交联甜菜果胶对豌豆淀粉糊化及流变特性的影响

徐 磊, 闫璟圆, 陈舒拉, 白兆良, 王子成, 王 畅, 王晓乐

(淮阴工学院生命科学与食品工程学院,淮安 223003)

豌豆淀粉(PS)是豌豆蛋白加工过程中的主要副产物,与玉米、小麦或土豆来源的淀粉相比具有更低的价格[1, 2]。然而,天然PS存在一些固有的缺点,如易老化、热稳定性差、抗剪切性差,无法满足某些食品加工的要求[3]。因此,有必要对其进行适当改性,以克服天然PS的这些局限性,并改善其加工性能。目前,化学、酶和物理等多种技术手段已被用来对淀粉进行改性[4-6]。其中,在淀粉中添加非淀粉多糖作为一种绿色环保的物理改性方法引起了广泛关注。刘晓庆等[7]发现,添加黄原胶和魔芋粉后,PS的糊化黏度增加,但凝胶强度和可塑性均降低。张晓宇等[8]研究表明,皂荚糖胶的添加可抑制玉米淀粉的短期和长期老化,且添加量越高抑制效果越好。此外,在淀粉中添加不同的非淀粉多糖会显著影响淀粉的消化、流变和其他理化性质[9]。

甜菜果胶(SBP)是甜菜制糖过程中的一种副产物,与其他来源的商业果胶相比具有优越的乳化性能[10],然而因其较高的乙酰化度和较短的半乳糖醛酸伸展结构使其无法在Ca2+的存在下形成具有一定强度的凝胶结构[11]。研究发现,SBP的半乳糖和阿拉伯糖侧链上含有大量的阿魏酸基团,可在漆酶和过氧化物酶等氧化酶的氧化作用下形成交联甜菜果胶(CSBP)[12]。Zhang等[13]研究发现,辣根过氧化物酶可以对SBP产生交联作用,增加SBP分子质量的同时并保持其溶解度,相较于SBP,CSBP具有更好的乳化活性。Kuuva等[14]报道称,漆酶可引起SBP的交联,使其形成具有一定强度的凝胶。

本课题组前期已进行了SBP和玉米、小麦淀粉相互作用的研究,发现SBP会影响淀粉的糊化和老化特性。然而,关于CSBP对淀粉理化性质的影响尚不清楚。研究表明,非淀粉多糖的分子质量、分枝度等分子性质可显著影响其与淀粉的相互作用[15]。因此,在本研究中,选取PS作为模型淀粉,研究CSBP是否对其糊化和流变特性有积极影响,以期为改善PS的性能提供参考,并为CSBP在淀粉基产品中的应用提供新的见解。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

SBP(酯化度55%,食品级);PS(食品级);漆酶(10 000 U/mL,食品级);盐酸、氢氧化钠、KBr等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

DHR-1流变仪,SU8010型场发射扫描电镜,5810R台式高速大容量冷冻离心机,Mastersizer 2000激光粒度仪。

1.3 方法

1.3.1 CSBP的制备

量取1 L去离子水,加入10 g 的SBP,过夜搅拌使其充分溶解,然后采用1 mol/L 的NaOH溶液调节pH为6.0,并加入20 000 U的漆酶,于45 ℃水浴反应30 min。反应结束后,立即用1 mol/L HCl溶液调节pH为7.0,并加入3倍体积的无水乙醇,过滤得到沉淀,充分干燥后磨粉过筛,得到CSBP。

1.3.2 糊化性质的测定

参照Zhang等[16]的方法,采用流变仪的Starch pasting cell附件进行PS糊化性质的测定。分别量取25 mL质量分数为0.00%、0.05%、0.10%、0.20%、0.30%的CSBP溶液于套筒内,加入适量PS,制得质量分数为6%的淀粉悬浮液。具体糊化程序为:首先将悬浮液在50 ℃下保持1 min,接着以12℃/min加热至95 ℃,并在95 ℃下保持2.5 min,然后将悬浮液以相同速率冷却至50 ℃,并在50 ℃下保持2 min,控制搅拌桨速度在前10 s为960r/min,而其余测试时间为160 r/min。分析糊化曲线,得到糊化温度、峰值黏度、终值黏度、崩解值和回生值等参数。

1.3.3 膨胀势和透光率的测定

按1.3.2节中的方法制备的质量分数为1%的淀粉糊,取适量淀粉糊于50 mL离心管中,待冷却至室温后,于4 000 r/min离心10 min,分别测定所得沉淀的湿重和干重,膨胀势表示为沉淀的湿重与干重之比[17]。透光率测定时,取冷却好的的淀粉糊,于620 nm处测定透光率,以去离子水为100%。

1.3.4 凝沉性的测定

参照李鑫等[18]的方法进行淀粉糊凝沉性的测定,按1.3.2节中的方法制备1%质量分数的淀粉糊,将至室温后倒入10 mL量筒中,摇匀后于4 ℃冰箱静置,每隔一段时间记录上清液体积的变化。

1.3.5 流变学特性分析

参照Ma等[19]的方法进行PS流变学性质的测定,趁热转移适量1.3.2节制得的淀粉糊于流变仪平台上,并刮去多余样品,25 ℃平衡2 min后开始实验,所选用平板直径为40 mm,间隙设置为1 000 μm。

防治方法：调节玉米播期；使玉米苗期错开灰飞虱的盛发期。间苗时去除病株。中耕并铲除田边和田间杂草。在玉米出苗前后，用50%的多菌灵800倍液喷雾防治1～2次。

1.3.5.1 静态流变学的测定

剪切速率从0.1～100.0 s-1递增,再从100.0～0.1 s-1递减,记录剪切应力随剪切速率的变化,采用Herschel-Bulkley模型对所得数据进行拟合:

σ=σ0+Kγn

式中:σ为剪切应力/Pa;σ0为屈服应力/Pa;K为稠度系数/(Pa·sn);γ为剪切速率/s-1;n为流动特征指数。

1.3.5.2 动态流变学的测定

控制应变为1%,角频率从0.1～100.0 rad/s递增,记录样品储能模量(G′)、损耗模量(G″)及损耗角正切(tanδ)随角频率的变化。

1.3.6 粒径的测定

参照Chen等[20]的方法进行糊化淀粉粒径的测定,并稍作修改,按1.3.2节方法制备质量分数2%的淀粉糊,取适量制得的淀粉糊加入到激光粒度仪样品池中,使遮光比达到15%左右,测定时设置颗粒折射率为1.53,分散剂折射率为1.33。

1.3.7 微观结构分析

取适量1.3.2节制得的淀粉糊,于4 ℃放置24 h以充分形成凝胶,冷冻干燥后取样品横截面进行喷金处理,然后在5 kV的加速电压下放大200倍进行观察。

1.4 数据统计与分析

每个样品均重复测定3次,使用SPSS 22.0软件对数据进行单因素方差分析(P<0.05表示差异显著),并利用Origin 2022 b软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 CSBP对PS糊化特性的影响

淀粉颗粒在糊化过程中经历吸水、溶胀、晶体结构破坏以及直链淀粉溶出和重排等过程[21]。由图1可看出,随着CSBP添加量的增加,复配体系的糊化曲线呈逐渐上移的趋势,但整体形状未发生明显改变。由表1可见,CSBP显著增加了复配体系的峰值黏度、崩解值、终值黏度和回生值(P<0.05),且黏度的增加与CSBP的添加量呈正相关。这可能是由于:一方面,CSBP具有较强的包覆性能,糊化过程中其覆盖在淀粉颗粒的表面可以增加淀粉的膨胀体积;另一方面,糊化过程中淀粉颗粒吸水膨胀导致CSBP可用空间减少,进而提高了连续相中CSBP的浓度,最终使复配体系黏度增大。与本研究结果一致,黄原胶和β-葡聚糖等亲水胶体因其较高的增稠效应,也可提高淀粉的糊化黏度[22, 23]。然而,添加CSBP后,PS的糊化温度显著下降(P<0.05),表明PS颗粒可以在较低的温度下发生糊化。这与Rong等[21]研究的瓜尔豆胶对PS糊化温度的影响结果相似。添加CSBP后,连续相中的淀粉有效浓度增加,淀粉颗粒之间的相互作用增强,因而糊化所需的热能减少[24]。

图1 CSBP-PS复配体系糊化曲线

2.2 CSBP对PS透光率和膨胀势的影响

添加不同含量CSBP后,CSBP-PS复配体系的透光率和膨胀势如图2所示。添加CSBP显著降低了复配体系的透光率(P<0.05),且CSBP添加的越多,透光率值越低。而CSBP-PS复配体系的膨胀势随着CSBP的添加呈逐渐增加的趋势(P<0.05)。其结果可归因于CSBP与PS的相互作用,溶液中存在CSBP可包覆在淀粉颗粒表面,使其得以充分膨胀,从而提高了膨胀势,同时这种作用也在一定程度上减少了淀粉颗粒与水之间的相互作用,因而复配体系的透光率降低[25]。

表1 CSBP-PS复配体系的糊化特征值

图2 CSBP-PS复配体系的透光率和膨胀势

2.3 CSBP对PS凝沉性的影响

糊化的淀粉在放置一段时间后会逐渐形成上方清液下方沉淀物的现象,这主要是由于淀粉分子的重排和聚集引起,清液体积越大说明凝沉性越强,淀粉越易老化。CSBP添加对CSBP-PS复配体系凝沉性的影响见图3。当CSBP质量分数小于0.10%时,复配体系在前3 h内迅速发生凝沉现象,在12 h后上层清液体积基本不再变化(P>0.05),而当CSBP质量分数大于0.20%时,复配体系的凝沉速率和凝沉程度显著降低(P<0.05),上清液体积在48 h内呈缓慢上升的趋势。原因可能是CSBP的添加减弱了淀粉分子之间的相互作用,降低了淀粉分子之间聚集和重排的机会,因而复配体系的储藏稳定性提高,不易凝沉[18]。结果表明CSBP可能对PS淀粉的回生起到一定抑制作用。

图3 CSBP-PS复配体系的凝沉性

2.4 CSBP对PS静态流变学特性的影响

CSBP-PS复配体系凝胶剪切应力随剪切速率的变化见图4,通过Herschel-Bulkley模型对各静态剪切流变特性曲线进行拟合,结果如表2所示。该模型对复配体系具有较高的拟合精度,R2值几乎都在0.99以上。流体流动特征指数n可反映其与牛顿流体的接近程度,CSBP-PS复配体系上行曲线和下行曲线的n值均小于1,表明复配体系为假塑性流体,表现出剪切稀化的行为。屈服应力σ0表示使流体流动所需的最小力,可反映流体凝胶网络的强弱,而稠度系数K反映了流体黏度的大小,与流体的增稠能力相关[26]。随着CSBP的添加量的增加,上行曲线和下行曲线的K和σ0值均呈逐渐增大的趋势,且上行曲线的K和σ0值大于下行曲线的K和σ0值。这些结果表明CSBP的添加降低了CSBP-PS复配体系的流动性,此与糊化特性测试的结果是一致的。触变性是非牛顿流体的一个重要特性,通常认为滞后环面积越大,流体的触变性越强[27]。CSBP-PS复配体系所有样品均产生了明显的滞后环,随着CSBP的添加量的增加,滞后环面积呈现先增加后降低的趋势。这可能是由于低浓度的CSBP降低了SBP-PS复配体系的剪切稳定性,而高浓度的CSBP增加CSBP-PS复配体系的剪切稳定性。

图4 CSBP-PS复配体系静态流变曲线

表2 CSBP-PS复配体系的Herschel-Bulkley模型拟合参数

2.5 CSBP对PS动态流变学特性的影响

储能模量G′、损耗模量G″及损耗角正切tanδ随角频率的变化如图5所示,添加CSBP改变了PS凝胶的结构。从图5a、图5b中可以看出,CSBP-PS复配体系的G′和G″均随角频率的增加而增加,显示出显著的频率依赖性,表明它们具有典型的凝胶特性[28]。在测量的角频率范围内,G′始终大于G″,且tanδ小于1,表明CSBP-PS复配体系为典型的弱凝胶体系。CSBP-PS复配体系的G′和G″均随CSBP添加量的增加而增加,表明CSBP提高了复配体系的黏弹性。这可能是由于CSBP提高了PS的水合和溶胀,从而增加了复配体系中分子间缠结点的数量,促进了网络结构的形成,因此导致G′和G″值升高。此外,根据模量的变化,CSBP对G′的影响明显强于G″,表明CSBP对复配体系弹性的影响更为有效[17]。tanδ为G″和G′的比值,可用来反映体系黏弹性的变化。从图5c中可以看出,CSBP-PS复配体系的tanδ值小于1,且随角频率的增加呈逐渐增加的趋势。在各种淀粉-亲水胶体复配体系中均广泛观察到类似的现象[19, 29]。随着CSBP的添加,复配体系的tanδ值逐渐降低,表明CSBP将PS的凝胶网络变得更加固体状。结果表明,随着CSBP的添加量的增加,CSBP-PS复配体系形成了更为刚性的结构,这解释了糊化特性测试中的更高的回生值。

图5 CSBP-PS复配体系的G′、G″和tanδ随角频率变化曲线

2.6 CSBP对PS粒径的影响

添加不同含量CSBP后,CSBP-PS复配体系的糊化颗粒粒径分布和大小如图6所示。未添加CSBP时,PS的颗粒粒径分布图为单峰曲线,粒径主要分布在10～200 μm之间,峰值出现在70 μm左右。当CSBP质量分数达到0.10%时,PS的颗粒粒径分布图在200～600 μm之间出现一个新的峰,呈现明显的双峰分布模式,且随着CSBP质量分数的进一步增加,位于左边较小粒径处的峰高逐渐降低,而位于右边较大粒径处的峰高逐渐增加。D50又称中值粒径,表示样品中小于和大于此粒径的颗粒各占50%[19]。CSBP-PS复配体系的D50值随CSBP添加量的增加而升高。这些结果共同表明,添加CSBP可以有效地增大糊化PS颗粒的尺寸。淀粉颗粒糊化过程中其周边存在的CSBP可对其产生包覆作用,使其在糊化和剪切作用下仍能充分膨胀而不破裂。这些结果与糊化和流变学实验的结果是一致的。

图6 CSBP-PS复配体系的颗粒粒径分布(a)和D50(b)曲线

2.7 CSBP对PS凝胶微观结构的影响

不同CSBP添加量下,CSBP-PS复配体系凝胶微观结构如图7所示。在所有样品中均形成了三维蜂窝状结构,表明PS已充分糊化形成了凝胶结构,在其他多种亲水胶体-淀粉复配体系中均观察到了类似的现象[30, 31]。PS凝胶结构松散,网络无序且孔洞较小,而随着CSBP添加量的增加,凝胶网络更加规则,孔洞逐渐增大,孔壁逐渐增厚。样品凝胶网络中的孔隙是冻干时水分蒸发造成的。由于在CSBP-PS复配体系中CSBP包覆在淀粉颗粒周围,阻碍了糊化过程中淀粉颗粒的变形,降低了淀粉分子的聚集和排列,从而使凝胶结构中存在大量的水,因而其在冷冻干燥后形成较大的孔隙[32]。添加CSBP后,复配体系中形成的较大的孔径和较厚的壁表明体系中浸出的淀粉直链分子与CSBP之间的缠结力教强,凝胶结构的完整性和有序性提高,因而复配体系可表现出强凝胶的形态特征,进一步证实了流变学的研究结果。

图7 CSBP-PS复配体系的微观结构图

3 结论

本研究表明CSBP对PS的糊化和流变性能具有明显影响,且与CSBP添加量有关。CSBP的加入显著增加了CSBP-PS复配体系的峰值黏度、崩解值、终值黏度和回生值,降低了糊化温度。随CSBP添加量的增加,复配体系的膨胀势呈逐渐增加的趋势,而透光率逐渐降低的趋势,PS的凝沉性显著降低。添加CSBP对复配体系具有明显的增稠效果,提高了体系的黏弹性。由于CSBP的存在,PS糊化后的颗粒粒径增大,这可能是由于CSBP可以包覆在淀粉颗粒表面使其充分膨胀而不破裂。CSBP的存在使PS的凝胶网络结构更加规则,孔径增大,孔壁变厚。