纳米纤维素对小麦淀粉糊化和流变特性的影响

高焌茹，张思原，李宏，吕坤凌

（广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004）

小麦淀粉产量丰富、用途广泛，因其独特的糊化和老化特性，常作为原料和添加剂用于食品工业中[1]，当淀粉颗粒在过量水中加热时，颗粒表面逐渐破裂，导致内部大量的直链淀粉分子和可溶性物质渗漏出来，溶液黏度快速增高；同时与直链淀粉缠绕的支链淀粉分子结构发生形变，部分支链淀粉随之分解渗出，最终形成半透明的黏稠状胶体溶液[2]。淀粉的糊化和淀粉基凝胶的流变学特性对淀粉基食品的加工、储藏、食用品质有重要影响。

纤维素是世界上产量最大的生物质，广泛的来源于动植物及细菌微生物。微晶纤维素（microcrystalline cellulose，MCC）是由天然纤维素部分降解至平衡聚合度，以β-1，4糖苷键结合的直链式多糖[3]。在食品工业中MCC常作为乳化剂、稳定剂和分散剂，同时作为功能性的膳食纤维，具有预防便秘、防止动脉硬化、吸附肠毒素的作用。纳米晶体纤维素（nanocrystaline cellulose，NCC）是由MCC或天然纤维素水解（主要为酸解）得到的纳米级纤维素，具有比MCC更高的结晶度。纳米纤化纤维素（nanofibrillated cellulose，NFC）是通过高压均质、微射流和研磨处理等物理方法制备的纳米级纤维丝[4]。相比于一般尺寸的纤维素，纳米纤维素因其具有良好的生物相容性、透明度、吸水性及特殊的流变性而在食品领域有广泛的应用前景[5]。Cui等[6]研究了NCC对玉米、糯玉米和甘薯淀粉回生性质的影响，发现NCC主要通过与直链淀粉相互作用抑制淀粉的短期回生。Liu等[7]研究发现NCC与马铃薯淀粉的交联反应主要发生在非结晶区中，仅部分发生在结晶区域中。

目前虽有部分关于不同种类淀粉与NCC混合后糊化和回生特性的研究，但未见关于NFC对淀粉理化特性影响的研究。不同种类的纳米纤维素具有不同的形状和分子结构，与淀粉颗粒和淀粉分子间相互作用的方式可能产生差异，进而可能对淀粉的糊化过程和淀粉凝胶的结构产生不同的影响。因此，本试验以常用的食品添加剂MCC为参照物，对比研究不同种类、不同比例的纳米纤维素对小麦淀粉糊化特性的影响，以期为纳米纤维素在实际应用中提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

小麦淀粉（wheat starch，WS）：新良集团；微晶纤维素（MCC）：河南万邦实业有限公司；纳米纤化纤维素（NFC）、纳米晶体纤维素（NCC）：广东中山纳纤丝新材料有限公司。

1.2 仪器与设备

MYP11-2A型磁力搅拌器：上海梅颖浦有限公司；Brabender Viscograph-E型布拉班德黏度仪、TLE204E型分析天平：梅特勒-托利多仪器 (上海)有限公司；RS542NCAEWW/SC型冰箱：苏州三星电子有限公司；HAAKE MARS4型流变仪：赛默飞世尔科技公司；YYTI-10L型超纯水机：成都优越科技有限公司；HHS型电热恒温水浴锅：上海博讯实业有限公司医疗设备厂。

1.3 试验方法

1.3.1 小麦淀粉化学成分的测定

小麦淀粉中水分含量的测定参照GB5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》；粗蛋白含量的测定参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》；粗脂肪含量的测定参照GB5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》；灰分含量的测定参照GB 5009.4—2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》。

1.3.2 小麦淀粉混合体系样品的制备

根据前期预试验结果，把MCC、NCC、NFC按照淀粉干基质量的0%、1%、3%、5%、7%与小麦淀粉混合，总质量分数为6%。制备方法如下：先将MCC、NCC和NFC按比例配制成一定质量分数的胶体溶液，磁力搅拌1 h，使MCC、NCC和NFC均匀分散在水中。然后按上述比例称取小麦淀粉，倒入配制好的纤维素溶液中，于磁力搅拌器上搅拌30 min，使样品混合均匀。

1.3.3 小麦淀粉混合体系糊化特性的测定

Brabender黏度仪主要模仿淀粉基食品的烹饪过程，可得到一条黏度关于时间和温度的变化曲线。糊化特性的测定参照GB/T 22427.7—2008《淀粉粘度测定》，测量范围700 cmg，转速75 r/min。按照1.3.2的比例配制成460 g的6%小麦淀粉混合体系。测定程序如下：起始温度为25℃，然后以1.5℃/min的速率升温至95℃，保温30 min，再以1.5℃/min的速率降温至50℃，保温30 min，可得出布拉班德曲线。

1.3.4 小麦淀粉混合体系可溶性直链淀粉、固形物含量与膨胀势的测定

小麦淀粉混合体系糊化过程中上清液中可溶性直链淀粉含量和沉淀中膨胀度的测定方法参照Chaisawang等[8]的测定方法。首先参照1.3.2的比例配制质量分数为2%的小麦淀粉混合乳液，置于50 mL的离心管中，盖紧盖后在沸水中加热30 min，振荡速度100 r/min。加热后将样品快速冷却至25℃，以4 500 r/min的转速离心15 min，将上清液与沉淀分离。测定上清液中固形物的含量，并用碘比色法[9]测定上清液中可溶性直链淀粉的含量。离心后测定沉淀物的质量m0，然后将沉淀置于105℃的烘箱中干燥至恒重，此时沉淀物的质量为m1，计算其膨胀势。

式中：m0为淀粉吸水后的质量，g；m1为沉淀中样品的干重，g。

1.3.5 小麦淀粉混合体系流变学性质的测定

1.3.5.1 静态流变特性的测试

取1.3.3中Brabender黏度仪制备的淀粉糊，置于流变仪上，平板直径1.0 cm，设置间隙500 μm，溢出的样品用塑料刮板刮除。测定温度25℃，剪切速率0～300 s-1，待Normal Force参数基本稳定后进行流变试验，试验数据采用Power-Law方程进行拟合。方程如下。

τ=Kγn

式中：τ为剪切应力，Pa；K 为稠度系数，Pa·sn；γ 为剪切速率，s-1；n为流体指数。

1.3.5.2 动态黏弹性测定

取1.3.3中Brabender黏度仪制备的淀粉糊，置于流变仪上，平板直径1.0 cm，设置间隙50 μm，测定温度25℃，扫描应变1%，测定低频率（0.1 Hz）至高频率（10 Hz）内，贮能模量（G′）、损耗模量（G″）及损耗角正切值（tanδ=G″/G′）随频率的变化。

1.4 数据统计分析

试验重复3次，采用SPSS 16.0软件分析数据，数据记录为平均值±标准差，试验数值间使用Tukey法（P＜0.05）进行差异显著性分析。图表绘制采用Origin 8.0及Office 2010。

2 结果与分析

2.1 小麦淀粉化学成分的测定结果

小麦淀粉常规成分见表1。

表1 小麦淀粉常规成分Table 1 The compositions of wheat starch %

2.2 小麦淀粉混合体系的糊化特性

使用Brabender黏度仪测定不同种类纤维素与小麦淀粉混合的糊化曲线特征参数见表2。

表2 MCC、NCC和NFC对小麦淀粉成糊特性的影响Table 2 Effects of MCC，NCC and NFC on pasting properties of wheat starch

从表2中可以看出不同种类的纤维素对小麦淀粉的糊化产生不同的影响，且作用效果与添加量有关。与单独的小麦淀粉相比，MCC的加入对起始糊化温度的影响并不明显（P＞0.05）；随着添加量的增加，小麦淀粉乳的峰值黏度和终值黏度降低。谢新华等[10]同样发现小麦纤维的加入会导致小麦淀粉的峰值黏度和终值黏度降低。而两种纳米纤维素加入后，均使混合体系的峰值黏度随纳米纤维素比例的增大而增加，起始糊化温度降低，且加入NFC比NCC的作用效果更明显。相比于没有任何添加物的小麦淀粉，当添加7%的NFC和NCC时，小麦淀粉的起始糊化温度从71.9℃分别降至54.2℃和57.6℃，峰值黏度分别提高了66.0%和58.0%，而终值黏度分别提高了46.6%和44.6%。

峰值黏度代表淀粉乳中淀粉颗粒膨胀和破裂达到动态平衡的点，主要受淀粉颗粒的溶胀程度和淀粉乳含量的影响[11]。本试验中MCC的添加使淀粉乳中小麦淀粉的相对含量减少，单位体积内淀粉颗粒含量降低，淀粉颗粒间的摩擦程度降低，流动性增强，小麦淀粉的糊化受到抑制，进而导致糊化参数的下降[12]。

而与MCC相比，纳米纤维素的比表面积更高、表面裸露的活性中心增多、分子中含有更多的羟基[13]。在糊化的过程中，纳米纤维素与淀粉分子争夺水分子，形成分子间氢键，吸收大量的水分，促使淀粉溶液的局部浓度升高，颗粒间的碰撞和摩擦增多，体系的流动阻力增大；另一方面，纳米纤维素中更多的羟基可与糊化过程中渗漏出来的淀粉分子相互作用，限制淀粉分子的自由移动，降低其流动性，表现为体系黏度的增加[14]。而由于制备方法的不同，与NCC相比，NFC中除羟基外还含有部分羧基[15]。随着温度的升高，淀粉分子中的羟基会与NFC中的羧基发生酯化反应形成羰基，其作用力强于NCC中与淀粉分子形成的氢键等分子间作用力，进一步促进淀粉颗粒的破裂，更多的可溶性物质溶出，提高体系的黏度。

由表2可知，两种纳米纤维素的加入引起淀粉崩解值和回生值的升高，高浓度纳米纤维素的增高效应强于低浓度的纳米纤维素，而MCC的加入会引起崩解值和回生值的降低。作用效果的不同主要是由糊化过程的差异导致的，加入纳米纤维素后淀粉的崩解值增大，表明其热稳定性降低，这主要是由于纳米纤维素促进淀粉的糊化，搅拌过程中淀粉颗粒更容易破裂，黏度变大。回生值与淀粉糊冷却过程中淀粉的重结晶程度密切相关，理论上反映淀粉糊冷却过程中直链淀粉分子的重排程度[16]。但在添加亲水性胶体的淀粉体系中，受亲水胶体黏度的影响，Brabender黏度仪测定的回生值可能难以准确地反映淀粉的老化，因此需进一步进行回生试验[17]。

2.3 小麦淀粉混合体系可溶性直链淀粉、固形物含量及膨胀势

糊化的淀粉乳离心后其上清液中的固形物主要为可溶的直链淀粉、少部分低聚合度的支链淀粉和添加物[18]。为了进一步研究纳米纤维素对小麦淀粉的糊化的影响，对糊化后体系中上清液中直链淀粉和固形物的含量进行测定，结果见图1。

图1 MCC、NCC和NFC对可溶性直链淀粉和固形物含量的影响Fig.1 Effect of MCC，NCC and NFC on soluble amylose and solid content

由图1可以看出，加入低含量（1%、3%）的MCC对上清液中直链淀粉含量的影响不显著，而当MCC的添加量由3%升至7%时，上清液中直链淀粉的含量显著降低（P＜0.05），一方面是由于淀粉浓度的相对含量降低，另一方面是由于部分MCC分子吸附在淀粉颗粒表面，抑制直链淀粉分子的溢出[19]。由图1还可以看出，加入NCC、NFC两种纳米纤维素的小麦淀粉乳，离心后其上清液中固形物含量和直链淀粉含量均随纳米纤维素含量的增加而升高，这说明纳米纤维素的加入促进淀粉颗粒的破碎和直链淀粉的渗出。添加相同量的纳米纤维素时，加入NCC的淀粉乳其上清液中固形物的含量比加入NFC的更高，但是加入NFC的淀粉乳其上清液中直链淀粉的含量高于加入NCC的淀粉乳，且浓度越高这种现象越明显。小麦淀粉中分别加入7%NCC和7%NFC时，离心后上清液中固形物的含量分别为21.23%和19.27%，而直链淀粉的含量分别为17.99%和19.32%。这种现象说明NFC促进淀粉颗粒溶解的能力更强，可促进更多的直链淀粉进入溶液。NCC和NFC扫描电镜图见图2。

图2 NCC和NFC扫描电镜图Fig.2 Scanning electron microscope images of NCC and NFC

由图2可以明显看出NFC为细丝状的长纤维，而NCC为棒状的短纤维，两者相比，长丝状的NFC更易纠缠凝结，离心后留在沉淀物中；短棒状的NCC离心后仍有部分发生分离，悬浮在上清液中，导致上清液中固形物的含量更高。

淀粉膨胀势指在一定的温度下，每克干淀粉吸收水的质量数，是反映淀粉分子与水结合能力的重要指标[20]。淀粉颗粒的形态、内部结构、直链淀粉含量及支链淀粉含量都会影响淀粉无定形区和结晶区结合，进而影响淀粉颗粒的膨胀势[21]。MCC、NCC和NFC对小麦淀粉膨胀势的影响见图3。

图3 MCC、NCC和NFC对小麦淀粉膨胀势的影响Fig.3 Effects of MCC，NCC and NFC on wheat starch sweling potential

由图3可以看出加入MCC、NCC、NFC均使小麦淀粉的膨胀势随添加量的增加而升高，相同浓度下，加入MCC后淀粉乳的膨胀势小于加入纳米纤维素的淀粉乳，而加入NCC淀粉乳的膨胀势小于NFC，且添加量越大作用效果越明显。这表明3种纤维素提高淀粉乳截留水分子能力为：NFC＞NCC＞MCC。与MCC相比，纳米纤维素中更多的羟基促使它们与更多的水分子相互作用形成氢键，结合水分子的能力显著提高。而与NCC相比细丝状的NFC在糊化过程中更易与溶出的淀粉分子凝结环绕成网络结构，以截留下更多的水分子，因此加入NFC的小麦淀粉的膨胀势更高。

2.4 小麦淀粉混合体系流变学特性的测定

2.4.1 小麦淀粉混合体系静态流变性的测定

图4为添加不同种类、不同含量纤维素与小麦淀粉混合体系的剪切应力随剪切速率变化关系图。

图4 MCC、NCC和NFC对小麦淀粉静态流变曲线的影响Fig.4 Effects of MCC，NCC and NFC on static rheological curve of wheat starch

从图4可以看出，添加MCC、NCC和NFC的小麦淀粉凝胶在静态流动过程中的剪切应力均随剪切速率的升高而增大。在相同的剪切速率下，添加NCC和NFC的小麦凝胶在静态流动过程中的剪切应力随添加量的增加而增大，且添加NFC的淀粉凝胶剪切应力更大。而添加MCC的淀粉凝胶的剪切应力随添加量的增加而减小。这说明在淀粉糊冷却形成凝胶的过程中，MCC、NCC、NFC与淀粉分子间发生了不同的反应，导致淀粉凝胶的结构发生变化。小麦淀粉混合体系Power-Law方程拟合参数见表3。

表3 小麦淀粉混合体系Power-Law方程拟合参数Table 3 Power-Law equation fitting parameters of wheat starch mixed system

由表3可以看出各个样品的决定系数R2均大于等于0.99，说明Power-Law模型对纤维素小麦淀粉混合体系的静态流变性质具有很好的拟合精度。所有样品的流体指数n值均小于1，说明添加MCC、NCC、NFC后的小麦淀粉混合凝胶仍为假塑性流体，具有剪切稀化性。添加MCC后小麦淀粉凝胶流体指数n随添加量的增大变化不明显（P＞0.05）；而添加NCC、NFC两种纳米纤维素后n值随添加量的增大而降低，说明纳米纤维素的加入提高了淀粉凝胶的假塑性。良好的假塑性可以改善淀粉基食品的加工和运输工艺，提高生产效率，也会改进食品的食用口感，降低咀嚼时的黏着感[22]。由表3可以看出不同样品间的稠度系数K值差异显著（P＜0.05），K值与 MCC、NCC、NFC 的添加量有关。两种纳米纤维素均会使小麦淀粉凝胶体系的稠度系数K值随添加量的增加而增大，且相同的添加量下加入NFC的淀粉凝胶K值更大，说明纳米纤维素具有很好的增稠性，NFC的增稠性更强。而小麦淀粉混合体系的K值随MCC添加量的增加而减小，体系稠度降低。K值的变化趋势与Brabender黏度试验中不同浓度MCC、NCC、NFC对小麦淀粉峰值黏度的变化趋势一致，Chen等[23]研究普鲁兰多糖对大米淀粉流变特性的影响，同样发现K值的变化与黏度仪测定的峰值黏度变化的趋势一致。

2.4.2 小麦淀粉混合体系动态流变性的测定

凝胶的动态流变特性，即动态黏弹性，是指在交变的应力（或应变）作用下，凝胶表现出的力学响应规律。贮能模量（G′）是淀粉凝胶表现固态（或弹性）特性的指标，其值越大代表凝胶受外力作用时形变恢复能力越强。损耗模量（G″）是淀粉凝胶表现液态（或黏性）特性的指标，其值越大表明凝胶受外力作用时越不易流动。图5分别是加入MCC、NCC、NFC小麦淀粉凝胶的贮能模量G′与损耗模量G″随着频率变化的关系图。

图5 MCC、NCC、NFC与小麦淀粉混合体系的G′和G″随频率变化曲线Fig.5 Variation curves of G′and G″with frequency of the mixed system of MCC，NCC，NFC and wheat starch

由图5可知，加入3种纤维素后的小麦淀粉凝胶G′值远大于G″值，G′和G″均随着频率的增大而增大，表现出对频率的依赖性，这说明加入3种纤维素后，小麦凝胶仍为弱凝胶[24]。相同的频率下MCC、NCC、NFC添加量的增加均改变了淀粉凝胶的动态模量G′和G″值，这是由于MCC、NCC、NFC的加入改变了淀粉凝胶的结构从而导致了动态流变性的差异。从图5可以看出，小麦淀粉凝胶的G′和G″值均随MCC添加量的增大而降低，而随NCC、NFC添加量的增加而增大。G′的变化是淀粉短期回生的衡量指标，淀粉的短期回生主要与直链淀粉的含量有关，直链淀粉含量高，淀粉的短期回生越容易发生。如2.3所测，NCC与NFC的加入促进了直链淀粉的渗漏，大量的直链淀粉分子链通过羟基与相邻链连接，加快凝胶网络的聚集，网络凝胶的稳定性增强，导致G′的升高。

损耗角正切值（tanδ）是损耗模量（G″）和贮能模量（G′）的比值，表明了凝胶黏性性质和弹性性质的相对强度。当tanδ较小时表明凝胶处于类似固体的状态，tanδ较大时表明凝胶处于类似液体的状态[25]。MCC、NCC、NFC与小麦淀粉混合体系损耗角随频率变化曲线见图6。

图6 MCC、NCC、NFC与小麦淀粉混合体系损耗角随频率变化曲线Fig.6 Variation curve of loss angle with frequency of the mixed system of MCC，NCC，NFCand wheat starch

由图6可以看出，所有样品tanδ值均小于1，说明混合后的凝胶仍表现出较强的弹性品质。随着MCC添加量的增加，小麦混合凝胶的损耗角tanδ值逐渐增大，表明MCC的加入使小麦凝胶的黏性增强，流动性增强。而两种纳米纤维素的添加降低了小麦混合凝胶的损耗角tanδ值，说明纳米纤维素的加入增强了小麦凝胶的弹性，流动性减弱，凝胶的结构更为致密，质地更坚硬。

3 结论

不同种类的纤维素会对小麦淀粉的糊化产生不同的影响，且与浓度有关。MCC的加入会抑制小麦淀粉的糊化；而纳米纤维素NCC和NFC会促进小麦淀粉糊化的发生，起始糊化温度降低，峰值和终值黏度升高，崩解值和回生值升高，且NFC的作用效果比NCC更明显。NCC和NFC的加入均会促进淀粉糊化后可溶性直链淀粉的渗出，促进小麦淀粉凝胶的短期回生，与MCC相比纳米纤维素显著提升淀粉凝胶的持水能力。Power-Law方程拟合静态流变数据发现：MCC、NCC和NFC加入后小麦淀粉凝胶仍为假塑性流体，NCC和NFC可明显提高小麦淀粉凝胶K值，是良好的增稠剂，而MCC的加入降低了体系的稠度系数。动态流变曲线研究发现：NCC和NFC增强了小麦凝胶的弹性，凝胶的结构更为致密，质地更坚硬。研究结果可为NCC和NFC在食品添加剂的实际应用中提供参考。