周琪,楊帆,劉瀟,劉興訓
(南京財經大學 食品科學與工程學院,食品軟物質結構與先進制造實驗室,江蘇 南京,210046)
淀粉通常由線性的直鏈淀粉和分叉狀的支鏈淀粉組成,高直鏈淀粉通常指直鏈淀粉含量超過50%的特殊淀粉[1]。相比普通淀粉,高直鏈淀粉具有良好的成膜性及較高含量的抗性淀粉,被廣泛應用于生物降解材料和健康食品領域[2]。
淀粉的糊化是淀粉最重要的理化性質,決定著淀粉的加工和使用??焖兖ざ确治鰞x(rapid viscosity analyzer,RVA)是淀粉糊化特性最常用的表征儀器[3],具有操作簡單、快速升溫或冷卻、準確調節(jié)攪拌器轉速等特點[4]。RVA的作用是將淀粉與水的懸浮液在加熱的條件下通過攪拌槳做恒定剪切,懸浮液的黏度隨扭矩變化,以此建立淀粉隨溫度和時間變化的糊化曲線[5-6],通過RVA測定樣品后得到峰值黏度、低谷黏度、崩解值、最終黏度、回生值等糊化參數,可用于淀粉樣品的加工特性研究[7]。
常規(guī)RVA測定樣品通常在95 ℃下進行,而高直鏈淀粉的起始糊化溫度較高[7-8],糊化溫度高于100 ℃。本實驗采用高溫RVA,設置了一個耐高壓的密閉測試環(huán)境,可以密封和自我加壓,最高加熱溫度可達140 ℃,測定了高直鏈玉米淀粉在95、110、120、130和140 ℃下的糊化性能,并利用流變儀、質構儀、掃描電鏡來研究淀粉經過高溫處理后的流變行為和凝膠結構的變化。
高直鏈玉米淀粉Gelose 50(G50,直鏈淀粉含量50%),荃銀祥玉(北京)生物科技有限公司。
RVA4800快速黏度分析儀,珀金埃爾默公司;MCR 302流變儀,奧地利安東帕公司;TA.XT II plus質構儀,英國Stable Micro System公司;TM-3000掃描電鏡,日本日立公司。
1.2.1 基于不同加熱溫度的RVA測試
采用RVA標準程序測定了G50淀粉樣品的糊化特性,在鋁罐中稱量25.43 g蒸餾水,并向其中添加淀粉2.57 g。配制成質量分數約為8% 的樣品懸浮液,將裝入鋁罐放入RVA中,加熱至50 ℃,同時以960 r/min攪拌10 s,然后將轉速降至160 r/min繼續(xù)試驗。50 ℃下保持1 min,以6 ℃/min的速率升溫至95、110、120、130、140 ℃等 5種不同的溫度,在相應溫度下保持5 min,以6 ℃/min的速率冷卻至50 ℃[10-11],最后在50 ℃下保持4 min。通過軟件TCW3得到其糊化溫度、峰值時間、峰值黏度、最終黏度、低谷黏度、崩解值和回生值等糊化參數,并用毫帕秒(mPa·s)記錄。
1.2.2 基于不同升溫速率的RVA測試
采用RVA的標準程序對G50淀粉進行精確測定。在鋁罐中稱取25.43 g蒸餾水,加入2.57 g樣品,配制的淀粉懸浮液,質量分數為8%,在140 ℃下進行RVA測試。將裝有懸浮液的鋁罐放入RVA中,加熱至50 ℃,同時以960 r/min攪拌10 s,然后將轉速降至160 r/min,繼續(xù)試驗。在50 ℃下保持1 min,分別以2、10、15、20 ℃/min的速率升溫至140 ℃,在140 ℃下保持5 min,以6 ℃/min的速率冷卻至50 ℃,并在50 ℃下保持4 min。
1.2.3 基于不同濃度的RVA測試
采用RVA的標準程序對G50淀粉進行精確測定。直接稱取27.03 g蒸餾水于鋁罐中,加入0.97 g樣品,進行RVA測試。按1.2.1實驗方法制備樣品,將懸浮液在140 ℃下進行檢測。本實驗方法測定不同質量分數的淀粉,分別為3%、5%、7%、9%。
1.2.4 流變行為測定
將1.2.1實驗方法制備的G50淀粉凝膠樣品放置在平行板上(d=50 mm),采用小振幅振蕩剪切進行測試[12],間隙尺寸1 mm,測試溫度25 ℃,頻率掃描范圍0.1~100 r/s,應變?yōu)?%。儲能模量(G′)、損耗模量(G″)、損耗角正切(tanq=G′/G″)和復合黏度(η*)被記錄為頻率(ω)的函數。
1.2.5 質構測定
將1.2.1實驗方法制備的樣品倒入塑料罐(內徑=33.0 mm,高度=38.0 mm)[13],蓋上蓋子,在4 ℃下保存24 h以進行凝膠化。使用質構儀進行分析,探頭P6(d=10 mm),其他測試參數為[15]:觸發(fā)力為5 g;測試速度為2.0 mm/s;壓縮深度為10.0 mm。
1.2.6 微觀結構觀察
將1.2.1實驗方法制備的樣品進行快速冷凍,然后在-50 ℃下凍干48 h。用濺射技術在凍干的淀粉凝膠上涂金,在15 kV、×2 000倍率的條件下用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察[14-15]得到淀粉凝膠的圖像。
所有測量至少進行2次。使用Origin 8.5進行作圖,顯著性差異檢驗使用SPSS 22進行分析。
圖1是RVA對淀粉加熱后得到的曲線圖(RVA譜),淀粉黏度隨著溫度的變化,呈現有規(guī)律上升(峰值黏度)、下降(低谷黏度)、再上升(最終黏度),其中峰值黏度是指淀粉顆粒糊化時的最高黏度;低谷黏度(最低黏度)指恒溫階段結束時的黏度;峰值黏度與低谷黏度的差為崩解值,用來衡量膨脹的淀粉顆粒被破壞的難易程度;最終黏度與低谷黏度的差稱為回生值,用來表征淀粉的回生(老化)程度[16-17]。
圖1 不同加熱溫度下G50黏度變化
由圖1和表1可知,高直鏈玉米淀粉G50經過95 ℃加熱后,其峰值黏度較低,為111 mPa·s,這可能是由于淀粉在該溫度下(低于糊化溫度),顆粒膨脹程度較小[18-19];當溫度從110 ℃加熱到140 ℃時,峰值黏度從455 mPa·s增加到550.5 mPa·s,這可能是由于淀粉在較高的加熱溫度下發(fā)生糊化,淀粉顆粒進一步膨脹,黏度隨之增高。而高直鏈淀粉G50的低谷黏度、最終黏度、回生值與溫度升高的趨勢不一致:G50的最終黏度分別從95 ℃的76.5 mPa·s上升到120 ℃的1 095.5 mPa·s,然后下降到140 ℃的192.5 mPa·s;出現這樣的變化部分原因是冷卻過程中G50形成了淀粉脂質復合物[20],淀粉脂質復合物可以限制淀粉顆粒在加熱過程中的膨脹,并保持膨脹顆粒的完整性[18],因此,淀粉分子之間并沒有表現出很強的再關聯(lián),導致最終黏度較高。淀粉加熱到110、120 ℃時黏度的上升是形成的淀粉-脂質復合物發(fā)生沉淀引起的;當淀粉樣品加熱到130、140 ℃時,表現出更低的黏度是由于淀粉顆粒結構被破壞引起的,在這2個溫度下直鏈淀粉游離出來,形成更多的相互作用,與文獻中報道一致[21]。
表1 高直鏈玉米淀粉G50不同加熱溫度下特征值分析
由圖2和表2可知,質量分數為8%的高直鏈玉米淀粉升溫速率為2 ℃/min時,峰值黏度低,約為431 mPa·s;當升溫速率20 ℃/min時,其最終黏度最高,為231.5 mPa·s。G50的低谷黏度、最終黏度隨升溫速率變化不明顯,糊化時間與升溫速率呈負相關,升溫速率越小,其到達糊化時間越長。淀粉峰值黏度隨速率的降低而降低,該現象是因為淀粉在低升溫速率下,與水充分混合,糊化比較徹底,有效降低儀器沖溫的影響。
圖2 G50在140 ℃下不同升溫速率的黏度變化
表2 G50在140 ℃下不同升溫速率特征值分析
淀粉質量分數為3%、5%、7%、9%的RVA曲線圖如圖3所示,由表3可知,G50的峰值黏度、低谷黏度和最終黏度隨著淀粉質量分數的增加而增大。回生值和崩解值也均增大。回生值越大,則淀粉糊的穩(wěn)定性就越差,凝膠性增強。以上現象是因為濃度越大,對淀粉膠體黏度和穩(wěn)定性貢獻越大所致[22]。
表3 玉米淀粉G50在140 ℃下不同濃度特征值分析
圖3 G50在140 ℃下不同質量分數的黏度變化
由圖4可知,G50膠體的G′和復合黏度隨加熱溫度的升高而變大,主要原因可能是高直鏈玉米淀粉經過不同溫度加熱,有更多的直鏈淀粉分子游離出來,直鏈淀粉分子發(fā)生纏結,和支鏈淀粉一起形成較強的網絡,“彈性”屬性更強[23]。G50樣品的G′在140 ℃時最高,其物理性能最好。結果表明,G50試樣的G′明顯高于G″,其損耗的正切值<1,由此可以推斷G50是以彈性為主的。
圖4 不同加熱溫度處理后G50的流變性
淀粉凝膠硬度的變化與淀粉膠體的結構有關,由表4可知,隨著溫度的升高,G50淀粉凝膠的硬度逐漸提高,這是由于淀粉在RVA罐中加熱的溫度越高,其淀粉膨脹和糊化越充分[25],更多直鏈淀粉分子游離出來,形成堅硬的凝膠。因此高直鏈淀粉糊化程度越大,淀粉顆粒越膨脹并逐漸分散。高直鏈淀粉在加熱后游離出來的直鏈淀粉分子,冷卻后快速老化形成一個緊密的凝膠網絡,與文獻報道一致[20]。脆性、膠著性、咀嚼性的變化趨勢與硬度趨勢相同。
表4 不同加熱溫度處理后G50的質構性能 單位:g
由圖5可知,溫度越高,淀粉微觀結構的破壞程度越大。G50在95 ℃下呈顆粒狀,110 ℃下顆粒狀逐漸不明顯,到120 ℃時,顆粒狀完全消失,在140 ℃下淀粉凝膠已經出現層狀結構。出現這樣的變化是因為在較高溫度下,分散的分子再關聯(lián)生成非常致密的基質,游離的直鏈淀粉分子逐漸重新結合,形成緊密的凝膠網絡[20]。同時,這也是溫度越高,其凝膠硬度越高的原因。
a-95 ℃;b-110 ℃;c-120 ℃;d-130 ℃;e-140 ℃
綜上所述,高直鏈玉米淀粉在較高的加熱溫度下糊化程度增加,原因是更多直鏈淀粉分子從淀粉顆粒中游離出來,高直鏈淀粉完全糊化后分散的直鏈淀粉分子形成了強凝膠網絡。本研究利用RVA 4800 型快速黏度分析儀對高直鏈淀粉在95~140 ℃加熱溫度下的顆粒和分子變化提供了新的認識,并論證了這些變化對淀粉糊化性能、流變性能和質構性能的影響,為高直鏈玉米淀粉在功能食品與可降解材料中的應用提供理論支持。