兩種分子質(zhì)量大豆可溶性膳食纖維對大米淀粉老化性質(zhì)的影響

劉成梅 王日思 羅舜菁 丁月平 萬 婕 劉 飛

（南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南昌 330047）

淀粉的老化過程包括短期老化和長期老化。在淀粉老化的初始階段，主要發(fā)生的是直鏈淀粉分子鏈間的重排，直鏈淀粉因無分支結(jié)構(gòu)，空間位阻小，在回生的短期過程中分子間更易于聚集，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得淀粉凝膠彈性增強(qiáng)[1]。而支鏈分子因有復(fù)雜的分支結(jié)構(gòu)，空間位阻較大，其淀粉分子鏈間的相互聚集需要更長的時(shí)間，故在淀粉的長期老化過程中起主導(dǎo)作用。老化會引起淀粉基食品感官品質(zhì)以及營養(yǎng)價(jià)值的降低，如米飯硬化，面包干裂，淀粉基食品水分析出，質(zhì)構(gòu)不均等。抑制淀粉的老化成為提高淀粉基食品質(zhì)量，延長貨架期的關(guān)鍵。影響淀粉老化的因素很多，諸如淀粉組分中直鏈/支鏈比、水分含量、淀粉與其它物質(zhì)的相互作用等[2-3]。淀粉的老化可通過多種途徑得到控制，包括生物技術(shù)改造，化學(xué)改性以及物理改性[4]等?？扇苄陨攀忱w維作為增稠劑及保水劑被廣泛用于各類食品，以改善食品在加工貯藏及銷售過程中的品質(zhì)。研究表明，可溶性膳食纖維對淀粉的回生有較好的抑制作用。如陳龍等[4]發(fā)現(xiàn)普魯蘭多糖的加入可抑制大米淀粉（RS）的回生，在長期冷藏過程中可保持淀粉凝膠的結(jié)構(gòu)完整性。Schwartz等[5]研究表明魔芋葡甘聚糖對淀粉糊化及老化性質(zhì)均有顯著影響。雖然有文獻(xiàn)報(bào)道大豆可溶性膳食纖維對淀粉老化性質(zhì)的影響[6]，但未見關(guān)于不同分子質(zhì)量的大豆可溶性膳食纖維對淀粉老化性質(zhì)影響的研究，分子質(zhì)量被認(rèn)為是多糖影響淀粉基食品品質(zhì)的重要因素[7]?；谇捌趯Σ煌肿淤|(zhì)量膳食纖維對淀粉糊化特性影響研究[8]，本文采用動態(tài)流變儀、X-衍射儀、紅外以及差示熱量掃描量熱儀、掃描電鏡等手段研究不同分子質(zhì)量的SSDF對RS短期及長期老化的影響，為拓展可溶性膳食纖維在淀粉基食品體系中的應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要材料 大米淀粉（RS），美國Sigma公司；豆渣，農(nóng)貿(mào)市場；大豆可溶性膳食纖維，鄭州荔諾生物科技有限公司。

1.1.2 主要儀器及設(shè)備 AR224CN分析天平，奧豪斯儀器有限公司；FreeZone冷凍干燥機(jī)，美國Labconco公司；Nicolet 5700紅外光譜分析儀，美國Thermo Nicolet公司；D5000 X-衍射儀器，德國西門子公司；MCR流變儀，奧地利Anton-Paar公司；DSC7000X差示熱量掃描儀，日本HITACHI公司；FEI Quanta200F環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 可溶性膳食纖維的制備 參照王日思等[8]方法制備可溶性膳食纖維。獲得兩種分子質(zhì)量HSSDF（27.8 ku）和LSSDF（9.3 ku）大豆可溶性膳食纖維。

1.2.2 RS-LSSDF與RS-HSSDF復(fù)合體系的制備 參照王日思等[8]方法制備RS-LSSDF與RSHSSDF復(fù)合體系：將RS與LSSDF或HSSDF按質(zhì)量比95∶5（g/g）進(jìn)行混合。以不添加膳食纖維的原淀粉作為對照組。

1.2.3 樣品短期老化特性分析 參照Sun等[9]的方法，取3 g混合樣品，放入RVA專用鋁盒中，加入25 mL去離子水?dāng)嚢杈鶆?，配成淀粉乳，采用RVA進(jìn)行糊化。RVA程序設(shè)置如下：50℃保持1 min；經(jīng)過3.75 min后升溫至95℃，保溫2.5 min，經(jīng)過3.75 min降溫至50℃，之后保持1 min。

采用MCR流變儀的動態(tài)時(shí)間掃描程序測定樣品的短期老化特性。將得到的糊化樣品趁熱加至流變儀平板上。將板間距調(diào)整為1 mm，溢出來的樣品部分用塑料刮板刮除。用硅油密封防止試驗(yàn)過程中水分蒸發(fā)。待儀器參數(shù)基本穩(wěn)定后開始動態(tài)流變特性測試。在4℃，板間距1 mm，應(yīng)變2%，掃描頻率1 Hz條件下對樣品進(jìn)行動態(tài)時(shí)間掃描，測定 0～4 h范圍內(nèi)儲能模量G′和損耗角正切值tanδ的變化。

1.2.4 樣品長期老化特性分析 取1.2.3中RVA糊化的樣品冷卻至室溫，并放入4℃冰箱中冷藏1，7，14 d后將樣品進(jìn)行冷凍干燥，凍干后的樣品分別用于DSC、XRD、紅外和掃描電鏡分析。

1.2.4.1 差式掃描量熱儀（DSC）分析方法 精密天平稱取2～3 mg混合樣品到PE液體坩堝中，按1∶2（g/g）的比例加入去離子水。樣品密封后在室溫下放置12 h平衡。然后在DSC上糊化。糊化條件：以空坩堝為參比，設(shè)置10℃/min的速度從20℃加熱到100℃，載氣為氮?dú)猓魉?0 mL/min。從DSC熱流曲線中確定老化淀粉樣品的起始糊化溫度（T0）、峰值溫度（TP）、終止溫度（TC）以及老化焓值（△Hr）。

1.2.4.2 X-射線衍射分析方法 XRD測試條件：采用Cu-Ka射線，管壓 40 kV，管流 40 mA，掃描區(qū)域 2θ=5°～40°，以 10°/min 速率掃描。 得到的圖譜計(jì)算它們的相對結(jié)晶度。計(jì)算方法參考Dragsdorf[10]的方法，即結(jié)晶區(qū)域占整個(gè)衍射區(qū)域的比率作為它的相對結(jié)晶度。

1.2.4.3 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜（FTIR）分析方法 將制得的樣品和KBr以質(zhì)量比1∶100混合，壓片后，采用Nicolet 5700紅外光譜分析儀掃描其紅外光譜。用OMNIC 8.2版軟件扣除空氣背景，校準(zhǔn)基線并去卷積；去卷積參數(shù)為半峰寬26，增強(qiáng)因子 2.4，去卷積范圍：1 200～800 cm-1；根據(jù)去卷積后的譜圖計(jì)算1 047，1 022 cm-1處的峰高比值用于老化淀粉的光譜分析[11-12]。

1.2.4.4 掃描電鏡（SEM）分析 取老化7 d后的凍干樣品，用離子濺射鍍膜儀將樣品鍍金，在Quanta-200的掃描電子顯微鏡中觀察顆粒形貌結(jié)構(gòu)。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析 所有試驗(yàn)均重復(fù)3次，采用SPSS 19.0中的方差分析（ANOVA）進(jìn)行差異顯著性分析，以P<0.05表示有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品短期老化特性

儲能模量G′的大小可反映物料彈性的大小。回生初期，G′值的快速升高主要是由于直鏈淀粉間的相互聚集。以氫鍵相互締結(jié)的直鏈淀粉分子共同形成淀粉凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使淀粉糊體系彈性模量不斷上升[2]。由圖1可知，RS的G′值隨時(shí)間延長不斷增加，表明在4℃下淀粉糊中的直鏈淀粉分子不斷地發(fā)生分子重排，凝膠彈性持續(xù)增大。此結(jié)果與Kim等[13]的報(bào)道結(jié)果相一致。SSDF的加入顯著降低了RS凝膠的G′值，尤以RS-HSSDF的G'值降低更為明顯。

在淀粉的短期老化中，tanδ值越大，淀粉體系黏性比例越大，直鏈淀粉三維網(wǎng)絡(luò)形成速率越緩慢，淀粉短期回生程度越低[14]。由圖2可知，所有樣品的tanδ值均隨時(shí)間的延長而減少，表明在4℃貯藏條件下所有淀粉糊的黏性均減少，體系內(nèi)的直鏈淀粉發(fā)生不同程度的聚集。然而，與RS相比，添加SSDF的淀粉凝膠tanδ值均有所升高，且以RS-HSSDF復(fù)合體系tanδ值升高最為明顯。表明加入SSDF可增加淀粉凝膠體系的黏性，抑制RS的短期老化，這與Funami等[15]的結(jié)果相似，HSSDF的抑制效果更為明顯。SSDF抑制RS的短期老化的原因，可能是在淀粉糊化過程中，SSDF包裹在淀粉顆粒表面，有效抑制了直連淀粉顆粒的滲出[4]。同時(shí)，SSDF與淀粉顆粒競爭水分，抑制了淀粉顆粒的糊化，部分糊化的淀粉顆粒內(nèi)部存在大量有序緊密的結(jié)構(gòu)，有效限制了淀粉分子鏈的運(yùn)動，進(jìn)而抑制了淀粉的老化[4]。而HSSDF因其分子質(zhì)量較大，一方面在淀粉糊化過程中限制了淀粉顆粒的糊化膨脹，使直鏈淀粉的滲出量降低[16]，另一方面也降低了直鏈淀粉在短期重排過程中利用水分子的能力，最終使得體系凝膠網(wǎng)絡(luò)程度的降低更為明顯[15]。

圖1 4℃貯藏4 h RS-SSDF的儲能模量G′隨時(shí)間的變化曲線Fig.1 Variation of storage modulus（G′）with time for RS and RS-SSDF blends during 4 h at 4℃

2.2 樣品長期老化特性

2.2.1 老化過程中的熱力學(xué)性質(zhì)分析（DSC）在冷藏回生過程中，無序的淀粉分子重新聚集成有序的晶體結(jié)構(gòu)，從而引起晶體熔融過程中△Hr的增加。因此，通過測定體系△Hr即可得知體系的老化程度。如表1所示，隨著老化時(shí)間延長，RS及RS-SSDF體系的△Hr不斷增加，表明體系支鏈淀粉老化程度不斷加劇。SSDF的加入可顯著降低大米淀粉的△Hr，但LSSDF與HSSDF對大米淀粉△Hr的影響未見顯著性差異。在淀粉的老化熱流曲線中，△Hr表征的是支鏈淀粉結(jié)晶區(qū)熔化所需的熱量[17]。SSDF對淀粉長期老化的影響可能由于淀粉與SSDF通過羥基形成氫鍵，干擾了支鏈淀粉分子鏈間的自聚集，從而降低了RS的重結(jié)晶能力，延緩了淀粉老化[18]。

圖2 4℃貯藏4 h內(nèi)RS-SSDF的損耗正切角隨時(shí)間的變化曲線Fig.2 Variation of tanδ with time for RS and RS-SSDF blends during 4 h at 4℃

表1 RS與RS-SSDF復(fù)配樣品的回生熱力學(xué)參數(shù)Table1 Retrogradation enthalpy（△Hr）of RS and RS-SSDF blends

2.2.2 X-射線衍射結(jié)果分析 淀粉結(jié)晶程度越高，其X-射線衍射峰的峰高越高，峰型越窄，表明淀粉的老化程度越高[19]。因此，XRD技術(shù)可被用來進(jìn)一步驗(yàn)證SSDF對RS老化作用的影響。樣品回生7 d的XRD衍射圖譜如圖3所示。從圖3可知，RS在回生的過程中形成了典型的B型結(jié)晶峰特征，在2θ=17°出現(xiàn)衍射峰。此外，所有淀粉樣品在2θ=20°處亦有衍射峰出現(xiàn)，這是直鏈淀粉與脂質(zhì)形成復(fù)合物的結(jié)晶而產(chǎn)生Vh型結(jié)晶所致[20]。

圖3 RS及RS-SSDF體系4℃貯藏7 d的X-射線衍射譜圖Fig.3 X-ray diffraction spectra of RS and RS-SSDF blends after 7 days of storage at 4℃

從表2可知，在14 d的貯藏過程中，RS的相對結(jié)晶度逐漸上升，在前7 d變化迅速，后7 d變化緩慢，F(xiàn)ama等[21]的結(jié)果與之相類似。RS-SSDF體系的相對結(jié)晶度也是隨著貯藏時(shí)間的延長而增加，而RS-SSDF組的相對結(jié)晶度始終比RS低，尤以添加HSSDF對相對結(jié)晶度影響最為顯著。與RS相比，在4℃條件下貯藏14 d的RS-LSSDF及RS-HSSDF的相對結(jié)晶度分別降低了15.9%及28.9%，說明可溶性膳食纖維可延緩淀粉老化[20]。

2.2.3 FTIR結(jié)果分析 RS及RS-SSDF體系4℃貯藏7 d的紅外光譜如圖3所示。紅外光譜中，1 047 cm-1處的吸收峰代表淀粉結(jié)晶區(qū)域，1 022 cm-1處的吸收峰代表非結(jié)晶區(qū)域[22]；峰高比值（1 047 cm-1/1 022 cm-1）與淀粉結(jié)晶度有關(guān)，比值越大，淀粉結(jié)晶度越大，老化程度也越大[23]。

由表3可知，在4℃貯藏過程中，隨著時(shí)間的延長，淀粉體系的A1047/A1022比值均逐漸上升。RS-SSDF復(fù)合體系的A1047/A1022比值顯著低于RS，添加HSSDF的效果更為明顯。其結(jié)果表明，添加SSDF可降低RS在老化過程中有序結(jié)構(gòu)與無序結(jié)構(gòu)數(shù)量的比值。與第7天相比，貯藏14 d RS的A1047/A1022比值增加了6.3%。而RS-LSSDF及RSHSSDF體系A(chǔ)1047/A1022的增長率僅為3.5%及2.1%，明顯低于RS。紅外光譜數(shù)據(jù)顯示SSDF可延緩RS的長期老化，尤以HSSDF對RS老化結(jié)晶度的降低更為明顯。此結(jié)果與XRD中所測得的相對結(jié)晶度的變化趨勢一致。

圖4 RS及RS-SSDF體系4℃貯藏7 d的紅外去卷積光譜Fig.4 FTIR spectra of RS and RS-SSDF blends after 7 days of storage at 4℃

表2 添加不同分子質(zhì)量SSDF的RS相對結(jié)晶度Table2 Relative crystallinity of RS and RS-SSDF blends from XRD

表3 RS與RS-SSDF體系A(chǔ)1047/A1022比值分析Table3 A1047/A1022of RS and RS-SSDF blends

2.2.4 掃描電鏡結(jié)果 由圖5可知，RS在貯藏7 d后形成了致密的片狀結(jié)構(gòu)（圖5a），這可能是由于淀粉分子脫水縮合導(dǎo)致淀粉間聚集狀致密結(jié)構(gòu)的形成[24]。Karim等[25]及Wu等[26]指出淀粉貯藏過程中的脫水收縮作用可以反映淀粉的老化程度。與RS相比，當(dāng)添加不同分子質(zhì)量的SSDF后（圖5b、5c），復(fù)合體系淀粉凝膠空腔明顯變大，形成類似蜂窩狀的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的形成與凍干過程中水分的散失有關(guān)?？锥丛蕉?，表明樣品凍干前體系內(nèi)部持水能力越強(qiáng)。說明可溶性大豆膳食纖維的加入可有效增加淀粉凝膠的持水力，從而抑制了RS的老化[26]。

圖5 RS及RS-SSDF體系4℃貯藏7 d的掃描電鏡圖Fig.5 The SEM images of RS and RS-SSDF blends after 7 days of storage at 4℃

3 結(jié)論

本文的研究結(jié)果顯示，兩種分子質(zhì)量的SSDF（27.8 ku和9.3 ku）均可抑制RS的短期老化和長期老化，其中HSSDF對RS老化的抑制效果更為顯著。SSDF對RS老化的抑制可能是由于其較強(qiáng)的持水能力，通過與淀粉顆粒共同競爭水分，從而有效限制了淀粉分子鏈的運(yùn)動。而HSSDF因其分子質(zhì)量較大，一方面降低了淀粉分子重排過程中利用水的能力，一方面增加了淀粉老化過程中的空間位阻，從而抑制了淀粉鏈的自聚集，表現(xiàn)出較好的淀粉老化抑制能力。