瓜尔胶和黄原胶对马铃薯淀粉糊化特性影响的比较研究

蔡旭冉,徐祝萍,徐忠东,蔡治华

(1.合肥师范学院生命科学学院,安徽合肥 230601;2.安徽省蓝莓工程技术研究中心,安徽合肥 230601;3.安徽科技学院动物科学学院,安徽凤阳 233100)

瓜尔胶和黄原胶对马铃薯淀粉糊化特性影响的比较研究

蔡旭冉1,2,徐祝萍1,徐忠东1,蔡治华3,*

(1.合肥师范学院生命科学学院,安徽合肥 230601;2.安徽省蓝莓工程技术研究中心,安徽合肥 230601;3.安徽科技学院动物科学学院,安徽凤阳 233100)

将马铃薯淀粉分别与瓜尔胶和黄原胶以一定的比例复配,探讨两种胶体对马铃薯淀粉黏度、热稳定性、凝沉性、冻融稳定性和质构特性等糊化特性的影响。结果表明:瓜尔胶提高了淀粉糊的黏度和冻融稳定性,降低了淀粉糊的热稳定性、凝沉性、硬度、黏附性、胶黏性和咀嚼性;而黄原胶增加了淀粉糊的热稳定性和冻融稳定性,但降低了糊的黏度、凝沉性、硬度、黏附性、胶黏性和咀嚼性;且随着两种胶体含量的不同淀粉糊化特性也不同。

瓜尔胶,黄原胶,马铃薯淀粉,糊化特性

马铃薯淀粉是一种重要的植物淀粉,其生产量仅次于玉米淀粉,由于其具有独特的性能:颗粒大、黏度高、易膨胀、糊化透明度高等,因此常被用作增稠剂、稳定剂和黏结剂而广泛地应用于面包、奶制品、香肠、火腿肠、膨化食品等淀粉基食品中[1],但由于天然淀粉对加热和剪切力较敏感[2],而热处理和剪切在食品加工过程中又是难以避免的,所以在很多情况下马铃薯淀粉并不能满足食品加工的要求,可添加亲水胶体来改善马铃薯淀粉的加工特性[3]。

黄原胶与瓜尔胶是所有亲水性胶体中用途较为广泛、使用较多的两种胶体[4]。其中黄原胶是集增稠、悬浮、乳化、稳定于一体的性能优越的生物胶,其分子主要由葡萄糖、葡萄糖醛酸、甘露糖、乙酰基和丙酮酸聚合而成,具有阴离子胶的特性。瓜尔胶主要由半乳糖和甘露糖聚合而成,为一种天然的增稠剂,具有中性胶的特性。因此这两种胶均可以和马铃薯淀粉相互作用,来改善马铃薯淀粉的糊化特性。目前,关于亲水胶体对淀粉特性影响的研究较多,例如:石点等[5]研究了瓜尔胶对玉米淀粉糊化黏度的影响,发现瓜尔胶会大大增加玉米淀粉糊的峰值黏度,降低回生速度。唐敏敏等[6]研究了黄原胶对绿豆淀粉糊化特性的影响,发现黄原胶可增加绿豆淀粉的峰值黏度,降低崩解值和回生值。廖瑾等[7]研究了阿拉伯胶对马铃薯淀粉糊化特性的影响,结果表明随着阿拉伯胶含量的增加,混合体系的峰值黏度降低,热稳定性提高,回生程度稍有提高。但关于瓜尔胶和黄原胶对马铃薯淀粉糊化特性影响的相互比较研究较少,且根据瓜尔胶与黄原胶在低浓度时就可形成高粘稠溶液,考虑到亲水胶体与淀粉在食品工业中实际应用的成本和比例情况,因此本文主要采用淀粉与胶体的复配比例分别为10∶0、80∶1、60∶1和40∶1,来探讨瓜尔胶和黄原胶分别对马铃薯淀粉糊化特性的影响,为工业食品加工提供理论指导。

表1 马铃薯淀粉与胶体淀粉复配体系糊化黏度

注:重复测定三次,同一列里的平均值(±标准差)所带不同字母表示差异显著(p<0.05)，表2～表4同。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯淀粉 食品级,上海禾煜贸易有限公司;瓜尔胶、黄原胶 食品级,苏州丹尼斯克(中国)有限公司。

NDJ-1旋转式黏度计 上海平轩科学仪器有限公司;HH-4数显恒温水浴锅 常州朗越仪器制造有限公司;TGL-16G-B高速离心机 湖南星科科学仪器有限公司;TA-XT Plus型质构仪 英国SMS公司。

1.2 实验方法

1.2.1 淀粉黏度的测定 准确称取一定量的马铃薯淀粉、瓜尔胶、黄原胶,两种胶体分别与蒸馏水混匀后加入淀粉,调成质量分数为3%的淀粉与胶体复配的悬浮液(以干基计,m(淀粉)∶m(胶体)分别为10∶1、80∶1、60∶1和40∶1)。在沸水浴充分搅拌糊化15 min后立即用旋转式黏度计测定淀粉糊的黏度,选用3号转子,转速为6 r/min。

1.2.2 冻融稳定性的测定 取8支塑料离心管,编号,加盖,称量质量。分别称取一定量的胶体和淀粉,与蒸馏水混合制成质量分数为3%不同复配比例的悬浮液,在沸水浴中糊化15 min,冷却至室温,取约30 mL倒入离心管中,加盖,称量质量。置于-18 ℃的冰箱中冷冻22 h后取出自然解冻[8]。在4500 r/min条件下离心20 min,弃去上层清液,称量离心管和沉淀物总质量,计算析水率。

析水率(%)=(1-脱水后淀粉乳质量/脱水前淀粉乳质量)×100

1.2.3 淀粉耐热稳定性的测定 分别称取一定量的马铃薯淀粉、瓜尔胶、黄原胶,两种胶体分别与蒸馏水混匀后加入淀粉,调成质量分数为3%的淀粉与胶体复配的悬浮液(m(淀粉)∶m(胶体)为40∶1)。在不同温度和保温时间下糊化,取出后立即测其黏度。温度和保温时间分别为60 ℃下保温10 min、70 ℃下保温10 min、80 ℃下保温10 min、95 ℃下保温10 min、95 ℃下保温15 min、95 ℃下保温30 min和95 ℃下保温60 min。

1.2.4 淀粉凝沉性测定 将150 mL配制好的质量分数为1%的淀粉与胶体复配的悬浮液,在沸水浴中糊化15 min,冷却至室温,倒入带塞量筒中至刻度100 mL,加塞密封。在室温下静置数天,在不同时刻记录下方沉淀物的体积。

1.2.5 淀粉全质构的测定 准确配制质量分数为8%的淀粉与胶体复配的悬浮液,分别在沸水浴中加热15 min,冷却后放在4 ℃冰箱中24 h,备用。柱状样品高为60 mm,直径为40 mm。

用质构仪测凝胶的质构特征,参数设定为:TPA模式,探头型号P/36R,感应力5 g,测前速度1.0 mm/s,测试速度1.0 mm/s,测后速度1.0 mm/s,测试距离20 mm[9]。

2 结果与分析

2.1 淀粉黏度的测定

马铃薯淀粉和马铃薯淀粉与胶体复配体系在沸水浴糊化时,淀粉颗粒受热吸水迅速膨胀,体积增加,悬浮液的黏度迅速上升,成为淀粉糊,加热糊化后立即用旋转式黏度计测黏度,结果如表1。

由表1可知,瓜尔胶增加了马铃薯淀粉糊的黏度,而黄原胶降低了马铃薯淀粉糊的黏度,且在一定的范围内随着胶体量的增多,作用效果越明显。瓜尔胶增加了马铃薯淀粉黏度可能原因有三,一是胶体与淀粉存在着热力学不相容的相分离行为,使得胶体和淀粉的每一组分相互独立的存在于溶液微相中,使溶液浓度增加[3],因此提高了淀粉胶体体系的浓度;二是瓜尔胶易溶于水,在水中是呈连续相分布,而糊化的淀粉也可看作是连续相(直链淀粉和支链淀粉)和分散相(淀粉颗粒)组成[10],淀粉糊化时,颗粒吸水膨胀使连续相中的水分降低而使其浓度升高,所以复配体系的黏度增加[11];三是随着淀粉颗粒吸水膨胀,直链淀粉分子从中析出,与胶体分子相互作用形成稳定氢键[12],从而提高体系的黏度,但由于马铃薯淀粉直链淀粉很少,胶体与直链淀粉之间的作用较弱,故复配体系还是以相分离为主。黄原胶降低了体系的黏度可能是因为带负电的黄原胶侧链与带负电荷的马铃薯淀粉颗粒之间的相互排斥作用,使得黄原胶分子不能进入淀粉颗粒而只能附着在淀粉颗粒表面,从而使淀粉颗粒难以充分膨胀糊化,因而淀粉与黄原胶复配体系的黏度总是低于原淀粉糊的黏度[13]。瓜尔胶增加马铃薯淀粉糊黏度可以应用在果酱、酸奶等需要增稠的食物中,而黄原胶降低马铃薯淀粉糊黏度则可用在汤、豆浆等食物中,赋予食品适宜的黏度。

表2 马铃薯淀粉与胶体淀粉复配体系冻融析水率

2.2 冻融稳定性的测定

淀粉在冷冻过程中发生老化,造成结构发生变化,影响食品品质。常用淀粉糊的析水率来表示淀粉的冻融稳定性,析水率越小,说明淀粉糊的冻融稳定性越好[14]。淀粉糊在-18 ℃冷冻时,淀粉发生老化,链之间形成网络结构,水分子凝结成小冰晶,在常温解冻时,小冰晶融化成水从网状结构中析出[15],进而可以测出析水率。

由表2可知,瓜尔胶和黄原胶均降低了马铃薯淀粉的析水率,且随着胶体的比例增大,析水率降低的越大,表明瓜尔胶和黄原胶都可增加马铃薯淀粉糊的冻融稳定性,而且黄原胶的增加效果比瓜尔胶更加明显。原因可能是亲水性胶体与淀粉的复配体系中,胶体具有良好的亲水性,吸附了体系中的部分水分,使淀粉分子结合的水分减少,从而解冻时析出的水分降低。黄原胶由于带有负电荷而与马铃薯淀粉发生静电斥力而使冻融的淀粉颗粒增大,进而减少了水分的析出[16]。瓜尔胶与糊化时析出的直链淀粉相互作用,阻止了马铃薯淀粉老化时刚性结构的形成,降低水分的析出,但由于马铃薯直链淀粉含量低,故瓜尔胶的这种作用不强,黄原胶作用效果更加明显。对于一些冷冻食品,例如:冰淇淋、肉制品等,胶体淀粉的复配体系能更好地保持其水分,稳定食品结构,使其仍具有细腻的口感。

2.3 淀粉耐热稳定性的测定

由以上的实验结果可知,胶体与淀粉复配的四个配比中,m(淀粉)∶m(胶体)=40∶1的效果最明显,因此以下实验均以m(淀粉)∶m(胶体)=40∶1的比例来测定。

淀粉发生糊化时,当温度较低时淀粉糊化较慢,黏度较低,并随着温度的升高糊化程度越高,达到一定温度时,黏度值达到最高,随着加热时间的继续淀粉黏度逐渐降低。原因主要是淀粉加热吸水膨胀,形成淀粉糊,随着加热时间的增加,支链淀粉分子继续伸展,淀粉颗粒破裂,直链淀粉分子从中析出,导致黏度下降[17]。

从图1可以看出,与原淀粉相比,加入瓜尔胶的体系的黏度随着温度的增加上升的较快,加入黄原胶体系的黏度随着温度的增加上升的较平缓,原因可能是胶体与淀粉存在着热力学不相容的相分离行为,使得胶体和淀粉的每一组分相互独立的存在于溶液微相中,使溶液浓度增加,黏度变大,而黄原胶由于带负电的侧链与带负电荷的马铃薯淀粉颗粒之间的相互排斥作用,使得淀粉难以充分糊化,所以体系的黏度变化平缓。

图1 马铃薯淀粉与胶体淀粉复配体系在不同温度下加热10 min的黏度Fig.1 Viscosities of the mixed systems of potato starch/guar gum and potato starch/xanthan gum heated for 10 minutes at different temperatures

从图2可以看出,马铃薯原淀粉和复配体系在95 ℃保温一段时间(10～15 min)黏度上升至最大值,随后黏度随着时间的延长逐渐下降。其中瓜尔胶增加了马铃薯淀粉的崩解值(最高黏度与最低黏度的差值),而黄原胶降低了马铃薯淀粉的崩解值,所以黄原胶增加了马铃薯淀粉的受热稳定性。原因可能是瓜尔胶水溶液的热稳定性较差,在80～90 ℃加热一段时间后黏度几乎为零[18],所以加热一段时间后复配体系的黏度几乎降到和原淀粉一样,而黄原胶低浓度的水溶液在一定的温度范围内(-4～93 ℃)仍然显示出稳定的黏度[19],所以在95 ℃下保温一段时间不会影响黄原胶包裹着马铃薯淀粉颗粒,黄原胶仍然抑制了马铃薯淀粉颗粒的膨胀,使直链淀粉分子不易析出,所以黄原胶淀粉体系的黏度随时间和温度变化都较稳定。黄原胶与马铃薯淀粉复配体系运用于面包、糕点等烘烤食品,能使其保持一定的湿度,改善组织结构。

图2 马铃薯淀粉与胶体淀粉复配体系在95 ℃加热不同时间的黏度Fig.2 Viscosities of the mixed systems of potato starch/guar gum and potato starch/xanthan gum heated at 95 ℃ for different heating time

2.4 淀粉凝沉性的测定

淀粉的凝沉与糊化是一对相反的过程,糊化是在加热的条件下有序的分子变得杂乱无章,而凝沉是在冷却储藏过程中分子由无序到重排的过程。Fredrikssona等[20]认为淀粉的凝沉可以分为短期凝沉和长期凝沉,短期凝沉(以小时计)主要是直链淀粉分子间通过氢键缠绕和重结晶所引起,而支链淀粉的凝沉则是长期的(以天数计),主要通过支链淀粉外侧短链的重结晶作用。

由表3可知,马铃薯淀粉糊需要一周时间才发生较为明显的凝沉效果,与其他淀粉(玉米淀粉、红薯淀粉)相比马铃薯淀粉的凝沉性较弱,主要是因为马铃薯淀粉的支链淀粉分子高达80%,所以马铃薯淀粉凝沉主要取决于支链淀粉分子间的结晶,属于长期凝沉。加入的瓜尔胶和黄原胶都减缓了马铃薯淀粉的凝沉,可能原因是亲水性胶体结合了部分水分而使水分活度降低,不利于淀粉链的迁移,阻碍了淀粉链的重结晶[21],因此增加了凝沉的时间。而且瓜尔胶与直链淀粉分子间的相互作用抑制了直链淀粉与支链淀粉之间的相互结合,从而使马铃薯淀粉糊的长期凝沉有更加明显的抑制效果。亲水胶体降低了马铃薯淀粉凝沉性可用在酸奶、饮料、果冻、番茄酱等食品中,使其长时间不发生分成层,改善口感与体态。

表3 马铃薯淀粉与胶体淀粉复配体系的凝沉性

2.5 淀粉全质构的测定

凝胶TPA质构测试主要是通过模拟人口腔的咀嚼运动,对样品进行两次压缩,得出数据对样品进行分析。表4是马铃薯原淀粉和胶体复配体系的质构特性的数据。

表4 马铃薯淀粉与胶体淀粉复配体系全质构特性

淀粉凝胶质构对食品品质影响很大,例如硬度、弹性、咀嚼性等。由表4可以看出,与原淀粉相比,添加瓜尔胶使得复配体系的硬度、黏附性、胶黏性、咀嚼性等都下降,但硬度、弹性、内聚性下降不显著。可能原因是胶体与直链淀粉分子间形成的氢键阻碍了分子之间的聚集重排,削弱了淀粉直链分子间的相互作用,而且胶体与支链淀粉分子之间的相互缠绕使得复配体系的质地更加柔软[22]。添加黄原胶使得复配体系硬度、黏附性、胶黏性和咀嚼性等都显著下降,可能原因是黄原胶附着在淀粉颗粒的表面,降低了淀粉与淀粉之间的黏结作用,从而减小了淀粉的内聚力[23],使马铃薯淀粉的老化延迟,故硬度降低。所以亲水胶体马铃薯淀粉体系可加入糖果、面条、肉丸和鱼丸改变其硬度、弹性和咀嚼性等。

3 结论

3.1 与单独淀粉体系相比:由于瓜尔胶易溶于水,在水中呈连续相分布,淀粉颗粒吸水膨胀,使得体系浓度增加,黏度增大;瓜尔胶与马铃薯淀粉直链分子的相互作用,阻碍了淀粉老化时刚性结构的形成,降低水分的析出,也削弱了淀粉直链分子间的相互作用,使得复配体系的质地更加柔软,同时抑制了直链淀粉与支链淀粉之间的相互结合,从而抑制马铃薯淀粉糊的凝沉;瓜尔胶的热稳定性差,高温使得瓜尔胶与淀粉之间的作用大大减弱,因此不能增加马铃薯淀粉的热稳定性。

3.2 与单独淀粉体系相比:由于黄原胶带负电的侧链与带负电荷的马铃薯淀粉颗粒之间的相互排斥作用,使得胶体附着在淀粉颗粒的表面,抑制了淀粉的糊化,增大了淀粉颗粒,降低了淀粉与淀粉之间的黏结作用,从而使得复配体系的黏度降低,冻融稳定性提高,硬度、黏附性、胶黏性和咀嚼性等都显著降低;黄原胶热稳定性好,黄原胶在较高温度下性质不会被破坏,仍能附着在马铃薯淀粉颗粒的表面,抑制淀粉的糊化,所以复配体系的热稳定性大大提高;黄原胶、瓜尔胶都是亲水胶体,溶于水后吸收了部分水分,影响了淀粉链的迁移,延长了淀粉凝沉时间。

马铃薯淀粉由于具有独特的性能而被广泛的用与食品的生产加工,而瓜尔胶和黄原胶能够优化马铃薯淀粉在食品中的应用,使食品的口感、色泽和形态得到改善,因此在食品加工中应当得到广泛使用。在医药、化妆品和其他工业生产中也应做相关的研究,使其能更好的应用于各行各业,提高产品质量,降低成本,提高产品竞争力。

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Comparative study on effects of guar gum and xanthan gum on pasting properties of potato starch

CAI Xu-ran1,2,XU Zhu-ping1,XU Zhong-dong1,CAI Zhi-hua3,*

(1.Department of Life Science,Hefei Normal University,Hefei 230601,China;2.Anhui Provincial Engineering Technology Research Center of Blueberry,Hefei 230601,China;3.College of Animal Science,Anhui Science and Technology University,Fengyang 233100,China)

This study was aimed to explore effects of guar gum and xanthan gum on pasting properties of potato starch with different mixing ratios. The properties including viscosity,thermostability,retrogradation,freeze-thaw stability and texture properties were considered. The results showed that guar gum could enhance the viscosity and freeze-thaw stability while decrease the thermostability and retrogradation of potato starch;xanthan gum improved the thermostability and freeze-thaw stability and at the same time decreased the viscosity and the retrogradation;hardness,adhensiveness,glueyness and chewiness of the mixed systems were all reduced by these two gums and the effects of xanthan gum were evident. Moreover,pasting properties of potato starch were different with different mixing ratios of these two kinds of gums.

guar gum;xanthan gum;potato starch;pasting properties

2015-02-12

蔡旭冉(1988-)，女，硕士，助教，研究方向：碳水化合物资源的开发与利用，E-mail：caixuran1988@sina.com。

*通讯作者:蔡治华(1963-)，男，硕士，教授，研究方向：家畜品种遗传多样性与开发利用，E-mail:caizhihua86@sohu.com。

合肥师范学院校级科研机构专项(2015JG13)；安徽省教育厅自然科学研究项目(产学研)(KJ2013B222)。

TS231

A

1002-0306(2015)21-0280-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.049