海藻酸钠胶凝与大米淀粉糊化共存体系的构建

周艳青，向忠琪，何 璐，赵文静，杨 英*

（稻谷及副产物深加工国家工程实验室，中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

淀粉是大米最主要的营养成分之一，有研究表明大米淀粉的回生是引起大米及其制品食用品质劣变的主要原因[1]，更是导致米制食品工业化生产受限的主要因素，因此有必要研究解决大米淀粉的回生问题。大米淀粉跟普通淀粉一样以颗粒形态存在并由直链淀粉和支链淀粉构成，但大米淀粉颗粒呈现不规则的多边形并且粒径小至3～8 μm[2]。大米淀粉的回生是糊化后的淀粉分子从无序状态通过重结晶作用逐渐变成有序状态的过程[3-5]，因此可以尝试通过调控淀粉分子之间相互作用过程，实现延缓大米淀粉回生的目的。目前，已有研究表明添加亲水性胶体对淀粉糊化特性具有显著性影响[6-8]，并对淀粉回生具有一定的抑制作用[9-11]。

海藻酸钠是一种通过（1,4）-糖苷键将α-L-古洛糖醛酸（G链段）和β-D-甘露糖醛酸（M链段）相连而成的线性亲水胶体，溶于水后可形成具有一定黏度的溶液体系[12-13]。由于海藻酸钠结构简单，易溶于水，并且其G链段可与钙离子交联形成致密的“蛋盒”状凝胶结构[14-16]，因此，有不少研究利用这种凝胶调控水分子的运动情况[17]，并进行物质包埋和药物缓释[18-19]，以及制成薄膜而广泛应用于食品包装行业[20]。目前已有研究表明，海藻酸钠会增加豌豆淀粉的糊化峰值黏度[21]和降低玉米淀粉的回生率[22]；而钙离子会增加大米淀粉的糊化温度[23]和海藻酸钠-玉米淀粉体系的糊化焓值[24]。可见，海藻酸钠和钙离子很可能会影响大米淀粉的糊化过程和糊化后的状态。但是，鲜见关于海藻酸钠-钙离子凝胶对大米淀粉糊化和回生特性影响的研究报道。

由Yang Ying等[25]建立的浓缩诱导型海藻酸钠-钙离子胶凝方法是一种操作简便、条件可控的新型胶凝方法，主要通过热处理引起的水分蒸发作用使海藻酸钠-钙离子混合溶液逐渐形成凝胶。由于淀粉糊化也需要在水分存在和加热的条件下才能发生，若将适量的淀粉同配比合适的海藻酸钠-钙离子溶液混合后加热，淀粉的糊化过程和海藻酸钠-钙离子胶凝过程应该会同时发生，而海藻酸钠-钙离子凝胶的形成很可能会牵制糊化后的淀粉分子的运动，从而减缓淀粉分子重排的速率，起到延缓淀粉回生的作用。为验证这种可能性，本实验采用浓缩诱导型海藻酸钠胶凝方法，构建海藻酸钠胶凝与淀粉糊化共存的体系，主要采用流变学分析方法对该体系的原料配比进行研究，为利用浓缩诱导型海藻酸钠凝胶抑制大米淀粉回生提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金龙鱼清香丝苗米（籼米） 益海嘉里（南昌）粮油食品有限公司；海藻酸钠 晶岩生物科技开发有限公司；无水氯化钙 上海国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

DHR-2型动态流变仪 美国TA公司；FD5-4型真空冷冻干燥机 美国SIM公司；Nova Nano型SEM230扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM） 美国FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取与检测

按一定料液比将大米倒入0.2 g/100 mL的氢氧化钠溶液中浸泡6 h，再将其碾磨过筛，将得到的浆液倒入离心杯中，在4 000 r/min离心10 min，去除上清液及上层黄色物质，重复操作至无黄色物质出现。继续加入纯水洗涤样品，直至样品pH值呈中性。将样品烘干，研磨成粉并过100 目筛，用自封袋保存备用。

所提取淀粉样品的总淀粉含量测定：参照Megazyme总淀粉试剂盒测试方法；直链淀粉含量测定：参照GB/T 15683—2008《大米 直链淀粉含量的测定》[26]；水分含量测定：参照GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》[27]；脂肪含量测定：参照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》[28]；蛋白质含量测定：参照GB 5009.5—2016 《食品中蛋白质的测定》[29]。

1.3.2 样品的制备

称取适量海藻酸钠，分别制备质量浓度为0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8 g/100 mL和2 g/100 mL的海藻酸钠溶液（记为A）。

量取一定量蒸馏水将海藻酸钠溶解，按照海藻酸钠与钙离子溶液体积比为1∶3的比例，将不同浓度的钙离子溶液分别滴加到海藻酸钠溶液中，使混合体系中钙离子的浓度分别为0、2.0、3.0 mmol/L，即制成海藻酸钠-钙离子待测样（记为AC0、AC2.0、AC3.0）。

量取一定量蒸馏水并将淀粉分散于其中，即制成淀粉待测样（记为S）；量取等量蒸馏水将海藻酸钠溶解，再将适量淀粉加入其中，充分混匀，即制成淀粉-海藻酸钠待测样（记为SA）；分别称取2、4、6、8 g/100 mL和10 g/100 mL的大米淀粉加入钙离子浓度为3.0 mmol/L的海藻酸钠-钙离子待测样中，充分混匀制成淀粉与海藻酸钠-钙离子待测样（记为SAC）。

1.3.3 流变测试

对海藻酸钠溶液样品进行稳流测试，测试条件为：在25 ℃，剪切速率由10 s－1升到200 s－1。

在100 ℃条件下将海藻酸钠-钙离子待测样加热0、20、30、40、50、60、70、80 min后分别取样进行频率扫描测试，测试条件为：先在温度25 ℃、频率1 Hz条件下对样品进行0.1%～100%应变扫描，选择合适的线性应变区间，再在所选应变区间及25 ℃对样品进行0.1～10 Hz频率扫描。

对选择适宜浓度的海藻酸钠-钙离子待测样进行时间扫描测试，测试条件为：先在温度100 ℃、频率1 Hz条件下，对样品进行0.1%～100%应变扫描，选择合适的线性应变区间，再在所选应变区间及100 ℃条件下，对样品进行20 min的时间扫描。

分别对经过30 min加热前后的SAC样品和淀粉质量浓度合适并在100 ℃水浴下加热0、5、10、15、20、25、30 min的S、SA、SAC样品进行上述频率扫描测试。

1.3.4 SEM测试

将糊化后的S、SAC冷冻干燥样品制成5 mm×5 mm大小的薄片贴于金属桩上喷金2 min后进行SEM测试，测试条件为：真空条件下，加压电压为20 kV，模式为二次电子。

1.4 数据处理

用Excel 2010处理数据和用Origin 8作图。取多次测试平均值作为测试结果，并用power law模型分析稳流测试结果。

2 结果与分析

2.1 海藻酸钠溶液质量浓度的选择

图1 海藻酸钠溶液稳流特性随其质量浓度的变化情况Fig. 1 Changes in steady fl ow properties of sodium alginate solution as a function of its concentration

为使拟构建的海藻酸钠胶凝与淀粉糊化共存体系含有足量的海藻酸钠并具有较好的流动性，首先通过分析海藻酸钠溶液的流动特性和黏度特性确定合适的海藻酸钠质量浓度。通过power law模型参数流动指数n和黏稠指数k反映出的海藻酸钠溶液的稳流特性如图1所示。随着海藻酸钠溶液浓度的增加，n呈现稳定下降的趋势，相应的k以海藻酸钠溶液质量浓度1 g/100 mL为分界点先缓慢后急剧增加。显然，海藻酸钠溶液质量浓度过大会使体系的黏性大幅增强而流动性大幅减弱，不利于后期进行胶凝糊化共存体系的配制操作。但是，若海藻酸钠溶液的质量浓度过小，则会导致能够与钙离子结合形成凝胶的海藻酸钠过少，影响海藻酸钠凝胶的形成。因此，为保证体系能够形成海藻酸钠凝胶，并且具有较好的流动性以便后续实验操作，最终选择海藻酸钠的质量浓度为1 g/100 mL。

2.2 钙离子浓度的选择

为使拟构建的胶凝糊化共存体系含有足够的钙离子与海藻酸钠形成凝胶，并具有非凝胶的初始状态，本实验接着通过分析体系状态随水分蒸发的变化情况确定钙离子的浓度。由于动态流变参数储存模量G’和损耗模量G”能够有效地反映测试体系的黏弹性和物理状态（当G’＜G”时，体系呈现似液状态；当G’＞G”时，体系呈现似固状态）[30]，本实验主要通过动态流变测试分析样品体系的物理状态。

钙离子初始浓度分别为0、2.0 mmol/L和3.0 mmol/L的海藻酸钠-钙离子水溶性体系AC0、AC2.0和AC3.0样品的G’和G′随水分蒸发时间的变化情况如图2所示。在水分蒸发前，AC0、AC2.0和AC3.0样品的G′都小于对应的G′，并且它们的差值（G”－G’）依次减小；在水分蒸发过程中，3 个样品的G’和G”都逐渐增大，但AC3.0和AC2.0样品的G’不断接近并先后超过对应的G”，而AC0的G’和G”始终保持近似的增速；当水分蒸发进行80 min时，AC3.0和AC2.0样品的（G’－G”）值分别为68.7 Pa和207.0 Pa，而AC0样品的G’仍小于G”。显然，不含钙离子的海藻酸钠溶液（AC0）在水分蒸发过程中始终保持似液状态（G’＜G”），而添加适量的钙离子可使海藻酸钠水溶性体系在水分蒸发过程中从似液状态（G’＜G”）转变成似固状态（G’＞G”），并且增大钙离子添加量在增强最终似固状态的弹性（（G’－G”）值增大）的同时减弱了初始似液状态的黏性（（G”－G’）值减小）。由海藻酸钠与钙离子能够形成蛋盒型凝胶结构[15]可知，样品体系经过水分蒸发作用后呈现的似固状态就是体系中的海藻酸钠与钙离子形成凝胶的表现。因此，为使拟建体系具有良好的似液初始状态以便后续实验操作，并能通过适度的水分蒸发作用形成具有一定强度的海藻酸钠-钙离子凝胶，钙离子的初始添加量必须小于海藻酸钠与钙离子形成凝胶临界点的钙离子浓度，但可以大于2.0 mmol/L（图2）。

为确定拟建体系钙离子的较适初始添加量，有必要测定出使海藻酸钠形成凝胶的钙离子临界浓度。海藻酸钠-钙离子水溶性体系状态及钙离子浓度随水分蒸发量的变化情况如图3所示，海藻酸钠形成凝胶的临界点（G’=G”）对应的钙离子浓度为5.1 mmol/L，即使海藻酸钠形成凝胶的钙离子临界浓度是5.1 mmol/L，因此拟建体系钙离子的初始添加量应小于5.1 mmol/L。由于需要向海藻酸钠-钙离子水溶性体系中添加淀粉才能完成胶凝糊化共存体系的构建，而添加淀粉会明显减弱体系的流动性，并且淀粉糊化会从体系中抢夺水分从而加剧钙离子的浓缩，因此钙离子的初始添加量应与5.1 mmol/L有一定的距离，以保证拟建体系具有良好的流动性以便水分能够均匀蒸发，并保证淀粉能够在海藻酸钠形成凝胶的过程中完全糊化。因此，选择拟建体系钙离子初始浓度为3.0 mmol/L是比较合理的。

图2 钙离子浓度不同的海藻酸钠-钙离子水溶性体系黏弹性随水分蒸发时间的变化情况Fig. 2 Change in viscoelasticity of sodium alginate-Ca2＋ aqueous solution containing different Ca2＋ concentrations as a function of water evaporation time

图3 海藻酸钠-钙离子水溶性体系状态及钙离子浓度随水分蒸发量的变化情况Fig. 3 Changes in state and Ca2＋ concentration of sodium alginate-Ca2＋aqueous system as a function of percentage water evaporation

图4 钙离子浓度不同的海藻酸钠-钙离子水溶性体系黏弹性在100 ℃随加热时间的变化情况Fig. 4 Change in viscoelasticity of sodium alginate-Ca2＋ aqueous system containing different concentrations of Ca2＋ as a function of heating time at 100 ℃

如图4所示，海藻酸钠-钙离子水溶性体系在100 ℃的黏弹性变化情况证实将拟建体系钙离子初始添加量确定为3.0 mmol/L是比较合适的选择，能使海藻酸钠和钙离子在水分蒸发过程中形成浓缩诱导型凝胶。与G’和G”小幅度先升后降最终都小于1 Pa的不含钙离子的AC0样品相比，分别含有2.5、3.0 mmol/L和3.5 mmol/L钙离子的AC2.5、AC3.0和AC3.5样品在水分蒸发过程中都呈现出典型的胶凝过程，即G’先超过G”，后与G′同时快速大幅度地上升至某一个远高于G”的稳定值。AC3.0样品形成凝胶后具有较好的凝胶强度（G’为1 341 Pa，（G’－G”）值为1 072 Pa），该凝胶很可能会对糊化后的淀粉分子结构状态产生一定的影响。

2.3 淀粉质量浓度的选择

为使拟构建的胶凝糊化共存体系含有足量的淀粉并能在水分蒸发前后由似液状态转变成似固状态，本实验接着通过研究淀粉质量浓度对浓缩诱导型海藻酸钠胶凝体系状态的影响选择合适的淀粉添加质量浓度。本研究所用自提大米淀粉样品的总淀粉、直链淀粉、水分、脂肪和蛋白质的质量分数分别为91.7%、22.8%、8.2%、0.48%和0.38%。根据上述分析结果配制能够形成浓缩诱导型凝胶的海藻酸钠-钙离子水溶性体系（含1%海藻酸钠和3.0 mmol/L Ca2＋），淀粉添加量对该体系状态随水分蒸发作用（100 ℃加热30 min）变化的影响如图5所示。在水分蒸发前，SAC样品的损耗角δ大于45°且不随淀粉添加量发生显著变化；在水分蒸发后，SAC样品的δ不大于45°且随淀粉质量浓度的增大而大幅减小，当淀粉质量浓度从2 g/100 mL增大到10 g/100 mL时，SAC样品的δ从45°下降到了13°（下降率为71%）。由于δ为45°是体系固液状态的转变点（δ＞45°，体系处于似液状态；δ＜45°，体系处于似固状态）[31]，显然淀粉质量浓度大于2 g/100 mL时能使SAC体系由水分蒸发前的似液状态转变成水分蒸发后的似固状态，为在水分蒸发过程中同时出现海藻酸钠胶凝过程和淀粉糊化过程提供了最大可能性。考虑到淀粉添加量过大会增加体系水分均匀蒸发的难度并有可能导致淀粉因体系水分过少而不能完全糊化，选择淀粉质量浓度为4～6 g/100 mL比较适宜。

图5 淀粉添加量对海藻酸钠-钙离子水溶性体系δ随水分蒸发作用（100 ℃加热30 min）变化的影响Fig. 5 Effect of starch addition on loss angle changes of sodium alginate-Ca2+ aqueous system with and without water evaporation(heating at 100 ℃ for 30 min)

2.4 海藻酸钠胶凝与淀粉糊化共存体系的形成

为验证上述海藻酸钠、钙离子和淀粉构成的体系能否在水分蒸发过程中同时出现海藻酸钠胶凝与淀粉糊化过程，本实验最后按上述浓度配制样品，并对SAC样品及其对照样品经过30 min、100 ℃水分蒸发处理后的显微结构、G’和n进行对比分析。

海藻酸钠质量浓度1 g/100 mL、钙离子浓度3.0 mmol/L和淀粉质量浓度6 g/100 mL的SAC样品及其淀粉对照样品S经过水分蒸发处理后的显微结构如图6所示。SAC和S样品都没有出现糊化不完全的淀粉结构，并且与结构呈带孔洞片状断裂松散分布的S样品相比，SAC样品呈现紧密连结成片的网状结构。显然，按上述质量浓度配制的SAC样品体系能在水分蒸发过程中形成海藻酸钠胶凝与淀粉糊化共存体系。

图6 SAC样品（A）及其淀粉对照样品S（B）经过30 min、100 ℃水分蒸发处理后的显微结构Fig. 6 Microstructure of SAC sample (A) and starch control sample S (B) after water evaporation at 100 ℃ for 30 min

海藻酸钠质量浓度1 g/100 mL、钙离子浓度3.0 mmol/L 和淀粉质量浓度4 g/100 mL的SAC样品及其淀粉对照样品S和SA经过水分蒸发处理后的G’和n如图7所示。S、SA和SAC样品的G’值依次上升，而n值依次下降，验证了SAC样品在水分蒸发过程中形成凝胶并对淀粉糊起到一定的固化作用，从而增强了体系的似固非流动特性。因此，按上述配比的SAC样品体系能在水分蒸发过程中形成海藻酸钠胶凝与淀粉糊化共存体系。

图7 SAC样品及其对照样品S和SA经过水分蒸发处理后的G’和n的对比Fig. 7 Comparison of storage modulus G’ and fl ow index n between SAC sample and control samples S and SA

3 结 论

用流变学分析方法对海藻酸钠胶凝与淀粉糊化共存体系的原料配比进行研究。研究结果表明：选择海藻酸钠质量浓度1 g/100 mL、钙离子浓度3.0 mmol/L和淀粉质量浓度4～6 g/100 mL时可以构建出海藻酸钠胶凝与淀粉糊化共存体系。

用SEM和流变学分析方法对海藻酸钠、钙离子和淀粉构成的体系能否在水分蒸发过程中同时出现海藻酸钠胶凝与淀粉糊化过程进行验证。结果表明：SAC样品呈现紧密连结成片的网状结构，并且样品的G’值上升，n值下降。显然，SAC样品体系能在水分蒸发过程中形成海藻酸钠胶凝与淀粉糊化共存体系，获得对淀粉糊显微结构产生显著影响的浓缩诱导型海藻酸钠凝胶。