皂莢糖膠對玉米淀粉老化性質的影響及體系的水分分布

張曉宇，張丹丹，李榮芳，羅 磊，羅登林，朱文學

（1.河南科技大學食品與生物工程學院，食品加工與安全國家級實驗教學示范中心，河南省農產品干燥裝備工程技術研究中心，河南 洛陽 471023；2.洛陽師范學院化學化工學院，河南 洛陽 471934）

玉米淀粉是一種廉價、易得的食品原料，在食品和非食品加工有廣泛的應用[1]。然而，在食品加工和儲存過程中，玉米淀粉很容易老化，導致淀粉凝膠產品硬度、碎裂性增加，同時降低了產品的彈性、透明度和消化能力[2]，從而導致產品質量劣變。因此，如何有效控制淀粉老化成為科學研究的熱點。

近年來，較多學者用不同實驗手段，研究了不同親水性膠體對不同來源淀粉老化性能的影響[3-6]。Shiroodi[7]和郜培[8]等通過流變、質構等研究手段表明：黃原膠能夠抑制直鏈淀粉的滲出，干擾直鏈淀粉的聚集重排或者阻礙直鏈淀粉-支鏈淀粉-膠體分子之間的結晶作用，從而推遲大米淀粉和燕麥淀粉的老化，Muadklay等[9]也發現黃原膠對木薯淀粉凝膠的老化有一定的抑制作用；Yang Xue等[10]通過差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）、低場核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）等實驗手段，研究了亞麻籽膠對玉米淀粉短期-長期老化性能的影響，結果表明亞麻籽膠的添加使淀粉的老化焓值降低，且膠體添加量越大，抑制老化的效果越明顯；幾個學者的研究表明含魔芋多糖膠/瓜爾膠/黃原膠/卡拉膠/明膠的木薯/玉米/大米淀粉凝膠，復配體系中膠-淀粉分子間存在競爭水分子的行為，會影響凝膠網絡結構的水分子運動，進而影響儲存過程中凝膠穩定性[11-14]。Liu Dan等[15]詳細闡釋了大豆可溶性多糖對葛根/蓮子淀粉膠微結構影響的機理，指出該多糖可有效改善淀粉膠結構從而改觀產品的可接受性。

不同的親水膠體由于結構不同作用于不同種類淀粉時，其影響效果可能不同。本實驗選取的皂莢糖膠是從我國特有的皂莢樹果實中提取出來的一種多糖，該多糖主要由β-1,4-糖苷鍵連接而成的D-吡喃甘露糖主鏈和α-1,6-糖苷鍵連接而成的D-吡喃半乳糖支鏈構成[16]。GB 2760—2014《食品添加劑使用標準》中規定，皂莢糖膠可用于調味料、冰淇淋、飲料、餃子粉等產品的生產加工過程中，且使用過程中有較好的效果。然而，有關皂莢糖膠改善食品的質構特性，尤其是皂莢糖膠與淀粉的相互作用及其機理研究的報道很少。因此，本研究通過動態流變、DSC、食品物性分析等多種實驗手段，探究皂莢糖膠添加量對玉米淀粉老化性能的影響，并通過LF-NMR法對其影響淀粉老化的機理進行分析，旨在能進一步豐富植物膠體對淀粉老化性能影響的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

皂莢糖膠（食品級） 偃師金皂角化工有限公司；玉米淀粉（食品級GB一級品） 孟州金玉米責任有限公司。

78-1型磁力攪拌器 常州丹瑞實驗儀器設備有限公司；Brabender 803302型黏度儀 德國布拉班德公司；DHR-2型流變儀、Stable Micro Systems食品物性分析儀美國TA公司；DSC1型差示掃描量熱儀 瑞士梅特勒-托利多公司；MINI20-015V-I型低場核磁共振成像分析儀上海紐邁電子科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

淀粉質量以干基計算，用蒸餾水配制5 份淀粉質量分數6%的淀粉懸浮液，分別按玉米淀粉干基質量的0%、1%、3%、5%、7%添加皂莢糖膠，所配樣品均在磁力攪拌器上以恒定轉速攪拌60 min使其均勻分散，制備好的淀粉懸浮液參考張丹丹等[17]的方法制備淀粉糊：將淀粉懸浮液置于布拉班德測量缽內，設定升溫/降溫速率1.5 ℃/min，從50 ℃升溫至95 ℃并保溫15 min，然后從95 ℃降溫至50 ℃并保溫15 min完成糊化，得到新鮮的淀粉糊。

1.2.2 動態時間掃描測定

為保證實驗條件的一致性，取1.2.1節中制備的冷卻至室溫的新鮮淀粉糊，立即置于流變儀上，選取40 mm直徑的平板夾具，設置間隙為1 050 μm，在夾具邊緣刮邊并涂硅油，設置間隙為1 000 μm開始實驗。測試溫度4 ℃，頻率1 Hz，掃描應變1%，測定2 h內樣品彈性模量G’的變化。

1.2.3 凝膠質構測定

取1.2.1節中制備的新鮮淀粉糊，分別在4 ℃冷藏0、3、7、14、21 d后取出并放置至室溫，采用物性測試儀對淀粉凝膠進行凝膠強度即硬度值的測試。測定條件：選用P/0.5探頭，測前速率1.0 mm/s，測試速率2.0 mm/s，測后速率5.0 mm/s，觸發力3.0 g，壓縮程度60%。

1.2.4 熱力學性質測定

以空盤作為參比，用DSC方法對不含或含皂莢糖膠的玉米淀粉的糊化和老化行為進行分析。測試前用金屬銦（99.999%）校正儀器。用蒸餾水配制5 份淀粉質量分數為30%的淀粉乳，按淀粉干基質量的0%、1%、3%、5%、7%分別添加皂莢糖膠，所配樣品均在磁力攪拌器上以恒定轉速攪拌60 min使其均勻分散。分別加入鋁盤中，并進行稱量、記錄數據。然后立即密封鋁盤。樣品在室溫下平衡24 h后進行第1次程序升溫確定樣品的糊化焓值ΔHg，設定程序：以10 ℃/min的升溫速率從40 ℃升溫到95 ℃，每個樣品至少重復3 次。糊化后的樣品冷卻后放入冰箱并于4 ℃冷藏保存3、7、14、21 d后，依次取出進行第2次熱掃描確定樣品的老化焓值ΔHr，測試程序與第1次相同；測得老化焓值與糊化焓值的比（ΔHr/ΔHg）即為老化率[32-34]。

1.2.5 LF-NMR檢測

將1.2.1節采用布拉班德黏度儀制備的新鮮淀粉糊及添加皂莢糖膠5%的復配體系冷卻到室溫后，置于進樣瓶中（樣品質量保持（1.0±0.005）g），隨即放入冰箱并于4 ℃冷藏0、3、7、14、21 d后取出，放置至室溫后使用LF-NMR軟件多脈沖回波序列Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）采集樣品的自旋-自旋弛豫時間T2，并利用反演軟件得到T2的反演譜。相應參數設置如下[18-19]：質子共振頻率21 MHz，采樣點數319 998，采樣等待時間1 000 ms，180°脈寬10 μs，回波個數10 000，回波時間0.4 ms，累加次數8。

1.3 數據處理

采用Excel 2010軟件進行數據整理；采用Origin 8.5和DPS處理數據，所有實驗均測試3 次求平均值，實驗數據之間采用Duncan新復極差法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 動態時間掃描分析

糊化后的淀粉糊在儲藏過程中會發生不同程度的老化，有短期老化和長期老化2 個階段[20-21]。據報道淀粉糊在老化的初始階段，直鏈淀粉分子間以氫鍵的方式相互締結在一起，共同形成淀粉凝膠網絡結構，在動態時間掃描的結果中則表現為G’的升高[22]。圖1a為不同配比的玉米淀粉-皂莢糖膠復配體系在老化2 h內G’隨時間的變化曲線。玉米淀粉添加皂莢糖膠后的G’增加，玉米淀粉及復配體系的的G’值在前期升高很快，之后增長緩慢，進入相對穩定階段，凝膠體系G’值的這一變化趨勢與之前的報道一致[23]。圖1b為含不同添加量皂莢糖膠的復配體系G’隨時間的變化率，可以看出，玉米淀粉G’的變化率明顯大于復配體系的G’變化率，且隨著皂莢糖膠添加量的增多，G’變化率整體呈現減小的趨勢，表明復配體系有更好的穩定性，添加皂莢糖膠后可以明顯改善玉米淀粉的短期老化行為。皂莢糖膠的加入導致G’值的增長速率變緩，一方面是皂莢糖膠的加入使得糊化過程中滲漏出的部分淀粉可溶性組分與親水性膠體結合，使得部分淀粉被膠體取代，阻礙了直鏈淀粉分子有序交聯形成三維網狀結構；另一方面皂莢糖膠屬于親水性膠體，與水的結合能力強，體系內可移動水分減少而不利于淀粉分子鏈的遷移，使得直鏈淀粉重排變得困難，減緩了淀粉的老化速率[24]。

圖1 玉米淀粉與不同添加量皂莢糖膠混合體系G’（a）和變化率（b）隨時間變化曲線Fig.1 Elasticity modulus (a) and change rates (b) as a function of time for mixed systems of corn starch with different concentrations of GSLG

2.2 玉米淀粉與皂莢糖膠復配體系凝膠強度分析

淀粉糊在冷藏過程中的老化程度可以通過食品物性分析軟件中凝膠強度的測試模式確定，通常以硬度值表征[25]。淀粉在老化過程中，凝膠體系會表現出硬度值升高的特征[26-28]。由表1可見，冷藏0 d時，各體系的硬度不存在明顯的差異，隨著冷藏時間的延長，各體系硬度增加且開始有顯著差異，在冷藏時間相同時（如第21天）玉米淀粉的硬度值（114.78 g）大于復配體系的硬度值（99.9～59.14 g），且膠添加量與體系硬度值大致呈現負相關的變化趨勢。淀粉凝膠硬度與直鏈淀粉高度相關，直鏈分子間的纏繞和交聯程度越大，凝膠硬度越大[15,29-30]。添加皂莢糖膠后，復配體系的硬度值降低，且下降趨勢隨著皂莢糖膠比例的增大更加明顯。這可能是由于親水膠體的存在阻礙了直鏈淀粉的聚集重排，削弱了直鏈淀粉分子間的作用力，膠體與淀粉分子間的纏繞使其復配體系形成了質地更為柔軟的凝膠[31]。這與報道的其他多糖對淀粉硬度的影響結果一致[10-15]。

表1 玉米淀粉-皂莢糖膠混合體系凝膠的硬度值Table 1Hardness of corn starch/GSLG mixed systems

2.3 玉米淀粉-皂莢糖膠復配體系的熱特性分析

在冷藏過程中，高能態無序化的淀粉分子逐步趨向于低能態有序化結構，淀粉分子間形成氫鍵而發生聚集重排，形成結晶聚合物。淀粉的老化程度通常用老化率衡量[32-34]。皂莢糖膠對玉米淀粉ΔHg和ΔHr的影響結果如表2所示，圖2為體系糊化及冷藏14 d的DSC曲線。由表2可知，隨著皂莢糖膠添加量的增大，玉米淀粉的ΔHg降低不明顯；隨著冷藏時間的延長，ΔHr逐漸增大，說明冷藏過程中淀粉的老化程度變大[35]。同時表2表明，皂莢糖膠的添加降低了玉米淀粉的ΔHr，且皂莢糖膠添加量越多，ΔHr降低的越多。這是因為親水性膠體具有較高的持水性，使得淀粉分子周圍的濃度升高，不利于分子鏈的遷移，延緩了淀粉的重結晶。另一方面，皂莢糖膠對淀粉顆粒的包埋作用致使糊化過程直鏈淀粉滲出受阻，干擾了直鏈淀粉晶核的形成，進而抑制了淀粉的老化[30,36-37]。當復配樣品中皂莢糖膠的比例由0%增加至7%時，最終經過21 d的冷藏，樣品的ΔHr則由8.86 J/g下降至6.12 J/g，老化率由66.7%下降至54.3%，說明皂莢糖膠能夠一定程度上抑制了玉米淀粉的老化。本實驗結果與前人研究報道的黃原膠對淀粉老化的影響結果一致[21,37]。

表2 玉米淀粉-皂莢糖膠混合物的DSC糊化/老化特征參數Table 2Characteristic parameters of DSC gelatinization/aging of corn starch/GSLG mixtures

圖2 玉米淀粉及混合體系糊化（a）和老化14 d（b）的DSC曲線Fig.2 DSC curves of corn starch with and without added GSLG at day 14 of gelatinization (a) and retrogradation (b)

2.4 玉米淀粉-皂莢糖膠復配體系老化過程的水分運動性分析

在淀粉凝膠體系中，部分水分子與淀粉、蛋白質等大分子基團結合形成結合水；直鏈與支鏈淀粉之間存在不易流動水；這兩部分水與底物結合緊密，處于高度固定狀態，經LF-NMR測定呈現較低的T2弛豫時間；而存在于淀粉、蛋白質等大分子之外能自由流動的水為自由水，在LF-NMR測試中呈現較高的T2弛豫時間。在冷藏過程中，淀粉鏈之間氫鍵作用增強，迫使淀粉鏈和水分子之間氫鍵作用減弱，從而部分結合水被“擠出”形成自由水[38-40]。因此，可以通過添加皂莢糖膠前后，淀粉凝膠水分含量和結合與自由水分布狀態的變化，對皂莢糖膠影響玉米淀粉老化過程的機理進行分析，進一步驗證上述的老化實驗結果。

由玉米淀粉凝膠體系的T2反演譜圖3a分析可得：T2弛豫時間在0.1～10 ms范圍內為結合水，在10～80 ms范圍內為不易流動水，大于80 ms為自由水。由圖3可知，隨著老化時間的延長，反演譜整體略微向左移動，信號幅值略有減小，說明隨著冷藏時間延長，水分子運動性以及分布狀態受到影響。圖3b為添加5%皂莢糖膠的復配體系老化過程的T2反演譜，隨著冷藏時間的延長，游離水信號峰的大體呈現增強的趨勢，但是從圖譜中不能確定結合水、不易流動水以及自由水的峰面積以及峰比例，難以看出明顯的變化規律，因此需要對各個弛豫峰的參數進行進一步的分析。

圖3 玉米淀粉（a）和5%皂莢糖膠-玉米淀粉復配體系（b）老化過程的T2反演譜Fig.3 T2 inversion spectra of corn starch (a) and 5% GSLG-corn starch system (b) during aging

圖4a與圖4b具體展示了各體系中不同狀態水分子所占的比例（以每種峰的積分面積占總峰面積的百分比表示淀粉凝膠中不同狀態水分的相對含量）。由圖4a可知，隨著冷藏時間的延長，自由水含量增加，不易流動水減少（尤以老化21 d最為明顯），說明隨著淀粉老化時間的延長，淀粉分子鏈間更易形成氫鍵，迫使水分子與淀粉鏈間形成的氫鍵斷裂，使得淀粉凝膠的持水能力減弱，有更多的水分從凝膠體系中析出，形成自由水。從圖4b可以看出，含5%皂莢糖膠的淀粉凝膠冷藏0～21 d，與圖4a玉米淀粉相比，自由水含量有所下降，說明皂莢糖膠的加入，增強了淀粉凝膠的持水能力，使得復配體系的水分運動性降低，這可能因為皂莢糖膠中有大量羥基等極性基團，能與水分子及淀粉分子之間形成膠-水或膠-水-淀粉的氫鍵相互作用。此外，皂莢糖膠的加入導致微相區淀粉分子濃度增大，淀粉分子鏈段的移動受阻，分子鏈間形成氫鍵的時間被延長，降低了體系中自由水分子的數量，延緩重結晶速率[41-44]。

圖4 玉米淀粉（a）和5%皂莢糖膠-玉米淀粉復配體系（b）老化過程中的水分分布Fig.4 Water distribution in corn starch (a) and 5% GSLG-corn starch system (b) during aging

3 結 論

玉米淀粉及皂莢糖膠復配體系動態流變分析實驗表明，皂莢糖膠可以延緩玉米淀粉的短期老化，且隨著膠添加量的增加，老化延遲效應更加明顯。物性分析實驗表明，相同冷藏時間內玉米淀粉凝膠的硬度值隨皂莢糖膠添加量的增大而降低，皂莢糖膠的加入能夠使玉米淀粉形成質地更為柔軟的凝膠。DSC實驗進一步確證了皂莢糖膠的加入使體系的老化率降低，該膠可以抑制淀粉的長期老化。通過LF-NMR實驗，證實隨著冷藏時間延長，體系自由水增加，5%皂莢糖膠復配體系經過冷藏后體系的自由水含量相對較低。