玉米淀粉-玉木耳多糖復(fù)配體系理化及結(jié)構(gòu)性質(zhì)

李 妍，崔維建，趙城彬，吳玉柱，王思琪，曹 勇，許秀穎，劉景圣

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，小麥和玉米深加工國家工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130000）

玉木耳（Auricularia corneaEhrenb.）[1]是吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)李玉院士團(tuán)隊(duì)從毛木耳菌株中馴化培育出的具有穩(wěn)定遺傳性狀的白色變異菌種，是一種富含多糖類物質(zhì)的膠質(zhì)菌，具有廣闊的發(fā)展前景[2-3]?，F(xiàn)階段對玉木耳的相關(guān)研究較少，僅涉及玉木耳的成分檢測及食品研發(fā)、玉木耳多糖（A.corneaEhrenb.polysaccharide，ACEP）的提取優(yōu)化與功能活性測定[4-6]，鮮見ACEP與食品成分間相互作用的研究。

玉米淀粉（corn starch，CS）作為增稠劑、穩(wěn)定劑和黏著劑等廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，具有低成本和生物相容性等特點(diǎn)。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者都十分重視CS資源的開發(fā)與利用。然而，天然CS存在一些缺陷，包括易老化回生、穩(wěn)定性差等，不能滿足某些食品加工的要求[7]。有研究發(fā)現(xiàn)，非淀粉多糖的添加可以改善淀粉食品的口感和質(zhì)地，增加黏度，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性，控制水分流動，延緩淀粉回生。這些性質(zhì)的改善取決于多糖類型、濃度、分子質(zhì)量、混合比例、混合方法等多種因素[8]。Liu Suchen等[9]發(fā)現(xiàn)涼粉草多糖可以提高小麥淀粉糊化初期的熱穩(wěn)定性，提高淀粉的流變性能；蔡旭冉等[10]發(fā)現(xiàn)膠體與淀粉之間的電荷相互作用對復(fù)配體系的糊化性質(zhì)和流變學(xué)性質(zhì)起重要的作用；Achayuthakan等[11]發(fā)現(xiàn)在CS中添加瓜爾豆膠和黃原膠可以增加黏度和彈性，并限制淀粉基體系的回生和脫水收縮；Luo Denglin等[12]發(fā)現(xiàn)菊粉能夠增加小麥淀粉糊化溫度，降低峰值黏度并抑制直鏈淀粉回生。但目前鮮見將ACEP與CS復(fù)配的研究報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)選用不同添加量的ACEP，制備CS-ACEP復(fù)配體系，并對其糊化特性、熱特性、流變及結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行研究，分析體系中ACEP與CS間的相互作用，進(jìn)一步補(bǔ)充了多糖與淀粉復(fù)配體系的研究數(shù)據(jù)，以期為ACEP作為功能性配料添加到富含淀粉類食品中提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

ACEP（總糖78.32%、蛋白質(zhì)7.95%、水分10.55%）由實(shí)驗(yàn)室自制；CS（總淀粉82.36%、直鏈淀粉28.29%、脂肪0.52%、蛋白質(zhì)0.38%、水分11.42%） 上海金穗生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

3JK-1型快速黏度分析儀 澳大利亞Perten公司；MCR-302型流變儀 奧地利Anton Paar公司；Q-2000型差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀美國TA公司；AlPhal-4LDPlus冷凍干燥機(jī) 德國Christ公司；Phenom Pro臺式掃描電鏡 復(fù)納科學(xué)儀器（上海）有限公司；VERTEX70傅里葉紅外光譜儀德國Bruker公司。

1.3 方法

1.3.1 CS-ACEP復(fù)配體系的制備

根據(jù)Zhang Bao等[13]的方法并修改。準(zhǔn)確稱量2.5 g樣品放入RVA專用鋁盒中，加入去離子水，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的懸浮液，其中ACEP添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、0.5%、1.0%、2.0%、5.0%和10.0%。使用塑料攪拌槳將樣品完全溶解，避免樣品結(jié)塊、黏附以及掛壁。

1.3.2 指標(biāo)測定

1.3.2.1 糊化性質(zhì)的測定

取1.3.1節(jié)方法制備的復(fù)配體系，參考美國谷物化學(xué)師協(xié)會操作規(guī)程中的標(biāo)準(zhǔn)程序，采用升溫-降溫循環(huán)[14]：開始在50 ℃保持1 min，以12 ℃/min在3.75 min內(nèi)升溫到95 ℃，在95 ℃保持2.5 min，然后在3.75 min內(nèi)下降到50 ℃。

1.3.2.2 熱特性的測定

參考Zhang Xiaoyu等[15]的方法。稱取5 mg樣品加入坩堝中，其中ACEP添加量為0%、0.5%、1.0%、2.0%、5.0%和10.0%，按照質(zhì)量比1∶2的比例加入去離子水，密封后在4 ℃條件下平衡24 h，以10 ℃/min的速率從30～100 ℃進(jìn)行掃描，使用密封的空坩堝作為參考，記錄凝膠化的起始溫度（T0）、峰值溫度（TP）、終止溫度（Tc）和熱焓值（ΔH）。

1.3.2.3 流變學(xué)特性的測定

參考Zhou Danian等[16]的方法稍作改動。取1.3.2.1節(jié)中RVA制備的淀粉糊，于25 ℃平衡5 min后置于流變儀上，采用平板-平板測量系統(tǒng)，平板直徑4.0 cm，設(shè)置間隙1.0 cm，刮去平板外多余樣品，加上蓋板。

靜態(tài)流變特性的測定：在溫度25 ℃條件下，剪切速率（γ）從0～300 s-1遞增，再從300～0 s-1遞減。采用Herschel-Bulkley模型對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行回歸擬和，方程如下：

式中：τ為剪切應(yīng)力/Pa；τ0為屈服應(yīng)力/Pa；K為稠度系數(shù)/（Pag sn）；γ為剪切速率/s-1；n為流體指數(shù)。

動態(tài)黏彈性質(zhì)的測定：樣品在掃描溫度25 ℃、角頻率0.1～100 rad/s、1%應(yīng)變的條件下測定。記錄儲能模量（G’）及損耗模量（G”）隨角頻率的變化。

1.3.2.4 微觀結(jié)構(gòu)觀察

取1.3.2.1節(jié)中RVA制備的糊化樣品，冷凍干燥后切成薄片固定于樣品臺的導(dǎo)電雙面膠上，橫截面向上，參考郭宏偉等[17]的方法，噴金處理120 s后放在掃描電子顯微鏡中觀察，選取最佳角度與放大倍數(shù)觀察樣品的形貌狀態(tài)。

1.3.2.5 紅外光譜掃描

取1.3.2.1節(jié)中RVA制備的糊化樣品，冷凍干燥后粉碎并過100 目篩，干燥至質(zhì)量恒定備用。使用傅里葉紅外光譜測定樣品的結(jié)構(gòu)。參考Zhao Chengbin等[18]的方法并作部分改動：稱取1 mg樣品與150 mg溴化鉀在紅外燈下研磨混合均勻，置于模具中在15 MPa抽真空壓片60 s?？鄢寤洷∑谋尘?，在4 000～400 cm-1，掃描64 次，分辨率為4 cm-1，得到紅外光譜圖。采用OMNIC 8.0對譜圖進(jìn)行基線矯正和自動平滑處理，得到處理后的紅外光譜圖。另外，進(jìn)行去卷積處理，去卷積參數(shù)選擇半峰寬為40.4 cm-1，增強(qiáng)因子為3.1。

1.4 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3 次，使用Origin 2018軟件繪圖，采用SPSS Statistics 23.0軟件處理數(shù)據(jù)，通過ANOVA進(jìn)行差異顯著性分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 ACEP添加量對CS糊化特性的影響

圖1 CS-ACEP復(fù)配體系的糊化曲線Fig.1 Pasting curves of CS-ACEP blends

由圖1可知，添加ACEP后，復(fù)配體系的RVA糊化曲線整體上移，且ACEP添加量越高，曲線上移位置越高。表1表明，ACEP顯著增加了復(fù)配體系的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和峰值時(shí)間（P＜0.05），且黏度的升高與ACEP添加量呈正相關(guān)。這種現(xiàn)象可能是由于ACEP和CS復(fù)配體系的兩相性質(zhì)[19]。一方面糊化過程中淀粉顆粒的膨脹導(dǎo)致多糖可用體積減少，ACEP處于體系連續(xù)相，其添加量增加，導(dǎo)致復(fù)配體系黏度隨之增大。另一方面，ACEP是親水性大分子，在復(fù)配體系中與CS競爭水分子，溶脹淀粉顆?；蚪鲋辨湹矸鄯肿拥挠行砑恿恳矔捎谒肿拥臏p少而增加。體系黏度的增加還可能是由于ACEP與浸出直鏈淀粉和低分子質(zhì)量支鏈淀粉的相互作用，或浸出的淀粉鏈之間的相互作用。

與CS相比，添加1.0%和2.0% ACEP使體系糊化溫度降低，而CS-10.0% ACEP的糊化溫度顯著升高（P＜0.05）。這可能是由于少量的多糖對水分子的空間阻礙較小，多糖填充于復(fù)配體系，在淀粉顆粒間形成良好的橋梁，提高了淀粉顆粒與水分子間的親和力，促進(jìn)淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)形成[20]。當(dāng)多糖添加量增加，體系內(nèi)可用水減少，淀粉顆粒無定形區(qū)域的水合作用減弱[21]，緊密包裹的多糖層使淀粉顆粒膨脹受限[22]，糊化變緩。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果也很好地佐證了2.2節(jié)DSC的結(jié)果。

由表1可知，與CS相比，添加ACEP后，體系崩解值降低，淀粉糊的穩(wěn)定性變好，在食品加工過程中更好地抵抗熱處理和機(jī)械剪切。復(fù)配體系的回生值顯著降低（P＜0.05），CS短期回生受到抑制，特別是添加5.0% ACEP和10.0% ACEP時(shí)，體系的回生值分別降低了35.41%和50.89%。這可能是由于ACEP與淀粉競爭吸附體系中的水分以及ACEP與滲透出的直鏈淀粉通過氫鍵結(jié)合，都會抑制淀粉分子移動重排，降低回生值[23]。從應(yīng)用的角度看，ACEP對淀粉長期回生的作用值得進(jìn)一步研究，以開發(fā)口感好、保質(zhì)期更長的淀粉基產(chǎn)品[24]。

2.2 ACEP添加量對CS熱特性的影響

DSC可以用于淀粉的凝膠化、老化及相變化的定量分析，CS-ACEP復(fù)配體系的熱特性曲線見圖2。由表2可知，與對照CS相比，添加ACEP使體系的T0無顯著變化（P＞0.05），TP顯著升高（P＜0.05）；0.5%～1.0% ACPE峰值溫度Tc有所升高，2.0%～5.0% ACEP無顯著變化，而10.0% ACEP使Tc顯著升高4.52 ℃（P＜0.05），這與Tester等[25]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似?？赡苁怯捎诜堑矸鄱嗵堑奶砑訉?dǎo)致淀粉用于凝膠化轉(zhuǎn)變的自由水分減少，淀粉顆粒無定形區(qū)域的水合作用減弱，從而導(dǎo)致淀粉凝膠化溫度升高，且隨著水的可用部分減少影響更強(qiáng)。

表1 CS-ACEP復(fù)配體系的RVA糊化特征參數(shù)Table 1 RVA gelatinization parameters of CS-ACEP blends

圖2 CS-ACEP復(fù)配體系的熱特性曲線Fig.2 DSC curves of CS-ACEP blends

表2 CS-ACEP復(fù)配體系的熱力學(xué)參數(shù)Table 2 DSC parameters of CS-ACEP blends

體系的ΔH隨ACEP添加量增大顯著降低（P＜0.05）。在其他淀粉-水膠體混合物研究中也得到ΔH降低的結(jié)果。可能是由于多糖的加入降低了水的可用性和/或流動性，導(dǎo)致淀粉顆粒中結(jié)晶區(qū)域的不完全熔化[26]。ΔH主要反映凝膠化時(shí)破壞淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)所需能量，衡量淀粉凝膠化之前淀粉顆粒內(nèi)部分子鏈段有序性，淀粉顆粒有序結(jié)構(gòu)破壞會導(dǎo)致ΔH下降[27]。也可能是淀粉雙螺旋之間和相鄰雙螺旋之間的氫鍵的減少，形成晶體結(jié)構(gòu)的雙螺旋的遷移率增加[28]。

2.3 ACEP添加量對CS流變學(xué)特性的影響

2.3.1 靜態(tài)流變特性

圖3 CS-ACEP復(fù)配體系靜態(tài)流變曲線Fig.3 Static rheology curves of CS-ACEP blends

由圖3可知，所有樣品的剪切應(yīng)力均剪切速率的增加而增大。表3為用Herschel-Bulkley模型對復(fù)配體系流變擬合參數(shù)，結(jié)果表明該回歸擬合具有較高精度（R2為0.998 2～0.999 8）。添加ACEP后，復(fù)配體系上行曲線和下行曲線的稠度系數(shù)K均顯著增大（P＜0.05），分子鏈在糊化過程中更加伸展，支鏈的纏繞程度更大，體系增稠作用更好[29]，證實(shí)了糊化特性結(jié)果中ACEP使CS黏度增加的結(jié)論。流動指數(shù)n反映了流動行為的類型，所有樣品的n值均小于1，表明復(fù)配體系仍為典型的假塑性流體，上行和下行曲線的n值均隨ACEP添加量增加而減小，體系的假塑性更為明顯。Chen Haiming等[30]報(bào)道的多糖對淀粉靜態(tài)流變特性的影響也得到相似結(jié)論。所有樣品都觀察到應(yīng)力-剪切滯后環(huán)（圖3），具有強(qiáng)烈的觸變效應(yīng)，就淀粉糊而言，觸變性能可歸因于由連續(xù)剪切引起的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的損壞[7]。觸變環(huán)面積表示淀粉結(jié)構(gòu)被破壞所需要能量，面積越大表示體系受外界作用后越難恢復(fù)至原先狀態(tài)[31]。表3表明，與對照CS相比，添加ACEP的復(fù)配體系觸變環(huán)面積顯著減?。≒＜0.05），體系的剪切穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，但并未隨ACEP添加量的增加呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。

表3 CS-ACEP復(fù)配體系的靜態(tài)流變學(xué)擬合參數(shù)Table 3 Static rheological fitting parameters of CS-ACEP blends

圖4 CS-ACEP復(fù)配體系黏度曲線Fig.4 Viscosity curves of CS-ACEP blends

由圖4可知，所有樣品的表觀黏度均隨剪切速率的增加而降低，具有剪切稀化的特性。這是因?yàn)椋耗z體系中2 種大分子鏈以非共價(jià)氫鍵互相纏繞，分子鏈段間的纏繞點(diǎn)增加，流動時(shí)產(chǎn)生的黏性阻力增強(qiáng)，當(dāng)受到高速剪切時(shí)，氫鍵部分?jǐn)嗔讯a(chǎn)生解旋作用，分子鏈由于纏結(jié)點(diǎn)的減少被拉直取向，流層間的剪切應(yīng)力減少，從而使體系的表觀黏度降低[32]。與CS相比，復(fù)配體系的表觀黏度顯著增大，剪切變稀現(xiàn)象更明顯，且與ACEP添加量呈正相關(guān)。這種趨勢與糊化特性的結(jié)果非常一致（表1）。因此，如2.1節(jié)所述，ACEP與淀粉顆粒的相互作用及糊化過程中ACEP和淀粉有效添加量的增加可能是造成這種結(jié)果的原因。

2.3.2 動態(tài)流變學(xué)特性

動態(tài)黏彈性是糊狀類弱凝膠體系的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對食品加工特性和質(zhì)量控制具有很大應(yīng)用價(jià)值。G’能夠反映體系的彈性性質(zhì)；G”反映體系的黏性性質(zhì)。由圖5可知，所有樣品的G’與G”均無交叉，且G’均遠(yuǎn)大于G”，G’和G”均隨角頻率增加而增大，表現(xiàn)為一種典型的弱凝膠流變學(xué)動態(tài)體系。添加ACEP后，體系的G’和G”均高于原淀粉，CS-0.5% ACEP表現(xiàn)出最高的G’，可能是由于ACEP和淀粉彼此交聯(lián)，分子鏈的纏結(jié)點(diǎn)增多，凝膠體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)[33]，從而表現(xiàn)出更好的黏彈性。G”隨ACEP添加量增加而增大的效果與RVA黏性數(shù)據(jù)一致（表1）。

2.4 ACEP添加量對CS微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖6 CS-ACEP復(fù)配體系微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructures of CS-ACEP blends

圖6顯示，添加ACEP導(dǎo)致體系凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變，復(fù)配體系凝膠表面的孔隙減小（圖6B～F）?？紫洞碓谀z干燥之前的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)水的位置[34]。ACEP參與體系內(nèi)水分的競爭，導(dǎo)致進(jìn)入顆粒內(nèi)部的水分變少，凝膠內(nèi)孔隙變小。ACEP填充于CS之間，與滲漏的低聚合度的支鏈淀粉分子和直鏈淀粉相互作用，形成的組織結(jié)構(gòu)更加緊密，剪切穩(wěn)定性增強(qiáng)[35]。添加0.5%和1.0% ACEP的復(fù)配體系孔隙整齊均勻，孔壁光滑較薄，顆粒的邊界更清晰（圖6B、C）。隨ACEP添加量的進(jìn)一步增加，凝膠孔隙表面開始形成相互交聯(lián)支撐的網(wǎng)絡(luò)片狀結(jié)構(gòu)。這可能是ACEP的包裹效應(yīng)使淀粉顆粒中浸出的直鏈淀粉不足以產(chǎn)生均勻的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)多糖可能與浸出的直鏈淀粉相互作用，圍繞溶脹的淀粉顆粒，形成黏性相，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)片狀結(jié)構(gòu)。

2.5 ACEP添加量對CS紅外光譜的影響

圖7 CS-ACEP復(fù)配體系的紅外光譜（A）和去卷積化光譜（B）Fig.7 Raw FTIR spectra (A) and deconvoluted FTIR spectra (B) of CS-ACEP blends

對ACEP和CS復(fù)配體系糊化后的樣品進(jìn)行紅外分析，如圖7A所示，在4 000～400 cm-1范圍內(nèi)，紅外吸收峰形狀及位置非常相似，無新的吸收峰出現(xiàn)或特征峰消失，且吸收峰無明顯偏移，說明體系并未產(chǎn)生新的基團(tuán)。樣品在3 400、2 930、1 643 cm-1附近均具有較強(qiáng)吸收峰，它們分別是ü OH的伸縮振動吸收峰、ü CH2伸縮振動吸收峰、C＝O伸縮振動峰[36]。與對照CS相比，添加0.5% ACEP部分特征吸收峰強(qiáng)度增大，而ACEP添加量大于0.5%時(shí)，吸收峰逐漸變窄變高。CS-10.0% ACEP吸收峰強(qiáng)度最小。

對紅外光譜原始波譜1 200～900 cm-1譜段進(jìn)行去卷積處理，采用（1 045/1 022）cm-1和（1 022/995）cm-1的吸收峰強(qiáng)度比值，可以分析淀粉有序結(jié)構(gòu)的變化[37]。圖7B顯示所選區(qū)域出現(xiàn)8 個(gè)紅外吸收峰，其中1 054 cm-1附近的吸收峰是淀粉結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)特征，對應(yīng)于淀粉聚集態(tài)結(jié)構(gòu)中的有序結(jié)構(gòu)；1 020 cm-1附近處吸收峰代表無定型淀粉的特征，對應(yīng)于淀粉大分子的無規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)，993 cm-1附近吸收峰對應(yīng)脫水葡萄糖單元的羥基在淀粉分子間所形成的氫鍵有序化結(jié)構(gòu)[38-39]。由表4可知，與CS相比，添加0.5% ACEP使（1 054/1 020）cm-1比值增大，（1 020/993）cm-1比值降低，表明淀粉分子間形成的氫鍵數(shù)量增多，淀粉鏈可以通過氫鍵的誘導(dǎo)排列聚集，體系形成有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)添加量大于0.5%，（1 054/1 020）cm-1比值降低，（1 020/993）cm-1比值升高，表明淀粉體系有序程度降低，一方面ACEP添加量增大可能導(dǎo)致淀粉分子鏈之間距離的增加，減少由淀粉分子間羥基形成的氫鍵，另一方面，ACEP可能通過自身的羥基與淀粉形成氫鍵，干擾淀粉有序結(jié)構(gòu)的形成[40]。氫鍵的減少與2.1節(jié)中添加ACEP阻礙淀粉重新螺旋而抑制短期回生的結(jié)論一致。

表4 CS-ACEP復(fù)配體系的短程有序結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Short-range order structural parameters of CS-ACEP blends

3 結(jié) 論

本研究表明，不同添加量的ACEP改變了CS的糊化性質(zhì)、流變性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。CS-ACEP復(fù)配體系的黏度顯著增大，崩解值、回生值降低，凝膠化轉(zhuǎn)變溫度升高，熱焓值降低，體系的穩(wěn)定性增強(qiáng)，老化得到延緩。隨ACEP添加量的增加，體系的增稠效果、假塑性及剪切稀化現(xiàn)象更明顯。添加ACEP使體系的凝膠孔隙變小，添加量較低時(shí)有利于體系形成更加均勻、致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但并未產(chǎn)生新的基團(tuán)。目前的研究結(jié)果顯示，ACEP作為功能因子賦予CS基食品功能特性的同時(shí)，也在一定程度上改善了CS的加工性質(zhì)，這為ACEP對淀粉類食品特性的影響提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為淀粉和多糖兩種大分子間復(fù)雜的相互作用提供了一定參考。