汪名春 韋冷云 朱培蕾 王乃富 杜先鋒 周裔彬

(安徽農(nóng)業(yè)大學茶與食品科技學院食品科學與工程系1，合肥 230036) (安徽省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所2，合肥 230031)

菊糖對小麥淀粉糊熱力學及流變學特性的影響

汪名春1韋冷云1朱培蕾2王乃富1杜先鋒1周裔彬1

(安徽農(nóng)業(yè)大學茶與食品科技學院食品科學與工程系1，合肥 230036) (安徽省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所2，合肥 230031)

為探索菊糖作為非淀粉多糖添加物對小麥淀粉的影響，以小麥淀粉為原料，采用差示掃描量熱儀(DSC)、快速黏度分析儀(RVA)以及流變儀分析了不同添加量的菊糖對小麥淀粉糊化、回生以及流變學等特性的影響。試驗結果顯示：隨著菊糖添加量的增加(0%～20%)，復配體系的糊化溫度不斷升高，在4 ℃環(huán)境下貯藏一定時間后，其老化速率隨著菊糖添加量的增加不斷降低。靜態(tài)剪切流變測試結果表明：復配體系黏度不斷下降，其流變學特性均符合冪率模型，為假塑性流體；動態(tài)黏彈性測試結果表明不同菊糖添加量的淀粉凝膠均為弱凝膠。添加適量的菊糖不僅可以改善淀粉糊的糊化和流變特性、推遲淀粉糊的糊化時間，對淀粉的回生也有一定程度的抑制作用。

菊糖 小麥淀粉 熱力學 流變

近年來，隨著食品工業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，天然、健康、營養(yǎng)的功能性多糖類食品添加劑越來越受到人們的青睞。在食品加工過程中，淀粉和非淀粉性多糖按適當比例復配后，可以克服天然淀粉的某些缺陷，改善淀粉的凍融穩(wěn)定性、流變性、熱力學等性質(zhì)從而提高產(chǎn)品的加工性能[1]。此外，淀粉基食品在運輸、貯藏過程中易發(fā)生老化，進而影響其口感和營養(yǎng)功能。非淀粉性多糖可以較好的延緩產(chǎn)品的老化程度和延長商品的貨架期，Sharma等[2]和Zhou等[3]在研究中發(fā)現(xiàn)β-葡聚糖、茶多糖可以延緩小麥淀粉的老化，Banchathanakij等[4]報道β-葡聚糖對大米淀粉的回生有一定的抑制作用。

菊糖是由D-果糖經(jīng)β-(1-2)鍵連接而成的鏈長不一的非淀粉多糖，是一種水溶性膳食纖維。相比于一般的非淀粉多糖，菊糖不僅具有與淀粉相似的粉體特性，可以改善食品的質(zhì)構性狀、保持水分，還具有促進腸道益生菌生長、礦物質(zhì)吸收，提高食品營養(yǎng)價值的功能[5-6]。目前，有關菊糖添加到淀粉基產(chǎn)品的報道并不多見，本試驗研究菊糖對小麥淀粉理化性質(zhì)的影響，旨在為菊糖和小麥淀粉復配體系在食品工業(yè)中的生產(chǎn)加工和品質(zhì)控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小麥淀粉：美國Sigma-Aldrich有限公司；菊糖(平均聚合度15，純度 > 90%)：青海威德生物技術有限公司。

1.2 試驗儀器與設備

Pris-1 DSC差示量熱掃描儀：美國PE公司；RST-Plus Rheo3000流變儀：美國博勒飛有限公司；DHR-3旋轉流變儀：美國TA有限公司；RVA-4500快速黏度分析儀：瑞典 Perten公司；DF-101S集熱式磁力加熱攪拌器：金壇市金南儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 淀粉糊熱力學性質(zhì)的測定

1.3.1.1 淀粉糊糊化特性的測定

準確稱取2.5 mg的小麥淀粉和菊糖(淀粉與菊糖的質(zhì)量比分別為：10∶0、9.5∶0.5、9∶1、8.5∶1.5、8∶2，下同 )置于PE液體坩堝中，按1∶3的比例(m/m)加入去離子水。于室溫密封放置使體系平衡，隔夜后進行差示量熱掃描(DSC)測試。

程序設置：初始溫度30 ℃，樣品平衡1 min，終止溫度100 ℃，升溫速率10 ℃/min。右邊放置空坩堝做為參比，氮氣作為載氣，流速設置為20 mL/ min。通過儀器軟件計算出樣品的糊化初始溫度(To)，峰值溫度(Tp)，終止溫度(Te)以及糊化焓值(ΔHg)。

1.3.1.2 淀粉糊老化特性的測定

將經(jīng)糊化測試后的淀粉樣品在4 ℃ 環(huán)境下貯存7 d后，利用DSC測試菊糖對淀粉老化特性的影響。

程序設置：初始溫度20 ℃，樣品平衡1 min，終止溫度90 ℃，升溫速率10 ℃/min，右邊放置空坩堝做為參比，氮氣作為載氣，流速設置為20 mL/min。通過軟件計算出樣品的糊化溫度以及焓值。老化率(R)=ΔHr/ΔHg×100%，式中：ΔHr為老化焓值。

1.3.2 淀粉糊黏度特性的測定

準確稱取2.5 g的淀粉和菊糖放入鋁制坩堝中，加入25.0 mL去離子水(按14%濕基試樣水分補償)，用小型塑料螺旋槳充分預攪后，將鋁制坩堝卡入RVA 旋轉塔中，按下塔帽啟動測量。

程序設置：旋轉漿以960 r/min旋轉10 s，減速至160 r/min均勻轉動13 min至測試結束；初始溫度50 ℃保持1 min，后以12 ℃/min逐漸上升至95 ℃，保持2.5 min；以相同速率降至50 ℃，保持2 min[7]。從RVA糊化曲線得出淀粉糊的谷黏度(MV)，峰黏度(PV)，終黏度(FV)，糊化溫度(PT)，稀懈值(BD)和回生值(SB)。

1.3.3 淀粉糊流變特性的測定

1.3.3.1 樣品的制備

準確稱取5 g的淀粉和菊糖放入燒杯，加入100 mL去離子水攪拌混勻。將燒杯以保鮮膜封口，在集熱式恒溫磁力攪拌器中以95 ℃、400 r/min進行糊化攪拌15 min，使之充分糊化。

1.3.3.2 靜態(tài)剪切流變特性的測定

采用RST-SST型流變儀的圓筒式裝置對樣品進行靜態(tài)剪切流變特性的測定。將制備好的淀粉糊樣品冷卻至25 ℃，裝入CC40樣品筒，加樣量為60 mL。平衡2 min后啟動流變儀開始測試，數(shù)據(jù)采集和記錄由計算機自動完成。

程序設置：溫度25 ℃，剪切速率0～500 s-1，剪切時間180 s[8]。

1.3.3.3 動態(tài)黏彈性的測定

采用DHR-3旋轉流變儀的平板式裝置對樣品的動態(tài)流變特性進行測定。測量使用的平板直徑為40 mm，狹縫間隙1 mm，得到貯能模量 (G′) 、損耗模量 (G″) 和損耗角正切 (tanθ=G″/G′) 隨角頻率變化的圖譜。數(shù)據(jù)采集和記錄由計算機自動完成。

程序設置：溫度25 ℃、應變力10%，頻率0.1～100 rad/s。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

各組試驗數(shù)據(jù)均重復3次，采用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析，同時用Origin 8.0對流變數(shù)據(jù)進行回歸擬合。

2 結果與分析

2.1 菊糖對淀粉熱力學特性的影響

2.1.1 菊糖對淀粉糊糊化特性的測定

淀粉在糊化過程中受熱吸水膨脹，淀粉分子擴散，分子間和分子內(nèi)的氫鍵斷裂，在這個過程中伴有能量變化，可以通過差示量熱掃描測得。表1為菊糖對小麥淀粉糊化溫度和焓值的影響。從表中可以看出，復配體系的TO、Tp和Te隨著菊糖添加量的增加相應增加，分別由59.96、63.47、67.37 ℃上升到61.43、65.35 ℃和69.16 ℃，而糊化焓值的變化不太明顯。這與Satrapai等[9]和Arranz等[10]研究的β-葡聚糖、瓜爾豆膠和黃原膠對大米淀粉糊化特性影響的研究結果相一致。這可能是因為菊糖具有良好的親水性，使得體系中的自由水減少，影響了淀粉分子的溶脹，抑制了淀粉的糊化，使得體系的穩(wěn)定性增高，最終導致其糊化溫度升高[9,11]。

表1 菊糖對小麥淀粉糊化溫度和焓值的影響

注：在同一列里不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

2.1.2 菊糖對淀粉糊老化特性的測定

糊化的淀粉經(jīng)存放后會有不同程度的老化，即直鏈淀粉定向排列，支鏈淀粉外側短鏈的重結晶緩慢重排。由表2可見，添加了20%菊糖的小麥淀粉的老化率相比于未添加菊糖的小麥淀粉的老化率下降了近30%。這與Zhou等[5]和Funami等[12]發(fā)現(xiàn)的茶多糖和魔芋膠具有抑制小麥淀粉老化作用的結果基本一致，多糖分子可與支鏈淀粉或滲漏出的直鏈淀粉分子之間發(fā)生相互作用，與淀粉糊化分子形成氫鍵，使得淀粉老化程度降低。

表2 菊糖對小麥淀粉老化特性的影響

2.1.3 菊糖對淀粉糊黏度特性的測定

圖1為RVA測試結果，可以看出，菊糖-淀粉復配體系的峰黏度、谷黏度和終黏度相比于不添加菊糖的小麥淀粉糊均有所降低。Alamri等[13]在秋葵多糖對大米和高粱淀粉的糊化影響的研究中提出，在糊化過程中多糖分子附著在淀粉顆粒表面，抑制了淀粉顆粒的膨脹和直鏈淀粉的滲出，使得淀粉的糊化度降低，表現(xiàn)為黏度的降低。從表3可以看出，復配體系的糊化溫度有所升高，回生值有所下降，說明添加菊糖可以延緩淀粉的凝沉作用，提高淀粉的儲藏穩(wěn)定性，這與前面DSC的測試結果一致。此外，稀懈值也在不斷的降低，說明復配體系的熱穩(wěn)定性也在增強。

圖1 菊糖對小麥淀粉黏度的影響

2.2 菊糖對淀粉流變特性的影響

2.2.1 菊糖對淀粉靜態(tài)流變特性的影響

從圖2中可以看出，復配體系在流動過程中需要的剪切應力隨著剪切速率的增加而增加。在同樣的剪切速率下，復配體系相比于不添加菊糖的淀粉糊所需要的剪切應力小，且隨著菊糖含量的增加，復配體系在流動過程中需要的剪切應力也相應減少。

依據(jù)冪定律方程τ=k·γn對圖2中各數(shù)據(jù)點進行回歸擬合[7]。式中：τ為剪切應力(Pa)；k為黏度系數(shù)(Pa·sn)；n為流動性指數(shù)；γ為剪切速率(s-1)。

結果顯示R2均在0.99以上，說明該模型對曲線的擬合精度較高。擬合得到所有樣品的黏度系數(shù)k和流動性指數(shù)n的具體數(shù)值見表4。

由表4可知，黏度系數(shù)k隨著菊糖添加量的增加而減少。流動性指數(shù)n反映了黏-切依賴性的大小，n均小于1，說明不同菊糖添加量的淀粉糊在此剪切區(qū)域內(nèi)均為典型的假塑性流體，具有剪切變稀性，隨著菊糖含量的增加，n越來越接近1，說明復配體系的假塑性逐漸減弱，流動性得到改善。

圖2 菊糖-淀粉復配體系剪切速率與剪切應力的關系

表4 菊糖-淀粉復配體系的流變特性參數(shù)

淀粉∶菊糖knR210∶05.1410.3730.9979.5∶0.53.0700.4350.9979∶11.2940.5230.9978.5∶1.51.0520.5460.9928∶20.6610.5820.989

在淀粉糊中，線性大分子鏈間某些段落所形成的物理結點隨著剪切速率的增加遭到破壞，表觀黏度降低。由圖3可見，在測試初期，淀粉糊的黏度快速下降，隨著剪切速率的進一步增加，下降速度逐漸變緩，淀粉糊黏度趨于穩(wěn)定。與未添加菊糖的淀粉糊相比，菊糖-淀粉復配體系的黏度有所下降，且這種下降趨勢隨菊糖添加量的增加而增強。在低于糊化溫度時加入一定量的菊糖，將降低淀粉糊的黏度，這可能是因為菊糖在淀粉糊化過程中能與淀粉相結合，減小了淀粉分子之間的黏結作用，也可能是因為菊糖對淀粉顆粒有一定的交聯(lián)包被作用，阻礙了水分子與淀粉顆粒的接觸，在淀粉糊化過程中阻礙了淀粉顆粒的溶脹，從而使淀粉分子間的黏結程度降低，表現(xiàn)為淀粉糊黏度的降低[14-16]。

表3 菊糖對小麥淀粉黏度特征值的影響

圖3 菊糖-淀粉復配體系剪切速率與黏度的關系

2.2.2 菊糖對淀粉動態(tài)流變特性的影響

動態(tài)流變學用來測定不同樣品的黏彈性模量，從而判斷該流體是以黏性為主還是彈性為主。貯能模量G′由卷曲鏈構象熵的變化引起，在試驗中暫時存儲，以后可以恢復；損耗模量G″表示鏈段和分子鏈相對移動造成的黏性形變和內(nèi)摩擦引起的能量損耗，不可恢復。菊糖-淀粉復配體系動態(tài)流變曲線如圖4、圖5所示?？梢钥闯?，G′、G″隨著角頻率的增加逐漸上升且G′大于G″，表現(xiàn)為一種典型的弱凝膠動態(tài)流變學圖譜。

圖6為菊糖-淀粉復配體系損耗角正切圖，損耗角正切tanθ為損耗模量G″與貯能模量G′的比值，tanθ值越大，表明體系的黏性比例越大，可流動性越強，反之即彈性比例越大。可以看出，加入菊糖后，曲線相比于原淀粉要高，即復配體系的損耗角正切值增大了。這是因為雖然損耗模量G″隨著菊糖的增加而減少，但貯能模量G′減少的程度更大，導致?lián)p耗角正切值的逐漸增大。這說明菊糖與小麥淀粉間的相互作用使得復配體系顯示出更加黏性的流體性質(zhì)，這與Techawipharat等[17]研究的纖維素衍生物和卡拉膠對大米淀粉黏彈性影響的結果一致，即相比于大米淀粉糊，復配體系糊化后更趨于流體的性質(zhì)。結合上文熱力學以及黏度測試的結果分析可見，菊糖對淀粉糊性質(zhì)的影響主要來自于菊糖和淀粉形成的復雜網(wǎng)絡結構間的互相作用。由于菊糖具有良好的親水性，因此菊糖可能會影響水分子和淀粉分子的水合作用、干擾淀粉分子內(nèi)部氫鍵的形成，在淀粉糊化過程中阻礙了淀粉顆粒的溶脹[8,12]。

圖4 菊糖-淀粉復配體系角頻率與貯能模量的關系

圖5 菊糖-淀粉復配體系角頻率與耗能模量的關系

圖6 菊糖-淀粉復配體系角頻率與損耗角正切的關系

3 結論

3.1 隨著菊糖添加量的增加，復配體系的糊化溫度均有一定程度的提高，且菊糖對小麥淀粉的老化有較好的抑制作用。

3.2 菊糖可以降低淀粉糊的黏度、延緩淀粉的凝沉作用，提高淀粉的儲藏穩(wěn)定性。

3.3 不同復配比例的菊糖-淀粉糊的流變模型符合冪率模型，均為假塑性流體。在相同的流動方式下，菊糖添加量越大，菊糖-淀粉復配體系黏度越小。動態(tài)黏彈性測試結果表明不同復配比例的菊糖-淀粉糊均為弱凝膠，且菊糖的加入使得復配體系顯示出更加黏性的流體性質(zhì)。

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Effect of Inulin on Thermodynamic and Rheological
Properties of Wheat Starch Paste

Wang Mingchun1Wei Lengyun1Zhu Peilei2Wang Naifu1Du Xianfeng1Zhou Yibin1

(Department of Food Science and Engineering,College of Tea and Food Technology, Anhui Agricultural University1,Hefei 230036) (Institute of Horticulture,Academy of Anhui Agricultural Science2,Hefei 230031)

The aim of the study was to investigate the effect of inulin as non-starch polysaccharides additives on thermodynamic and rheological properties of wheat starch paste. Using wheat starch and inulin as raw material, the gelatinization, retrogradation and rheological properties of the mixture were measured by differential scanning calorimeter (DSC), rapid visco analyzer (RVA) and rheometer. The results showed that in the range of 0%～20%, the gelatinization temperature of the inulin-wheat starch paste increased with the increase of inulin addition amount. After stored at 4 ℃ for a period of time, the retrogradation degree was reduced by addition of inulin. The results of static shear rheological test showed that the viscosity of inulin-wheat starch paste was significantly reduced, and the rheological properties of inulin-wheat starch paste were consistent with the power-law model and called as pseudoplastic fluid, and. The dynamical viscoelastic experiment showed that the of inulin-wheat starch paste was weak gel. These results suggested that inulin with appropriate adding amount could improve the rheological and gelatinization properties of starch paste, and inhibited the extent of starch retrogradation to some extent.

inulin, wheat starch, thermodynamic, rheological

國家自然科學基金(31271960、31471700)，安徽省自然科學基金(1408085QC58)

2015-06-29

汪名春，男，1982年出生，講師，食品化學與營養(yǎng)、農(nóng)副產(chǎn)品精深加工

周裔彬，男，1967年出生，教授，食品化學、農(nóng)副產(chǎn)品精深加工

TS23

A

1003-0174(2017)02-0024-06