小分子糖對馬鈴薯淀粉晶體結(jié)構(gòu)、糊化特性和凍融穩(wěn)定性的影響

張 珊 倪春蕾 張高鵬 徐 麗 王 帥 李 靜 程建軍 張立鋼

（東北農(nóng)業(yè)大學食品學院 哈爾濱150030）

馬鈴薯作為世界第四大主糧，是我國重要的經(jīng)濟作物之一。馬鈴薯中含有大量的淀粉，約占其干物質(zhì)的80%，是重要的植物淀粉來源，其生產(chǎn)量和商品量在所有植物淀粉中位居第2 位，被廣泛應用于食品、化工等眾多工業(yè)領(lǐng)域[1-2]。馬鈴薯營養(yǎng)豐富，然而由于其較高的淀粉含量，加工成的食品具有抗剪切能力差、抗老化能力差及凍融穩(wěn)定性較差等問題，制約了馬鈴薯食品的推廣與應用[3]。

淀粉的糊化特性影響食品的加工性能、貯存和口感[4]。Kohyama 等[5]研究了小分子糖對甘薯淀粉糊化特性的影響，指出糖可以提高淀粉的糊化溫度和糊化熱焓值；杜先鋒等[6]對葛根淀粉糊化特性的研究發(fā)現(xiàn)，隨著小分子糖濃度的增加，淀粉的糊化溫度和糊化熱焓值不斷升高；蔗糖和葡萄糖均能夠提高玉米淀粉的糊化溫度，以及峰值黏度和破損值[7]。這表明糖能夠改善淀粉的糊化特性。淀粉顆粒具有晶體結(jié)構(gòu)，在偏振光的照射下產(chǎn)生偏光十字現(xiàn)象。晶體結(jié)構(gòu)的變化會對淀粉理化性質(zhì)產(chǎn)生很大影響[8]。陳福泉等[9]研究表明，隨著濕熱處理溫度的升高，淀粉顆粒的偏光十字逐漸消失，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進而導致糊化起始溫度升高，糊化性質(zhì)發(fā)生改變。通過偏光十字的觀察可以反映淀粉糊化性質(zhì)的改變。含水量較高的淀粉質(zhì)食品在冷凍時會形成冰晶，而解凍時，冰晶融化分離出來，引起食品組織結(jié)構(gòu)軟化[10]，同時形成類似海綿狀的結(jié)構(gòu)[11]，降低食品的品質(zhì)。孫昌波等[12]研究表明糖類物質(zhì)能夠有效抑制淀粉的析水率，改善凍融穩(wěn)定性。糖的添加還能夠有效改善凍融后淀粉的海綿狀結(jié)構(gòu)，提高其凍融穩(wěn)定性[13]。

本試驗中，在馬鈴薯淀粉中分別添加不同濃度的蔗糖、葡萄糖和果糖，探討其對馬鈴薯淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)、糊化特性以及凍融穩(wěn)定性的影響，為合理選擇馬鈴薯淀粉的應用條件提供了科學依據(jù)，對馬鈴薯淀粉食品的開發(fā)及推廣具有重要的理論指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉（水分16.66%，灰分0.34%，蛋白質(zhì)0.19%，脂肪0.53%），吉林省杞參食品有限公司；蔗糖，天津市科密歐化學試劑有限公司；葡萄糖，天津市致遠化學試劑有限公司；果糖，上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

RVA-Super3-型快速黏度分析儀，澳大利亞新港科學儀器公司；XP-203P 型偏光顯微鏡，上海光密儀器有限公司；FEI-Sirion Quanta 200 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，美國FEI 公司；Q2000 型差示量熱掃描儀（DSC），美國TA 公司；TDL-40B型臺式離心機，上海艾測電子科技有限公司；CMAG HS7 型磁力加熱攪拌儀，德國IKA 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 馬鈴薯淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)的測定 制備馬鈴薯淀粉及糖-馬鈴薯淀粉混合體系（1%和6%糖溶液），在不同溫度（50，60，70，80 ℃） 下水浴10 min。冷卻至室溫后滴1～2 滴至載玻片上，用0.02 mol/L 碘液（I 與KI 的質(zhì)量比為1∶2）染色，然后在光學顯微鏡（×100）和偏光顯微鏡（×100）下觀察并拍攝馬鈴薯淀粉顆粒的形態(tài)變化[14-15]。

1.3.2 馬鈴薯淀粉糊化性質(zhì)的測定 準確稱取一定量的馬鈴薯淀粉，加入到分別裝有25.0 mL 的0%，3%，6%，9%，12%質(zhì)量分數(shù)的蔗糖、葡萄糖和果糖溶液的鋁盒中，置于RVA 樣品臺上。RVA 檢測程序：10 s 內(nèi)轉(zhuǎn)速由960 r/min 降到160 r/min。50 ℃保溫1 min 后開始升溫，經(jīng)3 min 45 s 升至95 ℃并保持2.5 min，再經(jīng)3 min 45 s 降至50 ℃，50 ℃保溫2 min。記錄淀粉在糊化過程中的糊化溫度、峰值黏度、保持黏度、最終黏度、衰減值、回生值[16]。

1.3.3 馬鈴薯淀粉熱力學特性的測定 以空DSC盤作為參比，測試前用高純金屬銦（99.99%）對儀器進行校正。稱取一定質(zhì)量的馬鈴薯淀粉樣品，按m淀粉∶m水=1∶3 的比例加入0%，3%，6%，9%，12%的糖溶液，混勻后密封、壓蓋，于4 ℃冰箱里放置24 h 平衡。測試前回溫1 h。采用差示量熱掃描儀進行糊化測試。掃描溫度從40 ℃到90 ℃程序升溫糊化，升溫速率為10 ℃/min。保護氣為氮氣，流速為50 mL/min[17-19]。

1.3.4 馬鈴薯淀粉凝膠凍融穩(wěn)定性的測定

1.3.4.1 馬鈴薯淀粉凝膠的制備 配制6%的馬鈴薯淀粉溶液，將小分子糖分別按照不同添加量（0%，3%，6%，9%，12%）添加到淀粉溶液中，混勻后于沸水浴中加熱25 min 確保淀粉完全糊化。糊化后在室溫冷卻備用。

1.3.4.2 馬鈴薯淀粉凝膠凍融析水率的測定 按照Ye J 等[20]的方法進行并對試驗方法做一些修正。取等量的淀粉凝膠于離心管中，放入-20 ℃的冰箱內(nèi)，冷凍20 h 后取出，置于25 ℃恒溫水浴鍋中解凍3 h，在3 000 r/min 的條件下離心15 min，離心后準確稱取沉淀物的質(zhì)量，計算析水率。

再次，計算權(quán)向量并進行一致性檢驗。根據(jù)上述各個矩陣，通過根法對其權(quán)向量進行計算，以矩陣A為例來說明各單層次判斷矩陣權(quán)向量的計算方式：設A矩陣的權(quán)重向量為W，求判斷矩陣A每行的元素乘積，開3次方并進行歸一化處理，可得權(quán)重向量，根據(jù)公式（1）

式中：A1——冷凍前淀粉凝膠質(zhì)量/g；A2——凍融離心后沉淀質(zhì)量/g。

1.3.4.3 馬鈴薯淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)的觀察 使用Quanta 200 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析淀粉凝膠凍融后的微觀結(jié)構(gòu)。將經(jīng)5 次凍融處理后的淀粉凝膠切成薄片進行凍干處理，選取凍干樣品黏于樣品臺上，鍍上一層金-鈀合金膜，放入儀器中掃描，用掃描電子顯微鏡觀察。測試條件：加速電壓為5.00 kV，放大500 倍[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與討論

2.1 小分子糖對馬鈴薯淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)的影響

采用偏光顯微鏡和普通光學顯微鏡觀察小分子糖（蔗糖、葡萄糖和果糖）對馬鈴薯淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響，分別比較不同溫度條件下馬鈴薯淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的變化（圖1），以及不同濃度糖的條件下馬鈴薯淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的變化（圖2～圖4）。

溫度對馬鈴薯淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)的影響見圖1。通過普通光學顯微鏡可以看出隨著溫度的升高，馬鈴薯淀粉顆粒逐漸增大，輪廓逐漸模糊，結(jié)晶結(jié)構(gòu)逐漸消失（見圖1A～圖1D）。當溫度為50℃和60 ℃時，溫度小于淀粉初始糊化溫度，此時馬鈴薯淀粉顆粒僅有限膨脹；70 ℃時，大部分的淀粉顆粒發(fā)生劇烈膨脹，顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀，甚至淀粉顆粒破碎瓦解；80 ℃時，淀粉顆粒完全糊化，顆粒結(jié)構(gòu)完全消失。通過偏光顯微鏡可以看出馬鈴薯淀粉顆粒具有清晰可見的偏光十字，并將顆粒分成4 個白色的區(qū)域（見圖1a ～圖1b）。隨著溫度的升高，淀粉顆粒的偏光十字逐漸消失，70℃時，大部分的淀粉顆粒失去偏光十字；80 ℃時，淀粉顆粒的偏光十字完全消失，晶體結(jié)構(gòu)完全被破壞，說明此時的馬鈴薯淀粉已經(jīng)完全糊化[22]。

圖1 溫度對馬鈴薯淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)的影響（×100）Fig.1 Effect of the temperature on potato starch granules （×100）

糖對馬鈴薯淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響見圖2～圖4。結(jié)果表明：60，70 ℃和80 ℃時添加蔗糖、葡萄糖和果糖使馬鈴薯淀粉的顆粒形態(tài)更為清晰，淀粉顆粒更小，偏光十字更加明顯。同一種糖在相同溫度條件下，濃度越高，淀粉顆粒的膨脹度越小，晶體結(jié)構(gòu)越清晰；同時，通過對相同條件下的含糖馬鈴薯淀粉的偏光十字觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，淀粉顆粒的偏光十字逐漸消失，與馬鈴薯原淀粉相比，在60，70 ℃和80 ℃時含糖的馬鈴薯淀粉顆粒的偏光十字更加明顯，尤其在70 ℃和80℃時，含糖的淀粉顆粒具有更多的偏光十字現(xiàn)象，且糖濃度越高，淀粉顆粒越清晰，偏光十字消失地越緩慢，這說明小分子糖明顯抑制了加熱過程馬鈴薯淀粉顆粒的吸水膨脹。3 種糖比較而言，相同溫度條件下，尤其是80 ℃時，添加蔗糖的馬鈴薯淀粉中仍有部分顆粒態(tài)淀粉存在，結(jié)構(gòu)清晰，偏光十字現(xiàn)象顯著。這說明蔗糖能夠有效延緩偏光十字的消失，在相同的溫度下有更多具有完整的偏光十字的顆粒。

糖能夠延緩馬鈴薯淀粉顆粒加熱過程中偏光十字的消失，提高淀粉的糊化溫度，這是因為淀粉在糖水溶液中，水分含量低以及糖與水形成的氫鍵，使得水分活度降低，抑制了水分子在淀粉內(nèi)部對淀粉分子鏈之間氫鍵的破壞，穩(wěn)定了淀粉結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)，從而需要較高的溫度破壞淀粉鏈的分子結(jié)構(gòu)，且糖的濃度越高，這種抑制效果更明顯[9]。3 種糖中，蔗糖的雙糖結(jié)構(gòu)能與水形成更多的氫鍵，對于淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)保護作用更加明顯。通過研究馬鈴薯淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)3 種小分子糖均在一定程度上抑制馬鈴薯淀粉顆粒的膨脹，提高了馬鈴薯淀粉的糊化溫度和熱穩(wěn)定性。

2.2 小分子糖對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響

圖2 蔗糖對馬鈴薯淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)的影響（×100）Fig.2 Effect of sucrose on potato starch granules （×100）

圖3 葡萄糖對馬鈴薯淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)的影響（×100）Fig.3 Effect of glucose on potato starch granules （×100）

圖4 果糖對馬鈴薯淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)的影響（×100）Fig.4 Effect of fructose on potato starch granules （×100）

糖能增加淀粉的糊化黏度，這是由于小分子糖是一種奪水劑，糖的羥基與鄰近的水分子相互作用形成氫鍵，阻礙了水分子的運動，與淀粉競爭水分子，導致可用水（available water）的減少，淀粉鏈的運動受到限制，阻礙淀粉吸水糊化[24]。糖和淀粉鏈的交聯(lián)作用也會導致淀粉糊黏度的上升[25]。衰減值和回生值分別反映淀粉在攪拌過程中抵抗機械剪切的能力和冷卻過程中抗老化的能力，添加糖后淀粉的兩個糊化參數(shù)的降低說明糖的添加可以增強馬鈴薯淀粉抗剪切能力和提高馬鈴薯淀粉的抗老化能力[26-27]。3 種糖比較而言，蔗糖對于馬鈴薯淀粉的峰值黏度、糊化溫度和回生值的影響最顯著（P＜0.05），這是因為在糊化過程中，蔗糖分子之間強烈的水化作用增加了淀粉鏈之間以及糖和淀粉之間的相互作用，使得淀粉分子間的穩(wěn)定性增強，晶體結(jié)構(gòu)更難被破壞[28]。

表1 小分子糖對馬鈴薯淀粉糊化特性的影響Table 1 Effect of low molecular weight saccharides on pasting property of potato starch

2.3 小分子糖對馬鈴薯淀粉熱力學特性的影響

表2為小分子糖對馬鈴薯淀粉熱力學特性的影響。添加糖的馬鈴薯淀粉的起始糊化溫度（TO）、峰值糊化溫度（TP）、終止糊化溫度（TC）和糊化熱焓值（△H）明顯高于原淀粉的相應糊化溫度和糊化熱焓值。隨著糖濃度的增加，馬鈴薯淀粉的糊化溫度和糊化熱焓值逐漸升高。3 種糖比較發(fā)現(xiàn)，蔗糖能夠顯著提高馬鈴薯淀粉的糊化溫度和糊化熱焓值，抑制馬鈴薯淀粉的糊化行為，當蔗糖質(zhì)量分數(shù)為12%時，馬鈴薯淀粉的糊化溫度和糊化熱焓值最高，分別為65.35 ℃和4.03 J/g，顯著高于原淀粉的糊化溫度和糊化熱焓值，分別為62.87 ℃和3.06 J/g（P＜0.05）。

糖會增加馬鈴薯淀粉的糊化溫度，是因糖-淀粉-水之間的相互作用而導致的。含有平伏羥基的糖可以和相鄰的水分子相互作用形成氫鍵，阻礙水分子的運動[29-30，33]，使得低溫狀態(tài)下的水分子很難破壞淀粉分子的有序結(jié)構(gòu)，只能借助高溫才會破壞這種結(jié)合力，從而導致淀粉糊化溫度的升高[6，31]。隨著糖濃度的增加，體系中的平伏羥基數(shù)目增多，提高了淀粉糊化所需的能量，進而導致馬鈴薯淀粉的糊化溫度和糊化熱焓值升高[32]。由于3種糖所含有的平伏羥基數(shù)目依次為蔗糖（6.2）＞葡萄糖（4.56）＞果糖（2.56），所以在蔗糖-淀粉體系中淀粉分子的結(jié)構(gòu)更難被破壞，相應的糊化溫度和糊化熱焓值更高[33-34]。

表2 小分子糖對馬鈴薯淀粉熱力學特性的影響Table 2 Effect of low molecular weight saccharides on thermal properties of Potato Starch

2.4 小分子糖對馬鈴薯淀粉凍融穩(wěn)定性的影響

2.4.1 小分子糖對馬鈴薯淀粉析水率的影響 圖5顯示不同濃度的3 種小分子糖在不同的凍融循環(huán)處理后對馬鈴薯淀粉凍融穩(wěn)定性的影響。對于原淀粉而言，5 次凍融循環(huán)后析水率為19.37%，而添加糖后，隨著糖濃度的增加，析水率呈現(xiàn)下降趨勢，并且隨著凍融次數(shù)的增加，馬鈴薯淀粉的析水率先上升后下降或趨于平緩，這是因為海綿狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的形成導致淀粉膠的剛性和彈性增加，部分析出水分子發(fā)生回吸作用，這與Yuan 等[35]的結(jié)果一致。比較8 種糖可以發(fā)現(xiàn)，蔗糖對于凍融循環(huán)過程中馬鈴薯淀粉凝膠的析水率有很好的抑制作用。5 次凍融循環(huán)后，添加12%蔗糖、葡萄糖和果糖的析水率分別為1.80%，4.80%，6.58%。添加蔗糖的淀粉凝膠的凍融穩(wěn)定性顯著優(yōu)于添加葡萄糖和果糖的樣品（P＜0.05）。

冷凍儲藏過程中，熱能的波動和水的相變是淀粉膠基質(zhì)破壞的主要原因。凍結(jié)時高糖濃度的液相易固化為以無定形（非結(jié)晶）存在的玻璃態(tài)，玻璃態(tài)的水分子不能結(jié)晶，分子流動性顯著降低，淀粉糊中所有分子運動受到限制，因而有效防止了脫水過程的發(fā)生[36]。而含有更多的平伏羥基的蔗糖的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度高，更易形成玻璃態(tài)[37]，抑制淀粉凝膠中自由水的析出，對淀粉的凍融穩(wěn)定性的提高更加顯著。

圖5 小分子糖對馬鈴薯淀粉凝膠凍融穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of low molecular weight saccharides on the freeze-thaw stability of potato starch gel

2.4.2 小分子糖對凍融馬鈴薯淀粉微觀結(jié)構(gòu)的影響 圖6顯示不同小分子糖對馬鈴薯淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響?？梢钥闯?，經(jīng)凍融循環(huán)處理的馬鈴薯淀粉凝膠均呈現(xiàn)海綿狀結(jié)構(gòu)，且孔洞周圍有許多類似纖維的片狀結(jié)構(gòu)，而糖的不同，直接導致孔洞和周圍片層結(jié)構(gòu)薄厚的差異。對于馬鈴薯原淀粉，淀粉凝膠的孔洞較大，且孔洞周圍的片層結(jié)構(gòu)較厚。添加糖的馬鈴薯淀粉凝膠的孔洞明顯小于馬鈴薯原淀粉，且孔洞周圍的基質(zhì)層較薄。不同糖對于馬鈴薯淀粉凝膠在凍融處理后的孔洞大小也存在差異，添加蔗糖的馬鈴薯淀粉凝膠的冰晶孔洞明顯小于添加葡萄糖和果糖的淀粉凝膠，且基質(zhì)層也較薄。

淀粉凝膠在冷凍時冰晶的形成和解凍時冰晶的融化導致馬鈴薯淀粉凝膠的海綿狀的纖維基質(zhì)。糖的添加導致海綿狀結(jié)構(gòu)的改變，主要是糖分子中的羥基與水分子結(jié)合成氫鍵，體系中的水分減少，凝膠中析出水分的減少而導致網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中孔洞的減小。3 種糖中，蔗糖的平伏羥基最多，水合能力最強[38-39]，體系中的可得水分子較少，即形成冰晶并融化析出的水分子數(shù)目最少，海綿結(jié)構(gòu)中的孔洞最小。此結(jié)果與凍融析水率最終趨勢一致，均能證明小分子糖對馬鈴薯淀粉凝膠凍融穩(wěn)定性的影響。

圖6 小分子糖對馬鈴薯淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.6 Effect of low molecular weight saccharides on microscopic structure of potato starch gel

3 結(jié)論

1） 馬鈴薯淀粉顆粒的偏光十字現(xiàn)象隨溫度的升高逐漸消失。添加小分子糖提高了淀粉的糊化溫度，延緩了偏光十字的消失。對馬鈴薯淀粉的分析表明，小分子糖能提高峰值黏度、最終黏度、糊化溫度和糊化熱焓值，降低衰減值和回生值，提高馬鈴薯淀粉的抗剪切能力和抗老化能力。

2）對馬鈴薯淀粉凍融析水率和凍融后凝膠微觀結(jié)構(gòu)的分析表明，小分子糖能夠降低馬鈴薯淀粉的析水率，減小淀粉凝膠的孔洞，改善馬鈴薯淀粉的凍融穩(wěn)定性。

3） 相比于葡萄糖和果糖，蔗糖對于馬鈴薯淀粉的晶體結(jié)構(gòu)、糊化特性和凍融穩(wěn)定性的影響最顯著（P＜0.05）。