淀粉水凝胶体系水分分布规律分析

林顺顺，史家琪，孙夫才，姜丽丽，马兵团，李梦琴,*

（1.河南农业大学食品科学技术学院，河南 郑州 450002；2.贝一食品（山东）有限公司，山东 临沂 276000；3.河南同昌实业有限公司，河南 郑州 450000）

淀粉是人类膳食的主要营养成分和能量来源，广泛应用于食品、化工、纺织等领域。它是由单一类型的糖单元组成的多糖，根据其分子结构，可以将其分为直链淀粉和支链淀粉，以不同大小、不同形状的颗粒形式存在于谷类、薯类、豆类植物中[1]。淀粉颗粒经受热吸水、膨胀、破裂、分子链缠结形成含有一定水分的网状结构复合物，即淀粉凝胶[2-3]。通常情况下，淀粉凝胶可以被加工成为多种多样的食品，如粉丝[4]、凉粉[5]、粉皮[6]等，这些食品的品质取决于淀粉的凝胶特性。同时，淀粉的凝胶特性受到内在和外在因素，如直链淀粉含量[7]、pH值[8]，影响淀粉制品的优劣。目前，已经有许多关于玉米、红薯、马铃薯、豌豆淀粉的凝胶特性[6,9-10]和微观结构[11]的报道。

值得注意的是，淀粉凝胶以其吸引水分子和捕获脂肪的能力，使其可以在不同形态的食品中作为润滑质地调节剂使用[12-13]，如提高肉类制品、奶类制品等的润滑口感。近几年，关于食品的感官质地研究受到大量关注，现代人类更倾向于从食物消费中获得最大程度的感官愉悦，对润滑度的感官感知通常是享乐性食物备受喜好的主要因素。食物的润滑感知如平滑度、乳脂感、奶油感[14]等已成为食品质地感知的重要方面[15]。而食品的感官质地与食品的材料特征属性，包括微结构性质、力学性质、孔隙形状、空隙大小、水/油含量等因素都有关系。Heydari等[16]使用不同浓度的玉米淀粉、糯玉米淀粉和小麦淀粉作为脂肪替代品对油/水乳状液流变学特性及摩擦学影响结果表明，淀粉种类和浓度会显著影响乳状液的润滑质地。重要的是，水分直接影响糊化后淀粉分子链的迁移，决定淀粉分子链重新聚合的速率[17-18]。有研究表明，淀粉凝胶体系中的水起到增塑剂的作用，使淀粉聚合链更加柔韧，从而有利于直链淀粉/支链淀粉单元链的重排[19]。Zhu Yu等[20]研究发现玉米淀粉的凝胶特性和糊化度受到聚乙二醇-水质量比的显著影响，聚乙二醇与水质量比40∶60的淀粉凝胶比100%水样中的淀粉凝胶表现出更强的黏弹性和结构稳定性。同时，水分含量和加热温度会影响淀粉结构的可变性，从而影响淀粉的功能特性[21-23]。因此，淀粉凝胶体系中水分分布状态规律对于淀粉凝胶和淀粉基食品的质地起着重要作用。

前期研究中，通过分析6 种淀粉不同质量分数间的凝胶质构性能差异，已经建立了6 种淀粉的5 种物理形态的淀粉胶凝模型体系[24]，得出当淀粉质量分数大于5%时，其淀粉凝胶属于固体形态。本实验在前期研究基础上，分析不同淀粉质量分数对6 种淀粉水凝胶体系的水分分布规律，以期为研究提升淀粉基质类食品的感官质地提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉、绿豆淀粉、豌豆淀粉购置于新乡良润全谷物食品有限公司，且前期研究[25]已对该6 种淀粉的粒径、直链淀粉和支链淀粉含量进行测定。

PQ 001 Micro MR型柜式核磁共振成像仪 上海Niumag电子科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 淀粉凝胶的制备

采用质量分数梯度法制备不同物理形态的胶凝[15]，具体为：准确适量淀粉，制备淀粉质量分数梯度为5%～14%的淀粉悬浮液，于500 mL烧杯中；将烧杯置于（98±2）℃水浴中搅拌加热30 min[16]，缓慢倒入2 cm高度的培养皿中，并控制液面高度为1.5 cm；然后将培养皿平放于4 ℃冰箱中，使凝胶老化24 h，形成稳定的淀粉凝胶体系。

1.2.2 淀粉凝胶的低场核磁共振（low field-nuclear magnetic resonance，LF-NMR）测定

使用纽迈核磁共振分析应用软件进行测定。准确称取上述制备的淀粉质量分数为5%～14%的6 种淀粉凝胶1.500 g，使用多脉冲回波序列进行横向弛豫时间（T2）的检测，测定淀粉凝胶的水分分布。检测参数：仪器测量温度36 ℃，主频22 MHz，偏移频率777627.95 Hz，采样点数500028，弛豫衰减时间3000.00 ms，累加次数8，回波时间1.000 ms。每种试样至少重复测定3 次。

1.3 数据分析

用SPSS 26进行数据分析；Origin 2021进行数据处理及图形的绘制；采用SIMCA-P 11软件进行统计数据的主成分分析（principal component analysis，PCA）。

2 结果与分析

2.1 谷类淀粉水凝胶体系水分分布规律分析

图1是谷类（玉米、小麦）淀粉在淀粉质量分数为5%～14%时所形成水凝胶的弛豫时间图谱（T2），在0.01～10000 ms的横向弛豫时间内可以观察到3～4 个峰（大部分样品结合水表现出双峰头现象），代表水分存在形式有：结合水、不易流动水和自由水。弛豫时间T2b（T21＋T22）峰表征与大分子紧密结合的结合水，T23为被截留在凝胶网络结构中不易流动的水，也称截留水、游离水，T24为具有高度流动性的自由水[26]。通常在含水凝胶体系中，绝大多数的水都是存在于凝胶网络中的截留水[27]，图1和表1结果也验证了这一观点，即在本淀粉凝胶体系中，不易流动水（T23峰）的相对含量最大。

表1 谷类淀粉不同状态水横向弛豫时间变化及相对含量的方差分析Table 1 Analysis of variance of transverse relaxation times and relative contents of different water states in cereal starch gels

图1 不同质量分数谷类淀粉凝胶的LF-NMR驰豫图谱Fig.1 LF-NMR relaxation spectra of cereal starch gels at different concentrations

在弛豫时间图谱（T2）中，T2越大，表明该状态水分子被凝胶网络结构束缚的越弱，水分流动性越大；反之，T2越小，说明该状态水分子被凝胶网络结构束缚的越强，水分的流动性越弱[1]。从表1可以看出，随着淀粉质量分数的增加（由5%增加至14%），玉米淀粉和小麦淀粉凝胶的T2（T21、T22、T23和T24）均呈减小趋势，表明淀粉质量分数越大，凝胶网络结构对各部分水分的束缚能力越强，即凝胶网络与水结合的能力越强。这不难理解，因为高淀粉质量分数淀粉凝胶中暴露出更多氢键与水分子结合，使水分子被束缚，水分子的流动性降低[27]。该结论与Zhang Yifu等[28]结论一致，其研究认为淀粉凝胶在回生状态下淀粉分子之间的交联造成水分自由性降低。

由图1可见，对于玉米淀粉凝胶，在淀粉质量分数（5%～14%）范围，不同凝胶样品之间结合水含量（A2b）无显著差异。不易流动水含量（A23）呈（淀粉质量分数5%～6%）显著减少后，（淀粉质量分数6%～14%）显著增加趋势（P＜0.05）。自由水含量（A24）变化趋势与A23相反，即呈先显著增加后显著减小（P＜0.05），其中质量分数为11%和12%淀粉凝胶的A24为零。

对于小麦淀粉凝胶（图1b和表1），质量分数为11%、12%和14%淀粉凝胶的结合水含量（A2b）均显著高于其他质量分数。质量分数为7%淀粉凝胶的A23显著低于其他样品（P＜0.05），自由水相对含量（A24）显著高于其他凝胶样品（P＜0.05），且质量分数为11%～14%时，凝胶样品的自由水相对含量均为零。淀粉在老化过程中，原淀粉分子与水分子之间的氢键会逐渐取代淀粉分子之间的氢键，导致内部分子与水分子的结合能力上升[29]。直链淀粉糊化后水解暴露出更多氢键，氢键与淀粉分子之间结合的机会增多[30]，从而显著减少了凝胶中自由水的比例。在前期研究结果显示，小麦淀粉中的直链淀粉含量（23.93%）显著高于玉米淀粉（20.74%）[25]。分析认为，当小麦淀粉质量分数大于11%时，小麦直链淀粉糊化后已经暴露出足够的氢键结合水分子，使得凝胶网络结构中自由水的比例为零。

2.2 薯类淀粉水凝胶体系水分分布规律分析

与谷类淀粉不同，在0.01～10000 ms弛豫时间内，薯类（红薯、马铃薯）淀粉凝胶的T2（图2）均仅观察到两个明显峰，即结合水和不易流动水。由图2和表2可以看出，随着质量分数的增大，即红薯淀粉（由8%增至14%）和马铃薯淀粉（由5%增至13%），T21显著减少（P＜0.05），说明由于淀粉质量分数增大，淀粉凝胶网络结构与水分子的结合能力逐渐增强，水分子不能自由流动，即自由水均为零。表明淀粉质量分数会显著增强淀粉凝胶网络结构结合水分子的能力，这与谷类淀粉凝胶（2.1节）结论一致。

图2 不同质量分数薯类淀粉凝胶的LF-NMR驰豫图谱变化情况Fig.2 Changes in LF-NMR relaxation spectra of potato starch gels at different concentrations

由于在薯类淀粉凝胶体系中仅发现两种状态水（图2b和表2），即结合水和不易流动水，因此不同质量分数对凝胶中结合水的影响趋势与不易流动水呈相反趋势变化。其结果显示，对于红薯淀粉凝胶，在质量分数7%时A23显著高于其他样品（97.15%），在质量分数12%～14%时A23稳定在95.51%～95.74%范围。对于马铃薯淀粉凝胶，凝胶中不易流动水相对含量（A23）呈阶段性显著减小趋势，即淀粉质量分数5%～7%凝胶的A23显著低于8%～9%凝胶（P＜0.05）；8%～10%凝胶的A23显著低于11%～14%凝胶（P＜0.05）。

相同淀粉质量分数，马铃薯淀粉凝胶中结合水的相对含量（A2b）普遍高于红薯淀粉凝胶，说明在相同淀粉质量分数的凝胶中，马铃薯淀粉凝胶网络结构中结合水所占百分比相对较高，说明马铃薯淀粉凝胶网络结构具有较强包容结合水的能力，而结合水也即是与大分子结合最紧密、产品最不容易流失的水分。前期研究发现马铃薯淀粉饼干的口感润滑质地明显优于红薯、小麦等其他淀粉饼干[25]，分析这应该与马铃薯淀粉凝胶中结合水相对含量较高有关。同时，Nwokocha等[31]发现爱尔兰马铃薯淀粉的淀粉颗粒更大，磷含量更高，直链淀粉含量低。与甘薯淀粉相比，它还表现出更低的糊化温度、更高的溶胀力和直链淀粉浸出率。其他相关文献也显示，由于马铃薯淀粉具有较低的直链淀粉含量和较高的磷酸盐含量[32]，内部交联更紧密，与红薯淀粉相比，马铃薯淀粉凝胶更易与水分子结合，形成结合水[33-34]。

2.3 豆类淀粉水凝胶体系水分分布规律分析

豆类（豌豆、绿豆）淀粉凝胶的弛豫时间图谱（图3）中观察到3～4 个峰（部分样品结合水表现出双峰头现象），代表水分存在形式有：结合水、不易流动水和自由水。同时发现，在淀粉质量分数在5%～14%范围内，相同质量分数时，豌豆淀粉凝胶的弛豫时间T2b、T23和T24均小于绿豆淀粉凝胶。随着淀粉质量分数的增大，两种淀粉凝胶图谱均向左偏移，说明结合水的能力逐渐增强，而在绿豆质量分数大于9%，或豌豆淀粉质量分数大于13%，凝胶图谱开始向右边偏移，说明结合水的能力逐渐减弱。绿豆淀粉的横向弛豫时间T23在质量分数为10%时最小，豌豆淀粉的T23在质量分数为13%时横向弛豫时间最小，意味在此质量分数时凝胶中结合水稳定性最强[35]。绿豆淀粉的直链淀粉含量明显高于豌豆淀粉[25]，淀粉糊化老化形成凝胶后，长直链淀粉断裂成较短直链，直链淀粉分子之间的作用开始加强，水合作用减弱，所以在相同质量分数下，绿豆淀粉结合水的能力小于豌豆淀粉。刘紫薇等[36]研究发现改变绿豆的煮制时间，其绿豆淀粉中的支链淀粉较直链淀粉更易糊化，含量变化更为明显。黄倩[37]研究发现绿豆淀粉的硬度、结晶度和抗性淀粉含量均高于豌豆淀粉凝胶，说明绿豆淀粉更容易凝胶化。

图3 不同质量分数豆类淀粉凝胶的LF-NMR驰豫图谱变化情况Fig.3 Changes in LF-NMR relaxation spectra of soybean starch gels at different concentrations

对不同状态水分峰面积的相对含量分析结果显示（图3b和表3），豌豆淀粉凝胶中结合水的相对含量（A2b）在2.81%～4.15%，不同质量分数间无显著差异。不易流动水（A23）在淀粉质量分数为5%和6%时显著高于质量分数8%～14%。对于绿豆淀粉凝胶，凝胶中结合水的相对含量（A2b）在2.47%～3.23%，不同质量分数样品间无显著差异。不易流动水含量（A23）在淀粉质量分数为5%～8%时显著低于质量分数9%～14%时，且在淀粉质量分数为9%～14%范围内表现出显著波动（P＜0.05）。

表3 豆类淀粉不同状态水横向弛豫时间变化及相对含量的方差分析Table 3 Analysis of variance of transverse relaxation times and relative contents of different water states in soybean starch gels

2.4 不同淀粉水凝胶体系水分分布对比分析

为更全面了解凝胶水分分布特征在不同淀粉间的差异特征，本研究利用SIMCA-P 11软件先对不同状态水分的峰面积百分比指标（A2b、A23、A24）进行标准化处理，即消除了指标之间数值差异，然后分别对同一淀粉质量分数下，不同淀粉凝胶间水分分布进行PCA，分析发现，相邻质量分数的两样品PCA结果分布趋势近似，因此仅提供6%、8%、10%、12%和14%质量分数时，不同淀粉凝胶样品的分析结果（图4、5）。

图4 不同种类淀粉凝胶的LF-NMR驰豫图谱变化情况Fig.4 Changes in LF-NMR relaxation spectra of different starch gels

一方面，对不同淀粉与水结合能力方面进行比较分析，结果显示（图4）凝胶中不易流动水的弛豫时间T23存在显著差异（P＜0.05），总体表现为：豌豆淀粉凝胶中不易流动水的弛豫时间T23最小，马铃薯淀粉凝胶中不易流动水的弛豫时间T23最大，玉米淀粉凝胶和小麦淀粉凝胶弛豫时间居中，这说明豌豆淀粉凝胶网络结构束缚不易流动水的能力最强，马铃薯淀粉凝胶网络结构束缚不易流动水的能力最弱，而谷类淀粉凝胶介于二者之间。对淀粉不同质量分数（6%、8%、10%、12%和14%）对比发现，随着质量分数的增加，6 种淀粉弛豫时间的极差逐渐减弱，表现为更聚拢，但豆类、谷类和薯类之间的类属差异渐为明显。这是因为，与谷类淀粉和薯类淀粉相比，豆类淀粉中直链淀粉含量较高[38-39]，老化程度大于谷类和薯类淀粉。同时由于淀粉质量分数的增大，增强了凝胶强度和网络结构，水分与淀粉颗粒结合更加紧密，降低了水的自由度[11,40]。在直链淀粉与质量分数的双重作用，淀粉凝胶强度、胶黏度均增加，表现为较强结合水的能力。该结论与杨红丹[41]研究一致，豆类淀粉是水与底物结合最为紧密的一种淀粉。Jin Fengfang等[42]通过测定蒸煮特性、质地、体外淀粉消化率和抗氧化性能评估绿豆淀粉、马铃薯淀粉和玉米淀粉对黑米粉品质的改善效果，结果表明绿豆淀粉对提高黑米粉面条质量的作用优于马铃薯和玉米淀粉。

另一方面，对不同淀粉凝胶样品间水分分布差异分析的PCA结果中（图5），样品在PC1-PC2二维图中位置距离的远近直观地反映了样品间差异的大小，即距离越远差异越大。由图5可知，在淀粉质量分数为6%时（图5a、b），PC1为主要解释变量（71%），因此主要沿PC1轴进行差异分析。图上方不同颜色标尺代表了对应颜色淀粉水分相对含量（A2b和A23）值的范围。分析发现，沿PC1方向，绿豆淀粉凝胶分布在图的左侧，其余5 种淀粉凝胶分布位置集中，且均位于PC1轴的右侧，说明6%淀粉质量分数时，绿豆淀粉凝胶中水分分布特征显著差异于其他5 种淀粉凝胶（P＜0.05），且该5 种淀粉凝胶中水分分布特征差异不显著。具体差异表现为：绿豆淀粉凝胶中结合水（A2b）和不易流动水的相对含量（A23）显著低于其他淀粉凝胶（P＜0.05）。

图5 不同种类淀粉凝胶水分分布PCAFig.5 PCA plots of water distribution in different starch gels

同样的方法分析得到，在淀粉质量分数为8%时（图5c、d），绿豆淀粉凝胶中结合水（A2b）和不易流动水的相对含量（A23）均显著低于其他5 种淀粉凝胶（P＜0.05）。在淀粉质量分数为10%时（图5e、f），尽管绿豆淀粉凝胶中结合水（A2b）和不易流动水的相对含量（A23）均显著低于其他淀粉凝胶中的A2b和A23（P＜0.05），但是可以明显发现，除绿豆外的其余5 种淀粉凝胶样品在PC1轴上的分布呈分散状态，说明该5 种样品之间的差异逐渐明显，具体表现为：玉米淀粉和豌豆淀粉凝胶中的结合水（A2b）和不易流动水的相对含量（A23）显著低于红薯淀粉、小麦淀粉和马铃薯淀粉凝胶（P＜0.05）。在淀粉质量分数为12%时（图5g、h），绿豆淀粉、豌豆淀粉和玉米淀粉凝胶中结合水（A2b）含量显著低于红薯淀粉、小麦淀粉和马铃薯淀粉凝胶（P＜0.05）；绿豆淀粉和豌豆淀粉凝胶中不易流动水相对含量（A23）显著低于玉米淀粉、红薯淀粉、小麦淀粉和马铃薯淀粉凝胶（P＜0.05），同时明显发现，玉米淀粉凝胶显著差异于小麦和红薯淀粉凝胶（P＜0.05），又均显著差异于马铃薯淀粉凝胶（P＜0.05）。在淀粉质量分数为14%时（图5i、j），除了与质量分数为12%时凝胶相类似的差异显著性结果外，还可以发现，豆类（绿豆和豌豆），薯类（红薯和马铃薯）和谷物类（玉米和小麦）之间的差异也更加明显。

综上，豌豆淀粉凝胶网络结构束缚水分（不易流动水）的能力最强，马铃薯淀粉凝胶束缚水分的能力最弱，而小麦、玉米淀粉凝胶介于二者之间。在淀粉质量分数≤10%时，与其他淀粉凝胶相比，绿豆淀粉凝胶中结合水（A2b）和不易流动水（A23）的相对含量均最低。在淀粉质量分数为12%～14%时，绿豆淀粉和豌豆淀粉凝胶中A2b和A23的相对含量均是最低，马铃薯淀粉凝胶中A2b和A23的相对含量均最高。且与淀粉质量分数≤10%时显著不同的是，玉米淀粉、小麦淀粉和红薯淀粉凝胶之间的差异逐渐显著。总之，随着质量分数的增加，豆类（绿豆和豌豆）、薯类（红薯和马铃薯）和谷物类（玉米和小麦）之间的类属差异更为明显。

淀粉凝胶的形成过程，伴随着淀粉的糊化、老化过程。由于糊化加热被打开的淀粉链随着老化过程又重新缠结，淀粉链之间更易形成氢键，使得水分子与淀粉链间形成的氢键断裂，从而使部分与分子结合/束缚的水被挤出，转变成自由水。而淀粉质量分数增加会增大分子之间的相互作用，因此，随着淀粉质量分数的增大，基本会呈现不易流动水含量减少趋势，如薯类淀粉和豆类淀粉。同时淀粉中直/支链淀粉含量以及淀粉粒径也会造成淀粉凝胶中水分分布的差异。淀粉水凝胶体系中水分分布受淀粉质量分数和淀粉的种类的双重影响。

3 结论

基于6 种淀粉在不同淀粉质量分数所形成的淀粉水凝胶体系，通过LF-NMR技术分析探索不同淀粉水凝胶体系的水分分布规律。结果显示，淀粉水凝胶体系中，谷类（玉米、小麦）、豆类（豌豆、绿豆）淀粉凝胶体系存在3 种水分形式，即结合水T2b、不易流动水T23和自由水T24，薯类（红薯、马铃薯）淀粉凝胶体系存在2 种水分形式（T2b和T23），且不易流动水（T23）均是主要的水分形式。

随着淀粉质量分数（由5%增至14%）的增加，淀粉凝胶网络结构束缚水分的能力增强，具体表现为凝胶横向弛豫时间减小，图谱均向左偏移。同时受淀粉质量分数的影响，淀粉凝胶网络结构中不易流动水相对含量也发生显著变化。具体为：谷物淀粉凝胶，低淀粉质量分数（5%～10%/9%）凝胶中不易流动水相对含量显著低于高淀粉质量分数凝胶（11%/10%～14%）。薯类淀粉凝胶，随着淀粉质量分数由5%增至14%，凝胶中不易流动水相对含量总体呈现阶段性显著减小后趋于稳定的趋势。豆类淀粉凝胶，不同质量分数对豌豆淀粉和绿豆淀粉凝胶中不易流动水相对含量（A23）的影响呈现不同的差异特征，即在豌豆淀粉质量分数为5%和6%时，淀粉凝胶中A23显著高于淀粉质量分数8%～14%时。在绿豆淀粉质量分数为9%～14%范围内，淀粉凝胶中A23表现出显著波动（P＜0.05）。

6 种淀粉凝胶在不同淀粉质量分数（6%、8%、10%、12%和14%）对比分析结果显示，豌豆淀粉凝胶网络结构束缚水分（不易流动水）的能力最强，马铃薯淀粉凝胶网络结构束缚水分的能力最弱，而小麦、玉米淀粉凝胶介于二者之间。在淀粉质量分数≤10%时，与其他淀粉凝胶相比，绿豆淀粉凝胶中结合水（A2b）和不易流动水（A23）的相对含量均最低。在淀粉质量分数为12%～14%时，绿豆淀粉和豌豆淀粉凝胶中A2b和A23的相对含量均最低，马铃薯淀粉凝胶中A2b和A23的相对含量均最高。且与淀粉质量分数≤10%时显著不同的是，玉米淀粉、小麦淀粉和红薯淀粉凝胶之间的差异逐渐显著。随着质量分数的增加，豆类（绿豆和豌豆）、薯类（红薯和马铃薯）和谷物类（玉米和小麦）之间的类属差异更为明显。

本研究结果为淀粉基质类食品加工中感官质地的提升提供基础理论参考。