采用高溫快速黏度分析儀分析高直鏈玉米淀粉糊化和黏度變化

周琪,楊帆,劉瀟,劉興訓(xùn)

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,食品軟物質(zhì)結(jié)構(gòu)與先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京,210046)

淀粉通常由線(xiàn)性的直鏈淀粉和分叉狀的支鏈淀粉組成,高直鏈淀粉通常指直鏈淀粉含量超過(guò)50%的特殊淀粉[1]。相比普通淀粉,高直鏈淀粉具有良好的成膜性及較高含量的抗性淀粉,被廣泛應(yīng)用于生物降解材料和健康食品領(lǐng)域[2]。

淀粉的糊化是淀粉最重要的理化性質(zhì),決定著淀粉的加工和使用?？焖兖ざ确治鰞x(rapid viscosity analyzer,RVA)是淀粉糊化特性最常用的表征儀器[3],具有操作簡(jiǎn)單、快速升溫或冷卻、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)[4]。RVA的作用是將淀粉與水的懸浮液在加熱的條件下通過(guò)攪拌槳做恒定剪切,懸浮液的黏度隨扭矩變化,以此建立淀粉隨溫度和時(shí)間變化的糊化曲線(xiàn)[5-6],通過(guò)RVA測(cè)定樣品后得到峰值黏度、低谷黏度、崩解值、最終黏度、回生值等糊化參數(shù),可用于淀粉樣品的加工特性研究[7]。

常規(guī)RVA測(cè)定樣品通常在95 ℃下進(jìn)行,而高直鏈淀粉的起始糊化溫度較高[7-8],糊化溫度高于100 ℃。本實(shí)驗(yàn)采用高溫RVA,設(shè)置了一個(gè)耐高壓的密閉測(cè)試環(huán)境,可以密封和自我加壓,最高加熱溫度可達(dá)140 ℃,測(cè)定了高直鏈玉米淀粉在95、110、120、130和140 ℃下的糊化性能,并利用流變儀、質(zhì)構(gòu)儀、掃描電鏡來(lái)研究淀粉經(jīng)過(guò)高溫處理后的流變行為和凝膠結(jié)構(gòu)的變化。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高直鏈玉米淀粉Gelose 50(G50,直鏈淀粉含量50%),荃銀祥玉(北京)生物科技有限公司。

RVA4800快速黏度分析儀,珀金埃爾默公司；MCR 302流變儀,奧地利安東帕公司；TA.XT II plus質(zhì)構(gòu)儀,英國(guó)Stable Micro System公司；TM-3000掃描電鏡,日本日立公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 基于不同加熱溫度的RVA測(cè)試

采用RVA標(biāo)準(zhǔn)程序測(cè)定了G50淀粉樣品的糊化特性,在鋁罐中稱(chēng)量25.43 g蒸餾水,并向其中添加淀粉2.57 g。配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為8% 的樣品懸浮液,將裝入鋁罐放入RVA中,加熱至50 ℃,同時(shí)以960 r/min攪拌10 s,然后將轉(zhuǎn)速降至160 r/min繼續(xù)試驗(yàn)。50 ℃下保持1 min,以6 ℃/min的速率升溫至95、110、120、130、140 ℃等 5種不同的溫度,在相應(yīng)溫度下保持5 min,以6 ℃/min的速率冷卻至50 ℃[10-11],最后在50 ℃下保持4 min。通過(guò)軟件TCW3得到其糊化溫度、峰值時(shí)間、峰值黏度、最終黏度、低谷黏度、崩解值和回生值等糊化參數(shù),并用毫帕秒(mPa·s)記錄。

1.2.2 基于不同升溫速率的RVA測(cè)試

采用RVA的標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)50淀粉進(jìn)行精確測(cè)定。在鋁罐中稱(chēng)取25.43 g蒸餾水,加入2.57 g樣品,配制的淀粉懸浮液,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%,在140 ℃下進(jìn)行RVA測(cè)試。將裝有懸浮液的鋁罐放入RVA中,加熱至50 ℃,同時(shí)以960 r/min攪拌10 s,然后將轉(zhuǎn)速降至160 r/min,繼續(xù)試驗(yàn)。在50 ℃下保持1 min,分別以2、10、15、20 ℃/min的速率升溫至140 ℃,在140 ℃下保持5 min,以6 ℃/min的速率冷卻至50 ℃,并在50 ℃下保持4 min。

1.2.3 基于不同濃度的RVA測(cè)試

采用RVA的標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)50淀粉進(jìn)行精確測(cè)定。直接稱(chēng)取27.03 g蒸餾水于鋁罐中,加入0.97 g樣品,進(jìn)行RVA測(cè)試。按1.2.1實(shí)驗(yàn)方法制備樣品,將懸浮液在140 ℃下進(jìn)行檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的淀粉,分別為3%、5%、7%、9%。

1.2.4 流變行為測(cè)定

將1.2.1實(shí)驗(yàn)方法制備的G50淀粉凝膠樣品放置在平行板上(d=50 mm),采用小振幅振蕩剪切進(jìn)行測(cè)試[12],間隙尺寸1 mm,測(cè)試溫度25 ℃,頻率掃描范圍0.1～100 r/s,應(yīng)變?yōu)?%。儲(chǔ)能模量(G′)、損耗模量(G″)、損耗角正切(tanq=G′/G″)和復(fù)合黏度(η*)被記錄為頻率(ω)的函數(shù)。

1.2.5 質(zhì)構(gòu)測(cè)定

將1.2.1實(shí)驗(yàn)方法制備的樣品倒入塑料罐(內(nèi)徑=33.0 mm,高度=38.0 mm)[13],蓋上蓋子,在4 ℃下保存24 h以進(jìn)行凝膠化。使用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行分析,探頭P6(d=10 mm),其他測(cè)試參數(shù)為[15]：觸發(fā)力為5 g；測(cè)試速度為2.0 mm/s；壓縮深度為10.0 mm。

1.2.6 微觀結(jié)構(gòu)觀察

將1.2.1實(shí)驗(yàn)方法制備的樣品進(jìn)行快速冷凍,然后在-50 ℃下凍干48 h。用濺射技術(shù)在凍干的淀粉凝膠上涂金,在15 kV、×2 000倍率的條件下用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察[14-15]得到淀粉凝膠的圖像。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有測(cè)量至少進(jìn)行2次。使用Origin 8.5進(jìn)行作圖,顯著性差異檢驗(yàn)使用SPSS 22進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高直鏈玉米淀粉在不同溫度下的糊化特性

圖1是RVA對(duì)淀粉加熱后得到的曲線(xiàn)圖(RVA譜),淀粉黏度隨著溫度的變化,呈現(xiàn)有規(guī)律上升(峰值黏度)、下降(低谷黏度)、再上升(最終黏度),其中峰值黏度是指淀粉顆粒糊化時(shí)的最高黏度；低谷黏度(最低黏度)指恒溫階段結(jié)束時(shí)的黏度;峰值黏度與低谷黏度的差為崩解值,用來(lái)衡量膨脹的淀粉顆粒被破壞的難易程度；最終黏度與低谷黏度的差稱(chēng)為回生值,用來(lái)表征淀粉的回生(老化)程度[16-17]。

圖1 不同加熱溫度下G50黏度變化

由圖1和表1可知,高直鏈玉米淀粉G50經(jīng)過(guò)95 ℃加熱后,其峰值黏度較低,為111 mPa·s,這可能是由于淀粉在該溫度下(低于糊化溫度),顆粒膨脹程度較小[18-19]；當(dāng)溫度從110 ℃加熱到140 ℃時(shí),峰值黏度從455 mPa·s增加到550.5 mPa·s,這可能是由于淀粉在較高的加熱溫度下發(fā)生糊化,淀粉顆粒進(jìn)一步膨脹,黏度隨之增高。而高直鏈淀粉G50的低谷黏度、最終黏度、回生值與溫度升高的趨勢(shì)不一致：G50的最終黏度分別從95 ℃的76.5 mPa·s上升到120 ℃的1 095.5 mPa·s,然后下降到140 ℃的192.5 mPa·s；出現(xiàn)這樣的變化部分原因是冷卻過(guò)程中G50形成了淀粉脂質(zhì)復(fù)合物[20],淀粉脂質(zhì)復(fù)合物可以限制淀粉顆粒在加熱過(guò)程中的膨脹,并保持膨脹顆粒的完整性[18],因此,淀粉分子之間并沒(méi)有表現(xiàn)出很強(qiáng)的再關(guān)聯(lián),導(dǎo)致最終黏度較高。淀粉加熱到110、120 ℃時(shí)黏度的上升是形成的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物發(fā)生沉淀引起的；當(dāng)?shù)矸蹣悠芳訜岬?30、140 ℃時(shí),表現(xiàn)出更低的黏度是由于淀粉顆粒結(jié)構(gòu)被破壞引起的,在這2個(gè)溫度下直鏈淀粉游離出來(lái),形成更多的相互作用,與文獻(xiàn)中報(bào)道一致[21]。

表1 高直鏈玉米淀粉G50不同加熱溫度下特征值分析

2.2 高直鏈淀粉在140 ℃下不同升溫速率的糊化性能

由圖2和表2可知,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的高直鏈玉米淀粉升溫速率為2 ℃/min時(shí),峰值黏度低,約為431 mPa·s；當(dāng)升溫速率20 ℃/min時(shí),其最終黏度最高,為231.5 mPa·s。G50的低谷黏度、最終黏度隨升溫速率變化不明顯,糊化時(shí)間與升溫速率呈負(fù)相關(guān),升溫速率越小,其到達(dá)糊化時(shí)間越長(zhǎng)。淀粉峰值黏度隨速率的降低而降低,該現(xiàn)象是因?yàn)榈矸墼诘蜕郎厮俾氏?與水充分混合,糊化比較徹底,有效降低儀器沖溫的影響。

圖2 G50在140 ℃下不同升溫速率的黏度變化

表2 G50在140 ℃下不同升溫速率特征值分析

2.3 玉米淀粉在140 ℃下不同濃度的糊化性能

淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、5%、7%、9%的RVA曲線(xiàn)圖如圖3所示,由表3可知,G50的峰值黏度、低谷黏度和最終黏度隨著淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大?；厣岛捅澜庵狄簿龃??；厣翟酱?則淀粉糊的穩(wěn)定性就越差,凝膠性增強(qiáng)。以上現(xiàn)象是因?yàn)闈舛仍酱?對(duì)淀粉膠體黏度和穩(wěn)定性貢獻(xiàn)越大所致[22]。

表3 玉米淀粉G50在140 ℃下不同濃度特征值分析

圖3 G50在140 ℃下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黏度變化

2.4 高直鏈玉米淀粉不同溫度處理后的流變性能

由圖4可知,G50膠體的G′和復(fù)合黏度隨加熱溫度的升高而變大,主要原因可能是高直鏈玉米淀粉經(jīng)過(guò)不同溫度加熱,有更多的直鏈淀粉分子游離出來(lái),直鏈淀粉分子發(fā)生纏結(jié),和支鏈淀粉一起形成較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò),“彈性”屬性更強(qiáng)[23]。G50樣品的G′在140 ℃時(shí)最高,其物理性能最好。結(jié)果表明,G50試樣的G′明顯高于G″,其損耗的正切值<1,由此可以推斷G50是以彈性為主的。

圖4 不同加熱溫度處理后G50的流變性

2.5 玉米淀粉不同溫度處理后的質(zhì)構(gòu)性能

淀粉凝膠硬度的變化與淀粉膠體的結(jié)構(gòu)有關(guān),由表4可知,隨著溫度的升高,G50淀粉凝膠的硬度逐漸提高,這是由于淀粉在RVA罐中加熱的溫度越高,其淀粉膨脹和糊化越充分[25],更多直鏈淀粉分子游離出來(lái),形成堅(jiān)硬的凝膠。因此高直鏈淀粉糊化程度越大,淀粉顆粒越膨脹并逐漸分散。高直鏈淀粉在加熱后游離出來(lái)的直鏈淀粉分子,冷卻后快速老化形成一個(gè)緊密的凝膠網(wǎng)絡(luò),與文獻(xiàn)報(bào)道一致[20]。脆性、膠著性、咀嚼性的變化趨勢(shì)與硬度趨勢(shì)相同。

表4 不同加熱溫度處理后G50的質(zhì)構(gòu)性能 單位：g

2.6 微觀結(jié)構(gòu)

由圖5可知,溫度越高,淀粉微觀結(jié)構(gòu)的破壞程度越大。G50在95 ℃下呈顆粒狀,110 ℃下顆粒狀逐漸不明顯,到120 ℃時(shí),顆粒狀完全消失,在140 ℃下淀粉凝膠已經(jīng)出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)這樣的變化是因?yàn)樵谳^高溫度下,分散的分子再關(guān)聯(lián)生成非常致密的基質(zhì),游離的直鏈淀粉分子逐漸重新結(jié)合,形成緊密的凝膠網(wǎng)絡(luò)[20]。同時(shí),這也是溫度越高,其凝膠硬度越高的原因。

a-95 ℃；b-110 ℃；c-120 ℃；d-130 ℃；e-140 ℃

3 結(jié)論

綜上所述,高直鏈玉米淀粉在較高的加熱溫度下糊化程度增加,原因是更多直鏈淀粉分子從淀粉顆粒中游離出來(lái),高直鏈淀粉完全糊化后分散的直鏈淀粉分子形成了強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)。本研究利用RVA 4800 型快速黏度分析儀對(duì)高直鏈淀粉在95～140 ℃加熱溫度下的顆粒和分子變化提供了新的認(rèn)識(shí),并論證了這些變化對(duì)淀粉糊化性能、流變性能和質(zhì)構(gòu)性能的影響,為高直鏈玉米淀粉在功能食品與可降解材料中的應(yīng)用提供理論支持。