菊糖对小麦淀粉糊热力学及流变学特性的影响

汪名春 韦冷云 朱培蕾 王乃富 杜先锋 周裔彬

(安徽农业大学茶与食品科技学院食品科学与工程系1，合肥 230036) (安徽省农业科学院园艺研究所2，合肥 230031)

菊糖对小麦淀粉糊热力学及流变学特性的影响

汪名春1韦冷云1朱培蕾2王乃富1杜先锋1周裔彬1

(安徽农业大学茶与食品科技学院食品科学与工程系1，合肥 230036) (安徽省农业科学院园艺研究所2，合肥 230031)

为探索菊糖作为非淀粉多糖添加物对小麦淀粉的影响，以小麦淀粉为原料，采用差示扫描量热仪(DSC)、快速黏度分析仪(RVA)以及流变仪分析了不同添加量的菊糖对小麦淀粉糊化、回生以及流变学等特性的影响。试验结果显示：随着菊糖添加量的增加(0%～20%)，复配体系的糊化温度不断升高，在4 ℃环境下贮藏一定时间后，其老化速率随着菊糖添加量的增加不断降低。静态剪切流变测试结果表明：复配体系黏度不断下降，其流变学特性均符合幂率模型，为假塑性流体；动态黏弹性测试结果表明不同菊糖添加量的淀粉凝胶均为弱凝胶。添加适量的菊糖不仅可以改善淀粉糊的糊化和流变特性、推迟淀粉糊的糊化时间，对淀粉的回生也有一定程度的抑制作用。

菊糖 小麦淀粉 热力学 流变

近年来，随着食品工业的快速发展和人民生活水平的提高，天然、健康、营养的功能性多糖类食品添加剂越来越受到人们的青睐。在食品加工过程中，淀粉和非淀粉性多糖按适当比例复配后，可以克服天然淀粉的某些缺陷，改善淀粉的冻融稳定性、流变性、热力学等性质从而提高产品的加工性能[1]。此外，淀粉基食品在运输、贮藏过程中易发生老化，进而影响其口感和营养功能。非淀粉性多糖可以较好的延缓产品的老化程度和延长商品的货架期，Sharma等[2]和Zhou等[3]在研究中发现β-葡聚糖、茶多糖可以延缓小麦淀粉的老化，Banchathanakij等[4]报道β-葡聚糖对大米淀粉的回生有一定的抑制作用。

菊糖是由D-果糖经β-(1-2)键连接而成的链长不一的非淀粉多糖，是一种水溶性膳食纤维。相比于一般的非淀粉多糖，菊糖不仅具有与淀粉相似的粉体特性，可以改善食品的质构性状、保持水分，还具有促进肠道益生菌生长、矿物质吸收，提高食品营养价值的功能[5-6]。目前，有关菊糖添加到淀粉基产品的报道并不多见，本试验研究菊糖对小麦淀粉理化性质的影响，旨在为菊糖和小麦淀粉复配体系在食品工业中的生产加工和品质控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

小麦淀粉：美国Sigma-Aldrich有限公司；菊糖(平均聚合度15，纯度 > 90%)：青海威德生物技术有限公司。

1.2 试验仪器与设备

Pris-1 DSC差示量热扫描仪：美国PE公司；RST-Plus Rheo3000流变仪：美国博勒飞有限公司；DHR-3旋转流变仪：美国TA有限公司；RVA-4500快速黏度分析仪：瑞典 Perten公司；DF-101S集热式磁力加热搅拌器：金坛市金南仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 淀粉糊热力学性质的测定

1.3.1.1 淀粉糊糊化特性的测定

准确称取2.5 mg的小麦淀粉和菊糖(淀粉与菊糖的质量比分别为：10∶0、9.5∶0.5、9∶1、8.5∶1.5、8∶2，下同 )置于PE液体坩埚中，按1∶3的比例(m/m)加入去离子水。于室温密封放置使体系平衡，隔夜后进行差示量热扫描(DSC)测试。

程序设置：初始温度30 ℃，样品平衡1 min，终止温度100 ℃，升温速率10 ℃/min。右边放置空坩埚做为参比，氮气作为载气，流速设置为20 mL/ min。通过仪器软件计算出样品的糊化初始温度(To)，峰值温度(Tp)，终止温度(Te)以及糊化焓值(ΔHg)。

1.3.1.2 淀粉糊老化特性的测定

将经糊化测试后的淀粉样品在4 ℃ 环境下贮存7 d后，利用DSC测试菊糖对淀粉老化特性的影响。

程序设置：初始温度20 ℃，样品平衡1 min，终止温度90 ℃，升温速率10 ℃/min，右边放置空坩埚做为参比，氮气作为载气，流速设置为20 mL/min。通过软件计算出样品的糊化温度以及焓值。老化率(R)=ΔHr/ΔHg×100%，式中：ΔHr为老化焓值。

1.3.2 淀粉糊黏度特性的测定

准确称取2.5 g的淀粉和菊糖放入铝制坩埚中，加入25.0 mL去离子水(按14%湿基试样水分补偿)，用小型塑料螺旋桨充分预搅后，将铝制坩埚卡入RVA 旋转塔中，按下塔帽启动测量。

程序设置：旋转浆以960 r/min旋转10 s，减速至160 r/min均匀转动13 min至测试结束；初始温度50 ℃保持1 min，后以12 ℃/min逐渐上升至95 ℃，保持2.5 min；以相同速率降至50 ℃，保持2 min[7]。从RVA糊化曲线得出淀粉糊的谷黏度(MV)，峰黏度(PV)，终黏度(FV)，糊化温度(PT)，稀懈值(BD)和回生值(SB)。

1.3.3 淀粉糊流变特性的测定

1.3.3.1 样品的制备

准确称取5 g的淀粉和菊糖放入烧杯，加入100 mL去离子水搅拌混匀。将烧杯以保鲜膜封口，在集热式恒温磁力搅拌器中以95 ℃、400 r/min进行糊化搅拌15 min，使之充分糊化。

1.3.3.2 静态剪切流变特性的测定

采用RST-SST型流变仪的圆筒式装置对样品进行静态剪切流变特性的测定。将制备好的淀粉糊样品冷却至25 ℃，装入CC40样品筒，加样量为60 mL。平衡2 min后启动流变仪开始测试，数据采集和记录由计算机自动完成。

程序设置：温度25 ℃，剪切速率0～500 s-1，剪切时间180 s[8]。

1.3.3.3 动态黏弹性的测定

采用DHR-3旋转流变仪的平板式装置对样品的动态流变特性进行测定。测量使用的平板直径为40 mm，狭缝间隙1 mm，得到贮能模量 (G′) 、损耗模量 (G″) 和损耗角正切 (tanθ=G″/G′) 随角频率变化的图谱。数据采集和记录由计算机自动完成。

程序设置：温度25 ℃、应变力10%，频率0.1～100 rad/s。

1.4 数据统计分析

各组试验数据均重复3次，采用SPSS 19.0进行统计分析，同时用Origin 8.0对流变数据进行回归拟合。

2 结果与分析

2.1 菊糖对淀粉热力学特性的影响

2.1.1 菊糖对淀粉糊糊化特性的测定

淀粉在糊化过程中受热吸水膨胀，淀粉分子扩散，分子间和分子内的氢键断裂，在这个过程中伴有能量变化，可以通过差示量热扫描测得。表1为菊糖对小麦淀粉糊化温度和焓值的影响。从表中可以看出，复配体系的TO、Tp和Te随着菊糖添加量的增加相应增加，分别由59.96、63.47、67.37 ℃上升到61.43、65.35 ℃和69.16 ℃，而糊化焓值的变化不太明显。这与Satrapai等[9]和Arranz等[10]研究的β-葡聚糖、瓜尔豆胶和黄原胶对大米淀粉糊化特性影响的研究结果相一致。这可能是因为菊糖具有良好的亲水性，使得体系中的自由水减少，影响了淀粉分子的溶胀，抑制了淀粉的糊化，使得体系的稳定性增高，最终导致其糊化温度升高[9,11]。

表1 菊糖对小麦淀粉糊化温度和焓值的影响

注：在同一列里不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

2.1.2 菊糖对淀粉糊老化特性的测定

糊化的淀粉经存放后会有不同程度的老化，即直链淀粉定向排列，支链淀粉外侧短链的重结晶缓慢重排。由表2可见，添加了20%菊糖的小麦淀粉的老化率相比于未添加菊糖的小麦淀粉的老化率下降了近30%。这与Zhou等[5]和Funami等[12]发现的茶多糖和魔芋胶具有抑制小麦淀粉老化作用的结果基本一致，多糖分子可与支链淀粉或渗漏出的直链淀粉分子之间发生相互作用，与淀粉糊化分子形成氢键，使得淀粉老化程度降低。

表2 菊糖对小麦淀粉老化特性的影响

2.1.3 菊糖对淀粉糊黏度特性的测定

图1为RVA测试结果，可以看出，菊糖-淀粉复配体系的峰黏度、谷黏度和终黏度相比于不添加菊糖的小麦淀粉糊均有所降低。Alamri等[13]在秋葵多糖对大米和高粱淀粉的糊化影响的研究中提出，在糊化过程中多糖分子附着在淀粉颗粒表面，抑制了淀粉颗粒的膨胀和直链淀粉的渗出，使得淀粉的糊化度降低，表现为黏度的降低。从表3可以看出，复配体系的糊化温度有所升高，回生值有所下降，说明添加菊糖可以延缓淀粉的凝沉作用，提高淀粉的储藏稳定性，这与前面DSC的测试结果一致。此外，稀懈值也在不断的降低，说明复配体系的热稳定性也在增强。

图1 菊糖对小麦淀粉黏度的影响

2.2 菊糖对淀粉流变特性的影响

2.2.1 菊糖对淀粉静态流变特性的影响

从图2中可以看出，复配体系在流动过程中需要的剪切应力随着剪切速率的增加而增加。在同样的剪切速率下，复配体系相比于不添加菊糖的淀粉糊所需要的剪切应力小，且随着菊糖含量的增加，复配体系在流动过程中需要的剪切应力也相应减少。

依据幂定律方程τ=k·γn对图2中各数据点进行回归拟合[7]。式中：τ为剪切应力(Pa)；k为黏度系数(Pa·sn)；n为流动性指数；γ为剪切速率(s-1)。

结果显示R2均在0.99以上，说明该模型对曲线的拟合精度较高。拟合得到所有样品的黏度系数k和流动性指数n的具体数值见表4。

由表4可知，黏度系数k随着菊糖添加量的增加而减少。流动性指数n反映了黏-切依赖性的大小，n均小于1，说明不同菊糖添加量的淀粉糊在此剪切区域内均为典型的假塑性流体，具有剪切变稀性，随着菊糖含量的增加，n越来越接近1，说明复配体系的假塑性逐渐减弱，流动性得到改善。

图2 菊糖-淀粉复配体系剪切速率与剪切应力的关系

表4 菊糖-淀粉复配体系的流变特性参数

淀粉∶菊糖knR210∶05.1410.3730.9979.5∶0.53.0700.4350.9979∶11.2940.5230.9978.5∶1.51.0520.5460.9928∶20.6610.5820.989

在淀粉糊中，线性大分子链间某些段落所形成的物理结点随着剪切速率的增加遭到破坏，表观黏度降低。由图3可见，在测试初期，淀粉糊的黏度快速下降，随着剪切速率的进一步增加，下降速度逐渐变缓，淀粉糊黏度趋于稳定。与未添加菊糖的淀粉糊相比，菊糖-淀粉复配体系的黏度有所下降，且这种下降趋势随菊糖添加量的增加而增强。在低于糊化温度时加入一定量的菊糖，将降低淀粉糊的黏度，这可能是因为菊糖在淀粉糊化过程中能与淀粉相结合，减小了淀粉分子之间的黏结作用，也可能是因为菊糖对淀粉颗粒有一定的交联包被作用，阻碍了水分子与淀粉颗粒的接触，在淀粉糊化过程中阻碍了淀粉颗粒的溶胀，从而使淀粉分子间的黏结程度降低，表现为淀粉糊黏度的降低[14-16]。

表3 菊糖对小麦淀粉黏度特征值的影响

图3 菊糖-淀粉复配体系剪切速率与黏度的关系

2.2.2 菊糖对淀粉动态流变特性的影响

动态流变学用来测定不同样品的黏弹性模量，从而判断该流体是以黏性为主还是弹性为主。贮能模量G′由卷曲链构象熵的变化引起，在试验中暂时存储，以后可以恢复；损耗模量G″表示链段和分子链相对移动造成的黏性形变和内摩擦引起的能量损耗，不可恢复。菊糖-淀粉复配体系动态流变曲线如图4、图5所示。可以看出，G′、G″随着角频率的增加逐渐上升且G′大于G″，表现为一种典型的弱凝胶动态流变学图谱。

图6为菊糖-淀粉复配体系损耗角正切图，损耗角正切tanθ为损耗模量G″与贮能模量G′的比值，tanθ值越大，表明体系的黏性比例越大，可流动性越强，反之即弹性比例越大。可以看出，加入菊糖后，曲线相比于原淀粉要高，即复配体系的损耗角正切值增大了。这是因为虽然损耗模量G″随着菊糖的增加而减少，但贮能模量G′减少的程度更大，导致损耗角正切值的逐渐增大。这说明菊糖与小麦淀粉间的相互作用使得复配体系显示出更加黏性的流体性质，这与Techawipharat等[17]研究的纤维素衍生物和卡拉胶对大米淀粉黏弹性影响的结果一致，即相比于大米淀粉糊，复配体系糊化后更趋于流体的性质。结合上文热力学以及黏度测试的结果分析可见，菊糖对淀粉糊性质的影响主要来自于菊糖和淀粉形成的复杂网络结构间的互相作用。由于菊糖具有良好的亲水性，因此菊糖可能会影响水分子和淀粉分子的水合作用、干扰淀粉分子内部氢键的形成，在淀粉糊化过程中阻碍了淀粉颗粒的溶胀[8,12]。

图4 菊糖-淀粉复配体系角频率与贮能模量的关系

图5 菊糖-淀粉复配体系角频率与耗能模量的关系

图6 菊糖-淀粉复配体系角频率与损耗角正切的关系

3 结论

3.1 随着菊糖添加量的增加，复配体系的糊化温度均有一定程度的提高，且菊糖对小麦淀粉的老化有较好的抑制作用。

3.2 菊糖可以降低淀粉糊的黏度、延缓淀粉的凝沉作用，提高淀粉的储藏稳定性。

3.3 不同复配比例的菊糖-淀粉糊的流变模型符合幂率模型，均为假塑性流体。在相同的流动方式下，菊糖添加量越大，菊糖-淀粉复配体系黏度越小。动态黏弹性测试结果表明不同复配比例的菊糖-淀粉糊均为弱凝胶，且菊糖的加入使得复配体系显示出更加黏性的流体性质。

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Effect of Inulin on Thermodynamic and Rheological
Properties of Wheat Starch Paste

Wang Mingchun1Wei Lengyun1Zhu Peilei2Wang Naifu1Du Xianfeng1Zhou Yibin1

(Department of Food Science and Engineering,College of Tea and Food Technology, Anhui Agricultural University1,Hefei 230036) (Institute of Horticulture,Academy of Anhui Agricultural Science2,Hefei 230031)

The aim of the study was to investigate the effect of inulin as non-starch polysaccharides additives on thermodynamic and rheological properties of wheat starch paste. Using wheat starch and inulin as raw material, the gelatinization, retrogradation and rheological properties of the mixture were measured by differential scanning calorimeter (DSC), rapid visco analyzer (RVA) and rheometer. The results showed that in the range of 0%～20%, the gelatinization temperature of the inulin-wheat starch paste increased with the increase of inulin addition amount. After stored at 4 ℃ for a period of time, the retrogradation degree was reduced by addition of inulin. The results of static shear rheological test showed that the viscosity of inulin-wheat starch paste was significantly reduced, and the rheological properties of inulin-wheat starch paste were consistent with the power-law model and called as pseudoplastic fluid, and. The dynamical viscoelastic experiment showed that the of inulin-wheat starch paste was weak gel. These results suggested that inulin with appropriate adding amount could improve the rheological and gelatinization properties of starch paste, and inhibited the extent of starch retrogradation to some extent.

inulin, wheat starch, thermodynamic, rheological

国家自然科学基金(31271960、31471700)，安徽省自然科学基金(1408085QC58)

2015-06-29

汪名春，男，1982年出生，讲师，食品化学与营养、农副产品精深加工

周裔彬，男，1967年出生，教授，食品化学、农副产品精深加工

TS23

A

1003-0174(2017)02-0024-06