,復配體系在前3 h內迅速發生凝沉現象,在12 h后上層清液體積基本不再變化(P>0.05),而當CSBP質量分數大于0.20%時,復配體系的凝沉速率和凝沉程度顯著降低(P<0.05),上清液體積在48 h內呈緩慢上升的趨勢。原因可能是CSBP的添加減弱了淀粉分子之間的相互作用,降低了淀粉分子之間聚集和重排的機會,因而復配體系的儲藏穩定性提高,不易凝沉[18]。結果表明CSBP可能對PS淀粉的回生起到一定抑制作用。

圖3 CSBP-PS復配體系的凝沉性

2.4 CSBP對PS靜態流變學特性的影響

CSBP-PS復配體系凝膠剪切應力隨剪切速率的變化見圖4,通過Herschel-Bulkley模型對各靜態剪切流變特性曲線進行擬合,結果如表2所示。該模型對復配體系具有較高的擬合精度,R2值幾乎都在0.99以上。流體流動特征指數n可反映其與牛頓流體的接近程度,CSBP-PS復配體系上行曲線和下行曲線的n值均小于1,表明復配體系為假塑性流體,表現出剪切稀化的行為。屈服應力σ0表示使流體流動所需的最小力,可反映流體凝膠網絡的強弱,而稠度系數K反映了流體黏度的大小,與流體的增稠能力相關[26]。隨著CSBP的添加量的增加,上行曲線和下行曲線的K和σ0值均呈逐漸增大的趨勢,且上行曲線的K和σ0值大于下行曲線的K和σ0值。這些結果表明CSBP的添加降低了CSBP-PS復配體系的流動性,此與糊化特性測試的結果是一致的。觸變性是非牛頓流體的一個重要特性,通常認為滯后環面積越大,流體的觸變性越強[27]。CSBP-PS復配體系所有樣品均產生了明顯的滯后環,隨著CSBP的添加量的增加,滯后環面積呈現先增加后降低的趨勢。這可能是由于低濃度的CSBP降低了SBP-PS復配體系的剪切穩定性,而高濃度的CSBP增加CSBP-PS復配體系的剪切穩定性。

圖4 CSBP-PS復配體系靜態流變曲線

表2 CSBP-PS復配體系的Herschel-Bulkley模型擬合參數

2.5 CSBP對PS動態流變學特性的影響

儲能模量G′、損耗模量G″及損耗角正切tanδ隨角頻率的變化如圖5所示,添加CSBP改變了PS凝膠的結構。從圖5a、圖5b中可以看出,CSBP-PS復配體系的G′和G″均隨角頻率的增加而增加,顯示出顯著的頻率依賴性,表明它們具有典型的凝膠特性[28]。在測量的角頻率范圍內,G′始終大于G″,且tanδ小于1,表明CSBP-PS復配體系為典型的弱凝膠體系。CSBP-PS復配體系的G′和G″均隨CSBP添加量的增加而增加,表明CSBP提高了復配體系的黏彈性。這可能是由于CSBP提高了PS的水合和溶脹,從而增加了復配體系中分子間纏結點的數量,促進了網絡結構的形成,因此導致G′和G″值升高。此外,根據模量的變化,CSBP對G′的影響明顯強于G″,表明CSBP對復配體系彈性的影響更為有效[17]。tanδ為G″和G′的比值,可用來反映體系黏彈性的變化。從圖5c中可以看出,CSBP-PS復配體系的tanδ值小于1,且隨角頻率的增加呈逐漸增加的趨勢。在各種淀粉-親水膠體復配體系中均廣泛觀察到類似的現象[19, 29]。隨著CSBP的添加,復配體系的tanδ值逐漸降低,表明CSBP將PS的凝膠網絡變得更加固體狀。結果表明,隨著CSBP的添加量的增加,CSBP-PS復配體系形成了更為剛性的結構,這解釋了糊化特性測試中的更高的回生值。

圖5 CSBP-PS復配體系的G′、G″和tanδ隨角頻率變化曲線

2.6 CSBP對PS粒徑的影響

添加不同含量CSBP后,CSBP-PS復配體系的糊化顆粒粒徑分布和大小如圖6所示。未添加CSBP時,PS的顆粒粒徑分布圖為單峰曲線,粒徑主要分布在10～200 μm之間,峰值出現在70 μm左右。當CSBP質量分數達到0.10%時,PS的顆粒粒徑分布圖在200～600 μm之間出現一個新的峰,呈現明顯的雙峰分布模式,且隨著CSBP質量分數的進一步增加,位于左邊較小粒徑處的峰高逐漸降低,而位于右邊較大粒徑處的峰高逐漸增加。D50又稱中值粒徑,表示樣品中小于和大于此粒徑的顆粒各占50%[19]。CSBP-PS復配體系的D50值隨CSBP添加量的增加而升高。這些結果共同表明,添加CSBP可以有效地增大糊化PS顆粒的尺寸。淀粉顆粒糊化過程中其周邊存在的CSBP可對其產生包覆作用,使其在糊化和剪切作用下仍能充分膨脹而不破裂。這些結果與糊化和流變學實驗的結果是一致的。

圖6 CSBP-PS復配體系的顆粒粒徑分布(a)和D50(b)曲線

2.7 CSBP對PS凝膠微觀結構的影響

不同CSBP添加量下,CSBP-PS復配體系凝膠微觀結構如圖7所示。在所有樣品中均形成了三維蜂窩狀結構,表明PS已充分糊化形成了凝膠結構,在其他多種親水膠體-淀粉復配體系中均觀察到了類似的現象[30, 31]。PS凝膠結構松散,網絡無序且孔洞較小,而隨著CSBP添加量的增加,凝膠網絡更加規則,孔洞逐漸增大,孔壁逐漸增厚。樣品凝膠網絡中的孔隙是凍干時水分蒸發造成的。由于在CSBP-PS復配體系中CSBP包覆在淀粉顆粒周圍,阻礙了糊化過程中淀粉顆粒的變形,降低了淀粉分子的聚集和排列,從而使凝膠結構中存在大量的水,因而其在冷凍干燥后形成較大的孔隙[32]。添加CSBP后,復配體系中形成的較大的孔徑和較厚的壁表明體系中浸出的淀粉直鏈分子與CSBP之間的纏結力教強,凝膠結構的完整性和有序性提高,因而復配體系可表現出強凝膠的形態特征,進一步證實了流變學的研究結果。

圖7 CSBP-PS復配體系的微觀結構圖

3 結論

本研究表明CSBP對PS的糊化和流變性能具有明顯影響,且與CSBP添加量有關。CSBP的加入顯著增加了CSBP-PS復配體系的峰值黏度、崩解值、終值黏度和回生值,降低了糊化溫度。隨CSBP添加量的增加,復配體系的膨脹勢呈逐漸增加的趨勢,而透光率逐漸降低的趨勢,PS的凝沉性顯著降低。添加CSBP對復配體系具有明顯的增稠效果,提高了體系的黏彈性。由于CSBP的存在,PS糊化后的顆粒粒徑增大,這可能是由于CSBP可以包覆在淀粉顆粒表面使其充分膨脹而不破裂。CSBP的存在使PS的凝膠網絡結構更加規則,孔徑增大,孔壁變厚。