抗性淀粉与小麦粉共混体系黏弹性的研究

谢岩黎 王 晨 郝振宇

(河南工业大学粮油食品学院，郑州 450001)

英国生理学家Englyst等[1]在1983年对膳食纤维进行定量测定时发现人体的小肠中存在一种不被消化和吸收的淀粉，该部分淀粉被不溶性膳食纤维包裹，由于这种物理包裹作用，淀粉酶不能与其接触，因此不能被酶解和消化吸收，其将这部分淀粉称为抗性淀粉(Resistant Starch, RS)，也被叫做抗酶解淀粉。它作为一种类膳食纤维的功能性物质，广泛应用于食品加工业后，不仅有低热量低消化性、降低血糖[2]等功能，还可克服传统膳食纤维的某些缺点，改进食品的品质，改善人们的膳食结构，有效的预防和降低“富贵病”的发病率[3-4]。面制品在在我国居民膳食结构中具有突出的地位，富含抗性淀粉的食品引起广泛关注，将抗性淀粉添加到面制品后，对面团的流变学性能产生的影响直接关系到主食制品的加工性能[5]。国内外对此研究的数据还不充分，本研究把微波湿热-循环冷冻制备抗性淀粉添加到小麦粉中，研究不同添加量对小麦粉稳态剪切特性、黏弹性特性以及蠕变-回复特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

小麦淀粉、抗性淀粉：实验室自制；小麦粉：河南金苑粮油有限公司；小麦蛋白粉：山东鄄城健发面业有限公司；耐高温-α淀粉酶、胃蛋白酶、葡萄糖淀粉酶：上海源叶生物科技有限公司；其他化学试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器与设备

格兰仕微波炉：广东格兰仕电器厂；101型电热鼓风干燥箱：北京市永光明医疗仪器厂； PHS-3C型PH计:上海精密科学仪器有限公司；BCD-205TBDZ冰箱：青岛海尔股份有限公司； TD5-4B离心机：北京时代北利离心机有限公司；XRVA-4快速黏度分析仪：澳大利亚Newport Scientific公司；Discovery-DHR流变仪：美国TA仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 抗性淀粉制备

首先配制成质量分数为25%的淀粉乳，调节微波作用的功率700 W对淀粉乳进行2 min微波处理，待其冷却至室温后对其进行反复冻融6 次处理(在-18 ℃冷冻室中冻结4 h，融解1 h为一次冻融处理)，在60 ℃条件下烘干，粉碎并过100目筛，得到小麦抗性淀粉粗品，抗性淀粉的得率为15.85%，依据参考文献[6-7]并做一定的修改。

依据文献[8]进行分离纯化抗性淀粉，取1 g小麦抗性淀粉制品，于100 mL蒸馏水溶解，加入过量的耐高温α-淀粉酶，在95 ℃条件下恒温振荡30 min，后冷却至室温，在4 000 r/min条件下离心15 min，倒掉上清液，将沉淀溶于100 ml磷酸缓冲液，(0.08 mol/L，pH 7.5)，加入适量的胃蛋白酶，在37 ℃条件下恒温振荡30 min，除去样品中残余的蛋白质；然后调整其pH至4.5，加入适量的葡萄糖淀粉酶，在60 ℃条件下恒温振荡30 min，反应结束后，冷却至室温，向体系中加入4 倍体积的95%乙醇，充分混合后，在4 000 r/min条件下离心15 min；倒掉上清液，将沉淀重复醇洗离心2～3 次，60 ℃烘干，粉碎并过100 目筛，小麦抗性淀粉纯品，其纯度为95%左右，用于后续黏度等性质分析测定。

1.3.2 抗性淀粉黏度测定

取样品3.0 g放入测试用的铝盒内，向铝盒中加入25.00 mL纯水(以干基14%水分计)，将搅拌器的桨叶在待测样品中上下搅动10次左右后，把样品置于快速黏度分析仪(RVA)中测定小麦淀粉和小麦RS3的黏度性质。搅拌器在起始的10 s以960 r/min的转动速度进行转动，目的是使待测样品形成相对均匀的悬浊液，接着以160 r/min 的转动速度旋转直至测定完成。其加热程序如下：初始温度为50 ℃保持1 min，之后12 ℃/min提升至95 ℃，保持2.5 min后以相同速度降温到50 ℃保持2 min，完成测定，测定一个样品所需耗时13 min。

1.3.3 面团制备

取一定量的小麦特一粉，加入适量蒸馏水使面团的含水率为45.0%，混合15 min制成待测面团，放入密封袋中在室温条件下静置20 min，作为实验的对照组。另取适量的抗性淀粉替代部分小麦粉制成面团，替代比分别为5%、10%、15%和20%，以原小麦粉质量计。每一份添加抗性淀粉的样品中均包含10.8%的小麦蛋白粉，其目的是补充小麦粉被替代后失去的蛋白质的量。

1.3.4 共混体系流变性测试

利用TA Discovery-DHR流变仪对所有样品进行流变学测定。流变仪样品台底部装置可以对实验过程中的温度进行精确控制。将样品放置于直径为25 mm的铝制平板夹具上，实验过程中夹具间缝隙设定为1.8 mm，每次实验开始前需要刮去多余的样品，并在样品的四周涂抹一层硅油对样品进行密封，其目的是为了减少实验过程中样品水分的蒸发，从而减小实验的误差。实验开始前首先平衡5 min，用来消除加载样品时的机械作用。

1.3.4.1 稳态剪切测试

在25 ℃的恒温条件下，测试样品在剪切速率(0.01～10 s-1)下的表观黏度。

1.3.4.2 频率扫描测试

在25 ℃的恒温条件下，选取Oscillation Frequency参数测定面团的动态模量，在线性黏弹范围内，施加不同频率的正旋形变，测试扫描频率(0.1～100 Hz或0.628～628 rad s-1)对样品黏弹性的影响。

1.3.4.3 蠕变-回复测试

在25 ℃条件下进行实验，测量程序Step Creep，设定蠕变应力为50 Pa，并保持180 s，然后撤去蠕变应力，样品在无外加蠕变应力的情况下保持300 s，考察样品的蠕变-回复特性。

图1 蠕变-回复典型曲线

蠕变-回复曲线大致分为以下部分：蠕变阶段，A-瞬时弹性(键长键角的形变)，B-延迟弹性(链段的运动)，C-黏性形变(塑性形变)；回复阶段，D-瞬时回复，E-延迟回复。

2 结果与分析

2.1 黏度性质的测定结果

淀粉的糊化特性是反映淀粉品质的一个重要指标。淀粉在糊化过程中会形成具有黏性的流体，随着温度的变化，其黏度会发生不同的改变。图2为小麦淀粉和小麦抗性淀粉的黏度曲线，图中的梯形曲线是温度变化曲线。从图2a可以看出当温度达到糊化温度时，淀粉溶液的黏度呈直线上升趋势，到达95 ℃时达到峰值。当温度在95 ℃持续时，黏度开始下降，达到最低值，这是因为淀粉分子间的距离增大，溶液由凝胶状态变为溶胶状态，当温度逐渐下降达到50 ℃时，淀粉分子重新聚合，溶液又从溶胶状态变为凝胶状态，黏度再次上升，最终稳定在一定高度。

图2 小麦淀粉及小麦抗性淀粉的黏度曲线

图2a中小麦淀粉的黏度随着温度的变化符合淀粉特有的黏滞特征，而图2b小麦RS3的黏度曲线与原淀粉相比发生十分显著变化，黏度值远远低于原淀粉，其接近为一条直线，这说明抗性淀粉的热稳定性较好，且小麦RS3在95 ℃的温度条件下没有发生糊化现象。

2.2 不同替代比例对面团表观黏度的影响

在非牛顿流体中，流体的黏度随着剪切速率的变化而变化。当0

图3 不同替代比例条件下小麦面团表观黏度与剪切速度的关系

从图3中可以看出随着剪切速率的增加，所有的样品表观黏度呈现下降的趋势，呈现出“剪切稀化”的现象，表现出假塑流体特性。这主要由于在剪切力作用下高分子链构象被迫改变，但高分子链同时也具有松弛的特性，被改变的构象也可以得到一定程度的回复。当剪切速率较大时，分子链构象没有足够的时间进行回复，使得原本缠结在一块的壁材高分子链段渐渐被打开，链段间作用力减小，从而黏度降低[9]。从图3中可以看出一定的剪切速率下，随着抗性淀粉替代比例的增大，面团表观黏度值逐渐增大，这是由于随着替代比例增大，抗性淀粉含量增加，而抗性淀粉是直链淀粉重结晶后产物，其结构更加紧密有序，分子间氢键更加牢固，分子链段的缠结不易打开，因此，其表观黏度表现为随着替代比例的增加而增大的趋势。

2.3 不同替代比例对面团黏弹性的影响

动态流变学实验是评价聚合物流变性特性的常用方法, 用于面团黏弹性的研究，得到贮能模量(G′) 、损耗模量(G″)以及损耗因子(tanδ)，损耗因子(tanδ)作为黏性模量与弹性模量的比值，它的大小直接表征了面团的固体特性或液体特性。储能模量G′又称弹性模量，表示性材料在发生形变过程中由于弹性形变而储存能量的大小，反映材料弹性的物理量；损耗模量G″又称黏性模量，表示材料在发生形变过程中由于黏性形变而损耗能量的大小，反映材料的黏性大小。面团的储能模量与损耗模量的大小在一定程度上可以反映面团的黏弹性。损耗因子表示的是材料的黏弹性性能，在一定程度范围内可以表示材料的状态。当值小于1 时，即弹性模量(G′)大于黏性模量(G″)，材料性质类似固体；当值大于1时，即黏性模量(G″)大于弹性模量(G′)，材料性质类似流体或黏性系统[10]。

图4a和图4b表明不同替代比例的样品的储能模量G′均大于损失模量G″，说明面团更倾向于弹性结构，随着扫描频率的不断增大，样品的储能模量G′和损失模量G″均增大。同样随着抗性淀粉替代比例的增加，小麦面团的储能模量G′和损失模量G″也有增大的趋势。导致这一现象的原因可能是由于面团的黏弹性同时依赖于淀粉和蛋白质以及水分的共同作用。抗性淀粉性质稳定，在面团中可以在面筋蛋白和淀粉颗粒周围形成不连续的不规则基体，随着替代比例的增大，形成的不规则基体越多，其黏弹性也增大，从而储能模量G′和损失模量G″均增大[11-14]。

图4 不同替代比例下对面团黏弹性的影响

从图4c中可以明显看出，损耗角正切值(tanδ)小于1，表现为典型的弱凝胶动态流变学谱图。随着替代比例的增大，tanδ逐渐降低，表明添加抗性淀粉后面团弹性比例增加。随着角频率的增大，样品的损耗角正切值tanδ呈现出先减小后增大的趋势，即在较低频率内(<1.48 rad/s)随着频率增加tanδ缓慢降低，在频率较高内(>5.68 rad/s)随着频率增加tanδ急剧升高，这说明共混体系在频率较低时时黏弹性更好，在频率较高时其黏性比随着频率增大而迅速增大，说明共混体系在高频率下的结构不稳定，相对更容易被破坏。

2.4 不同替代比例对面团蠕变-回复特性的影响

蠕变-回复指高分子物质在一定温度、恒力条件作用下，随着应力作用时间的延长，其发生缓慢且连续的形变，应力撤销后部分或者全部形变得到恢弹，是一种描绘材料静态黏弹性的方法。蠕变-回复特性表示在外力面团形变的程度及回复的程度，可以反应在加工过程中产品的在外力作用下的外观特性，也从侧面反映了面团的黏弹性变化。图5为不同替代比例条件下面团蠕变-回复特性曲线，从中可以明显看出，对照组蠕变柔量最大。与对照组相比，实验组替代比为5%和10%时，面团的最大蠕变柔量(Jmax)、瞬时蠕变柔量(J0)和迟滞蠕变柔量(J1)呈现出明显降低的趋势，继续增大替代比，变化不再显著。相关研究认为，面团最大蠕变柔量和面团的硬度呈负相关，可以表征面团的硬度，硬度较大的面团在一定程度上能够有效地抵抗其自身发生形变，表现出来较小的蠕变柔量[15-16]。实验结果表明实验组面团的硬度较大，且随着替代比的增加而增大。

图5 不同替代比例条件下小麦面团的蠕变-回复曲线

面团的蠕变-回复特性主要抗性淀粉与面团中组成成分的相互作用有关，随着抗性淀粉替代比例的增加，面团的硬度增大，在应力作用下不易发生形变，同时随着抗性淀粉添加量的增加，分子间黏度和摩擦阻力也增大，蠕变柔量(J0)也减小。

3 结论

研究说明添加抗性淀粉到小麦粉中显著性地改变了其共混体系的表观黏度、黏弹性及蠕变回复特性，而且与抗性淀粉的添加量相关。将不同含量的抗性淀粉添加到小麦粉中，对其共混体系的黏弹性产生了一定的影响。

3.1 与原淀粉相比，小麦抗性淀粉的糊化特性发生了变化，其糊化曲线几乎为一条直线，无糊化现象发生。随着抗性淀粉替代比例的增加，面团的表观黏度逐渐增大，随着剪切速率的增加，所有样品表观黏度均逐渐降低，具有剪切稀化现象，呈现假塑性流体特征。

3.2 随着抗性淀粉替代比例的增加，面团的储能模量、损失模量增大，tanδ逐渐降低，表明添面团弹性比例增加。随着扫描频率的不断增大，tanδ表现为先减小后增大的现象，说明共混体系在频率较低时黏弹性增大，在频率较高时其黏性比迅速增大，说明共混体系在高频率下的结构不稳定，相对更容易被破坏。

3.3 随着替代比例的增加，面团的瞬时蠕变柔量(J0)，迟滞蠕变柔量(J1)和最大蠕变柔量(Jmax)随着减小，说明随着添加比例的增大，面团的硬度增大且不易发生形变。

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