淀粉直/支比對高酯果膠凝膠性質的影響

胡小雪 劉成梅 梁瑞紅 陳 軍 陳瑞云 賀小紅

（南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室 南昌330047）

果膠是一種廣泛分布在大多數植物細胞壁和胞間層的雜多糖，其主要由部分甲酯化的半乳糖醛酸殘基通過α-（1-4）糖苷鍵連接組成。果膠的凝膠性質作為其重要特性，在物理、化學、生物、食品等眾多領域受到廣泛關注[1]。根據酯化度不同，果膠被分為高酯果膠（酯化度＞50%）和低酯果膠（酯化度＜50%）[2]，二者凝膠機理不同：低酯果膠凝膠的形成需要與鈣離子螯合形成穩定的“蛋盒”模型[3]；高酯果膠凝膠的形成主要是基于甲酯基間的氫鍵以及疏水相互作用導致聚合物鏈之間的交聯，其主要成膠條件為共存溶質（主要為糖）含量大于55%和pH 值2.0～3.5[4]。

共存溶質是一個影響高酯果膠凝膠形成的重要因素。有研究報道添加一定量的淀粉可以增強高酯果膠的凝膠強度[5-7]，且形成的凝膠強度與淀粉分子的結構以及大小有關[6，8]。根據分子鏈結構的不同，淀粉分子被分為具有短線性鏈的直鏈淀粉和高度分支的支鏈淀粉，作為淀粉的重要參數，研究發現這兩者的比例是影響親水膠體-淀粉相互作用的主要因素之一[9-12]。Kim 等[13]添加4 種大米淀粉于8 種親水膠體中，發現直/支比可能是影響復配體系理化性質的重要因素；Correa 等[14]研究發現槐樹豆膠-不同直/支比淀粉復配體系的流變學性質不同。凝膠特性是果膠最重要的性質之一，在果膠凝膠中添加淀粉有可能使凝膠網絡結構更加緊密[15]。有研究報道果膠-淀粉復配體系的凝膠強度可能與淀粉的短鏈線性結構與長鏈分支結構有關[7]，然而這方面的報道仍顯不足。

本文主要以高酯果膠（柑橘果膠） 為研究對象，通過添加不同直/支比的復配淀粉替代果膠凝膠中的一部分蔗糖，研究淀粉直/支比對果膠凝膠的流變性質及質構性質的影響，以期為擴大淀粉和果膠在食品上的應用提供一定的理論基礎，進一步揭示淀粉與果膠間的互作機理。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

柑橘果膠（P9135，酯化度為80.63%，半乳糖醛酸含量為81.23%，HMP）、馬鈴薯直鏈淀粉（A0512，AM）、馬鈴薯支鏈淀粉（A8515，AP），中國上海Sigma Aldrich 公司；蔗糖（分析純），西隴化工有限公司；檸檬酸、二水合檸檬酸鈉（分析純），阿拉丁試劑（上海）有限公司；脲（分析純），風船化學試劑科技有限公司。

1.2 儀器與設備

MCR302 流變儀，奧地利Anton Paar 公司；TA.XT plus 質地分析儀，美國TA 公司；X85-2S型恒溫磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；DW-86L390 超低溫冰箱，青島澳柯瑪超低溫冷凍設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備 稱取一定質量的果膠溶于pH 3 的0.1 mol/L 檸檬酸緩沖溶液中，磁力攪拌至溶解，備用。在果膠溶液中加入蔗糖和不同直/支比的復配淀粉，攪拌均勻。凝膠溶液配制方案如表1所示，其中序號1、2、3 為空白對照組。將配制的凝膠溶液置于流變儀MCR302 的CC27 圓筒中，從25 ℃以1 ℃/min 的速度升至95℃，停留30 min，降至5 ℃制備凝膠。

表1 果膠及果膠-不同直/支比復配淀粉凝膠溶液的配制Table 1 Preparation of gel solutions of HMP and HMP-different AM/AP starch

1.3.2 動態流變分析 將1.3.1 節制備的樣品立即加到流變儀的樣品臺上，加硅油密封防止水分蒸發，平衡5 min。采用1°夾角的錐板CP50-1，在5 ℃，應變為1.6%的條件下，測定0.1～10 Hz 掃描范圍內凝膠體系儲能模量（G′）、損耗模量（G″）、損耗因子（tanδ=G″/G′）的變化。

1.3.3 靜態流變分析 將1.3.1 節制備的樣品立即加到流變儀的樣品臺上，加硅油密封防止水分蒸發，平衡5 min。采用1°夾角的錐板CP50-1，在5°C 下，剪切速率先從0.1～1 000 s-1遞增，后從1000～0.1 s-1遞減進行掃描，測定凝膠體系剪切應力的變化。靜態剪切流變數據采用Power Law 模型進行回歸分析。復相關系數R2表示方程擬合精度。

式中：τ——剪切應力（Pa）；K——稠度系數；γ——剪切速率（s-1）；n——流體指數。

1.3.4 質構性質分析 取1.3.1 節制備的樣品，置于50 mm 的培養皿中，使樣品厚度一致，表面均勻，在4°C 恒溫冰箱中放置12 h。利用質地分析儀進行質構性質的測定。測定條件：探頭P/36 型，測前速度1.0 mm/s，測試速度1.0 mm/s，測后速度1.0 mm/s，觸發力5.0 g，壓縮程度40%，每個樣品重復試驗3 次，用TPA 軟件分析結果。

1.3.5 果膠與淀粉之間相互作用力類型分析 稱取一定質量的果膠溶于pH 3 的含0.1 mol/L 脲試劑的檸檬酸緩沖溶液中，按照表1配制凝膠溶液[16]。樣品制備方法如1.3.1 節，采用1.3.4 節測試方法進行質構性質測定。

1.3.6 數據分析 采用Origin 9.0 軟件繪圖，SPSS 17.0 軟件處理數據，進行顯著性分析，其中P<0.05。

2 結果與分析

2.1 果膠-淀粉凝膠外觀觀察

圖1中a1為未添加淀粉的果膠樣品，a2為不含果膠的支鏈淀粉樣品，a3為不含果膠的直鏈淀粉樣品，這3 個樣品均無法形成凝膠；b1-b7為不同直/支比（0∶10，2∶8，4∶6，5∶5，6∶4，8∶2，10∶0）淀粉-果膠凝膠，如圖所示，添加淀粉后所有樣品均形成凝膠。

2.2 淀粉直/支比對果膠凝膠動態黏彈性的影響

果膠凝膠的黏彈性可以通過動態流變學特性來反映。凝膠體系的動態黏彈性不僅與產品的實際應用性能有直接關系，還用來表征果膠與淀粉之間的三維網絡結構[17]。

圖2為原果膠和添加不同直/支比復配淀粉的果膠凝膠G′和G″值隨頻率變化的關系圖。所有樣品G′均大于G″，且均隨著頻率的增加而上升，表現出一種良好的頻率依賴性，這是聚合物典型的凝膠網絡動態黏彈性流變圖譜[18]，說明樣品具有凝膠的特性[19]。

圖1 果膠-淀粉凝膠外觀Fig.1 The appearance of pectin-starch gel

與原果膠相比，在添加不同直/支比復配淀粉的果膠凝膠中，隨著直鏈淀粉比例的增加，凝膠體系的G′和G″增加。直鏈淀粉因其線性、幾乎無分支的結構而在體系內形成短鏈的線圈結構與果膠鏈相互交纏[17]，形成了更致密的三維網絡結構[20]，凝膠彈性更強。支鏈淀粉比例較大時，其密集、緊湊的枝狀結構減少了與果膠鏈之間的相互交纏，凝膠剛性較弱[21]，動態模量值較小。由此說明淀粉中直鏈淀粉含量是影響果膠凝膠動態模量的重要因素。

圖2 不同直/支比復配淀粉對果膠凝膠G′（a）和G″（b）值的影響Fig.2 Effects of different AM/AP starch on the G′（a） and G″ （b） of HMP gels

圖3為原果膠和添加不同直/支比復配淀粉的果膠凝膠損耗因子（tan δ=G″/G′）隨頻率變化的關系圖。所有樣品的tan δ 均小于1，淀粉的加入降低了果膠凝膠的損耗因子（tan δ），且隨著直鏈淀粉比例的增加，果膠凝膠的損耗因子（tan δ）減小，顯示出更有彈性的流體性質，這可能是因為果膠與直鏈淀粉分子間更強的相互作用使得體系的三維網絡結構增強。

2.3 淀粉直/支比對果膠凝膠靜態流變性質的影響

圖4是原果膠和添加不同直/支比復配淀粉的果膠凝膠的靜態剪切流變曲線，各曲線對Power law 模型的擬合結果見表2?？芍?，所有的曲線R2均大于0.97，表明原果膠和果膠-淀粉凝膠對Power law 模型有較高的擬合度。流體指數n 均小于1，說明原果膠和果膠-淀粉凝膠均為假塑性流體，表現出剪切變稀的性質[21]。

與原果膠相比，果膠-淀粉凝膠隨直鏈淀粉比例的增加，稠度系數K 值越來越大（上行線：K 值從174.38 升至367.42Pa·sn；下行線：K 值從115.29升至199.77Pa·sn），這可能是因為直鏈淀粉與果膠鏈之間相互纏繞引起凝膠化程度增加，體系稠度變大。姜瑩等[22]報道了大分子物質的相互纏結使體系稠度增加。隨著直鏈淀粉比例的增加，流體指數n 值減?。ㄉ闲芯€：n 值從0.27 降至0.17；下行線：n 值從0.31 降至0.26），說明直鏈淀粉含量越高，果膠凝膠的假塑性越強。隨著直鏈淀粉比例的增加，果膠凝膠K 值變大，n 值變小，這與tan δ結果是一致。Peressini 等[23]研究也表明多糖與淀粉分子間的相互作用會導致凝膠彈性體系的形成。

凝膠體系的流體曲線中，上行線與下行線圍合產生觸變環面積，可以用來判斷流體的穩定性。通常觸變環面積越大，凝膠結構在剪切力作用下所受到的破壞程度也越大[24]。由表2可知，與原果膠相比，果膠-淀粉凝膠的觸變環面積變大，且隨著直鏈淀粉比例的增加而增大 （從7271.97 升至50 518.38 Pa/s），表明直鏈淀粉很容易與果膠鏈相互作用，形成致密的三維凝膠網絡，而在受到剪切力破壞后就難形成新的網絡結構。支鏈淀粉含量較高的樣品因其密集且緊湊的分支結構，不易與果膠鏈形成緊密的凝膠結構，故觸變環面積較小。Techawipharat 等[21]報道了支鏈淀粉相比較其它淀粉具有不易破壞的凝膠性質。

2.4 淀粉直/支比對果膠凝膠質構性質的影響

表3為原果膠和不同直/支比復配淀粉的果膠凝膠的質構參數。原果膠凝膠硬度值為393.01 g，添加淀粉后果膠凝膠硬度值顯著提高，且隨著直鏈淀粉比例的增加而增加 （從537.81 g 上升至678.72g）。凝膠的硬度與分子間相互作用以及交纏程度成正比[10]。硬度增加可能是因直鏈淀粉比例越高，其線性、幾乎無分支的結構越容易與果膠鏈相互作用，在體系內形成的三維凝膠網絡也越堅硬。Kaur L 等[10]研究發現直鏈淀粉含量高的淀粉與決明子膠之間的相互作用強，凝膠硬度大。

內聚性反映的是凝膠在受到外力作用時保持自身完整性的能力，也表示凝膠內部鍵力的大?。ㄖ翟酱?，內聚性越強）[25]。由表3可得原果膠凝膠內聚力為0.86，添加復配淀粉后果膠凝膠的內聚性降低，說明加入淀粉分子使果膠凝膠內部鍵力的一致性下降。隨著直鏈淀粉比例的增加，凝膠內聚性呈上升趨勢（從0.45 升至0.66），說明直鏈淀粉含量是影響混合體系內部鍵力的重要因素。

圖3 不同直/支比復配淀粉對果膠凝膠tan δ 值變化的影響Fig.3 Effects of different AM/AP starch on the tan δ of HMP gels

圖4 原果膠和果膠-不同直/支比復配淀粉凝膠體系的靜態流變曲線Fig.4 Flow curves of native HMP and HMP-different AM/AP starch gels

表2 原果膠和果膠-不同直/支比復配淀粉凝膠體系靜態剪切曲線的擬合結果Table 2 The fitting result of static shear curves of native HMP and HMP-different AM/AP starch gels

表3 原果膠凝膠和果膠-不同直/支比復配淀粉凝膠體系的質構性質Table 3 Texture profile of native HMP and HMP- different AM/AP starch gels

由表3可得隨著直鏈淀粉比例的增加，凝膠體系的黏著性顯著上升（從170.43 升至254.70 g·s），流動性下降，這與靜態流變的結果一致。直鏈淀粉因其短的線性鏈與果膠鏈之間交聯纏繞，故凝膠化程度增大，引起體系黏著性變大[22]。

2.5 果膠與直/支鏈淀粉之間相互作用力類型分析

由表3可得，果膠凝膠的硬度隨著直鏈淀粉比例的增加而增大，同樣的現象出現在明膠與果膠的相互作用中[26]。類似于明膠分子的線性鏈，由于直鏈淀粉的線性、幾乎無分支的結構與果膠鏈間相互交聯和纏繞的幾率和程度較大，形成的三維凝膠網絡結構較強；而支鏈淀粉緊湊、密集的分支結構將果膠鏈間排斥于其分子鏈外而減少與果膠分子鏈間的交纏[15]。果膠與淀粉可能是通過氫鍵相互作用形成了更強的三維凝膠網絡。脲是一種破壞高分子內和分子間氫鍵的物質，通過在凝膠體系中加入脲[27]來觀察凝膠體系硬度值的變化，進一步驗證果膠與淀粉間的作用力類型。其結果如圖5所示，加入脲后，體系呈黏稠的膏狀，硬度值減小。不同直/支比（0∶10，2∶8，4∶6，5∶5，6∶4，8∶2，10∶0）淀粉-果膠凝膠硬度值分別減少了56.54，76.25，100.20，136.62，169.04，198.03，210.02 g，即直鏈淀粉比例越高，硬度值下降越大，這說明隨直鏈淀粉比例的增加，脲對體系作用力的削弱程度越強，且所有樣品的硬度趨于一致，即淀粉對果膠凝膠體系硬度的影響被消除。P Walkenstr?m 等[28]研究了果膠水溶液中有或無氫鍵破壞脲時對分子間相互作用的影響，結果表明：多鏈聚合或網狀結構等這些結構大多是通過多糖大分子鏈上的羥基之間的氫鍵作用來穩定的。由此推測果膠與直/支鏈淀粉之間的相互作用主要為氫鍵，而直鏈淀粉與果膠鏈之間易發生相互作用。

圖5 脲對果膠-不同直/支比復配淀粉凝膠硬度值的影響Fig.5 Hardness values of mixtures of HMP-different AM/AP starch gels after adding urea

3 結論

本研究探討了添加不同直/支比復配淀粉對果膠凝膠的影響。主要結論如下：

1） 凝膠的動態黏彈性測試表明：隨著直鏈淀粉比例的增加，凝膠體系的儲能模量和損耗模量明顯提高，損耗因子下降，顯示出具有彈性的凝膠特性。

2） 凝膠的靜態剪切測試表明：隨著直鏈淀粉比例的增加，凝膠體系的稠度系數K 值上升，流體指數n 值下降，即直鏈淀粉增強了果膠凝膠的稠度及假塑性。隨著直鏈淀粉比例的增加，凝膠體系的觸變環面積越大，形成的三維凝膠網絡越致密。

3） 對凝膠質構性質的分析表明：凝膠體系的凝膠強度隨著直鏈淀粉比例的增加而增加。果膠與淀粉通過氫鍵相互作用來增強體系作用力，形成更強的三維凝膠網絡，從而提高體系的凝膠性能。

本文僅考察了淀粉的直/支比對果膠凝膠性質的影響，而對添加不同品種、不同顆粒大小的淀粉對果膠凝膠的影響有待進一步研究。