高焌茹，張思原，李宏，呂坤凌

（廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

小麥淀粉產(chǎn)量豐富、用途廣泛，因其獨特的糊化和老化特性，常作為原料和添加劑用于食品工業(yè)中[1]，當(dāng)?shù)矸垲w粒在過量水中加熱時，顆粒表面逐漸破裂，導(dǎo)致內(nèi)部大量的直鏈淀粉分子和可溶性物質(zhì)滲漏出來，溶液黏度快速增高；同時與直鏈淀粉纏繞的支鏈淀粉分子結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，部分支鏈淀粉隨之分解滲出，最終形成半透明的黏稠狀膠體溶液[2]。淀粉的糊化和淀粉基凝膠的流變學(xué)特性對淀粉基食品的加工、儲藏、食用品質(zhì)有重要影響。

纖維素是世界上產(chǎn)量最大的生物質(zhì)，廣泛的來源于動植物及細菌微生物。微晶纖維素（microcrystalline cellulose，MCC）是由天然纖維素部分降解至平衡聚合度，以β-1，4糖苷鍵結(jié)合的直鏈式多糖[3]。在食品工業(yè)中MCC常作為乳化劑、穩(wěn)定劑和分散劑，同時作為功能性的膳食纖維，具有預(yù)防便秘、防止動脈硬化、吸附腸毒素的作用。納米晶體纖維素（nanocrystaline cellulose，NCC）是由MCC或天然纖維素水解（主要為酸解）得到的納米級纖維素，具有比MCC更高的結(jié)晶度。納米纖化纖維素（nanofibrillated cellulose，NFC）是通過高壓均質(zhì)、微射流和研磨處理等物理方法制備的納米級纖維絲[4]。相比于一般尺寸的纖維素，納米纖維素因其具有良好的生物相容性、透明度、吸水性及特殊的流變性而在食品領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[5]。Cui等[6]研究了NCC對玉米、糯玉米和甘薯淀粉回生性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)NCC主要通過與直鏈淀粉相互作用抑制淀粉的短期回生。Liu等[7]研究發(fā)現(xiàn)NCC與馬鈴薯淀粉的交聯(lián)反應(yīng)主要發(fā)生在非結(jié)晶區(qū)中，僅部分發(fā)生在結(jié)晶區(qū)域中。

目前雖有部分關(guān)于不同種類淀粉與NCC混合后糊化和回生特性的研究，但未見關(guān)于NFC對淀粉理化特性影響的研究。不同種類的納米纖維素具有不同的形狀和分子結(jié)構(gòu)，與淀粉顆粒和淀粉分子間相互作用的方式可能產(chǎn)生差異，進而可能對淀粉的糊化過程和淀粉凝膠的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響。因此，本試驗以常用的食品添加劑MCC為參照物，對比研究不同種類、不同比例的納米纖維素對小麥淀粉糊化特性的影響，以期為納米纖維素在實際應(yīng)用中提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小麥淀粉（wheat starch，WS）：新良集團；微晶纖維素（MCC）：河南萬邦實業(yè)有限公司；納米纖化纖維素（NFC）、納米晶體纖維素（NCC）：廣東中山納纖絲新材料有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MYP11-2A型磁力攪拌器：上海梅穎浦有限公司；Brabender Viscograph-E型布拉班德黏度儀、TLE204E型分析天平：梅特勒-托利多儀器 (上海)有限公司；RS542NCAEWW/SC型冰箱：蘇州三星電子有限公司；HAAKE MARS4型流變儀：賽默飛世爾科技公司；YYTI-10L型超純水機：成都優(yōu)越科技有限公司；HHS型電熱恒溫水浴鍋：上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 小麥淀粉化學(xué)成分的測定

小麥淀粉中水分含量的測定參照GB5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》；粗蛋白含量的測定參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質(zhì)的測定》；粗脂肪含量的測定參照GB5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》；灰分含量的測定參照GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》。

1.3.2 小麥淀粉混合體系樣品的制備

根據(jù)前期預(yù)試驗結(jié)果，把MCC、NCC、NFC按照淀粉干基質(zhì)量的0%、1%、3%、5%、7%與小麥淀粉混合，總質(zhì)量分數(shù)為6%。制備方法如下：先將MCC、NCC和NFC按比例配制成一定質(zhì)量分數(shù)的膠體溶液，磁力攪拌1 h，使MCC、NCC和NFC均勻分散在水中。然后按上述比例稱取小麥淀粉，倒入配制好的纖維素溶液中，于磁力攪拌器上攪拌30 min，使樣品混合均勻。

1.3.3 小麥淀粉混合體系糊化特性的測定

Brabender黏度儀主要模仿淀粉基食品的烹飪過程，可得到一條黏度關(guān)于時間和溫度的變化曲線。糊化特性的測定參照GB/T 22427.7—2008《淀粉粘度測定》，測量范圍700 cmg，轉(zhuǎn)速75 r/min。按照1.3.2的比例配制成460 g的6%小麥淀粉混合體系。測定程序如下：起始溫度為25℃，然后以1.5℃/min的速率升溫至95℃，保溫30 min，再以1.5℃/min的速率降溫至50℃，保溫30 min，可得出布拉班德曲線。

1.3.4 小麥淀粉混合體系可溶性直鏈淀粉、固形物含量與膨脹勢的測定

小麥淀粉混合體系糊化過程中上清液中可溶性直鏈淀粉含量和沉淀中膨脹度的測定方法參照Chaisawang等[8]的測定方法。首先參照1.3.2的比例配制質(zhì)量分數(shù)為2%的小麥淀粉混合乳液，置于50 mL的離心管中，蓋緊蓋后在沸水中加熱30 min，振蕩速度100 r/min。加熱后將樣品快速冷卻至25℃，以4 500 r/min的轉(zhuǎn)速離心15 min，將上清液與沉淀分離。測定上清液中固形物的含量，并用碘比色法[9]測定上清液中可溶性直鏈淀粉的含量。離心后測定沉淀物的質(zhì)量m0，然后將沉淀置于105℃的烘箱中干燥至恒重，此時沉淀物的質(zhì)量為m1，計算其膨脹勢。

式中：m0為淀粉吸水后的質(zhì)量，g；m1為沉淀中樣品的干重，g。

1.3.5 小麥淀粉混合體系流變學(xué)性質(zhì)的測定

1.3.5.1 靜態(tài)流變特性的測試

取1.3.3中Brabender黏度儀制備的淀粉糊，置于流變儀上，平板直徑1.0 cm，設(shè)置間隙500 μm，溢出的樣品用塑料刮板刮除。測定溫度25℃，剪切速率0～300 s-1，待Normal Force參數(shù)基本穩(wěn)定后進行流變試驗，試驗數(shù)據(jù)采用Power-Law方程進行擬合。方程如下。

τ=Kγn

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa；K 為稠度系數(shù)，Pa·sn；γ 為剪切速率，s-1；n為流體指數(shù)。

1.3.5.2 動態(tài)黏彈性測定

取1.3.3中Brabender黏度儀制備的淀粉糊，置于流變儀上，平板直徑1.0 cm，設(shè)置間隙50 μm，測定溫度25℃，掃描應(yīng)變1%，測定低頻率（0.1 Hz）至高頻率（10 Hz）內(nèi)，貯能模量（G′）、損耗模量（G″）及損耗角正切值（tanδ=G″/G′）隨頻率的變化。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗重復(fù)3次，采用SPSS 16.0軟件分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄為平均值±標準差，試驗數(shù)值間使用Tukey法（P＜0.05）進行差異顯著性分析。圖表繪制采用Origin 8.0及Office 2010。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥淀粉化學(xué)成分的測定結(jié)果

小麥淀粉常規(guī)成分見表1。

表1 小麥淀粉常規(guī)成分Table 1 The compositions of wheat starch %

2.2 小麥淀粉混合體系的糊化特性

使用Brabender黏度儀測定不同種類纖維素與小麥淀粉混合的糊化曲線特征參數(shù)見表2。

表2 MCC、NCC和NFC對小麥淀粉成糊特性的影響Table 2 Effects of MCC，NCC and NFC on pasting properties of wheat starch

從表2中可以看出不同種類的纖維素對小麥淀粉的糊化產(chǎn)生不同的影響，且作用效果與添加量有關(guān)。與單獨的小麥淀粉相比，MCC的加入對起始糊化溫度的影響并不明顯（P＞0.05）；隨著添加量的增加，小麥淀粉乳的峰值黏度和終值黏度降低。謝新華等[10]同樣發(fā)現(xiàn)小麥纖維的加入會導(dǎo)致小麥淀粉的峰值黏度和終值黏度降低。而兩種納米纖維素加入后，均使混合體系的峰值黏度隨納米纖維素比例的增大而增加，起始糊化溫度降低，且加入NFC比NCC的作用效果更明顯。相比于沒有任何添加物的小麥淀粉，當(dāng)添加7%的NFC和NCC時，小麥淀粉的起始糊化溫度從71.9℃分別降至54.2℃和57.6℃，峰值黏度分別提高了66.0%和58.0%，而終值黏度分別提高了46.6%和44.6%。

峰值黏度代表淀粉乳中淀粉顆粒膨脹和破裂達到動態(tài)平衡的點，主要受淀粉顆粒的溶脹程度和淀粉乳含量的影響[11]。本試驗中MCC的添加使淀粉乳中小麥淀粉的相對含量減少，單位體積內(nèi)淀粉顆粒含量降低，淀粉顆粒間的摩擦程度降低，流動性增強，小麥淀粉的糊化受到抑制，進而導(dǎo)致糊化參數(shù)的下降[12]。

而與MCC相比，納米纖維素的比表面積更高、表面裸露的活性中心增多、分子中含有更多的羥基[13]。在糊化的過程中，納米纖維素與淀粉分子爭奪水分子，形成分子間氫鍵，吸收大量的水分，促使淀粉溶液的局部濃度升高，顆粒間的碰撞和摩擦增多，體系的流動阻力增大；另一方面，納米纖維素中更多的羥基可與糊化過程中滲漏出來的淀粉分子相互作用，限制淀粉分子的自由移動，降低其流動性，表現(xiàn)為體系黏度的增加[14]。而由于制備方法的不同，與NCC相比，NFC中除羥基外還含有部分羧基[15]。隨著溫度的升高，淀粉分子中的羥基會與NFC中的羧基發(fā)生酯化反應(yīng)形成羰基，其作用力強于NCC中與淀粉分子形成的氫鍵等分子間作用力，進一步促進淀粉顆粒的破裂，更多的可溶性物質(zhì)溶出，提高體系的黏度。

由表2可知，兩種納米纖維素的加入引起淀粉崩解值和回生值的升高，高濃度納米纖維素的增高效應(yīng)強于低濃度的納米纖維素，而MCC的加入會引起崩解值和回生值的降低。作用效果的不同主要是由糊化過程的差異導(dǎo)致的，加入納米纖維素后淀粉的崩解值增大，表明其熱穩(wěn)定性降低，這主要是由于納米纖維素促進淀粉的糊化，攪拌過程中淀粉顆粒更容易破裂，黏度變大。回生值與淀粉糊冷卻過程中淀粉的重結(jié)晶程度密切相關(guān)，理論上反映淀粉糊冷卻過程中直鏈淀粉分子的重排程度[16]。但在添加親水性膠體的淀粉體系中，受親水膠體黏度的影響，Brabender黏度儀測定的回生值可能難以準確地反映淀粉的老化，因此需進一步進行回生試驗[17]。

2.3 小麥淀粉混合體系可溶性直鏈淀粉、固形物含量及膨脹勢

糊化的淀粉乳離心后其上清液中的固形物主要為可溶的直鏈淀粉、少部分低聚合度的支鏈淀粉和添加物[18]。為了進一步研究納米纖維素對小麥淀粉的糊化的影響，對糊化后體系中上清液中直鏈淀粉和固形物的含量進行測定，結(jié)果見圖1。

圖1 MCC、NCC和NFC對可溶性直鏈淀粉和固形物含量的影響Fig.1 Effect of MCC，NCC and NFC on soluble amylose and solid content

由圖1可以看出，加入低含量（1%、3%）的MCC對上清液中直鏈淀粉含量的影響不顯著，而當(dāng)MCC的添加量由3%升至7%時，上清液中直鏈淀粉的含量顯著降低（P＜0.05），一方面是由于淀粉濃度的相對含量降低，另一方面是由于部分MCC分子吸附在淀粉顆粒表面，抑制直鏈淀粉分子的溢出[19]。由圖1還可以看出，加入NCC、NFC兩種納米纖維素的小麥淀粉乳，離心后其上清液中固形物含量和直鏈淀粉含量均隨納米纖維素含量的增加而升高，這說明納米纖維素的加入促進淀粉顆粒的破碎和直鏈淀粉的滲出。添加相同量的納米纖維素時，加入NCC的淀粉乳其上清液中固形物的含量比加入NFC的更高，但是加入NFC的淀粉乳其上清液中直鏈淀粉的含量高于加入NCC的淀粉乳，且濃度越高這種現(xiàn)象越明顯。小麥淀粉中分別加入7%NCC和7%NFC時，離心后上清液中固形物的含量分別為21.23%和19.27%，而直鏈淀粉的含量分別為17.99%和19.32%。這種現(xiàn)象說明NFC促進淀粉顆粒溶解的能力更強，可促進更多的直鏈淀粉進入溶液。NCC和NFC掃描電鏡圖見圖2。

圖2 NCC和NFC掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron microscope images of NCC and NFC

由圖2可以明顯看出NFC為細絲狀的長纖維，而NCC為棒狀的短纖維，兩者相比，長絲狀的NFC更易糾纏凝結(jié)，離心后留在沉淀物中；短棒狀的NCC離心后仍有部分發(fā)生分離，懸浮在上清液中，導(dǎo)致上清液中固形物的含量更高。

淀粉膨脹勢指在一定的溫度下，每克干淀粉吸收水的質(zhì)量數(shù)，是反映淀粉分子與水結(jié)合能力的重要指標[20]。淀粉顆粒的形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、直鏈淀粉含量及支鏈淀粉含量都會影響淀粉無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)結(jié)合，進而影響淀粉顆粒的膨脹勢[21]。MCC、NCC和NFC對小麥淀粉膨脹勢的影響見圖3。

圖3 MCC、NCC和NFC對小麥淀粉膨脹勢的影響Fig.3 Effects of MCC，NCC and NFC on wheat starch sweling potential

由圖3可以看出加入MCC、NCC、NFC均使小麥淀粉的膨脹勢隨添加量的增加而升高，相同濃度下，加入MCC后淀粉乳的膨脹勢小于加入納米纖維素的淀粉乳，而加入NCC淀粉乳的膨脹勢小于NFC，且添加量越大作用效果越明顯。這表明3種纖維素提高淀粉乳截留水分子能力為：NFC＞NCC＞MCC。與MCC相比，納米纖維素中更多的羥基促使它們與更多的水分子相互作用形成氫鍵，結(jié)合水分子的能力顯著提高。而與NCC相比細絲狀的NFC在糊化過程中更易與溶出的淀粉分子凝結(jié)環(huán)繞成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以截留下更多的水分子，因此加入NFC的小麥淀粉的膨脹勢更高。

2.4 小麥淀粉混合體系流變學(xué)特性的測定

2.4.1 小麥淀粉混合體系靜態(tài)流變性的測定

圖4為添加不同種類、不同含量纖維素與小麥淀粉混合體系的剪切應(yīng)力隨剪切速率變化關(guān)系圖。

圖4 MCC、NCC和NFC對小麥淀粉靜態(tài)流變曲線的影響Fig.4 Effects of MCC，NCC and NFC on static rheological curve of wheat starch

從圖4可以看出，添加MCC、NCC和NFC的小麥淀粉凝膠在靜態(tài)流動過程中的剪切應(yīng)力均隨剪切速率的升高而增大。在相同的剪切速率下，添加NCC和NFC的小麥凝膠在靜態(tài)流動過程中的剪切應(yīng)力隨添加量的增加而增大，且添加NFC的淀粉凝膠剪切應(yīng)力更大。而添加MCC的淀粉凝膠的剪切應(yīng)力隨添加量的增加而減小。這說明在淀粉糊冷卻形成凝膠的過程中，MCC、NCC、NFC與淀粉分子間發(fā)生了不同的反應(yīng)，導(dǎo)致淀粉凝膠的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。小麥淀粉混合體系Power-Law方程擬合參數(shù)見表3。

表3 小麥淀粉混合體系Power-Law方程擬合參數(shù)Table 3 Power-Law equation fitting parameters of wheat starch mixed system

由表3可以看出各個樣品的決定系數(shù)R2均大于等于0.99，說明Power-Law模型對纖維素小麥淀粉混合體系的靜態(tài)流變性質(zhì)具有很好的擬合精度。所有樣品的流體指數(shù)n值均小于1，說明添加MCC、NCC、NFC后的小麥淀粉混合凝膠仍為假塑性流體，具有剪切稀化性。添加MCC后小麥淀粉凝膠流體指數(shù)n隨添加量的增大變化不明顯（P＞0.05）；而添加NCC、NFC兩種納米纖維素后n值隨添加量的增大而降低，說明納米纖維素的加入提高了淀粉凝膠的假塑性。良好的假塑性可以改善淀粉基食品的加工和運輸工藝，提高生產(chǎn)效率，也會改進食品的食用口感，降低咀嚼時的黏著感[22]。由表3可以看出不同樣品間的稠度系數(shù)K值差異顯著（P＜0.05），K值與 MCC、NCC、NFC 的添加量有關(guān)。兩種納米纖維素均會使小麥淀粉凝膠體系的稠度系數(shù)K值隨添加量的增加而增大，且相同的添加量下加入NFC的淀粉凝膠K值更大，說明納米纖維素具有很好的增稠性，NFC的增稠性更強。而小麥淀粉混合體系的K值隨MCC添加量的增加而減小，體系稠度降低。K值的變化趨勢與Brabender黏度試驗中不同濃度MCC、NCC、NFC對小麥淀粉峰值黏度的變化趨勢一致，Chen等[23]研究普魯蘭多糖對大米淀粉流變特性的影響，同樣發(fā)現(xiàn)K值的變化與黏度儀測定的峰值黏度變化的趨勢一致。

2.4.2 小麥淀粉混合體系動態(tài)流變性的測定

凝膠的動態(tài)流變特性，即動態(tài)黏彈性，是指在交變的應(yīng)力（或應(yīng)變）作用下，凝膠表現(xiàn)出的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。貯能模量（G′）是淀粉凝膠表現(xiàn)固態(tài)（或彈性）特性的指標，其值越大代表凝膠受外力作用時形變恢復(fù)能力越強。損耗模量（G″）是淀粉凝膠表現(xiàn)液態(tài)（或黏性）特性的指標，其值越大表明凝膠受外力作用時越不易流動。圖5分別是加入MCC、NCC、NFC小麥淀粉凝膠的貯能模量G′與損耗模量G″隨著頻率變化的關(guān)系圖。

圖5 MCC、NCC、NFC與小麥淀粉混合體系的G′和G″隨頻率變化曲線Fig.5 Variation curves of G′and G″with frequency of the mixed system of MCC，NCC，NFC and wheat starch

由圖5可知，加入3種纖維素后的小麥淀粉凝膠G′值遠大于G″值，G′和G″均隨著頻率的增大而增大，表現(xiàn)出對頻率的依賴性，這說明加入3種纖維素后，小麥凝膠仍為弱凝膠[24]。相同的頻率下MCC、NCC、NFC添加量的增加均改變了淀粉凝膠的動態(tài)模量G′和G″值，這是由于MCC、NCC、NFC的加入改變了淀粉凝膠的結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致了動態(tài)流變性的差異。從圖5可以看出，小麥淀粉凝膠的G′和G″值均隨MCC添加量的增大而降低，而隨NCC、NFC添加量的增加而增大。G′的變化是淀粉短期回生的衡量指標，淀粉的短期回生主要與直鏈淀粉的含量有關(guān)，直鏈淀粉含量高，淀粉的短期回生越容易發(fā)生。如2.3所測，NCC與NFC的加入促進了直鏈淀粉的滲漏，大量的直鏈淀粉分子鏈通過羥基與相鄰鏈連接，加快凝膠網(wǎng)絡(luò)的聚集，網(wǎng)絡(luò)凝膠的穩(wěn)定性增強，導(dǎo)致G′的升高。

損耗角正切值（tanδ）是損耗模量（G″）和貯能模量（G′）的比值，表明了凝膠黏性性質(zhì)和彈性性質(zhì)的相對強度。當(dāng)tanδ較小時表明凝膠處于類似固體的狀態(tài)，tanδ較大時表明凝膠處于類似液體的狀態(tài)[25]。MCC、NCC、NFC與小麥淀粉混合體系損耗角隨頻率變化曲線見圖6。

圖6 MCC、NCC、NFC與小麥淀粉混合體系損耗角隨頻率變化曲線Fig.6 Variation curve of loss angle with frequency of the mixed system of MCC，NCC，NFCand wheat starch

由圖6可以看出，所有樣品tanδ值均小于1，說明混合后的凝膠仍表現(xiàn)出較強的彈性品質(zhì)。隨著MCC添加量的增加，小麥混合凝膠的損耗角tanδ值逐漸增大，表明MCC的加入使小麥凝膠的黏性增強，流動性增強。而兩種納米纖維素的添加降低了小麥混合凝膠的損耗角tanδ值，說明納米纖維素的加入增強了小麥凝膠的彈性，流動性減弱，凝膠的結(jié)構(gòu)更為致密，質(zhì)地更堅硬。

3 結(jié)論

不同種類的纖維素會對小麥淀粉的糊化產(chǎn)生不同的影響，且與濃度有關(guān)。MCC的加入會抑制小麥淀粉的糊化；而納米纖維素NCC和NFC會促進小麥淀粉糊化的發(fā)生，起始糊化溫度降低，峰值和終值黏度升高，崩解值和回生值升高，且NFC的作用效果比NCC更明顯。NCC和NFC的加入均會促進淀粉糊化后可溶性直鏈淀粉的滲出，促進小麥淀粉凝膠的短期回生，與MCC相比納米纖維素顯著提升淀粉凝膠的持水能力。Power-Law方程擬合靜態(tài)流變數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：MCC、NCC和NFC加入后小麥淀粉凝膠仍為假塑性流體，NCC和NFC可明顯提高小麥淀粉凝膠K值，是良好的增稠劑，而MCC的加入降低了體系的稠度系數(shù)。動態(tài)流變曲線研究發(fā)現(xiàn)：NCC和NFC增強了小麥凝膠的彈性，凝膠的結(jié)構(gòu)更為致密，質(zhì)地更堅硬。研究結(jié)果可為NCC和NFC在食品添加劑的實際應(yīng)用中提供參考。