許 歡，張 倩，閆璟圓，王 心，王曉樂，陳曉明，徐 磊

（淮陰工學(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)院 江蘇淮安 223003）

甜菜果膠（sugar beet pectin，SBP）是從甜菜粕中獲得的一種陰離子多糖，因具有的復(fù)雜大分子結(jié)構(gòu)，而表現(xiàn)出良好的乳化活性，在食品和飲料工業(yè)中都具有較大的應(yīng)用前景[1]。SBP 較高的乙?；潭群洼^低的分子質(zhì)量阻礙了分子鏈的緊密結(jié)合，因而無論在鈣離子還是在足夠的糖、酸條件下都無法形成凝膠結(jié)構(gòu)[2]。然而，SBP 側(cè)鏈含有大量的阿魏酸基團，經(jīng)漆酶和過氧化物酶等氧化酶催化后可形成交聯(lián)甜菜果膠（cross-linked sugar beet pectin，CSBP）。相較于SBP，CSBP 表現(xiàn)出更高的凝膠、乳化活性[3]。

淀粉，由直鏈和支鏈淀粉構(gòu)成，是一種價格低廉且可再生、可降解的植物資源。淀粉資源的開發(fā)與利用一直以來都受到廣泛的重視，淀粉及其衍生物目前已作為增稠劑、黏合劑、穩(wěn)定劑等被廣泛應(yīng)用于食品、化妝品和飼料等加工領(lǐng)域。蠟質(zhì)玉米淀粉（waxy corn starch，WCS），支鏈淀粉含量超過95%，與普通玉米淀粉相比具有顯著不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，在淀粉糊穩(wěn)定性、透明度和回生傾向等方面均有明顯改善[4]。然而，天然WCS 在應(yīng)用過程中存在一些缺陷，包括不耐熱、酸和剪切，易老化回生等，不能滿足某些產(chǎn)品加工和貯藏的要求，使其應(yīng)用受到限制[5]。有研究發(fā)現(xiàn)，非淀粉多糖可與淀粉分子發(fā)生氫鍵、電荷等相互作用，使得加工過程中淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而改善淀粉基產(chǎn)品的口感和質(zhì)地，延緩淀粉回生，提高產(chǎn)品保水性[6]。這些理化性質(zhì)的改善與多糖種類、濃度、分子質(zhì)量、加工方法及淀粉類型等多種因素相關(guān)。張晶等[7]發(fā)現(xiàn)在小麥淀粉中添加β-葡聚糖可以降低凝膠的硬度，增加彈性，并增強淀粉的熱穩(wěn)定性和抗老化性；Qiu 等[8-9]發(fā)現(xiàn)玉米纖維膠能夠降低玉米淀粉的峰值黏度，提高終值黏度，并抑制淀粉的長期回生；Ma 等[10-11]發(fā)現(xiàn)魔芋葡甘露聚糖可以提高玉米淀粉的流變性能，抑制淀粉糊化過程中的顆粒膨脹及直鏈淀粉溶出，且多糖分子質(zhì)量越高對淀粉理化性質(zhì)的影響越明顯。目前將CSBP 與WCS 復(fù)配的研究報道較少見。

本研究以WCS-CSBP 復(fù)配體系為研究對象，通過糊化特性、流變及老化性質(zhì)的分析，研究CSBP 與WCS 間的相互作用，以期為提高WCS 產(chǎn)品質(zhì)量，以及將CSBP 作為功能性配料添至淀粉基食品中提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

WCS，甘肅昆侖生化有限責(zé)任公司；SBP，德國Herbstreith&Fox KG 公司；漆酶，夏盛（北京）生物科技開發(fā)有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、乙醇，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DHR-1 流變儀，美國TA 儀器公司；Mastersizer 2000 激光粒度儀，英國Malvern 公司；SU8010 型場發(fā)射掃描電鏡，日本日立株式會社；CT3-25k 質(zhì)構(gòu)儀，美國Brookfield 公司；D8 型X-射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD），德國Bruker公司。

1.3 方法

1.3.1 CSBP 的制備 準確稱量10 g SBP，加入1 L 去離子水，充分攪拌均勻。使用1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)SBP 溶液pH 至6.0，然后按2 000 U/g SBP添加漆酶，于45 ℃反應(yīng)30 min。反應(yīng)結(jié)束后立即加入3 倍體積的無水乙醇，離心得到沉淀，烘箱50 ℃干燥24 h 后研磨過100 篩，得到CSBP 備用。

1.3.2 糊化性質(zhì)的測定 采用流變儀的Starch pasting cell 附件進行糊化性質(zhì)的測定[12]。準確稱取1.5 g WCS 于流變儀鋁盒中，加入25 mL 質(zhì)量分數(shù)分別為0%，0.05%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%的CSBP 溶液。糊化程序如下：首先在50 ℃保持1 min，接著以12 ℃/min 的速率升溫到95 ℃并保持2.5 min，然后以12 ℃/min 的速率降溫到50 ℃并保持2 min，控制攪拌槳的速率在前10 s 為960 r/min，其余時間均為160 r/min。

1.3.3 流變學(xué)特性的測定 采用Ma 等[10]的方法并稍作修改。取1.3.2 節(jié)中所制得的淀粉糊，趁熱加載至流變儀的帕爾貼板上，利用塑料刮板刮去多余樣品，選用平板直徑為40 mm，設(shè)置間隙為1 000 μm。

靜態(tài)流變特性的測定：在25 ℃條件下，剪切速率（γ）從0.1～100 s-1遞增，再從100～0.1 s-1遞減，記錄剪切應(yīng)力（τ）隨γ 的變化。采用Power Law 方程對試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析，方程如下：

式中：τ——剪切應(yīng)力，Pa；K——稠度系數(shù)，Pa·sn；γ——剪切速率，s-1；n——流動特征指數(shù)。

動態(tài)黏彈性質(zhì)的測定：應(yīng)變掃描時，在溫度25 ℃、頻率1 Hz 條件下，應(yīng)變從0.1%～250%遞增；頻率掃描時，在溫度25 ℃、2%應(yīng)變條件下，頻率從0.15～15 Hz 遞增。記錄樣品儲能模量（G′）及損耗模量（G"）隨應(yīng)變、頻率的變化。

1.3.4 糊化WCS 粒徑的測定 分別配制不同濃度的CSBP 溶液50 mL，然后加入1.0 g 淀粉制得WCS 懸浮液，充分混勻后95 ℃糊化20 min。待溫度降至25 ℃后，使用去離子水將上述淀粉糊稀釋。隨后吸取適量稀釋后的樣品至激光粒度儀樣品池，使遮光率達到15%～20%。測定時設(shè)置分散劑水的折射率為1.33，顆粒折射率為1.530。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)的觀察 取1.3.2 節(jié)中制備的糊化樣品，真空冷凍干燥48 h 后切成適當(dāng)大小的薄片，采用導(dǎo)電雙面膠固定樣品，于真空狀態(tài)下噴金處理后放在SEM 中觀察，放大倍數(shù)為500，掃描電壓為5 kV。

1.3.6 回生WCS 凝膠強度的測定 分別準確量取25 mL 不同濃度的CSBP 溶液，再加入12.5 g WCS 制成淀粉懸浮液，在95 ℃加熱30 min 使其糊化，冷卻至室溫，然后分別置于4 ℃冷藏5，10，15 d。每個樣品重復(fù)測定3 次，選用TA39 探頭，測試速度為1 mm/s，探頭壓縮10 mm 深度過程中感受到的最大力即為凝膠強度。

1.3.7 回生WCS 晶體結(jié)構(gòu)的測定 取1.3.6 節(jié)中制備的冷藏15 d 的凝膠樣品，凍干后研磨過100目篩，備用。使用XRD 對樣品進行晶型進行掃描，采用銅靶Cu Kα，管壓為40 kV，掃描范圍2θ 為5～50°，掃描速率為5.0°/min，步長為0.02°。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 20.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析（P＜0.05 表示差異顯著），利用OriginPro 2021 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CSBP 對WCS 糊化特性的影響

淀粉糊化是淀粉顆粒隨著溫度的升高從晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，在此過程中可發(fā)生淀粉顆粒的吸水、膨脹、結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞和直鏈淀粉滲出等現(xiàn)象[11]。由圖1 可知，添加CSBP 后，復(fù)配體系的糊化曲線整體上移，并且上移幅度隨著CSBP 添加量的增加而增大。從表1 可以看出，CSBP 顯著增加了復(fù)配體系的峰值黏度和終值黏度（P＜0.05），且黏度的升高與CSBP 添加量呈正相關(guān)。先前的研究也表明多糖可以增加淀粉糊的黏度[13-14]。上述結(jié)果可能是由于CSBP 和WCS 復(fù)配體系的兩相性質(zhì)所致。一方面，CSBP 是親水性大分子具有良好的增稠性能，處于淀粉糊的連續(xù)相，糊化過程中淀粉顆粒的吸水膨脹可使連續(xù)相中CSBP 濃度提高，隨著CSBP 添加量的增加復(fù)配體系黏度隨之增大[15]。另一方面，CSBP 可以包裹在WCS 顆粒周圍，增加其在糊化過程中的溶脹體積[16]。此外，CSBP 與淀粉顆粒糊化過程滲漏出的直鏈、支鏈淀粉分子的相互作用，或溶出的淀粉鏈之間的相互作用也可能在一定程度上提高復(fù)配體系的黏度。

表1 WCS/CSBP 復(fù)配體系的糊化參數(shù)Table 1 Pasting parameters of WCS-CSBP blends

圖1 WCS/CSBP 復(fù)配體系的糊化曲線Fig.1 Pasting curves of WCS-CSBP blends

由表1 可知，WCS/CSBP 復(fù)配體系的崩解值顯著高于對照組WCS（P＜0.05），表明淀粉糊的穩(wěn)定性變差，在加工過程對熱處理和機械剪切的耐受性降低。這是由于體系黏度增加導(dǎo)致對膨脹淀粉顆粒施加更大的剪切力，易導(dǎo)致淀粉顆粒的破壞。添加CSBP 后，復(fù)配體系的回生值顯著升高（P＜0.05），表明WCS 的短期回生得到了促進。這一結(jié)果可能是由于CSBP 與淀粉分子競爭吸附水分，提高了淀粉分子的局部濃度，促進了淀粉分子的移動重排。與WCS 相比，添加CSBP 后，復(fù)配體系的糊化溫度未發(fā)生顯著變化（P＞0.05）。然而，Zhang 等[17]報道添加果膠可以顯著提高玉米淀粉的糊化溫度（P＜0.05），Ren 等[18]研究發(fā)現(xiàn)涼草粉多糖可顯著降低紅薯淀粉的糊化溫度（P＜0.05）。產(chǎn)生這種差異的原因可能是由于不同多糖分子與淀粉顆粒之間競爭水的能力不同。

2.2 CSBP 對WCS 靜態(tài)流變學(xué)特性的影響

由圖2 可知，WCS/CSBP 復(fù)配體系所有樣品的剪切應(yīng)力在整個剪切速率范圍內(nèi)均隨著剪切速率的增加而增大，表現(xiàn)出剪切稀化的特征。表2 為用Power Law 模型對復(fù)配體系流變數(shù)據(jù)擬合所得參數(shù)，R2均在0.995 以上，表明該模型較為合適。

表2 WCS/CSBP 復(fù)配體系靜態(tài)流變曲線Power Law 模型參數(shù)Table 2 Parameters of Power Law model for the flow curves of WCS-CSBP blends

圖2 WCS/CSBP 復(fù)配體系的靜態(tài)流變曲線Fig.2 Flow curves of WCS-CSBP blends

稠度系數(shù)K 反映樣品的黏度大小，添加CSBP 后，復(fù)配體系上行曲線和下行曲線的K 值均隨著添加量的增加而逐漸增大（P＜0.05），這與糊化特性中觀察到的CSBP 使WCS 黏度增加的結(jié)果一致（表1）。因此，如2.1 節(jié)所述，糊化過程中CSBP 與淀粉顆粒以及淀粉分子的相互作用可能是造成這種結(jié)果的原因。流動特征指數(shù)n 是表征樣品流動行為類型的參數(shù)，n 值越趨近于1 表示該樣品越趨近于牛頓流體。復(fù)配體系所有樣品的n 值在0.448～0.505 之間，均小于1，表明WCS/CSBP 復(fù)配體系為典型的剪切稀化型假塑性流體。這種剪切變稀現(xiàn)象可能是由于隨著剪切速率的增加凝膠網(wǎng)絡(luò)中分子內(nèi)和分子間鍵合被破壞，流動阻力降低[19]。在玉木耳多糖添加對玉米淀粉靜態(tài)流變特性影響的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象[20]。

由圖4 可知，所有樣品的上行和下行流動曲線之間形成一個滯后環(huán)，呈現(xiàn)強烈的觸變效應(yīng)，這是由于淀粉糊不耐受剪切，因而在連續(xù)剪切過程中導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)損壞所致。滯后環(huán)面積可表征凝膠觸變性的強弱，面積越大說明樣品受到外界的破壞程度越大，同時也更難恢復(fù)到原來的狀態(tài)。由表2 可知，隨著CSBP 添加量的增加體系滯后環(huán)面積呈逐漸增加的趨勢（P＜0.05），表明CSBP可以增強WCS 的觸變性，使WCS 對剪切力更敏感，不易恢復(fù)。

2.3 CSBP 對WCS 動態(tài)流變學(xué)特性的影響

動態(tài)黏彈性是弱凝膠體系的一個重要參數(shù)，在食品加工特性表征和質(zhì)量控制方面具有重要意義。儲能模量G′和損耗模量G″分別反映體系的彈性和黏性性質(zhì)，值越大表明體系的彈性或黏性越強。

應(yīng)變掃描不僅可以獲得測試樣品的線性黏彈區(qū)，還可以對凝膠體系的強弱進行判定。不同CSBP 添加量的WCS/CSBP 復(fù)配體系G′和G″隨應(yīng)變的變化趨勢如圖3a、3b 所示。從圖3a 中可知復(fù)配體系線性黏彈區(qū)為0.01%～10%，超過這個區(qū)域樣品凝膠結(jié)構(gòu)損壞，G′急劇減小，故在頻率掃描時選擇2%應(yīng)變值進行。所有樣品的G″在整個應(yīng)變掃描范圍內(nèi)相對穩(wěn)定。CSBP 的添加可增強凝膠體系的強度，隨著其添加量的增加凝膠體系的G′和G″均呈增加趨勢。

圖3 WCS/CSBP 復(fù)配體系的儲能模量G′（a、c）、損耗模量G"（b、d）隨應(yīng)變、頻率的變化曲線Fig.3 Change curves of storage modulus，loss modulus with strain and frequency of WCS-CSBP blends

由圖3c、3d 可知，所有樣品的G′和G″均隨頻率增加而增大，且G′與G″均無交叉，G′均遠大于G″，表現(xiàn)為一種典型的弱凝膠流變行為[21]。相較于原淀粉，添加CSBP 后，隨著添加量的增大體系的G′和G″均逐漸增加，在頻率15 Hz 時，添加0.4%CSBP 的WCS/CSBP 復(fù)配體系G′和G″分別增長了4.68 和3.17 倍。這可能一方面是由于CSBP 和淀粉通過氫鍵等分子間作用力彼此交聯(lián)，且這種作用力強于直鏈和支鏈淀粉分子間的作用力，另一方面CSBP 較強的凝膠性能可包裹在淀粉顆粒表面，促使形成較強的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使WCS/CSBP 復(fù)配體系表現(xiàn)出更好的黏彈性[22]。

2.4 CSBP 對糊化WCS 粒徑的影響

添加不同含量CSBP，WCS/CSBP 復(fù)配體系糊化后顆粒粒徑分布和D50 變化如圖4 所示。從圖4a 中可以看出，WCS 糊化后粒徑主要分布在10～100 μm 之間，峰值出現(xiàn)在40 μm 附近。隨著CSBP添加量的增加，復(fù)配體系顆粒粒徑增大，體積分布圖向右移動。在添加量0.05%時呈明顯的雙峰分布，隨后左邊較小粒徑處的峰消失，僅在較大粒徑處形成一個新的峰。未糊化WCS 顆粒D50 約為16.57 μm[23]，糊化后D50 顯著增加達到46.19 μm（P＜0.05），隨著CSBP 的增加，WCS/CSBP 復(fù)配體系D50 呈逐漸增加的趨勢，0.4%添加量時達到175.95 μm。此試驗結(jié)果也可部分解釋2.1 節(jié)復(fù)配體系糊化黏度增加的原因。在其它多糖-淀粉復(fù)合體系中也得到了糊化后粒徑增加的結(jié)果，這可能是由于多糖的包裹效應(yīng)增加了淀粉顆粒的剛性，使其在糊化過程中可以充分膨脹而不崩解[24]。

圖4 WCS/CSBP 復(fù)配體系的顆粒粒徑分布和D50 曲線Fig.4 Particle size distribution and D50 of WCS-CSBP blends

2.5 CSBP 對WCS 凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響

添加不同含量CSBP 后，WCS/CSBP 復(fù)配體系凝膠微觀結(jié)構(gòu)的變化如圖5 所示，所有圖中均未觀察到淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，表明淀粉已完全糊化。由圖5a 可以看出，未添加CSBP 的WCS 凝膠結(jié)構(gòu)類似于蜂巢狀，呈現(xiàn)均勻多孔、相互交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔壁較薄。當(dāng)添加CSBP 后，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變，表面孔洞增大，孔結(jié)構(gòu)密度降低，孔壁變厚（圖5b～5f）。在其它果膠類多糖-淀粉復(fù)配體系中也報道了類似的結(jié)果[25]。據(jù)報道，淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)中的孔隙為凝膠干燥前網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)水的位置。隨著CSBP 濃度的增加，一方面CSBP 的包裹效應(yīng)使WCS 淀粉顆粒中的淀粉分子不易滲漏，導(dǎo)致不足以形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，另一方面WCS 溶出的直鏈、支鏈淀粉分子與CSBP 之間的分子間作用力增強，因而水分子更易被固定，形成了更大的孔隙。同時，壁厚隨著CSBP 添加量的增加而增加，表明壁結(jié)構(gòu)變得更加剛性，可使凝膠體系剪切穩(wěn)定性增強。

圖5 WCS/CSBP 復(fù)配體系的微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructures of WCS-CSBP blends

2.6 CSBP 對回生WCS 凝膠強度的影響

硬度是米糕、面包等淀粉基食品最主要的感官特性之一，然而淀粉基食品在貯存過程中，老化將引發(fā)淀粉基食品的硬度顯著增加，使其食用品質(zhì)降低。因此硬度變化在淀粉基食品評價中也是最重要的指標之一。

從圖6 可知，在貯存過程中，WCS/CSBP 復(fù)配體系凝膠強度均呈總體升高的趨勢。然而，隨著CSBP 添加量的增加復(fù)配體系凝膠強度呈逐漸降低的趨勢。從第5 天到第15 天，未添加CSBP 的樣品組的凝膠強度增加了124.67 g，而0.4% CSBP 添加量的樣品組的凝膠強度僅增加了66.67 g。說明加入CSBP 之后，WCS/CSBP 復(fù)配體系中淀粉的結(jié)晶過程被抑制，老化速率降低。Zhang 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，將高、低分子質(zhì)量果膠添加到玉米淀粉中，貯存過程中其凝膠強度均顯著低于對照組。此外，王存堂等[26]研究也發(fā)現(xiàn)，將黑豆皮乙醇提取物添加到大米淀粉中，其凝膠強度顯著下降（P＜0.05），同時凝膠老化過程中強度增加的速度也得到了抑制。WCS 因其直鏈淀粉含量較低，因此無法在其糊化后的初期冷卻過程中借助直鏈淀粉主導(dǎo)的短期回生迅速形成具有一定強度的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然而在長期老化過程中，WCS 的支鏈淀粉分子可以借助直鏈淀粉形成的結(jié)晶為核心，通過分子間、分子內(nèi)的氫鍵作用緩慢形成長鏈且有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而引起WCS 凝膠儲藏過程中硬度的逐漸增大[27]。加入CSBP 之后，一方面果膠穿透淀粉內(nèi)部，使淀粉分子鏈之間的空間距離增加，另一方面果膠分子的羥基可與淀粉分子的羥基之間形成氫鍵相互作用，降低了淀粉分子間羥基作用而形成的氫鍵，從而阻礙了淀粉回生過程中有序結(jié)構(gòu)的形成，降低了WCS 凝膠的強度。

圖6 WCS/CSBP 復(fù)配體系的凝膠強度Fig.6 Gel strength of WCS-CSBP blends

2.7 CSBP 對回生WCS 晶體結(jié)構(gòu)的影響

通過測定結(jié)晶區(qū)的長程有序結(jié)構(gòu)，XRD 可以評價淀粉樣品的老化特性。從圖7 可知，天然WCS 在15°和23°處呈現(xiàn)較強的單衍射峰，而在17°和18°附近處呈現(xiàn)較強的雙衍射峰，為谷物淀粉典型的A 型晶峰[28]。淀粉在糊化后晶體結(jié)構(gòu)被破壞，特征結(jié)晶峰消失，然而糊化后的淀粉在低溫儲藏過程中分子鏈可發(fā)生重排，引發(fā)回生現(xiàn)象，回生程度越強結(jié)晶度也隨之增加，XRD 圖譜中衍射峰越高越窄。未添加CSBP 的WCS 老化15 d 后僅在17°左右出現(xiàn)較強衍射峰，這主要是由于支鏈淀粉的重結(jié)晶引起。加入不同添加量的CSBP 后17°處峰強度顯著減弱，這可能是由于CSBP 可以抑制支鏈淀粉重排。本研究表明，加入CSBP 可抑制WCS 的老化，這與凝膠強度結(jié)果一致。在支鏈極限糊精-WCS 復(fù)配體系研究中也得到類似的結(jié)果[29]。

圖7 WCS/CSBP 復(fù)配體系的XRD 圖Fig.7 X-ray diffraction profile of WCS-CSBP blends

3 結(jié)論

本研究表明，不同添加量的CSBP 顯著改變了WCS 的糊化、流變和老化性質(zhì)。添加CSBP 后，WCS-CSBP 復(fù)配體系的崩解值、回生值、峰值黏度和終值黏度顯著增大（P＜0.05），而糊化溫度未發(fā)生改變（P＞0.05）。隨CSBP 添加量的增加，體系的增稠效果及剪切稀化現(xiàn)象更明顯（P＜0.05），G′和G″均呈增加趨勢。添加CSBP 使體系糊化后粒徑顯著增大（P＜0.05），同時凝膠結(jié)構(gòu)的孔隙變大、孔壁變厚。儲藏過程中，WCS-CSBP 復(fù)配體系的凝膠強度隨著CSBP 添加量的增加逐漸降低（P＜0.05），老化得到延緩。研究結(jié)果為CSBP 對淀粉基食品理化特性影響的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。