蜡质玉米淀粉凝胶的冻融稳定性

宁吉英，顾丰颖，高萍萍，曹晶晶，罗其琪，王锋

（中国农业科学院农产品加工研究所/农业部农产品加工重点实验室，北京 100193）

蜡质玉米淀粉凝胶的冻融稳定性

宁吉英，顾丰颖，高萍萍，曹晶晶，罗其琪，王锋

（中国农业科学院农产品加工研究所/农业部农产品加工重点实验室，北京 100193）

【目的】采用多次冻融循环（FTC）处理手段，研究蜡质玉米淀粉凝胶与冻融稳定性相关的物性变化，为蜡质玉米淀粉在冷冻食品中的推广应用提供科学支撑。【方法】以一个普通玉米淀粉样品（YM）为对照、两个蜡质玉米淀粉样品（WCS1、WCS2）为研究对象，采用离心过滤方法测定淀粉凝胶的析水率；差示扫描量热仪（DSC）测定淀粉凝胶的糊化焓、回生焓、冰晶熔化焓；Brabende黏度仪测定淀粉凝胶的糊化特性；物性测试仪测定蜡质玉米淀粉凝胶的质构特性；流变仪测定淀粉凝胶的凝胶动态黏弹性；扫描电子显微镜（SEM）观察淀粉凝胶截面的微观结构。【结果】析水率测定结果显示首次FTC后，WCS表现超强持水能力，其中WCS2持水能力最强，析水率为5.75%，而YM持水能力最弱，析水率超过50%。随着冻融循环次数的增加，淀粉凝胶的回生率和冰晶熔化焓均逐渐增大，且1、3、5次FTCs之间差异显著，说明多次冻融使淀粉的回生程度和可冻结水含量增加。WCS的回生率在首次FTC时达到17%—18%，而YM的在40%—50%。WCS的冰晶熔化焓在首次FTC时达到540 J·g-1左右，而YM的在555 J·g-1左右。5次FTCs后淀粉凝胶硬度均发生明显的增大，其中WCS凝胶硬度较小（45—100 g），远低于YM淀粉凝胶硬度（440 g左右）。凝胶动态黏弹性结果显示随着冻融次数的增加，淀粉凝胶的tanδ均逐渐降低，但WCS的tanδ值始终大于YM的，表明WSC凝胶较黏软。WCS的糊化特性也表明其在冷却过程中不易老化。5次FTCs后的淀粉凝胶结构均发生明显变化，WCS凝胶形成的网络结构较不规则，淀粉壁出现的孔道不明显且相互黏连缠绕；YM凝胶形成比较致密的网络状结构，结构较规则，淀粉壁出现的孔道完整，淀粉壁光滑。【结论】蜡质玉米淀粉凝胶经冻融处理后，其抵抗由温度波动造成的不良物理变化的能力强，比普通玉米淀粉凝胶的冻融稳定性好，本研究结果对蜡质玉米淀粉在冷冻食品中的应用具有重要参考价值。

蜡质玉米淀粉；冻融稳定性；析水率；凝胶动态黏弹性；微观结构

0 引言

【研究意义】淀粉凝胶的冻融稳定性是影响淀粉基冷冻食品品质的关键问题，也是制约淀粉基食品加工业发展的难题。淀粉基食品经低温冷冻、解冻（冻融）处理或贮藏、运输、销售过程的温度波动会造成产品的水分流失、表皮开裂、发硬等劣变现象，这与淀粉凝胶的冻融特性有直接关系[1]。蜡质玉米淀粉属于纯天然支链淀粉，其支链淀粉含量达95%以上，由于其具有糊液黏度高、透明度佳、保水性较好、冻融稳定性较好、适宜的凝胶弹性等优良特性，被作为重要的食品加工原料和助剂而广泛应用于酱料、酸奶、冰激凌、速冻面食、速冻肉丸等冷冻食品中。因此，研究蜡质玉米淀粉凝胶在反复冻融过程中发生的物化性质变化，对其在冷冻食品中的应用具有重要意义。【前人研究进展】冷冻食品在运输和贮藏过程中温度发生波动，必然会经历反复的冻融循环过程。研究中通常使用冻融稳定性这一概念来衡量淀粉承受冷冻和解冻过程引起的不良物理变化的能力[2]。冷冻过程中，大部分水分冻结成冰晶，淀粉分子与少部分未发生冻结的水形成了高浓度淀粉基质，即形成淀粉富集区，在该区域未冻结的淀粉基质在其玻璃态转换温度（Tg）以下处于动力学亚稳态[3]，淀粉分子发生聚集。解冻过程中，冰晶融化成水，从淀粉主体中释放出来，产生相分离，宏观上即出现脱水缩合现象[4]。重复的冻融循环过程促进了相分离和冰晶的形成[5]。目前，关于冻融稳定性的评价手段有许多。其中，通过析水率的测定来评价冻融稳定性已被广泛地报道[1,6]。除此之外，反复冻融还会对淀粉的微观结构、质构、流变性等性质造成不良影响。有研究发现，淀粉凝胶微观结构的变化与冻融循环次数有一定的相关性[7-8]；冻融过程中，淀粉分子发生聚集回生，WANG等[9]发现反复冻融使荸荠淀粉的回生率增大；CHAROENREIN等[10]研究发现冻融处理使稻米淀粉凝胶的硬度增大；YAMAZAKI等[11]研究发现，随着冻融循环次数的增加，玉米淀粉凝胶的流变性发生改变，形成类似固体状态的凝胶。【本研究切入点】目前关于不同来源淀粉凝胶冻融稳定性差异的报道较多，但针对蜡质玉米淀粉凝胶在反复冻融过程中物性变化的系统研究较少。【拟解决的关键问题】本研究以一个普通玉米淀粉样品作对照，以两个蜡质玉米淀粉样品为研究对象，采用多次冻融循环处理手段，研究蜡质玉米淀粉凝胶的物性变化及表观结构的改变，明确相关性状与冻融稳定性的关系，为其在冷冻食品中的推广应用提供科学基础数据。

1 材料与方法

试验于 2015—2016年在中国农业科学院农产品加工研究所进行。

1.1 实验材料

蜡质玉米淀粉1（WCS1）购于秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司；蜡质玉米淀粉2（WCS2）购于德州福洋生物淀粉有限公司；对照样普通玉米淀粉（YM）购于河北赛亿生物科技有限公司。以上淀粉均为原淀粉。

1.2 主要仪器和试剂

1.2.1 主要仪器 快速水分测定仪：MS-70，日本A&D公司；脂肪测定仪：SER 148，意大利威尔普；自动定氮仪：2300，Foss Tecator AB；集热式恒温加热磁力搅拌器：DF-101S，巩义市予华仪器有限责任公司；冰箱：BCD-186KB，青岛海尔股份有限公司；台式高速离心机：H/T 16MM，湖南赫西仪器装备有限公司；差示扫描量热仪：DSC-Q200，美国TA仪器公司；电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9203A，上海精宏实验设备有限公司；电子天平：ME104E，梅特勒—托利多仪器（上海）有限公司；紫外分光光度计：A560，翱艺仪器（上海）有限公司；布拉班德黏度仪：803202，德国Braben GmbH&CO.KG；物性测试仪：TA-XT2i，英国Stable Micro System公司；流变仪：Phycica MCR 301流变仪，奥地利安东帕（Anton Paar）有限公司；冷冻干燥机：FD-1C-80，上海比朗仪器制造有限公司；扫描电子显微镜：SEM SU8010，Hitachi Science System，日本。

1.2.2 主要试剂 马铃薯直链淀粉标准品、玉米支链淀粉标准品购于美国Sigma公司；其他试剂为分析纯，购于北京化学制剂厂。

1.3 试验方法

1.3.1 化学成分测定 用快速水分测定仪测定水分含量；脂肪含量测定参照国标GB/T 5512—2008；蛋白含量测定参照国标GB 5009.5—2010；直链淀粉含量测定参照国标GB/T 15683—2008进行。

1.3.2 淀粉糊液的冻融处理及析水率测定 将淀粉分散在蒸馏水中，配置成4%（w/w，以淀粉干基计）的淀粉悬浮液，置于磁力搅拌器中，沸水糊化 30 min，冷却到室温后，使用玻璃棒混合均匀。将约8 g淀粉糊转移至圆柱形塑料管（25 mm×50 mm）中，将其放入-20℃冰箱中冷冻22 h 后，再放到30℃水浴中解冻2 h，作为一个冻融循环（Freeze-thaw Cycle，FTC）。

析水率根据 CHAROENREIN等[6]的方法进行测定。淀粉凝胶经过1、2、3、4、5次FTCs后，将解冻后的淀粉凝胶转移至底部有孔洞（直径1 mm，5个孔）并覆有滤纸（Whatman No. 41）的带盖圆柱形塑料管（规格：25 mm×50 mm，质量：m1）中，并放置于离心管（规格：28 mm×104 mm，质量：m2）中，称量其总质量为m3。在100 g离心力下离心15 min，将圆柱形塑料管取出，称量离心管的质量为m4。析水率按照以下公式进行计算：析水率（%）=(m4-m2)/(m3-m2- m1)×100。

1.3.3 回生热力学测定 将淀粉与蒸馏水按 1﹕2（w/w，以淀粉干基计）混合均匀后，在每个差示扫描量热仪（DSC）不锈钢锅中添加混匀后的淀粉液，称量加入的淀粉液质量并将不锈钢锅进行密封，将其在室温下平衡2 h。其后，将不锈钢锅在差示扫描量热仪（DSC）中进行糊化，糊化程序：以空不锈钢锅作为对照，设定温度30—100℃，速率为10℃·min-1，从曲线中得到糊化起始温度To，峰值温度Tp，终值温度Tc，并根据峰面积计算出糊化焓（ΔHgel）。

采用1.3.2中的方法，将糊化后的不锈钢锅样品进行 1、3、5次 FTCs，测定其回生性质。测试程序与DSC糊化程序相同，得出回生淀粉的To、Tp、Tc和回生焓（ΔHret），并计算其回生率（Degree of retrogration, R%）：R%=ΔHret/ΔHgel×100。

1.3.4 冰晶熔化焓测定 使用 DSC 研究体系中的可冻结水。采用1.3.2中的方法，将1.3.3中糊化后的不锈钢锅样品进行1、3、5 次FTCs，测定其冰晶熔化焓（ΔHice），测试程序：首先设定温度从20℃降至-20℃，速率为20℃·min-1；在-20℃保持10 min后从-20℃升至30℃，速率为10℃·min-1。

1.3.5 质构测定 按 1.3.2中的方法制备 4%淀粉凝胶，称取36 g样品置于直径6 cm铝盒中，并按1.3.2的冻融方法冻融5次，采用质构仪测定未冻融和5次FTCs淀粉凝胶的全质构，采用标准的两次压缩程序，测定其硬度。测定参数设定：P/36R圆柱形探头，测试前速度1.0 mm·s-1，测试速度1.0 mm·s-1，测试后探头回程速度10.0 mm·s-1，触发力5 g，两次压缩间隔时间为5 s，压缩部位为样品中心，形变量为40%。

1.3.6 凝胶动态黏弹性测定 参照1.3.2中的方法制备4%淀粉凝胶，将3.0 g淀粉凝胶转移至4 mL离心管中，在25℃下保持15 min，再放入-18℃冰箱中冷冻1 h，取出放到30℃水浴中解冻15 min，作为一个冻融循环。将新鲜淀粉凝胶以及经过1、3、5次FTCs后的淀粉凝胶混合均匀后置于流变仪上，使用50 mm平板，设置间距1 mm，测定温度30℃，扫描应变0.5%（线性黏弹区内），测定由低频率（0.1 Hz）到高频率（10 Hz）损耗角正切值（tanδ=G''/G'）随角频率的变化。

1.3.7 微观结构测定 使用1.3.2中的方法制备淀粉凝胶并进行冻融处理，将未冻融和5次FTCs的淀粉凝胶进行真空冷冻干燥，中心部分截面经离子溅射仪喷金，并置于电子扫描显微镜（SEM）下观察截面的微观结构，加速电压为10 kV。

1.3.8 淀粉糊化特性 淀粉糊化特性的测定参照国标GB/T 22427.7—2008，并略作改进。参数设定：配制8%的玉米淀粉悬浮液（w/w）。设定程序如下：起始温度为35℃，以6℃·min-1的速率从35℃加热到95℃，然后在95℃下保持5 min。此后，以6℃·min-1的速率冷却到50℃，然后在50℃下保持5 min。整个过程中搅拌旋转速率保持在 160 r/min，测量范围 700 cmg。参量包括峰值黏度（PV，温度达95℃时的最高黏度），谷值黏度（TV，在 95℃等温时期结束时的黏度），最终黏度（FV，在50℃等温时期结束时的黏度），降落值（BV=PV-TV），回生值（SV=FV-TV），记录糊化温度（即起始糊化温度，指测试过程中，试样黏度开始有明显增加时的试样温度）。

1.3.9 数据统计与分析 运用 SPSS 19.0 进行显著差异分析（Duncan），显著差异水平取P＜0.05。数据为3次测定的平均值。

2 结果

2.1 不同淀粉的化学成分

不同玉米淀粉的化学成分含量如表1所示。从玉米中难以获得 100%的纯淀粉，且不同淀粉其水分含量、脂肪含量、蛋白含量和直链淀粉含量各不相同，这是由于其品种来源、种植环境、加工方法等差异所导致的。通过测定水分含量，以便于计算干基质量，使试验结果更具准确性；而脂肪、蛋白、直链淀粉含量又与淀粉的物化性质有一定相关性[2]。由表1可知

表1 不同淀粉的化学成分

“YM”是赛亿玉米淀粉，“WCS1”是骊骅蜡质玉米淀粉，“WCS2”是福洋蜡质玉米淀粉；表中数据为平均值±标准差；同行中不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）。下同“YM” is Saiyi corn starch; “WCS1” is Lihua waxy corn starch; “WCS2” is Fuyang waxy corn starch. The date is mean value ± standard deviation. Values followed by the different letters in the same row are different significantly (P＜0.05). The same as below

Table 1 Chemical compositions of different corn starch不同玉米淀粉水分含量差异较大，脂肪含量（0.02%—0.12%）和蛋白含量（不足0.5%）都较低；根据直链淀粉含量可知WCS1、WCS2属于蜡质玉米淀粉，YM属于普通玉米淀粉。

2.2 淀粉凝胶的冻融析水率测定

不同玉米淀粉凝胶的冻融析水率如表2所示。析水率越小表明样品持水能力强，冻融稳定性越好；析水率越大表明样品持水能力弱，冻融稳定性越差。首次FTC后，WCS表现超强持水能力，其中WCS2持水能力最强，析水率为5.75%，而YM持水能力最弱，析水率超过50%；2次FTCs后，WCS1和YM析水率在70%以上，而WCS2析水率小于30%，持水能力最强；3次FTCs及之后，不同玉米淀粉凝胶的析水率均在70%以上，其析水率变化幅度不明显，其中WCS的析水率略高于YM，依据首次FTC的析水率来表征，冻融稳定性顺序依次为WCS2＞ WCS1＞YM。

表2 不同淀粉凝胶1—5次FTCs后的析水率Table 2 Syneresis (%) of different starch gels after 1-5 FTCs

2.3 淀粉凝胶的回生热力学测定

经测定可知，WCS1和WCS2的糊化焓均为19.46 J·g-1，YM的糊化焓为14.41 J·g-1，不同玉米淀粉经冻融处理后的To（糊化起始温度）、Tp（峰值温度）、Tc（终值温度）、回生率和DSC曲线分别如表3、图1、图2所示。由图1可知，随着冻融次数的增加，不同淀粉凝胶的回生率均逐渐增大，且1、3、5次FTCs后的回生率之间差异显著，说明冻融次数越大淀粉的回生焓越大，重结晶的区域也越大。YM的回生率在首次 FTC时接近 50%，而 WCS的回生率仅仅17%—18%，表明WCS的回生程度比YM的小。随着冻融次数的增加，YM的回生率始终比WCS的大，在5次FTCs后YM的回生率已达到83.81%，而WCS的在50%以下，低于YM首次FTC后的回生率，也充分表明支链淀粉回生较缓慢。由表3和图2可知，未冻融WCS的To 、Tp、Tc比YM的高；首次FTC时，不同淀粉凝胶的To、Tp、Tc均降低；随着冻融次数的增加，To 、Tp、Tc均逐渐增大。根据不同淀粉的回生缓慢程度来表征，冻融稳定性依次是 WCS2＞WCS1＞YM。

图1 不同淀粉凝胶在1、3、5次冻融循环后的回生率Fig. 1 Degree of retrogration of different starch gels after 1, 3 and 5 FTCs

图2 不同淀粉凝胶的DSC曲线图Fig. 2 Gelatinization and retrogradation thermograms of different starch gels

2.4 淀粉凝胶的冰晶熔化焓测定

不同玉米淀粉经冻融处理后的冰晶熔化焓如图 3所示，其中冰晶（纯水）的熔化焓为334 J·g-1[7]。随着冻融次数的增加，淀粉的ΔHice逐渐增大，且1、3、5次FTCs后的ΔHice之间差异显著，表明多次冻融使不同淀粉的可冻结水含量增加。YM 的 ΔHice在首次FTC时达到555 J·g-1左右，而WCS的在540 J·g-1左右，表明WCS的可冻结水含量比YM的少。随着冻融次数的增加，YM的ΔHice始终比WCS的大，在5次FTCs时YM的ΔHice已达到582.73 J·g-1，而WCS的在570 J·g-1以下，说明随着冻融次数的增加，WCS淀粉凝胶的可冻结水含量始终比YM的少，其冻融稳定性较好，与回生热力学的测定结果相呼应。

图3 不同淀粉凝胶在1、3、5次FTCs后的冰晶熔化焓Fig. 3 ΔHiceof different starch gels after 1, 3 and 5 FTCs

2.5 淀粉凝胶的硬度测定

测定未冻融及5次FTCs后淀粉凝胶的全质构，得到其硬度的数据，如图4所示。未冻融WCS淀粉凝胶硬度均在15 g左右，远低于未冻融YM淀粉凝胶硬度（121.9 g）。随着冻融次数的增加，淀粉凝胶硬度逐渐增大，且WCS凝胶硬度始终小于 YM凝胶硬度。5次FTCs时，WCS凝胶硬度较小（45 g—100 g），远低于YM淀粉凝胶硬度（438.3 g）。淀粉凝胶在未冻融和 5次 FTCs后的硬度差值，WCS1为81.6 g，WCS2为37 g，YM为316.3 g。说明冻融处理后 WCS淀粉凝胶对硬度变化的抵抗力较强。以硬度变化表征不同淀粉的冻融稳定性依次是WCS2＞ WCS1＞YM。

图4 不同淀粉凝胶在0、1、3、5次FTCs后的硬度Fig. 4 Hardness of different starch gels after 0, 1, 3 and 5 FTCs

2.6 淀粉凝胶的动态黏弹性测定

损耗角正切值（tanδ）是损耗模量（G″）和储能模量（G′）的比值，表明黏性和弹性对淀粉凝胶黏弹性质的相对贡献，其中储能模量（G′）代表储存在淀粉凝胶中的能量[12]，是淀粉凝胶表现固态（或弹性）特性的指标。当tanδ小时表明处于类似固体的状态，tanδ大时表明处于类似液体的状态[13]。因此，冻融淀粉凝胶流变性的变化可通过tanδ来评价。由图5可知，随着冻融次数的增加，不同淀粉凝胶的tanδ均逐渐降低，黏性趋向降低，弹性趋向升高。因此，淀粉凝胶经冻融处理后，倾向于成为类似固体的凝胶。其中WCS凝胶的tanδ在第一次冻融循环后下降不明显，YM凝胶的tanδ在第一次冻融循环后明显降低；且不论未冻融时还是冻融处理后，WCS的tanδ值始终远远大于YM的，说明WCS凝胶较软。这与硬度测定的结果相一致。

图5 不同淀粉凝胶在1、3、5次FTC后的tanδ变化Fig. 5 Changes of tanδ of different starch gels after FTCs

2.7 淀粉凝胶的微观结构测定

通过 SEM观察淀粉凝胶经冻融处理后的微观结构，来推测淀粉凝胶冻融性质与微观结构的关系，如图6所示。通过对比，发现未经冻融的玉米淀粉凝胶结构相对完整、均一。而经过5次FTCs后的淀粉凝胶结构发生明显的变化，其中，WCS凝胶的网络结构较不规则，因反复冷冻而形成的冰晶使淀粉壁出现的孔道不明显且相互黏连缠绕；YM凝胶形成比较致密的网络状结构，结构较规则，因反复冷冻而形成的冰晶使淀粉壁出现孔道，且孔道完整，淀粉壁光滑。结合上述冻融稳定性测定结果，WCS凝胶硬度较小，黏度增强，析水率缓慢降低，与形成的相互黏连缠绕的不规则网络结构相对应；而冻融处理后YM凝胶硬度较大，黏度减弱，析水率明显降低，与形成的规则网络结构相对应。

图6 不同淀粉凝胶在0、5 FTCs后的微观结构Fig.6 SEM images of different starch gels after 0, 5 FTCs

2.8 玉米淀粉糊化特性分析

淀粉糊化的不同参数反应了淀粉糊化特性的不同方面。由图7和表4可知，WCS的糊化温度低，峰值黏度高，而 YM淀粉的糊化温度高，峰值黏度低，说明WCS淀粉颗粒易溶胀，且膨胀度高。降落值代表淀粉在蒸煮时结构的破损程度，它表明淀粉热糊的稳定性，由表可知，WCS的降落值远高于YM的降落值，说明WCS在糊化过程中热糊黏度变化幅度大，而 YM的热糊黏度变化幅度小，热糊稳定性高。回生值代表淀粉糊在冷却过程中的回生程度，由表可知，WCS的回生值远小于YM的回生值，说明WCS淀粉糊在冷却过程中不易回生，也充分说明含直链淀粉的YM回生速度很快；而由图1回生率测定结果可知，WCS凝胶在冻融过程中的回生率始终低于 YM凝胶的回生率，这一结果与糊化特性中回生值测定结果一致。

表4 不同淀粉的糊化特性

Table 4 Pasting properties of different starch

同列中不同小写字母表示差异显著（P＜0.05） Values followed by different letters in the same column are different significantly (P＜0.05)

图7 不同淀粉的黏度曲线Fig.7 Brabender pasting curves of different starch

3 讨论

3.1 冻融处理对玉米淀粉凝胶析水率的影响

析水率可以用来评价淀粉凝胶在冻融过程中抵抗不良物理变化的能力。冻融淀粉凝胶的脱水收缩现象是由淀粉链之间的分子聚集而造成的，尤其是直链淀粉的老化[14]，从而导致水从凝胶结构中析出[15]。因此，因脱水收缩作用而析出的水量可以作为淀粉老化的指标[12]。淀粉的老化是由于糊化后的淀粉分子在低温下自动排列成序，相邻分子间的氢键又逐步恢复而形成致密、高度晶化的淀粉分子微晶束的缘故[16]。支链淀粉由于其分支结构的存在妨碍了微晶束氢键的形成。所以，支链淀粉不易老化，直链淀粉更易老化。由表2可知，首次FTC后WCS凝胶的析水率小于YM凝胶，可能是由于WCS的直链淀粉含量（不足1%）低于 YM的直链淀粉含量（29.635%）。这一结果与CHAROENREIN等[6]的研究结果相似，首次FTC后中直链稻米淀粉凝胶（17.6%）的析水率低于高直链稻米淀粉凝胶（32.5%）的析水率，表明直链淀粉含量在淀粉凝胶冻融循环过程中的老化方面起着重要的作用[8,10]。而在3次FTCs之后，WCS的析水率略高于YM的，参照2.7微观结构测定的结果，多次冻融处理后，直链淀粉含量高的YM淀粉凝胶形成规则的有弹性的海绵状结构，呈现较强的毛细现象，在本试验条件下离心时，部分自由水难以与淀粉主体分离。多次冻融处理后，WCS形成了不规则的相互黏连的海绵状结构，离心时不易形成滞留水，自由水更易析出。这也进一步提示分析冻融析水率的测定结果时须考虑多次FTC后淀粉凝胶形成的宏观结构的影响。由表2可知，WCS2在1—3次FTCs后的析水率低于WCS1，而WCS1和WCS2的直链淀粉含量都不足1%，说明直链淀粉含量不是影响冻融析水率的唯一因素，SRICHUWONG等[17]认为冻融析水率还与支链淀粉链长分布有关，反复冻融过程中，支链侧链也会发生缓慢老化。因此，WCS凝胶冻融析水率的变化也可能与其支链淀粉链长的缓慢老化有关。

3.2 冻融处理对玉米淀粉凝胶回生率的影响

由表3和图2可知，未冻融WCS的To、Tp、Tc比YM的高，表明WCS开始糊化时需要更多的能量。SINGH等[18]认为淀粉结晶度越高，其结构越稳定，糊化时需更多的能量才可破坏淀粉的有序结构。首次FTC时，To、Tp、Tc均下降，表明相对于原淀粉，回生淀粉结构的有序程度低。这与TENG等[1]的研究结果相似，木薯淀粉经7次FTCs后其To、Tp、Tc与原淀粉相比均下降。随着冻融次数的增加，To、Tp、Tc均逐渐增大，表明晶体熔化时需要的能量增多，可能由于回生淀粉的结晶度增加。糊化焓代表淀粉在糊化过程中，其双螺旋结构发生解聚和熔化时所需要吸收的能量[19]。由结果可知，WCS的ΔHgel比YM的高，说明WCS支链淀粉分子中双螺旋结构数量比YM的多。

淀粉的回生是淀粉分子从无序到有序的过程。在加热糊化过程中，由于水分子和热的作用，有序的淀粉分子变得杂乱无序，淀粉凝胶处于亚稳态状态[20]。在降温冷却和冻融过程中，由于分子势能的作用，高能态的无序化逐步趋于低能态的有序化，直链淀粉和支链淀粉外侧短链均有重排结晶的趋向，淀粉分子通过形成氢键而发生聚集重排，形成结晶聚合物[21]。而回生焓反应重结晶淀粉晶体熔化时需要吸收的能量，一般100℃以下的吸热峰是由淀粉中支链淀粉的结晶再熔化引起的，回生率是淀粉回生焓与糊化焓的比值[12]。因此，淀粉的回生率可以在一定程度上反映淀粉的冻融稳定性，回生率越大，淀粉分子聚集越明显，则淀粉的冻融稳定性越差。由结果可知，各淀粉每次冻融后的回生焓均小于其糊化焓，表明由淀粉回生而形成的晶体结构比淀粉颗粒中本来存在的晶体结构弱且不稳定。之前一些研究也报道过相似的结果[22]，随着冻融次数的增加，回生率越来越大，说明反复冻融使淀粉分子的稳定性越来越低，这一结果与王冠青[23]的研究结果一致。而WCS的回生率始终比YM的小，说明WCS不易回生，冻融稳定性较好。

3.3 冻融处理对玉米淀粉凝胶冰晶熔化焓的影响

前人研究表明，可冻结水含量可以由DSC测得的冰晶熔化焓体现，二者成正相关[24]。在淀粉凝胶体系中结合水和自由水（可冻结水）是水分子的两种存在状态[25]。可冻结水含量多说明体系形成的冰晶量多，而冰晶是冻藏过程中淀粉凝胶网络结构遭到破坏的主要因素，因而冻藏过程中淀粉凝胶体系中可冻结水含量的多少对淀粉凝胶结构至关重要。

随着冻融循环次数增多，冰晶熔化焓逐渐增大，说明经过冻融处理后，淀粉凝胶体系中可冻结水含量显著增多，即更多的水分子随着冻融循环从淀粉凝胶网络结构中析出。贾春利等[26]通过研究燕麦粉和女贞叶中热稳定冰结构蛋白（TSISP）对小麦淀粉凝胶冻融稳定性的影响，发现随着冻融过程的进行，小麦淀粉凝胶的可冻结水含量增加，这与本试验结果一致。反复冻融使一些淀粉分子与周围水分子的结合力减弱，从而在-20℃下冻结成冰。在反复冻融循环过程中，WCS凝胶的可冻结水含量始终低于YM凝胶，说明冻融过程中，以冰晶形式与WCS凝胶发生相分离的水分减少，淀粉分子的聚集程度较小，且WCS与周围水分子的结合力较强，从而导致WCS不易回生，其冻融稳定性较强。

3.4 冻融处理对玉米淀粉凝胶质构特性的影响

由质构测定结果表明，未冻融处理时WCS凝胶的硬度小于YM；经1、3、5次FTCs后各淀粉凝胶硬度均显著增大，未冻融与5次FTCs时的凝胶硬度增幅依次为YM＞WCS1＞WCS2。淀粉凝胶硬度与淀粉凝胶体系的组成、结构有关，也与冻融处理后的回生难易程度相关。淀粉凝胶硬度与直链淀粉含量存在正相关关系，直链淀粉含量越高，越易发生重结晶，导致YM凝胶硬度更大。WANG等[2]通过比较5种淀粉未冻融时的硬度，发现玉米淀粉的硬度最大，其中玉米淀粉的直链淀粉含量最大，为28%，这与本研究结果一致。而5次 FTCs后，冻融处理加速了淀粉富集区淀粉分子的老化，而YM凝胶更易老化，使其冻融后的凝胶硬度远远高于WCS凝胶的硬度。TENG等[1]通过比较 4种淀粉凝胶冻融 7次与未冻融时的质构，发现7次FTCs后的硬度均显著增加，且银杏淀粉凝胶的硬度最大，其中银杏淀粉的直链淀粉含量最大，为36%，这与本研究结果一致。其中未冻融WCS1的硬度比WCS2的大，可能是由于WCS1的脂肪含量（0.1181%）比WCS2（0.0384%）的高，WCS中少量的直链淀粉与脂肪形成复合物，具有较大的刚性[22]。

3.5 冻融处理对玉米淀粉凝胶动态黏弹性的影响

已有很多研究报道了关于淀粉凝胶经冻融处理后产生的流变学变化，而质构测定是评估流变学的常用手段[27]。它通常适用于测定较硬的凝胶，而且需要大量的重复试验才可获得理想的结果[12]。凝胶动态黏弹性测定方法主要应用于评价低温储藏时淀粉的老化程度，且适用于测定较软的凝胶。未冻融淀粉凝胶测定的 tanδ差异可能是由直链淀粉的结晶而造成的，与直链淀粉链条交联网络结构的快速建立有关，这一过程发生在玉米凝胶流变性开始测定前，且在淀粉凝胶刚开始老化时（25℃下保持15 min）就很快结束。而WCS的直链淀粉含量不足1%，YM的直链淀粉含量达到30%左右，因此WCS凝胶的tanδ高于YM凝胶。但未经冻融处理的WCS凝胶，其tanδ波动较大，可能由于其直链淀粉含量极少，结晶不稳定。另一方面，支链淀粉的老化是一个很慢的过程，涉及到分子链内和链间的结合[12]。随着冻融次数的增加，支链淀粉的老化程度都在加大，而WCS的支链淀粉含量达到99%以上，所以其降低幅度比YM凝胶的大。因此，首次及之后冻融的玉米淀粉凝胶的tanδ显著降低可能与支链淀粉的结晶老化有关。其中WCS2的tanδ比WCS1的大，推测由于蛋白含量差异所致，蛋白质与淀粉分子产生的相互作用也会产生此类现象[28]。

3.6 冻融处理对玉米淀粉凝胶微观结构的影响

与未冻融淀粉凝胶相比，反复的冻融循环过程中所有的冻融淀粉凝胶形成了海绵状结构，FERRERO等[29]、CHAROENREIN等[8]报道了相似的发现，其中FERRERO等[29]研究发现玉米淀粉和小麦淀粉5次FTCs后形成了明显且规则的海绵状结构，CHAROENREIN[8]也研究发现大米淀粉经5次FTCs后形成了明显且规则的海绵状结构，这与本研究结果相似。在淀粉富集区淀粉分子发生聚集且形成了纤维状网络结构。解冻过程中，冰晶融化成水，从淀粉主体中释放出来，形成析水孔道，产生相分离[30]。淀粉凝胶经冷冻干燥处理后，淀粉凝胶冻融过程中可冻结水升华形成的析水孔道可通过SEM观察，且孔道的大小可以通过视觉进行估测。试验中冻融处理的WCS凝胶形成相互黏连缠绕的不规则网络结构，而YM凝胶形成相对规则的海绵状网络结构。可能其老化速度和老化程度是导致这一现象发生的重要因素，WCS支链多，直链淀粉含量少，空间位阻大，老化速度慢，老化程度低，与其析水率、回生率、冰晶融化焓、硬度的测定结果相一致。但在冷冻食品产业中，对于WCS凝胶冻融稳定性的应用还需进一步探讨，研究不同食物成分之间相互作用的影响。

4 结论

玉米淀粉凝胶反复冻融后，其析水率逐渐增大，但在3次冻融循环后析水率变化幅度不大；回生率与冰晶熔化焓也逐渐增大；凝胶动态黏弹性测定中tanδ逐渐降低。蜡质玉米淀粉凝胶析水率小，持水能力强；回生率低，回生程度低；冰晶熔化焓小，可冻结水含量少；质构变化小，硬度小。通过流变性测定可知蜡质玉米淀粉凝胶较软；通过电子显微镜可观察到蜡质玉米淀粉凝胶形成海绵状结构，但其网络结构较不规则，淀粉基质上出现的孔道不规则且相互黏连缠绕。因此，蜡质玉米淀粉凝胶经冻融处理后，其抵抗由温度波动造成的不良物理变化的能力强，比普通玉米淀粉凝胶的冻融稳定性好。

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（责任编辑 赵伶俐）

Freeze-Thaw Stability of Waxy Corn Starch Gel

NING JiYing, GU FengYing, GAO PingPing, CAO JingJing, LUO QiQi, WANG Feng
(Institute of Agro-products Processing Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Beijing 100193)

【Objective】The objective of this study was to research on the changes of the physical properties of waxy corn starch gel by multiple freeze-thaw cycles (FTC), which has relation with freeze-thaw stability. Results of his research will provide scientific supports for popularization and application of waxy corn starch in frozen foods. 【Method】 An ordinary corn starch samples (YM) and two waxy corn starch samples (WCS) were taken as the control and research materials, respectively. The syneresis of starch gels was determined by centrifugation-filtration. The gelatinization enthalpy, retrogradation enthalpy, and ice melting enthalpy of starch gels were determined by DSC. The pasting properties of starches were determined by Brabender Viscograph. The texture of starch gels were determined by Texture Analyser. The dynamic rheological properties of starch gels were determined by dynamic rheometer. The microstructure of starch gels were observed by SEM.【Result】The result of syneresis rate showed that after the first FTC, WCS displayed ultra-strong ability of holding water. WCS2 had the strongest ability to hold water, and the syneresis rate was 5.75%.However, YM had the weakest ability to hold water, and the syneresis rate was more than 50%. The results of the retrogradation rate and ice melting enthalpy showed that they gradually increased with the increase of freeze-thaw cycles. And there was a significant difference in the retrogradation rate and ice melting enthalpy among 1, 3, and 5 FTCs, which showed the retrogradation degree and freezable water increased because of multiply freeze-thaw cycles. After the first FTC, the retrogradation rate of WCS and YM were 17%-18% and 40%-50%, respectively. And after the first FTC, ice melting enthalpy of WCS and YM was about 540 J·g-1and 555 J·g-1, respectively. The result of hardness showed that the hardness of starch gels increased obviously after five FTCs, and the hardness of WCS and YM was 45-100 g and 440 g, respectively. The result of dynamic rheological properties showed that tanδ of starch gels gradually decreased with the increase of freeze-thaw cycles. However, tanδ of WCS was always higher than tanδ of YM, which showed WCS gels were softer and more sticky. The result of pasting properties showed that WCS was not easy to aging in the process of cooling. The result of microstructure showed that the structure of starch gels changed obviously after five FTCs. The matrix surrounding pores of WCS gels were thin and atypical. However, the matrix surrounding pores of YM gel were thick and typical.【Conclusion】The ability of WCS gels resisting undesirable physical changes caused by temperature fluctuations is strong when WCS gels undergone FTC treatment. And its freeze-thaw stability is better than YM gel. This research has important reference values for application of waxy corn starch in frozen foods.

waxy corn starch; freeze-thaw stability; syneresis rate; dynamic rheological properties; microstructure

2016-08-04；接受日期：2017-01-18

国家农业科技创新工程项目、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（2015ZL050）

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