林順順，趙 杰，宋曉燕，馬兵團，金 鈺，馬常云，孫曉薇，陳 慧，王佩茹，李夢琴*

（1 河南農業(yè)大學食品科學技術學院 鄭州450002 2 河南同昌實業(yè)有限公司 鄭州450000 3 河南省林業(yè)科學研究院 鄭州 450008）

人們對食物的選擇和對食物的看法和經濟社會的發(fā)展息息相關。研究表明，目前中國消費者對食物的看法，從原來的方便、餐飲、零食向質量、個性化、營養(yǎng)和健康方向轉變，并認為食物是一種享受性消費。人類傾向于從食物消費中獲得最大程度的感官愉悅，食物的質感是影響消費者對食品的偏愛、接受及接受程度的重要品質屬性之一，其中，對潤滑度和乳化度的感官感知通常是享樂性食物備受喜好的主要因素[1]。

在適當?shù)臈l件下，高分子溶液體系轉變成一種彈性的半固體狀態(tài)的稠厚物質，失去流動性的現(xiàn)象稱為凝膠作用，所形成的產物叫做凝膠或凍膠。根據高分子溶質濃度的差異，其形成的凝膠體系可分為液態(tài)、半固態(tài)、軟固態(tài)、固態(tài)等物理形態(tài)。淀粉是食品的重要組成部分。淀粉凝膠吸引水分子和捕獲脂肪的能力使其可在食品生產中作為潤滑質地調節(jié)劑使用，淀粉水凝膠對產品的厚度、質地等口感感知至關重要[2-4]。眾多研究表明，淀粉凝膠作為食品口感、潤滑質地的調節(jié)劑的是合理的[5-8]。淀粉凝膠的質構特性與食品加工品質有密切關系，淀粉凝膠作為重要的食品基質參與甚至主導影響食品的質地、口感等品質特性[2，9]。不同物理形態(tài)食品體系在口腔加工中給人的潤滑感覺和質地享受程度是顯著不同的。相關研究顯示，不同物理形態(tài)體系食品中的潤滑機理存在差異。例如，淀粉、卡拉膠和脂肪對半固體乳制品的摩擦曲線產生不同影響，且脂肪的存在與否會影響潤滑機制的差異[10]；Liu 等[11]研究表明微顆粒乳清蛋白作為脂肪替代物在液體和半固體模型食品中的潤滑性能源于滾珠軸承機制；Krop 等[12]研究表明凝膠濾液潤滑性降低是由于凝膠珠“球軸承” 能力的缺失。此外，水膠體的類型、濃度、均勻程度均對食品體系的流動和摩擦學行為產生顯著影響[12-13]。對淀粉凝膠物理形態(tài)的客觀界定，對于研究不同形態(tài)淀粉基質食品中不同物質組分的潤滑機理，食品中多組分及其相互作用等都具有重要意義，這將有助于更準確控制淀粉基質食品的質感，改善其感官行為。

研究顯示：淀粉粒徑、形狀、聚合度等結構因素也會影響凝膠的物理形態(tài)。不同品種淀粉的顆粒尺寸、直鏈/支鏈淀粉含量、直支比等存在差異，會對淀粉凝膠的形態(tài)和質地產生影響[14]。淀粉經糊化、老化后形成凝膠，在相同質量分數(shù)時，不同淀粉所得凝膠形態(tài)會有所不同，由此可能產生不同機制的口腔摩擦學行為。Zhang 等[15]研究指出，玉米和馬鈴薯淀粉煮熟后的顆粒懸浮液表現(xiàn)出明顯不同的摩檫學性質。總之，淀粉粒徑、形狀、聚合度等結構因素也直接影響淀粉的凝膠狀態(tài)，進而影響產品的潤滑質地。建立不同種類淀粉的凝膠形態(tài)模型體系，對于研究不同凝膠形態(tài)對食品的口腔潤滑行為具有重要意義。

本文選用谷類淀粉（玉米、小麥）、薯類淀粉（馬鈴薯、紅薯）、豆類淀粉（豌豆、綠豆），研究不同淀粉形成的凝膠模型體系。采用質量分數(shù)梯度法，結合淀粉在不同質量分數(shù)下生成凝膠形態(tài)的視覺圖像、成型性及質構性能，建立6 種淀粉的液態(tài)、半固態(tài)、軟固態(tài)、固態(tài)和硬固體的凝膠模型體系。對各模型體系的質量分數(shù)、操作方法及條件進行反復驗證，以確保結果的準確性和重復性。

1 材料與方法

1.1 主要材料及設備

馬鈴薯淀粉、紅薯淀粉和豌豆淀粉，重慶佳仙食品有限公司；綠豆淀粉，山東金城股份有限公司；小麥淀粉，蘇州市云可食品有限公司；玉米淀粉，梁山葵花生物科技有限公司。

TA.XTplus 物性分析儀，英國SMS 公司。

1.2 淀粉凝膠的制備

采用濃度梯度法制備不同物理形態(tài)的凝膠[16]，具體為：準確稱取淀粉樣品，用適量的蒸餾水配制淀粉懸浮液。通過準確控制淀粉懸浮液的濃度，即分別制備淀粉質量分數(shù)梯度為1%～10%的6 種淀粉懸浮液（約200 mL），放入500 mL 的燒杯中；將燒杯置于（98±2）℃水浴中攪拌加熱30 min[17]，緩慢倒入2 cm 高的培養(yǎng)皿中，并控制液面高度為1.5 cm；然后將培養(yǎng)皿平放于4 ℃冰箱中進行凝膠老化24 h，形成穩(wěn)定的淀粉凝膠。

1.3 淀粉凝膠的視覺圖像分析

基于1.2 節(jié)中制備得到的淀粉凝膠，取成型的淀粉凝膠塊（1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm），放置在30°傾斜的干凈玻璃平板上，拍攝凝膠的視覺效果圖像。

1.4 淀粉凝膠的質構特性測定

將制備好的淀粉凝膠塊切割成長、寬、高均為3 cm 的小方塊在TA.XTplus 物性分析儀上測定。探頭為P50，測前速度2 mm/s，測試時及測試后的速度均為1 mm/s，壓速比為40%，測定凝膠的硬度、黏性、彈性、內聚性、咀嚼性和韌性[18]。

1.5 數(shù)據分析

采用SPSS 13.0 進行凝膠質構數(shù)據的差異檢驗分析。采用PCA（Unscrambler version 9.7）對凝膠質構參數(shù)進行進一步分析，在PCA 分析時，對所有數(shù)據進行標準化（1/Sdev）處理，使每個變量都得到公正的貢獻分析[19-22]。

2 結果分析

2.1 不同淀粉凝膠形態(tài)的視覺效果分析

圖1 為6 種淀粉在質量分數(shù)梯度1%～10%范圍制得的淀粉凝膠形態(tài)視覺效果圖像（圖1 和2）。由圖1 可以看出，不同淀粉在相同質量分數(shù)下生成凝膠的物理形態(tài)差異顯著。首先，6 種淀粉在1%質量分數(shù)時，所得到的凝膠形態(tài)均呈液體，其中馬鈴薯淀粉和紅薯淀粉凝膠溶液色澤透亮，小麥淀粉、玉米淀粉和豌豆淀粉凝膠溶液色澤較白，綠豆淀粉凝膠溶液色澤位于以上二顏色中間。在2%質量分數(shù)時，馬鈴薯淀粉和綠豆淀粉凝膠形態(tài)雖已呈現(xiàn)類固體狀，但凝膠塊放置于30°斜板時會變形，有一定程度下滑，并在斜板上有凝膠殘留，說明此時凝膠類固體形態(tài)弱，易變性，為明顯半固態(tài)形態(tài)，而2%的小麥淀粉、玉米淀粉、紅薯淀粉、豌豆淀粉凝膠仍為較黏稠液體形態(tài)。在3%質量分數(shù)時，小麥淀粉、紅薯淀粉和豌豆淀粉凝膠形態(tài)呈現(xiàn)類固體狀態(tài)，將其置于30°斜板時，形態(tài)易變形、下滑，且在斜板上有凝膠殘留，為明顯半固態(tài)形態(tài)。4%質量分數(shù)的玉米淀粉凝膠形態(tài)呈半固態(tài)狀。

圖1 中，當馬鈴薯淀粉、綠豆淀粉質量分數(shù)3%～4%，小麥淀粉、豌豆淀粉和紅薯淀粉質量分數(shù)4%，玉米淀粉質量分數(shù)5%時，其對應凝膠塊置于30°斜板時，雖有一定程度下滑，但板上未見凝膠殘留，說明此時凝膠的類固體形態(tài)增強，但易變性，呈明顯軟固體形態(tài)。

圖1 不同淀粉凝膠物理形態(tài)視覺效果（淀粉質量分數(shù)1%～4%）Fig.1 Visual effects of different starch gelling physical forms（starch mass fraction 1%-4%）

由圖2 可知，當質量分數(shù)≥5%（玉米淀粉質量分數(shù)≥6%）淀粉形成的凝膠塊置于傾斜平板時，其正方體形態(tài)未見明顯變形，并可穩(wěn)定立于斜板上（或沿斜板滑下后板上沒有凝膠殘留），此時凝膠具有明顯固體性質，為固體形態(tài)。

圖2 不同淀粉凝膠物理形態(tài)視覺效果（淀粉質量分數(shù)5%～10%）Fig.2 Visual effects of different starch gel physical forms（starch mass fraction 5%-10%）

2.2 不同淀粉固態(tài)凝膠質構參數(shù)的方差分析

為了對淀粉凝膠形態(tài)中固態(tài)與硬固態(tài)進行客觀界定，本研究對5%～10%淀粉含量的凝膠硬度、黏性、彈性、內聚性、咀嚼性和韌性參數(shù)進行分析（表1）。

對同種淀粉不同質量分數(shù)凝膠質構性能的方差分析發(fā)現(xiàn)（表1），隨著淀粉質量分數(shù)增加，6 種淀粉凝膠的硬度整體呈顯著增加趨勢（P＜0.05）；彈性方面，淀粉質量分數(shù)從5%增加6%時，小麥、豌豆、紅薯凝膠的彈性均顯著增加（P＜0.05）。隨著淀粉質量分數(shù)的增加，6 種淀粉凝膠的咀嚼性（除馬鈴薯淀粉9%、豌豆淀粉10%）呈不同程度的增加趨勢。

表1 不同質量分數(shù)淀粉凝膠的質構性能分析Table 1 Analysis of texture properties of starch gels with differentmass fraction

對相同質量分數(shù)、不同淀粉凝膠質構性能的差異分析結果顯示（表1），馬鈴薯淀粉凝膠（6%，7%，8%，9%，10%）的硬度顯著小于其它淀粉凝膠（P＜0.05），為此后續(xù)又對11%～14%質量分數(shù)馬鈴薯淀粉的凝膠樣品進行輔助分析。在相同質量分數(shù)時，豌豆淀粉凝膠和綠豆淀粉凝膠的硬度顯著高于其它淀粉凝膠（P＜0.05）；另外，凝膠的黏性、彈性、內聚性、咀嚼性和韌性性質在不同淀粉間也存在不同程度的顯著性差異（P＜0.05）。

2.3 同種淀粉、不同質量分數(shù)的凝膠質構性能PCA 分析

由于淀粉凝膠的質構屬性不是由某一個或某幾個參數(shù)決定，凝膠的硬度、黏性、彈性、內聚性、咀嚼性和韌性分別從不同方面反映了凝膠的質構性質。為了全面掌握不同質量分數(shù)間凝膠質構性能的差異性，文中對數(shù)據進行了回歸分析和主成分分析（PCA），分析過程中對各指標數(shù)值進行標準化處理，即消除了指標間數(shù)值差異性[20-22]。分析發(fā)現(xiàn)，前2 個主成分累計方差貢獻率均大于80%，說明前兩個主成分已經包含了大量能夠反映樣品整體差異特征的信息（圖2）。圖中不同樣品間的距離可清晰、直觀地反映樣品之間的差異，即樣品間距離越遠，表明該樣品間的差異越大。

圖3 結果顯示，第一主成分均為主要解釋變量，因此均沿PC1 軸方向進行分析。不同質量分數(shù)小麥淀粉凝膠樣品沿PC1 軸方向，從左到右可明顯分成3 組，其中X5（小麥淀粉質量分數(shù)5%凝膠）位于圖的左側，X6、X7（淀粉質量分數(shù)6%和7%）樣品位于軸中心處，X8、X9 和X10（淀粉質量分數(shù)8%，9%和10%）樣品位于右側位置，這一結果說明小麥淀粉質量分數(shù)6%和7%凝膠的（X6 和X7）質構性能較為相似，小麥淀粉質量分數(shù)8%～10%凝膠的（X8、X9 和X10）質構性能較為相似，且它們分別與淀粉質量分數(shù)5%凝膠的存在顯著差異（P＜0.05）。

圖3 不同質量分數(shù)淀粉凝膠的質構性能PCA 分析Fig.3 The PCA analysis of texture properties of starch gels with different mass fraction

類似地，玉米淀粉凝膠樣品間的位置結果表明，淀粉質量分數(shù)6%凝膠的質構性能與7%凝膠存在顯著差異，且均顯著區(qū)別于淀粉質量分數(shù)8%～10%的凝膠樣品（P＜0.05）。5%～7%質量分數(shù)馬鈴薯淀粉凝膠的質構性能較為近似，8%～11%質量分數(shù)凝膠的質構性能較為相近，且它們分別與12%～14%質量分數(shù)凝膠存在顯著性差異（P＜0.05）。質量分數(shù)6%和7%的紅薯淀粉凝膠的質構性能較為相似，質量分數(shù)8%～10%凝膠的質構性能較為相似，且它們均與5%凝膠有顯著差異（P＜0.05）。5%和6%豌豆淀粉凝膠的質構性能極為相近，且和7%凝膠樣品分別顯著區(qū)別于8%，9%和10%樣品（P＜0.05）。綠豆淀粉凝膠樣品間的位置表明，綠豆淀粉質量分數(shù)5%～7%凝膠的質構性能極為相似，質量分數(shù)8%和9%凝膠極為相似，且它們均與10%凝膠樣品存在顯著差異（P＜0.05）。

2.4 6 種淀粉凝膠固態(tài)和硬固態(tài)的綜合界定

為進行淀粉凝膠固態(tài)和硬固態(tài)的客觀界定，對6 種質量分數(shù)在5%～10%范圍的淀粉凝膠樣品（其中馬鈴薯質量分數(shù)5%～14%）的質構參數(shù)進行綜合分析（圖4），發(fā)現(xiàn)前2 個主成分已經包含了大量信息（總方差貢獻率76%），能夠反映樣品的整體差異特征，因此，這里建立了PC1-PC2 二維Score 圖分析樣品的整體信息。

圖4 發(fā)現(xiàn)，小麥X5、X6 樣品位于坐下方，X8～X10 樣品位于右上方，X7 樣品位于右下方，結合2.1 節(jié)凝膠視覺效果及2.3 節(jié)分析結果，將質量分數(shù)5%，6%，7%小麥淀粉形成的凝膠界定為固態(tài)，質量分數(shù)8%～10%得到的凝膠界定為硬固態(tài)；類似地，玉米Y6～Y7 樣品、馬鈴薯M5～M10 樣品、紅薯H5～H8 樣品均位于右下方，玉米Y8～Y10 樣品、馬鈴薯M11～M14 樣品、紅薯H9～H10 樣品位于右上方，因此將質量分數(shù)6%～7%玉米淀粉、5%～10%馬鈴薯、5%～8%紅薯形成的凝膠界定為固態(tài)，質量分數(shù)8%～10%玉米淀粉、11%～14%馬鈴薯、9%～10%紅薯形成的凝膠界定為硬固態(tài)。

圖4 6 種淀粉不同質量分數(shù)凝膠質構性能PCA 分析Fig.4 The PCA analysis of gel texture properties of six starches with different mass fraction

同樣地，豌豆W6～W7 樣品、綠豆L5～L8 樣品均位于左下方，且其位置極為接近，豌豆W8～W10樣品、綠豆L9～L10 樣品均位于左上方，說明質量分數(shù)6%～7%豌豆淀粉與5%～8%綠豆形成的凝膠的質構性能極其相似，可將其均界定為固態(tài)，而質量分數(shù)8%～10%豌豆淀粉、9%～10%綠豆形成的凝膠界定為硬固態(tài)。

2.5 不同物理形態(tài)淀粉凝膠模型體系的建立

通過以上分析及后續(xù)試驗驗證，得到了6 種淀粉的5 種物理形態(tài)淀粉凝膠模型體系所需要的淀粉質量分數(shù)參數(shù)（表2）。該5 種物理形態(tài)淀粉凝膠模型體系的建立，為后續(xù)研究不同淀粉凝膠形態(tài)在口腔加工過程中淀粉摩擦學行為及口感影響機制提供基礎。

表2 不同物理形態(tài)淀粉凝膠（%）模型體系的建立Table 2 Establishment of starch gel（%）model system with different physical forms

3 結論

本文通過視覺成像、傾斜平板殘留方法，判定并建立了6 種淀粉的液態(tài)、半固態(tài)、軟固態(tài)形態(tài)凝膠模型體系；采用SPSS 方差分析、PCA 分析對淀粉固態(tài)凝膠的質構性能參數(shù)進行綜合分析，得到同種淀粉不同質量分數(shù)間的凝膠質構性能的差異性結果，以及6 種淀粉不同質量分數(shù)間的凝膠質構性能差異結果，從而建立了6 種淀粉5 種物理形態(tài)的淀粉凝膠模型體系，該體系的建立為后續(xù)研究口腔加工過程中淀粉凝膠摩擦學行為和口感影響機制提供基礎。