淀粉直/支比对高酯果胶凝胶性质的影响

胡小雪 刘成梅 梁瑞红 陈 军 陈瑞云 贺小红

（南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室 南昌330047）

果胶是一种广泛分布在大多数植物细胞壁和胞间层的杂多糖，其主要由部分甲酯化的半乳糖醛酸残基通过α-（1-4）糖苷键连接组成。果胶的凝胶性质作为其重要特性，在物理、化学、生物、食品等众多领域受到广泛关注[1]。根据酯化度不同，果胶被分为高酯果胶（酯化度＞50%）和低酯果胶（酯化度＜50%）[2]，二者凝胶机理不同：低酯果胶凝胶的形成需要与钙离子螯合形成稳定的“蛋盒”模型[3]；高酯果胶凝胶的形成主要是基于甲酯基间的氢键以及疏水相互作用导致聚合物链之间的交联，其主要成胶条件为共存溶质（主要为糖）含量大于55%和pH 值2.0～3.5[4]。

共存溶质是一个影响高酯果胶凝胶形成的重要因素。有研究报道添加一定量的淀粉可以增强高酯果胶的凝胶强度[5-7]，且形成的凝胶强度与淀粉分子的结构以及大小有关[6，8]。根据分子链结构的不同，淀粉分子被分为具有短线性链的直链淀粉和高度分支的支链淀粉，作为淀粉的重要参数，研究发现这两者的比例是影响亲水胶体-淀粉相互作用的主要因素之一[9-12]。Kim 等[13]添加4 种大米淀粉于8 种亲水胶体中，发现直/支比可能是影响复配体系理化性质的重要因素；Correa 等[14]研究发现槐树豆胶-不同直/支比淀粉复配体系的流变学性质不同。凝胶特性是果胶最重要的性质之一，在果胶凝胶中添加淀粉有可能使凝胶网络结构更加紧密[15]。有研究报道果胶-淀粉复配体系的凝胶强度可能与淀粉的短链线性结构与长链分支结构有关[7]，然而这方面的报道仍显不足。

本文主要以高酯果胶（柑橘果胶） 为研究对象，通过添加不同直/支比的复配淀粉替代果胶凝胶中的一部分蔗糖，研究淀粉直/支比对果胶凝胶的流变性质及质构性质的影响，以期为扩大淀粉和果胶在食品上的应用提供一定的理论基础，进一步揭示淀粉与果胶间的互作机理。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

柑橘果胶（P9135，酯化度为80.63%，半乳糖醛酸含量为81.23%，HMP）、马铃薯直链淀粉（A0512，AM）、马铃薯支链淀粉（A8515，AP），中国上海Sigma Aldrich 公司；蔗糖（分析纯），西陇化工有限公司；柠檬酸、二水合柠檬酸钠（分析纯），阿拉丁试剂（上海）有限公司；脲（分析纯），风船化学试剂科技有限公司。

1.2 仪器与设备

MCR302 流变仪，奥地利Anton Paar 公司；TA.XT plus 质地分析仪，美国TA 公司；X85-2S型恒温磁力搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；DW-86L390 超低温冰箱，青岛澳柯玛超低温冷冻设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品的制备 称取一定质量的果胶溶于pH 3 的0.1 mol/L 柠檬酸缓冲溶液中，磁力搅拌至溶解，备用。在果胶溶液中加入蔗糖和不同直/支比的复配淀粉，搅拌均匀。凝胶溶液配制方案如表1所示，其中序号1、2、3 为空白对照组。将配制的凝胶溶液置于流变仪MCR302 的CC27 圆筒中，从25 ℃以1 ℃/min 的速度升至95℃，停留30 min，降至5 ℃制备凝胶。

表1 果胶及果胶-不同直/支比复配淀粉凝胶溶液的配制Table 1 Preparation of gel solutions of HMP and HMP-different AM/AP starch

1.3.2 动态流变分析 将1.3.1 节制备的样品立即加到流变仪的样品台上，加硅油密封防止水分蒸发，平衡5 min。采用1°夹角的锥板CP50-1，在5 ℃，应变为1.6%的条件下，测定0.1～10 Hz 扫描范围内凝胶体系储能模量（G′）、损耗模量（G″）、损耗因子（tanδ=G″/G′）的变化。

1.3.3 静态流变分析 将1.3.1 节制备的样品立即加到流变仪的样品台上，加硅油密封防止水分蒸发，平衡5 min。采用1°夹角的锥板CP50-1，在5°C 下，剪切速率先从0.1～1 000 s-1递增，后从1000～0.1 s-1递减进行扫描，测定凝胶体系剪切应力的变化。静态剪切流变数据采用Power Law 模型进行回归分析。复相关系数R2表示方程拟合精度。

式中：τ——剪切应力（Pa）；K——稠度系数；γ——剪切速率（s-1）；n——流体指数。

1.3.4 质构性质分析 取1.3.1 节制备的样品，置于50 mm 的培养皿中，使样品厚度一致，表面均匀，在4°C 恒温冰箱中放置12 h。利用质地分析仪进行质构性质的测定。测定条件：探头P/36 型，测前速度1.0 mm/s，测试速度1.0 mm/s，测后速度1.0 mm/s，触发力5.0 g，压缩程度40%，每个样品重复试验3 次，用TPA 软件分析结果。

1.3.5 果胶与淀粉之间相互作用力类型分析 称取一定质量的果胶溶于pH 3 的含0.1 mol/L 脲试剂的柠檬酸缓冲溶液中，按照表1配制凝胶溶液[16]。样品制备方法如1.3.1 节，采用1.3.4 节测试方法进行质构性质测定。

1.3.6 数据分析 采用Origin 9.0 软件绘图，SPSS 17.0 软件处理数据，进行显著性分析，其中P<0.05。

2 结果与分析

2.1 果胶-淀粉凝胶外观观察

图1中a1为未添加淀粉的果胶样品，a2为不含果胶的支链淀粉样品，a3为不含果胶的直链淀粉样品，这3 个样品均无法形成凝胶；b1-b7为不同直/支比（0∶10，2∶8，4∶6，5∶5，6∶4，8∶2，10∶0）淀粉-果胶凝胶，如图所示，添加淀粉后所有样品均形成凝胶。

2.2 淀粉直/支比对果胶凝胶动态黏弹性的影响

果胶凝胶的黏弹性可以通过动态流变学特性来反映。凝胶体系的动态黏弹性不仅与产品的实际应用性能有直接关系，还用来表征果胶与淀粉之间的三维网络结构[17]。

图2为原果胶和添加不同直/支比复配淀粉的果胶凝胶G′和G″值随频率变化的关系图。所有样品G′均大于G″，且均随着频率的增加而上升，表现出一种良好的频率依赖性，这是聚合物典型的凝胶网络动态黏弹性流变图谱[18]，说明样品具有凝胶的特性[19]。

图1 果胶-淀粉凝胶外观Fig.1 The appearance of pectin-starch gel

与原果胶相比，在添加不同直/支比复配淀粉的果胶凝胶中，随着直链淀粉比例的增加，凝胶体系的G′和G″增加。直链淀粉因其线性、几乎无分支的结构而在体系内形成短链的线圈结构与果胶链相互交缠[17]，形成了更致密的三维网络结构[20]，凝胶弹性更强。支链淀粉比例较大时，其密集、紧凑的枝状结构减少了与果胶链之间的相互交缠，凝胶刚性较弱[21]，动态模量值较小。由此说明淀粉中直链淀粉含量是影响果胶凝胶动态模量的重要因素。

图2 不同直/支比复配淀粉对果胶凝胶G′（a）和G″（b）值的影响Fig.2 Effects of different AM/AP starch on the G′（a） and G″ （b） of HMP gels

图3为原果胶和添加不同直/支比复配淀粉的果胶凝胶损耗因子（tan δ=G″/G′）随频率变化的关系图。所有样品的tan δ 均小于1，淀粉的加入降低了果胶凝胶的损耗因子（tan δ），且随着直链淀粉比例的增加，果胶凝胶的损耗因子（tan δ）减小，显示出更有弹性的流体性质，这可能是因为果胶与直链淀粉分子间更强的相互作用使得体系的三维网络结构增强。

2.3 淀粉直/支比对果胶凝胶静态流变性质的影响

图4是原果胶和添加不同直/支比复配淀粉的果胶凝胶的静态剪切流变曲线，各曲线对Power law 模型的拟合结果见表2。可知，所有的曲线R2均大于0.97，表明原果胶和果胶-淀粉凝胶对Power law 模型有较高的拟合度。流体指数n 均小于1，说明原果胶和果胶-淀粉凝胶均为假塑性流体，表现出剪切变稀的性质[21]。

与原果胶相比，果胶-淀粉凝胶随直链淀粉比例的增加，稠度系数K 值越来越大（上行线：K 值从174.38 升至367.42Pa·sn；下行线：K 值从115.29升至199.77Pa·sn），这可能是因为直链淀粉与果胶链之间相互缠绕引起凝胶化程度增加，体系稠度变大。姜莹等[22]报道了大分子物质的相互缠结使体系稠度增加。随着直链淀粉比例的增加，流体指数n 值减小（上行线：n 值从0.27 降至0.17；下行线：n 值从0.31 降至0.26），说明直链淀粉含量越高，果胶凝胶的假塑性越强。随着直链淀粉比例的增加，果胶凝胶K 值变大，n 值变小，这与tan δ结果是一致。Peressini 等[23]研究也表明多糖与淀粉分子间的相互作用会导致凝胶弹性体系的形成。

凝胶体系的流体曲线中，上行线与下行线围合产生触变环面积，可以用来判断流体的稳定性。通常触变环面积越大，凝胶结构在剪切力作用下所受到的破坏程度也越大[24]。由表2可知，与原果胶相比，果胶-淀粉凝胶的触变环面积变大，且随着直链淀粉比例的增加而增大 （从7271.97 升至50 518.38 Pa/s），表明直链淀粉很容易与果胶链相互作用，形成致密的三维凝胶网络，而在受到剪切力破坏后就难形成新的网络结构。支链淀粉含量较高的样品因其密集且紧凑的分支结构，不易与果胶链形成紧密的凝胶结构，故触变环面积较小。Techawipharat 等[21]报道了支链淀粉相比较其它淀粉具有不易破坏的凝胶性质。

2.4 淀粉直/支比对果胶凝胶质构性质的影响

表3为原果胶和不同直/支比复配淀粉的果胶凝胶的质构参数。原果胶凝胶硬度值为393.01 g，添加淀粉后果胶凝胶硬度值显著提高，且随着直链淀粉比例的增加而增加 （从537.81 g 上升至678.72g）。凝胶的硬度与分子间相互作用以及交缠程度成正比[10]。硬度增加可能是因直链淀粉比例越高，其线性、几乎无分支的结构越容易与果胶链相互作用，在体系内形成的三维凝胶网络也越坚硬。Kaur L 等[10]研究发现直链淀粉含量高的淀粉与决明子胶之间的相互作用强，凝胶硬度大。

内聚性反映的是凝胶在受到外力作用时保持自身完整性的能力，也表示凝胶内部键力的大小（值越大，内聚性越强）[25]。由表3可得原果胶凝胶内聚力为0.86，添加复配淀粉后果胶凝胶的内聚性降低，说明加入淀粉分子使果胶凝胶内部键力的一致性下降。随着直链淀粉比例的增加，凝胶内聚性呈上升趋势（从0.45 升至0.66），说明直链淀粉含量是影响混合体系内部键力的重要因素。

图3 不同直/支比复配淀粉对果胶凝胶tan δ 值变化的影响Fig.3 Effects of different AM/AP starch on the tan δ of HMP gels

图4 原果胶和果胶-不同直/支比复配淀粉凝胶体系的静态流变曲线Fig.4 Flow curves of native HMP and HMP-different AM/AP starch gels

表2 原果胶和果胶-不同直/支比复配淀粉凝胶体系静态剪切曲线的拟合结果Table 2 The fitting result of static shear curves of native HMP and HMP-different AM/AP starch gels

表3 原果胶凝胶和果胶-不同直/支比复配淀粉凝胶体系的质构性质Table 3 Texture profile of native HMP and HMP- different AM/AP starch gels

由表3可得随着直链淀粉比例的增加，凝胶体系的黏着性显著上升（从170.43 升至254.70 g·s），流动性下降，这与静态流变的结果一致。直链淀粉因其短的线性链与果胶链之间交联缠绕，故凝胶化程度增大，引起体系黏着性变大[22]。

2.5 果胶与直/支链淀粉之间相互作用力类型分析

由表3可得，果胶凝胶的硬度随着直链淀粉比例的增加而增大，同样的现象出现在明胶与果胶的相互作用中[26]。类似于明胶分子的线性链，由于直链淀粉的线性、几乎无分支的结构与果胶链间相互交联和缠绕的几率和程度较大，形成的三维凝胶网络结构较强；而支链淀粉紧凑、密集的分支结构将果胶链间排斥于其分子链外而减少与果胶分子链间的交缠[15]。果胶与淀粉可能是通过氢键相互作用形成了更强的三维凝胶网络。脲是一种破坏高分子内和分子间氢键的物质，通过在凝胶体系中加入脲[27]来观察凝胶体系硬度值的变化，进一步验证果胶与淀粉间的作用力类型。其结果如图5所示，加入脲后，体系呈黏稠的膏状，硬度值减小。不同直/支比（0∶10，2∶8，4∶6，5∶5，6∶4，8∶2，10∶0）淀粉-果胶凝胶硬度值分别减少了56.54，76.25，100.20，136.62，169.04，198.03，210.02 g，即直链淀粉比例越高，硬度值下降越大，这说明随直链淀粉比例的增加，脲对体系作用力的削弱程度越强，且所有样品的硬度趋于一致，即淀粉对果胶凝胶体系硬度的影响被消除。P Walkenström 等[28]研究了果胶水溶液中有或无氢键破坏脲时对分子间相互作用的影响，结果表明：多链聚合或网状结构等这些结构大多是通过多糖大分子链上的羟基之间的氢键作用来稳定的。由此推测果胶与直/支链淀粉之间的相互作用主要为氢键，而直链淀粉与果胶链之间易发生相互作用。

图5 脲对果胶-不同直/支比复配淀粉凝胶硬度值的影响Fig.5 Hardness values of mixtures of HMP-different AM/AP starch gels after adding urea

3 结论

本研究探讨了添加不同直/支比复配淀粉对果胶凝胶的影响。主要结论如下：

1） 凝胶的动态黏弹性测试表明：随着直链淀粉比例的增加，凝胶体系的储能模量和损耗模量明显提高，损耗因子下降，显示出具有弹性的凝胶特性。

2） 凝胶的静态剪切测试表明：随着直链淀粉比例的增加，凝胶体系的稠度系数K 值上升，流体指数n 值下降，即直链淀粉增强了果胶凝胶的稠度及假塑性。随着直链淀粉比例的增加，凝胶体系的触变环面积越大，形成的三维凝胶网络越致密。

3） 对凝胶质构性质的分析表明：凝胶体系的凝胶强度随着直链淀粉比例的增加而增加。果胶与淀粉通过氢键相互作用来增强体系作用力，形成更强的三维凝胶网络，从而提高体系的凝胶性能。

本文仅考察了淀粉的直/支比对果胶凝胶性质的影响，而对添加不同品种、不同颗粒大小的淀粉对果胶凝胶的影响有待进一步研究。