親水膠體對紅芽芋全粉理化特性和消化特性的影響

李 云 牛麗亞 涂 瑾 方加軍 熊河生 肖建輝

(江西農業大學食品科學與工程學院1，南昌 330045)(江西省紅芽芋工程技術研究中心2，上饒 334000)

鉛山紅芽芋是江西省上饒市鉛山縣特產，2016年全縣的紅芽芋種植面積達到6 666.7 hm2，年總產量高達15萬t，但其開發程度遠不及其他塊莖、塊根植物，如山藥、馬鈴薯、甘薯等[1, 2]，加快開發利用鉛山紅芽芋，對引導當地經濟的發展具有重要意義。

親水膠體在較低濃度下就可賦予水溶液或其他懸浮液較高的黏度或者形成凝膠[3]，通常作為增稠劑、持水劑、凝膠劑、穩定劑以及乳化劑等廣泛應用于含淀粉量較高的食品中。κ-卡拉膠、黃原膠和瓜爾膠是食品中常用的3種親水膠體。研究表明，親水膠體能夠改變淀粉基食品的流變學特性以及質構，還能夠影響淀粉的糊化與回生[4, 5]。而親水膠體不同的分子結構導致其對樣品的影響也有所不同。但目前關于親水膠體對紅芽芋全粉的影響研究鮮見報道。

本實驗選用κ-卡拉膠、黃原膠和瓜爾膠3種親水膠體，再以不同比例(0.4%、0.8%)與紅芽芋全粉混合形成復配體系，并對復配體系的持水性、持油性、膨脹度、糊化特性、凍融穩定性、凝膠特性以及體外消化特性進行測定，探討親水膠體對紅芽芋全粉理化特性和消化特性的影響及作用機制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鉛山紅芽芋；福臨門非轉基因壓榨玉米油；κ-卡拉膠；黃原膠、瓜爾膠；豬胰淀粉酶(350 U/g)；糖化酶(10萬單位/g)，DNS試劑；無水葡萄糖、醋酸鈉、醋酸(3種試劑均為分析純)。

1.2 儀器與設備

WFJ2100型可見分光光度計；TA-XT plus物性測定儀；RVA-4快速黏度分析儀。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

紅芽芋全粉的制備：新鮮鉛山紅芽芋→清洗去皮→切片(厚度約為1 mm)→烘干(40 ℃)→粉碎→過篩(80目)→篩上物再次粉碎(直至全部過篩)→紅芽芋全粉。

按照不同添加量(0.4%、0.8%)分別稱取相應質量的紅芽芋全粉和親水膠體(κ-卡拉膠、黃原膠、瓜爾膠)，混合均勻，制成樣品備用。以未添加任何膠體的紅芽芋全粉為空白組。

1.3.2 持水性

參考朱新鵬等[6]的方法并略作改進。將0.1 g樣品加入離心管中，質量記為m1，然后加入 2.4 mL 蒸餾水，混合均勻，沸水浴20 min，冷卻至室溫后以3 000 r/min 離心25 min，倒出上清液后，倒置瀝干水分，質量記為m2。

持水性(g/g)=(m2-m1)/m1

1.3.3 持油性

參考朱新鵬等[6]的方法略作改進。將0.5 g樣品加入離心管中，質量記為m1，然后加入3 mL玉米油，沸水浴20 min，冷卻至室溫后以3 000 r/min離心25 min倒置瀝干油分，質量記為m2。

持油性(g/g)=(m2-m1)/m1

1.3.4 膨脹度

參考馬夢蘋等[7]的方法略作改進。將0.75 g 樣品和25 mL 蒸餾水加入離心管中，混合均勻，分別在50、70、90 ℃水浴下振搖20 min 后，取出靜置10 min后，在 5 000 r/min下離心20 min，去除上清液，然后將離心管倒置瀝干水分后，稱重。

膨脹度=(m2-m1)/m0

式中：m0為樣品質量/g；m1為離心管質量/g；m2為瀝干水分后樣品和離心管總質量/g。

1.3.5 糊化特性

參考呂振磊等[8]的方法略作改進。準確稱取一定量的樣品，加入鋁罐中，再加入25 mL 蒸餾水，用旋轉槳將沾在鋁罐壁上的樣品全部混入蒸餾水中，放在樣品臺上，前8 s以960 r/min 攪拌，之后保持160 r/min 轉速直至實驗結束。RVA 初始溫度為50 ℃并保持1 min ，然后以12 ℃/min的速度提高到95 ℃，并95 ℃下保持2.5 min ，再以相同的速度降至50 ℃并保持1 min，整個過程共歷時13 min。

1.3.6 凍融穩定性

將2.0 g樣品和20 mL 蒸餾水加入離心管中，混合均勻，沸水浴8 min，冷卻后放入-18 ℃冰箱中冷凍20 h，然后取出放入25 ℃水浴中解凍2 h，這是1次凍融處理，再分別做1、2、3次凍融循環處理，將處理后的樣品放入離心機中，以3 000 r/min離心15 min，離心后稱質量，然后去除上清液，將離心管倒置瀝干水分后稱質量，計算析水率。

析水率=[(m2-m3)/(m2-m1)]×100%

式中：m1為離心管質量/g；m2為離心后樣品和離心管總質量/g；m3為瀝干水分后樣品和離心管總質量/g。

1.3.7 膠凝特性

將6 g樣品和16 mL蒸餾水攪拌均勻，放入50 ℃水浴鍋中后開始升溫至90 ℃，在90 ℃下保溫30 min，然后放入在4 ℃的冰箱中放置24 h，然后進行凝膠質構，測試條件：探頭P/36R；感應力5 g；測試形變30%；測前速率1.5 mm/s；測試速率1 mm/s；測后速率1 mm/s。

1.3.8 體外消化性

精確稱取200 mg樣品，然后加入15 mL 0.15 mol/L(pH 5.2)醋酸鈉-醋酸緩沖液，在90 ℃水浴條件下振搖30 min，然后在37 ℃水浴條件下平衡溫度，再加10 mL 混合酶(100 mL緩沖液，3 g豬胰α-淀粉酶和0.15 g糖化酶混合制成)，在37 ℃水浴下分別反應20 min和120 min后取出，沸水滅酶10 min，再在3 000 r/min下離心10 min。取1 mL上清液稀釋10倍，再取1 mL稀釋后的溶液，加入2 ml DNS試劑，混合均勻，在沸水浴下反應5 min后，立刻用冰水冷卻2 min，然后加入22 mL蒸餾水，混合均勻后，在5 min之內測得540 nm處的吸光值。

易消化淀粉：RDS=(G20-FG)×0.9/TS×100%

慢消化淀粉：SDS=(G120-G20)×0.9/TS×100%

抗性淀粉：RS=[TS-(RDS+SDS)]/TS×100%

式中：G20為酶解20 min后葡萄糖的量/mg；G120為酶解120 min后葡萄糖的量/mg；FG為酶解前游離葡萄糖的量/mg；TS為樣品中總淀粉量/mg；RDS為易消化淀粉的質量分數/%；SDS為慢消化淀粉的質量分數/%；RS為抗性淀粉的質量分數/%。

1.4 統計分析

每個實驗均重復3次，使用 IBM SPSS Statistics 22軟件對數據進行統計分析，使用Origin 9繪圖。

2 結果與分析

2.1 親水膠體對紅芽芋全粉持水性的影響

由圖1可見，添加這3種親水膠體都能增加體系的持水性，這可能與親水膠體本身就具有較高的吸水能力和持水能力有關[3,9]。但隨著添加量的增加，3種膠體復配體系的持水性呈現不同變化趨勢，其中κ-卡拉膠復配體系的變化趨勢為逐漸升高，而黃原膠和瓜爾膠的為逐漸降低。這可能是由于黃原膠和瓜爾膠的水溶性比κ-卡拉膠的水溶性好[3, 10]，所以當添加量增加時，黃原膠和瓜爾膠與芋頭淀粉分子競爭結合體系中水分子，阻礙了淀粉分子吸水，從而使其持水性呈現逐漸降低的趨勢[11]。

2.2 親水膠體對紅芽芋全粉持油性的影響

從圖2中可以看出添加3種膠體都能顯著降低紅芽芋全粉的持油性，其中瓜爾膠的效果最好。但隨著添加量的增加，κ-卡拉膠復配體系的持油性也隨之升高，而黃原膠復配體系的持油性則隨之下降，瓜爾膠的基本不變。

在制作油炸食品過程中，常加入親水膠體作為可食性膜在食品的表面形成保護膜，阻止油脂的進出，降低其吸油量[12,13]。由此可推斷是因為3種膠體形成的保護膜阻礙了全粉中親油物質與油脂的結合而導致持油性的降低。而卡拉膠添加量的增加，導致持油性隨之升高，可能是因為κ型卡拉膠在濃度較低時能與全粉中的蛋白質反應生成聚合物[14]，阻礙了蛋白質與油脂的結合，從而降低了持油性，而當添加量增加為0.8%時，這部分作用減弱甚至消失導致其持油性相比較添加量為0.4%時有所提高。

2.3 親水膠體對紅芽芋全粉膨脹度的影響

從圖3中可以看出在90 ℃條件下，添加3種膠體都能顯著提高紅芽芋全粉的膨脹度，其中瓜爾膠效果最差。這可能是由于在90 ℃時，在振搖條件下，淀粉分子和膠體都能充分吸水膨脹，避免了相互競爭吸水，而瓜爾膠可能因為沒有離子基團，分子之間的相互排斥力較小，在振搖時更易靠近形成凝膠[3]，附于淀粉表面，阻礙了淀粉分子進一步吸水膨脹，導致其復配體系的膨脹度沒有卡拉膠和黃原膠高。

2.4 親水膠體對紅芽芋全粉糊化特性的影響

從表1可以看出添加這3種親水膠體都能極大的提高整個復配體系的峰值黏度、谷值黏度和終值黏度，增大了崩解值，降低了消減值和回生值(其中添加黃原膠使回生值降低的程度最大)，使紅芽芋全粉的熱穩定性變差，凝沉性變弱，不易回生。而且相比較空白組，3種膠體的復配體系的成糊溫度和峰值時間也有所提升。

整個體系的糊化是芋頭淀粉顆粒在水中受熱之后吸水溶脹，期間伴隨著分子內及分子間氫鍵的斷裂，部分淀粉分子溶出，導致整個體系的表觀黏度迅速升高的一個過程[15, 16]。這3種膠體的水溶液具有較高的黏度，并能與溶出的直鏈淀粉以及低分子質量的支鏈淀粉分子形成復合物，從而進一步增加了體系的表觀黏度[16]。同時由于3種膠體與淀粉分子的結合，減少了芋頭淀粉分子之間的結合，阻礙了直鏈淀粉有序排列，使復配體系變得不易回生[16, 17]。再結合前面的實驗結果，發現3種膠體擁有較強的吸水能力，能結合游離水(黃原膠和瓜爾膠甚至會跟芋頭淀粉分子競爭吸水)，減緩了整個體系中的水分遷移，而水作為增塑劑不僅參與淀粉分子鏈的重結晶而且利于淀粉分子鏈的遷移[16]。因此，由于自由水含量的減少使淀粉分子鏈重排變得困難，從而使復配體系更加不易回生，也使峰值時間和成糊溫度升高。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，余同。圖1 親水膠體添加量對紅芽芋持水性的影響

圖2 親水膠體添加量對紅芽芋持油性的影響

圖3 不同溫度下親水膠體添加量對紅芽芋全粉膨脹度的影響

表1 親水膠體對紅芽芋全粉糊化性質的影響

注：同一列中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

2.5 親水膠體對紅芽芋全粉凍融穩定性的影響

樣品的凍融穩定性一般用析水率來表示，析水率越小，凍融穩定性越好[18]。從圖4中可以看出，添加κ-卡拉膠和瓜爾膠能夠顯著降低體系的析水率，提高凍融穩定性。在不同凍融次數下，不同比例的兩種膠體降低析水率的程度也不同：在前2次循環凍融處理下，瓜爾膠的效果明顯好于卡拉膠，但在第3次循環凍融時，卡拉膠在添加量為0.8%表現出非常好的效果，直接將析水率從空白組的32%降到21.5%。

圖4 親水膠體對紅芽芋全粉析水率的影響

樣品在冷凍時，體系中的水分結成冰，解凍后冰轉化為水，從聚合網絡中析出導致淀粉局部濃度升高，直鏈淀粉更容易組合結晶，從而析水量增多[19]。結合前面的實驗結果可推斷出是由于κ-卡拉膠和瓜爾膠能夠與水和淀粉分子結合降低復配體系回生值，阻礙淀粉重結晶，從而使析水率降低[20]。

從圖4中還可看出與空白組相比，在前2次循環凍融處理下，黃原膠復配體系的析水率較高，而在第3次循環凍融處理后，析水率反而降低。結合前面的實驗結果以及鄒近鳳等[21]的研究，推斷出黃原膠在整個復配體系中可能存在兩種作用機制，一方面黃原膠與水和淀粉結合，降低回生值，提高體系凍融穩定性；另一方面黃原膠的陰離子和紅芽芋全粉中的陽離子之間發生靜電吸引，促進凝沉作用，增加了析水率。在前2次循環凍融處理下，陰陽離子靜電吸引作用較強，而進行第3次循環凍融處理時，淀粉可能正處于長期回生過程中，黃原膠阻礙淀粉回生作用較強，從而總體表現為降低析水率，提高凍融穩定性。

2.6 親水膠體對紅芽芋全粉凝膠特性的影響

由表2可知在硬度和咀嚼性方面，添加3種膠體極大降低了硬度和咀嚼性，其中黃原膠和瓜爾膠效果較好；在黏度方面則有不同程度的提升；彈性幾乎沒有太大變化，只有在添加0.8%瓜爾膠時，彈性才表現出明顯降低，可能與瓜爾膠易形成凝膠，且凝膠較柔軟的性質有關。

3種親水膠體會與淀粉因為熱力學不相容性而產生相分離，從而有助于增加芋頭淀粉分子之間的相互作用，使直鏈淀粉分子更加接近，利于分子締合；同時親水膠體分子還會對淀粉顆粒內支鏈分子交聯結晶產生干擾，導致凝膠體系的硬度和結晶度降低[22]。而黏性的升高則與前面糊化特性實驗結果相一致。

表2 親水膠體添加量對紅芽芋全粉凝膠質構特性的影響

2.7 親水膠體對紅芽芋全粉體外消化特性的影響

由表3可知在添加3種膠體后，RDS含量顯著降低，并且添加量的越大，RDS含量下降程度越大；SDS含量在加入0.8%瓜爾膠后無顯著變化，在其他復配體系中都表現為顯著下降；RS含量均為顯著升高，其中在加入0.8%黃原膠后，RS含量上升的程度最大，升至19.85%。

這與Sasaki等[23]的研究結果一致，即添加這3種親水膠體能夠抑制樣粉酶解的速度和程度。結合Sasaki等[23]、周姍姍等[24]的研究，其原因可能是添加3種膠體，使體系黏度增加影響了酶解進程；同時膠體能和淀粉分子結合，形成空間位阻，阻礙了酶與底物的接觸，而膠體添加量越高，使自由流動水越少，導致酶解速度和程度也越低，最終使SDS含量隨之減少。即添加膠體后，體系中的RDS和SDS部分轉化為RS，其中在0.8%瓜爾膠復配體系中，RS主要由RDS轉化而來。

表3 親水膠體添加量對紅芽芋全粉易消化淀粉、快消化淀粉、抗性淀粉含量的影響

3 結論

添加3種膠體均可不同程度地提高紅芽芋全粉的持水性和膨脹度，降低持油性，其中瓜爾膠效果最好。RVA曲線表明所有膠體都能極大地提高體系的峰值黏度、谷值黏度和終值黏度，增大崩解值，降低回生值和消減值?？ɡz和瓜爾膠能降低析水率，提高凍融穩定性，而黃原膠只有在第3次凍融處理時提高凍融穩定性。與空白組相比，3種膠體復配體系的硬度和咀嚼性下降，黏度上升。消化特性結果表明所有膠體都能降低RDS含量和提高RS含量，其中添加0.8%黃原膠能使RS含量從10.11%升至19.85%。因此，親水膠體可應用于紅芽芋面點制品、平衡血糖食品等的開發中。