黄原胶对绿豆淀粉糊化和流变特性的影响

唐敏敏,洪 雁*,顾正彪,刘 月

(食品科学与技术国家重点实验室,江南大学食品学院,江苏 无锡 214122)

 

要:研究黄原胶(XG)对绿豆淀粉(MBS)的糊化和流变学性质的影响,并与目前应用较多的玉米淀粉(CS)、马铃薯淀粉(PS)进行比较分析。快速黏度分析仪(RVA)曲线表明黄原胶可增加绿豆淀粉的峰值黏度和起始糊化温度,降低崩解值和回生值。动态流变学实验表明黄原胶能够提高绿豆淀粉的储能模量和损耗模量(G’、G”)值,体系表现出更为优越的黏弹性。静态流变学实验表明绿豆淀粉与黄原胶体系的稠度系数K增加,流体指数n降低,滞后环面积减少,稳定性提高。与玉米淀粉+黄原胶体系、马铃薯淀粉+黄原胶体系相比较而言,玉米淀粉呈现出与绿豆淀粉相类似的性质,而马铃薯由于其带电荷的差异性,表现为混合体系的峰值黏度降低,稠度系数减少。

关键词:绿豆淀粉;玉米淀粉;马铃薯淀粉;黄原胶;糊化特性;流变学性质

 

Effect of Xanthan on Pasting and Rheological Properties of Mung Bean Starch

 

TANG Min-min,HONG Yan*,GU Zheng-biao,LIU Yue

(State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

 

Abstract:In this study, pasting and rheological properties of mung bean starch were explored in the presence and absence of xanthan through comparing with the widely used corn starch and potato starch. Results indicated that the presence of xanthan increased the peak viscosity and pasting temperature of mung bean starch, while the values of breakdown and setback decreased. Dynamic rheological studies suggested that the addition of xanthan considerably increased the G and G values of mung bean starch, giving rise to better viscoelasticity. In static rheological studies, mung bean starch pastes remained pseudo-plastic fluids despite the presence of xanthan, with higher consistency coefficient K, and shortened lag ring area and fluid index n. Corn starch + xanthan system had similar properties. However, potato starch + xanthan system presented lower peak viscosity and consistency coefficient.

Key words:mung bean starch;corn starch;potato starch;xanthan;pasting properties;rheological properties

中图分类号:TS231 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2013)21-0042-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201321009

绿豆淀粉具有热黏度高、易回生等性能,在食品工业中是制作粉丝、粉皮、绿豆饴等产品的主要原料。但因天然淀粉本身性质上的缺陷,如热稳定性和冻融稳定性差,不耐剪切等。人们对绿豆淀粉的利用基本停留在传统的粗加工层面。和禾谷类淀粉与薯类淀粉相比,绿豆淀粉提取率低,生产规模小,经济效益低,造成绿豆淀粉市场占有率呈逐年下降的趋势[1]。

黄原胶是性能最为优越的亲水性胶体,独特的理化性质使其集增稠、悬浮及乳化稳定等功能于一身[2]。研究发现,向淀粉基食品中添加黄原胶,能够提高产品的稳定性,改善食品质构,控制水分流动,降低成本和简化加工过程。利用淀粉与胶体间的相互作用,对提高传统食品产品质量,改善加工工艺和指导新型食品的研究与开发有较好的推动作用[3]。目前淀粉资源利用较充分的是玉米淀粉和马铃薯淀粉,对其与黄原胶混合协同增稠研究的报道较多,Alloncle等[4]研究了黄原胶、瓜尔胶和刺槐豆胶对玉米淀粉糊黏弹性的影响,结果表明黄原胶对体系弱凝胶性的影响最强。柴春祥等[5]考察了不同浓度黄原胶与马铃薯体系的静态与动态流变学特性,结果表明体系为假塑性流体,并且弹性模量和黏性模量增加。而对绿豆淀粉与黄原胶混合体系研究报道较少。本实验以绿豆淀粉-黄原胶体系为研究对象,并与马铃薯淀粉-黄原胶、玉米淀粉-黄原胶体系进行比较,利用快速黏度仪、流变仪研究混合体系糊化和流变特性的变化,为绿豆淀粉进一步的综合开发利用提供依据和指导,促进我国绿豆资源的综合高效利用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

绿豆淀粉(水分含量14.19%,MBS) 市售(酸浆法);玉米淀粉(水分含量13.79%,CS) 山东诸城兴贸玉米开发有限公司;马铃薯淀粉(水分含量17.47%,PS) 黑龙江北大荒马铃薯产业有限公司;黄原胶(水分含量10.82%,XG) 苏州丹尼斯克(中国)有限公司。

快速黏度分析仪(RVA) 澳大利亚Newport Scientific公司;AR1000型流变仪 美国TA公司。

1.2 方法

1.2.1 蓝值

吸取定容好的质量浓度为0.5mg/mL的3种淀粉糊溶液1mL,滴加0.5mL lmol/L氢氧化钠溶液,沸水浴3min,冷却,0.5mol/L HCl中和,加入0.07~0.10g酒石酸氢钾,加0.5mL碘液(2mg/mL碘、20mg/mL碘化钾),将溶液全部转移至50mL容量瓶,并用去离子水定容至刻度,室温避光静置20min,在分光光度计上,波长680nm用lcm的比色皿测吸光度,通过式(1)计算蓝值[6]。

451401.jpg (1)

1.2.2 糊化特性

准确称取一定质量的3种淀粉,分别与25g蒸馏水混合于RVA专用铝盒中,调成干物质质量分数为6%的淀粉和淀粉与黄原胶的悬浮液,其中淀粉、黄原胶质量比为10:1。

采用RVA标准程序2,测定程序如下:1min内转速由960r/min降到160r/min并保持稳定,从50℃开始升温,经过7.5min升至95℃,并保温5min,再经过7.5min降温到50℃,50℃保温2min,仪器将自动绘出一条糊化曲线[7],从曲线上可得到糊化特征参数。

1.2.3 流变学特性

1.2.3.1 动态流变学

取1.2.2节制备好的淀粉糊,放入应力可控型AR-1000流变仪测定平台,采用平板-平板测量系统,平板直径为40mm,平板间距1mm,刮去平板外多余样品,加上盖板,并加入硅油以防止水分蒸发。于25℃、频率变化范围为0.1~10Hz,测定样品的黏弹性[8]。

1.2.3.2 静态流变学

样品制备方法及测试条件如1.2.3.1节。测量剪切速率(τ)从0~300s-1递增,再从0~300s-1递减范围内样品的变化情况,数据采集和记录由计算机自动完成[9]。采用幂率方程流变模型对数据点进行回归拟合,复相关系数R2表示方程的拟合精度。

τ=n (2)

式中:τ表示剪切应力/Pa;K表示稠度系数/(Pasn);γ表示剪切速率/s-1;n表示流体指数。

2 结果与分析

2.1 蓝值测定结果

表 1 3种淀粉的蓝值测定结果

Table 1 Blue value of three different starches

淀粉种类

绿豆淀粉

玉米淀粉

马铃薯淀粉

蓝值

0.2616

0.1972

0.1363

 

 

蓝值是表示淀粉结合碘能力的一个重要指标。直链淀粉线性聚合度(DP)很高(在45以上),能与碘液形成螺旋结构络合物,呈现蓝色,故蓝值很大,一般为0.8~1.2[6]。支链淀粉因聚合度较低,故蓝值较小。因此可以用蓝值的大小来衡量直链淀粉的含量。由表1可知,绿豆淀粉的蓝值最高,和玉米淀粉及马铃薯淀粉相比,其直链淀粉含量相对较高。

2.2 糊化特性

图1为3种淀粉以及淀粉与黄原胶混合体系的RVA糊化曲线,表2为其糊化参数。由图1可知,绿豆原淀粉的RVA糊化曲线和玉米原淀粉的曲线较为相似。绿豆淀粉与玉米淀粉颗粒大小相当,而马铃薯淀粉颗粒明显大于绿豆淀粉和玉米淀粉,这种结构上的差异导致了马铃薯淀粉糊对热和搅拌非常敏感,通常表现为崩解值显著降低。3种淀粉中,绿豆淀粉的成糊温度介于马铃薯淀粉和玉米淀粉之间,成糊温度与淀粉直链含量,结晶致密程度,分支链长都显著相关。因为绿豆淀粉直链含量高,而玉米属于禾谷类淀粉,其结晶程度较为致密,所以糊化温度较高[10]。

加入黄原胶后,绿豆淀粉+黄原胶的峰值黏度增加,这是由于黄原胶与糊化过程中渗漏出来的直链淀粉产生一定的相互作用,使得分子的流体力学体积增大,造成黏度增加[11]。而绿豆淀粉+黄原胶体系的崩解值和回生值显著降低,说明黄原胶能够显著提高绿豆淀粉的热糊稳定性以及贮藏稳定性。由于黄原胶能够附着到淀粉颗粒的表面,抑制淀粉颗粒的膨胀破裂,从而使得淀粉的崩解值降低。加入黄原胶能够降低绿豆淀粉的回生值,一方面是因为通过氢键作用,黄原胶能与绿豆淀粉渗漏出来的少量直链淀粉相互作用,使体系里海绵状结构的发展得以抑制,回生值降低;另一方面,黄原胶是一种与水结合能力很强的亲水性胶体,而水在淀粉分子重结晶过程中扮演的角色极为重要,因而,由于体系内自由水含量减少,淀粉分子链重排变得困难,回生程度降低[12-13]。绿豆淀粉+黄原胶体系的成糊温度升高,Shi Xiaohong等[3]认为这可能是由于淀粉与胶体存在热力学不相容的相分离行为,这一行为使得每一组分都存在于溶液相互独立的微相中,并且使淀粉的有效浓度增加,使淀粉糊化变得困难,同时,黄原胶具有良好的水溶性,当胶体加入后与淀粉竞争吸附体系中的水分,水分的缺失使得糊化变得缓慢[14]。

451422.jpg 

451444.jpg 

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a.绿豆淀粉+黄原胶;b.玉米淀粉+黄原胶;c.马铃薯淀粉+黄原胶。

图 1 绿豆淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉与黄原胶混合体系的糊化曲线图

Fig.1 Pasting curves of mung bean starch, corn starch and potato starch/xanthan mixtures

表 2 不同种类淀粉+黄原胶混合体系黏度特征值

Table 2 Pasting parameters of starch/xanthan mixtures

样品

峰值黏度/

(mPas)

终值黏度/

(mPas)

崩解值/

(mPas)

回生值/

(mPas)

峰值时

间/min

成糊

温度/℃

MBS

584

642

163

221

7.33

76.35

MBS+XG

1054

1177

36

159

9.60

80.85

PS

4170

1954

2653

437

6.07

68.00

PS+XG

1676

1939

106

369

11.40

75.65

CS

782

991

152

361

8.93

80.85

CS+XG

1242

1312

31

101

10.87

85.60

 

 

玉米淀粉+黄原胶体系表现出相同的变化趋势,而马铃薯淀粉+黄原胶体系的峰值黏度却显著降低。马铃薯+黄原胶体系黏度降低主要原因是由于带负电荷的马铃薯淀粉与带负电的黄原胶侧链之间产生相互排斥作用,造成体系黏度的降低。

2.3 流变学特性

2.3.1 动态流变学特性

实际加工过程中,淀粉糊时常需要处于动态变化中,因此很有必要讨论淀粉糊在动态过程中的特性。动态流变学可用来测定不同样品的黏弹性,对其加工特性和质量控制具有很大应用价值。储能模量(G’)代表能量贮存而可恢复的弹性性质,损耗模量(G”)代表能量消散的黏性性质;tanδG”与G’的比值[15]。

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a.绿豆淀粉+黄原胶;b.玉米淀粉+黄原胶;c.马铃薯淀粉+黄原胶。

图 2 绿豆淀粉、玉米淀粉和马铃薯淀粉在黄原胶溶液中的动态流变曲线

Fig.2 Curves of dynamic modulus as a function of frequency of starches/xanthan mixed systems

由图2可知,3种淀粉体系的G’均大于G”,损耗角正切值(tanδ)小于1,G’与G”随频率增加而上升,且呈现出频率依赖性,表现为一种典型的弱凝胶动态流变学谱图[16]。绿豆原淀粉凝胶强度最强,可能因为其含有较高的直链淀粉含量,直链淀粉能增加淀粉体系的脆性和强度[17]。加入黄原胶后,绿豆淀粉的G’、G”均有增加,且频率依赖性降低。G’的增加表明黄原胶的加入使得绿豆淀粉与黄原胶体系内部的分子链段之间的缠结点增多,凝胶体系网络结构加强,这说明加入黄原胶后混合体系形成了一种比单独绿豆淀粉体系更强的三维网状结构。玉米淀粉+黄原胶体系、马铃薯淀粉+黄原胶体系呈现出与绿豆淀粉一样的趋势,但G’增加幅度较大,说明其与黄原胶的缠结作用更强。

tanδG”与G’比值,tanδ越大,表明体系的黏性比例越大,流动性强,反之则弹性比例较大[15]。可以看出,在低频扫描区域内,绿豆淀粉+黄原胶体系tanδ值大于原淀粉体系,到高频区后,tanδ值与原淀粉体系相当,总体呈现出更强的黏性性质,这说明G”增加幅度比G’快,体系流动性增加。玉米淀粉+黄原胶体系呈现与绿豆淀粉+黄原胶体系呈现相同的趋势。而马铃薯淀粉+黄原胶体系的损耗角正切值tanδ低于单独马铃薯淀粉,说明马铃薯淀粉+黄原胶体系具有偏向弹性流体的性质,流动性降低,这与加入黄原胶后的绿豆淀粉以及玉米淀粉体系所变现的趋势相反,主要是由于马铃薯淀粉和黄原胶侧链之间的负电荷相互排斥作用,使马铃薯淀粉+黄原胶体系形成硬性、有序的构象[18]。

2.3.2 静态流变学特性

在所扫描的剪切速率中,剪切应力随着剪切速率的增加而增加,淀粉糊出现剪切稀化的假塑性现象,表现出体系表观黏度的下降,即说明所有样品主要表现为剪切时间依赖现象,为假塑性流体[19]。

绿豆淀粉、玉米淀粉及马铃薯淀粉与黄原胶体系稳态流动特性如图3所示。采用幂律方程对样品体系上行线和下行线进行拟合。上行或下行流动曲线的稠度系数K、流体指数n、复相关系数R2和滞后环面积如表3所示。

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451646.jpg 

a.绿豆淀粉+黄原胶;b.玉米淀粉+黄原胶;c.马铃薯淀粉+黄原胶。

图 3 绿豆淀粉、玉米淀粉和马铃薯淀粉在黄原胶溶液中的静态流变曲线

Fig.3 Static rheological curves of starches/xanthan mixed systems

表 3 3种种类淀粉-黄原胶复配体系幂率方程拟合参数

Table 3 Power law parameters for starch/xanthan mixed systems

样品

触变环

面积/(Pa/s)

上行线

 

下行线

K/(Pasn)

n

R2

 

K/(Pasn)

n

R2

MBS

8062

26.41

0.43

0.9987

 

16.04

0.51

0.9991

MBS+XG

4993

33.90

0.22

0.9975

 

28.95

0.23

0.9886

PS

11720

57.84

0.39

0.9887

 

36.27

0.46

0.9983

PS+XG

408.2

40.93

0.28

0.9873

 

36.52

0.30

0.9957

CS

2677

26.92

0.28

0.9904

 

17.37

0.35

0.9976

CS+XG

120.3

31.01

0.17

0.9922

 

30.68

0.18

0.9932

 

 

由表3可知,随着剪切速率的增加,幂律方程适用于该样品体系流变曲线的拟合,复相关系数在0.9886~0.9991之间。加入黄原胶之后,绿豆淀粉+黄原胶体系上行线和下行线的稠度系数K都有所增加,说明体系的稠度增强,分子缠结使得体系黏度增加,因此,复配体系表现出更高的黏性,玉米淀粉+黄原胶体系的稠度系数也增加。而加入黄原胶的马铃薯淀粉体系的稠度系数却有所下降,这说明体系的整个稠度降低,这也证实了RVA得出的马铃薯淀粉+黄原胶黏度降低的结论。此外,加入黄原胶后,3种淀粉的流体指数n都有所降低,表明胶体的加入使淀粉形成的结构的假塑性增强。黄原胶是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酰基和丙酮酸构成的“五糖重复单元”结构聚合体,由于自身负电荷间的相斥性使分子内无法形成氢键,分子链较为舒展[20],因而,易于与淀粉分子间相互作用形成氢键,使得分子链段间的缠结点增加,对流动产生的黏性阻力增强。当受到外力高速剪切时,体系内会有部分氢键断裂,分子间产生解旋作用,同时,淀粉分子链与黄原胶分子链段间的缠绕作用增加了流体中分子链节的顺向性,从而体系剪切变稀性增强,n值降低[21]。

触变性是水溶性高分子溶液重要流变学特性之一。由于外力剪切作用对体系整齐的网格结构有一定的拆散度。当剪切速率逐渐降低时,结构的恢复速率在短时间内不能完全跟随上拆散速率,黏性变化曲线一般不能回复到原曲线,形成滞后环,出现触变性。黏性保持好,触变环面积小,因此触变环面积可以表示淀粉结构被破坏所需要能量[22]。表3显示滞后环结构均为顺时针环状,黄原胶的加入使绿豆淀粉、玉米淀粉及马铃薯淀粉的滞后环面积减少。黄原胶具有刚性棒状、有序的结构,能与淀粉颗粒之间使得体系缠结点增多,促进体系三维网络结构的形成和提高体系的剪切稳定性。

3 结 论

研究了黄原胶对绿豆淀粉的糊化和流变性质的影响,发现:绿豆淀粉+黄原胶混合体系的峰值黏度和成糊温度上升,崩解值和回生值下降。加入黄原胶后绿豆淀粉+黄原胶体系的G’、G”值增加,损耗角正切值tanδ升高,且混合体系仍为假塑性流体,滞后环面积减少,稳定性提高。黄原胶的加入对玉米淀粉的性质影响与绿豆淀粉相似,但是对马铃薯淀粉的影响则较为不同。

因此,黄原胶可用于改善绿豆淀粉本身性能的不足,有效提高流动性和稳定性,是一种成本低、效果好、工艺简单、适合工业化生产的方法。

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收稿日期:2012-08-25

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD37B01);高等学校博士学科点专项科研基金项目(20100093110001);江苏高校优势学科建设工程项目

作者简介:唐敏敏(1988—),女,硕士研究生,研究方向为食品科学。E-mail:tangminmin.1988@163.com

*通信作者:洪雁(1974—),女,副教授,硕士,研究方向为淀粉资源的开发与利用。E-mail:foodstarch@yahoo.cn