魔芋胶对莲藕淀粉糊化和流变特性的影响

刘敏，代曜伊，毕家钰，张甫生,2，郑炯,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆 400715) 2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

研究报告

魔芋胶对莲藕淀粉糊化和流变特性的影响

刘敏1，代曜伊1，毕家钰1，张甫生1,2，郑炯1,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆 400715) 2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

为考察亲水性胶体对淀粉性质的影响，以莲藕淀粉为原料，加入不同比例的魔芋胶，研究两者复配后莲藕淀粉的糊化、流变、质构特性及微观结构的变化。结果表明，魔芋胶提高了莲藕淀粉的黏度、回生值、崩解值，降低了糊化温度。莲藕淀粉/魔芋胶复配体系为假塑性流体，并且随着魔芋胶添加量的增加，稠度系数K增加，流体指数n减小，复配体系有更好的增稠性；魔芋胶的加入使体系黏性比例提高，具有优越的黏弹性；同时加速了莲藕淀粉凝胶体系的回生。淀粉复配体系的硬度、弹性、内聚性降低，黏着性升高，其中莲藕淀粉与魔芋胶质量配比为8.5∶1.5时，形成的凝胶质地最柔软。同时通过扫描电镜观察到魔芋胶的添加使淀粉内部形成更加均匀紧凑的网络结构。

魔芋胶；莲藕淀粉；糊化特性；流变特性；质构特性；微观结构

研究发现莲藕淀粉粒脆性大，在加热搅拌下容易破碎或变形，在冷却时，也不易形成凝胶[1]。研究表明，淀粉的糊化和流变特性对淀粉产品的加工工艺和食用品质都有较大的影响[2]，为改善淀粉食品的品质，在加工过程中常将淀粉与亲水性胶体复配使用，克服原淀粉加工性能的不足，从而提高产品质量和稳定性[3]。

魔芋胶作为一种常见的亲水性胶体，也是一种极具开发潜力的膳食纤维资源，其主要成分为魔芋葡甘聚糖。魔芋葡甘聚糖属于非离子型水溶性多糖，主要是由D-葡萄糖和D-甘露糖按1∶1.6的分子比例，以β-(1-4)糖苷键聚合而成，是一种高度紧密且具有分支结构的大分子聚合物。研究表明，魔芋胶具有增稠性、乳化性、黏结性、持水性等功能特性[4]，在凝胶食品中能促成魔芋葡甘聚糖大分子建立网络结构。此外，魔芋胶还具有良好的生物可降解性，使其成为制备可食性膜、涂层膜、包装膜等的研究热点[5-6]。

亲水性胶体添加到淀粉中会产生相互作用，从而影响到淀粉体系的各种功能性质，如糊化特性、流变及质构特性等，这些功能性质对最终产品的食用品质和感官特性有重要影响。国内外有关亲水性胶体对淀粉性质影响的研究报道较多，如苏晓芳等[7]研究了卡拉胶与紫薯淀粉复配体系的糊化与流变特性，发现卡拉胶能增加紫薯淀粉体系粘弹性；LEE等[8]探讨了蔗糖对大米淀粉与瓜尔胶、大米淀粉与黄原胶复配体系流变特性的影响；吴银琴等[9]发现，玉米淀粉与瓜尔胶复配体系形成的凝胶硬度值比单独的淀粉凝胶硬度值小。目前，大多数研究集中于亲水性胶体对马铃薯和玉米淀粉性质的影响，而亲水性胶体对莲藕淀粉性质影响的研究较少。因此，本文以莲藕淀粉为原料，探究加入不同比例的魔芋胶，利用快速黏度分析仪、流变仪、物性测定仪和扫描电镜，研究复配后体系糊化、流变、凝胶质构特性及微观结构变化。

1 材料与方法

1.1材料与试剂

莲藕淀粉，湖北爱荷食品有限公司提供；魔芋胶，淄博中轩生化有限公司提供。

1.2仪器与设备

FA2104电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；HH-8数显恒温水浴锅，RVA-TecMaster快速黏度分析仪，瑞典波通仪器有限公司；DHR-1旋转流变仪，美国TA公司；CT3物性测定仪，美国Brookfield公司；JSM-6510LV钨灯丝扫描电子显微镜，日本电子株式会社(JEOL)。

1.3实验方法

1.3.1 样品制备

选择5种不同配比的莲藕淀粉与魔芋胶复配体系(质量比10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0)，准确称量各配比下的莲藕淀粉、魔芋胶质量，于烧杯中加入去离子水混合，配成质量分数为6%的悬浮液(以干基计)，搅拌均匀后在沸水浴中加热糊化30 min。除糊化特性外，流变、质构特性及微观结构的测定均采用此方法制作的样品。

1.3.2 糊化特性的测定

参考吴银琴等[9]的方法，选取5种不同配比的莲藕淀粉与魔芋胶复配体系(质量比10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0)，准确称量后于RVA铝盒中和去离子水混合，配成质量分数为6%的悬浮液，按照美国谷物化学协会(AACC)规定方法Standard2在快速黏度分析仪中进行测定。程序如下：在50℃下保温1 min，后以6 ℃/min的速度升温至95 ℃，保温5 min，再以6 ℃/min的速度降温至50 ℃，保温2 min。前10 s内搅拌速率为960 r/min，而后以160 r/min搅拌速率进行黏度测定。

1.3.3 流变特性的测定

采用平板-平板测量系统，平板直径4 cm，设置间隙1 cm，加入样品并去掉平板边缘多余样品。每次测试均需更换样品。

静态流变特性测定：设置温度25 ℃，剪切速率从0～300 s-1递增，再从300 s-1～0递减，记录该过程中剪切应力变化情况。采用幂定律(Power law 模型)对数据点进行回归拟合，方程：

τ=Kγn

(1)

式中：τ为剪切应力，Pa；γ为剪切速率，s-1；n为流体指数；K为稠度系数，Pa·sn。

动态黏弹性测定：在温度25 ℃，扫描应变值为1%，测定振荡频率设为0.1～10 Hz内贮能模量G′、损耗模量G″、损失正切tanδ和随角频率变化的情况。

动态时间扫描的测定：设置参数为温度4 ℃，扫描应变1%，频率0.5 Hz，测定1 h内样品弹性模量(G′)和tanδ的变化情况。

1.3.4 质构测定

参考张雅媛等[10]的方法稍加改动，将糊化好的样品在室温下冷却，密封，在4℃下冷藏24 h后，用物性测定仪进行质构测定。测定条件：TPA模式，TA5探头(直径0.5英寸的圆柱状平头探头)，测试前速度：1.0 mm/s；测试速度：1.0 mm/s；测试后速度：1.0 mm/s；压缩程度：40%；触发力：5 g。

1.3.5 微观结构观察

采用扫描电子显微镜(SEM)对莲藕淀粉与魔芋胶复配体系进行微观结构的观察。扫描电镜前须样品进行干燥以获得清晰精确的结果，采用真空冷冻干燥进行前处理[11]。前处理步骤：将样品在培养皿中均匀涂膜，然后在冰箱中预冷冻24 h，再进行冷冻干燥48 h。冷冻干燥好的样品用固定胶固定于样品台上，经离子溅射仪喷金后，然后在15 kV电压和不同的放大倍率下进行扫描电镜观察，选择有代表性的视野拍摄。

1.4数据处理

实验结果以“平均值±标准差”表示。所有试验均进行3次重复。应用SPSS 11.5统计软件，对数据进行方差分析。使用Origin 8.6进行相关图表的绘制和数据处理。

2 结果与分析

2.1糊化特性的测定

莲藕淀粉与魔芋胶复配体系糊化曲线如图1所示，糊化特征值见表1。淀粉体系峰值黏度、终值黏度值越大，表明具有更好的增稠性；回生值越大，表明越容易老化，凝胶性越强；崩解值越大，耐剪切性越差；糊化温度越高，说明晶体结构稳定，越不容易被破坏[12]。与单独的莲藕淀粉体系相比，莲藕淀粉与魔芋胶复配体系的峰值黏度、终值黏度、崩解值、回生值明显增加；而糊化温度降低，这一结果与蔡冉旭 等[13]对玉米淀粉与黄原胶复配体系的研究结果类似。这是由于在加热糊化过程中，魔芋胶与淀粉之间通过氢键[14]作用以及淀粉颗粒膨胀使得魔芋胶浓度增大，引起复配体系黏度增大；黏度的提高，造成更大的剪切力作用在淀粉颗粒上，使得颗粒易变形破损，即崩解值增大；另外，胶体与直链淀粉之间以氢键相互靠近，可能是导致复配体系的糊化温度降低的主要原因；在降温过程中，这种相互作用也会引发回生值增大。

图1 莲藕淀粉/魔芋胶复配体系糊化曲线Fig.1 Pasting curves of lotus root starch/konjac gum mixed system

表1 莲藕淀粉/魔芋胶复配体系糊化特征值

2.2静态剪切流变测定

由图2可知，淀粉糊在流动中所需的剪切力随剪切速率增大而增大，随着魔芋胶添加量的增加，复配体系的剪切应力也逐渐增加。采用幂定律对曲线的数据点进行拟合，结果见表2。由表2可知，决定系数R2均大于0.99，表明该模型具有较高的拟合精度。流体指数n<1，表明体系均为假塑性流体[15]。与单独的莲藕淀粉相比，添加魔芋胶后的复配体系上行线和下行线的稠度系数K升高，说明复配体系具有更好的增稠性[16]。K值随着魔芋胶的添加量增加而增大，这是由于魔芋胶具有良好分散作用，促进淀粉在水中均匀分散，另外淀粉与魔芋胶以氢键结合交缠，从而产生强烈的协同增效作用，导致稠度增加[17]。复配体系n值比单独的莲藕淀粉体系n值小，说明复配体系假塑性增强，具有剪切变稀的特性， 这是由于在高速剪切作用下，缠结的分子结构被拉直，流动阻力减小；剪切作用使体系内部有一部分氢键断裂，同时，魔芋胶分子链与淀粉分子链的缠绕使得流体分子链节顺向性增加[18]，因此使体系剪切稀化，n值减小。

图2 莲藕淀粉/魔芋胶复配体系静态流变曲线Fig.2 Flow curves of lotus root starch/konjac gum mixed system

表2 莲藕淀粉/魔芋胶复配体系拟合参数

注：“/”前数据为上行线拟合数据，“/”后数据为下行线拟合数据。

2.3动态黏弹性测定

图3 莲藕淀粉/魔芋胶复配体系动态模量(A)及tanδ(B)随角频率变化曲线Fig.3 Curves of dynamicmodylus and tanδ with angular frequency of lotus root starch/konjac gum mixed system

淀粉凝胶的黏弹性直接影响淀粉的实际应用。图3-(A)是贮能模量G′与损耗模量G″随着角频率变化的关系图。由图3可知，所有体系的G′都大于各自相应的G″，表明2种体系的黏弹性都以弹性为主；而添加魔芋胶体系的G′和G″都分别大于单独的莲藕淀粉体系的G′和G″；说明胶体和淀粉之间存在一定的相互作用[19]。魔芋胶能够增强莲藕淀粉体系的弹性和黏性，这主要是因为魔芋葡甘聚糖大分子可以与水分子通过氢键、分子偶极、瞬时偶极等作用力聚集成庞大而难以自由运动的巨大分子，在水中使魔芋胶溶液变为粘稠的非牛顿流体[20]，使复配体系内部缠绕节点增多。G′和G″随着胶体比例的增加而呈现出先增加后降低的特点，当莲藕淀粉与魔芋胶的质量比为8.5∶1.5时，G′和G″最大，显示出优越的黏弹性。这表明添加了魔芋胶后，淀粉分子相互交联，使复配体系黏弹性增大，但是加入魔芋胶的比例过高，限制了淀粉分子的伸展、滑动，使体系的G′和G″值降低。

tanδ为G″与G′的比值。tanδ值越大，体系表现出流动性越强的流体特征；反之，体系表现出明显的固体特征[21]。图3-(B)是莲藕淀粉/魔芋胶复配体系tanδ随角频率变化的曲线图。由图3-(B)可知，莲藕淀粉与魔芋胶复配体系的tanδ比单独的莲藕淀粉体系tanδ大；表明魔芋胶和莲藕淀粉的复配使用能增强体系流体性质。但是随着魔芋胶比例增加，tanδ值先增大后减小，在莲藕淀粉与魔芋胶的质量配比为8.5∶1.5时，tanδ值最大，复配体系黏性比例最高，黏弹性最好。

2.4动态时间扫描测定

图4 莲藕淀粉/魔芋胶复配体系贮能模量(a)及tanδ(b)随时间变化曲线Fig.4 Curves of storage modulus and tanδ with time of lotus root starch/konjac gum mixed system

淀粉糊化后的短时间内，由于直链淀粉分子间进行定向迁移，通过链间氢键聚合重排，形成新的有序结构，导致淀粉老化，形成稳定的凝胶结构，在流变测定中表现为G′值显著升高，tanδ变小[22]。图4为莲藕淀粉与魔芋胶复配体系混合加热糊化后1 h内贮能模量G′以及tanδ随时间变化曲线。由图4可知，在初始90 s内，所有体系G′值均快速升高，伴随tanδ减小，之后G′值增长缓慢，最终复配体系G′值均大于单独的淀粉体系G′，这一结果表明，复配体系在初始阶段易回生，魔芋胶的添加加快凝胶结构的形成。这是微观相分离[23]的结果，另外亲水性胶体的增稠性限制了淀粉分子运动，局部直链淀粉更早更快的结合，也可能导致老化而加速凝胶形成[24]。在添加了魔芋胶的4种复配体系中，质量配比为9.5∶0.5、9.0∶1.0、8.5∶1.5这3种复配体系最终的G′值差异不大，而与这3种复配体系相比，质量配比为8.0∶2.0的复配体系G′有明显增大，这一结果可能是由于魔芋胶添加量的增加，复配体系内部结构更为紧密引起的。

2.5凝胶质构的测定

表3为莲藕淀粉/魔芋胶复配体系的凝胶质构参数。硬度与直链淀粉分子间的相互交联程度成正相关[25]，弹性与内聚性与淀粉凝胶样品网状结构有关，值越大，抵抗外界破坏的能力越强[26]。

表3 莲藕淀粉/魔芋胶复配体系质构参数

梁钦研究发现，魔芋胶的添加使直链淀粉的坚实度、黏聚性增大；却使支链淀粉的坚实度降低，黏聚性增加[17]。由表3可知，和莲藕原淀粉相比，复配体系硬度值、内聚性、弹性值都减小，黏着性增大，说明魔芋胶和莲藕淀粉能形成质地更软的凝胶，黏性增加。这是由于随着魔芋胶比例的增加，莲藕淀粉含量逐渐降低，淀粉分子间的聚合重排减少，从而体系硬度值减小；另外可能魔芋胶与莲藕淀粉在加热的情况下，其大分子物质同时在溶液展开，形成相互交织在一起的三维网络结构的胶体体系，使弹性和内聚性、黏着性发生变化。在莲藕淀粉与魔芋胶质量配比为8.5∶1.5时，凝胶的硬度值、弹性最小，形成的凝胶质地最柔软。

2.6微观结构观察

5种配比的复配体系在400倍下的扫描电镜如图5所示。莲藕原淀粉糊化体系类似一种片层结构，层与层之间有少量的网络结构和大量的孔洞；加入魔芋胶后，魔芋胶填充在淀粉颗粒之间，孔洞减小，片层结构逐渐消失，在残留的片层之间形成了大量的有支撑作用的网络结构；随着魔芋胶加入量的不断增加，复配体系的孔洞越来越小，数量也逐渐减少，魔芋胶和淀粉的相互作用形成了逐渐均匀、光滑的连续相，结构更加的紧凑和致密。当莲藕淀粉与魔芋胶质量比例为8.0∶2.0时，体系结构发生明显变化，这一变化可能是魔芋胶含量增加后，魔芋胶分子间相互缠结作用增强而形成的。这与之前动态黏弹测定时该比例下的复配体系固体特征增强一致。

A、B、C、D、E分别为质量比10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0的莲藕淀粉/魔芋胶复配体系图5 莲藕淀粉/魔芋胶复配体系微观结构电镜扫描图Fig.5 Microstructure of lotus root starch/konjac gum mixed system

3 结论

(1)与单独的莲藕淀粉体系相比，随着魔芋胶的添加量的增加，复配体系的峰值黏度、终值黏度、崩解值、回生值都逐渐增加，同时淀粉糊化温度逐渐降低。

(2)莲藕淀粉与魔芋胶复配体系是典型的假塑性流体，有更好的增稠作用；添加魔芋胶能增加体系的黏性比例，使复配体系易老化，有较好的稳定性；加入魔芋胶后，复配体系形成的凝胶硬度、弹性、内聚性更低，黏着性增强，表明形成的凝胶质地柔软，不易被破坏；添加魔芋胶后复配体系微观结构发生了明显变化，形成了更加均匀、稳定和致密的网络结构。

(3)综合考虑复配效果，在实际应用中选择莲藕淀粉与魔芋胶质量比为8.5∶1.5能够较好的改善莲藕淀粉糊化、流变及质构特性。对莲藕淀粉与魔芋胶的复配体系糊化及流变研究，可为探讨其他大分子多糖间的复配提供参考，以便于更好的改善食品加工工艺和指导新产品开发。

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Effectofkonjacgumonpastingandrheologicalpropertiesoflotusrootstarch

LIU Min1,DAI Yao-yi1,BI Jia-yu1,ZHANG Fu-sheng1,2,ZHENG Jiong1,2*

1 (College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China) 2(Chongqing Engineering Research Center of Regional Food, Chongqing 400715, China)

In order to explore the effect of hydrophilic colloid on properties of starch, the pasting, rheological, textural properties and microstructure of lotus root starch by adding konjac gum were investigated. The results showed that the viscosity, setback and breakdown values of lotus root starch were improved. The mixed system was pseudoplastic fluid, the consistency coefficient K was increased but the fluid index n was decreased, the mixed system exhibited a more significant thickening effect. The viscosity ratio was increased after adding konjac gum, the mixed systems had excellent visco-elastic characteristic, konjac gum accelerated the retrodegradation of lotus root starch. The hardness, elasticity and cohesion of starch mixed systems were decreased, but the adhesion of the mixed systems was increased; when the lotus root starch and konjac gum mass ratio was 8.5∶1.5, the gel was the softest. Meanwhile, a more uniform and compact network structure was observed by scanning electron microscopy.

konjac gum; lotus root starch; pasting properties; rheological properties; texture properties; microstructure

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013278

本科生(郑炯副教授为通讯作者，E-mail：zhengjiong_swu@126.com)。

重庆市特色食品工程技术研究中心能力提升项目(cstc2014pt-gc8001)；中央高校基本科研业务费(SWU115051)

2016-10-27，改回日期：2017-01-03