莲子淀粉糊流变特性的研究

郭泽镔 陈 玲 曾绍校 林鸳缘 郑宝东

莲子淀粉糊流变特性的研究

郭泽镔1，2，3陈 玲1，2曾绍校1，2，3林鸳缘1郑宝东1，2，3

（福建农林大学食品科学学院1，福州 350002）
（福建农林大学食品科学技术研究所2，福州 350002）
（福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室3，福州 350002）

为探讨莲子淀粉糊及莲子淀粉-胶体体系的流变特性，使用流变仪研究了不同莲子淀粉乳浓度和添加不同亲水性胶体的莲子淀粉糊的流变特性。静态流变特性研究结果表明，莲子淀粉糊和添加胶体的莲子淀粉糊均为典型的非牛顿、时间依赖剪切变稀和触变性的流体，其流变特性曲线可用Herschel-Bulkley方程进行较好的拟合。随淀粉乳浓度和瓜尔豆胶（guar）、黄原胶（xan）添加量的增大，莲子淀粉糊的屈服应力τ0增大，而添加羧甲基纤维素（CMC）、卡拉胶（car）和海藻酸钠（alg）可使淀粉糊的流动性增强。动态流变特性研究结果表明，莲子淀粉糊储能模量（G′）、损耗模量（G″）随莲子淀粉乳浓度增大而增大，且G′大于G″。添加CMC、alg能提高莲子淀粉糊的黏弹性，而添加guar和低浓度的xan、car则降低莲子淀粉糊的黏弹性。

莲子淀粉 流变特性 亲水性胶体

淀粉作为食物的主要成分和重要的可再生原料，愈来愈受到人们的重视。流变特性是以流体力学和弹性力学为基础，主要应用线性黏弹性理论，研究食品在形变范围内的黏弹性质及其变化规律，测量食品在特定形变情况下具有明确物理意义的流变响应［1］。食品流变性质对食品的运输、传送、加工工艺以及人在咀嚼食品时的满足感等都起着非常重要的作用［2］。淀粉糊的流变特性直接影响了淀粉质食品的品质优劣和淀粉的应用范围，因此，深入研究淀粉糊的流变特性是当前淀粉科学的热点。

莲子是睡莲科莲属（Nelumbo nucifera Gaertn）植物的果实或种子，是我国重要的特产经济资源，位于武夷山脉两侧的福建建宁、江西广昌，分别以“中国建莲之乡”、“中国白莲之乡”著称［3］。莲子具有很高的营养价值和保健功效，是药食两用的珍贵佳品，在国内外市场深受消费者的青睐［4-7］。淀粉是莲子的主要成分，占莲子干物质的50%以上，淀粉品质特性直接影响到加工后莲子产品的品质。因此，对莲子淀粉糊流变特性的研究具有重要意义。

张乾能等［8］研究了球磨粉碎时间、淀粉糊浓度以及温度对微细化莲子淀粉糊流变性质的影响。结果表明：莲子淀粉糊为假塑性流体，其表观黏度随着淀粉乳的浓度和温度的增加而迅速增大，但是经过长时间球磨后的莲子淀粉糊的流变特性对温度的依赖性减小。除淀粉颗粒大小和品种外，淀粉流变特性在实际生产加工中，还受到糖、盐、胶体、乳化剂、酸碱等介质条件的影响，而这些介质又是食品加工中必不可少的添加剂。Pongsawatmanit等［9］研究指出木薯淀粉随着黄原胶添加量的增加，特性黏度升高；木薯淀粉及其与黄原胶的复配体系均显示剪切变稀的现象。Nagano等［10］通过共聚焦激光扫描显微镜研究瓜尔豆胶对玉米淀粉颗粒溶胀过程中的影响变化，结果表明瓜尔豆胶会抑制淀粉成分从淀粉颗粒溶出。另外，动态流变特性研究指出淀粉糊体系的特性黏度随瓜尔豆胶浓度的增加而上升。李洁等［11］测定了不同添加物对莲藕淀粉糊剪切应力和表观黏度的影响，结果表明添加剂不会改变莲藕淀粉糊的流体类型；单甘酯、蔗糖、磷酸盐使莲藕淀粉糊的剪切应力不同程度降低，表观黏度也相应降低；羧甲基纤维素钠（CMC）、食盐、黄原胶使莲藕淀粉糊的剪切应力明显提高，表观黏度稍有增大。淀粉糊随添加物的不同，其流变特性会有不同程度的变化。研究胶体、盐、酸碱等食品加工常用的添加剂对淀粉糊影响的规律，对加工工艺条件的选择和优化具有指导意义。

本试验研究不同莲子淀粉浓度以及添加不同亲水胶体条件下，剪切速率、剪切时间等因素对莲子淀粉糊的流变特性影响规律，拟合回归流体类型；并测定其动态流变特性和剪切结构恢复力，探讨其流变特性机理，以期为莲子淀粉的应用和莲子产品的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

新鲜莲子：绿田（福建）食品有限公司，产地：福建建宁。瓜尔豆胶、黄原胶、羧甲基纤维素（FH9）、卡拉胶（κ型）、海藻酸钠为食品级。

MCR301流变仪：奥地利安东帕公司；DS-200型高速组织捣碎机：常州翔天实验仪器厂。

1.2 试验方法

1.2.1 莲子淀粉的制备

采用水洗法提取莲子淀粉。鲜莲经去皮通芯后置于高速组织捣碎机中，加入少量水，破碎后过100目筛，收集滤液并静置沉淀6 h，弃去上清液，下层沉淀用蒸馏水清洗，再静置沉淀4 h，弃去上清液后置于45℃烘箱中烘干，粉碎后过80目筛，即得莲子淀粉样品。

1.2.2 莲子淀粉／胶体体系

分别添加0%、0.25%、0.5%和1%的瓜尔豆胶（guar）、黄原胶（xan）、CMC、卡拉胶（car）和海藻酸钠（alg），制成5%浓度的莲子淀粉／胶体混合体系。

1.2.3 静态流变特性测定

1.2.3.1 流变曲线测定

取少量经充分糊化的样品放在流变仪的测定平台上，选取直径为25 mm的锥板模具和稳剪切测试程序，启动仪器，刮去多余样品，加盖防挥发槽。恒定温度为25℃，测定样品剪切应力（τ）分别在3 min内随剪切速率（γ）从0～300 s-1递增（上行线），再从300～0 s-1递减（下行线）过程中的变化。

1.2.3.2 流变模型拟合分析

通过设备自带的软件，对上行线和下行线围成的滞后回路进行滞后面积的计算，并采用Herschel-Bulkley方程（如下所示）对流变曲线进行模型拟合分析。

式中：τ为剪切应力／Pa；τ0为屈服应力／Pa；K为稠度系数／Pa·sn；γ为剪切速率／s-1；n为流动特征指数，无量纲，表示液体偏离牛顿流体的程度。

1.2.4 动态流变特性测定

按照1.2.3.1步骤加样，设定流变仪温度为25℃，角频率（ω）为10 rad／s，进行振幅扫描，确定样品的线性黏弹区；然后在线性黏弹区内设置应变为0.5%，进行频率扫描，频率扫描范围为0.1～100 rad／s，测定储能模量（G′）和损耗模量（G″）随角频率的变化。

1.2.5 剪切结构恢复力试验

按照1.2.3.1步骤加样，温度恒定为25℃。测试程序为低速剪切、高速剪切、低速剪切3个阶段。测定样品依次于1、300、1 s-1剪切速率下，分别剪切120、60、180 s的表观黏度（η）变化。剪切结构恢复力记为第3阶段前30 s的表观黏度与第1阶段表观黏度的比值。

2 结果与分析

2.1 莲子淀粉糊的静态流变行为

2.1.1 不同淀粉乳浓度的莲子淀粉糊静态流变行为

2.1.1.1 不同浓度莲子淀粉糊的流变曲线

图1为2%、4%、6%和8%不同浓度下莲子淀粉糊随剪切速率递增和递减的τ-γ关系曲线和滞后面积。剪切速率从0～300 s-1递增所经历的流变曲线为上行线，从300～0 s-1递减所经历的流变曲线为下行线，这样经历一个循环叫“滞后回路”，围合的面积叫滞后面积。“滞后回路”法可以用于流体的定性［12］。

图1 不同浓度下莲子淀粉糊的流变曲线

凝胶一般为触变性流体，具有三维网络结构，由分子间的氢键相互作用力形成。但氢键作用力很弱，当受到剪切作用时容易断裂，凝胶结构逐渐受到破坏，该破坏具有时间依赖性，当剪切力消失或减小时，凝胶结构又会逐渐恢复，但恢复的速度比破坏的速度慢得多。触变性就是指凝胶结构形成和破坏的能力，不同的触变性表现为黏度恢复的快慢。从图1看出，不同浓度的莲子淀粉糊表现为典型的非牛顿、时间依赖剪切变稀的假塑性流体。4种不同浓度的莲子淀粉糊，随剪切速率从0～300 s-1递增，剪切应力逐渐增大，即黏度变稀，而从300～0 s-1递减，剪切应力逐渐减小，即黏度逐渐恢复。但由于淀粉糊在不同条件下内部结构所受的流变破坏和恢复的速率不同，宏观上表现为表观黏度有不同程度的回升，即莲子淀粉糊表现出明显的触变性，在流变曲线图中形成大小不同顺时针方向的滞后回路。且随淀粉乳浓度的增加，滞后面积增大。这反映了浓度越高，淀粉糊形成三维网络凝胶结构越刚硬，凝胶结构受剪切破坏后，越难恢复到剪切前的状态。

表1 不同浓度下莲子淀粉糊的Herschel-Bulkley方程拟合参数和滞后面积

但4%浓度的莲子淀粉糊较为特殊，当γ＞25 s-1时，形成逆时针方向的回路，当γ＜25 s-1时，形成顺时针方向的回路，表现为复合触变性。顺时针回路不太明显，以逆时针回路为主，滞后面积为-601 Pa／s左右。这可能与该浓度下淀粉糊所处的状态有关［13］。浓度较低时，恢复速度快，则下行线在上行线之上；浓度很低时，分子链相距较远，彼此独立；浓度高时，内部结构紧密，结构恢复速度比破坏速度较慢，呈现出滞后性，则下行线在上行线之下［14］。谭洪卓等［15］、Dintzis等［16-18］先后报道了处于亚浓溶液状态的淀粉溶液是剪切变稠的流体，且会形成剪切诱导结构，并指出支链淀粉是该现象产生的主要原因。Wang等［19］也报道了5%浓度蜡质玉米淀粉在不同的糊化条件下表现出触变性和反触变性。杨彬等［20］提出莲子淀粉浓度较高时，体系温度高分子相互作用大，溶液体积膨胀，表现为表观黏度升高。综上，淀粉浓度对淀粉糊的触变性影响显著。

2.1.1.2 不同浓度莲子淀粉糊的流变模型拟合分析

高分子溶液的流变模型常见的有幂律方程、Cross方程和Herschel-Bulkley方程。本试验通过Herschel-Bulkley方程对莲子淀粉糊的流变模型进行拟合分析。由表1可知，随着淀粉乳浓度的增大，屈服应力τ0增强，浓度为8%时，屈服应力为72.21 Pa。随浓度的增大，稠度系数K增大，而流动特征指数n减小（4%浓度除外）。说明浓度越大，莲子淀粉糊剪切稀化程度越明显。这从图1的流动曲线可得到验证。因此，在实际生产应用中应注意剪切速率对淀粉糊黏度的影响。

2.1.2 添加不同亲水性胶体的莲子淀粉糊静态流变行为

2.1.2.1 莲子淀粉／胶体体系的流变曲线

从图2可以看出，莲子淀粉与5种胶体的复配体系均为假塑性流体，且大多数流变曲线的上行线与下行线基本重合，有少数下行线在上行线之上。但1%guar除外，其下行线在上行线下方，且滞后回路明显。图2中也显示添加亲水性胶体后体系滞后面积减小。提示亲水性胶体有利于提高体系结构受剪切破坏后恢复到剪切前状态的能力，甚至新形成的结构更稳定［21-22］。但胶体类型和添加量不同，影响程度不同。随guar添加量的增加，体系滞后面积明显增大。当guar添加量为1%时，体系的滞后面积明显大于空白组，说明体系结构受剪切作用的破坏严重。随CMC、alg添加量的增大，滞后面积减小，且均小于空白组表明抗剪切能力增强。xan、car添加量为0.5%时，滞后面积分别大于其0.25%、1%添加量时的滞后面积，但均小于空白组。

图2 不同浓度莲子淀粉／胶体体系的淀粉糊流变曲线

2.1.2.2 莲子淀粉／胶体体系的流变模型拟合分析

由表2可知，guar、xan随着添加量的增大，屈服应力τ0增大；CMC、car和alg添加量越大，屈服应力τ0越小。而CMC、car和alg可使淀粉糊的流动性增强。上行线的屈服应力τ0均高于下行线，这主要是前者为静态屈服应力，后者为动态屈服应力。与空白组比较，guar体系随添加量的增大，稠度系数K增大，而流动特征指数n减小，说明添加量越大，体系剪切稀化程度越大。与空白组相比，添加量较低（0.25%）时，CMC、car体系稠度系数K减小，而xan、alg体系在0.25%、0.5%和1%3种添加量下，稠度系数均减少，说明体系内部结构稳定，具有较强的抗剪切能力。因此，选择适合亲水性胶体类型和添加量有助于减少剪切速率对淀粉糊黏度的影响。

表2 莲子淀粉／亲水性胶体体系的Herschel-Bulkley方程拟合参数

2.2 莲子淀粉糊的动态流变行为

2.2.1 不同淀粉浓度的莲子淀粉糊动态流变行为

图3为不同淀粉乳浓度下莲子淀粉糊的G′和G″，分别表征莲子淀粉糊的弹性和黏性。从图3中可知，莲子淀粉乳浓度越大，G′、G″也越大，且 G′大于G″。因为莲子淀粉乳浓度增大，淀粉分子之间的相互作用增强，形成具有牢固网络结构的凝胶，弹性更强。而2%低浓度下，莲子淀粉糊为稀浓液不具有黏弹性。

图3 不同浓度下莲子淀粉糊的G′和G″

2.2.2 添加不同亲水性胶体的莲子淀粉糊动态流变行为

图4为添加不同亲水性胶体的莲子淀粉糊的储能模量和损耗模量。随guar添加量的增大，复合体系的G′、G″均升高，表现出较强的弹性。这是由于瓜尔豆胶分子链上的羟基同淀粉分子形成了氢键，分子间形成网络结构，添加黄原胶也有类似的效果。添加CMC时，复合体系的G″随添加量的增加而增加，而G′随添加量的增加呈先减小后增加再减小的趋势，添加量为0.5%时G′最高。添加car时，复合体系的G″随添加量的增加而增加，当添加量为1%时，G′高于空白组。添加alg时，复合体系的G′、G″均随添加量的增加而降低。说明莲子淀粉与alg之间无相互协同作用。

图4 不同浓度莲子淀粉／胶体体系淀粉糊的G′和G″

2.3 莲子淀粉糊的剪切结构恢复力测试

2.3.1 不同淀粉乳浓度的莲子淀粉糊剪切恢复力测试

剪切恢复力试验用于研究淀粉糊在高速剪切后恢复到低速剪切原始结构的能力。由图5可知，随淀粉浓度的增大，剪切第3阶段的黏度明显小于剪切第1阶段，说明体系内部结构恢复能力减弱。经计算可知，4%、6%和8%浓度的莲子淀粉糊剪切结构恢复力分别为102.67%、77.39%和67.28%。4%浓度的淀粉糊的剪切结构恢复力超过了100%，说明剪切诱导体系内部产生更为稳定的新结构。

图5 不同浓度下莲子淀粉糊的剪切结构恢复力结果

2.3.2 添加不同亲水性胶体的莲子淀粉糊剪切结构恢复力测试

从图6可知，随着CMC、alg添加量的增大，体系恢复力增大，说明CMC、alg能使莲子淀粉在高速剪切变形后，结构迅速恢复。xan、car添加量较低时，体系恢复力降低，添加量增大，恢复力也增大。而添加guar后，体系结构恢复力降低。

图6 添加亲水性胶体对莲子淀粉糊剪切结构恢复力的影响

3 结论

3.1 莲子淀粉糊的静态流变试验表明，莲子淀粉糊表现为典型的非牛顿、时间依赖剪切变稀和触变性的流体。随淀粉浓度的增大，淀粉糊的屈服应力τ0、稠度系数K增大，流动特征指数n减小，流体的假塑性增强。分别添加 guar、xan、CMC、car和 alg的莲子淀粉糊复配体系均为假塑性流体，流变曲线显示亲水性胶体有利于提高体系结构受剪切破坏后恢复到剪切前状态的能力，甚至形成更为稳定的网络新结构，从而抗剪切能力增强。

3.2 莲子淀粉糊的动态流变试验表明，莲子淀粉糊G′、G″随莲子淀粉浓度增大而增大，且 G′大于 G″，说明淀粉分子之间的相互作用增强，形成具有牢固网络结构的凝胶，表现出较强的弹性特征。添加亲水性胶体后，复合体系仍表现为弹性特征。但添加guar、xan时，复合体系的 G′、G″随添加量的增大均升高；CMC、car添加量分别为0.5%、1%时，复合体系的G′最高；添加alg时，复合体系的G′、G″均随添加量的增加而降低。说明不同亲水性胶体对莲子淀粉糊的黏弹性影响不同。

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Rheological Properties of Lotus-Seed Starch Pastes

Guo Zebin1，2，3Chen Ling1，2Zeng Shaoxiao1，2，3Lin Yuanyuan1Zheng Baodong1，2，3
（College of Food Science，Fujian Agriculture and Forestry University1，Fuzhou 350002）
（Institute of Food Science and Technology，Fujian Agriculture and Forestry University2，Fuzhou 350002）
（Fujian Provincial Key Laboratory of Quality Science and Processing Technology in Special Starch3，Fuzhou 350002）

In order to inquire into the rheological properties of lotus-seed and lotus-seed／colloidal system starch pastes，the starches have been determined by rheometer.The static rheological properties investigation established that the lotus-seed and lotus-seed／colloidal system starch pastes can exhibit typical time-dependent shear-thinning pseudoplastic and thixotropic behavior，while the Herschel-Bulkley rheological model can be used to fit the flow behavior of all starch pastes.The yield stress had increased with increasing the concentration of lotusseed starch，guar and xan.CMC，car and alg could lead the starch paste of liquidity enhancement.The determination of dynamic rheological properties indicated that G′of lotus-seed starch paste was higher than G″and both of which were increasing synchronously with increasing the concentration.The viscoelasticity of lotus-seed paste can be improved by adding CMC and alg，while the viscoelasticity will decrease when adding guar and xan，car in low concentration.

lotus-seed starch，rheological properties，hydrophilic colloid

TS231

A

1003-0174（2014）03-0030-07

福建省自然科学基金（T0650021），福建省科技攻关（2008N0007），福建省高等学校科技创新团队支持计划（闽教科［2012］03号），福建农林大学科技创新团队支持计划（cxtd12009）

2013-05-19

郭泽镔，男，1986年出生，博士，现代农产品加工技术

郑宝东，男，1967年出生，教授，食品科学与工程