不同DE值马铃薯淀粉基脂肪模拟物性质研究

刘 颖,刘羽萌,窦博鑫

(哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江省高校食品科学与工程重点实验室,黑龙江哈尔滨 150076)

脂肪模拟物是一种在感官性质和理化性质上模拟脂肪并且具有类似脂肪口感的物质,热量较低,但是并不能完全替代脂肪[1-3]。其中以淀粉为基质的碳水化合物型脂肪模拟物因为其良好的口感和低廉的成本价格得到了人们的广泛青睐。脂肪模拟物的制备常采用酸法和酶法,其中酶法的工艺条件温和,副反应少,无需中和脱盐[4-6]。

耐高温α-淀粉酶是一种内切酶,其水解方式是没有规律的随机水解分子中间部位的α-1,4糖苷键。随着水解时间的不断变化,所制备的脂肪模拟产品的化学性质和物理性质也在发生明显变化[7]。DE值即葡萄糖含量占总干物质的百分数,DE的大小可以间接表示淀粉的水解程度,DE值越高表示淀粉的水解程度越大。DE值是淀粉基制品能否成为脂肪替代物的关键[8-9]。

不同种类的食品对脂肪模拟物所需要具备的性质要求各不相同,例如奶油和色拉以及一些奶制品调味料要求模拟物具有良好的乳化性和乳化稳定性[10]。肉制品则要求脂肪模拟物具有较高的凝胶强度、持水性和冻融稳定性[11]。因此掌握和了解脂肪模拟物的理化性质就显得至关重要。本文通过耐高温α-淀粉酶改性的方法制备不同DE值的马铃薯淀粉基质脂肪模拟物,并对不同DE值脂肪模拟物的理化性质进行了比较,为脂肪模拟物最终在低脂产品中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯淀粉 哈尔滨市如意淀粉厂;耐高温α-淀粉酶(酶活力104U/mL) 阿拉丁生化科技股份有限公司;马铃薯淀粉基质脂肪模拟物[12]实验室自制;大豆色拉油 黑龙江九三油脂厂；氯化钙、盐酸 哈尔滨市新达化工厂；氢氧化钠 天津市大陆化学试剂厂。

DHG-9141A型电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;DHP-9162B型电热恒温培养箱 上海一恒科学仪器有限公司;JA1003N电子天平 上海菁海仪器有限公司;TA New Plus质构仪 Isenso Inteligent Technology;TDZ4-WS医用离心机 湖南湘仪仪器有限公司;pH计PHS-3C 上海仪电科学仪器股份有限公司；SEM扫描电子显微镜 Hitachi Science Systems,Lid。

1.2 实验方法

1.2.1 脂肪模拟物的制备 取耐高温α-淀粉酶1 mL用蒸馏水定容于1000 mL的容量瓶中。取80 mL的蒸馏水于200 mL的锥形三角瓶中,加入160 mL浓度200 mmol/L的CaCl2溶液,在95 ℃的水浴锅中加热。加入7.5 mL酶的稀释液及淀粉浆(15 g淀粉于20 mL蒸馏水中)快速搅拌,在30 s内使溶液温度达到95 ℃。搅拌10 min后,用l mol/L盐酸灭酶,调pH小于2.0。待温度冷却到60 ℃时灭酶结束,1 mol/L氢氧化钠调pH至6.5[13]。在制备过程中,通过改变酶解时间和反应温度来得到不同DE值脂肪模拟物样品。

1.2.2 持水性测定 分别称取2.0 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的模拟物样品,用蒸馏水将其配制成质量分数分别为10%和30%的糊液,混匀后,在4000 r/min离心20 min[14]。按下式计算持水性。

式中,M1为样品中水分质量,g;M2为离去水分质量,g;M3为模拟物质量,g。

1.2.3 持油性测定 分别称取2.0 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的模拟物样品,用大豆色拉油将其配制成质量分数分别为10%和30%的液固混合物,混匀后,在4000 r/min离心20 min[15]。按下式计算持油性。

式中,M1为样品中油的质量,g;M2为离去油的质量,g;M3为模拟物质量,g。

1.2.4 水溶性测定 冷水(25 ℃)水溶性的测定:分别称取14 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的样品,用蒸馏水将其配制成质量分数为10%的糊液,混匀后,在4000 r/min离心15 min[16],记录上清液的重量。然后取5 g上清液于105 ℃鼓风干燥箱中烘干,称量铝盒中剩余固形物的重量。

热水(70 ℃)水溶性的测定:分别称取14 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的样品,用蒸馏水将其配制成质量分数为10%的糊液,加热到70 ℃后离心,以同样方法测定其溶解性。按下式计算水溶性。

式中,M为上清液中总固形物质量,g;M1上清液总质量,g;M2为铝盒中固形物质量,g。

1.2.5 冻融稳定性测定 分别称取1.0 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的样品,用蒸馏水将其配制成质量分数为7%的浆液,在70 ℃的水浴锅中保温20 min,然后将其放入-18 ℃的冰箱中冷冻24 h,取出后于室温下自然的解冻8 h,在3000 r/min下离心20 min[17]得到凝胶。按下式计算析水率。离心后析水率越大冻融稳定性越差。

式中,M1为浆液总重,g;M2为凝胶总重,g。

1.2.6 凝胶性测定 分别称取3.0 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的样品,用蒸馏水将其配制成质量分数为30%的糊液,加热至70 ℃,在2 ℃下放置约12 h形成凝胶后,采用质构仪测定凝胶性质。测定条件:探头型号P/0.5,下压速度2.0 mm/s,接触凝胶后速度1.0 mm/s,提升速度2.0 mm/s[18]。其中凝胶硬度(强度)是指第一次穿破样品时的压力峰值。

1.2.7 乳化性和乳化稳定性的测定 乳化性:分别称取1.0 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的样品,加入25 mL的蒸馏水,于沸水浴加热使之糊化,并保温10 min,将25 mL大豆色拉油加入糊液中,冷却至室温,在2000 r/min下均质2次,每次30 s。将乳化液转移至30 mL的离心管中,在3500 r/min下离心15 min。记录乳化层高度和液体总高度,按下式计算乳化性[19]。

乳化稳定性:乳化后的样品放置24 h,在3500 r/min下离心约15 min,记录乳化层高度和液体总高度。按下式计算乳化稳定性。

式中,M1为乳化层高度,cm;M2为液体层高度,cm。

1.2.8 凝沉性测定 分别称取0.3 g不同DE值(0、1、2、3、5、7、9)的样品,用蒸馏水将其配制成质量分数为1.2%的乳液,于沸水中加热糊化,并保温15 min,冷却至室温,将淀粉糊放入25 mL具塞刻度管中,在25 ℃恒温箱中静置,分别记录下经糊液0、l、2、4、5 d后上清液的体积[20]。

1.2.9 不同DE值模拟物颗粒形貌 利用SEM扫描电子显微镜对样品颗粒进行形貌观察。用专用棉棒将样品敷在贴有专用双面胶的样品台上,用吸耳球吹散使样品均匀、尽可能单层贴于样品台,将样品进行两次喷金后用SME观察,设置测试电压20 kV,根据需求在合适的放大倍数下扫描,观察[21]。

1.2.10 不同DE值模拟物动态流变特性测定 选择直径60 mm夹具和振荡测试程序。将样品移至旋转流变仪测定平台,样品间距选择550 μm,刮去平板外多余样品,在平板周围涂抹低密度硅油,防止样品水分散失。流变仪测试参数设置如下:选择温度扫描模式,由25 ℃程序升温至100 ℃,升温度速率均为5 ℃/min,设置频率1 Hz,应变0.4%[22]。温度扫描参数包括储存模量(G′)、损耗模量(G″)的变化。升温过程中G′、G″的最大值分别记为G′m、G″m,此时对应的系统温度记为T′m、T″m。

1.2.11 数据分析 采用统计软件SPSS 16.0和Microsoft Excel 2010对数据进行处理并以平均值±标准差表示;采用Origin 7.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 DE值对模拟物持水性的影响

由图1可知,马铃薯原淀粉(DE=0)的持水能力较差,质量分数30%的不同DE值脂肪模拟物较原淀粉的持水性显著增加(p<0.05),且质量分数为30%脂肪模拟物的持水性明显大于质量分数为10%的脂肪模拟物;当脂肪模拟物的DE值大于3时,随着其DE值的增加,模拟物持水能力下降。脂肪模拟物吸水溶胀,形成三维网状的结构,呈现弱凝胶状态,三维网状结构可以将大量的水分子截留在网状结构内部。但是原淀粉由于其分子羟基间氢键的作用,分子内的直链和支链淀粉相互结合缠绕,形成较大的颗粒和束状结构,颗粒表面坚实致密并且不利于与水分子的结合,所以导致原淀粉持水能力不高。由于脂肪模拟物的浓度降低,会相应的导致模拟物溶液的凝胶强度和粘性降低,凝胶强度降低导致三维网状结构变得疏松并且不能截留更多的水分,质量分数为10%脂肪模拟物持水性比质量分数30%脂肪模拟物持水性明显降低[23]。因此,质量分数为30%、DE值在2～3之间的脂肪模拟物持水性较好。

图1 DE值对模拟物持水性的影响Fig.1 The effect of the DE value on the hydrophilicity of the analogue注：不同大写字母表示与原淀粉(30%)相比， 差异显著(p<0.05)，图2同。

2.2 DE值对模拟物持油性的影响

由图2可知,马铃薯原淀粉(DE=0)的持油能力较差,质量分数为30%的脂肪模拟物在不同DE值时其持油性与原淀粉相比显著增加(p<0.05),且质量分数为30%脂肪模拟物的持油性明显大于质量分数为10%脂肪模拟物。

图2 DE值对模拟物持油性的影响Fig.2 The effect of the DE value on the oilly

随着DE值的增大,原淀粉经耐高温α-淀粉酶糊化,分子链被截断,小链分子较多。在麦芽糊精形成凝胶的过程中,活性结晶域减少,彼此连接的结点数目变少,所形成的三维网状的凝胶其凝胶强度也减小。模拟物的凝胶强度降低,导致模拟物分子间的作用力降低,随着水解程度增大形成的凝胶网状结构降低,不能束缚较多的油,离心时会析出[24]。因此,质量分数为30%,DE值在2～3之间的脂肪模拟物持油性较好。

2.3 DE值对模拟物水溶性的影响

由图3可知,马铃薯原淀粉在冷水中(25 ℃)水溶性为1.52%,在热水(70 ℃)中的水溶性为100%。不同DE值脂肪模拟物在冷水(25 ℃)中水溶性均比原淀粉明显增加(p<0.05)。随着DE值的不断增加,脂肪模拟物的水溶性先增大,在DE值大于3时开始逐渐减小。热水(70 ℃)中的溶解性均为100%。

图3 DE值对模拟物水溶性的影响Fig.3 The effect of DE value on the water solubility of analogue注：不同大写字母表示与原淀粉比， 差异显著(p<0.05),图4～图6同。

由于原淀粉溶液中淀粉分子链较长,分子链结合紧密,分子颗粒粒径较大,所以原淀粉的吸水性较差,水分并不能将淀粉颗粒充分溶解。且原淀粉颗粒在吸水后会产生沉淀现象,导致马铃薯原淀粉的水溶性较差。而经耐高温α-淀粉酶水解后的脂肪模拟物,由于水解反应使其粒径减小,水解后其结构变得脆弱,并且分子表面多有孔洞,在混合时,与水分子接触的表面积增大,使溶解更加快速充分,所以溶解度增加[25]。原淀粉和脂肪模拟物在热水中都会形成凝胶结构,会将大量的水分子留在凝胶结构内,所以离心后没有上清液出现。所以在70 ℃下水溶性比25 ℃下水溶性增大许多。因此,温度为25 ℃、DE值在2～3之间的脂肪模拟物具有良好的水溶性,且溶解度较稳定,良好的水溶性可以使脂肪模拟物更大程度的溶解并充分添加到食品中,从而增大脂肪模拟物在食品中的替代率。

2.4 DE值对模拟物冻融稳定性的影响

由图4可知,不同DE值脂肪模拟物的析水率显著降低，表明其冻融稳定性较原淀粉(DE=0)均显著增加(p<0.05);当模拟物DE值大于1时,随着DE值的增加,模拟物的冻融稳定性没有明显大幅度变化。

图4 DE值对模拟物冻融稳定性的影响Fig.4 The influence of DE value on the freeze-thaw stability of simulated objects

马铃薯原淀粉在高温下糊化,经耐高温α-淀粉酶水解后分解成许多直链小分子,小分子在低温冷却后缠绕形成强度很大的凝胶。被分解的直链淀粉及其小分支相互结合形成紧密的三维网状结构,将大量水分截留在凝胶束内,胶束内网状结构致密,即使在冻融解冻后离心水分子也不会析出。冻融稳定性的变化与直链淀粉含量有关,由于直链淀粉易重新排列和缔合而发生凝沉现象,所以直链淀粉含量越高产品冻融稳定性越差。原淀粉较脂肪模拟物直链淀粉含量高,因此,原淀粉冻融稳定性比脂肪模拟物差。

不同DE值的脂肪模拟物与原淀粉相比均具有良好的冻融稳定性,说明脂肪模拟物产品在较低温度也能保持良好的凝胶强度,在解冻后仍能保持较多水分,其模拟脂肪特性不会消失[26]。

2.5 DE值对模拟物凝胶性的影响

由图5可知,原淀粉的凝胶强度较高,随着DE值的增加,模拟物的凝胶强度逐渐降低,并且脂肪模拟物DE值在0～1的范围内时凝胶强度降低的最为显著(p<0.05)。当DE值在2～3的范围内时,其凝胶强度并没有发生明显变化;当DE值大于3时,脂肪模拟物几乎不能形成凝胶[27]。

图5 DE值对模拟物凝胶性的影响Fig.5 The effect of DE value on the simulation of gels

在淀粉糊静止时,溶液中的淀粉分子是随机运动的,且分子排列不规律。原淀粉分子颗粒较大,分子链较长并存在许多支链。这些支链紧密缠绕形成束状结构,这种束状结构成为在探头下压时的主要阻力。随着探头的不断下压,凝胶表面逐渐被切开,其中的一些分子随着下压的阻力卷入其中。随着DE值的增加,淀粉的水解程度增大使得模拟物中的长分子链被水解,分子间相互缠绕的阻力降低,并且随着水解程度的增大分子间粘度逐渐降低,不能够形成稳定的弱凝胶状态,使其凝胶性下降。稳定的弱凝胶状态可以更好的模拟脂肪的结构以及脂肪的粘弹性,产生类似脂肪柔滑的口感。因此,DE值2～3之间的脂肪模拟物更适用于应用到食品生产中。

2.6 DE值对模拟物乳化性及乳化稳定性的影响

由图6可知,不同DE值脂肪模拟物与原淀粉(DE=0)相比,其乳化性和乳化稳定性均有较大幅度的提高;当DE值在2～3范围内时,模拟物的乳化性和乳化稳定性显著提高(p<0.05),DE值大于3时乳化性和乳化稳定性均呈现下降趋势。

图6 DE值对模拟物乳化性及乳化稳定性的影响Fig.6 The influence of DE value on emulsification and emulsification stability of emulsification

随着DE值的不断增大,乳液粒子间的排斥力增大,阻止粒子的进一步聚集,所以乳化性逐渐降低[28]。因此,DE值2～3之间的脂肪模拟物具有良好的乳化性和乳化稳定性,可作为一种新型的乳化剂和乳化稳定剂应用到食品中。

2.7 DE值对模拟物凝沉性的影响

由图7可知,马铃薯原淀粉(DE=0)的凝沉性较大,即马铃薯原淀糊溶液不稳定,易发生沉淀、老化;脂肪模拟物凝沉性有明显下降趋势,即模拟物较原淀粉相比不易发生沉淀,溶液较稳定,且随着DE值的增加,脂肪模拟物的凝沉性增大。由于淀粉分子之间直链分子含量较多并且缠绕结合成紧密的束状结构,从而所形成的淀粉颗粒体积较大,淀粉颗粒的粒径较大。当束状结构缠绕增大到一定体积以后,淀粉颗粒吸水便会形成沉淀。淀粉溶液会呈现浑浊或具有明显分层的现象。淀粉凝沉性受多种因素的影响,如淀粉分子大小、结构、浓度、温度、pH等,一般温度大于50 ℃或小于-20 ℃时不易产生凝沉现象[29]。

图7 DE值对模拟物凝沉性的影响Fig.7 The effect of DE value on the coagulation of analog objects

马铃薯原淀粉经过溶解、加热,形成淀粉糊。淀粉内分子吸水溶胀,随着水解时间的延长,淀粉内分子从自然的缔合逐渐变成紧密的结合,形成较致密的网状结构,结合紧密的大分子使淀粉糊变得浑浊或分层。随着DE值的不断增加,马铃薯原淀粉的水解程度逐渐增高,其直链部分被水解成更多的小分子,小分子链不易于结合且结合不紧密,所以不容易发生凝沉现象。因此,脂肪模拟物与原淀粉相比稳定性较好,内部结构较稳定,不易发生凝沉现象,可延长脂肪模拟物保质期。

2.8 脂肪模拟物微观形态观察

如图8所示,原淀粉的表面光滑,无空隙,颗粒粒度较大。脂肪模拟物的微观结构比较粗糙,表面出现明显的孔洞,颗粒较原淀粉较小;随着DE值的逐渐增加,生成小分子物质增多,颗粒表面变得疏松且凹凸不平,且颗粒尺寸大小分布不一,模拟物平均粒径明显变小。

图8 模拟物扫描电镜照片(1000×)Fig.8 SEM scan of the fat mimetic(1000×)

2.9 不同DE脂肪模拟物动态流变特性

随着温度的不断上升,G′和G″出现下降趋势。在温度逐渐升高的过程中,淀粉颗粒受热可以更好的吸收水分,所以不断的膨胀。由于体积分数的增大,淀粉分子内不能够包裹更多的直链分子,导致直链淀粉不断的从淀粉颗粒中渗出,被渗出的直链淀粉与淀粉颗粒不断的缠绕包围,形成了结实致密的网状结构。但是随着温度持续不断的升高,可使其结构外围小分子部分融化,导致其颗粒表面变得柔和更容易融化[30]。另一方面可能是由于温度升高,分子不断的吸水润涨,润涨到极致的淀粉粒发生破裂引起了G′、G″的下降。总体来看G′均大于G″,由于G′和G″分别表征样品的弹性特征和粘性特征,说明样品具有溶胶和凝胶之间的力学物性,同时具有粘性和弹性性质,并弹性性质占相对主导[31]。支链淀粉的分支点和直链淀粉部分链段构成淀粉的无定形区,解释了淀粉粒有弹性形变的现象。

图9 不同DE值脂肪模拟物的储存模量G′ 和损耗模量G″的变化曲线Fig.9 The change modulus of storage modulus G′ and loss modulus G″ of different DE fats mimics

3 结论

马铃薯淀粉经耐高温α-淀粉酶改性后制备脂肪模拟物,较原淀粉而言持水性、持油性和冻融稳定性均显著增加;回生凝沉现象明显下降;DE值在2～3之间的模拟物胶体溶液较原淀粉具有较好的乳化性、乳化稳定性、持水、持油能力和冻融稳定性,回生凝沉现象较原淀粉有所下降,使脂肪模拟物变得更不易老化。在DE值2～3之间的模拟物凝胶性较稳定,形成相对稳定的弱凝胶,可以更好的模拟脂肪结构和口感。

对DE值2～3脂肪模拟物微观结构观察表明,原淀粉分子经糊化后充分水解形成小分子,表面粗糙出现明显孔洞。随着DE值的增加,生成小分子物质增多,颗粒表面变得疏松且凹凸不平,粒径较原淀粉相比明显变小。

对DE值2～3脂肪模拟物动态流变学特性研究中,随着温度的不断上升,G′和G″出现下降趋势,且G′均大于G″。说明样品具有溶胶和凝胶之间的力学物性,同时具有粘性和弹性性质,并弹性性质占相对主导。所以,DE值在2～3的脂肪模拟物具有可以作为脂肪模拟品的特性,可以应用在食品中。

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