海藻酸钠与钙离子对大米淀粉糊化的影响
2017-08-07向忠琪周艳青林亲录
杨 英 何 璐 向忠琪 周艳青 林亲录
(中南林业科技大学食品科学与工程学院；稻谷及副产物深加工国家工程实验室，长沙 410004)
海藻酸钠与钙离子对大米淀粉糊化的影响
杨 英 何 璐 向忠琪 周艳青 林亲录
(中南林业科技大学食品科学与工程学院；稻谷及副产物深加工国家工程实验室，长沙 410004)
为了探究海藻酸钠与钙离子对大米淀粉糊化的影响，分别采用快速黏度分析仪和流变仪测定了大米淀粉在海藻酸钠和钙离子存在下的成糊特性与淀粉糊状态，并用扫描电子显微镜观察了大米淀粉的糊化显微结构。结果表明，钙离子对大米淀粉的成糊特性无显著性影响；海藻酸钠将体系黏度提高了135%，并使大米淀粉糊呈现似液状态(tanδ<1)；在体系水分蒸发脱离的条件下，海藻酸钠与钙离子形成了网状凝胶结构，并使大米淀粉糊呈现稳定的似固状态(tanδ>1)。因此，海藻酸钠与钙离子能够在大米淀粉糊化过程中形成浓缩诱导型胶凝，从而使大米淀粉糊的结构状态相对固定化。
大米淀粉 糊化 海藻酸钠 钙离子 凝胶
大米淀粉具有颗粒小、色泽白、易消化、致敏性低等优良特性，并且成糊后具有细腻的结构和类似奶油的风味，因而在化妆品、医药和婴儿食品等特殊食品行业中具有重要的应用价值[1-3]。在实际应用中，大米淀粉还会经过化学改性处理以拓宽应用范围[4-5]，然而化学改性淀粉的安全性备受争议，因而许多学者研究通过添加亲水性胶体来改善大米淀粉糊的性质[6-7]。另外，大米淀粉在米制主食品中的含量一般超过70%，糊化后的大米淀粉发生回生现象是导致米制主食品品质恶化的主要原因，但还鲜见关于亲水胶体介入淀粉糊化过程后对淀粉回生作用产生影响的报道，也许可以通过添加亲水胶体改变淀粉糊状态的方式延缓淀粉的回生作用。
海藻酸钠是一种常见的亲水性胶体，它由β-D-甘露糖醛酸(β-D-mannuronic acid，简称M)和α-L-古洛糖醛酸(α-L-guluronic acid，简称G)构成，呈现线性结构[8]，具有来源广泛、可食用、可生物降解等优良特性[9]。海藻酸钠G链段上的羧基可与游离钙离子通过离子键作用不断聚集形成具有三维网状结构的凝胶[10-11]，该凝胶结构的多孔性和亲水性使其具有较高的渗透性，可以快速的固定或释放材料[12-13]。目前，已有研究发现海藻酸钠可以阻碍马铃薯淀粉颗粒在糊化过程中的正常膨胀[14]并能与钙离子形成凝胶珠将木薯淀粉包裹其中[15]，可见海藻酸钠及其钙离子凝胶很可能会影响到大米淀粉的糊化过程及糊化后的状态。然而，传统的海藻酸钠胶凝方法是将海藻酸钠溶液滴加入过量的钙离子溶液中[15]，该胶凝方法难以介入淀粉的糊化过程，不利于探究清楚海藻酸钠凝胶化对淀粉糊化作用的影响。
作者在前期研究工作中发现了一种全新的海藻酸钠胶凝方法并取名为“浓缩诱导型海藻酸钠胶凝方法”，该胶凝方法通过水分蒸发作用将含有钙离子和海藻酸钠的水溶性体系从溶液状态转变成凝胶状态，具有操作简便、无需引入体系外化合物、便于控制胶凝过程和保持体系均一状态的优点[16]。显然，通过该胶凝方法进行的海藻酸钠与钙离子形成凝胶的过程能够与淀粉的糊化过程同时进行并相互影响。因此，本试验按照能够使海藻酸钠和钙离子通过浓缩诱导型胶凝过程形成凝胶的添加量和比例[16]，将海藻酸钠和钙离子添加到大米淀粉乳中，再在体系水分能够蒸发脱离的条件下加热糊化淀粉，以初探海藻酸钠与钙离子对大米淀粉糊化的影响，从而为后期研究浓缩诱导型海藻酸钠钙离子凝胶对大米淀粉糊化结构的固化作用及该固化结构对大米淀粉回生特性的影响提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
金龙鱼清香丝苗米：益海嘉里(南昌)粮油食品有限公司，收获于2014年10月并于常温阴凉处储藏；低黏度海藻酸钠：青岛晶岩生物科技开发有限公司；分析纯氯化钙：国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
SUPER-4型快速黏度分析仪(Rapid viscosity analysis，RVA)：瑞士波通公司；DHR-2型流变仪：美国TA公司；Nova Nano SEM230型扫描电子显微镜(Scanning electron microscope，SEM)：美国FEI公司。
1.3 试验方法
1.3.1 大米淀粉的提取和检测
按1∶6的料液比用0.2% NaOH溶液浸泡大米6 h，湿磨浸泡好的大米样品，以4 000 r/min的速度将样品离心10 min，弃去上清液并刮去沉淀表层的黄色物质，用蒸馏水搅拌洗涤剩下的白色沉淀物并离心弃上清液，重复该搅拌洗涤-离心操作至洗涤液pH为7和沉淀物呈现纯白色，反复清洗直至大米淀粉悬浮液至pH7且沉淀物为纯白色，在40 ℃下将纯白色沉淀样品烘干即得大米淀粉样品，将该样品研磨过100目筛后密封、存放于在阴凉干燥处。
大米淀粉样品中的水分、脂肪和蛋白质和直链淀粉含量分别按照GB/T 5009.3、GB/T 5009.6、GB/T 5009.4和GB/T 15682测定；淀粉含量参照爱尔兰Megazyme公司的总淀粉含量测试步骤测定。
1.3.2 大米淀粉样品糊化特性的测定
用快速黏度分析仪(RVA)测定大米淀粉样品(S)、含有海藻酸钠的大米淀粉样品(SA)、含有钙离子的大米淀粉样品(SCa)和同时含有海藻酸钠与钙离子的大米淀粉样品(SACa)的糊化特性。根据美国谷物化学协会(AACC)的标准程序1进行测试，蒸馏水的添加量为25 g，大米淀粉和海藻酸钠的干基添加量分别为蒸馏水添加量的9.21%和1%，钙离子的添加量为3.0 mmol/L。具体测试程序为：将样品在50 ℃下平衡1 min后，在3.5 min内加热至95 ℃并保持3 min，然后在3.5 min内降温至50 ℃并保持2 min；测试时的搅拌速率为160 r/min。
1.3.3 大米淀粉样品流变特性的测定
分别制备出单独含有大米淀粉的水悬浮液样品系列(质量分数分别为2%、4%、6%、8%和10%，依次标记为S2、S4、S6、S8和S10)，在大米淀粉水悬浮液样品系列中添加1%海藻酸钠的样品系列(依次标记为S2A、S4A、S6A、S8A和S10A)，和在大米淀粉水悬浮液样品系列中添加1%海藻酸钠和3.0 mmol/L钙离子的样品系列(依次标记为S2ACa、S4ACa、S6ACa、S8ACa和S10ACa)。将配制好的悬浮液样品沸水浴糊化30 min，随即转移至流变仪检测样品的黏弹性。流变测试的具体条件为：先在25 ℃和1 Hz的条件下，对样品进行0.1%～100%的应变扫描并确定样品的线性应变区间，然后在样品的线性应变区间内和25 ℃下，对样品进行0.1～10 Hz的频率扫描。
1.3.4 大米淀粉样品显微状态的观察
将1.3.3制备的样品于-20 ℃冷冻24 h，将冻好的样品于-60 ℃下冷冻干燥48 h。用扫描电子显微镜(SEM)观察样品表面结构：取上述冻干样品固定于金属桩上，喷金2 min，而后在10 kV的加速电压下低真空检测器观察样品。
1.3.5 数据处理
每个样品重复测试3次。将RVA试验所得数据用SPSS软件进行显著性分析，将流变仪试验所得数据通过Origin软件进行绘图。
2 结果与讨论
自提大米淀粉样品的淀粉质量分数、含水量、脂肪质量分数和蛋白质质量分数分别为91.7%、8.2%、0.48%和0.38%，其中淀粉中的直链淀粉质量分数为22.8%。
2.1 海藻酸钠与钙离子对大米淀粉成糊特性的影响
RVA曲线能够通过实时记录样品黏度的变化情况反映淀粉在密闭条件下糊化成糊的过程，通过分析样品的RVA曲线可以获得淀粉的成糊特性。本文首先用RVA研究在几乎没有水分损失的密闭条件下，海藻酸钠与钙离子对大米淀粉成糊特性的影响。
海藻酸钠和(或)钙离子的存在对大米淀粉成糊特性的影响如表1所示。显然，单独添加钙离子对大米淀粉的成糊特性没有显著性影响，因而后期研究不用单独考虑钙离子对淀粉糊化的影响。对比样品S和SA可以看出，添加海藻酸钠使大米淀粉成糊的峰值时间、峰值黏度、终值黏度和回生值分别增大了1.07 min、87%、135%和58%，但使大米淀粉成糊的崩解值减小了39%；对比样品SA和SACa可以看出，在含有海藻酸钠的大米淀粉中，添加钙离子使大米淀粉成糊的成糊温度和崩解值分别增大了0.38 ℃和32%，但使大米淀粉成糊的峰值黏度和终值黏度分别减小了21%和19%。
表1 海藻酸钠与钙离子对大米淀粉成糊特征值的影响
注：S、SCa、SA和SACa分别指大米淀粉样品、只含有钙离子的大米淀粉样品、只含有海藻酸钠的大米淀粉样品和同时含有海藻酸钠和钙离子的大米淀粉样品；a、b、c表示不同样品之间存在显著性差异。
在大米淀粉与海藻酸钠共存的水溶性体系中，大米淀粉颗粒是分散在海藻酸钠溶液形成的连续相中的[17]。当淀粉糊化时，海藻酸钠的存在会阻碍淀粉颗粒吸水膨胀而引起淀粉成糊峰值时间的增大，但淀粉颗粒吸收水分亦会造成海藻酸钠浓度升高，从而增大了连续相的黏度[18]；当淀粉在糊化成糊过程中释放出淀粉分子时，直链淀粉和低聚合度的支链淀粉会渗漏出来与链状的海藻酸钠分子相互作用而引起体系黏度的升高[19]，但该相互作用同时会在一定程度上抑制淀粉糊化过程的进行而导致淀粉成糊崩解值的减小；当淀粉完成糊化处于降温阶段时，游离出来的直链淀粉分子容易通过氢键作用聚拢而导致淀粉回生，此时海藻酸钠的链状分子亦容易通过氢键作用与直链淀粉分子聚集[20]，从而引起淀粉回生值的增大。
因海藻酸钠能与钙离子通过离子键作用形成“蛋盒”式的凝胶结构[20]，出现在大米淀粉与海藻酸钠共存水溶性体系中的钙离子会牵制着海藻酸钠分子与淀粉分子的相互作用，从而导致体系淀粉成糊温度和崩解值的增大并减小体系的黏度。但是，在体系水分不能通过蒸发作用脱离体系的密闭条件下，由淀粉糊化吸水引起的溶质浓缩效应是有限的，按照在体系水分被部分蒸发后才能与海藻酸钠形成凝胶的条件[16]添加的少量钙离子难以通过与海藻酸钠形成凝胶结构的形式阻止海藻酸钠分子与淀粉分子的相互作用，因而整个体系的黏度尽管有所减小，但还是远大于纯大米淀粉体系的黏度的。
2.2 海藻酸钠与钙离子对大米淀粉糊状态的影响
根据海藻酸钠与钙离子在密闭条件下对大米淀粉成糊特性影响的分析可以预测，体系水分的蒸发脱离很可能会增强海藻酸钠与钙离子对大米淀粉糊化的影响。因此，利用流变仪研究在体系水分自然蒸发脱离的条件下，海藻酸钠与钙离子对大米淀粉糊状态的影响。
淀粉糊的状态可以用流变学参数损耗正切值tanδ进行表征。当tanδ<1时，样品体系呈现似固状态，弹性较为突出；当tanδ>1时，样品体系呈现似液状态，黏性较为突出。海藻酸钠与钙离子对不同浓度大米淀粉糊化所形成淀粉糊状态的影响如图1所示。从图1a可以看到，由不同浓度大米淀粉糊化后形成的淀粉糊的tanδ小于1，体系呈现似固状态，但初始淀粉浓度为2%和4%的大米淀粉糊呈现的状态不如高浓度样品的稳定。相比之下，如图1b所示，添加海藻酸钠大幅提升了大米淀粉糊的tanδ，并使初始淀粉质量分数为2%和4%的大米淀粉糊由不稳定的似固状态转变成了比较稳定的似液状态。然而，如图1c所示，在含有海藻酸钠的样品中添加钙离子却使大米淀粉糊呈现更加稳定的似固状态。
注：a、b、c分别表示不同浓度大米淀粉样品的糊化体系、含有海藻酸钠的不同浓度大米淀粉样品的糊化体系和同时含有海藻酸钠和钙离子的不同浓度大米淀粉样品的糊化体系图1 海藻酸钠与钙离子对不同浓度大米淀粉糊化所形成淀粉糊损耗正切值的影响
显然，在体系水分自然蒸发脱离的条件下，提高淀粉浓度会增强大米淀粉分子之间的聚集作用，从而减小体系的流动性，使大米淀粉糊具有似固状态的弹性。然而，添加海藻酸钠能够大幅提高体系的黏度，而体系黏度的提高和海藻酸钠分子与淀粉分子之间的相互作用都会阻碍大米淀粉分子之间的聚集作用，进而引起体系流动性的增大，甚至使具有相对更充足水分的低淀粉浓度样品最终呈现似液状态并具有较高的黏性。但是，在体系因水分蒸发而被浓缩的情况下，按照浓缩诱导型海藻酸钠凝胶形成条件添加的钙离子会与海藻酸钠分子相互作用形成相对固化的凝胶结构[16]，从而减弱海藻酸钠增大体系黏度的作用，并减小体系的流动性，使大米淀粉糊呈现更加稳定的似固状态。
图2 海藻酸钠与钙离子对4%大米淀粉样品糊化前后的储能模量(G′)和损耗模量(G″)的影响
根据分析可知，海藻酸钠对大米淀粉糊化体系具有增黏作用，但能够通过浓缩诱导胶凝方式与钙离子形成凝胶，从而使大米淀粉糊化体系呈现出更加稳定的似固状态。这个结论可以通过海藻酸钠与钙离子对大米淀粉糊化前后储能模量(G′)和损耗模量(G″)的影响(如图2所示)得到更直接的验证。如图2a所示，在淀粉糊化前，只含有4%大米淀粉的样品S4呈现似固状态(G′>G″)，说明淀粉颗粒在水中快速沉淀；含有海藻酸钠的样品S4A呈现似液状态(G′
2.3 海藻酸钠与钙离子对大米淀粉糊化显微结构的影响
海藻酸钠与钙离子对大米淀粉糊化显微结构的影响情况如图3所示。在体系水分能够自然蒸发脱离的条件下，样品经过30 min沸水浴使淀粉完全糊化后，大米淀粉样品呈现片状结构(图3a)，添加了海藻酸钠的大米淀粉样品呈现散乱的结构(3b)，而同时添加了海藻酸钠和钙离子的样品呈现出的结构由淀粉糊化初期的海藻酸钠-钙离子溶液包裹淀粉颗粒的形态(图3c)转变成了海藻酸钠与钙离子形成网状凝胶结构[16, 22-24]并使大米淀粉分子均匀分散其中的形态(图3d)。该显微结构分析进一步证明，在含有海藻酸钠和钙离子的大米淀粉悬浮液中，海藻酸钠能够通过浓缩诱导胶凝方式与钙离子形成凝胶，并使大米淀粉糊化体系呈现出更加稳定的似固状态。
a b
c d
注：a、b、c、d分别指4%大米淀粉糊化30 min的样品、含有海藻酸钠的4%大米淀粉糊化30 min的样品、含有海藻酸钠和钙离子的4%大米淀粉糊化5 min的样品和含有海藻酸钠与钙离子的4%大米淀粉糊化30 min的样品。
图3 不同样品的扫描电子显微镜结构
3 结论
钙离子对大米淀粉的成糊特性无显著性影响；海藻酸钠对大米淀粉糊化体系具有增黏作用；海藻酸钠与钙离子能够在大米淀粉糊化过程中形成浓缩诱导型胶凝，使大米淀粉糊化体系呈现更加稳定的似固状态。
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Effect of Sodium Alginate and Calcium Ions on the Gelatinization of Rice Starch
Yang Ying He Lu Xiang Zhongqi Zhou Yanqing Lin Qinlu
(College of Food Science and Engineering National Engineering Laboratory for Rice and By-Product Deep Processing, Center South University of Forestry and Technology，Changsha 410004)
In order to investigate the effect of sodium alginate and calcium ions on the gelatinization of rice starch, a rapid viscosity analyzer (RVA) and a rheometer were used to determine the pasting properties and paste states of the rice starch in the presence of sodium alginate and Ca2+, respectively, and a scanning electron microscopy (SEM) was used to observe the microstructure of the rice starch during pasting. As shown in the results, there was no significant effect of Ca2+on the pasting properties of the rice starch; sodium alginate increased the viscosity of the sample by 135%, and made the rice starch paste show a liquid-like state (tanδ<1); in the conditions of water evaporated out of the sample, sodium alginate formed a mesh gel structure, and made the rice starch paste show a stable solid-like state (tanδ>1). Therefore, sodium alginate and Ca2+could form a concentration induced gel during the gelatinization of rice starch, and make the structure state of the rice starch paste relatively immobilized.
rice starch, gelatinization, sodium alginate, calcium ions, gel
国家自然科学基金(31401646)，粮油深加工与品质控制湖南省2011协同创新项目(湘教通〔2013〕448号)
2015-07-12
杨英，女，1982年出生，讲师，淀粉与粮食深加工
TS-2
A
1003-0174(2017)02-0037-06
