细菌纤维素对大米淀粉凝胶老化的影响

谢新华 朱鸿帅 徐 超 常晓红 吕 楠 欧阳宇 彭 亮

(河南农业大学食品科学技术学院，郑州 450002)

淀粉中含有直链淀粉和支链淀粉，淀粉的短期老化是由直链淀粉造成的，而淀粉的长期老化是由于支链淀粉的支链在长期储藏过程中重结晶引起的[1]。大米中的主要成分是淀粉，在煮制后容易发生淀粉老化，特别是在低温储藏过程中，并导致大米制作的产品硬度增加、黏度下降、口感变差等品质上的劣变，使其食用品质和商品价值降低[2]。近年来，国内外广泛研究了多糖、纤维素衍生物、膳食纤维等对大米淀粉老化的抑制[3-5]。

细菌纤维素(bacterial cellulose，BC)作为一种由许多纳米级微纤丝组成的新型膳食纤维，在化学组成和结构上与普通膳食纤维相同，但细菌纤维素具有超细的纳米结构，分子内含大量亲水基团，且微纤丝之间相互交织成无规则的空间网络结构，具有极强的吸水性和持水能力[6]。为提高大米制品的品质，有必要了解纳米级细菌纤维素对淀粉凝胶老化影响，本实验通过向大米淀粉中添加不同量的细菌纤维素进行糊化，研究细菌纤维素对大米淀粉凝胶短期老化和长期老化的影响。

1 材料与方法

1.1 材料和设备

大米淀粉：安徽省芜湖市好亦快食品有限公司；细菌纤维素：海南光宇生物科技有限公司，纯度为98%。

RVA4500型快速黏度分析仪：瑞典波通仪器公司；Quanta 250型扫描电子显微镜：美国FEI公司；DSC 214 Ployma型差示扫描量热仪：德国耐驰公司；X’Pert Pro型X-射线衍射仪：荷兰帕纳科公司。

1.2 实验方法

1.2.1 大米淀粉糊化特性的测定

依次称取25.00 g蒸馏水、3 g样品(细菌纤维素添加量0%、5%、10%、15%、20%，m/m)倒入铝盒，手动搅拌约30 s，迅速将铝盒放到快速黏度分析仪加热台中央。测定参数：50 ℃保持1 min，以12 ℃/min升温到95 ℃，95 ℃保持2.5 min，然后以12 ℃/min降温到50 ℃,50 ℃保持2 min。起始10 s转动速率为960 r/min，使样品均匀分散于蒸馏水中，然后保持160 r/min至测试结束。每个样品3次平行。

1.2.2 大米淀粉热力学特性的测定[1]

称取细菌纤维素，常温下水化2 h后，加入适量大米淀粉后水化1 h(细菌纤维素添加量0%、5%、10%、15%、20%，m:m)。称取8 mg样品到坩埚中，密封坩埚并在4 ℃平衡24 h后在DSC上糊化。用标准铟对DSC进行温度和热焓校正。以空坩埚作对照，冲洗气体为氮气，流量20 mL/min,以10 ℃/min的速率从25 ℃升温到100 ℃。糊化后的样品分别于4 ℃冷藏后的第1、3、5、7、14、21、28天将对应的样品取出再进行DSC测定，测定条件同上所述。每个样品3个平行。

1.2.3 大米淀粉凝胶结晶度测定[4]

样品制备同1.2.1，RVA糊化后的大米淀粉/细菌纤维素样品倒入平板中，冷却至室温后放入4 ℃冰箱中冷藏28 d后冷冻干燥。干燥后粉碎过200目筛进行X-射线衍射分析。测定参数：管压为40 kV，管流为30 mA，扫面范围为4°～40°(2θ)，扫描速率为2°/min。通过MDI Jade 5.0软件对X-射线衍射图谱进行分析处理。

1.2.4 大米淀粉凝胶微观结构测定[3]

按照1.2.1中方法，RVA糊化后的大米淀粉/细菌纤维素样品倒入离心管中，在4 ℃冷藏28 d后进行冷冻干燥。干燥后用镊子将样品固定在双面导电胶带上，经喷金后在扫描电子显微镜下观察样品微观结构。

1.2.5 数据处理

用SPSS 22.0统计软件对数据进行统计学分析。

2 结果与讨论

2.1 细菌纤维素对大米淀粉糊的影响

由表1可知，随细菌纤维素的添加量增大，大米淀粉糊化的峰值黏度、崩解值、最终黏度、回生值均显著下降。崩解值的显著降低或许是大米淀粉在加热糊化过程中，细菌纤维素抑制大米淀粉中的直链淀粉溶出；当细菌纤维素添加量增大到20%时，大米淀粉的回生值从647.33 cP降低到244.67 cP，表明在温度降低过程中细菌纤维素抑制了大米淀粉分子链的重新聚集排列，显示细菌纤维素对大米淀粉凝胶的短期老化具有显著的抑制效果，这与其他碳水化合物对淀粉凝胶老化抑制结果一致[7]。

表1 细菌纤维素对大米淀粉糊化的影响/cP

注：表中同列中不同字母表示差异显著(P<0.05)，余同。

2.2 细菌纤维素对大米淀粉凝胶热力学特性的影响

由表2可知细菌纤维素的添加使得大米淀粉的糊化温度、峰值温度、最终温度均有所升高，但糊化焓值则因细菌纤维素的添加而从12.94 J/g降低到8.50 J/g，这是由于细菌纤维素含有大量的亲水性基团限制了淀粉颗粒与水分子之间的相互作用，从而抑制了淀粉糊化，使得大米淀粉糊化焓值的显著下降。

表2 细菌纤维素对大米淀粉热力学特性的影响

表3显示了大米淀粉凝胶在4 ℃下贮藏不同时间的老化焓值，随着储藏时间延长，老化焓值显著增大，经过28 d冷藏后，未添加细菌纤维素的大米淀粉老化焓值增大到7.66 J/g，这是由于淀粉中支链淀粉重结晶引起的。随着细菌纤维素添加量增大，老化焓值显著降低，而当细菌纤维素添加量增大到20%时，大米淀粉的老化焓降低到2.76 J/g，由此说明细菌纤维素对大米淀粉凝胶老化具有显著的抑制效果。这是由于细菌纤维素含有的大量羟基与直链淀粉分子结合有效地阻碍淀粉分子链的有序化排列，进而抑制了大米淀粉凝胶的老化[8]。

2.3 细菌纤维素对大米淀粉凝胶结晶特性的影响

图1为大米淀粉和大米淀粉凝胶的X-射线衍射图谱。天然的大米淀粉在2θ为15.21°、17.36°、18.17°和23.14°可以观察到典型的A型结晶峰[9]。当大米淀粉凝胶在4℃冷藏以后，在2θ为17.06°附近显示淀粉为B型结晶[10]，且相对结晶度达到13.26%。随细菌纤维素的增大大米淀粉凝胶的相对结晶度显著降低，且添加量越大使得大米淀粉凝胶的相对结晶度降低趋势越显著，当细菌纤维素添加量增大到20%时，淀粉凝胶的相对结晶度降低到了7.93%，由此说明细菌纤维素对大米淀粉凝胶的长期老化具有抑制作用，这与热力学测定结果一致。

表3 细菌纤维素对大米淀粉凝胶的老化焓的影响/J/g

图1 大米淀粉和大米淀粉凝胶的X-射线衍射图

2.4 细菌纤维素对大米淀粉凝胶微观结构的影响

由图2中可见大米淀粉凝胶中存在大量的淀粉碎片，且大小不一、分布不均匀。说明大米淀粉已经充分糊化，淀粉颗粒完全被破碎[11]。随着细菌纤维素添加量增大，细菌纤维素填充于大米淀粉碎片片段间，使淀粉凝胶的碎片减少，形成的结构更加完整、致密。这也从侧面说明了细菌纤维素能与渗漏出来的直链淀粉和支链淀粉组合成了较为均匀的连续相，使得淀粉凝胶更加致密[11]。此外在添加20%细菌纤维素与淀粉相互作用糊化形成的凝胶还有完整的淀粉颗粒，可能是由于强吸水性的细菌纤维素与大米淀粉颗粒之间对水分子的竞争作用致使淀粉颗粒未完全糊化所致，而这一部分未完全糊化的大米淀粉颗粒具有紧密结构，可以有效地阻碍淀粉分子链的有序化，进而抑制淀粉凝胶的老化[12]。

a 大米淀粉 b 大米淀粉+5%细菌纤维素

c 大米淀粉+10%细菌纤维素 d 大米淀粉+15%细菌纤维素

e 大米淀粉+20%细菌纤维素

3 结论

细菌纤维素的添加使大米淀粉凝胶回生值显著降低，这是由于细菌纤维素含有大量亲水基团，易与大米淀粉竞争吸附水分，抑制了直链淀粉分子链的重新聚集排列，从而抑制了大米淀粉凝胶的短期老化。大米淀粉凝胶在4 ℃贮藏过程中，随贮藏时间延长，淀粉分子间重新排列形成新的晶体或聚合物，使其老化焓不断增大；当细菌纤维素添加量增加，竞争吸附了淀粉凝胶老化所需的水分，阻碍了支链淀粉分子间的重新缔合，抑制了淀粉大分子形成新的晶体，使其老化焓和相对结晶度显著降低，抑制了大米淀粉的长期老化。细菌纤维素可以新型的淀粉老化抑制剂应用于淀粉基食品中，延长其货架期和提高其品质。

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