葛根淀粉糊流变学特性的研究

钱晶晶 杜先锋

(安徽农业大学茶与食品科技学院，合肥 230036)

葛根淀粉糊流变学特性的研究

钱晶晶 杜先锋

(安徽农业大学茶与食品科技学院，合肥 230036)

以葛根淀粉糊的动态及稳态流变特性为研究对象，以储存模量(G′)、损耗模量(G″)和表现黏度(η)为主要试验指标，利用旋转流变仪，研究淀粉浓度、氯化钠、蔗糖以及麦芽糊精对淀粉糊流变学特性的影响，旨在探究淀粉糊的弹性、黏性、表观黏度的变化，为葛根食品的工业生产提供一定理论依据。研究结果表明：葛根淀粉糊是典型的剪切变稀的非牛顿流体，其G′、G″及η均受这4种因素的影响。1)动态流变特性的研究结果显示，G′、G″与淀粉浓度呈正相关；随特定添加范围内的氯化钠、蔗糖以及麦芽糊精的添加量增加，G′、G″均有先升后降的趋势。2)稳态流变特性的研究结果显示，同一剪切速率下，η与淀粉浓度呈正相关，与麦芽糊精的添加量呈负相关；在特定添加范围内，氯化钠、蔗糖的添加量增加，η有先升后降的趋势。在工业生产中，葛根淀粉糊剪切稀化的行为有利于流动的淀粉糊充模成型，节省能耗。添加麦芽糊精会降低淀粉糊的弹性和黏性，而添加适量的氯化钠和蔗糖一定程度提高淀粉糊的弹性和黏性。

葛根淀粉 流变特性 储存模量 损耗模量 表观黏度

葛根是一种富含淀粉的豆科植物野葛的块根[1]，在我国分布广泛，并有很高的食用和药用价值[2]。葛根淀粉糊既具有黏性又具有弹性的特殊状态，说明其不是单纯的黏性流体，也不是弹性固体，而是一种复杂的黏弹性体[3]。掌握葛根淀粉糊的流动规律，对于加工过程的控制、管理，尤其是对物料的混合、管道输送等工序有十分重要的意义[4-5]。

淀粉基食品的流变学性质对其加工质量控制、贮藏稳定性和产品的开发有重要影响，因此对淀粉糊流变学特性的研究已成为国内外食品研究者们的热点之一[6]。Berski等[7]发现乙酰化、磷酸化和氧化变性后的燕麦淀粉糊呈现“剪切增稠”行为。许永亮等[8]比较了12个品种的大米淀粉流变学性质，发现直链支链淀粉的含量、分子链的长短对流变特性有影响。沈娜等[9]概述了物理、化学以及酶法改性技术在葛根淀粉上的使用进展。针对葛根淀粉的颗粒性质、热力学性质、淀粉改性等方面已有较多报道，但关于葛根淀粉糊的流变学特性相关研究较少, 李洪军等[10]研究了亲水胶体和糖对葛根淀粉糊流变学特性的影响，发现随着糖和亲水胶体添加量的增加，葛根淀粉糊的黏度逐渐升高。

本试验利用旋转流变仪分别测定了淀粉浓度和3种常用食品添加剂(蔗糖、氯化钠、麦芽糊精)添加量引起的葛根淀粉糊储存模量、损耗模量和表观黏度的变化，为葛根淀粉的应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

葛根淀粉：以安徽省六安市大别山区挖掘的葛根为原料，制备葛根淀粉[11]；试剂：均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

DS-1高速组织捣碎机：上海乔枫实业有限公司；TD5A-WS台式水平离心机：金坛市杰瑞尔电器有限公司；101-1A型电热鼓风恒温干燥箱：泸南电炉烘箱厂；DHR-3旋转流变仪：美国TA公司。

1.2 试验方法

1.2.1 葛根淀粉乳的制备

以蒸馏水制备不同浓度淀粉乳；其余样品制备是将葛根淀粉分别分散于不同浓度的氯化钠、蔗糖、麦芽糊精溶液制备10 mg/100 mL淀粉乳；各因素水平的试验设计见表1。

表1 各因素的浓度梯度

1.2.2 动态流变测定

选择直径60 mm夹具和振荡测试程序。将葛根淀粉乳移至旋转流变仪测定平台，样品间距选择550 μm，刮去平板外多余淀粉乳，再在平板周围涂抹低密度的硅油，防止样品水分散失。流变仪测试参数设置如下：选择温度扫描模式，由25 ℃程序升温至100 ℃，再降至25 ℃，升、降温速率均为5 ℃/min，设置频率1 Hz，应变0.4%。温度扫描参数包括储存模量(G′)、损耗模量(G″)的变化。升温过程中G′、G″的最大值分别记为Gm′、Gm″，此时对应的系统温度记为Tm′、Tm″。

1.2.3 稳态流变测定

选择直径60 mm夹具，将葛根淀粉乳移至旋转流变仪测定平台，样品间距选择550 μm。流变仪测试参数设置如下：选择稳态测试程序，温度设置为25 ℃，剪切速率(γ)从0.1～300 s-1递增，再从300～0.1 s-1递减，测定葛根淀粉糊的表观黏度(η)随剪切速率(γ)升高、降低的变化。

2 结果与分析

2.1 淀粉浓度对葛根淀粉流变特性的影响

2.1.1 淀粉浓度对葛根淀粉动态流变特性的影响

由图1得知：在温度升高的过程中，不同浓度淀粉糊在25～70 ℃范围内，储存模量(G′)、损耗模量(G″)基本稳定，当温度达到75 ℃左右时，G′、G″急剧上升达到最大值Gm′、Gm″，随着温度的继续上升，G′、G″出现下降。由于温度增加过程中，淀粉颗粒吸水溶胀，体积分数增大，直链淀粉从淀粉颗粒中渗出，与淀粉颗粒缠绕形成了网络结构[12-14]；但持续的升温，可能使微晶部分融化，导致溶胀的颗粒变得柔和[15-17]，并且葛根淀粉的微晶大小和外链的平均链长都小于小麦淀粉和马铃薯淀粉[1]，导致其微晶更容易融化。另一方面可能是润胀到极致的淀粉粒发生破裂引起了G′、G″的下降[3]。

图1 不同浓度对葛根淀粉糊的储存模量G′(a)、损耗模量G″(b)随温度升高的变化曲线

在升温扫描过程中，各浓度葛根淀粉糊的G′和G″的变化趋势基本一致；G′、G″与淀粉浓度呈正相关。浓度越高的样品，75～85 ℃范围内，G′、G″上升速度越快；85～100 ℃范围内，G′、G″下降幅度越大。浓度高的试样，淀粉分子间的相互作用较强，分子链的运动减弱，容易形成网络结构，但持续升温，该网络结构易被破坏[18]。

由图2得知，温度从100 ℃降到25 ℃过程中，G′呈现逐渐上升的趋势，G″在降温开始时，呈现先下降后逐渐上升。随着温度降低，之前从淀粉颗粒中浸出的直链淀粉开始凝胶化[17]，在60 ℃之后明显[3]，颗粒间相互作用而形成的网络结构[19]逐渐增强。在降温扫描过程中，淀粉浓度与G′、G″呈正相关。随着温度降低，浓度较高的葛根淀粉糊G′、G″上升幅度较大。

图2 不同浓度葛根淀粉糊的储存模量G′(a)、损耗模量G″(b)随温度降低的变化曲线

结合图1、图2可知：总体来看，G′均大于G″，由于G′和G″分别表征试样的弹性特征和黏性特征，说明试样具有溶胶(有液态的流动性和黏性)和凝胶(固体状态下呈现有弹性)之间的力学物性[3]，黏性和弹性性质都具有，且弹性性质占相对主导[20]。支链淀粉的分支点和直链淀粉部分链段构成淀粉粒的无定形区，解释了淀粉粒有弹性形变的现象[1]。

2.1.2 淀粉浓度对葛根淀粉稳态流变特性的影响

由图3得知，所有淀粉糊的表观黏度(η)都随着剪切速率(γ)的增大而减小，然后随着剪切速率的减小而逐渐增加，这表明体系呈现典型的“剪切稀化”现象[21]。随着γ增加，剪切作用时间延长，葛根淀粉糊η逐渐变小，最终趋于恒定。现有分子间键的破坏的速度超过其再形成，因而导致了淀粉糊的抵抗剪切力下降，η逐渐变小[22]。随着γ减小，在γ达10 s-1时，η开始逐渐升高。同一剪切速率下，η与淀粉浓度呈正相关。

图3 不同浓度的葛根淀粉糊的表观黏度与剪切速率关系

2.2 氯化钠浓度对葛根淀粉流变特性的影响

2.2.1 氯化钠浓度对葛根淀粉动态流变特性的影响

如图4所示，淀粉糊在升温过程中的G′、G″的先升后降变化趋势并没有因为氯化钠的添加而改变。随氯化钠浓度的增加，G′、G″均呈先增加后降低的趋势，1.0%、1.5%氯化钠增加了体系升温过程中的G′和G″，而2.0%、2.5%氯化钠降低了G′和G″，可能是由于低浓度的氯化钠溶液，增强了直链淀粉的氢链聚合，使得淀粉颗粒嵌入直链而形成的网络更牢固[17]，从而体系的G′和G″有所增加；而较高浓度的氯化钠溶液中的钠离子，与淀粉分子中的羟基发生相互作用，阻碍淀粉分子的聚合，从而降低葛根淀粉糊的G′和G″[23]。

由图4可知，添加了氯化钠的葛根淀粉糊的Tm′、Tm″均高于原淀粉，可能是由于氯化钠的加入，增加了淀粉结晶区的稳定性；也可能是氯化钠溶液降低了葛根淀粉-水体系中的水分活度，抑制了淀粉的吸水溶胀[24]。盐析离子促进了直链淀粉的溶出，形成网络结构，使得Gm′、Gm″均高于原淀粉，并对淀粉结构起到保护作用，使得淀粉糊化温度延迟[25]，即Tm′、Tm″高于原淀粉。

图4 不同氯化钠添加量的葛根淀粉糊储存模量G′(a)、损耗模量G″(b)的升温变化曲线

由图5得知，添加氯化钠没有改变G′原本随着温度降低有所增加的变化趋势，但含或不含氯化钠的葛根淀粉糊的G″，90 ℃之后，原葛根淀粉G″呈现持续缓慢上升的趋势，含氯化钠的葛根淀粉G″是先平稳不变后下降再升高趋势，说明氯化钠的添加可能对葛根淀粉G″的变化趋势有影响。降温扫描过程中，氯化钠对葛根淀粉糊G′和G″的影响与升温过程一致，特定添加范围内，随氯化钠的添加量增加，G′、G″均有先升后降的趋势。即1.0%、1.5%氯化钠增加了葛根淀粉降温过程中的G′和G″，2.0%、2.5%氯化钠降低了G′和G″。

图5 不同氯化钠添加量的葛根淀粉糊储存模量G′(a)、损耗模量G″(b)的降温变化曲线

2.2.2 氯化钠浓度对葛根淀粉稳态流变特性的影响

由图6得知，氯化钠的添加没有改变原淀粉糊剪切稀化的行为。同一剪切速率下，随特定添加范围内氯化钠的添加量增加，η有先升后降的趋势。随着γ增大，同一剪切速率下，添加1.0%氯化钠的葛根淀粉糊η高于原淀粉糊。随着γ降低，同一剪切速率下，添加1.5%氯化钠的葛根淀粉糊η高于原淀粉糊。

图6 添加不同浓度氯化钠的葛根淀粉糊的表观黏度与剪切速率关系

2.3 蔗糖浓度对葛根淀粉流变特性的影响

2.3.1 蔗糖浓度对葛根淀粉动态流变特性的影响

由图7可知，添加蔗糖并没有改变葛根淀粉糊在升温过程中的G′、G″总体变化趋势。特定添加范围内，随蔗糖的添加量增加，G′、G″均有先升后降的趋势。添加了4%、8%、12%、16%、20%蔗糖的葛根淀粉乳的Tm′、Tm″均高于原淀粉乳，4%、8%、12%、16%蔗糖的葛根淀粉乳的Gm′、Gm″均高于原淀粉乳。

图7 不同蔗糖添加量的葛根淀粉糊储存模量G′(a)、损耗模量G″(b)的升温变化曲线

在蔗糖浓度较低时，蔗糖分子与葛根淀粉分子间形成了氢键，颗粒间的相互作用增强，有利于葛根淀粉分子间网络结构的形成。随蔗糖浓度进一步增加，蔗糖分子与葛根淀粉分子失去水的保护，不利于形成牢固的网络结构[10]。蔗糖对淀粉糊动态流变的影响部分原因可能是，蔗糖分子与水分子之间，通过羟基形成氢键，削弱了原本淀粉与水分子之间氢键作用，使得淀粉分子间氢键作用增强，进而导致淀粉糊的G′、G″增加，即淀粉糊的弹性和黏性增加；若加入蔗糖的量超出体系中水分子的氢键饱和度，此时一部分淀粉分子与蔗糖分子形成氢键，导致淀粉分子间的氢键作用减弱，最终导致淀粉糊的弹性和黏性的降低。

由图8得知：添加蔗糖没有改变G′原有随温度降低而有所增加的变化趋势。含或不含蔗糖的葛根淀粉糊的G″在降温初期，均呈现稍有上升再下降，90 ℃后开始逐渐上升，添加蔗糖没有改变G″原有整体变化趋势。特定添加范围内，随蔗糖的添加量增加，G′、G″均有先升后降的趋势，在8%浓度时达到最高。20%蔗糖浓度淀粉糊G′、G″稍高于原葛根淀粉糊。

图8 不同蔗糖添加量的葛根淀粉糊储存模量G′(a)、损耗模量G″(b)的降温变化曲线

2.3.2 蔗糖浓度对葛根淀粉稳态流变特性的影响

由图9得知，蔗糖的添加没有改变原淀粉糊剪切稀化的行为。同一剪切速率下，随特定添加范围内，随蔗糖的添加量增加，η有先升后降的趋势。随γ增加，同一剪切速率下，添加8%蔗糖的葛根淀粉糊η高于原淀粉糊。随γ降低，同一剪切速率下，添加蔗糖的葛根淀粉糊η均高于原淀粉糊。

图9 添加不同浓度蔗糖的葛根淀粉糊的表观黏度与剪切速率关系

2.4 添加麦芽糊精对葛根淀粉流变特性的影响

2.4.1 添加麦芽糊精对葛根淀粉动态流变特性的影响

由图10可知，在25～70 ℃，G′、G″基本稳定；当温度升至75 ℃左右，G′、G″迅速上升达到最大值Gm′、Gm″。随着温度持续升高，G′、G″开始逐渐下降。特定添加范围内，随麦芽糊精的添加量增加，G′、G″均有先升后降的趋势。添加0.5%麦芽糊精的葛根淀粉的Gm′、Gm″稍高于原淀粉，添加2.5%麦芽糊精的葛根淀粉的G′、G″有明显降低。这可能由于，麦芽糊精和淀粉有着相似的结构单元，添加很少量麦芽糊精时，麦芽糊精分子与淀粉分子竞争和水结合，从而削弱了水分子与淀粉之间的氢键作用，致使淀粉分子间的氢键作用增强，进而有利于葛根淀粉分子间网络结构形成；加入麦芽糊精量增加时，一部分麦芽糊精分子与淀粉分子间形成氢键，导致淀粉分子间的氢键作用减弱，最终导致体系的G′、G″下降。

图11得知，添加麦芽糊精并没有改变葛根淀粉糊在降温过程中的G′和G″的整体变化趋势。特定添加范围内，随麦芽糊精的添加量增加，G′、G″均有先升后降的趋势，0.5 mg/100 mL浓度时达到最高，并高于不添加麦芽糊精的样品。

图10 不同麦芽糊精添加量的葛根淀粉糊储存模量G′(a)、损耗模量G″(b)的升温变化曲线

图11 不同麦芽糊精添加量的葛根淀粉糊储存模量G′(a)、损耗模量G″(b)的降温变化曲线

2.4.2 添加麦芽糊精对葛根淀粉稳态流变特性的影响

由图12得知，麦芽糊精的添加没有改变原淀粉糊剪切稀化的行为；但添加麦芽糊精降低了葛根淀粉糊的η，同一剪切速率下，η下降的幅度与麦芽糊精添加量成正相关。

图12 添加不同浓度麦芽糊精的葛根淀粉糊的表观黏度与剪切速率关系

3 结论

3.1 葛根淀粉糊是典型的剪切变稀的非牛顿流体。葛根淀粉糊的储存模量(G′)、损耗模量(G″)及表观黏度(η)均受淀粉浓度，氯化钠、蔗糖以及麦芽糊精的添加量这四种因素的影响。

3.2 动态流变特性的研究结果显示，G′、G″与淀粉浓度呈正相关；随特定添加范围内的氯化钠、蔗糖以及麦芽糊精的添加量增加，G′、G″均有先升后降的趋势。稳态流变特性的研究结果显示，同一剪切速率下，η与淀粉浓度呈正相关，与麦芽糊精的添加量呈负相关；随特定添加范围内的氯化钠、蔗糖的添加量增加，η有先升后降的趋势。

3.3 在工业生产中，葛根淀粉糊剪切稀化的行为有利于流动的淀粉糊充模成型，节省能耗。添加麦芽糊精会降低淀粉糊的弹性和黏性，而添加适量的氯化钠和蔗糖一定程度提高淀粉糊的弹性和黏性，对后期淀粉凝胶的性质有一定影响。

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Rheological Properties of Kudzu Starch Paste

Qian Jingjing Du Xianfeng

(School of tea and food science and technology, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)

The DHR-3 was employed to study the dynamic and steady rheological properties ofKudzustarch paste with and without additives. The storage modulus (G′), loss modulus (G″) and the performance of viscosity (η) were the main experimental indexes. The purpose of this study was to inquiry the changes of elasticity, viscosity and apparent viscosity inKudzustarch paste, to provide a theoretical foundation for the production ofKudzuresults indicated thatKudzustarch paste was a typical shear-thinning non-Newtonian fluid, G′, G″ andηofKudzustarch paste were influenced by the 4 factors. Dynamic rheological properties research showed that G′ and G″ were positively correlated with the concentrations of starch; in a specific range, increasing the amounts of sodium chloride, sucrose and maltodextrin, G′ and G″ were initially increased and then gradually decreased. The rheological properties of the steady-state, on the same shear rate.ηwas positively related with the concentrations of starch and negatively correlated with the adding amounts of maltodextrin; in particular range, the amounts of sodium chloride, sucrose were increased.ηhad the trend of increasing first and then decreasing. In industrial production，Kudzustarch paste shear thinning behavior was conducive to the filling and molding of flowing starch paste, saving energy consumption. Maltodextrins added resulted in the reduction of the elasticity and viscosity of starch paste, and the appropriate amount of sodium chloride and sucrose, while led to the improvement of the elasticity and viscosity of starch paste.

Kudzustarch, rheological properties, storage modulus, loss modulus, apparent viscosity

TS231

A

1003-0174(2016)10-0031-08

国家自然科学基金(31471700)

2015-02-11

钱晶晶，女，1990年出生，硕士，食品科学专业

杜先锋，男，1963年出生，教授，淀粉化学及工艺学