王心，張 萌，劉 笑，梁乃國(guó)，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）

淀粉是一種由葡萄糖單元通過(guò)糖苷鍵連接而成的天然高分子碳水化合物，它不僅是人類日常生活中的主要能量供給物質(zhì)，還被作為穩(wěn)定劑、增稠劑和黏合劑廣泛應(yīng)用于食品和非食品工業(yè)中[1]。小麥淀粉（wheat starch，WS）是小麥籽粒中含量最為豐富的組分，約占其質(zhì)量的65%，對(duì)小麥?zhǔn)称返馁|(zhì)量起著重要作用。WS 在食品加工中主要被用于制作脂肪替代品、河粉及涼皮等，同時(shí)，還被作為膠黏劑和增稠劑等廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、化妝品等工業(yè)中[2]。然而，天然小麥淀粉在加工過(guò)程中仍存在許多缺點(diǎn)，使其在某些食品中的應(yīng)用受到限制。

目前，在食品加工中淀粉與親水性膠體的復(fù)配體系已被使用，可克服天然淀粉在加工過(guò)程中表現(xiàn)的不耐受蒸煮、剪切、酸堿和易老化等缺陷[3]。然而，淀粉/親水性膠體復(fù)配體系常與其它配料共同存在于食品中，因此很多因素都會(huì)對(duì)復(fù)配體系的理化特性產(chǎn)生影響[4]。其中，鹽離子對(duì)復(fù)配體系的影響最為顯著。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者就鹽離子類型、濃度和價(jià)態(tài)等條件對(duì)淀粉/親水性膠體復(fù)配體系的影響做了廣泛探討。Samutsri等[5]研究發(fā)現(xiàn)，鹽離子對(duì)大米淀粉/離子型膠體復(fù)配體系的影響要大于大米淀粉/非離子型膠體復(fù)配體系。Luo等[6]研究了涼草粉多糖/玉米淀粉體系，發(fā)現(xiàn)KCl 和NaCl主要通過(guò)靜電屏蔽作用影響復(fù)配體系，添加鹽離子抑制了糊化過(guò)程中玉米淀粉的膨脹，使淀粉顆粒保持完整，顯著提高了復(fù)配體系的糊化黏度。蔡旭冉等[7]對(duì)馬鈴薯淀粉/黃原膠復(fù)配體系的研究表明，加入鹽離子降低了復(fù)配體系的峰值黏度、終值黏度和崩解值，增加了復(fù)配體系的假塑性。

甜菜果膠（sugar beet pectin，SBP）是甜菜加工的副產(chǎn)品，相比于其它來(lái)源果膠SBP 具有較高的蛋白質(zhì)和阿魏?；浚蚨尸F(xiàn)出較高的表面活性和乳化穩(wěn)定性[8]。然而，SBP 較低的分子質(zhì)量和較高的乙?；浚蛊錈o(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)糖、酸比和添加鈣離子的方式形成凝膠，在一定程度上限制了其應(yīng)用[9]。目前，酸法、堿法和酶法等手段被用來(lái)降低SBP 酯化度制備低酯甜菜果膠（low methoxyl sugar beet pectin，LP），從而提高SBP 對(duì)鈣離子的敏感性[10]。近年來(lái)，其它來(lái)源的果膠被加入淀粉中，研究表明果膠能夠不同程度地改善淀粉的加工特性[11]。然而，關(guān)于LP 對(duì)淀粉加工特性的影響尚未見(jiàn)報(bào)道，也未見(jiàn)鹽離子對(duì)LP/淀粉復(fù)配體系理化性質(zhì)影響的報(bào)道。

本研究選取WS 和LP 為原料，探討鈣離子添加量對(duì)WS/LP 復(fù)配體系糊化、流變、質(zhì)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)的影響，以期為WS/LP 復(fù)配體系在食品加工中的應(yīng)用提供試驗(yàn)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

WS，山東渠風(fēng)食品科技有限公司；SBP，德國(guó)Herbstreith&Fox KG 公司；濃鹽酸、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇、氯化鈣、溴化鉀，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器

DHR-1 流變儀，美國(guó)TA 儀器公司；SU8010型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，日本日立株式會(huì)社；CT3-25k質(zhì)構(gòu)儀，美國(guó)Brookfield 公司；Nicolet iS5 傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)Thermo 公司。

1.3 方法

1.3.1 LP 的制備 參照Z(yǔ)hang等[12]的方法，采用堿法制備LP。取20.0 g SBP 溶于2 L 去離子水中，過(guò)夜攪拌均勻，用1 mol/L NaOH 調(diào)節(jié)溶液pH值到12.0，于25 ℃下反應(yīng)30 min 后立即用1 mol/L HCl 調(diào)節(jié)溶液pH 值到7.0，終止反應(yīng)。然后，將反應(yīng)液按體積比1∶3 加入無(wú)水乙醇，靜置2 h，過(guò)濾得果膠沉淀，將濾渣于45 ℃烘箱熱風(fēng)干燥24 h，磨粉過(guò)100 目篩，備用。

1.3.2 糊化特性的測(cè)定 采用流變儀的Starch Pasting Cell 附件測(cè)定樣品的糊化性質(zhì)[13]。于鋁筒中加入25 mL 去離子水，接著加入WS 和LP 使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到6%和0.25%，得WS/LP 復(fù)配體系。然后，向復(fù)配體系中添加鈣離子，使其添加量分別達(dá)到0，0.5，1.0 和1.5 mmol/L，將不同鈣離子添加量的樣品分別記為WSLP、WSLP0.5Ca、WSLP1.0Ca 和WSLP1.5Ca。記錄所有樣品升溫過(guò)程中的黏度變化，測(cè)試程序如下：首先將樣品加熱至50 ℃并保持1 min，接著以12 ℃/min 的恒定速率將溫度從50 ℃升至95 ℃，并在95 ℃保持2.5 min。然后，以相同的速率冷卻至50 ℃，并保持2 min。在試驗(yàn)前10 s 攪拌速度設(shè)置為960 r/min，而在其余時(shí)間攪拌速度設(shè)置為160 r/min。

1.3.3 流變特性的測(cè)定 參照李妍等[14]的方法并稍作修改。采用平板夾具進(jìn)行流變特性測(cè)定，平板直徑為40 mm，間隙設(shè)置為1 000 μm。取1.3.2 節(jié)制備的淀粉糊，趁熱轉(zhuǎn)移到流變儀上，然后刮去板外多余樣品，25 ℃下平衡5 min 后開(kāi)始試驗(yàn)。

靜態(tài)流變特性測(cè)定：溫度25 ℃，剪切速率先從0.1～100 s-1遞增，再?gòu)?00～0.1 s-1遞減。采用Herschel-Bulkley 模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行回歸擬合，公式如下：

式中：σ——剪切應(yīng)力，Pa；σ0——屈服應(yīng)力，Pa；K——稠度系數(shù)，（Pa·sn）；γ——剪切速率，s-1；n——流動(dòng)特征指數(shù)。

動(dòng)態(tài)頻率掃描測(cè)定：溫度25 ℃，設(shè)置頻率范圍0.15～15 Hz，應(yīng)變2%，記錄儲(chǔ)能模量（G′）和損耗模量（G"）隨頻率的變化。

蠕變特性測(cè)定：控制應(yīng)力恒定為1.0 Pa，保持120 s，記錄樣品蠕變?nèi)崃浚↗）隨時(shí)間的變化，采用Burgers 模型[15]對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行回歸擬合，公式如下：

式中：J——柔量/Pa-1；J0——瞬時(shí)柔量，Pa-1；Jm——延遲柔量，Pa-1；λ——延遲時(shí)間/s；η0——剪切速率s。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)特性的測(cè)定 參照張晶等[16]的方法并稍作修改。取1.3.2 節(jié)制得的淀粉糊，趁熱裝進(jìn)塑料圓筒（直徑22 mm×深度25 mm）中，密封后于4 ℃儲(chǔ)存24 h，使樣品完全形成凝膠。隨后，待凝膠恢復(fù)至室溫，選用TA-AACC36 探頭進(jìn)行TPA質(zhì)構(gòu)分析。測(cè)量參數(shù)設(shè)置：測(cè)試前、測(cè)試中和測(cè)試后的速度均為1 mm/s，壓縮形變30%，觸發(fā)力5 g，可恢復(fù)時(shí)間5 s。

1.3.5 紅外光譜掃描 收集1.3.2 節(jié)制得的淀粉糊，冷凍干燥后研磨，過(guò)100 目篩。取干燥的樣品與KBr 按質(zhì)量比1∶50 混合，然后將混合物充分研磨成細(xì)粉，壓成透明薄片后用傅里葉紅外光譜儀測(cè)量。掃描次數(shù)64 次，波數(shù)范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.3.6 微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)定 收集1.3.2 節(jié)制得的淀粉糊，真空冷凍干燥。將干燥后的樣品切成薄片后固定于樣品臺(tái)的雙面導(dǎo)電膠帶上，真空噴金后置于掃描電子顯微鏡（SEM）樣品室中，在5 kV 的加速電壓下放大100 倍進(jìn)行形貌觀察并拍照。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)至少重復(fù)測(cè)定3 次，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析（P<0.05），用OriginPro 2021 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣離子對(duì)WS/LP 復(fù)配體系糊化特性的影響

加熱淀粉懸浮液，當(dāng)達(dá)到糊化溫度時(shí)，淀粉顆粒迅速吸水膨脹，體系黏度升高，淀粉顆粒從有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序狀態(tài)，而后降溫時(shí)淀粉分子迅速發(fā)生重排形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，記錄糊化過(guò)程中黏度的變化獲得淀粉的糊化參數(shù)。添加鈣離子對(duì)WS/LP 復(fù)配體系糊化特征值的影響見(jiàn)表1。添加LP 后，WS 的峰值黏度和崩解值顯著降低（P<0.05），終值黏度顯著升高（P<0.05），而回生值和糊化溫度未發(fā)生顯著變化（P>0.05）。這可能是由于LP 可以覆蓋在淀粉顆粒表面，從而抑制淀粉顆粒在糊化過(guò)程中的吸水膨脹[17]。而在WS/LP 復(fù)配體系中添加鈣離子后，隨著濃度的提高，復(fù)配體系的峰值黏度、崩解值、終值黏度和回生值均逐漸升高（P<0.05），而糊化溫度未發(fā)生顯著變化（P>0.05），這與鄭炯等[4]的試驗(yàn)結(jié)果相似。復(fù)配體系黏度的增加可能是由于添加鈣離子后形成果膠凝膠網(wǎng)絡(luò)，提高了連續(xù)相的黏度，從而導(dǎo)致體系中淀粉顆粒或浸出的直鏈淀粉分子濃度增加[14]。然而，Yuliarti等[18]報(bào)道添加鈣離子降低了木薯/低甲氧基果膠復(fù)配體系的黏度，產(chǎn)生這種差異可能是由于不同研究中所采用的鈣離子、果膠濃度不同，當(dāng)添加量較高時(shí)形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，具有較高的水合能力，可能在一定程度上限制淀粉顆粒的吸水膨脹與淀粉分子的滲出，最終降低了體系的黏度。

表1 鈣離子添加量對(duì)WS/LP 復(fù)配體系糊化特征參數(shù)的影響Table 1 Effect of calcium ion addition on pasting parameters of WS-LP blends

2.2 鈣離子對(duì)WS/LP 復(fù)配體系靜態(tài)流變特性的影響

由圖1 可知，所有樣品的黏度均隨剪切速率的增加而降低，表明所有樣品均為假塑性流體，具有剪切變稀的特征。隨著剪切速率的提高，淀粉分子鏈之間的纏結(jié)逐漸減少，因而表現(xiàn)出剪切變稀的行為，在其它淀粉與親水膠體復(fù)配體系中也報(bào)道了類似的結(jié)果[19]。添加LP 后，WS 的黏度略有增加，而后隨著鈣離子添加量的增加WS/LP 復(fù)配體系的黏度也逐漸升高。這種趨勢(shì)與糊化特性分析結(jié)果是一致的。

由圖2 可知，所有樣品的剪切應(yīng)力均隨剪切速率的增加而增大。采用Herschel-Bulkley 模型對(duì)樣品的靜態(tài)流變曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表2。所有擬合方程的R2值均大于0.99，表明擬合度較好。所有樣品的流動(dòng)特征指數(shù)（n）都小于1，均為典型的假塑性流體。在添加LP 后，WS 的上行曲線和下行曲線的屈服應(yīng)力（σ0）均增大，而稠度系數(shù)（K）均降低。隨著鈣離子添加量的增加，WS/LP 復(fù)配體系的上行和下行曲線的σ0均逐漸增大，而K 均逐漸降低，表明鈣離子對(duì)復(fù)配體系具有很好的增稠作用。隨著鈣離子添加量的增加，一方面形成果膠凝膠結(jié)構(gòu)，另一方面淀粉分子的局部濃度提高，促進(jìn)了淀粉分子鏈相互纏結(jié)，因而體系顯示出較高的黏度。添加LP 并未影響WS 的滯后環(huán)面積，而隨著鈣離子添加量的增加，WS/LP 復(fù)配體系的滯后環(huán)面積先略有降低，后呈逐漸升高的趨勢(shì)。

圖2 鈣離子添加量對(duì)WS/LP 復(fù)配體系靜態(tài)流變曲線的影響Fig.2 Effect of calcium ion addition on flow curves of WS-LP blends

表2 WS/LP 復(fù)配體系Herschel-Bulkley 模型參數(shù)Table 2 Parameters of Herschel-Bulkley model for WS-LP blends

2.3 鈣離子對(duì)WS/LP 復(fù)配體系動(dòng)態(tài)流變特性的影響

動(dòng)態(tài)流變學(xué)可用于評(píng)估半固態(tài)食品的黏彈性和結(jié)構(gòu)，WS/LP 復(fù)配體系的動(dòng)態(tài)頻率掃描曲線如圖3 所示。所有樣品的儲(chǔ)能模量（G′）和損耗模量（G"）均隨頻率的增加而增加，且G′總是大于G"，表明彈性成分比黏性成分占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)出類似固體的行為。與WS 相比，添加LP 后，樣品G′變化不大，而G"略有增加。添加鈣離子后，WS/LP復(fù)配體系的G′和G" 均隨添加量的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，這表明鈣離子可以顯著改善WS/LP 復(fù)配體系的黏彈性。這歸因于鈣離子的加入促進(jìn)了果膠凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，使其水合能力提高，從而增強(qiáng)了體系中淀粉分子間的相互作用，進(jìn)而有助于形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并增強(qiáng)黏彈性。與本研究結(jié)果一致，楊英等[20]研究發(fā)現(xiàn)鈣離子可以提高海藻酸鈉/大米淀粉復(fù)配體系的黏彈性。

圖3 WS/LP 復(fù)配體系的儲(chǔ)能模量和損耗模量隨頻率變化曲線Fig.3 Change curves of storage modulus and loss modulus with frequency of WS-LP blends

2.4 鈣離子對(duì)WS/LP 復(fù)配體系蠕變特性的影響

由圖4 可知，施加應(yīng)力時(shí)應(yīng)變急劇增加，而后隨著應(yīng)力的持續(xù)施加應(yīng)變繼續(xù)增加，所有樣品對(duì)應(yīng)力均呈非線性響應(yīng)，符合Burgers 模型。表3 為用Burgers 模型對(duì)樣品蠕變擬合參數(shù)，R2在0.8404～0.9576 之間。與WS 相比，添加LP 后，樣品瞬時(shí)柔量（J0）和延遲柔量（Jm）均降低；添加鈣離子后，WS/LP 復(fù)配體系的J0和Jm均隨添加量的增加呈逐漸降低趨勢(shì)。蠕變?nèi)崃颗c凝膠系統(tǒng)的變形和流動(dòng)特性有關(guān)[21]。添加鈣離子后WS/LP 復(fù)配體系的蠕變?nèi)崃拷档褪且蚱渚哂懈偷牧鲃?dòng)性和變形性。延遲時(shí)間（λ）與體系在特定應(yīng)力下實(shí)現(xiàn)完全變形所需的時(shí)間成正比，而剪切速率（η0）可用于表征體系的流體行為[22]。添加LP 后，WS 的λ 和η0均增加，而后隨鈣離子的添加，WS/LP 復(fù)配體系的λ 和η0呈逐漸升高的趨勢(shì)。上述結(jié)果也表明鈣離子的增加增強(qiáng)了WS/LP 復(fù)配體系的凝膠強(qiáng)度。這歸因于鈣離子的添加促進(jìn)了果膠凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，進(jìn)而增加了淀粉分子鏈之間的相互作用，從而降低了凝膠系統(tǒng)的可變形性和流動(dòng)性，因此降低了J0和Jm的值，而提高了λ 和η0的值。

圖4 鈣離子添加量對(duì)WS/LP 復(fù)配體系蠕變曲線的影響Fig.4 Effect of calcium ion addition on creep curves of WS-LP blends

表3 WS/LP 復(fù)配體系Burgers 模型參數(shù)Table 3 Parameters of Burgers model for WS-LP blends

2.5 鈣離子對(duì)WS/LP 復(fù)配體系質(zhì)構(gòu)特性的影響

由表4 可知，添加LP 后，WS 的硬度、內(nèi)聚性、彈性、膠著性和咀嚼性都顯著增加（P<0.05）。在WS/LP 復(fù)配體系中，隨著鈣離子添加量的增加，體系的硬度、膠著性和咀嚼性都顯著增加（P<0.05），而體系的內(nèi)聚性在添加鈣離子后未發(fā)生顯著變化（P>0.05）。此外，復(fù)配體系凝膠的彈性隨著鈣離子添加量的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。上述結(jié)果表明，添加鈣離子可有效改變WS/LP 復(fù)配體系的凝膠結(jié)構(gòu)。添加鈣離子，促進(jìn)了果膠凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，同時(shí)也增加了淀粉分子之間的相互作用，從而加強(qiáng)了復(fù)配體系的凝膠結(jié)構(gòu)，改善了凝膠的質(zhì)構(gòu)特性。類似地，鄭炯等[4]稱，鈣離子添加到豌豆淀粉/低酯果膠復(fù)配體系中使體系的硬度和咀嚼性增加。Agudelo等[23]也發(fā)現(xiàn)含有鈣離子的木薯淀粉/低酯果膠復(fù)配體系具有更高的凝膠強(qiáng)度和彈性。

表4 鈣離子添加量對(duì)WS/LP 復(fù)配體系質(zhì)構(gòu)的影響Table 4 Effect of calcium ion addition on textural properties of WCS-CSBP blends

2.6 鈣離子對(duì)WS/LP 復(fù)配體系紅外光譜的影響

目前紅外光譜被廣泛用于表征淀粉的官能團(tuán)及短程有序結(jié)構(gòu)[24]。鈣離子添加量對(duì)WS/LP 復(fù)配體系紅外光譜的影響如圖5 所示。樣品在3 384 cm-1處的較強(qiáng)吸收峰由O-H 的伸縮振動(dòng)引起，2 930 cm-1處的尖峰由C-H 的伸縮和彎曲振動(dòng)引起。1 648 cm-1處的峰與樣品的含水量有關(guān)，為淀粉無(wú)定形區(qū)結(jié)合水的彎曲振動(dòng)引起[25]，而1 156 和1 022 cm-1附近的峰與C-O 的伸縮振動(dòng)有關(guān)。在4 000～400 cm-1范圍，WS 在添加LP 以及WS/LP復(fù)配體系在添加鈣離子后紅外光譜均未出現(xiàn)新的峰，表明樣品中沒(méi)有形成新的共價(jià)鍵。在復(fù)配體系中添加鈣離子可能主要通過(guò)改變氫鍵、靜電或疏水作用影響體系的理化特性[26]。

圖5 鈣離子添加量對(duì)WS/LP 復(fù)配體系紅外光譜的影響Fig.5 Effect of calcium ion addition on FTIR spectra of WS-LP blends

2.7 鈣離子對(duì)WS/LP 復(fù)配體系微觀結(jié)構(gòu)的影響

采用SEM 觀察樣品糊化后形成的凝膠微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果見(jiàn)圖6。圖中均未觀察到明顯的淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，表明淀粉顆粒已完全糊化。WS 糊化后呈致密的類蜂窩狀結(jié)構(gòu)，添加LP 后，孔徑增大，孔壁表面變得更光滑。Liu等[27]在土豆淀粉中添加果膠類多糖也有類似的現(xiàn)象。隨著鈣離子濃度的增加，WS/LP 復(fù)配體系的孔徑逐漸增大，孔壁厚度逐漸增加。這可能是由于添加鈣離子后，淀粉分子以及果膠多糖之間的相互作用增強(qiáng)，水分子被固定，因而在冷凍干燥后水分蒸發(fā)形成更大的孔隙[24]。添加鈣離子后孔壁厚度增加，表明孔壁結(jié)構(gòu)變得更加剛性，這也可能在一定程度上提高WS/LP 復(fù)配體系的硬度。當(dāng)鈣離子濃度達(dá)1.5 mmol/L 時(shí)，WS/LP 復(fù)配體系形成大小不均勻的孔洞，這可能是由于高濃度鈣離子誘導(dǎo)的LP 交聯(lián)使其與淀粉分子的相容性降低所致。這也解釋了進(jìn)一步提高鈣離子濃度，WS/LP 復(fù)配體系的凝膠硬度反而降低（結(jié)果未呈現(xiàn)）。

圖6 鈣離子添加量對(duì)WS/LP 復(fù)配體系微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.6 Effect of calcium ion addition on microstructures of WS-LP blends

3 結(jié)論

本研究表明，添加鈣離子改變了WS/LP 復(fù)配體系的糊化和流變特性。鈣離子使復(fù)配體系的峰值黏度、崩解值、終值黏度和回生值增加（P<0.05），而對(duì)糊化溫度影響不大（P>0.05）。添加鈣離子后，復(fù)配體系仍為假塑性流體，而其σ0提高，K 降低，G′和G"均隨添加量的增加而逐漸增加。復(fù)配體系的硬度、膠著性和咀嚼性在添加鈣離子后均顯著提高（P<0.05）。此外，紅外光譜結(jié)果表明添加鈣離子后復(fù)配體系并未形成新的共價(jià)鍵，而微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，添加鈣離子后，復(fù)配體系的孔徑增大，孔壁厚度增加。本研究可為淀粉/親水膠體復(fù)配體系在復(fù)雜食品體系中的應(yīng)用提供一定參考。在后續(xù)研究中，將對(duì)其它鹽離子及pH 值等因素對(duì)WS/LP 復(fù)配體系的糊化和流變特性的影響做更深入的研究。