海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉回生影響機理的熱力學(xué)分析

周艷青，何 璐，向忠琪，趙文靜，李安平，楊 英

（稻谷及副產(chǎn)物深加工國家工程實驗室，中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

我國是大米的最大生產(chǎn)國和消費國，年產(chǎn)量可達2.1億 t[1]。以大米淀粉為主要原料的米制品深受廣大群眾的喜愛，米制品的制成需要加熱熟化，這其中伴隨著大米淀粉的糊化，但是糊化后的大米淀粉容易發(fā)生回生，導(dǎo)致米制品品質(zhì)發(fā)生劣變，阻礙了米制品的工業(yè)化發(fā)展，因此有必要研究解決這一問題。大米淀粉的回生過程跟普通淀粉一樣可分為短期回生和長期回生：短期回生發(fā)生在淀粉糊化后的初始階段，主要是無序的直鏈淀粉分子重新交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[2]；而長期回生則發(fā)生在糊化后的幾周或幾個月，主要是支鏈淀粉外層結(jié)構(gòu)的短鏈通過氫鍵彼此交聯(lián)重新結(jié)合形成有序的晶體結(jié)構(gòu)[3-4]。目前，已有多種親水性膠體被嘗試用于控制淀粉的回生：β-葡聚糖可以降低大米淀粉的回生速率和程度[4]；黃原膠能夠抑制大米淀粉的回生[5-6]；瓜爾膠能夠通過與直鏈淀粉或者部分支鏈淀粉的相互作用抑制玉米淀粉的回生[7]；海藻酸鈉會增加豌豆淀粉的糊化峰值黏度[8]和阻礙淀粉的重結(jié)晶進而抑制高直鏈玉米淀粉的回生[9]，添加氯化鈣后能夠降低海藻酸鈉-玉米淀粉體系3 d后的回生率[10]。相比而言，從褐藻植物中提取并由α-L-古洛糖醛酸和β-D-甘露糖醛酸通過α-1,4糖苷鍵連接而成[11]的海藻酸鈉具有來源廣泛、天然可食、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，并且已有研究結(jié)果表明海藻酸鈉與氯化鈣共同作用會影響大米淀粉糊的回生值[12]。但是，鮮見海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉回生影響的直接研究報道。

利用差示掃描量熱儀（differential scanning calorimeter，DSC）和熱重分析儀（thermogravimetric analyzer，TGA）進行熱力學(xué)研究是揭示淀粉回生過程的重要而有效的手段。DSC可以通過測量淀粉回生晶體熔化所需熱量反映淀粉回生的程度[13-14]，已有研究成功利用DSC分析β-葡聚糖和黃原膠對大米回生的影響[4,6]和6 種蓮子淀粉的回生度及結(jié)晶成核方式[15]。TGA可以通過測量淀粉在儲藏過程中水分的損失量反映淀粉回生的程度[16-17]，已有研究結(jié)果表明回生大米淀粉的水分含量會隨儲藏時間的延長而顯著降低[18]。因此，本實驗采用DSC和TGA測定大米淀粉回生的熱力學(xué)特性，并探究海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉回生的影響機理，為利用海藻酸鈉與氯化鈣抑制大米淀粉回生提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金龍魚清香絲苗米 益海嘉里（南昌）糧油食品有限公司；海藻酸鈉（低等黏度） 青島巖晶生物科技有限開發(fā)公司；淀粉總量檢測試劑盒 愛爾蘭Megazyme公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Q2000型DSC 美國TA公司；TGA/DSC1型TGA梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 大米淀粉的提取與檢測

用0.2%的NaOH溶液以料液比1∶6（g/mL）浸泡6 h，將軟化的大米充分粉碎過篩，4 000 r/min離心10 min，棄去上清液和上層黃色物質(zhì)，加入蒸餾水攪拌洗滌離心去上層物質(zhì)，直至無黃色物質(zhì)出現(xiàn)，且洗滌液pH值為中性。40 ℃烘干后研磨過1 000 目篩后，密封裝袋置于干燥皿中待用。所提取淀粉樣品的總淀粉、直鏈淀粉、水分、脂肪和蛋白質(zhì)含量的測定分別參照試劑盒說明書、GB/T 15683—2008《大米 直鏈淀粉含量的測定》[19]、GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》[20]、GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》[21]和GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測定》[22]。

1.3.2 DSC測定

分別配制濃度為3 mmol/L氯化鈣溶液樣品（標記為C），質(zhì)量分數(shù)為0.3%、0.6%和0.9%的海藻酸鈉溶液系列樣品（依次標記為A0.3、A0.6和A0.9）以及氯化鈣（3 mmol/L）與海藻酸鈉（0.3%、0.6%和0.9%）混合溶液系列樣品（依次標記為A0.3C、A0.6C和A0.9C）。稱取2.0 mg淀粉樣品（標記為S）置于DSC坩堝中，加入4.0 mg蒸餾水、氯化鈣溶液樣品、海藻酸鈉溶液系列樣品或氯化鈣與海藻酸鈉混合溶液系列樣品制成DSC測試樣品（依次標記為S、SC、SA0.3、SA0.6、SA0.9、SA0.3C、SA0.6C和SA0.9C），密封壓蓋并在室溫平衡24 h后用DSC進行糊化測定。將糊化后的樣品置于4 ℃冰箱中存放，分別在1、3、7、21 d取樣用DSC進行回生測定。DSC測試條件：以DSC空坩堝作對照，掃描溫度20～100 ℃，掃描速率10 ℃/min，氮氣流速10 mL/min。

1.3.3 大米淀粉回生率的計算

通過DSC測定得到大米淀粉的糊化焓ΔH和回生焓ΔHt，回生率計算見式（1）：

式中：ΔHt為t時刻淀粉的回生焓；ΔH為淀粉的糊化焓；DR為回生率/%。

1.3.4 大米淀粉回生動力學(xué)模型的建立

用Avrami模型[23]描述大米淀粉回生的結(jié)晶速率，見式（2）：

式中：φ為t時刻淀粉結(jié)晶量占極限結(jié)晶總量的百分比/%；k為結(jié)晶速率常數(shù)；n為Avrami指數(shù)。

在DSC測試中，淀粉的回生結(jié)晶率用回生焓ΔHt表示，因此φ可表示為式（3）：

式中：ΔHt為回生1、3、7、14 d樣品的回生焓，t為時間；ΔH∞為回生21 d樣品的回生焓；ΔH0為回生0 d的回生焓，一般ΔH0=0，則式（3）可表示為式（4）：

式（2）和式（4）相等，移項可得式（5）：

將式（5）兩邊取兩次對數(shù)可得式（6）：

因此，計算出各時間t的ln[－ln（1－ΔHt/ΔH∞）]后，對lnt進行線性回歸，即可得到Avrami指數(shù)n和速率常數(shù)k。

1.3.5 TGA測定

配制含氯化鈣3 mmol/L、海藻酸鈉0.6%和大米淀粉6%的懸浮液，經(jīng)沸水浴糊化淀粉后制成含海藻酸鈉與氯化鈣的大米淀粉樣品SA0.6C，將該樣品儲藏于4 ℃回生0、21 d后進行TGA測定，具體條件為在氮氣保護下以10 ℃/min的速率將樣品從50 ℃加熱到800 ℃。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用Excel對實驗數(shù)據(jù)進行處理作圖，運用SPSS軟件進行顯著差異分析（Duncan），顯著差異水平取P小于0.05，所有數(shù)據(jù)均為3 次平行測量的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉糊化熱力學(xué)特性的影響

淀粉的糊化狀態(tài)會影響其回生，因此首先用DSC測定海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉糊化熱力學(xué)特性的影響。本實驗所用大米淀粉樣品的總淀粉質(zhì)量分數(shù)、直鏈淀粉質(zhì)量分數(shù)、水分質(zhì)量分數(shù)、脂肪質(zhì)量分數(shù)和蛋白質(zhì)量分數(shù)分別為91.7%、22.8%、8.2%、0.48%和0.38%。

大米淀粉的糊化是有序晶體向無序晶體的轉(zhuǎn)化過程，伴隨著能量的變化，在DSC分析譜上表現(xiàn)為吸熱峰，峰面積即為糊化焓。海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉糊化峰值溫度和糊化焓的影響如圖1所示。空白對照樣S的糊化峰值溫度為67.5 ℃，糊化焓值為12.3 J/g。與樣品S相比，添加氯化鈣后，SC樣品的糊化峰值溫度和糊化焓值分別增加了0.7 ℃（增加率1.0%）和0.6 J/g（增加率4.7%）；樣品SA和SAC的糊化峰值溫度和糊化焓值都隨著海藻酸鈉添加量的增加呈顯著上升趨勢（P＜0.05），其中，SA0.9的糊化峰值溫度和糊化焓值分別上升0.7 ℃（增加率1.1%）和1.7 J/g（增加率14.0%），而SA0.9C的糊化峰值溫度和糊化焓值分別上升1.5 ℃（增加率2.2%）和2.6 J/g（增加率21.4%）。

樣品SC糊化峰值溫度和糊化焓值的增加說明氯化鈣對大米淀粉的糊化有一定的抑制作用。這可能是因為鈣離子能夠使樣品中的水分活度降低，阻礙水分子滲透大米淀粉顆粒，從而導(dǎo)致樣品的糊化溫度升高[24]；Santiago-Ramos等[25]研究發(fā)現(xiàn)氯化鈣能夠升高玉米淀粉的糊化峰值溫度，這與本研究的結(jié)果一致。樣品SA和SAC峰值溫度和糊化焓值的增加說明海藻酸鈉及其與氯化鈣混合物也能夠在一定程度上抑制淀粉的糊化，并且海藻酸鈉與氯化鈣混合具有更強的抑制效果。這與眾多學(xué)者的研究結(jié)果一致：趙陽等[26]的研究表明，海藻酸鈉能夠使小麥淀粉的糊化峰值溫度和糊化焓顯著升高；王雨生等[27]研究發(fā)現(xiàn)氯化鈣會提高海藻酸鈉-玉米淀粉復(fù)合體系的糊化溫度；Viturawong等[28]的研究表明，添加氯化鈣會提高黃原膠-大米淀粉復(fù)合體系的糊化峰值溫度。由于海藻酸鈉是一種親水性膠體[29]，可通過與大米淀粉競爭水分阻礙大米淀粉的吸水溶脹，從而使得大米淀粉需要更高的溫度和能量才能糊化。另外，由于海藻酸鈉能與鈣離子結(jié)合形成凝膠[30]，鈣離子的存在會阻礙海藻酸鈉分子的流動，導(dǎo)致海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉糊化具有協(xié)同增效的抑制作用。

圖1 海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉糊化峰值溫度（A）和焓值（B）的影響Fig.1 Effects of sodium alginate and calcium chloride on gelatinization peak temperature (A) and enthalpy (B) of rice starch

2.2 海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉回生焓值的影響

淀粉回生的實質(zhì)是糊化后淀粉分子在降溫過程中的重新排布和締合、分子間相互聚攏形成氫鍵并發(fā)生凝聚作用而再次結(jié)晶的過程[31]?；厣蟮牡矸墼贒SC分析譜中會出現(xiàn)回生吸收峰，吸收峰的面積代表回生焓值，回生焓值越大說明淀粉的重結(jié)晶程度越高[32]。海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉回生焓的影響如表1所示，所有樣品的回生焓值均隨儲藏時間的延長先快后慢地增大（P＜0.05），說明大米淀粉的重結(jié)晶程度隨儲藏時間的延長先快后慢地加大。當儲藏時間達到21 d時，所有樣品的回生焓值都趨于穩(wěn)定，但樣品SC的穩(wěn)定值與樣品S的接近，而所有SA樣品的穩(wěn)定值都為5.8 J/g，并且低于樣品S的穩(wěn)定值7.6 J/g，降低率為23.7%，說明海藻酸鈉能夠降低大米淀粉長期儲藏的重結(jié)晶程度；在海藻酸鈉添加量相同的條件下，樣品SAC的回生焓值均低于樣品SA，其中SA0.6C的回生焓值最低，為5.5 J/g，較樣品降低了27.6%，說明氯化鈣的存在增強了海藻酸鈉對大米淀粉重結(jié)晶程度的降低效果。

表1 海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉回生焓的影響Table1 Effects of sodium alginate and calcium chloride on retrogradation enthalpy of rice starch

2.3 海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉回生率的影響

根據(jù)由DSC測得的大米淀粉的糊化焓值和回生焓值計算得到的回生率能夠直接反映大米淀粉的回生程度，回生率越高說明大米淀粉的回生程度越大。海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉回生率的影響如圖2所示，所有樣品的回生率均隨儲藏時間的延長先快后慢地升高（P＜0.05），說明大米淀粉的回生程度隨儲藏時間的延長而增大。在儲藏期間，樣品SC的回生率先低于后略超過最后等同于樣品S的回生率；當儲藏時間相同時，樣品SA的回生率均低于樣品S，且隨海藻酸鈉添加量的增加而降低；當海藻酸鈉添加量相同時，樣品SAC的回生率均低于樣品SA；當儲藏時間第21天時，樣品SA0.9和樣品SA0.6C的回生率為同系列樣品最低，分別為41.4%和39.8%，與樣品S相比其降低率分別為33.9%和36.0%。

氯化鈣對大米淀粉回生率隨儲藏時間變化的影響說明氯化鈣能夠減緩大米淀粉的短期回生，對長期回生沒有明顯的抑制效果。研究表明，鈣離子能夠通過與—OH結(jié)合阻礙淀粉分子間氫鍵的形成[24]起到抑制淀粉分子重排而延緩淀粉回生的作用，而氯離子能夠通過加強淀粉分子間的氫鍵作用起到促進淀粉分子在回生中的重排而加速淀粉回生的作用[33-34]，因此樣品SC回生率的變化可能是由短期回生中鈣離子氫鍵結(jié)合的阻礙作用大于氯離子的加強作用，而長期回生中二者的作用效果持平引起的。Otsuka等[35]研究表明鈣離子能夠抑制玉米淀粉的回生，這與本研究的結(jié)果一致。

海藻酸鈉及其與氯化鈣混合物對大米淀粉回生率隨儲藏時間變化的影響說明海藻酸鈉及其與氯化鈣混合物能夠降低大米淀粉長期儲藏的重結(jié)晶程度。這與眾多學(xué)者的研究結(jié)果一致：文獻[9,36]研究發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉能夠抑制普通玉米淀粉的回生；趙陽等[9]研究發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉阻礙淀粉的重結(jié)晶進而抑制高直鏈玉米淀粉的回生；王雨生等[27]研究發(fā)現(xiàn)氯化鈣與海藻酸鈉混合物使普通玉米淀粉的回生率降低。研究表明，淀粉在儲藏前期發(fā)生的回生作用主要由淀粉中析出的直鏈淀粉分子通過氫鍵作用聚集結(jié)晶導(dǎo)致[37]，而海藻酸鈉能夠通過減少淀粉糊化過程中直鏈淀粉的析出[34]使淀粉在短期回生內(nèi)形成的結(jié)晶量減少而起到抑制淀粉回生的作用，并且抑制程度隨其添加量的增加而提高；隨著儲藏時間的延長，淀粉回生主要是由支鏈淀粉分子的重結(jié)晶和支鏈淀粉與直鏈淀粉的復(fù)合結(jié)晶引起的[38]，而海藻酸鈉能夠與析出的直鏈淀粉分子通過氫鍵作用聚集在一起[39]并填充在淀粉三維凝膠網(wǎng)絡(luò)組織中造成空間位阻使支鏈淀粉分子不能進一步結(jié)合，從而起到抑制支鏈淀粉重結(jié)晶的作用。因此，海藻酸鈉能夠降低大米淀粉的回生率。另外，由于海藻酸鈉能夠與鈣離子通過離子鍵作用形成具有較好保水性的凝膠[40]，因而能夠更好地抑制直鏈淀粉的析出并在更大程度上阻礙支鏈淀粉的重結(jié)晶，因此海藻酸鈉與鈣離子混合物比海藻酸鈉更能降低大米淀粉的回生率。

圖2 海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉回生率的影響Fig.2 Effects of sodium alginate and calcium chloride on retrogradation rate of rice starch

2.4 海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉回生的影響機理

Avrami模型常被應(yīng)用于描述天然高分子的結(jié)晶過程，淀粉在回生過程中形成的晶體屬于天然高分子，所以現(xiàn)在廣泛采用Avrami模型研究純淀粉及富含淀粉體系的回生，用于描述淀粉在儲藏過程中晶核的形成、生長和成熟過程[41-42]。Avrami方程中n為Avrami指數(shù)，代表不同的成核方式，n值越小成核速率越快，n＜1，為瞬間成核，1＜n＜2，為連續(xù)成核[43]；k為結(jié)晶速率常數(shù)，與晶體生長速率有關(guān)，值越大晶核的成長速率越快。鄭鐵松等[15]研究發(fā)現(xiàn)6 個品種蓮子淀粉回生第14天的k值在1.058～1.304之間；朱帆等[44]研究發(fā)現(xiàn)8 種小麥淀粉和面粉回生第14天的k值分別在0.025～0.362與0.892～0.999之間。

海藻酸鈉和鈣離子對大米淀粉回生的影響機理可以利用Avrami模型進行分析，添加海藻酸鈉與氯化鈣的大米淀粉回生動力學(xué)方程及參數(shù)如表2所示。所有樣品Avrami方程的R2都很接近于1，表明Avrami方程適用于描述添加海藻酸鈉和氯化鈣的淀粉回生行為。結(jié)果表明，樣品S的重結(jié)晶生長為瞬間成核，說明大米淀粉重結(jié)晶所需的晶核主要形成于儲藏初期；而樣品SC為連續(xù)成核，且樣品SA、SAC隨著海藻酸鈉添加量的增加由瞬間成核向連續(xù)成核轉(zhuǎn)化。與樣品S相比，樣品SC的k值降低0.687（降低率73.0%）；隨著海藻酸鈉添加量的增加，樣品SA、SAC的k值顯著降低，SA0.9降低了0.848（降低率90.1%），SA0.9C降低0.897（降低率95.3%）。說明海藻酸鈉與氯化鈣能夠降低大米淀粉的成核速率和重結(jié)晶的生長速率，使淀粉回生受到較大抑制。

表2 海藻酸鈉與氯化鈣對大米淀粉回生動力學(xué)方程與參數(shù)的影響Table2 Effect of sodium alginate and calcium chloride on kinetic equation and parameters for rice starch retrogradation

2.5 海藻酸鈉與氯化鈣對回生大米淀粉水分含量的影響

圖3 海藻酸鈉與氯化鈣對回生大米淀粉水分含量的影響Fig.3 Effect of sodium alginate and calcium chloride on moisture content of retrograded rice starch

海藻酸鈉與氯化鈣混合物對大米淀粉回生的抑制作用可以通過TGA結(jié)果得到驗證。淀粉的熱重曲線有2 個臺階，第1個臺階是與淀粉回生程度密切相關(guān)的水分損失率，水分損失率越大說明淀粉的回生程度越高[18]。根據(jù)DSC結(jié)果選擇長期回生中回生率最低的樣品SA0.6C進行熱重分析，結(jié)果表明：儲藏21 d后，樣品S與SA0.6C的水分含量均降低（圖3），但樣品S的水分損失率為72.3%，而樣品SA0.6C的水分損失率為9.3%，比樣品S的水分損失率減少87.1%，說明海藻酸鈉與氯化鈣混合物對大米淀粉的長期回生具有較好的抑制作用。

3 結(jié) 論

海藻酸鈉與氯化鈣能夠抑制大米淀粉的糊化；氯化鈣能夠抑制大米淀粉的短期回生，對長期回生沒有顯著性影響；海藻酸鈉及其與氯化鈣混合物能夠抑制大米淀粉的回生進程，且海藻酸鈉添加量為0.6%混合物的抑制效果更好；海藻酸鈉與氯化鈣能夠降低大米淀粉的成核速率和重結(jié)晶的生長速率；海藻酸鈉與氯化鈣混合物能夠降低回生大米淀粉的水分損失率。