趙神彳，李 鑫，劉 騫,*，孔保華，胡公社

（1.東北農業(yè)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.美國農業(yè)部-農業(yè)研究局，國家雜糧和馬鈴薯種質資源研究中心，美國 愛達荷 亞伯丁 83210）

淀粉是人類飲食中主要的能量來源，具有良好的凝膠、增稠、品質改良等特性，在食品工業(yè)中被廣泛應用[1]。然而，由于天然淀粉較差的功能特性（溶解性差、熱加工過程中穩(wěn)定性差、貯存期間易回生、凍融易析水等），已經成為其在實際應用過程中所面臨的巨大障礙[2]。為了解決上述問題，經常采用化學改性（交聯(lián)、氧化、基團替代等）和物理改性（濕熱處理、干熱處理、凍融處理等）方法對淀粉進行處理，以期提高其功能特性[3]。但是，由于化學改性淀粉的安全性問題，以及對天然食品成分需求的增加，使用化學物質對淀粉進行改性變得不受歡迎[1]。而物理改性只是局限于淀粉顆粒的重新排布，因此其作用效果遠小于化學改性[4]。Zavareze等[5]研究發(fā)現濕熱處理能夠顯著降低淀粉顆粒的膨脹性以及抑制直鏈淀粉的溢出，從而加速淀粉的回生。

除上述常見的淀粉改性方法以外，復配不同來源的天然淀粉成為改善淀粉功能特性的一個新方法[1]。復配淀粉已經應用于擠壓膨化制品等多種食品加工中，以提高產品的品質[6]。另外，復配淀粉體系中的不同水分含量會顯著影響淀粉的糊化特性，同時還會顯著影響淀粉凝膠的質構特性和流變學特性[3]。Li Shuanghong等[7]研究表明隨著木薯淀粉含量的增加，木薯淀粉與甘薯淀粉復配體系具有高的糊化穩(wěn)定性，不易形變，淀粉組分之間發(fā)生相互作用，而且復配物在90%水分質量分數條件下糊化特性和流變學特性顯著降低。Wu Kao等[8]發(fā)現在80%水分質量分數條件下，隨著綠豆淀粉復配比例的增加，能夠顯著提高綠豆淀粉、馬鈴薯淀粉和大米淀粉三者復配體系的峰值黏度。Waterschoot等[1]研究表明在97%水分質量分數條件下，隨著馬鈴薯淀粉復配比例的增加，馬鈴薯淀粉與大米淀粉復配體系的峰值黏度、衰減值和膨脹率顯著提高。淀粉復配物的糊化特性受每種淀粉以及淀粉復配物組成成分的影響，而且與淀粉復配物的濃度密切相關。Novelo-Cen等[9]研究表明隨著金甲豆淀粉含量的增加，能夠顯著提高金甲豆淀粉與木薯淀粉復配體系淀粉顆粒，從而使淀粉復配體系在99%水分質量分數條件下具有較強的膨脹性、吸水能力和溶解性。另外，在糊化或凝膠形成過程中，淀粉分子會與淀粉顆粒相互作用，水分子在此過程中會與淀粉顆粒發(fā)生競爭，水分含量會影響淀粉凝膠的形成，進而改變淀粉的溶解度以及膨脹率[10]。

在前期研究中，本實驗組從2 種不同品種來源的大麥（Tetonia hulled barley和Transit hull-less barley）中分別得到普通大麥淀粉（normal barley starch，NBS）和蠟質大麥淀粉（waxy barley starch，WBS），并對2 種大麥淀粉的基本理化性質和功能特性進行了研究。研究結果表明，與NBS相比，WBS具有較低的糊化溫度、回生值和凝膠強度。此外，WBS具有極佳的凍融穩(wěn)定性，甚至在經歷5 次凍融循環(huán)以后，其凍融析水性僅為1.88%，但是NBS的凍融穩(wěn)定性較差[11]。本實驗進一步研究NBS和WBS按照不同比例復配以后的功能特性的變化，以NBS和WBS為主要對象，研究在高水分環(huán)境條件下（質量分數95%）復配淀粉功能特性與原天然淀粉之間的差異，以期為大麥淀粉的復配改性提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大麥（Tetonia hulled barley和Transit hull-less barley）均由美國農業(yè)部-農業(yè)研究局國家雜糧和馬鈴薯種質資源中心提供，Tetonia大麥為有殼大麥，Transit大麥為無殼大麥。其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

去殼機 美國科迪馬有限公司；3045型磨粉機 美國博朗公司；RW20機械攪拌機 美國IKA公司；電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；RVA-4型快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA） 澳大利亞Newport科學儀器公司；水浴鍋 余姚市東方電工儀器廠；電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；TA-XT2質構分析儀 英國戈德爾明穩(wěn)定微系統(tǒng)有限公司；GL-21M高速冷凍離心機 湖南湘儀離心機儀器有限公司；單點模擬磁力攪拌器 北京昊源科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 大麥淀粉的提取

將Tetonia大麥用實驗室去殼機進行脫殼處理后，分別將2 種大麥通過磨粉機磨成大麥粉。大麥淀粉的提取參照Liu Keshun等[12]的方法。將750 g大麥粉放入11.3 L、45 ℃溫水中，然后加入160 mL 2 mol/L氫氧化鈉溶液，并調節(jié)溶液pH值至10.0。5 500 r/min攪拌20 min，將上述溶液25 ℃、4 500×g離心25 min。離心后除去上清液并收集沉淀，在沉淀中加入1～2 倍體積的蒸餾水，2 400 r/min攪拌10 min后過270 目篩。將收集到的濾液25 ℃、4 500×g離心15 min，并棄去上清液。將沉淀表面的纖維和破損的淀粉除去，剩下的沉淀則為大麥淀粉。提取出的濕淀粉在室溫（25 ℃）下用電風扇吹干，然后用粉碎機粉碎后過50 目標準篩，即得大麥淀粉。將NBS和WBS分別按照質量比為100∶0、75∶25、50∶50、25∶75、0∶100進行復配，得到5 組淀粉復配物，以NBS、NBS75∶WBS25、NBS50∶WBS50、NBS25∶WBS75、WBS表示。

1.3.2 淀粉懸浮液和淀粉凝膠的制備

將1.3.1節(jié)制備的淀粉復配物分別配制成50 mg/mL（干基質量）的淀粉懸浮液，并在RVA中糊化，制備淀粉凝膠。

1.3.3 淀粉溶解性和膨潤力的測定

參照Kong Baohua等[13]方法，并稍作改動。將50 mg/mL淀粉懸浮液于100 ℃水浴加熱后，8 000×g離心30 min。將離心后的上清液和沉淀物倒入鋁盒中，將其放入105 ℃的烘箱中直至質量恒定。

1.3.4 淀粉糊的黏度曲線

參照Kong Baohua等[13]方法，并稍作改動。在專用的鋁盒內制作50 mg/mL的淀粉漿液，并進行機械攪拌，用RVA測定。

1.3.5 淀粉持水力的測定

采用Delgado-Nieblas等[14]方法稍作改動。將50 mg/mL淀粉懸浮液放入10 mL離心管中，在沸水浴中加熱30 min，然后室溫下冷卻靜置20 min。25 ℃、4 500×g離心30 min，棄去上清液，并用薄紙瀝干10 min。吸水指數通過式（1）計算：

1.3.6 淀粉樣品凝膠穿刺強度測定

在30 mm×50 mm的稱量瓶中，放入淀粉懸浮液沸水浴加熱20 min后，將淀粉凝膠在室溫中放置30 min，將淀粉凝膠樣品在4 ℃貯存24 h備用。在分析凝膠前，需在室溫（21～25 ℃）解凍30 min。用型號TA-XT2質構分析儀分析凝膠強度，并將其連接到5 kg測力傳感器上。用P/0.5平表面圓柱形探針（直徑12 mm）以50 mm/min的速度在凝膠中軸向滲透至8 mm的深度。以凝膠破裂所需壓力表示為凝膠強度。

1.3.7 淀粉凍融穩(wěn)定性的測定

采用Srichuwong等[15]方法測定淀粉樣品的凍融穩(wěn)定性。使用RVA按照1.3.2節(jié)方法制備淀粉凝膠。待凝膠冷卻至室溫，將淀粉凝膠分裝在10 mL的離心管中，于－18 ℃的環(huán)境下冷凍21 h，然后將帶有凝膠的離心管放入30 ℃恒溫水浴箱中解凍，室溫下以8 000×g離心10 min。淀粉樣品的析水率按式（2）計算：

1.3.8 微觀結構觀察

將淀粉懸浮液按照1.3.4節(jié)的方法進行糊化，然后冷卻至室溫，形成淀粉凝膠。將淀粉凝膠置于50 mL離心管中，－18 ℃凍融1～5 次。選取第1次和第5次凍融后的樣品切成1 cm×1 cm×1 cm的正方形小塊，先用2.5%、pH 6.8戊二醛浸泡過夜固定，然后切成3 mm×5 mm×1 mm的長方形小塊，之后用0.1 mol/L、pH 6.8磷酸緩沖液洗滌3 次，每次10 min。分別用70%、80%、90%的乙醇溶液脫水10 min；再用100%乙醇溶液脫水3 次，每次10 min；而后依次用100%乙醇-叔丁醇（1∶1，V/V）和叔丁醇各置換1 次，每次15 min。最后用ES-2030（HITACHI）型冷凍干燥儀對樣品進行干燥。樣品觀察面向上粘貼在掃描電鏡樣品臺上，用E-1010（Giko）型離子濺射鍍膜儀進行離子濺射噴金，掃描電鏡觀察。

1.4 數據統(tǒng)計分析

2 結果與分析

2.1 溶解度、膨脹性和持水力分析

表1 NBS和WBS不同比例復配體系的溶解度、膨脹性和持水力的變化Table 1 Changes in solubility, swelling power and water absorption capacity of NBS and WBS blends with various mass ratios

淀粉的溶解度表示為淀粉在加熱過程中的溶解能力[16]，即淀粉分子在淀粉糊化過程中浸出的行為[17]。如表1所示，NBS75∶WBS25和NBS的溶解度較好，分別為3.77%和3.72%。隨著NBS的含量增加，淀粉復配物的溶解度增加。一方面由于淀粉顆粒無定形層被破壞，使糊化的淀粉從顆粒內部浸出，使淀粉溶解度增加；另一方面，淀粉顆粒的結晶層形成屏障，阻礙水分子進入淀粉顆粒內部[18]，從而使淀粉的溶解度降低。此外，谷物淀粉的分子形態(tài)、淀粉顆粒的大小、直鏈淀粉的含量、支鏈淀粉的結構、晶體結構等均會影響淀粉的溶解性[19]。在加熱過程中，支鏈淀粉可能發(fā)生斷裂或者較長的直鏈淀粉分子形成較多且短的直鏈淀粉分子，使淀粉的溶解度降低[20]。淀粉復配體系之間的吸水性具有顯著差異，NBS的吸水性最低為31.36 g/g（P＜0.05），隨著NBS的含量降低，吸水性增加，其中NBS添加量為50%時其吸水性最高為36.13 g/g（P＜0.05），當NBS添加比例大于50%時，吸水能力下降。吸水性增加是由于淀粉顆粒的非結晶區(qū)在加熱糊化過程中被破壞，使水分子進入到顆粒內部[21]。

如表1所示，淀粉復配體系中，NBS添加量50%時的膨脹性為最好，與其他復配物具有顯著差異，其值為18.88 g/g（P＜0.05）。在加熱過程中，淀粉的膨脹和水解作用表明淀粉分子鏈間發(fā)生相互作用。由于復配淀粉中直鏈淀粉與支鏈淀粉含量的不同，使其膨脹性和溶解性之間差異顯著。研究表明，直鏈淀粉分子會抑制淀粉顆粒的膨脹，而支鏈淀粉分子間雙螺旋的分解，使淀粉發(fā)生溶脹[22]。另外，淀粉顆粒在形成凝膠過程中，會膨脹到原來的幾倍；淀粉中支鏈分子的長鏈越多，淀粉的膨脹性越高[23]。NBS與WBS混合后，其復配淀粉的支鏈淀粉含量增加，使淀粉分子的膨脹性增加。Kim等[24]研究普通淀粉和蠟質淀粉的膨脹性發(fā)現，表觀直鏈淀粉含量以及直鏈淀粉脂質絡合物的含量會抑制淀粉的膨脹。Srichuwong等[25]認為支鏈淀粉中的短支鏈的缺失，中間支鏈淀粉數量增加使分子重新排列，淀粉內部結晶區(qū)域穩(wěn)定性增加，從而抑制淀粉顆粒膨脹。Wang Li等[26]認為淀粉的結晶區(qū)域增加，支鏈淀粉分子之間的相互作用加強，抑制了淀粉無定型區(qū)域的水合作用，使淀粉的膨脹性受到抑制。

2.2 糊化特性分析

淀粉復配物之間的糊化參數有很大差異，即使是來源于相同基因型的淀粉，理化性質也不盡相同，因為淀粉的組成和加工特性很大程度上取決于其原料生長環(huán)境[27-28]。如圖1和表2所示，不同復配比例淀粉的糊化曲線與天然淀粉相比有很大的不同。當WBS添加量大于25%時，其復配物糊化溫度隨著復配比例的增加而降低；復配物的峰值黏度，也出現不同程度的增加，WBS的峰值黏度為1 334.50 cP。有研究表明，淀粉中直鏈淀粉含量會直接影響淀粉的糊化溫度，因為增加的直鏈淀粉分子一定程度上會抑制淀粉的膨脹[29]。另外，Zhang Chen等[2]發(fā)現普通玉米淀粉與蠟質玉米淀粉的糊化溫度和黏度具有顯著性差異，主要是由淀粉中的直鏈淀粉分子含量所決定的。淀粉的峰值黏度通常與淀粉顆粒中的支鏈淀粉含量呈正相關，與直鏈淀粉含量呈負相關。淀粉之間的交聯(lián)作用使淀粉的黏度發(fā)生改變，一方面，交聯(lián)作用阻止直鏈淀粉分子從淀粉顆粒中浸出并形成新的穩(wěn)定結構，使淀粉的黏度增加；另一方面，水分子進入形成的新結構時被阻礙，使淀粉的膨脹率和黏度降低[17]。與WBS相比，其他復配物的最小值、終值、衰減值隨著NBS比例的降低而減小。如表2所示，WBS易發(fā)生糊化，其糊化溫度最低為67.78 ℃（P＜0.05）。NBS具有最低的終值和衰減值，分別為175.00、7.05 cP；當WBS添加量為75%時，復配體系具有最高的終值（1 103.00 cP）（P＜0.05）。Ahmed等[30]在研究不同基因型的馬鈴薯淀粉的糊化特性時，具有相同的研究結果。一方面衰減值越低說明淀粉具有越好的耐熱性能[27]，因此，NBS與其他淀粉相比具有較低的耐熱性；另一方面，淀粉的終值與淀粉膨脹顆粒的穩(wěn)定性有關，淀粉顆粒的大小以及形狀，直鏈淀粉和支鏈淀粉的支鏈長度會影響淀粉的糊化性質，在加熱過程中直鏈淀粉從膨脹的淀粉顆粒中浸出，重新聚合形成網絡結構使終值增加[25,31]。淀粉的回生值表示淀粉糊的回生趨勢[32]，回生值隨著WBS的比例增加而增大，當WBS添加量達到50%時，回生值達到最大為352.00 cP（P＜0.05）。Sandhu等[33]發(fā)現直鏈淀粉分子含量的增加導致淀粉糊的回生值和終值增加。

圖1 NBS和WBS不同比例復配體系的糊化曲線圖Fig. 1 Pasting curves of normal and waxy barley starch blends with various mass ratios

表2 NBS和WBS不同比例復配體系的糊化特性的變化Table 2 Changes in pasting properties of normal and waxy barley starch blends with various mass ratios

2.3 淀粉凝膠穿刺力分析

如圖2所示，NBS的凝膠穿刺力與其他淀粉復配體系具有顯著差異（P＜0.05）。淀粉的凝膠強度受很多因素影響，例如直鏈淀粉的黏度，淀粉顆粒的體積，糊化后淀粉顆粒的硬度、持水能力以及分散相和連續(xù)相之間的相互作用等[33-34]。在淀粉凝膠過程中，直鏈淀粉分子在高溫加熱的水中很容易發(fā)生溶解，并與凝膠體系形成連續(xù)相，而支鏈淀粉分子在高溫加熱的水中很難溶解，只能在水中發(fā)生溶脹使淀粉糊化。WBS的支鏈含量高，NBS直鏈淀粉含量明顯高于WBS[11]，在復配體系中，隨著NBS比例的增加，其淀粉凝膠強度隨之增加。此外，淀粉復配體系中，NBS添加量為50%時的凝膠強度低于其添加比例為25%時的凝膠強度，這可能是由于水中溶解的直鏈淀粉分子與淀粉顆粒中其他分子發(fā)生聚合并附在顆粒表面，阻礙其他物質浸出，致使淀粉的凝膠性降低。另外，淀粉性質的變化，使其凝膠過程中發(fā)生回生，從而導致淀粉的凝膠強度增加[35]。

圖2 不同復配比例的NBS和WBS凝膠穿刺力的變化Fig. 2 Changes in puncture force of starch gels prepared with normal and waxy barley starch blends with various mass ratios

2.4 凍融穩(wěn)定性分析

表3 不同復配比例的NBS和WBS凝膠在不同凍融循環(huán)（1、3、55 次）后脫水收縮率的變化Table 3 Changes in syneresis of starch gels prepared with normal and waxy barley starch blends with various mass ratios after 1, 3 and 5 freeze-thaw cycclleess

淀粉的凍融析水性用來評估淀粉凝膠在凍融期間所產生的不良物理變化。淀粉凝膠在凍融期間會使淀粉分子鏈相互交聯(lián)，尤其是淀粉直鏈分子，結果會導致水分子從淀粉凝膠中浸出[36]。如表3所示，WBS的凍融析水性在1～5 次凍融循環(huán)中均為最低且較為穩(wěn)定，隨著WBS的添加比例不斷增加，復配物凝膠的凍融析水性在第1次凍融循環(huán)后降低。不同比例淀粉凝膠的凍融析水性差異顯著，在1～5 次凍融循環(huán)周期后，它們的凍融析水性隨著循環(huán)周期的增加而出現不同程度的增加。Teng等[37]認為凍融析水性隨著凍融循環(huán)次數的增加而增加是由于在凍融循環(huán)中淀粉的回生增加造成的。NBS在1～3 次凍融循環(huán)周期后，其凍融析水性達到最高為47.89%（P＜0.05），3～5 次凍融循環(huán)周期后，其凍融析水性降低至32.73%（P＜0.05）。有研究表明直鏈淀粉回生行為的延緩造成淀粉凍融析水性的降低，使淀粉的黏度增加[38]。淀粉凝膠在冷凍期間，由于淀粉分子和冰晶之間會形成相，從而使淀粉凝膠在融化 期間，直鏈淀粉分子和支鏈淀粉分子的網絡結構之間發(fā)生脫水作用[39]。Srichuwong等[15]發(fā)現普通淀粉和蠟質淀粉更能有效降低凍融析水性，這是由于這些淀粉具有較高的支鏈淀粉分支度與聚合度的比率以及較低的表觀直鏈淀粉含量。直鏈淀粉分子的長度以及高遷移率使淀粉凝膠發(fā)生回生，最終導致第1、3、5次的凍融析水性增加。Singh等[40]研究19 種秈稻淀粉發(fā)現，淀粉的膨脹率與凍融析水性之間呈正相關，但是并沒有發(fā)現直鏈淀粉與淀粉的凍融析水性之間的關聯(lián)。

2.5 淀粉凝膠凍融后的微觀結構

圖3 不同復配比例的NBS和WBS凝膠在不同凍融循環(huán)后微觀結構的變化Fig. 3 Scanning electron microscopy images of starch gels prepared with normal and waxy barley starch blends with different mass ratios after 1 and 5 freeze-thaw cycles

不同比例的天然大麥淀粉復配物在第1次和第5次凍融循環(huán)周期后的微觀結構具有顯著性差異。第1次凍融循環(huán)后的淀粉凝膠微觀結構見圖3A，展現了清晰的紋理以及海綿狀結構。淀粉膠體在凍融循環(huán)后造成的海綿狀結構，是由于直鏈淀粉的回生以及冰晶的形成所導致的。淀粉凝膠通過冷凍干燥處理后被觀測，凝膠中的自由水先是冷凍形成冰晶然后升華形成水蒸氣，最后形成無規(guī)則的孔洞[41]。隨著凍融循環(huán)次數的增加，孔洞數量變多，尺寸變大，使越來越多的自由水從凝膠網絡結構中析出。Ye Jiangping等[42]認為凍融期間淀粉凝膠析出的水分比重新吸收的水分含量高，從而形成蜂窩狀結構。Charoenrein等[36]認為由于淀粉分子重新進行有序排列，在凍融過程中形成冰晶，從而形成圖3中的凝膠結構。第5次凍融循環(huán)后的淀粉凝膠微觀結構如圖3B所示，孔徑變大，孔洞加深，孔壁變薄導致破裂和塌陷，凝膠內的水分不同程度的流失，造成大量失水，致使孔壁塌陷堆疊在一起。淀粉凝膠的微觀結構在第1次和第5次凍融循環(huán)后具有顯著差異，是由于凍融循環(huán)后淀粉凝膠的持水力增加以及WBS的加入，使淀粉復配物凝膠的凍融析水性降低，自由水含量降低。WBS在凍融循環(huán)中具有較為穩(wěn)定的微觀結構，水分流失較少，這與其凍融析水性結果一致。

3 結 論

本實驗主要研究了在高水分環(huán)境條件下（95%水分）2 種大麥淀粉復配（NBS、NBS75∶WBS25、NBS50∶WBS50、NBS25∶WBS75、WBS）后功能特性（溶解性、膨脹性、吸水性、糊化特性、凝膠強度、凍融穩(wěn)定性）的變化。其中，WBS的添加能夠顯著降低NBS的溶解度和凝膠強度，同時顯著提高NBS的膨脹力、吸水性、峰值黏度以及糊化溫度。與此同時，WBS的添加能夠顯著提高NBS的凍融穩(wěn)定性。上述研究結果表明，WBS與NBS以不同比例復配會對NBS自身的功能特性產生顯著影響，為大麥淀粉的改性及其在食品工業(yè)中的廣泛應用提供新的理論依據。