海藻酸鈉膠凝與大米淀粉糊化共存體系的構(gòu)建

周艷青，向忠琪，何 璐，趙文靜，楊 英*

（稻谷及副產(chǎn)物深加工國家工程實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)沙 410004）

淀粉是大米最主要的營養(yǎng)成分之一，有研究表明大米淀粉的回生是引起大米及其制品食用品質(zhì)劣變的主要原因[1]，更是導(dǎo)致米制食品工業(yè)化生產(chǎn)受限的主要因素，因此有必要研究解決大米淀粉的回生問題。大米淀粉跟普通淀粉一樣以顆粒形態(tài)存在并由直鏈淀粉和支鏈淀粉構(gòu)成，但大米淀粉顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則的多邊形并且粒徑小至3～8 μm[2]。大米淀粉的回生是糊化后的淀粉分子從無序狀態(tài)通過重結(jié)晶作用逐漸變成有序狀態(tài)的過程[3-5]，因此可以嘗試通過調(diào)控淀粉分子之間相互作用過程，實(shí)現(xiàn)延緩大米淀粉回生的目的。目前，已有研究表明添加親水性膠體對(duì)淀粉糊化特性具有顯著性影響[6-8]，并對(duì)淀粉回生具有一定的抑制作用[9-11]。

海藻酸鈉是一種通過（1,4）-糖苷鍵將α-L-古洛糖醛酸（G鏈段）和β-D-甘露糖醛酸（M鏈段）相連而成的線性親水膠體，溶于水后可形成具有一定黏度的溶液體系[12-13]。由于海藻酸鈉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易溶于水，并且其G鏈段可與鈣離子交聯(lián)形成致密的“蛋盒”狀凝膠結(jié)構(gòu)[14-16]，因此，有不少研究利用這種凝膠調(diào)控水分子的運(yùn)動(dòng)情況[17]，并進(jìn)行物質(zhì)包埋和藥物緩釋[18-19]，以及制成薄膜而廣泛應(yīng)用于食品包裝行業(yè)[20]。目前已有研究表明，海藻酸鈉會(huì)增加豌豆淀粉的糊化峰值黏度[21]和降低玉米淀粉的回生率[22]；而鈣離子會(huì)增加大米淀粉的糊化溫度[23]和海藻酸鈉-玉米淀粉體系的糊化焓值[24]。可見，海藻酸鈉和鈣離子很可能會(huì)影響大米淀粉的糊化過程和糊化后的狀態(tài)。但是，鮮見關(guān)于海藻酸鈉-鈣離子凝膠對(duì)大米淀粉糊化和回生特性影響的研究報(bào)道。

由Yang Ying等[25]建立的濃縮誘導(dǎo)型海藻酸鈉-鈣離子膠凝方法是一種操作簡(jiǎn)便、條件可控的新型膠凝方法，主要通過熱處理引起的水分蒸發(fā)作用使海藻酸鈉-鈣離子混合溶液逐漸形成凝膠。由于淀粉糊化也需要在水分存在和加熱的條件下才能發(fā)生，若將適量的淀粉同配比合適的海藻酸鈉-鈣離子溶液混合后加熱，淀粉的糊化過程和海藻酸鈉-鈣離子膠凝過程應(yīng)該會(huì)同時(shí)發(fā)生，而海藻酸鈉-鈣離子凝膠的形成很可能會(huì)牽制糊化后的淀粉分子的運(yùn)動(dòng)，從而減緩淀粉分子重排的速率，起到延緩淀粉回生的作用。為驗(yàn)證這種可能性，本實(shí)驗(yàn)采用濃縮誘導(dǎo)型海藻酸鈉膠凝方法，構(gòu)建海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存的體系，主要采用流變學(xué)分析方法對(duì)該體系的原料配比進(jìn)行研究，為利用濃縮誘導(dǎo)型海藻酸鈉凝膠抑制大米淀粉回生提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金龍魚清香絲苗米（秈米） 益海嘉里（南昌）糧油食品有限公司；海藻酸鈉 晶巖生物科技開發(fā)有限公司；無水氯化鈣 上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DHR-2型動(dòng)態(tài)流變儀 美國TA公司；FD5-4型真空冷凍干燥機(jī) 美國SIM公司；Nova Nano型SEM230掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM） 美國FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取與檢測(cè)

按一定料液比將大米倒入0.2 g/100 mL的氫氧化鈉溶液中浸泡6 h，再將其碾磨過篩，將得到的漿液倒入離心杯中，在4 000 r/min離心10 min，去除上清液及上層黃色物質(zhì)，重復(fù)操作至無黃色物質(zhì)出現(xiàn)。繼續(xù)加入純水洗滌樣品，直至樣品pH值呈中性。將樣品烘干，研磨成粉并過100 目篩，用自封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

所提取淀粉樣品的總淀粉含量測(cè)定：參照Megazyme總淀粉試劑盒測(cè)試方法；直鏈淀粉含量測(cè)定：參照GB/T 15683—2008《大米 直鏈淀粉含量的測(cè)定》[26]；水分含量測(cè)定：參照GB 5009.3—2016《食品中水分的測(cè)定》[27]；脂肪含量測(cè)定：參照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測(cè)定》[28]；蛋白質(zhì)含量測(cè)定：參照GB 5009.5—2016 《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》[29]。

1.3.2 樣品的制備

稱取適量海藻酸鈉，分別制備質(zhì)量濃度為0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8 g/100 mL和2 g/100 mL的海藻酸鈉溶液（記為A）。

量取一定量蒸餾水將海藻酸鈉溶解，按照海藻酸鈉與鈣離子溶液體積比為1∶3的比例，將不同濃度的鈣離子溶液分別滴加到海藻酸鈉溶液中，使混合體系中鈣離子的濃度分別為0、2.0、3.0 mmol/L，即制成海藻酸鈉-鈣離子待測(cè)樣（記為AC0、AC2.0、AC3.0）。

量取一定量蒸餾水并將淀粉分散于其中，即制成淀粉待測(cè)樣（記為S）；量取等量蒸餾水將海藻酸鈉溶解，再將適量淀粉加入其中，充分混勻，即制成淀粉-海藻酸鈉待測(cè)樣（記為SA）；分別稱取2、4、6、8 g/100 mL和10 g/100 mL的大米淀粉加入鈣離子濃度為3.0 mmol/L的海藻酸鈉-鈣離子待測(cè)樣中，充分混勻制成淀粉與海藻酸鈉-鈣離子待測(cè)樣（記為SAC）。

1.3.3 流變測(cè)試

對(duì)海藻酸鈉溶液樣品進(jìn)行穩(wěn)流測(cè)試，測(cè)試條件為：在25 ℃，剪切速率由10 s－1升到200 s－1。

在100 ℃條件下將海藻酸鈉-鈣離子待測(cè)樣加熱0、20、30、40、50、60、70、80 min后分別取樣進(jìn)行頻率掃描測(cè)試，測(cè)試條件為：先在溫度25 ℃、頻率1 Hz條件下對(duì)樣品進(jìn)行0.1%～100%應(yīng)變掃描，選擇合適的線性應(yīng)變區(qū)間，再在所選應(yīng)變區(qū)間及25 ℃對(duì)樣品進(jìn)行0.1～10 Hz頻率掃描。

對(duì)選擇適宜濃度的海藻酸鈉-鈣離子待測(cè)樣進(jìn)行時(shí)間掃描測(cè)試，測(cè)試條件為：先在溫度100 ℃、頻率1 Hz條件下，對(duì)樣品進(jìn)行0.1%～100%應(yīng)變掃描，選擇合適的線性應(yīng)變區(qū)間，再在所選應(yīng)變區(qū)間及100 ℃條件下，對(duì)樣品進(jìn)行20 min的時(shí)間掃描。

分別對(duì)經(jīng)過30 min加熱前后的SAC樣品和淀粉質(zhì)量濃度合適并在100 ℃水浴下加熱0、5、10、15、20、25、30 min的S、SA、SAC樣品進(jìn)行上述頻率掃描測(cè)試。

1.3.4 SEM測(cè)試

將糊化后的S、SAC冷凍干燥樣品制成5 mm×5 mm大小的薄片貼于金屬樁上噴金2 min后進(jìn)行SEM測(cè)試，測(cè)試條件為：真空條件下，加壓電壓為20 kV，模式為二次電子。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010處理數(shù)據(jù)和用Origin 8作圖。取多次測(cè)試平均值作為測(cè)試結(jié)果，并用power law模型分析穩(wěn)流測(cè)試結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻酸鈉溶液質(zhì)量濃度的選擇

圖1 海藻酸鈉溶液穩(wěn)流特性隨其質(zhì)量濃度的變化情況Fig. 1 Changes in steady fl ow properties of sodium alginate solution as a function of its concentration

為使擬構(gòu)建的海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系含有足量的海藻酸鈉并具有較好的流動(dòng)性，首先通過分析海藻酸鈉溶液的流動(dòng)特性和黏度特性確定合適的海藻酸鈉質(zhì)量濃度。通過power law模型參數(shù)流動(dòng)指數(shù)n和黏稠指數(shù)k反映出的海藻酸鈉溶液的穩(wěn)流特性如圖1所示。隨著海藻酸鈉溶液濃度的增加，n呈現(xiàn)穩(wěn)定下降的趨勢(shì)，相應(yīng)的k以海藻酸鈉溶液質(zhì)量濃度1 g/100 mL為分界點(diǎn)先緩慢后急劇增加。顯然，海藻酸鈉溶液質(zhì)量濃度過大會(huì)使體系的黏性大幅增強(qiáng)而流動(dòng)性大幅減弱，不利于后期進(jìn)行膠凝糊化共存體系的配制操作。但是，若海藻酸鈉溶液的質(zhì)量濃度過小，則會(huì)導(dǎo)致能夠與鈣離子結(jié)合形成凝膠的海藻酸鈉過少，影響海藻酸鈉凝膠的形成。因此，為保證體系能夠形成海藻酸鈉凝膠，并且具有較好的流動(dòng)性以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)操作，最終選擇海藻酸鈉的質(zhì)量濃度為1 g/100 mL。

2.2 鈣離子濃度的選擇

為使擬構(gòu)建的膠凝糊化共存體系含有足夠的鈣離子與海藻酸鈉形成凝膠，并具有非凝膠的初始狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)接著通過分析體系狀態(tài)隨水分蒸發(fā)的變化情況確定鈣離子的濃度。由于動(dòng)態(tài)流變參數(shù)儲(chǔ)存模量G’和損耗模量G”能夠有效地反映測(cè)試體系的黏彈性和物理狀態(tài)（當(dāng)G’＜G”時(shí)，體系呈現(xiàn)似液狀態(tài)；當(dāng)G’＞G”時(shí)，體系呈現(xiàn)似固狀態(tài)）[30]，本實(shí)驗(yàn)主要通過動(dòng)態(tài)流變測(cè)試分析樣品體系的物理狀態(tài)。

鈣離子初始濃度分別為0、2.0 mmol/L和3.0 mmol/L的海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系A(chǔ)C0、AC2.0和AC3.0樣品的G’和G′隨水分蒸發(fā)時(shí)間的變化情況如圖2所示。在水分蒸發(fā)前，AC0、AC2.0和AC3.0樣品的G′都小于對(duì)應(yīng)的G′，并且它們的差值（G”－G’）依次減小；在水分蒸發(fā)過程中，3 個(gè)樣品的G’和G”都逐漸增大，但AC3.0和AC2.0樣品的G’不斷接近并先后超過對(duì)應(yīng)的G”，而AC0的G’和G”始終保持近似的增速；當(dāng)水分蒸發(fā)進(jìn)行80 min時(shí)，AC3.0和AC2.0樣品的（G’－G”）值分別為68.7 Pa和207.0 Pa，而AC0樣品的G’仍小于G”。顯然，不含鈣離子的海藻酸鈉溶液（AC0）在水分蒸發(fā)過程中始終保持似液狀態(tài)（G’＜G”），而添加適量的鈣離子可使海藻酸鈉水溶性體系在水分蒸發(fā)過程中從似液狀態(tài)（G’＜G”）轉(zhuǎn)變成似固狀態(tài)（G’＞G”），并且增大鈣離子添加量在增強(qiáng)最終似固狀態(tài)的彈性（（G’－G”）值增大）的同時(shí)減弱了初始似液狀態(tài)的黏性（（G”－G’）值減?。Ｓ珊Ｔ逅徕c與鈣離子能夠形成蛋盒型凝膠結(jié)構(gòu)[15]可知，樣品體系經(jīng)過水分蒸發(fā)作用后呈現(xiàn)的似固狀態(tài)就是體系中的海藻酸鈉與鈣離子形成凝膠的表現(xiàn)。因此，為使擬建體系具有良好的似液初始狀態(tài)以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)操作，并能通過適度的水分蒸發(fā)作用形成具有一定強(qiáng)度的海藻酸鈉-鈣離子凝膠，鈣離子的初始添加量必須小于海藻酸鈉與鈣離子形成凝膠臨界點(diǎn)的鈣離子濃度，但可以大于2.0 mmol/L（圖2）。

為確定擬建體系鈣離子的較適初始添加量，有必要測(cè)定出使海藻酸鈉形成凝膠的鈣離子臨界濃度。海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系狀態(tài)及鈣離子濃度隨水分蒸發(fā)量的變化情況如圖3所示，海藻酸鈉形成凝膠的臨界點(diǎn)（G’=G”）對(duì)應(yīng)的鈣離子濃度為5.1 mmol/L，即使海藻酸鈉形成凝膠的鈣離子臨界濃度是5.1 mmol/L，因此擬建體系鈣離子的初始添加量應(yīng)小于5.1 mmol/L。由于需要向海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系中添加淀粉才能完成膠凝糊化共存體系的構(gòu)建，而添加淀粉會(huì)明顯減弱體系的流動(dòng)性，并且淀粉糊化會(huì)從體系中搶奪水分從而加劇鈣離子的濃縮，因此鈣離子的初始添加量應(yīng)與5.1 mmol/L有一定的距離，以保證擬建體系具有良好的流動(dòng)性以便水分能夠均勻蒸發(fā)，并保證淀粉能夠在海藻酸鈉形成凝膠的過程中完全糊化。因此，選擇擬建體系鈣離子初始濃度為3.0 mmol/L是比較合理的。

圖2 鈣離子濃度不同的海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系黏彈性隨水分蒸發(fā)時(shí)間的變化情況Fig. 2 Change in viscoelasticity of sodium alginate-Ca2＋ aqueous solution containing different Ca2＋ concentrations as a function of water evaporation time

圖3 海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系狀態(tài)及鈣離子濃度隨水分蒸發(fā)量的變化情況Fig. 3 Changes in state and Ca2＋ concentration of sodium alginate-Ca2＋aqueous system as a function of percentage water evaporation

圖4 鈣離子濃度不同的海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系黏彈性在100 ℃隨加熱時(shí)間的變化情況Fig. 4 Change in viscoelasticity of sodium alginate-Ca2＋ aqueous system containing different concentrations of Ca2＋ as a function of heating time at 100 ℃

如圖4所示，海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系在100 ℃的黏彈性變化情況證實(shí)將擬建體系鈣離子初始添加量確定為3.0 mmol/L是比較合適的選擇，能使海藻酸鈉和鈣離子在水分蒸發(fā)過程中形成濃縮誘導(dǎo)型凝膠。與G’和G”小幅度先升后降最終都小于1 Pa的不含鈣離子的AC0樣品相比，分別含有2.5、3.0 mmol/L和3.5 mmol/L鈣離子的AC2.5、AC3.0和AC3.5樣品在水分蒸發(fā)過程中都呈現(xiàn)出典型的膠凝過程，即G’先超過G”，后與G′同時(shí)快速大幅度地上升至某一個(gè)遠(yuǎn)高于G”的穩(wěn)定值。AC3.0樣品形成凝膠后具有較好的凝膠強(qiáng)度（G’為1 341 Pa，（G’－G”）值為1 072 Pa），該凝膠很可能會(huì)對(duì)糊化后的淀粉分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響。

2.3 淀粉質(zhì)量濃度的選擇

為使擬構(gòu)建的膠凝糊化共存體系含有足量的淀粉并能在水分蒸發(fā)前后由似液狀態(tài)轉(zhuǎn)變成似固狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)接著通過研究淀粉質(zhì)量濃度對(duì)濃縮誘導(dǎo)型海藻酸鈉膠凝體系狀態(tài)的影響選擇合適的淀粉添加質(zhì)量濃度。本研究所用自提大米淀粉樣品的總淀粉、直鏈淀粉、水分、脂肪和蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為91.7%、22.8%、8.2%、0.48%和0.38%。根據(jù)上述分析結(jié)果配制能夠形成濃縮誘導(dǎo)型凝膠的海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系（含1%海藻酸鈉和3.0 mmol/L Ca2＋），淀粉添加量對(duì)該體系狀態(tài)隨水分蒸發(fā)作用（100 ℃加熱30 min）變化的影響如圖5所示。在水分蒸發(fā)前，SAC樣品的損耗角δ大于45°且不隨淀粉添加量發(fā)生顯著變化；在水分蒸發(fā)后，SAC樣品的δ不大于45°且隨淀粉質(zhì)量濃度的增大而大幅減小，當(dāng)?shù)矸圪|(zhì)量濃度從2 g/100 mL增大到10 g/100 mL時(shí)，SAC樣品的δ從45°下降到了13°（下降率為71%）。由于δ為45°是體系固液狀態(tài)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)（δ＞45°，體系處于似液狀態(tài)；δ＜45°，體系處于似固狀態(tài)）[31]，顯然淀粉質(zhì)量濃度大于2 g/100 mL時(shí)能使SAC體系由水分蒸發(fā)前的似液狀態(tài)轉(zhuǎn)變成水分蒸發(fā)后的似固狀態(tài)，為在水分蒸發(fā)過程中同時(shí)出現(xiàn)海藻酸鈉膠凝過程和淀粉糊化過程提供了最大可能性?？紤]到淀粉添加量過大會(huì)增加體系水分均勻蒸發(fā)的難度并有可能導(dǎo)致淀粉因體系水分過少而不能完全糊化，選擇淀粉質(zhì)量濃度為4～6 g/100 mL比較適宜。

圖5 淀粉添加量對(duì)海藻酸鈉-鈣離子水溶性體系δ隨水分蒸發(fā)作用（100 ℃加熱30 min）變化的影響Fig. 5 Effect of starch addition on loss angle changes of sodium alginate-Ca2+ aqueous system with and without water evaporation(heating at 100 ℃ for 30 min)

2.4 海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系的形成

為驗(yàn)證上述海藻酸鈉、鈣離子和淀粉構(gòu)成的體系能否在水分蒸發(fā)過程中同時(shí)出現(xiàn)海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化過程，本實(shí)驗(yàn)最后按上述濃度配制樣品，并對(duì)SAC樣品及其對(duì)照樣品經(jīng)過30 min、100 ℃水分蒸發(fā)處理后的顯微結(jié)構(gòu)、G’和n進(jìn)行對(duì)比分析。

海藻酸鈉質(zhì)量濃度1 g/100 mL、鈣離子濃度3.0 mmol/L和淀粉質(zhì)量濃度6 g/100 mL的SAC樣品及其淀粉對(duì)照樣品S經(jīng)過水分蒸發(fā)處理后的顯微結(jié)構(gòu)如圖6所示。SAC和S樣品都沒有出現(xiàn)糊化不完全的淀粉結(jié)構(gòu)，并且與結(jié)構(gòu)呈帶孔洞片狀斷裂松散分布的S樣品相比，SAC樣品呈現(xiàn)緊密連結(jié)成片的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。顯然，按上述質(zhì)量濃度配制的SAC樣品體系能在水分蒸發(fā)過程中形成海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系。

圖6 SAC樣品（A）及其淀粉對(duì)照樣品S（B）經(jīng)過30 min、100 ℃水分蒸發(fā)處理后的顯微結(jié)構(gòu)Fig. 6 Microstructure of SAC sample (A) and starch control sample S (B) after water evaporation at 100 ℃ for 30 min

海藻酸鈉質(zhì)量濃度1 g/100 mL、鈣離子濃度3.0 mmol/L 和淀粉質(zhì)量濃度4 g/100 mL的SAC樣品及其淀粉對(duì)照樣品S和SA經(jīng)過水分蒸發(fā)處理后的G’和n如圖7所示。S、SA和SAC樣品的G’值依次上升，而n值依次下降，驗(yàn)證了SAC樣品在水分蒸發(fā)過程中形成凝膠并對(duì)淀粉糊起到一定的固化作用，從而增強(qiáng)了體系的似固非流動(dòng)特性。因此，按上述配比的SAC樣品體系能在水分蒸發(fā)過程中形成海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系。

圖7 SAC樣品及其對(duì)照樣品S和SA經(jīng)過水分蒸發(fā)處理后的G’和n的對(duì)比Fig. 7 Comparison of storage modulus G’ and fl ow index n between SAC sample and control samples S and SA

3 結(jié) 論

用流變學(xué)分析方法對(duì)海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系的原料配比進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：選擇海藻酸鈉質(zhì)量濃度1 g/100 mL、鈣離子濃度3.0 mmol/L和淀粉質(zhì)量濃度4～6 g/100 mL時(shí)可以構(gòu)建出海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系。

用SEM和流變學(xué)分析方法對(duì)海藻酸鈉、鈣離子和淀粉構(gòu)成的體系能否在水分蒸發(fā)過程中同時(shí)出現(xiàn)海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化過程進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：SAC樣品呈現(xiàn)緊密連結(jié)成片的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且樣品的G’值上升，n值下降。顯然，SAC樣品體系能在水分蒸發(fā)過程中形成海藻酸鈉膠凝與淀粉糊化共存體系，獲得對(duì)淀粉糊顯微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響的濃縮誘導(dǎo)型海藻酸鈉凝膠。