两种分子质量大豆可溶性膳食纤维对大米淀粉老化性质的影响

刘成梅 王日思 罗舜菁 丁月平 万 婕 刘 飞

（南昌大学食品科学与技术国家重点实验室 南昌 330047）

淀粉的老化过程包括短期老化和长期老化。在淀粉老化的初始阶段，主要发生的是直链淀粉分子链间的重排，直链淀粉因无分支结构，空间位阻小，在回生的短期过程中分子间更易于聚集，形成三维网状结构，使得淀粉凝胶弹性增强[1]。而支链分子因有复杂的分支结构，空间位阻较大，其淀粉分子链间的相互聚集需要更长的时间，故在淀粉的长期老化过程中起主导作用。老化会引起淀粉基食品感官品质以及营养价值的降低，如米饭硬化，面包干裂，淀粉基食品水分析出，质构不均等。抑制淀粉的老化成为提高淀粉基食品质量，延长货架期的关键。影响淀粉老化的因素很多，诸如淀粉组分中直链/支链比、水分含量、淀粉与其它物质的相互作用等[2-3]。淀粉的老化可通过多种途径得到控制，包括生物技术改造，化学改性以及物理改性[4]等。可溶性膳食纤维作为增稠剂及保水剂被广泛用于各类食品，以改善食品在加工贮藏及销售过程中的品质。研究表明，可溶性膳食纤维对淀粉的回生有较好的抑制作用。如陈龙等[4]发现普鲁兰多糖的加入可抑制大米淀粉（RS）的回生，在长期冷藏过程中可保持淀粉凝胶的结构完整性。Schwartz等[5]研究表明魔芋葡甘聚糖对淀粉糊化及老化性质均有显著影响。虽然有文献报道大豆可溶性膳食纤维对淀粉老化性质的影响[6]，但未见关于不同分子质量的大豆可溶性膳食纤维对淀粉老化性质影响的研究，分子质量被认为是多糖影响淀粉基食品品质的重要因素[7]。基于前期对不同分子质量膳食纤维对淀粉糊化特性影响研究[8]，本文采用动态流变仪、X-衍射仪、红外以及差示热量扫描量热仪、扫描电镜等手段研究不同分子质量的SSDF对RS短期及长期老化的影响，为拓展可溶性膳食纤维在淀粉基食品体系中的应用提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 主要材料 大米淀粉（RS），美国Sigma公司；豆渣，农贸市场；大豆可溶性膳食纤维，郑州荔诺生物科技有限公司。

1.1.2 主要仪器及设备 AR224CN分析天平，奥豪斯仪器有限公司；FreeZone冷冻干燥机，美国Labconco公司；Nicolet 5700红外光谱分析仪，美国Thermo Nicolet公司；D5000 X-衍射仪器，德国西门子公司；MCR流变仪，奥地利Anton-Paar公司；DSC7000X差示热量扫描仪，日本HITACHI公司；FEI Quanta200F环境扫描电子显微镜，美国FEI公司。

1.2 试验方法

1.2.1 可溶性膳食纤维的制备 参照王日思等[8]方法制备可溶性膳食纤维。获得两种分子质量HSSDF（27.8 ku）和LSSDF（9.3 ku）大豆可溶性膳食纤维。

1.2.2 RS-LSSDF与RS-HSSDF复合体系的制备 参照王日思等[8]方法制备RS-LSSDF与RSHSSDF复合体系：将RS与LSSDF或HSSDF按质量比95∶5（g/g）进行混合。以不添加膳食纤维的原淀粉作为对照组。

1.2.3 样品短期老化特性分析 参照Sun等[9]的方法，取3 g混合样品，放入RVA专用铝盒中，加入25 mL去离子水搅拌均匀，配成淀粉乳，采用RVA进行糊化。RVA程序设置如下：50℃保持1 min；经过3.75 min后升温至95℃，保温2.5 min，经过3.75 min降温至50℃，之后保持1 min。

采用MCR流变仪的动态时间扫描程序测定样品的短期老化特性。将得到的糊化样品趁热加至流变仪平板上。将板间距调整为1 mm，溢出来的样品部分用塑料刮板刮除。用硅油密封防止试验过程中水分蒸发。待仪器参数基本稳定后开始动态流变特性测试。在4℃，板间距1 mm，应变2%，扫描频率1 Hz条件下对样品进行动态时间扫描，测定 0～4 h范围内储能模量G′和损耗角正切值tanδ的变化。

1.2.4 样品长期老化特性分析 取1.2.3中RVA糊化的样品冷却至室温，并放入4℃冰箱中冷藏1，7，14 d后将样品进行冷冻干燥，冻干后的样品分别用于DSC、XRD、红外和扫描电镜分析。

1.2.4.1 差式扫描量热仪（DSC）分析方法 精密天平称取2～3 mg混合样品到PE液体坩埚中，按1∶2（g/g）的比例加入去离子水。样品密封后在室温下放置12 h平衡。然后在DSC上糊化。糊化条件：以空坩埚为参比，设置10℃/min的速度从20℃加热到100℃，载气为氮气，流速20 mL/min。从DSC热流曲线中确定老化淀粉样品的起始糊化温度（T0）、峰值温度（TP）、终止温度（TC）以及老化焓值（△Hr）。

1.2.4.2 X-射线衍射分析方法 XRD测试条件：采用Cu-Ka射线，管压 40 kV，管流 40 mA，扫描区域 2θ=5°～40°，以 10°/min 速率扫描。 得到的图谱计算它们的相对结晶度。计算方法参考Dragsdorf[10]的方法，即结晶区域占整个衍射区域的比率作为它的相对结晶度。

1.2.4.3 傅里叶转换红外光谱（FTIR）分析方法 将制得的样品和KBr以质量比1∶100混合，压片后，采用Nicolet 5700红外光谱分析仪扫描其红外光谱。用OMNIC 8.2版软件扣除空气背景，校准基线并去卷积；去卷积参数为半峰宽26，增强因子 2.4，去卷积范围：1 200～800 cm-1；根据去卷积后的谱图计算1 047，1 022 cm-1处的峰高比值用于老化淀粉的光谱分析[11-12]。

1.2.4.4 扫描电镜（SEM）分析 取老化7 d后的冻干样品，用离子溅射镀膜仪将样品镀金，在Quanta-200的扫描电子显微镜中观察颗粒形貌结构。

1.2.5 数据分析 所有试验均重复3次，采用SPSS 19.0中的方差分析（ANOVA）进行差异显著性分析，以P<0.05表示有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 样品短期老化特性

储能模量G′的大小可反映物料弹性的大小。回生初期，G′值的快速升高主要是由于直链淀粉间的相互聚集。以氢键相互缔结的直链淀粉分子共同形成淀粉凝胶网状结构，使淀粉糊体系弹性模量不断上升[2]。由图1可知，RS的G′值随时间延长不断增加，表明在4℃下淀粉糊中的直链淀粉分子不断地发生分子重排，凝胶弹性持续增大。此结果与Kim等[13]的报道结果相一致。SSDF的加入显著降低了RS凝胶的G′值，尤以RS-HSSDF的G'值降低更为明显。

在淀粉的短期老化中，tanδ值越大，淀粉体系黏性比例越大，直链淀粉三维网络形成速率越缓慢，淀粉短期回生程度越低[14]。由图2可知，所有样品的tanδ值均随时间的延长而减少，表明在4℃贮藏条件下所有淀粉糊的黏性均减少，体系内的直链淀粉发生不同程度的聚集。然而，与RS相比，添加SSDF的淀粉凝胶tanδ值均有所升高，且以RS-HSSDF复合体系tanδ值升高最为明显。表明加入SSDF可增加淀粉凝胶体系的黏性，抑制RS的短期老化，这与Funami等[15]的结果相似，HSSDF的抑制效果更为明显。SSDF抑制RS的短期老化的原因，可能是在淀粉糊化过程中，SSDF包裹在淀粉颗粒表面，有效抑制了直连淀粉颗粒的渗出[4]。同时，SSDF与淀粉颗粒竞争水分，抑制了淀粉颗粒的糊化，部分糊化的淀粉颗粒内部存在大量有序紧密的结构，有效限制了淀粉分子链的运动，进而抑制了淀粉的老化[4]。而HSSDF因其分子质量较大，一方面在淀粉糊化过程中限制了淀粉颗粒的糊化膨胀，使直链淀粉的渗出量降低[16]，另一方面也降低了直链淀粉在短期重排过程中利用水分子的能力，最终使得体系凝胶网络程度的降低更为明显[15]。

图1 4℃贮藏4 h RS-SSDF的储能模量G′随时间的变化曲线Fig.1 Variation of storage modulus（G′）with time for RS and RS-SSDF blends during 4 h at 4℃

2.2 样品长期老化特性

2.2.1 老化过程中的热力学性质分析（DSC）在冷藏回生过程中，无序的淀粉分子重新聚集成有序的晶体结构，从而引起晶体熔融过程中△Hr的增加。因此，通过测定体系△Hr即可得知体系的老化程度。如表1所示，随着老化时间延长，RS及RS-SSDF体系的△Hr不断增加，表明体系支链淀粉老化程度不断加剧。SSDF的加入可显著降低大米淀粉的△Hr，但LSSDF与HSSDF对大米淀粉△Hr的影响未见显著性差异。在淀粉的老化热流曲线中，△Hr表征的是支链淀粉结晶区熔化所需的热量[17]。SSDF对淀粉长期老化的影响可能由于淀粉与SSDF通过羟基形成氢键，干扰了支链淀粉分子链间的自聚集，从而降低了RS的重结晶能力，延缓了淀粉老化[18]。

图2 4℃贮藏4 h内RS-SSDF的损耗正切角随时间的变化曲线Fig.2 Variation of tanδ with time for RS and RS-SSDF blends during 4 h at 4℃

表1 RS与RS-SSDF复配样品的回生热力学参数Table1 Retrogradation enthalpy（△Hr）of RS and RS-SSDF blends

2.2.2 X-射线衍射结果分析 淀粉结晶程度越高，其X-射线衍射峰的峰高越高，峰型越窄，表明淀粉的老化程度越高[19]。因此，XRD技术可被用来进一步验证SSDF对RS老化作用的影响。样品回生7 d的XRD衍射图谱如图3所示。从图3可知，RS在回生的过程中形成了典型的B型结晶峰特征，在2θ=17°出现衍射峰。此外，所有淀粉样品在2θ=20°处亦有衍射峰出现，这是直链淀粉与脂质形成复合物的结晶而产生Vh型结晶所致[20]。

图3 RS及RS-SSDF体系4℃贮藏7 d的X-射线衍射谱图Fig.3 X-ray diffraction spectra of RS and RS-SSDF blends after 7 days of storage at 4℃

从表2可知，在14 d的贮藏过程中，RS的相对结晶度逐渐上升，在前7 d变化迅速，后7 d变化缓慢，Fama等[21]的结果与之相类似。RS-SSDF体系的相对结晶度也是随着贮藏时间的延长而增加，而RS-SSDF组的相对结晶度始终比RS低，尤以添加HSSDF对相对结晶度影响最为显著。与RS相比，在4℃条件下贮藏14 d的RS-LSSDF及RS-HSSDF的相对结晶度分别降低了15.9%及28.9%，说明可溶性膳食纤维可延缓淀粉老化[20]。

2.2.3 FTIR结果分析 RS及RS-SSDF体系4℃贮藏7 d的红外光谱如图3所示。红外光谱中，1 047 cm-1处的吸收峰代表淀粉结晶区域，1 022 cm-1处的吸收峰代表非结晶区域[22]；峰高比值（1 047 cm-1/1 022 cm-1）与淀粉结晶度有关，比值越大，淀粉结晶度越大，老化程度也越大[23]。

由表3可知，在4℃贮藏过程中，随着时间的延长，淀粉体系的A1047/A1022比值均逐渐上升。RS-SSDF复合体系的A1047/A1022比值显著低于RS，添加HSSDF的效果更为明显。其结果表明，添加SSDF可降低RS在老化过程中有序结构与无序结构数量的比值。与第7天相比，贮藏14 d RS的A1047/A1022比值增加了6.3%。而RS-LSSDF及RSHSSDF体系A1047/A1022的增长率仅为3.5%及2.1%，明显低于RS。红外光谱数据显示SSDF可延缓RS的长期老化，尤以HSSDF对RS老化结晶度的降低更为明显。此结果与XRD中所测得的相对结晶度的变化趋势一致。

图4 RS及RS-SSDF体系4℃贮藏7 d的红外去卷积光谱Fig.4 FTIR spectra of RS and RS-SSDF blends after 7 days of storage at 4℃

表2 添加不同分子质量SSDF的RS相对结晶度Table2 Relative crystallinity of RS and RS-SSDF blends from XRD

表3 RS与RS-SSDF体系A1047/A1022比值分析Table3 A1047/A1022of RS and RS-SSDF blends

2.2.4 扫描电镜结果 由图5可知，RS在贮藏7 d后形成了致密的片状结构（图5a），这可能是由于淀粉分子脱水缩合导致淀粉间聚集状致密结构的形成[24]。Karim等[25]及Wu等[26]指出淀粉贮藏过程中的脱水收缩作用可以反映淀粉的老化程度。与RS相比，当添加不同分子质量的SSDF后（图5b、5c），复合体系淀粉凝胶空腔明显变大，形成类似蜂窝状的结构。这种结构的形成与冻干过程中水分的散失有关。孔洞越多，表明样品冻干前体系内部持水能力越强。说明可溶性大豆膳食纤维的加入可有效增加淀粉凝胶的持水力，从而抑制了RS的老化[26]。

图5 RS及RS-SSDF体系4℃贮藏7 d的扫描电镜图Fig.5 The SEM images of RS and RS-SSDF blends after 7 days of storage at 4℃

3 结论

本文的研究结果显示，两种分子质量的SSDF（27.8 ku和9.3 ku）均可抑制RS的短期老化和长期老化，其中HSSDF对RS老化的抑制效果更为显著。SSDF对RS老化的抑制可能是由于其较强的持水能力，通过与淀粉颗粒共同竞争水分，从而有效限制了淀粉分子链的运动。而HSSDF因其分子质量较大，一方面降低了淀粉分子重排过程中利用水的能力，一方面增加了淀粉老化过程中的空间位阻，从而抑制了淀粉链的自聚集，表现出较好的淀粉老化抑制能力。