沈 軍，王 林，鄒恩坤

1.無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)

2.中糧面業(yè)(泰業(yè))有限公司 (泰興 225400)

隨著主食工業(yè)化進(jìn)程的加快，以稻谷或小麥為原料制作的米面等制品已普遍采用冷鏈(通常低于4 ℃)進(jìn)行儲(chǔ)藏和配送。淀粉作為小麥粉和大米的主要營養(yǎng)組分，不僅具有半結(jié)晶顆粒結(jié)構(gòu)、糊化膠凝性等特點(diǎn)，同時(shí)其糊化后的凝膠還具有在低溫條件下易發(fā)生分子鏈重排的現(xiàn)象(即回生特性)，而這種獨(dú)特的回生特性已被證實(shí)是導(dǎo)致米面制品在低溫儲(chǔ)存過程中口感變差、品質(zhì)劣變的主要因素[1-3]。因此，如何通過科學(xué)的技術(shù)手段來控制米面制品的回生成為主食工業(yè)化生產(chǎn)中亟待解決的關(guān)鍵問題。

燕麥β-葡聚糖是一種存在于燕麥籽粒糊粉層和亞糊粉層的植物多糖，其分子鏈主要是由D-葡萄糖單元通過β-1，3和β-1，4糖苷鍵混合連接而成。目前，國內(nèi)外普遍認(rèn)為燕麥的諸如降低膽固醇、提高免疫力、降低血糖等功能特性主要與其所含的β-葡聚糖的高黏度特性有關(guān)[4,5]。此外，燕麥β-葡聚糖的高黏度、高持水性以及乳化穩(wěn)定性使其具有優(yōu)越的加工特性，也是一種理想的食品添加劑。因此，研究β-葡聚糖對于小麥淀粉回生特性的影響將有利于米面制品的工業(yè)化生產(chǎn)?；诖?，本文考察了不同分子量的燕麥β-葡聚糖對小麥淀粉回生特性的影響，旨在從分子角度闡述燕麥β-葡聚糖與小麥淀粉間的相互作用，從而為控制小麥淀粉回生提供思路和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

小麥淀粉，實(shí)驗(yàn)室自制；燕麥β-葡聚糖(純度70%)，購自張家口一康生物科技有限公司；二甲亞砜(DMSO)，色譜純；其余試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

快速黏度儀(RVA-TecMaster)，瑞典Perten公司；Haake-RS6000旋轉(zhuǎn)流變儀，德國Thermofisher公司；Q20差示掃描量熱儀(DSC)，美國TA公司；高效液相色譜儀(HPLC)和示差檢測器(RI)，美國Agilent公司；多角度激光檢測器(MALLS)和，美國Wyatt公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1酸解法制備不同分子量的β-葡聚糖

采用鹽酸水解法制備不同分子量的燕麥β-葡聚糖，具體步驟如下：配置1%(w/v)的β-葡聚溶液，60 ℃水浴振蕩混合2 h后加入1mol /L HCl溶液，使HCl濃度為0.2 mol/L，待反應(yīng)一段時(shí)間后加入4 mol/L NaOH溶液，冰水浴15 min終止反應(yīng)；然后無水乙醇進(jìn)行沉淀，離心， 40 ℃熱風(fēng)干燥沉淀，得到不同分子量的β-葡聚糖，分別記為0 min-β-葡聚糖、30 min-β-葡聚糖、60 min-β-葡聚糖。

1.3.2β-葡聚糖分子量的測定

將不同分子量的β-葡聚糖樣品溶于含0.05 mol/L LiBr的DMSO溶液，配制適宜濃度，過0.45 μm有機(jī)濾膜，上樣至HPSEC-MALLS-RI系統(tǒng)進(jìn)行測定，相關(guān)數(shù)據(jù)采用ASTRA6.0軟件分析。

1.3.3β-葡聚糖-小麥淀粉混合物的制備

不同分子量的燕麥β-葡聚糖分別按照1%、2%、3%的比例取代小麥淀粉，充分混合均勻制備不同比例的β-葡聚糖/小麥淀粉混合物(D/WS)，并以WS作為空白對照。

1.3.4β-葡聚糖-小麥淀粉混合物的糊化特性測定

參照GB/T 24853—2010的方法測定β-葡聚糖-小麥淀粉混合物的糊化特性，每個(gè)樣品均測試3次。

1.3.5淀粉凝膠短期回生特性的測定

β-葡聚糖對小麥淀粉凝膠短期回生特性的影響以測定淀粉凝膠的流變學(xué)性質(zhì)來表征，具體內(nèi)容參照張曉宇[6]的方法，稍作修改。

(1)溫度掃描測試：配置濃度為10%的樣品懸浮液，并用磁力攪拌器不停的攪拌保持均勻(60 min)，用移液管量取樣品約1 mL置于流變儀的不銹鋼平臺(tái)上，平衡2 min后開始測量。溫度掃描測試的程序?yàn)椋阂? ℃/min的加熱速率從25 ℃加熱到95 ℃，測量儲(chǔ)能模量(G′)、損耗模量(G″)隨溫度的變化。測試過程中角頻率和應(yīng)變值分別固定為1 Hz和1%。

(2)動(dòng)態(tài)粘彈性測試：對溫度掃描后的樣品，立即進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描測試。相關(guān)指標(biāo)參照張曉宇的方法進(jìn)行。

(3)穩(wěn)態(tài)剪切流變測試：采用溫度掃描后的樣品，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流變測試。在25 ℃溫度下，剪切速率從0 s-1增加到200 s-1(上行曲線)，再從200 s-1降低到0 s-1(下行曲線)，測試剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化。

1.3.6淀粉凝膠長期回生特性的測定

有關(guān)淀粉凝膠長期回生特性的測定采用田耀旗[7]的方法。為保證樣品的平行性和實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性，測定的樣品均為經(jīng)上述RVA糊化后的淀粉凝膠，依據(jù)在4 ℃下保存的時(shí)間，分別記為0、1、3、7 d后的淀粉凝膠樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同酸解時(shí)間下的β-葡聚糖分子量測定

由圖1可知，隨酸解時(shí)間的延長，LS和RI的信號(hào)圖譜峰逐漸后移，表明酸解時(shí)間的增加可導(dǎo)致β-葡聚糖的洗脫體積增大，相關(guān)β-葡聚糖的分子量如表1所示。

表1 不同酸解時(shí)間下β-葡聚糖的分子量

圖1 不同酸解時(shí)間下的β-葡聚糖的HPSEC-MALL-RI的信號(hào)圖譜

2.2 燕麥β-葡聚糖對小麥淀粉糊化特性的影響

添加不同分子量β-葡聚糖的小麥淀粉糊化特性參數(shù)見表2。由表2可知，β-葡聚糖的添加使得小麥淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度均明顯降低。這與Brennan[8]和Sharma[9]等研究結(jié)果一致，推測是因?yàn)棣?葡聚糖的吸水能力大于小麥淀粉，在糊化過程中與小麥淀粉競爭水分，限制淀粉顆粒的溶解和膨脹，從而導(dǎo)致小麥淀粉的峰值黏度、最終黏度、谷值黏度出現(xiàn)降低[8,10]。李淵、Satrapai和Banchathanakij[11-13]等在研究大麥葡聚糖對小麥淀粉的糊化特性時(shí)也發(fā)現(xiàn)添加大麥葡聚糖的存在會(huì)降低小麥淀粉的糊化黏度。

表2 添加不同比例燕麥β-葡聚糖的WS體系的糊化參數(shù) cp

崩解值是峰值黏度和谷值黏度之差，崩解值越小，淀粉凝膠的熱穩(wěn)定性越高；崩解值越大，凝膠的耐剪切性越差[14]；由表2可以看出，燕麥β-葡聚糖的存在雖然使得小麥淀粉的崩解值和回生值均有所下降，但不同分子量和添加量的β-葡聚糖間的崩解值間無顯著差異。回生值反映的是淀粉糊化后分子重新結(jié)晶的程度，回生值越大越容易老化。當(dāng)添加量為2%時(shí)，添加高分子量的β-葡聚糖(HM--β-glucan)的小麥淀粉回生值最低，表明其回生抑制效果最好。推測這可能是由于燕麥β-葡聚糖的分子鏈纏繞在小麥淀粉顆粒表面，形成空間位阻，阻礙了淀粉的短期回生[10,15]。因此，接下來重點(diǎn)研究了添加量為2%時(shí)的淀粉凝膠回生特性變化。

2.3 β-葡聚糖對小麥淀粉流變學(xué)特性的影響

2.3.1動(dòng)態(tài)流變性質(zhì)

2.3.1.1 溫度掃描

從圖2可知，添加不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉與純小麥淀粉的彈性模量(G′)均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這主要與糊化過程中淀粉三維凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成與破壞有關(guān)[16-18]。然而，與純小麥淀粉相比，含燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉體系均表現(xiàn)出較低的彈性模量，推測這是由于β-葡聚糖具有高持水性，它的存在會(huì)抑制淀粉顆粒的吸水膨脹，從而限制直鏈淀粉的浸出，阻礙淀粉凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而導(dǎo)致其彈性模量低于原淀粉體系。此外，從圖中可以看出，隨著β-葡聚糖分子量的減小，糊化過程中的彈性模量逐漸降低，說明淀粉凝膠的剛性隨β-葡聚糖分子量的降低而降低。在本實(shí)驗(yàn)的溫度掃描過程中，模擬的是淀粉糊化后短期回生的過程，而淀粉的短期回生主要是淀粉中直鏈淀粉分子的重排。因此，β-葡聚糖的添加所帶來的淀粉凝膠剛性的降低從側(cè)面表明其對小麥淀粉的短期回生具有抑制作用。另外，分子量小的β-葡聚糖流動(dòng)性大，這使得其與直鏈淀粉相結(jié)合的幾率增加，這可能是低分子量β-葡聚糖對淀粉短期回生的抑制作用增強(qiáng)的主要原因。

圖2 含不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉溫度掃描曲線(添加量為2%)

2.3.1.2 頻率掃描

含不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉凝膠動(dòng)態(tài)頻率掃描曲線如圖3所示。從圖3a中可以看出，隨著掃描頻率的增加，淀粉凝膠的彈性模量(G′)和損耗模量(G″)都逐漸增加，且G′值高于相應(yīng)的G″值，表明含或不含β-葡聚糖的淀粉凝膠體系均具有良好的黏彈性。對于含β-葡聚糖的淀粉凝膠體系來說，其彈性模量顯著地小于不含β-葡聚糖的純小麥淀粉凝膠體系，這可能是由于β-葡聚糖的加入使得凝膠體系中β-葡聚糖分子和淀粉分子鏈間的纏結(jié)加劇，增大了混合物凝膠體系的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)密度[19,20]。此外，β-葡聚糖自身屬于高粘度的溶液，推測這也是導(dǎo)致淀粉凝膠彈性模量下降，黏性增大的原因之一。由圖3b可以看出，含或不含β-葡聚糖的淀粉凝膠體系的損耗正切角tanδ均小于1，表現(xiàn)為一種典型的弱凝膠流體學(xué)特征[21,22]；同時(shí)隨著β-葡聚糖分子量的減小，凝膠體系的tanδ呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這說明β-葡聚糖的加入傾向于增加淀粉凝膠體系的黏性，而黏性高的淀粉凝膠可增加淀粉分子鏈在回生過程中進(jìn)行分子重排的阻力，從而具有抑制淀粉回生的能力。

圖3 含不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉動(dòng)態(tài)頻率掃描曲線(添加量為2%)

2.3.3靜態(tài)流變性質(zhì)

圖4為添加不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉凝膠體系的靜態(tài)流變性質(zhì)。由圖可發(fā)現(xiàn)，含不同分子量β-葡聚糖的淀粉凝膠體系在流動(dòng)中所受的剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增大而增大(上行線)，且上行線的數(shù)據(jù)大于下行線，這說明含β-葡聚糖的淀粉凝膠具有剪切變稀的性質(zhì)[19]。與不添加β-葡聚糖的小麥淀粉凝膠體系相比，當(dāng)添加量為2%β-葡聚糖時(shí)，淀粉凝膠體系的剪切應(yīng)力降低，且隨著β-葡聚糖分子量的減小其降低幅度增大。這表明β-葡聚糖的存在會(huì)弱化淀粉凝膠體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而抑制淀粉的短期回生行為。

圖4 含不同分子量燕麥β-葡聚糖的小麥淀粉靜態(tài)流變曲線(添加量為2%)

2.4 β-葡聚糖對小麥淀粉長期回生的影響

DSC是測定淀粉回生的常用方法，DSC曲線可用于反映淀粉的回生性質(zhì)。表3為含不同分子量β-葡聚糖的淀粉的長期回生參數(shù)。由表3可知，純小麥淀粉和添加不同分子量β-葡聚糖的小麥淀粉的起始溫度To均在100 ℃左右，這是由于低溫時(shí)的回生淀粉的結(jié)晶較少，無法在DSC曲線上形成顯著的峰，所以100 ℃以下無顯著的回生焓值。從表中可以看出，回生0 d時(shí)，相比于純淀粉，含β-葡聚糖的淀粉體系的To、Tp、Tc顯著下降，表明在此期間葡聚糖/淀粉混合體系新生成了許多不穩(wěn)定或者不完美的結(jié)晶；加入β-葡聚糖后淀粉體系的回生焓ΔH顯著降低，說明β-葡聚糖能抑制淀粉體系的長期回生。另外，隨β-葡聚糖分子量的減小，同等添加量下的淀粉體系ΔH逐漸降低，表明β-葡聚糖分子越小，對淀粉體系回生的抑制能力越強(qiáng)。這可能是由于隨著分子量的減小，β-葡聚糖的支鏈數(shù)量增加，能更多的與支鏈淀粉相互作用，形成空間位阻，阻礙了直鏈淀粉和支鏈淀粉聚合重排，從而對小麥淀粉的長期回生呈現(xiàn)出顯著的抑制作用。這與BeMiller等人的研究結(jié)果：水膠體可以改變淀粉的表觀粘度，減緩淀粉糊在冷凍(Sae-kang等)或凍藏(Mali等)過程中的回生速度的結(jié)果相符合[21]。

表3 含不同分子量β-葡聚糖的小麥淀粉的長期回生參數(shù)(2%)

3 結(jié)論

燕麥β-葡聚糖的存在使得小麥淀粉的回生值顯著降低，將糊化后的樣品4 ℃儲(chǔ)存7 d后，其回生焓顯著降低；添加燕麥β-葡聚糖在降低淀粉的粘彈性的同時(shí)與淀粉間的相互作用延緩了淀粉的短期回生，且隨燕麥β-葡聚糖分子量的減小，燕麥β-葡聚糖對淀粉長期回生的抑制作用增強(qiáng)。