玉米淀粉与黄原胶复配体系流变和凝胶特性分析-张雅媛

第27卷第9期农业工程学报Vol.27No.92011年9月TransactionsoftheCSAESep.2011357玉米淀粉与黄原胶复配体系流变和凝胶特性分析张雅媛1，洪雁1，顾正彪1,2※，朱玲1（1.江南大学食品学院，无锡214122；2.食品科学与技术国家重点实验室，无锡214122）摘要：为考察胶体对淀粉流变及凝胶特性的影响，该文以玉米淀粉为原料，加入不同比例黄原胶，研究两者复配后流变及凝胶特性的变化，对其相互作用机理进行了初步探讨。结果表明，玉米淀粉及两者复配体系属于屈服-假塑性流体，随着黄原胶比例的提高，复配体系的稠度系数显著增加，流体指数降低，假塑性增强，但黄原胶比例大于10%时，增加不再显著。动态流变学试验显示，复配体系具有更为优越的黏弹性，黄原胶可与淀粉分子间相互作用形成氢键，使得分子链段间的缠结点增加，同时，可延缓及阻止部分直链淀粉分子间的重新排列，从而抑制淀粉凝胶体系的回生，复配体系形成了质地更为柔软的凝胶。综合考虑，在实际应用中选择玉米淀粉与黄原胶质量比为9.01.0∶g/g较为适宜。研究结果可为更好的在食品工业中应用玉米淀粉/黄原胶复配体系及品质控制提供参考。关键词：淀粉，凝胶，流变，黄原胶，复配doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.09.062中图分类号：TS231文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-09-0357-06张雅媛，洪雁，顾正彪，等.玉米淀粉与黄原胶复配体系流变和凝胶特性分析[J].农业工程学报，2011，27(9)：357－362.ZhangYayuan,HongYan,GuZhengbiao,etal.Rheologicalandgelpropertiesofcornstarch-xanthanmixedsystems[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(9):357－362.(inChinesewithEnglishabstract)0引言淀粉与非淀粉类亲水性胶体是食品中两类重要的组分，在现代食品工业中，两者通常被共同应用于食品体系中，以起到控制水分流动、提高整个产品的质量和稳定性，简化加工工艺等作用[1]。将淀粉与胶体复配使用，发挥两者间的协同互补作用，既可克服原淀粉本身性能的不足，降低用量及产品成本，又可扩大淀粉和胶体的应用范围，使其广泛应用于饮料、肉制品、焙烤食品以及调味品等的生产中。淀粉糊化后能形成具有一定弹性和强度的凝胶，凝胶的黏弹性、强度等特性直接影响到淀粉质食品的加工性能及品质，加工过程中原料的输送、搅拌、混合、能量的损耗等均与凝胶体的流变特性密切相关[2-3]。因此，关于淀粉与胶体复配体系流变和凝胶特性的研究极为重要。玉米淀粉（cornstarch，CS）是可利用的昀廉价的淀粉，其流变和凝胶特性有助于使调料既具有稠性又始终为短性糊丝，可做零售业或公共饮食业的增稠剂[4]。但因其易老化，冻融稳定性差，限制了在长货架期和冷冻食品中的应用。Ramsdem[5-6]等的研究表明，黄原胶（xanthangum，XG）可有效地抑制玉米淀粉的回生，提高其增稠收稿日期：2011-01-25修订日期：2011-08-08基金项目：国家自然科学基金项目（21076096）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20100093110001）作者简介：张雅媛（1981－），女，吉林省吉林市人，博士生，主要从事淀粉与生物大分子的相互作用研究。Email:yayuanzhang325@hotmail..com※通信作者：顾正彪（1965－），男，教授，博士生导师。研究方向：碳水化合物资源的开发与利用。Email:[e-mail]性和冻融稳定性。Alloncle[7]等比较了黄原胶、瓜尔胶和刺槐豆胶对玉米淀粉糊黏弹性的影响，结果表明黄原胶对玉米淀粉的黏弹性的增加作用昀为显著。而后，Sikora[8]等将玉米淀粉与黄原胶复配后，作为增稠剂应用于可可糖浆中，从感官评定，质构和流变学性质等多方面评价了其应用效果。目前，国外对玉米淀粉与黄原胶复配体系糊化和回生特性的研究报道较多，对其流变和凝胶特性的报道较少。国内关于淀粉与胶体复配的研究报道甚少，柴春祥[9]等考察了黄原胶与马铃薯复配体系的静态与动态流变学特性。表明黄原胶可增加马铃薯淀粉体系的黏弹性。对玉米淀粉与黄原胶复配体系的研究还未见报道，目前还缺乏系统、全面的研究。本文以玉米淀粉为原料，加入不同比例的黄原胶，利用动态流变仪、物性测试仪和扫描电镜，研究两者复配后体系流变和凝胶特性的变化，为更好的在食品工业中应用玉米淀粉/黄原胶复配体系及品质控制提供参考。1材料与方法1.1材料与试剂玉米淀粉：山东诸城兴贸玉米开发有限公司提供，含水率13.6%；黄原胶：苏州丹尼斯克（中国）有限公司提供，含水率9.5%。1.2仪器与设备AR-100型流变仪（美国TA公司），XT21-物性测试仪（美国TA公司），QUANTA-200型扫描电子显微镜（美国FEI公司）。农业工程学报2011年3581.3试验方法1.3.1样品制备依据前期预试验结果，选取5个不同配比玉米淀粉/黄原胶复配体系（10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0，质量比，g/g）。准确称取不同配比的玉米淀粉/黄原胶样品，加入去离子水调成质量分数6%的玉米淀粉与黄原胶悬浮液（以干基计），置于磁力搅拌器上800r/min水化30min，然后于沸水浴中加热糊化15min。1.3.2流变特性的测定流变特性的测定均取用按1.3.1方法调制成的样品。采用平板-平板测量系统，平板直径4cm，设置间隙0.5cm，加入样品，刮去平板外多余样品，加上盖板，并加入硅油以防止水分蒸发。每次测试均需更换样品。静态剪切流变的测试：在25℃下，测量剪切速率（γ）从0～300s-1递增，再从300s-1～0递减范围内样品变化情况。采用Herschel-Bulkley模型对数据点进行回归拟和，决定系数R2表示方程拟和精度。Herschel-Bulkley方程：σ=σ0+Kγn（1）式中，σ代表剪切应力，Pa；σ0代表屈服应力，Pa；K代表稠度系数，Pa·sn；γ为剪切速率，s-1；n代表流体指数。动态黏弹性测定：温度25℃，扫描应变1%，测定由低频率（0.1Hz）至高频率（10Hz）内贮能模量（G′）、损耗模量（G″）及损耗角正切值（tanδ=G″/G'）随角频率的变化。动态时间扫描测定：温度4℃，频率设定为0.5Hz，扫描应变1%，测定2h内样品弹性模量(G′)和tanδ的变化。1.3.3凝胶质构测定取用按1.3.1方法调制成的淀粉/黄原胶复配物，直接在4℃下冷藏，24h后取出放置至室温，采用物性测试仪对凝胶进行质地剖面分析。测定条件：测前速度为1.0mm/s，测试速度1.0mm/s，测后速度1.0mm/s，触发力0.049N，压缩程度40%。1.3.4扫描电镜观察将按1.3.1方法调制成的玉米淀粉和玉米淀粉/黄原胶复配体系（9.0∶1.0，g/g）两个样品，进行冷冻干燥后，用四氧化锇气体在密壁容器内固定4h，然后经离子溅射仪喷金，于扫描电子显微镜下进行观察。1.3.5统计分析所有试验均重复3次，采用DPS软件计算平均值和标准差，使用Tukey法(p0.05)比较平均值之间的差异性。2结果与分析2.1静态剪切流变特性的测定由图1可见，黄原胶比例不同的淀粉糊在流动过程中所需的剪切应力随着剪切速率的增加而增大，随着胶体比例的增加，复配体系流动过程中所需的剪切应力减小。依据幂定律（Herschel-Bulkley）对各曲线数据点进行拟合（见表1），结果显示决定系数R2均在0.99以上，Herschel-Bulkley模型对曲线具有较高的拟合精度。屈服应力σ0大于0，流体指数n小于1，表明玉米淀粉/黄原胶复配体系为典型的屈服—假塑性流体[10]。添加黄原胶后，复配体系上行曲线与下行曲线的稠度系数K显著增加，σ0及n值降低，说明复配体系具有更强的增稠性及假塑性，更易剪切稀化。统计分析结果表明，黄原胶比例为10%时，复配体系的K，σ0及n值显著增加，大于10%时，增加不再显著。图1玉米淀粉/黄原胶复配体系静态流变曲线Fig.1Flowcurvesofcornstarch/xanthangummixedsystems表1玉米淀粉/黄原胶复配体系Herschel-Bulkley方程拟合参数Table1Herschel-Bulkleyparametersforcornstarch/xanthangummixedsystems样品配比（玉米淀粉∶黄原胶）/(g·g-1)屈服应力σ0/Pa稠度系数K/(Pa·sn)流体指数n决定系数R2触变环面积/(Pa·s-1)10.0∶028.37±2.51a/18.15±0.76a7.25±1.49b/8.31±1.60c0.53±0.02a/0.51±0.01a0.997/0.9962276±73.50a9.5∶0.521.68±1.72b/15.78±1.59a11.44±2.13b/11.86±1.09bc0.37±0.01b/0.38±0.00b0.999/0.9981064±27.39b9.0∶1.08.94±0.57c/8.10±0.36b20.73±2.45a/16.92±1.85ab0.26±0.01c/0.29±0.02c0.994/0.997907±47.60c8.5∶1.58.69±0.21c/7.83±8.15b22.88±0.78a/18.24±0.81ab0.23±0.01cd/0.26±0.01c0.996/0.995831±37.20c8.0∶2.08.59±0.30c/6.89±6.67b25.90±2.74a/24.19±3.74a0.22±0.01d/0.20±0.01e0.998/0.997-51±21.93d注：“/”前数据为上行线拟合数据；“/”后数据为下行线拟合数据。在同一列里的平均值(±标准差)所带的不同字母表示差异显著(p0.05)剪切稀化是剪切引起的分子形变伴随着流体力学相互作用的变化及其作用下大分子既旋转又形变的状态。在淀粉糊中，线性大分子链（主要为直链淀粉）彼此之间相互缠结，使得由分子相对运动引起的流动变得困难。当受到剪切作用时，分子结构被拉直取向，缠结点减少，流动阻力降低，从而使表观黏度下降[11-12]。黄原胶是由3种不同单糖（D-甘露糖、D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸）构成的高分子杂多糖，由于自身负电荷间的相斥性使之分子内无法形成氢键，分子链较为舒展[13]，因而，易于与淀粉分子间相互作用形成氢键，使得分子链段间的缠结第9期张雅媛等：玉米淀粉与黄原胶复配体系流变和凝胶特性分析359点增加。对流动产生的黏性阻力增强，使剪切稀化程度增加。同时，分子缠结使得其体系黏度增加，因此，复配体系表现出更高的增稠性。触变性是水溶性高分子溶液重要流变学特性之一。淀粉经外部剪切作用后，由于内部结构破坏而使表观黏度不同程度回升，因而呈现出具有不同面积大小的滞后回路，黏性保持好，触变环面积小，用触变环面积可以确定淀粉结构被打破所需要能量[14-15]。由图1和表1可知，随着胶体比例的增加，复配体系触变环面积显著减小，当玉米淀粉与黄原胶比例为8.0∶2.0g/g时，体系曲线表现出逆时针环状，这表明此比例下的复配体系经剪切作用后，在短时间内形成新的结构体系，从而导致流动阻力增大，与上行曲线相比，下行曲线剪切应力增加。2.2动态黏弹性测定糊凝胶体系的动态黏弹性与其实际应用性能直接相关。贮能模量（G′）代表能量贮存而可恢复的弹性质。损耗模量（G″）代表能量消散的黏性性质[16]。由图2可见，所测样品的可见，所测样品的G′均远大于G″，损耗角正切值（tanδ）小于1，G′与G″随频率增加而上升，表现为一种典型的弱凝胶动态流变学谱图[17]。添加黄原胶后，复配体系的G′和G''均显著增加，且随着黄原胶比例的增加而增大，复配体系表现