玉木耳多糖對(duì)雜糧粥糊化、流變及老化特性的影響

孫 聰，鄭明珠，許秀穎，蔡 丹，劉美宏，曹 勇，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(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130118）

玉木耳是毛木耳白色變異菌種，是經(jīng)雜交改良后選育出的穩(wěn)定遺傳、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)新品種。玉木耳外觀溫潤(rùn)如玉，口感清爽脆嫩，營(yíng)養(yǎng)豐富多樣[1]。玉木耳多糖是一種天然食用菌多糖，研究發(fā)現(xiàn)其具有抗腫瘤[2]、抗疲勞[1]、抗氧化及抑菌等功效[3]。

罐裝粥類食品是一種復(fù)雜的生化膠體體系，其原料主要成分為淀粉，在貯藏期間淀粉會(huì)發(fā)生一系列變化，導(dǎo)致罐裝粥品質(zhì)下降，如消化吸收率降低、淀粉凝沉、可溶性淀粉減少等[4]，通常把這些現(xiàn)象稱之為粥類的老化。多糖可以抑制淀粉的老化。曾子聰?shù)萚5]研究表明可溶性大豆多糖對(duì)大米淀粉的老化有顯著抑制作用，可提高米制品質(zhì)量、延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期。Torres等[6]研究表明多糖可以通過(guò)與淀粉分子間相互作用抑制淀粉的老化。肖東等[7]研究表明親水多糖能延緩鮮濕面淀粉的老化，延長(zhǎng)鮮濕面的貨架期。陳龍[8]研究表明普魯蘭多糖對(duì)大米淀粉的短期老化與長(zhǎng)期老化均有一定的抑制作用。玉木耳中含有豐富的玉木耳多糖，一定程度上可以抑制罐裝粥類食品在貯藏過(guò)程中出現(xiàn)的變質(zhì)老化現(xiàn)象[9]，從而替代常規(guī)的穩(wěn)定劑，有益健康。

本研究將玉木耳多糖加入到雜糧粥中，制成一款綠色營(yíng)養(yǎng)的罐裝粥，同時(shí)用玉木耳多糖替代食品生產(chǎn)中常用的穩(wěn)定劑。利用快速黏度分析（rapid visco analyser，RVA）儀、流變儀、差示掃描量熱（differential scanning calorimeter，DSC）儀結(jié)合Avrami動(dòng)力學(xué)模型[10]，分析玉木耳多糖對(duì)雜糧粥的糊化特性、流變特性和老化特性的影響，闡明玉木耳多糖對(duì)雜糧粥老化的抑制作用，以期為深度開發(fā)營(yíng)養(yǎng)豐富、安全健康的玉木耳粥類罐裝食品提供理論支持，也為玉木耳產(chǎn)品開發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉木耳、糯玉米、燕麥、小米、紅豆、綠豆、蕓豆市售；乙醇（食品級(jí)） 濟(jì)南溪川化工科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Q2000型DSC儀 美國(guó)TA儀器公司；TecMasterTM快速黏度分析儀 波通澳大利亞公司；MCR-302旋轉(zhuǎn)流變儀奧地利安東帕有限公司；Alpha1-4LDplus冷凍干燥機(jī)德國(guó)Christ公司；Allegra X-30R高速離心機(jī) 美國(guó)Beckman公司；C21-WT2103多功能電磁爐 廣東美的生活電器制造有限公司；DSX-2803高壓蒸汽滅菌鍋上海申安醫(yī)療器械廠。

1.3 方法

1.3.1 雜糧粥的制作

根據(jù)雜糧粥制作工藝要求，稱取糯玉米、燕麥、小米、紅豆、綠豆、蕓豆若干，清洗除雜后對(duì)原料進(jìn)行預(yù)熟處理，將處理好的各種原料混合灌裝于滅好菌的玻璃罐中，加入純凈水，密封，置于高壓滅菌鍋中滅菌熟化，得到雜糧粥。

1.3.2 玉木耳多糖的提取

參考Yuan Qingxia等[11]的方法，略作修改，利用水提醇沉法提取玉木耳多糖。溫度90 ℃、料液比1∶90（g/mL）、提取時(shí)間4 h?；旌咸崛∥镉? ℃、4 000 r/min離心20 min，過(guò)濾后取上層清液。向?yàn)V液中加入3 倍體積乙醇進(jìn)行醇沉，4 ℃冰箱中放置過(guò)夜，5 000 r/min離心10 min，過(guò)濾，取沉淀。用蒸餾水復(fù)溶沉淀，真空冷凍干燥后得到玉木耳多糖。玉木耳多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69.8%。

1.3.3 添加玉木耳多糖的雜糧粥制作

根據(jù)雜糧粥制作工藝要求，將1.3.2節(jié)中得到的多糖按照原料質(zhì)量的0%、3%、6%、9%、12%依次加入到純凈飲用水中，混勻待用。參照1.3.1節(jié)對(duì)雜糧粥原料進(jìn)行預(yù)熟處理后，加入到混合均勻的液體中密封，置于預(yù)先設(shè)定好溫度和時(shí)間的高壓滅菌鍋中滅菌熟化，最終得到含有不同比例玉木耳多糖的雜糧粥，按照多糖比例依次記為P0、P1、P2、P3、P4，其中P0為空白組。

1.3.4 樣品的制備

將制得的雜糧粥置于料理機(jī)中粉碎攪拌混合均勻后，真空冷凍干燥去除水分，置于干燥器中備用。

1.3.5 RVA測(cè)定

將雜糧粥的制作原料復(fù)配后打磨成粉，向其中按照原料總質(zhì)量的0%、3%、6%、9%、12%依次添加玉木耳多糖，混合均勻待測(cè)。具體操作參照J(rèn)i Na等[12]方法，略作修改如下：稱取3 g待測(cè)樣品于RVA專用鋁盒中，向其中加入25 mL水?dāng)嚢杈鶆蚝?，開始測(cè)定。測(cè)定程序設(shè)置為：50 ℃保溫1 min，以6 ℃/min的速率升溫至95 ℃，保溫5 min，再以6 ℃/min的速率降溫至50 ℃，保溫2 min。初始10 s內(nèi)攪拌速率為960 r/min，隨后以160 r/min攪拌速率進(jìn)行測(cè)定。最終獲得所測(cè)樣品體系的糊化特性曲線，并使用相關(guān)配套軟件記錄和分析數(shù)據(jù)。

1.3.6 流變儀測(cè)定

取適量1.3.3節(jié)所制玉木耳多糖雜糧粥樣品，置于料理機(jī)中破碎打磨成糊狀，再放置于均質(zhì)機(jī)中均質(zhì)，取出后冷卻至室溫，參考Bucsella等[13]的方法，將適量糊狀樣品移至流變儀操作平臺(tái)上，去除周邊多余部分，再用硅油將四周邊緣密封，防止水分揮發(fā)。運(yùn)行參數(shù)設(shè)置如下：間隙1 mm，固定溫度25 ℃，剪切速率0～300 s-1遞增。記錄整個(gè)過(guò)程隨剪切速率變化的剪切應(yīng)力。

1.3.7 DSC

依據(jù)Yu Zhen等[14]的研究，首先準(zhǔn)確稱取5 mg樣品（1.3.4節(jié)）于DSC專用坩堝中，使待測(cè)樣品均勻分散在坩堝中，壓蓋密封后4 ℃貯藏。隨后分別在第0、1、3、5、7、21天時(shí)取出，設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)為掃描溫度范圍20～200 ℃，升溫速率10 ℃/min，載氣為氮?dú)猓魉?0 mL/min。測(cè)定時(shí)以空坩堝作參照。

1.3.8 雜糧粥老化動(dòng)力學(xué)模型建立

根據(jù)Avrami提出的結(jié)晶理論數(shù)學(xué)模型分析發(fā)現(xiàn)，老化程度會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)呈指數(shù)率增加[10]，如式（1）所示：

式中：R為在t時(shí)刻淀粉的結(jié)晶量占最大結(jié)晶總量的百分比；k為結(jié)晶速率常數(shù)，k值越大，晶核生長(zhǎng)速度越快；n為Avrami指數(shù)。

同時(shí)，在DSC測(cè)定中，由相應(yīng)時(shí)刻的ΔH也可計(jì)算出淀粉在某一時(shí)刻的結(jié)晶率R，所以方程（1）為：

式中：ΔH0為初始ΔH，一般為0；ΔHt為待測(cè)樣品在t時(shí)刻的ΔH/（J/g）；ΔHz為最終ΔH，是待測(cè)樣品貯藏一定時(shí)間后的ΔH。由于ΔH0=0，所以式（2）為：

因此式（1）可以寫成：

對(duì)等式變型，可得：

對(duì)式（5）方程兩邊同時(shí)取2 次對(duì)數(shù)，可得：

因此，當(dāng)?shù)玫酱郎y(cè)樣品在t時(shí)刻的ΔHt和最終ΔHz，計(jì)算出ln[-ln（1-ΔH/ΔHz）]后，再對(duì)lnt進(jìn)行線性回歸分析，就可計(jì)算出方程中的速率常數(shù)k值和Avrami指數(shù)n值。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)使用SPSS 19.0及Origin 8.6軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用方差分析法分析顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 糊化性質(zhì)分析

表1 玉木耳粗多糖-雜糧粥體系糊化特征值Table 1 Pasting parameters of porridge with different amounts of added ACP

經(jīng)過(guò)RVA的測(cè)定，樣品獲得的糊化特征值如表1所示。添加玉木耳多糖后，雜糧粥體系的峰值黏度、最終黏度與玉木耳多糖添加量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)R2分別為0.99和0.98，其中P3和P4的最終黏度值比P0（（1 922±78）mPa·s）分別上升至（2 152±102）mPa·s和（2 193±69）mPa·s；而隨著玉木耳多糖添加量的增加，回生值和衰減值顯著降低（P＜0.05），相比于P0（（259±11）mPa·s和（177±4）mPa·s），P3和P4的回生值減小了135 mPa·s和152 mPa·s，衰減值降低了46%?？傮w分析，在玉木耳多糖添加量增加的過(guò)程中，雜糧粥體系的糊化參數(shù)不斷變化，樣品P3與P4的各項(xiàng)糊化特征值趨于穩(wěn)定，說(shuō)明當(dāng)玉木耳多糖添加量不小于9%時(shí)，雜糧粥體系的糊化性能趨于穩(wěn)定。

RVA測(cè)定結(jié)果反映添加玉木耳多糖后，雜糧粥體系峰值黏度、最終黏度、回生值、衰減值等參數(shù)的變化，說(shuō)明添加玉木耳多糖對(duì)雜糧粥的糊化特性產(chǎn)生了影響，這與孫棡[15]研究的黑木耳多糖對(duì)面條品質(zhì)影響的結(jié)論類似。峰值黏度反映混合物結(jié)合水分能力以及增稠潛力[16]，峰值黏度、最終黏度增加，表明雜糧粥體系具有更好的黏稠性；回生值為最終黏度與最低黏度的差值[17]，反映雜糧粥體系的老化程度，添加玉木耳多糖后，回生值降低，表明延緩了雜糧粥體系的老化程度；衰減值為峰值黏度與最低黏度的差值[18]，反映雜糧粥體系的耐剪切性能，添加玉木耳多糖后，衰減值降低，表明雜糧粥體系的耐剪切性能增強(qiáng)。玉木耳多糖與淀粉分子競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合水分，使得淀粉分子與水的氫鍵作用減弱，降低了回生值，抑制了老化；淀粉顆粒與多糖分子結(jié)合增加了雜糧粥體系的熱穩(wěn)定性，降低了衰減值；添加玉木耳多糖后黏度值的增加，與多糖分子和淀粉分子間相互作用及分子鏈間的纏結(jié)有關(guān)[19]。

2.2 流變特性分析

靜態(tài)流變學(xué)是對(duì)樣品施加線性增大或減少的剪切速率，反映樣品結(jié)構(gòu)隨剪切速率變化的規(guī)律[20]。如圖1所示，隨著剪切速率的增大，各樣品的剪切應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，在相同剪切速率條件下，P1、P2、P3、P4組的剪切應(yīng)力低于P0組，隨著玉木耳多糖添加量的增加，雜糧粥體系在受到剪切的過(guò)程中，所需的剪切應(yīng)力逐漸減小。在剪切速率達(dá)到300 s-1時(shí)，相比于P0組，P3組剪切應(yīng)力減小了221.78 Pa。當(dāng)玉木耳多糖添加量為9%以后，剪切應(yīng)力隨剪切速率變化趨于平穩(wěn)。

圖1 玉木耳粗多糖雜糧粥體系流變曲線Fig. 1 Rheological curves of porridge with different amounts of added ACP

表2 玉木耳粗多糖雜糧粥體系流變擬合參數(shù)Table 2 Power law parameters for the rheology of porridge with different amounts of added ACP

應(yīng)用冪定律方程τ=Kγn對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[21]，其中：τ為剪切應(yīng)力/Pa；γ為剪切速率/s-1；n為流體指數(shù)；K為稠度系數(shù)/（Pa·sn）。如表2所示，所有擬合方程的R2值均大于0.99，說(shuō)明擬合度較好。添加玉木耳多糖后，K顯著增大（P＜0.05），P1、P2、P3、P4組K值分別比P0組增加了0.572、0.716、0.916、1.065，這一結(jié)果表明添加玉木耳多糖后，雜糧粥體系具有更好的黏稠性；同時(shí)觀察到所有樣品擬合方程的n值均小于1，這表明在設(shè)定的剪切速率范圍內(nèi)，被測(cè)樣品均屬于假塑性流體。隨著玉木耳多糖的添加量增加，n值顯著降低，這表明整個(gè)雜糧粥體系的假塑性和剪切稀化性逐漸增強(qiáng)。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的可能原因是多糖分子與淀粉分子相互交聯(lián)，當(dāng)受到剪切力作用時(shí)，交聯(lián)受到破壞，所以剪切稀化性增強(qiáng)，隨著剪切運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，分子間又開始重新排列，n值逐漸趨于穩(wěn)定[22]。這與汪名春等[23]關(guān)于菊糖對(duì)小麥淀粉流變特性的影響結(jié)論基本一致。

2.3 熱力學(xué)參數(shù)分析

淀粉老化是指糊化后的淀粉分子從無(wú)序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為有序結(jié)構(gòu)，重新排列形成晶體的過(guò)程[24]。淀粉的老化程度可以用DSC進(jìn)行測(cè)定，貯藏期間體系熱力學(xué)性質(zhì)的變化反映其老化程度。其中，T0為起始融化溫度，表示淀粉重結(jié)晶（晶核）融化的起始溫度，是淀粉分子中晶體有序性最弱的部位開始融化的溫度；TC為終止融化溫度，表示淀粉分子中穩(wěn)定性最高的部位的融化溫度；在淀粉老化過(guò)程中，T0、TC均呈上升趨勢(shì)，上升速率越快老化速率越快。

圖2 玉木耳粗多糖-雜糧粥體系T0（a）和TC（b）Fig. 2 Melting onset temperature (T0) (a) and conclusion temperature(TC) (b) of porridge with different amounts of added ACP

將各個(gè)樣品在4 ℃貯藏第0、1、3、5、7、21天，分別使用DSC進(jìn)行測(cè)定，得到T0和TC的變化趨勢(shì)結(jié)果如圖2所示。可以看出，在貯藏期間，各樣品T0、TC均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，P1、P2、P3、P4組的T0和TC顯著低于空白組P0（P＜0.05），同時(shí)觀察到P4組樣品的T0和TC在7～21 d的貯藏期內(nèi)趨于穩(wěn)定。從圖2a可知，各樣品組的起始糊化溫度T0與貯藏時(shí)間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），但各組之間的貯藏期T0增加量差異不顯著（P＞0.05）；而圖2b中貯藏第21天，P0、P3和P4組的TC相較于0 d分別增加了12.7、9.7 ℃和11.1 ℃，其中P3組的TC在貯藏期間增加最少。結(jié)果表明所有樣品中的淀粉在貯藏期內(nèi)均發(fā)生了不同程度的老化，出現(xiàn)了內(nèi)部淀粉的重結(jié)晶現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)初期貯藏（約7 d）后的P3和P4組樣品的老化速率明顯降低，說(shuō)明添加玉木耳多糖抑制了雜糧粥的老化。相比較于其他樣品，P3和P4組樣品在貯藏期內(nèi)淀粉老化速率更加緩慢。

表3 玉木耳粗多糖-雜糧粥體系老化焓值ΔHTable 3 Retrogradation enthalpy change (ΔH) of porridge with different amounts of added ACP

ΔH也是反映老化的重要指標(biāo)，ΔH越大說(shuō)明重結(jié)晶越多，即老化程度越嚴(yán)重[25]。由表3可以看出，隨著貯藏期的延長(zhǎng)，各組樣品ΔH逐漸上升，這與Wang Shujun等[26]關(guān)于淀粉老化的綜合敘述相符，說(shuō)明淀粉的老化程度在逐漸加深，也就是說(shuō)融化淀粉結(jié)晶所需要的熱量逐漸增加[27]。P1、P2、P3、P4組ΔH的上升速率在整個(gè)貯藏過(guò)程中均顯著小于P0組（P＜0.05），空白組P0和實(shí)驗(yàn)組P3的ΔH從貯藏期1～21 d分別增加了8.94 J/g和3.07 J/g；在21 d的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中P3組的ΔH值顯著低于P0、P1和P2組樣品（P＜0.05），相對(duì)于P0組（（15.01±0.40） J/g）降低了6.89 J/g；同時(shí)結(jié)果顯示在貯藏期中P4組的ΔH值變化量略高于P3組，終止貯藏時(shí)的重結(jié)晶數(shù)量同樣更多。

綜合以上老化特性研究結(jié)果表明，玉木耳多糖的添加對(duì)雜糧粥貯藏期間的淀粉老化起到一定的延緩和抑制作用。有報(bào)道稱多糖分子會(huì)與淀粉分子之間的氫鍵相互作用[28]，考慮到多糖通過(guò)氫鍵與淀粉分子的分支相互作用，同時(shí)減少淀粉分子側(cè)鏈之間的氫鍵[29]，從而抑制淀粉鏈的重結(jié)晶，最終達(dá)到抗老化的效果，但本研究發(fā)現(xiàn)玉木耳多糖添加量過(guò)大則會(huì)減弱這一相互作用，在實(shí)驗(yàn)組中選擇9%添加量的P3組抗老化效果最好。

2.4 雜糧粥老化動(dòng)力學(xué)模型的建立

表4 玉木耳粗多糖-雜糧粥體系的老化動(dòng)力學(xué)Avrami模型Table 4 Avrami kinetic models of porridge with different amounts of added ACP

為了進(jìn)一步探究玉木耳多糖對(duì)雜糧粥體系的抗老化行為，對(duì)添加多糖組與普通組的熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行Avrami線性回歸分析，得到雜糧粥老化動(dòng)力學(xué)方程和相關(guān)參數(shù)如表4所示。研究表明對(duì)于n值，當(dāng)n≤1時(shí)，晶體成核方式為瞬間成核；1＜n＜2時(shí)，成核方式為自發(fā)成核為主[30]。從表4可以看出，擬合方程n值均小于1，所以在雜糧粥老化過(guò)程中，淀粉結(jié)晶的成核方式以瞬間成核為主，即其結(jié)晶所需要的晶核多在貯藏初期形成，貯藏后期形成的較少；P1、P2、P3、P4組的k值均顯著小于（P＜0.05）空白組P0，k值大小可以直觀體現(xiàn)出雜糧粥中淀粉重結(jié)晶速率的高低，k值減小說(shuō)明淀粉老化結(jié)晶速率越發(fā)緩慢，分析表中數(shù)據(jù)可知添加不同比例的玉木耳多糖，雜糧粥體系中的淀粉老化結(jié)晶均受到抑制，結(jié)晶速率逐漸減小，使得樣品中的淀粉老化反應(yīng)延后，說(shuō)明添加玉木耳多糖后，雜糧粥體系淀粉老化的成核方式發(fā)生改變，逐漸趨于自發(fā)成核，或者更接近于支鏈淀粉的重結(jié)晶方式[31]。這一結(jié)論與趙凱等[32]關(guān)于小麥淀粉老化動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

玉木耳多糖對(duì)雜糧粥的糊化特性產(chǎn)生影響，隨著玉木耳多糖添加量的增加，雜糧粥體系的峰值黏度、最終黏度上升，回生值、衰減值下降；添加玉木耳多糖并未改變雜糧粥的流體性質(zhì)，當(dāng)剪切速率一定時(shí)，隨玉木耳多糖添加量的增加，剪切應(yīng)力呈減小趨勢(shì)；玉木耳多糖對(duì)雜糧粥樣品的老化過(guò)程也存在影響，玉木耳多糖添加量增加，重結(jié)晶溫度（T0和TC）上升速率減小，ΔH降低；擬合出的Avrami模型表明玉木耳多糖添加量的增加會(huì)導(dǎo)致k值呈減小趨勢(shì)，雜糧粥淀粉老化結(jié)晶速率減緩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加玉木耳多糖對(duì)雜糧粥糊化和流變特性以及老化進(jìn)程均存在積極影響，且選擇玉木耳多糖添加量為9%時(shí)延緩老化作用最佳。本研究為玉木耳在食品生產(chǎn)中的深加工利用提供了理論依據(jù)并探索了應(yīng)用價(jià)值，玉木耳多糖作為一種綠色、安全的添加劑可以替代人工合成穩(wěn)定劑，可用于保持雜糧粥的口感并對(duì)貯藏過(guò)程中的淀粉老化現(xiàn)象產(chǎn)生較好的抑制作用，進(jìn)一步提高雜糧粥的質(zhì)量和貯藏品質(zhì)。