陈学玲，关 健，梅 新，施建斌，蔡 沙，何建军*
（湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所，湖北 武汉 430064）
摘 要：研究氯化钠、蔗糖和碳酸钠对芡实淀粉糊化特性的影响规律。采用差示扫描量热法等方法测定了不同质量分数氯化钠（1%、2%、3%、4%、5%）、蔗糖（4%、8%、12%、16%、20%）和碳酸钠（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）对芡实淀粉的糊化温度、溶解度、膨胀度、冻融稳定性等糊化特性的影响。结果发现，氯化钠、蔗糖和碳酸钠均提高了芡实淀粉的糊化温度。原芡实淀粉透明度为1.3%，氯化钠的加入降低了透明度，而蔗糖和碳酸钠则提高其透明度。氯化钠、蔗糖和碳酸钠均增加了芡实淀粉糊的膨胀度和溶解度，并均降低其冻融稳定性。在凝沉性方面，三者表现不一，低含量的氯化钠（1%～3%）和碳酸钠（0.5%～1.5%）均有利于芡实淀粉糊的稳定；高含量的氯化钠（4%～5%）和碳酸钠（2.0%～2.5%）均促使淀粉糊凝沉增加，降低稳定性；而蔗糖则提高了芡实淀粉糊的凝沉稳定性。由此可见，在芡实淀粉糊化过程中，氯化钠、蔗糖和碳酸钠三者对其糊化特性的影响显著。
关键词：芡实；淀粉；糊化特性；差示扫描量热法
陈学玲, 关健, 梅新, 等. 氯化钠、蔗糖和碳酸钠对芡实淀粉糊化特性的影响[J]. 食品科学, 2017, 38(17): 60-65. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201717011. http://www.spkx.net.cn
CHEN Xueling, GUAN Jian, MEI Xin, et al. Effects of NaCl, sucrose and Na2CO3on pasting properties of starch from seeds of Euryale ferox Salisb.[J]. Food Science, 2017, 38(17): 60-65. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201717011. http://www.spkx.net.cn
糊化特性是淀粉的重要性质，主要包括透明度、溶解度、膨胀度、凝沉性和冻融稳定性等，关系到淀粉的应用和加工，也影响淀粉及其制品的特性，如透明度直接关系到淀粉和淀粉产品的外观和可接受性；淀粉凝沉能导致富含淀粉的制品在机械性能上发生重大变化，从而影响它们的感官特性、营养价值和加工特性[1]。因此，对淀粉透明度、凝沉性、冻融稳定性、黏度等的研究非常有必要。目前已有很多关于玉米、甘薯、大米等淀粉糊化特性的研究报道。
芡实是珍贵的药食兼用材料，淀粉是其主要组分[2]。芡实淀粉的特性与芡实产品的加工性和品质密切相关。为加深对芡实淀粉性质的了解，熊柳等[3]研究了芡实淀粉的糊化性、溶胀度、可溶性指数、质构性和消化性等；张汆等[4]侧重研究了芡实淀粉糊黏度特性，研究了温度、pH值以及常用食品添加剂（如氯化钠、氯化钙和蔗糖等）对淀粉糊黏度的影响规律。王晶[5]研究了芡实淀粉的颗粒性质、溶解度、透明度、冻融稳定性、凝胶特性和流变学特性等。黄娟[6]研究并对比了苏芡与淮芡淀粉的热稳定性、冻融稳定性、凝胶强度、溶解度和膨胀度等特性。
盐、糖和碱是淀粉质食品中重要的组分，常添加入焙烤食品（如饼干、面包等）和其他加工制品中。在淀粉质产品加工中，为了获得高品质的加工产品，有必要了解其他组分如盐、糖等如何影响淀粉糊化过程[7]。目前鲜见关于食品添加剂对芡实淀粉糊化特性影响的相关报道。本实验着重对芡实淀粉的糊化温度、糊透明度、溶解性等特性进行了研究，探讨了氯化钠、蔗糖和碳酸钠对芡实淀粉糊化特性的影响，为进一步开发芡实淀粉的应用提供理论依据。
1.1 材料与试剂
芡实淀粉为湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所果蔬加工实验室自制。
氯化钠、蔗糖、碳酸钠（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
DSC200F3型差示扫描量热仪 德国耐驰仪器制造有限公司；752型紫外-可见分光光度计 上海光谱仪器有限公司；3K15型高速冷冻离心机德国Sigma公司。
1.3 方法
1.3.1 实验设计
本实验设计氯化钠、蔗糖、碳酸钠3 种处理：氯化钠质量分数分别为0%、1%、2%、3%、4%、5%；蔗糖质量分数分别为0%、4%、8%、12%、16%、20%；碳酸钠质量分数分别为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%。 1.3.2 芡实淀粉糊化温度的测定
称取0.5 g左右的芡实淀粉，按质量比1∶2加入蒸馏水，混匀后置于4 ℃冰箱中静置24 h，用差示扫描量热仪测定芡实淀粉的糊化温度（Tp）。条件：起始温度20 ℃，升温速率5 ℃/min，终止温度100 ℃。实验重复3 次，取平均值。设定空白组为处理1。氯化钠、蔗糖、碳酸钠按1.3.1节的含量配制，取代蒸馏水分别加入到芡实淀粉中配制淀粉乳。
1.3.3 芡实淀粉透明度的测定
称取一定量的芡实淀粉，加入适量的蒸馏水，配制成1%的淀粉乳，沸水浴加热搅拌30 min并保持淀粉乳的原有体积，然后冷却至室温，以蒸馏水为空白，在650 nm波长处测定其淀粉糊的透过率。实验重复3 次，取平均值。设定空白组为处理1。氯化钠、蔗糖、碳酸钠按1.3.1节的含量配制，取代蒸馏水分别加入到芡实淀粉中配制淀粉乳。
1.3.4 芡实淀粉溶解度和膨胀度的测定
称取一定量的芡实淀粉，加入适量的蒸馏水，配制成质量分数为2%的淀粉乳，在75 ℃水浴中加热搅拌30 min，然后冷却至室温，3 000 r/min离心20 min，取上清液于105 ℃烘干至恒质量，称质量。实验重复3 次，取平均值。设定空白组为处理1。氯化钠、蔗糖、碳酸钠按1.3.1节的含量配制，取代蒸馏水分别加入到芡实淀粉中配制淀粉乳。芡实淀粉溶解度（S）和膨胀度（B）根据公式（1）、（2）计算。
式中：m1为上清液蒸干至恒质量后的淀粉质量/g；m2为淀粉的质量/g；m3为离心后淀粉糊的质量/g。
1.3.5 芡实淀粉冻融稳定性的测定
配制质量分数为3%的淀粉乳，沸水浴加热搅拌30 min，然后冷却至室温。混匀后分别取一定体积的淀粉糊置于9 支称过质量的10 mL离心管中，放入－25 ℃的冰柜中冷冻24 h后取出于25 ℃条件下解冻。然后取出其中1 支称其质量后4 000 r/min离心20 min，弃去上清液后称质量，根据公式（3）计算析水率（R）。实验重复3 次，取平均值。设定空白组为处理1。氯化钠、蔗糖、碳酸钠按
1.3.1 节的含量分别加入到芡实淀粉中配制淀粉乳。
式中：m0为离心管质量/g；m1为解冻后离心管和样品总质量/g；m2为离心后弃去上清液后离心管和淀粉糊的总质量/g。
1.3.6 芡实淀粉凝沉性的测定
配制质量分数为1%的淀粉乳，沸水浴加热搅拌30 min，然后冷却至室温。混匀后取100 mL淀粉糊置于100 mL带盖量筒中，静置，每隔10 h读取一次下层沉淀的体积，即为凝沉积。重复3 次，取平均值。设定空白组为处理1。氯化钠、蔗糖、碳酸钠按1.3.1节的含量分别加入到芡实淀粉中配制淀粉乳。
1.4 数据统计分析
采用DPS 7.05数据处理软件对实验结果进行处理，实验重复3 次，结果用±s表示。同一种添加剂不同含量处理的样品平均值，采用Duncan新复极差法进行显著性检验。以P＜0.05为显著性检验标准。
2.1 芡实淀粉糊化温度
图 1 氯化钠、蔗糖和碳酸钠对芡实淀粉糊化温度的影响
Fig. 1 Effect of NaCl, sucrose and Na2CO3on pasting temperature of the starch paste
如图1所示，氯化钠的添加提高了芡实淀粉的糊化温度，且随氯化钠含量增加糊化温度升高。当氯化钠添加量为5%时，芡实淀粉的糊化温度与对照组相比差异性显著（P＜0.05），其糊化温度由75.43 ℃升高至85.18 ℃，增幅为12.93%。这是因为含有氯化钠的淀粉乳受热发生糊化作用时，由于氯化钠的存在降低了水分活度，影响了淀粉分子与水分子之间的相互作用，从而使淀粉的糊化特性受到影响[8]。这与前人对玉米淀粉[9]的研究结论一致。
蔗糖的加入使芡实淀粉的糊化温度升高，而且糊化温度随蔗糖添加量的加大而升高。当加入20%蔗糖时，芡实淀粉的糊化温度由75.43 ℃升高至84.08 ℃，增加了11.47%，有显著差异（P＜0.05）。原因可能与蔗糖分子所具有的羟基有关，羟基的存在使蔗糖易溶于水，使淀粉乳中的淀粉颗粒吸水膨胀的机会减少，颗粒 膨胀受到阻碍，需要更多热能才能糊化，因而提高了淀粉的糊化温度。这在杜先锋等[10]的研究中也有相似的结论。
碳酸钠的添加同样提高了芡实淀粉的糊化温度，且随碳酸钠含量增加糊化温度升高，不同添加量的碳酸钠处理的芡实淀粉的糊化温度之间存在显著性差异（P＜0.05）。吴美红等[11]研究表明，碳酸钠的存在能减少体系的自由水而阻止淀粉糊化而加速老化，具体作用由碳酸钠添加量、淀粉含量、种类等因素决定；碳酸钠对6%玉米淀粉和6%马铃薯淀粉的影响是不同的；当碳酸钠的添加量在0～0.102 g时，马铃薯淀粉的糊化温度升高，而玉米淀粉的降低。当添加2.5%碳酸钠时，芡实淀粉的糊化温度升高至84.81 ℃，增幅为12.58%。碳酸钠的添加使淀粉的糊化温度升高可能是由于碳酸钠中的钠离子与淀粉中的羟基发生静电相互作用，导致淀粉糊化过程的活化能升高而引起糊化温度升高[12]。这与对玉米淀粉[13]、大米淀粉[12]的研究中有相似的结论。
2.2 芡实淀粉透明度
透明度是淀粉糊的重要理化特性，直接关系到淀粉类产品的外观和用途[14]。透明度显示了淀粉与水结合能力的强弱，与淀粉的分子结构、分子链的长短等有密切关系[15]。有研究表明淀粉中直链淀粉含量越高，淀粉就越易发生老化，淀粉糊的透明度也就越低[16]。
图 2 氯化钠、蔗糖和碳酸钠对芡实淀粉糊透明度的影响
Fig. 2 Effect of NaCl, sucrose and Na2CO3on light transmittance of the starch paste
由图2可知，氯化钠的加入降低了芡实淀粉糊的透明度，且氯化钠的含量与透明度大小呈负相关。芡实淀粉中加入5%氯化钠时，淀粉糊的透明度为1.03%，与对照淀粉糊透明度差异显著（P＜0.05）。可能由于氯化钠的存在降低了水分活度，影响了淀粉分子与水分子之间的相互作用，改变了淀粉的膨润和糊化，进而降低了透明度。这与氯化钠对甘薯淀粉[1]透明度的影响是相似的。
芡实淀粉中加入蔗糖后，淀粉糊的透明度随蔗糖含量增加而增大。20%蔗糖的加入，使淀粉糊的透明度由0.97%提高至1.73%，两者之间差异性显著（P＜0.05）。这是因为蔗糖提高溶液体系的折光指数，从而使淀粉糊的透明度显著提高。此外，蔗糖分子和水分子均与淀粉分子形成氢键，减弱了淀粉分子间的相互作用，淀粉糊的透明度也因此增大[15]。这与甘薯淀粉[1]的相关研究结果相似。
碳酸钠的加入同样使芡实淀粉糊的透明度增大，且添加量与透明度大小呈正相关。0.5%碳酸钠使淀粉糊的透明度由1.10%提高至2.13%，2.5%碳酸钠使透明度提高至3.43%，与对照组相比有显著性差异（P＜0.05）。这可能由于碳酸钠中的钠离子与淀粉中的羟基发生静电相互作用[12]，削弱了淀粉分子间的相互作用，从而引起淀粉糊透明度的增加。
2.3 芡实淀粉膨胀度
淀粉膨胀是主要由于淀粉颗粒受热糊化时，淀粉粒吸收的能量可以破坏淀粉分子间形成的氢键，导致淀粉分子间的作用力减弱，水分子进入淀粉颗粒的非结晶区，与非结晶区的一些游离的亲水基团作用，使淀粉颗粒吸水膨胀[17]。
图 3 氯化钠、蔗糖和碳酸钠对芡实淀粉膨胀度的影响
Fig. 3 Effect of NaCl, sucrose and Na2CO3on swelling power of the starch paste
由图3可知，氯化钠、蔗糖、碳酸钠均有促进芡实淀粉膨胀的作用，且随添加量增加，促进膨胀的作用更强。无添加剂的空白组芡实淀粉的膨胀度为4.19%。1%氯化钠使芡实淀粉膨胀度提高至5.17%，5%氯化钠使其达15.15%，但与空白组相比差异显著（P＜0.05）。4%蔗糖使芡实淀粉的膨胀度提高至5.17%，20%蔗糖则使芡实淀粉膨胀度达22.64%，两者间存在显著性差异（P＜0.05）。碳酸钠对芡实淀粉膨胀的促进作用更显著，0.5%碳酸钠的加入使芡实淀粉的膨胀度提高至7.77%，而2.5%碳酸钠加入后，芡实淀粉膨胀度达82.46%，添加碳酸钠的芡实淀粉膨胀度与对照组有显著差异（P＜0.05）。Lai等[18]研究发现，碳酸钠可促进小麦、玉米和大米淀粉膨胀；Zhou Yun等[19]研究发现碳酸钠增加了小麦淀粉的膨胀度。这可能是由于碱破坏了淀粉中无定形区，降低了直链淀粉的抑制作用，因而促进淀粉自由的膨胀[20]。
2.4 芡实淀粉溶解度
由图4可知，氯化钠、蔗糖、碳酸钠的添加均显著提高了芡实淀粉的溶解度，且随添加量增加，溶解度越大，且均与对照组有显著性差异（P＜0.05）。无添加剂的空白组芡实淀粉的溶解度为1.65%。1%氯化钠使芡实淀粉溶解度增至8.37%，5%氯化钠的加入可使溶解度达77.55%，各水平之间差异显著。4%蔗糖使芡实淀粉溶解度增至15.07%，20%蔗糖使溶解度达61.15%，各水平之间差异显著（P＜0.05）。0.5%碳酸钠的加入使空白组的溶解度提高至23.57%，而2.5%碳酸钠加入后，芡实淀粉溶解度达90.74%，这与西米淀粉的研究结论相似[20]。
图 4 氯化钠、蔗糖和碳酸钠对芡实淀粉溶解度的影响
Fig. 4 Effect of NaCl, sucrose and Na2CO3on solubility of the starch paste
2.5 芡实淀粉冻融稳定性
淀粉糊的冻融稳定性是指淀粉糊在经过一段时间冷冻后，取出融化，淀粉糊仍能保持原来胶体结构的性质[21]。淀粉凝胶经冷冻与融化处理后，它的胶体结构遭到破坏，游离的水从中析出[22]。
图 5 氯化钠、蔗糖和碳酸钠对芡实淀粉糊析水率的影响
Fig. 5 Effect of NaCl, sucrose and Na2CO3on syneresis rate of the starch paste
图5 表明，随着氯化钠、蔗糖和碳酸钠含量的增加，芡实淀粉糊的析水率降低，说明淀粉糊的冻融稳定性随着三者含量的增大而增强。当氯化钠添加量为1%的芡实淀粉冻融稳定性与2%氯化钠之间差异不显著（P＞0.05），但与5%氯化钠之间差异性显著（P＜0.05）。氯化钠促进芡实淀粉糊的冻融稳定性，一方面可能由于氯化钠能降低水分活度，另一方面由于氯化钠是一种强电解质，和无机离子产生偶极离子相互作用，此作用的强度超过了H2O—H2O和H2O淀粉分子侧链—OH之间的作用，同时Na＋还可与淀粉中的一些羟基、磷酸基团相互作用，淀粉链结构的改变导致淀粉糊性质发生变化[23]。这与氯化钠对蕨根淀粉[24]冻融稳定性的影响是一致的。
蔗糖增加了芡实淀粉糊的冻融稳定性，原因是蔗糖具有极大的溶解性和吸湿性。淀粉糊冷冻后，形成玻璃态。当玻璃态的水分子凝固成冰晶，易形成海绵结构、释放水或析出水分。由于蔗糖具有吸湿性，降低了处于玻璃态的水分含量，水分子不能结晶，因而蔗糖具有冷冻保护剂的功能，可防止析水与冷冻造成的淀粉结构与质构的破坏[25]。龙虎等[24]研究发现，20%蔗糖有效降低了大米淀粉糊的析水率，提高其冻融稳定性。蔗糖添加量为20%，与其他几种含量的蔗糖对芡实淀粉的析水率差异性显著（P＜0.05）。
碳酸钠提高芡实淀粉糊的冻融稳定性，可能是由于Na＋与淀粉中的一些羟基形成相互作用，并削弱淀粉与水的相互作用；也可能是由于在碱性条件下，淀粉分子发生了水解[26]。不同含量的碳酸钠使芡实淀粉冻融稳定性差异性显著（P＜0.05）。
2.6 芡实淀粉凝沉性
图 6 氯化钠、蔗糖和碳酸钠对芡实淀粉凝沉积的影响
Fig. 6 Effect of NaCl, sucrose and Na2CO3on retrogradation of the starch paste
前期研究发现，当芡实淀粉糊的凝沉时间大于10 h时，氯化钠、蔗糖和碳酸钠对其稳定性的影响均趋于平衡。因此，本研究仅对凝沉时间为10 h时的凝沉性进行分析讨论，由图6可知，不同含量的氯化钠处理的芡实淀粉凝沉性之间存在显著差异（P＜0.05）；与空白组相比，1%～3%氯化钠明显提高了淀粉糊的凝沉积，而4%～5%氯化钠明显降低了淀粉糊的凝沉积，说明低含量氯化钠有利于淀粉糊稳定性。这与氯化钠对蕨根淀粉[26]的凝沉性影响结果不一致。可能与淀粉种类有关，并且与研究方法（氯化钠的含量、凝沉时间）不同有关。
蔗糖对芡实淀粉糊凝沉性有显著影响，蔗糖的添加显著提高了淀粉糊的稳定性；但随着蔗糖含量增加，芡实淀粉糊的凝沉积降低，稳定性有所减弱，但仍高于空白组。蔗糖的添加同样显著提高了淀粉糊的稳定性[27]，且存在显著性差异（P＜0.05）。
碳酸钠对芡实淀粉糊凝沉性有显著差异（P＜0.05）。与空白组相比，含量为0.5%～1.5%碳酸钠提高了淀粉糊的凝沉积稳定性增加，2.0%～2.5%碳酸钠对淀粉糊的凝沉性影响则相反。
在芡实淀粉的糊化温度、膨胀度和溶解度方面，氯化钠、蔗糖和碳酸钠的影响一致，均呈正相关性。蔗糖、碳酸钠的添加量与芡实淀粉糊的透明度呈正相关，而氯化钠的影响则相反。氯化钠、蔗糖和碳酸钠均降低了芡实淀粉糊的冻融稳定性。在凝沉性方面，三者表现不一，低含量的氯化钠（1%～3%）和碳酸钠（0.5%～1.5%）均有利芡实淀粉糊的稳定；高含量的氯化钠（4%～5%）和碳酸钠（2.0%～2.5%）均促使淀粉糊凝沉增加，降低稳定性；而蔗糖则提高了芡实淀粉糊的凝沉稳定性。因此，氯化钠、蔗糖和碳酸钠三者均对芡实淀粉的糊化温度、透明度、膨胀度、溶解度、冻融稳定性和凝沉性有显著的影响。
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Effects of NaCl, Sucrose and Na2CO3on Pasting Properties of Starch from Seeds of Euryale ferox Salisb.
CHEN Xueling, GUAN Jian, MEI Xin, SHI Jianbin, CAI Sha, HE Jianjun*
(Institute for Farm Products Processing and Nuclear-agricultural Technology, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China)
Abstract:The effects of NaCl, sucrose and Na2CO3on pasting properties of starch from the seeds of Euryale ferox Salisb. were investigated. Pasting temperature, solubility, swelling power, freeze-thaw stability and other pasting properties were determined by differential scanning calorimetry (DSC) and other methods in the presence of various NaCl (1%, 2%, 3%, 4%, 5%, m/m), sucrose (4%, 8%, 12%, 16%, 20%, m/m) and Na2CO3(0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, m/m) concentrations. Pasting temperature, swelling power and solubility of the starch were increased and freeze-thaw stability was decreased by the addition of NaCl, sucrose and Na2CO3at all concentrations. Light transmittance of the starch paste was 1.3%, and it decreased in the presence of NaCl, but increased in the presence of sucrose and Na2CO3. In addition, low contents of NaCl (1%–3%) and Na2CO3(0.5%–1.5%) were favorable for the stability of the starch paste. High contents of NaCl (4%–5%) and Na2CO3(2.0%–2.5%) increased retrogradation and consequently reduced stability, while sucrose increased the stability of the starch paste. Therefore, NaCl, sucrose and Na2CO3 all had signifi cant impacts on gelatinization properties of the starch. Key words: Euryale ferox Salisb.; starch; pasting properties; differential scanning calorimetry
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201717011
中图分类号：TS231
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2017）17-0060-06引文格式：
收稿日期：2016-08-02
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD27B03）
作者简介：陈学玲（1979—），女，副研究员，硕士，研究方向为果蔬贮藏与加工。E-mail：chenxueling13@126.com *通信作者：何建军（1963—），男，研究员，本科，研究方向为农产品贮藏与加工。E-mail：920025354@qq.com