脱乙酰魔芋葡甘露聚糖对玉米淀粉糊化及凝胶特性的影响

童慧琳, 谢 勇, 覃小丽, 张盛林, 刘 雄

(西南大学食品科学学院1,重庆 400715)

(铜仁学院材料与化学工程学院2,铜仁 554300)

(西南大学魔芋研究中心3,重庆 400715)

淀粉是人们日常饮食中主要的能量来源,且在食品工业中应用广泛。其物理化学和营养特性在很大程度上决定了淀粉食品的品质[1]。然而,天然淀粉在加工过程中存在热不稳定性、酸敏感以及糊化后抗剪切力差、易回生等缺陷[2,3]。因此,为了满足生产需求,除了对淀粉本身进行改性以克服这些缺点外,研究人员通常在淀粉基质食品中添加适当的亲水胶体,以改善产品流变性、质地、持水性及冻融稳定性等[4]。魔芋葡甘露聚糖(KGM)是从魔芋块茎中提取的一种中性多糖[5]。其分子链中每19个糖单元的C-6位置都有一个乙酰基[6]。KGM因其良好的保水性、增稠性、凝胶性和乳化性而在食品工业中广泛应用。研究表明,KGM可以有效地提高淀粉体系黏弹性,减缓回生,并能提升其凝胶稳定性[7,8]。

然而,KGM强吸水力所带来的高黏性使淀粉凝胶质地变软,表观黏度增大,极大限制了其在凝胶食品中的商业应用[9]。已有研究表明,乙酰基是维持KGM分子螺旋结构,影响KGM水溶性及凝胶强度的重要基团[10]。脱乙酰化使KGM分子链从半卷曲变为自卷曲,经加热形成热不可逆凝胶,且随着脱乙酰度增加及温度升高,脱乙酰魔芋葡甘露聚糖(DKGM)凝胶强度增大,表现出良好的热稳定性[11,12]。Zhang等[13]将DKGM添加到鱼糜中,使经高温处理的复合鱼糜凝胶强度增大,结构更均匀。官孝瑶等[14]将DKGM添加到面包中,发现DKGM既能增加面团的粉质特性以及黏弹性,又能较好地保持面包在储藏期的水分含量,延缓面包硬度增加。张帅帅等[15]向马铃薯淀粉中添加DKGM,使复合体系的凝胶强度显著增强。但目前DKGM对淀粉糊化及其凝胶特性影响的研究较少,且机理尚不清楚。本实验通过分析玉米淀粉-DKGM混合物的糊化特性、热特性、流变学特性、质构及微观结构等,探讨了不同脱乙酰度KGM对玉米淀粉凝胶理化特性的影响,以期为DKGM在食品工业中的应用及改善淀粉基质食品品质提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

纯化魔芋精粉(纯度≥86%);玉米淀粉(水质量分数为11.70%,蛋白质质量分数为0.17%,脂肪质量分数为0.11%,直链淀粉质量分数为29.86%)。

1.2 仪器与设备

RVA-Tec Master快速黏度分析仪,DSC 4000型差示扫描量热仪,DHR-1流变仪,TA-XT plus质构仪;Phenom Pro-17A0040型扫描电镜。

1.3 方法

1.3.1 不同脱乙酰度KGM制备

参考官孝瑶等[14]方法并稍做修改,准确称取12 g KGM于360 mL 30%的乙醇溶液中,并在50 ℃水浴下磁力搅拌30 min,之后加入不同体积(0、12、20、28 mL)0.1 mol/L的NaOH溶液于50 ℃下反应30 min。脱乙酰反应完成后,使用30%乙醇洗脱两次除去多余碱液,再用梯度乙醇溶液(体积分数为75%、95%)进行脱水,最后经真空冷冻干燥得到DKGM,其脱乙酰度分别为0.00%、37.27%、56.36%、71.17%。

1.3.2 玉米淀粉-DKGM混合体系制备

配制一定质量分数的玉米淀粉悬浮液,在磁力搅拌状态下加入DKGM,使体系中玉米淀粉和DKGM质量比为9∶1,混合体系置于30 ℃水浴锅磁力搅拌1 h使DKGM充分溶胀。玉米淀粉-DKGM混合体系分别命名为DKS1、DKS2与DKS3(对应DKGM脱乙酰度为37.27%、56.36%、71.17%),相同步骤处理的玉米淀粉-KGM混合体系命名为KS,以纯玉米淀粉为空白对照,命名为S。

1.3.3 RVA糊化特性的测定

样品总质量分数为6%(干基),使用快速黏度分析仪并按照文献[16]的方法测定。

1.3.4 DSC热特性测定

按1.3.2节的比例混合均匀,样品总质量分数为33%,4 ℃平衡12 h,采用差示扫描量热法(DSC)测定其热特性。以10 ℃/min 的升温速率在30～90 ℃范围内扫描,并以空坩埚为参比[17]。

1.3.5 流变特性的测定

参考张雅媛等[18]方法并稍做修改,取1.3.3节的淀粉糊置于流变仪上,平板直径40 mm,间隙0.5 cm,刮去多余样品,25 ℃平衡30 s。

动态黏弹测试:预实验确定线性黏弹性区域后,在1%应变下,从0.1～100.0 rad范围内的频率扫描中获得动态黏弹数据。

静态流变测试:测定剪切速率(γ)从0～100 s-1及从100～0 s-1范围内样品剪切应力的变化。采用幂律方程对数据点回归拟和:

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。

1.3.6 质构测定

将1.3.3节制备样品转移至25 mL烧杯中,冷却后,于4 ℃冰箱中冷藏24 h,测试前样品平衡至室温。测定条件:TPA模式,P36R探头,测前、测中、测后速率均为1.0 mm/s,触发力5 g,压缩比40%。

1.3.7 微观结构观察

取1.3.3节制备样品室温冷却后,于4 ℃冰箱中冷藏24 h后置- 80 ℃冷冻。经真空冷冻干燥后切薄片,采用扫描电镜(500倍)观察其表面样貌。

1.3.8 数据处理与分析

除扫描电镜,所有实验至少重复3次,实验数据均使用Origin 8.5软件作图,SPSS 20.0软件Duncan法进行显著性分析,结果以平均值±标准差表示,P<0.05表示有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 DKGM对玉米淀粉糊化特性的影响

由表1可知,与纯玉米淀粉相比,添加KGM与DKGM后,玉米淀粉的峰值黏度谷值黏度、终值黏度均显著升高,这可能是由于KGM具有较强的吸水能力,其产生的黏度远高于玉米淀粉糊化产生的黏度,从而增加混合体系的黏度。谷值黏度为淀粉颗粒在95 ℃持续加热时,释放出聚合物分子,黏度快速下降至最低时的黏度,谷值黏度升高,混合体系的热稳定性和抗剪切能力增强[19]。其中,DKS2组谷值黏度达到最高(1 734 mPa·s),DKS1次之,这可能是因为DKGM在高温下通过氢键连接,形成网络结构,使得混合体系的抗剪切力增强[20]。同时随着KGM脱乙酰度的增加,其分子间氢键减弱,疏水作用增强,使高脱乙酰度组(DKS3)吸水溶胀力急剧降低,黏度降低,因此混合体系黏度随之降低[21]。另外,除脱乙酰程度与温度,DKGM的有效浓度对促进其凝胶化至关重要。浓度越高,凝胶弹性与凝胶强度越大,而在玉米淀粉-DKGM混合体系共糊化时,玉米淀粉竞争性吸水使DKGM有效浓度增加,促进其凝胶化,这也是DKGM使混合体系热稳定性提高的重要原因。回生值通常反映了淀粉老化特性。于淀粉而言,降温使直链淀粉发生定向迁移,从无序状态通过氢键连接逐渐变成有序结构,黏度增加[22]。相比于KGM,DKGM显著降低了玉米淀粉的回生值,且该值与脱乙酰度呈负相关,说明DKGM比KGM更能影响直链淀粉重排聚集,从而更好地延缓玉米淀粉的短期老化。

表1 玉米淀粉-DKGM混合体系糊化特征值

2.2 DKGM对玉米淀粉热特性的影响

淀粉糊化是颗粒在过量水中加热从有序状态向无序状态的相变,它涉及在微晶和双螺旋顺序水平上有序区域的熔化,采用DSC可测定淀粉糊化时相变温度(TO、TP)、转换温度范围(TC-TO)以及所需的吸热焓(ΔH)[23]。由表2可知,添加KGM和DKGM后,玉米淀粉糊化起始温度、峰值温度、终值温度升高,糊化焓值由9.79 J/g降低至6.67 J/g,其中DKGM影响更明显,且随着脱乙酰度增加,峰值温度与终值温度向高温移动,温度范围增大。Zhang等[24]采用DSC研究KGM对小麦淀粉热特性时也发现相同趋势,即添加KGM后,糊化焓值ΔH降低。

表2 玉米淀粉-DKGM混合体系热力学参数

这一现象通常被认为是KGM强水和作用,与糊化过程淀粉竞争性吸水所致。其中,DKS3热特性变化最为显著,一方面可能是高温促进高脱乙酰度KGM分子链的聚集和连接,使其凝胶化,导致淀粉糊化可用水减少[11];另一方面因为随着脱乙酰度增加KGM链上暴露更多的羟基,这些羟基可能与淀粉分子通过氢键结合,影响了淀粉晶体结构的熔融。

2.3 DKGM对玉米淀粉流变特性的影响

2.3.1 动态黏弹性

所测样品贮能模量(G′)均大于损耗模量(G″)且无交叉,损耗角正切值(tanδ)均小于1,G′与G″随频率增加而上升,表现为一种弱凝胶动态流变学谱图[4]。由图1a可知,与纯玉米淀粉相比,添加KGM与DKGM后,混合体系G′和G"均显著增加,在低频范围内,G′随KGM脱乙酰度增加而增加;在高频范围内,KS、DKS1、DKS2组频率依赖性增强,说明在玉米淀粉中添加DKGM,使其结构内部分子链段间缠结点增多,抗外力作用时阻力增大,凝胶网络结构加强[25]。然而,随着KGM脱乙酰度增加,DKS3组表现频率依赖性低。这归因于其混合体系糊化后本身黏度较低,且高脱乙酰度DKGM(71.17%)加热自聚集形成具有一定刚性的凝胶分散于松散的淀粉溶胶中,这种大分子的聚集体在赋予混合体系一定弹性的同时,可能干扰冷却过程中直链淀粉重排形成网络结构的稳定性[26]。

注:实心符号表示G′,空心符号表示G″。

tanδ值通常用于表示材料的黏弹性特征,为G″和G′的比值。tanδ越大,表明体系具有较强的流动性及黏性比例,反之则弹性比例较大。由图1b可知,玉米淀粉-DKGM混合体系在低频范围内黏性较大,但随着脱乙酰度增加,tanδ减小,弹性比例增大。其中,DKS3组tanδ随频率增加而增加,表现为与纯玉米淀粉凝胶相似的类固体凝胶性质。通常淀粉凝胶的刚性与其直链淀粉含量成正比,与颗粒膨胀程度成反比[17]。较高的黏性比例暗示着KGM可能影响直链淀粉的浸出与重排,而脱乙酰使KGM暴露了更多羟基,打破了双螺旋空间结构的平衡,其分子链在氢键的作用下有序化程度得到进一步提升,赋予玉米淀粉-DKGM混合体系较好的弹性性质。

2.3.2 静态流变

玉米淀粉-DKGM凝胶静态剪切流变特性如图2所示,对各曲线进行拟合后参数如表3所示。所有决定系数R2均大于0.9,说明幂律模型很好地拟合了样品的流变特性曲线。K值反映淀粉糊的黏度大小。K值的显著增加与RVA中黏度增加以及和动态黏弹中G″的变化趋势一致,表明添加KGM与DKGM后提高了玉米淀粉凝胶的黏弹性。曲线流体指数n小于1,说明所有体系均表现为假塑性流体[18]。

注:实心符号表示上行线,空心符号表示下行线。

表3 玉米淀粉-DKGM混合体系静态流变拟合参数

剪切稀化现象对食品加工过程具有重要影响。相比于KS组,添加DKGM后混合体系稠度系数K显著下降,流体指数n值升高后降低,在DKS2时达到最高(0.19),在DKS3时最低(0.14),说明玉米淀粉-DKGM混合体系假塑性增强并不仅是因为DKGM本身黏度降低所致,可能存在分子间相互作用,使混合体系假塑性先增加后降低。Ma等[9]探究玉米淀粉与KGM相互作用,证实KGM与淀粉竞争性吸水以及抑制淀粉颗粒的膨胀是影响其流体特性重要因素。触变性是一种重要的非牛顿流体特性。普遍认为,触变环面积越大,触变性越强[27]。添加KGM与DKGM后,混合体系的触变环面积均显著增加,表明玉米淀粉-DKGM凝胶内形成的网络结构经剪切力破坏后,难以在短时间内恢复。与KS组相比,触变环面积随KGM脱乙酰度增加表现为先减小后增大,在DKS2时触变性最小,为1 391.47 Pa·sn。说明KGM适当脱乙酰后与淀粉共糊化所得的淀粉糊的流体指数增高,触变性降低,使淀粉凝胶网络受剪切应变破坏程度减轻。

2.4 DKGM对淀粉凝胶质构特性的影响

淀粉凝胶的结构特征可用于评估口腔咀嚼食物的感觉,也可反应淀粉凝胶体系在储存中的老化程度。在纯淀粉凝胶的回生过程中,其凝胶硬度、内聚性升高,黏着性降低。从质构的结果(表4)来看,与纯玉米淀粉相比,玉米淀粉-DKGM凝胶的硬度及内聚性降低,黏着性升高,玉米淀粉老化发生延迟。这可能是KGM包裹于糊化的淀粉分子周围,阻碍了直链淀粉的定向迁移,削弱了其分子间作用力,这种相互缠绕作用使混合体系老化程度较空白组低,凝胶质地更为柔软[28]。另外,由于部分淀粉被KGM取代,混合凝胶中直链淀粉浓度降低,淀粉分子间作用力减弱,因而凝胶硬度降低[29]。随着混合体系中KGM脱乙酰度增加,凝胶硬度从180.77 g增加到226.92 g,可能是由于高脱乙酰度DKGM吸水溶胀能力急剧下降,且加热使其形成热不可逆凝胶所致[10]。通常淀粉回生过程中,直链淀粉定向迁移,黏着性降低。内聚性与凝胶的网络结构相关,低内聚性意味着凝胶具有可塑性,说明它可以适应强烈的质地变化并适合作咀嚼的食物材料,如凉粉、凉皮等凝胶类食品[30]。与KS组相比,添加了DKGM的淀粉凝胶,黏着性增加,内聚性先降低后增加,在DKS2组黏着性最高为-79.12 g,内聚性最低为0.76 g,说明适当脱乙酰KGM在改善淀粉凝胶的黏弹性的同时,或许对直链淀粉的重排有抑制作用,但具体机制还需进一步研究。

表4 玉米淀粉-DKGM混合体系质构参数

2.5 DKGM对淀粉凝胶微观结构的影响

如图3所示,纯玉米淀粉凝胶孔隙不均匀,结构松散易断裂。相比之下,玉米淀粉-DKGM凝胶微观结构则发生较大改变,可见胶体填充于淀粉片段间,在不脱乙酰或脱乙酰度较低时(KS、DKS1),与渗漏出的直链、支链淀粉交联缠绕,形成较为紧密的片状结构,削弱了凝胶结构的刚性[31]。而DKS2与DKS3组呈类蜂窝状结构,排列紧密且有序,凝胶网络结构更加明显,进一步验证了流变与质构的结果。即低脱乙酰度KGM可增加玉米淀粉的黏性,形成质地较软的凝胶,而高脱乙酰度KGM可增加凝胶的硬度。其中,DKS3虽提高了凝胶的刚性与硬度,但其脱乙酰度高达71.17%,充分溶胀后呈有低黏性的颗粒分散于混合体系中,因此经高温凝胶化后的DKGM填充于淀粉凝胶网络结构中致使其孔隙不均匀。

图3 玉米淀粉与DKGM复合体系微观结构(×500)a-S; b-KS; c-DKS1; d-DKS2; e-DKS3

3 结论

研究探讨了不同脱乙酰度KGM对玉米淀粉糊化、流变、质构及微观结构的影响。结果表明,KGM与DKGM对玉米淀粉糊化特性均有显著影响。具体而言,分别加入KGM和DKGM后,玉米淀粉糊化黏度均显著增加,糊化焓值明显降低。其凝胶储能模量G′、损耗正切值tanδ以及稠度系数K均增加。相比于KGM,DKGM显著降低了玉米淀粉的糊化黏度、回生值、热焓值,并增强了其凝胶弹性性质、硬度和内聚性,说明DKGM更能提高玉米淀粉的热稳定性,使玉米淀粉凝胶抗剪切力增强,其中,KGM脱乙酰度为56.36%的DKGM的效果更好。玉米淀粉糊化性质及其凝胶特性的改善,很可能与DKGM和玉米淀粉形成排列紧密且有序的类蜂窝状凝胶网络结构有关。因此,适当脱乙酰的DKGM可有效提高玉米淀粉的热稳定性与凝胶强度。后续可进一步研究,DKGM与玉米淀粉相互作用的分子机制及其延缓淀粉长期老化的效果。