瓜爾膠和黃原膠對馬鈴薯淀粉糊化特性影響的比較研究

蔡旭冉,徐祝萍,徐忠東,蔡治華

(1.合肥師范學院生命科學學院,安徽合肥 230601;2.安徽省藍莓工程技術研究中心,安徽合肥 230601;3.安徽科技學院動物科學學院,安徽鳳陽 233100)

瓜爾膠和黃原膠對馬鈴薯淀粉糊化特性影響的比較研究

蔡旭冉1,2,徐祝萍1,徐忠東1,蔡治華3,*

(1.合肥師范學院生命科學學院,安徽合肥 230601;2.安徽省藍莓工程技術研究中心,安徽合肥 230601;3.安徽科技學院動物科學學院,安徽鳳陽 233100)

將馬鈴薯淀粉分別與瓜爾膠和黃原膠以一定的比例復配,探討兩種膠體對馬鈴薯淀粉黏度、熱穩定性、凝沉性、凍融穩定性和質構特性等糊化特性的影響。結果表明:瓜爾膠提高了淀粉糊的黏度和凍融穩定性,降低了淀粉糊的熱穩定性、凝沉性、硬度、黏附性、膠黏性和咀嚼性;而黃原膠增加了淀粉糊的熱穩定性和凍融穩定性,但降低了糊的黏度、凝沉性、硬度、黏附性、膠黏性和咀嚼性;且隨著兩種膠體含量的不同淀粉糊化特性也不同。

瓜爾膠,黃原膠,馬鈴薯淀粉,糊化特性

馬鈴薯淀粉是一種重要的植物淀粉,其生產量僅次于玉米淀粉,由于其具有獨特的性能:顆粒大、黏度高、易膨脹、糊化透明度高等,因此常被用作增稠劑、穩定劑和黏結劑而廣泛地應用于面包、奶制品、香腸、火腿腸、膨化食品等淀粉基食品中[1],但由于天然淀粉對加熱和剪切力較敏感[2],而熱處理和剪切在食品加工過程中又是難以避免的,所以在很多情況下馬鈴薯淀粉并不能滿足食品加工的要求,可添加親水膠體來改善馬鈴薯淀粉的加工特性[3]。

黃原膠與瓜爾膠是所有親水性膠體中用途較為廣泛、使用較多的兩種膠體[4]。其中黃原膠是集增稠、懸浮、乳化、穩定于一體的性能優越的生物膠,其分子主要由葡萄糖、葡萄糖醛酸、甘露糖、乙?；捅峋酆隙?具有陰離子膠的特性。瓜爾膠主要由半乳糖和甘露糖聚合而成,為一種天然的增稠劑,具有中性膠的特性。因此這兩種膠均可以和馬鈴薯淀粉相互作用,來改善馬鈴薯淀粉的糊化特性。目前,關于親水膠體對淀粉特性影響的研究較多,例如:石點等[5]研究了瓜爾膠對玉米淀粉糊化黏度的影響,發現瓜爾膠會大大增加玉米淀粉糊的峰值黏度,降低回生速度。唐敏敏等[6]研究了黃原膠對綠豆淀粉糊化特性的影響,發現黃原膠可增加綠豆淀粉的峰值黏度,降低崩解值和回生值。廖瑾等[7]研究了阿拉伯膠對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響,結果表明隨著阿拉伯膠含量的增加,混合體系的峰值黏度降低,熱穩定性提高,回生程度稍有提高。但關于瓜爾膠和黃原膠對馬鈴薯淀粉糊化特性影響的相互比較研究較少,且根據瓜爾膠與黃原膠在低濃度時就可形成高粘稠溶液,考慮到親水膠體與淀粉在食品工業中實際應用的成本和比例情況,因此本文主要采用淀粉與膠體的復配比例分別為10∶0、80∶1、60∶1和40∶1,來探討瓜爾膠和黃原膠分別對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響,為工業食品加工提供理論指導。

表1 馬鈴薯淀粉與膠體淀粉復配體系糊化黏度

注:重復測定三次,同一列里的平均值(±標準差)所帶不同字母表示差異顯著(p<0.05)，表2～表4同。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉 食品級,上海禾煜貿易有限公司;瓜爾膠、黃原膠 食品級,蘇州丹尼斯克(中國)有限公司。

NDJ-1旋轉式黏度計 上海平軒科學儀器有限公司;HH-4數顯恒溫水浴鍋 常州朗越儀器制造有限公司;TGL-16G-B高速離心機 湖南星科科學儀器有限公司;TA-XT Plus型質構儀 英國SMS公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 淀粉黏度的測定 準確稱取一定量的馬鈴薯淀粉、瓜爾膠、黃原膠,兩種膠體分別與蒸餾水混勻后加入淀粉,調成質量分數為3%的淀粉與膠體復配的懸浮液(以干基計,m(淀粉)∶m(膠體)分別為10∶1、80∶1、60∶1和40∶1)。在沸水浴充分攪拌糊化15 min后立即用旋轉式黏度計測定淀粉糊的黏度,選用3號轉子,轉速為6 r/min。

1.2.2 凍融穩定性的測定 取8支塑料離心管,編號,加蓋,稱量質量。分別稱取一定量的膠體和淀粉,與蒸餾水混合制成質量分數為3%不同復配比例的懸浮液,在沸水浴中糊化15 min,冷卻至室溫,取約30 mL倒入離心管中,加蓋,稱量質量。置于-18 ℃的冰箱中冷凍22 h后取出自然解凍[8]。在4500 r/min條件下離心20 min,棄去上層清液,稱量離心管和沉淀物總質量,計算析水率。

析水率(%)=(1-脫水后淀粉乳質量/脫水前淀粉乳質量)×100

1.2.3 淀粉耐熱穩定性的測定 分別稱取一定量的馬鈴薯淀粉、瓜爾膠、黃原膠,兩種膠體分別與蒸餾水混勻后加入淀粉,調成質量分數為3%的淀粉與膠體復配的懸浮液(m(淀粉)∶m(膠體)為40∶1)。在不同溫度和保溫時間下糊化,取出后立即測其黏度。溫度和保溫時間分別為60 ℃下保溫10 min、70 ℃下保溫10 min、80 ℃下保溫10 min、95 ℃下保溫10 min、95 ℃下保溫15 min、95 ℃下保溫30 min和95 ℃下保溫60 min。

1.2.4 淀粉凝沉性測定 將150 mL配制好的質量分數為1%的淀粉與膠體復配的懸浮液,在沸水浴中糊化15 min,冷卻至室溫,倒入帶塞量筒中至刻度100 mL,加塞密封。在室溫下靜置數天,在不同時刻記錄下方沉淀物的體積。

1.2.5 淀粉全質構的測定 準確配制質量分數為8%的淀粉與膠體復配的懸浮液,分別在沸水浴中加熱15 min,冷卻后放在4 ℃冰箱中24 h,備用。柱狀樣品高為60 mm,直徑為40 mm。

用質構儀測凝膠的質構特征,參數設定為:TPA模式,探頭型號P/36R,感應力5 g,測前速度1.0 mm/s,測試速度1.0 mm/s,測后速度1.0 mm/s,測試距離20 mm[9]。

2 結果與分析

2.1 淀粉黏度的測定

馬鈴薯淀粉和馬鈴薯淀粉與膠體復配體系在沸水浴糊化時,淀粉顆粒受熱吸水迅速膨脹,體積增加,懸浮液的黏度迅速上升,成為淀粉糊,加熱糊化后立即用旋轉式黏度計測黏度,結果如表1。

由表1可知,瓜爾膠增加了馬鈴薯淀粉糊的黏度,而黃原膠降低了馬鈴薯淀粉糊的黏度,且在一定的范圍內隨著膠體量的增多,作用效果越明顯。瓜爾膠增加了馬鈴薯淀粉黏度可能原因有三,一是膠體與淀粉存在著熱力學不相容的相分離行為,使得膠體和淀粉的每一組分相互獨立的存在于溶液微相中,使溶液濃度增加[3],因此提高了淀粉膠體體系的濃度;二是瓜爾膠易溶于水,在水中是呈連續相分布,而糊化的淀粉也可看作是連續相(直鏈淀粉和支鏈淀粉)和分散相(淀粉顆粒)組成[10],淀粉糊化時,顆粒吸水膨脹使連續相中的水分降低而使其濃度升高,所以復配體系的黏度增加[11];三是隨著淀粉顆粒吸水膨脹,直鏈淀粉分子從中析出,與膠體分子相互作用形成穩定氫鍵[12],從而提高體系的黏度,但由于馬鈴薯淀粉直鏈淀粉很少,膠體與直鏈淀粉之間的作用較弱,故復配體系還是以相分離為主。黃原膠降低了體系的黏度可能是因為帶負電的黃原膠側鏈與帶負電荷的馬鈴薯淀粉顆粒之間的相互排斥作用,使得黃原膠分子不能進入淀粉顆粒而只能附著在淀粉顆粒表面,從而使淀粉顆粒難以充分膨脹糊化,因而淀粉與黃原膠復配體系的黏度總是低于原淀粉糊的黏度[13]。瓜爾膠增加馬鈴薯淀粉糊黏度可以應用在果醬、酸奶等需要增稠的食物中,而黃原膠降低馬鈴薯淀粉糊黏度則可用在湯、豆漿等食物中,賦予食品適宜的黏度。

表2 馬鈴薯淀粉與膠體淀粉復配體系凍融析水率

2.2 凍融穩定性的測定

淀粉在冷凍過程中發生老化,造成結構發生變化,影響食品品質。常用淀粉糊的析水率來表示淀粉的凍融穩定性,析水率越小,說明淀粉糊的凍融穩定性越好[14]。淀粉糊在-18 ℃冷凍時,淀粉發生老化,鏈之間形成網絡結構,水分子凝結成小冰晶,在常溫解凍時,小冰晶融化成水從網狀結構中析出[15],進而可以測出析水率。

由表2可知,瓜爾膠和黃原膠均降低了馬鈴薯淀粉的析水率,且隨著膠體的比例增大,析水率降低的越大,表明瓜爾膠和黃原膠都可增加馬鈴薯淀粉糊的凍融穩定性,而且黃原膠的增加效果比瓜爾膠更加明顯。原因可能是親水性膠體與淀粉的復配體系中,膠體具有良好的親水性,吸附了體系中的部分水分,使淀粉分子結合的水分減少,從而解凍時析出的水分降低。黃原膠由于帶有負電荷而與馬鈴薯淀粉發生靜電斥力而使凍融的淀粉顆粒增大,進而減少了水分的析出[16]。瓜爾膠與糊化時析出的直鏈淀粉相互作用,阻止了馬鈴薯淀粉老化時剛性結構的形成,降低水分的析出,但由于馬鈴薯直鏈淀粉含量低,故瓜爾膠的這種作用不強,黃原膠作用效果更加明顯。對于一些冷凍食品,例如:冰淇淋、肉制品等,膠體淀粉的復配體系能更好地保持其水分,穩定食品結構,使其仍具有細膩的口感。

2.3 淀粉耐熱穩定性的測定

由以上的實驗結果可知,膠體與淀粉復配的四個配比中,m(淀粉)∶m(膠體)=40∶1的效果最明顯,因此以下實驗均以m(淀粉)∶m(膠體)=40∶1的比例來測定。

淀粉發生糊化時,當溫度較低時淀粉糊化較慢,黏度較低,并隨著溫度的升高糊化程度越高,達到一定溫度時,黏度值達到最高,隨著加熱時間的繼續淀粉黏度逐漸降低。原因主要是淀粉加熱吸水膨脹,形成淀粉糊,隨著加熱時間的增加,支鏈淀粉分子繼續伸展,淀粉顆粒破裂,直鏈淀粉分子從中析出,導致黏度下降[17]。

從圖1可以看出,與原淀粉相比,加入瓜爾膠的體系的黏度隨著溫度的增加上升的較快,加入黃原膠體系的黏度隨著溫度的增加上升的較平緩,原因可能是膠體與淀粉存在著熱力學不相容的相分離行為,使得膠體和淀粉的每一組分相互獨立的存在于溶液微相中,使溶液濃度增加,黏度變大,而黃原膠由于帶負電的側鏈與帶負電荷的馬鈴薯淀粉顆粒之間的相互排斥作用,使得淀粉難以充分糊化,所以體系的黏度變化平緩。

圖1 馬鈴薯淀粉與膠體淀粉復配體系在不同溫度下加熱10 min的黏度Fig.1 Viscosities of the mixed systems of potato starch/guar gum and potato starch/xanthan gum heated for 10 minutes at different temperatures

從圖2可以看出,馬鈴薯原淀粉和復配體系在95 ℃保溫一段時間(10～15 min)黏度上升至最大值,隨后黏度隨著時間的延長逐漸下降。其中瓜爾膠增加了馬鈴薯淀粉的崩解值(最高黏度與最低黏度的差值),而黃原膠降低了馬鈴薯淀粉的崩解值,所以黃原膠增加了馬鈴薯淀粉的受熱穩定性。原因可能是瓜爾膠水溶液的熱穩定性較差,在80～90 ℃加熱一段時間后黏度幾乎為零[18],所以加熱一段時間后復配體系的黏度幾乎降到和原淀粉一樣,而黃原膠低濃度的水溶液在一定的溫度范圍內(-4～93 ℃)仍然顯示出穩定的黏度[19],所以在95 ℃下保溫一段時間不會影響黃原膠包裹著馬鈴薯淀粉顆粒,黃原膠仍然抑制了馬鈴薯淀粉顆粒的膨脹,使直鏈淀粉分子不易析出,所以黃原膠淀粉體系的黏度隨時間和溫度變化都較穩定。黃原膠與馬鈴薯淀粉復配體系運用于面包、糕點等烘烤食品,能使其保持一定的濕度,改善組織結構。

圖2 馬鈴薯淀粉與膠體淀粉復配體系在95 ℃加熱不同時間的黏度Fig.2 Viscosities of the mixed systems of potato starch/guar gum and potato starch/xanthan gum heated at 95 ℃ for different heating time

2.4 淀粉凝沉性的測定

淀粉的凝沉與糊化是一對相反的過程,糊化是在加熱的條件下有序的分子變得雜亂無章,而凝沉是在冷卻儲藏過程中分子由無序到重排的過程。Fredrikssona等[20]認為淀粉的凝沉可以分為短期凝沉和長期凝沉,短期凝沉(以小時計)主要是直鏈淀粉分子間通過氫鍵纏繞和重結晶所引起,而支鏈淀粉的凝沉則是長期的(以天數計),主要通過支鏈淀粉外側短鏈的重結晶作用。

由表3可知,馬鈴薯淀粉糊需要一周時間才發生較為明顯的凝沉效果,與其他淀粉(玉米淀粉、紅薯淀粉)相比馬鈴薯淀粉的凝沉性較弱,主要是因為馬鈴薯淀粉的支鏈淀粉分子高達80%,所以馬鈴薯淀粉凝沉主要取決于支鏈淀粉分子間的結晶,屬于長期凝沉。加入的瓜爾膠和黃原膠都減緩了馬鈴薯淀粉的凝沉,可能原因是親水性膠體結合了部分水分而使水分活度降低,不利于淀粉鏈的遷移,阻礙了淀粉鏈的重結晶[21],因此增加了凝沉的時間。而且瓜爾膠與直鏈淀粉分子間的相互作用抑制了直鏈淀粉與支鏈淀粉之間的相互結合,從而使馬鈴薯淀粉糊的長期凝沉有更加明顯的抑制效果。親水膠體降低了馬鈴薯淀粉凝沉性可用在酸奶、飲料、果凍、番茄醬等食品中,使其長時間不發生分成層,改善口感與體態。

表3 馬鈴薯淀粉與膠體淀粉復配體系的凝沉性

2.5 淀粉全質構的測定

凝膠TPA質構測試主要是通過模擬人口腔的咀嚼運動,對樣品進行兩次壓縮,得出數據對樣品進行分析。表4是馬鈴薯原淀粉和膠體復配體系的質構特性的數據。

表4 馬鈴薯淀粉與膠體淀粉復配體系全質構特性

淀粉凝膠質構對食品品質影響很大,例如硬度、彈性、咀嚼性等。由表4可以看出,與原淀粉相比,添加瓜爾膠使得復配體系的硬度、黏附性、膠黏性、咀嚼性等都下降,但硬度、彈性、內聚性下降不顯著?？赡茉蚴悄z體與直鏈淀粉分子間形成的氫鍵阻礙了分子之間的聚集重排,削弱了淀粉直鏈分子間的相互作用,而且膠體與支鏈淀粉分子之間的相互纏繞使得復配體系的質地更加柔軟[22]。添加黃原膠使得復配體系硬度、黏附性、膠黏性和咀嚼性等都顯著下降,可能原因是黃原膠附著在淀粉顆粒的表面,降低了淀粉與淀粉之間的黏結作用,從而減小了淀粉的內聚力[23],使馬鈴薯淀粉的老化延遲,故硬度降低。所以親水膠體馬鈴薯淀粉體系可加入糖果、面條、肉丸和魚丸改變其硬度、彈性和咀嚼性等。

3 結論

3.1 與單獨淀粉體系相比:由于瓜爾膠易溶于水,在水中呈連續相分布,淀粉顆粒吸水膨脹,使得體系濃度增加,黏度增大;瓜爾膠與馬鈴薯淀粉直鏈分子的相互作用,阻礙了淀粉老化時剛性結構的形成,降低水分的析出,也削弱了淀粉直鏈分子間的相互作用,使得復配體系的質地更加柔軟,同時抑制了直鏈淀粉與支鏈淀粉之間的相互結合,從而抑制馬鈴薯淀粉糊的凝沉;瓜爾膠的熱穩定性差,高溫使得瓜爾膠與淀粉之間的作用大大減弱,因此不能增加馬鈴薯淀粉的熱穩定性。

3.2 與單獨淀粉體系相比:由于黃原膠帶負電的側鏈與帶負電荷的馬鈴薯淀粉顆粒之間的相互排斥作用,使得膠體附著在淀粉顆粒的表面,抑制了淀粉的糊化,增大了淀粉顆粒,降低了淀粉與淀粉之間的黏結作用,從而使得復配體系的黏度降低,凍融穩定性提高,硬度、黏附性、膠黏性和咀嚼性等都顯著降低;黃原膠熱穩定性好,黃原膠在較高溫度下性質不會被破壞,仍能附著在馬鈴薯淀粉顆粒的表面,抑制淀粉的糊化,所以復配體系的熱穩定性大大提高;黃原膠、瓜爾膠都是親水膠體,溶于水后吸收了部分水分,影響了淀粉鏈的遷移,延長了淀粉凝沉時間。

馬鈴薯淀粉由于具有獨特的性能而被廣泛的用與食品的生產加工,而瓜爾膠和黃原膠能夠優化馬鈴薯淀粉在食品中的應用,使食品的口感、色澤和形態得到改善,因此在食品加工中應當得到廣泛使用。在醫藥、化妝品和其他工業生產中也應做相關的研究,使其能更好的應用于各行各業,提高產品質量,降低成本,提高產品競爭力。

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Comparative study on effects of guar gum and xanthan gum on pasting properties of potato starch

CAI Xu-ran1,2,XU Zhu-ping1,XU Zhong-dong1,CAI Zhi-hua3,*

(1.Department of Life Science,Hefei Normal University,Hefei 230601,China;2.Anhui Provincial Engineering Technology Research Center of Blueberry,Hefei 230601,China;3.College of Animal Science,Anhui Science and Technology University,Fengyang 233100,China)

This study was aimed to explore effects of guar gum and xanthan gum on pasting properties of potato starch with different mixing ratios. The properties including viscosity,thermostability,retrogradation,freeze-thaw stability and texture properties were considered. The results showed that guar gum could enhance the viscosity and freeze-thaw stability while decrease the thermostability and retrogradation of potato starch;xanthan gum improved the thermostability and freeze-thaw stability and at the same time decreased the viscosity and the retrogradation;hardness,adhensiveness,glueyness and chewiness of the mixed systems were all reduced by these two gums and the effects of xanthan gum were evident. Moreover,pasting properties of potato starch were different with different mixing ratios of these two kinds of gums.

guar gum;xanthan gum;potato starch;pasting properties

2015-02-12

蔡旭冉(1988-)，女，碩士，助教，研究方向：碳水化合物資源的開發與利用，E-mail：caixuran1988@sina.com。

*通訊作者:蔡治華(1963-)，男，碩士，教授，研究方向：家畜品種遺傳多樣性與開發利用，E-mail:caizhihua86@sohu.com。

合肥師范學院校級科研機構專項(2015JG13)；安徽省教育廳自然科學研究項目(產學研)(KJ2013B222)。

TS231

A

1002-0306(2015)21-0280-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.049