麥冬多糖對大米淀粉凝膠化及凝膠特性的影響

豁銀強 劉松繼 陳江平 何 萌 湯尚文

(湖北文理學院，襄陽 441053)

大米是世界上一半以上人口的主食。淀粉是大米的主要組分，占干物質的80%以上[1]。大米淀粉具有致敏性低、易消化、清淡無味、顆粒小、白色、淀粉糊凍融穩定性好、支鏈/直鏈淀粉比例差異大、消費者易接受等特征[2,3]，這些特性使大米淀粉受到了人們的廣泛關注。然而，易回生、熱不穩定及pH敏感等一些內在缺陷限制了天然大米淀粉在某些領域的應用[4]。添加非淀粉多糖等天然添加劑改善淀粉基凝膠類食品的質構、流變特性等受到人們越來越多的重視[4,5]。

不同來源的天然多糖結構差異比較大，單體組成、糖苷鍵及分子量不同多糖的生物活性及作為添加物對淀粉質凝膠食品品質的影響不同。麥冬為常用滋陰中藥，具有緩解糖尿病和心血管疾病等廣泛的藥效，近年來也作為功能性成分在食品中應用[6]。麥冬多糖作為麥冬的主要有效成分之一，有降血糖、抗氧化、調節機體免疫系統和保護心血管系統等作用[7]。麥冬分為麥冬和山麥冬，目前已報道19種以上的麥冬多糖，其一級結構主要是由果糖組成，含少量的葡萄糖。麥冬和山麥冬多糖的平均分子質量為4 742 u和4 925 u，多分散性指數分別為1.1和1.2。麥冬和山麥冬多糖的主鏈是果糖-(2→, →2)-果糖-(6→, →6)-葡萄糖-(1→, →1,2)-果糖-(6→，摩爾比分別為5.0∶18.2∶1.0∶5.3 和6.8∶15.8∶1.0∶5.8[6]。

目前鮮有麥冬多糖-淀粉相互作用的研究報道。本實驗研究麥冬多糖對大米淀粉糊化、流變特性及凝膠特性的影響規律，并探究麥冬多糖與大米淀粉凝膠的質構及水分子狀態。以期為麥冬多糖在大米淀粉基凝膠類食品中的應用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

襄麥冬(山麥冬)，2019年7月初收集于湖北襄陽市東津鎮農戶；秈米：市售。

1.2 儀器與設備

AR-2000動態流變儀，TechMaster快速黏度儀，NMI20-025V-I核磁共振成像儀， TA.XT. Plus質構儀。

1.3 方法

1.3.1 大米淀粉和麥冬多糖的制備

大米淀粉的制備：大米樣品經粉碎過80目篩，用10倍0.3%的NaOH溶液攪拌提取1 h，3 200× g離心15 min，棄上清，此操作重復2次。加10倍蒸餾水分散沉淀，用0.6 mol/L的HCl調pH至中性，3 200× g離心10 min，棄上清，5倍水洗沉淀、離心后棄上清，水洗3次。每次堿液提取離心后，刮去表層黃棕色膠狀物。所得淀粉置于45 ℃烘箱干燥24 h，粉碎過80目篩得米淀粉(以干基計，淀粉和含水量分別為90%和7%)，置于干燥器中室溫保存備用。

麥冬多糖的制備：麥冬清洗除雜后加入2倍95%乙醇，經植物組織搗碎機粉碎后浸泡2 h以去除色素及脂溶性物質。殘渣用10倍蒸餾水90 ℃水提3 h，重復上述提取3次，合并水提物，過D101大孔樹脂純化，濾液經旋轉蒸發濃縮至近干，加4倍溶液體積的純乙醇，4 ℃過夜沉淀。經3 200× g離心15 min得沉淀，沉淀經Sevag法去除蛋白后凍干，得麥冬多糖(經硫酸-蒽酮比色法檢測多糖含量為87%)。

1.3.2 糊化特性的測定

分別向大米淀粉中添加0%、2%、4%、6%和8%的麥冬多糖，混合均勻，精確稱取每份樣品3.5 g置于RVA測量鋁桶內，加25 g蒸餾水，用攪拌器上下攪拌均勻樣品后，迅速上機測試。測試程序如下： 960 r/min快速攪拌10 s，之后維持轉速160 r/min至實驗結束，在50 ℃保持10 s，隨后以0.2 ℃/s的升溫速度勻速升溫至95 ℃，并保持150 s，然后以0.2 ℃ /s勻速降溫至50 ℃，在50 ℃保持90 s。通過自帶軟件獲得糊化溫度、峰值黏度、崩解值、回生值、最終黏度等糊化特性參數。

1.3.3 流變行為分析

按1.3.2相同的方式向大米淀粉中添加麥冬多糖。取0.6 g樣品于密封瓶內，加5 mL蒸餾水，磁力攪拌2 h，45 ℃攪拌30 min，90 ℃糊化30 min，所得凝膠樣品用于流變測試。測試夾具：40 mm平行板，間距1 000 μm。

靜態流變：在37 ℃條件下觀察體系的剪切黏度與剪切速率的關系, 剪切速率范圍0.1～100 s-1。采用冪律方程模型對數據進行分析。

τ=K(γ)n

式中：τ為剪切應力；K為稠度系數；γ為剪切速率；n為流變行為指數。

動態流變：37 ℃條件下觀察體系的彈性模量G′、黏性模量G″及損耗因子tanδ與頻率的關系, 頻率掃描范圍0.1～100 rad/s。

1.3.4 凝膠水分狀態分析

以1.3.2方式向大米淀粉中添加麥冬多糖。分別稱取混合均勻的樣品12.5 g，加入37.5 g蒸餾水，磁力攪拌1 h， 45 ℃攪拌30 min，90 ℃糊化30 min，所得凝膠樣品4 ℃冷藏4 d后用于低場核磁分析。將冷藏好的樣品取出后室溫放置30 min， 取適當樣品上機測試。測試參數為：進行校正用Q-FID程序，利用CPMG序列采集樣品信號， TD為139 994，RFD為0.002，RG1為10.0，DRG為3，PRG為1，NS為4。對指數衰減曲線進行反演后得到T2(橫向)弛豫圖譜，獲得T21、T22和T23不同松弛時間及表征不同狀態水分子比例的參數A21、A22和A23。

1.3.5 凝膠質構分析

按1.3.4同樣的方法制備凝膠樣品。取出冷藏好的樣品使其溫度回復至室溫后上機測試。測試參數如下：測前速度2.0 mm/s，測試速度1.0 mm/s，測試后速度2.0 mm/s，試樣壓縮比50%，兩次壓縮停頓時間為5.0 s，探頭類型為P 100。獲得硬度、彈性、黏聚性、咀嚼性、回復性等指標。

1.4 數據處理

所有實驗均至少重復3次，采用SAS 8.0的Duncan進行方差中的多重比較分析樣品間差異顯著性(P<0.05)。利用Origin 9.0和Excel進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 糊化特性

糊化行為測試過程中，當溫度達到糊化溫度(PT)時，淀粉顆粒開始膨脹，黏度迅速增加至峰值黏度(FV)，進一步加熱，淀粉顆粒破裂引起黏度降至谷值黏度(TV)，冷卻過程中，直鏈和支鏈淀粉分子間發生重排引起黏度升高至達到最終黏度值(FV)[8]。

圖1 麥冬多糖-大米淀粉的RVA曲線

添加麥冬多糖對大米淀粉糊化行為和糊化參數的影響分別如圖1和表1所示。從圖1可以看出，所有樣品的RVA曲線變化趨勢類似，但添加麥冬多糖使大米淀粉糊化曲線整體下移，降低幅度隨麥冬多糖添加量增加而加劇。由于多糖與淀粉分子競爭性吸收水分子，大米淀粉的糊化溫度隨麥冬多糖添加量增加而逐漸升高，其他研究也得到類似的結果[9]。

表1 麥冬多糖對大米淀粉糊化特性參數的影響

由于抑制了淀粉顆粒的膨脹，添加麥冬多糖使大米淀粉的峰值黏度降低，添加8%的麥冬多糖使大米淀粉的峰值黏度由4.43 Pa·s降至2.82 Pa·s。Liu等[10]研究也表明，小麥淀粉峰值黏度隨涼粉草多糖添加量增加而降低。由于減弱了淀粉顆粒和水的結合力，普魯蘭多糖等親水膠體引起淀粉糊峰值黏度減小[11]。而添加涼粉草多糖卻增加了木薯淀粉的峰值黏度[8]。以上研究表明，多糖對淀粉糊峰值黏度的影響受多糖及淀粉結構和特征的影響。

由于抑制了大米淀粉顆粒發生膨脹和崩解，麥冬多糖以濃度依賴的方式顯著降低了大米淀粉的崩解值，表明添加麥冬多糖增強了大米淀粉對熱和機械剪切力的耐受性。因與滲出的直鏈淀粉分子相互作用抑制了淀粉分子在冷卻過程中再聚集的能力，麥冬多糖降低了大米淀粉糊的回生值。短期回生對大多數食品是不利的，因而添加麥冬多糖可有效改善糊化大米淀粉質食品的品質。

2.2 流變特性

2.2.1 靜態流變

圖2是添加不同量麥冬多糖大米淀粉糊剪切應力隨剪切速率的變化曲線。所有樣品糊的剪切應力均隨剪切速率增加而增大，表現為剪切稀釋的非牛頓流體。

圖2 麥冬多糖對大米淀粉靜態流變曲線

為了更好地探究不同體系在整個剪切速率范圍內黏度的變化規律，采用冪律模型對結果進行擬合，相關參數如表2所示。不同體系的回歸系數R2為0.83～0.89，表明方程的擬合度比較高。不同樣品的流體行為指數n為0.27～0.34(均小于1)，表明樣品為剪切稀釋型假塑性流體，添加麥冬多糖使大米淀粉糊的n值降低，表明體系的假塑性增強。造成這種結果的原因可能是，麥冬多糖抑制了淀粉分子間氫鍵的形成，淀粉分子呈現一種較為伸展的狀態，表現為明顯的假塑性[12]。稠度指數K可表征體系黏度大小[13]，由于抑制了直鏈淀粉的滲出及麥冬多糖與滲出的直連淀粉作用抑制了三維網絡結構的形成，體系黏度減小，添加麥冬多糖使大米淀粉糊的K值降低。在葛根淀粉和蓮子淀粉中添加大豆可溶性多糖也出現類似的現象[14]。

2.2.2 動態流變

添加不同量麥冬多糖大米淀粉糊的儲能模量(G′)、耗能模量 (G″)和損耗因子(tanδ)在頻率0.1～100 rad/s范圍內的變化曲線如圖3所示。

所有體系的G′和G″均隨頻率增加而加大，表現出較強的頻率依賴性；由于米淀粉和麥冬多糖間發生較強的相互作用，相同頻率下淀粉凝膠的G′和G″隨多糖添加量增加而減小，大豆可溶性多糖-淀粉復合體系凝膠及涼粉草多糖-玉米淀粉復合凝膠體系也出現類似的結果[14,15]。因具有較多的羥基等極性基團，多糖通過氫鍵與滲出的直連淀粉分子締合[16]，阻礙了直鏈淀粉分子間聚集形成網絡結構，降低了混合物樣品的黏彈性。所有樣品的tanδ均小于1且隨角頻率增加而加大，表明樣品均以黏性特征為主。隨麥冬多糖添加量增加，tanδ隨角頻率的變化曲線整體下移，表明添加麥冬多糖使大米淀粉凝膠由液態向固態轉變，在一些其他多糖-淀粉體系研究中也得到類似的結果[17]。

2.3 水分子狀態

食品基質中的水根據運動能力大小分為結合水、束縛水及自由水3大類。T2能很好地表征水分子的運動情況，T2越小表明水分子與基質結合越緊密而運動能力越弱。圖4為樣品T2松弛時間譜，所有凝膠樣品的T2經反演擬合后均呈現4個峰，前兩個峰定義為T21，往后依次為T22、T23，位于0～1 ms之間的T21代表緊密結合水，位于1～10 ms之間的T22主要代表位于凝膠網絡結構孔洞中的束縛水，而位于10～1 000 ms信號較強的T23代表自由水。從圖4可以看出，所有樣品中的水大部分以游離態自由水形式存在，結合水和束縛水的量相對較少。

松弛譜的相對峰面積與相應含水量成正比[18]。不同麥冬多糖添加量大米淀粉凝膠不同狀態水的百分比含量如表3所示。相對于純大米淀粉凝膠樣品，添加2%的麥冬多糖引起大米淀粉凝膠中自由水含量降低，而結合水含量顯著增加；進一步加大麥冬多糖添加量，大米淀粉凝膠中的束縛水含量也顯著降低。該結果表明添加麥冬多糖引起凝膠中的水分子自由度降低。產生這種結果可能是因為麥冬多糖具有較高的親水性。此外，其競爭結合了與淀粉分子結合的水分子而抑制了淀粉顆粒的膨脹和凝膠化，部分凝膠化使能夠發生可逆膨脹淀粉顆粒內的部分水分子被保留。天然淀粉顆粒中存在三種類型的水分子，即無定型生長環中的水、半結晶片層中的水及β支鏈淀粉形成的六元環腔中的水[18]。添加多糖限制了淀粉顆粒的凝膠化，進而降低了水分子在顆粒內和顆粒間的重新分配，而使淀粉顆粒的持水力增強[19]。

表3 麥冬多糖對大米淀粉凝膠A21、A22、A23的影響

2.4 質構特征

由于大米淀粉凝膠較弱，本研究制備的凝膠于4 ℃儲存4 d以促進凝膠穩定。添加不同量麥冬多糖大米淀粉凝膠的質構特性參數如表4所示。麥冬多糖對大米淀粉凝膠質構特征有明顯的影響。

表4 大米淀粉-麥冬多糖凝膠的質構特征參數

所研究的樣品中，對照大米淀粉凝膠的硬度最高，隨著麥冬多糖添加量增加，硬度值呈逐漸降低的趨勢。產生這種結果的原因可能是，麥冬多糖與滲出直鏈淀粉分子作用抑制了凝膠網絡的形成，使凝膠結構的強度降低。此外，利用麥冬多糖替代部分大米淀粉，相對于對照組樣品來說，添加麥冬多糖樣品體系中的直鏈淀粉含量降低也影響凝膠網絡的形成。涼粉草多糖-紅薯淀粉復合體系也出現類似的趨勢，凝膠硬度隨涼粉草多糖替代量增加而降低[4]。

隨麥冬多糖添加量增加，大米淀粉凝膠的咀嚼性顯著降低。咀嚼性模擬人咀嚼食物至可吞咽狀態所需要的能量，咀嚼性值越低表明樣品的口感越好，該結果表明麥冬多糖能夠改善大米淀粉質凝膠食品的感官特征。大豆可溶性多糖對葛根和蓮子淀粉凝膠產生類似的效果，即淀粉凝膠咀嚼性隨大豆可溶性多糖添加量增加而降低[15]。

添加麥冬多糖大米淀粉凝膠的內聚性顯著降低，表明添加麥冬多糖使大米淀粉凝膠的內部結構更易被破壞。隨著麥冬多糖添加量增加，大米淀粉凝膠的回復性顯著降低，表明添加麥冬多糖降低了大米淀粉凝膠的彈性。

結果表明，添加麥冬多糖能夠使淀粉凝膠從較硬的質構變得柔軟，這將對預測和調控大米淀粉基食品的質構具有較好的借鑒作用。

3 結論

用麥冬多糖替代大米淀粉能夠顯著改變大米淀粉糊化、流變及凝膠質構特征。麥冬多糖對淀粉顆粒膨脹產生一定的抑制作用，進而隨著麥冬多糖添加量增加，大米淀粉糊的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度等黏度參數均降低，而峰值時間和糊化溫度不斷增加。大米淀粉及大米淀粉-麥冬多糖復合體系凝膠均是剪切稀釋的假塑性流體，添加麥冬多糖以濃度依賴的方式使大米淀粉糊的假塑性增強，而稠度指數、黏彈性、硬度、內聚性、咀嚼性和回復性均降低。大米淀粉及大米淀粉-麥冬多糖復合體系凝膠中的水分子均以結合水、束縛水及自由水3種狀態存在，由于限制了淀粉顆粒受熱膨脹性及與水分子結合，麥冬多糖使淀粉凝膠中的水分子運動性降低，表現為束縛水和結合水含量增加而自由水相對比例降低。