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魔芋葡甘聚糖/玉米淀粉复配体系流变学性质

2019-03-19王良玉邹慧汪师帅

食品研究与开发 2019年6期
关键词:魔芋黏性模量

王良玉,邹慧,汪师帅

(武汉商学院烹饪与食品工程学院,湖北武汉430056)

淀粉与亲水胶体在食品体系中是两类重要的功能性高分子。淀粉与亲水胶体复配后,其糊化、老化、流变特性发生改变。通过对复配体系流变性质研究,可以了解产品在加工生产过程中的质构信息,从而控制产品质量,鉴定产品优劣[1]。

复配体系的流变性质测定通常包括稳态流变性质测定和动态黏弹特性测定。在稳态流变测定中,淀粉-亲水胶体复合体系具有非牛顿流体的剪切稀化特性[2]。Choi等发现在甘薯淀粉与黄原胶复配体系中,随着黄原胶浓度增加,体系流动指数降低,稠度指数增大。体系具有更强的假塑性,且与胶体浓度有关[3]。Yoo等发现当褐藻多糖浓度低于0.5%时,荞麦淀粉-褐藻多糖体系具有较低的弹性模量和黏性模量;当褐藻多糖浓度大于0.5%时,体系弹性模量增加[4]。Kim等发现在大米淀粉与黄原胶混合体系中,弹性模量和黏性模量随着黄原胶浓度增加而增大;在储存过程中,弹性模量也随着黄原胶浓度的增加而增大。黄原胶能够增强淀粉储存中的弹性特征[5]。

魔芋葡甘聚糖作为一种特色的亲水胶体,在食品工业中应用广泛,可作为稳定剂、增稠剂等。乙酰基为其分子链上的特征基团。在碱性条件下加热后,魔芋葡甘聚糖分子会发生脱乙酰反应,相互缠结形成空间网络结构,最终形成热不可逆凝胶,即使在温度达到200℃以上,凝胶仍保持稳定[6]。

目前,淀粉与亲水胶体复配体系研究丰富。但关于天然玉米淀粉与魔芋葡甘聚糖构成的复配体系在碱性条件下的流变学行为还未见报道。本文以此为创新点,通过改变体系中魔芋葡甘聚糖与玉米淀粉的比例,以及向复配体系中添加不同质量的碳酸钠,来系统研究复配体系的流变学行为。本研究可为淀粉与亲水胶体之间的复配提供基础性资料,也为魔芋葡甘聚糖与玉米淀粉复配体系在食品工业中的应用及品质控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

魔芋葡甘聚糖:湖北强森魔芋科技有限公司;玉米淀粉(食品级):昆山臻乐门食品有限公司;碳酸钠Na2CO3(分析纯):国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Kinexus 2500旋转流变仪:英国马尔文仪器公司;YP30002分析天平:上海越平科学仪器有限公司。

1.3 魔芋葡甘聚糖/玉米淀粉复配体系的制备

魔芋葡甘聚糖溶胶的制备:准确称取不同质量的Na2CO3于蒸馏水中,待其溶解后,缓慢加入质量分数为1%魔芋葡甘聚糖,在室温下搅拌2 h以上,使其充分溶胀。为了研究Na2CO3添加量对复配体系流变性质的影响,试验中设置Na2CO3添加质量分数分别为0.4%、0.8%、1.6%、3.2%。

玉米淀粉糊的制备:准确称取5%玉米淀粉于热水中搅拌,使其充分糊化。

魔芋葡甘聚糖/玉米淀粉(konjac glucomannan/starch,K∶S)复配体系的制备:将上述制备的魔芋葡甘聚糖溶胶与玉米淀粉糊按照一定的比例共混,室温搅拌1 h后,静置以待测定。复配体系中K∶S质量比分别设定为 1∶1、1∶2、2∶1。

1.4 流变学性质的测定

采用旋转流变仪对复配体系的流变学性质进行测定。锥型探头,直径40 mm,锥角3.993°。每次加载样品后,在样品周围滴加硅油,以防止水分损失。

静态流变性质测定:在室温25℃条件下观察体系的剪切黏度与剪切速率的相关性,剪切速率范围0.01s-1~100 s-1。

动态流变性质测定:1)25℃条件下观察体系的弹性模量G1、黏性模量G2与频率的相关性,频率扫描范围 0.1 Hz~40 Hz。2)固定频率 1 Hz,应力值 1%,探讨体系的弹性模量G1、黏性模量G2与温度的相关性,温度扫描范围25℃~100℃,升温速率5℃/min。

2 结果与分析

2.1 复配比例对体系流变学性质的影响

2.1.1 复配比例对体系剪切黏度的影响

魔芋葡甘聚糖/玉米淀粉复配体系的静态流变曲线如图1所示。由图1可知,当魔芋葡甘聚糖与玉米淀粉的质量比分别为 1∶1、1∶2、2∶1 时,随着剪切速率增大,体系的剪切黏度均减小,呈现剪切稀化的现象,因此判定体系属假塑性流体。当1%魔芋胶与κ-卡拉胶复配,玉米淀粉与黄原胶复配亦出现剪切稀化现象[7-8]。

图1 不同比例的魔芋葡甘聚糖/玉米淀粉构成复配体系的静态流变曲线Fig.1 Static rheological curves of mixed systems with different ratios of konjac glucomannan/corn starch

为了更好地探究复配体系在整个剪切速率范围内黏度的变化规律,采用cross模型对图1中的曲线数据进行拟合。,式中:η为剪切速率下的流体黏度,Pa·s;η0为零剪切黏度,Pa·s;η∞为极限剪切黏度,Pa·s;γ 为剪切速率,s-1;a 为与流体结构破坏相关的时间常数;n为无量纲常数,反应体系非牛顿性的强弱[9]。魔芋葡甘聚糖/玉米淀粉构成复配体系的cross方程拟合参数见表1。结果发现,相关系数R2均大于0.99,说明cross方程可准确描述体系的静态流变性质。

零剪切黏度反应体系屈服应力的大小,与分子间作用力、分子内作用力息息相关。当K∶S=1∶2时,复配体系的零剪切黏度最大,达到635.34 Pa·s,约是其它复配比例下零剪切黏度的10倍。说明在此复配比例下,体系分子之间相互缠结增多,分子间作用力增大,体系凝胶强度增强。

极限剪切黏度反应体系在稀化过程中可能达到的最低限度。极限剪切黏度越小,体系的稀化程度越显著[10]。在3种复配比例下,体系的极限剪切黏度趋近于0。说明在高剪切作用力下,分子间相互作用被显著破坏。

表1 魔芋葡甘聚糖/玉米淀粉构成复配体系的cross方程拟合参数Table 1 Fitting parameters determined by cross equation of konjac glucomannan/corn starch mixed systems

2.1.2 复配比例对体系黏弹性的影响

图2为不同复配比例下,体系的模量随频率的变化曲线。当K∶S=1∶2时,在整个频率扫描范围内,弹性模量>黏性模量,且弹性模量、黏性模量随着频率的增加而增大,体系呈现凝胶状态。当 K∶S=1∶1 或 2∶1 时,在低频区,弹性模量<黏性模量,体系多呈现液体的性质;在高频区,弹性模量>黏性模量,体系多呈现固体的性质。说明高剪切力作用有助于体系中分子间的缠结和凝胶网络结构的形成[11]。总之,当复配体系中玉米淀粉含量偏多时,体系凝胶性质越明显。此结果与上述静态流变测定结果一致,当K∶S=1∶2时,体系零剪切黏度最大。

图2 不同比例的魔芋葡甘聚糖/玉米淀粉构成复配体系的频率扫描曲线Fig.2 Frequency sweep curves of mixed systems with different ratios of konjac glucomannan/corn starch

张雅媛等研究发现向玉米淀粉中添加黄原胶后,复配体系的模量均显著增加,且随着黄原胶比例的增加而增大,体系表现出优越的黏弹性。当玉米淀粉与黄原胶比例为80∶20时,体系具有更好地协同增稠作用[8]。由此可见,亲水胶体对淀粉流变学性质的影响与亲水胶体的种类、淀粉的种类、添加方式等相关[12]。

不同复配比例下,体系的模量随温度的变化曲线如图3所示。加热过程中,复配体系的模量均随着温度升高逐渐降低。说明升温破坏了维系体系网络结构的氢键,致使体系凝胶性质下降[13]。当 K∶S=1∶1 或 2∶1时,体系的弹性模量曲线与黏性模量曲线相交,约在35℃。当温度低于35℃,弹性模量>黏性模量;当温度超过35℃,弹性模量<黏性模量,体系开始从弱凝胶向溶胶转化。当 K∶S=1∶2时,在 25℃~80℃范围内,弹性模量均大于黏性模量,体系呈现弱凝胶性质。温度扫描试验再次证明玉米淀粉含量越多,越能提高复配体系的凝胶性质。

图3 不同比例的魔芋葡甘聚糖/玉米淀粉构成复配体系的温度扫描曲线Fig.3 Temperature scanning curves of mixed systems with different ratios of konjac glucomannan/corn starch

2.2 加碱量对体系流变学性质的影响

2.2.1 加碱量对体系剪切黏度的影响

固定 K∶S=2∶1,改变 Na2CO3添加量(0.4%~3.2%),得到复配体系的静态流变曲线,如图4所示。图中各曲线的剪切黏度均随着剪切速率增加而下降,呈现明显的剪切稀化现象。进一步探究Na2CO3添加量对复配体系静态流变性质的影响,通过cross模型进行拟合得到(见表1),当Na2CO3的添加量分别为0.4%、0.8%、1.6%、3.2%时,复配体系的零剪切黏度依次为51.42、56.90、410.46、643.90 Pa·s,时间常数依次为 2.61、9.13、75.79、179.13。随着Na2CO3添加量增大,体系的零剪切黏度增大;时间常数递增,说明破坏体系结构的时间越长,体系最初结构越稳定。Na2CO3存在促进复配体系分子间的缠结,使体系凝胶性质增强。

图4 不同Na2CO3含量的复配体系的静态流变曲线Fig.4 Static rheological curves of mixed systems with different soda contents

2.2.2 加碱量对体系黏弹性的影响

固定 K∶S=2∶1,改变 Na2CO3添加量(0.4%~3.2%),得到复配体系的频率扫描曲线,如图5所示。当Na2CO3添加量为0.4%~1.6%时,图中曲线存在明显交点。在低频区,弹性模量<黏性模量,体系多表现液体性质;在高频区,弹性模量>黏性模量,体系多表现固体性质。在此范围内,随着Na2CO3添加量增加,交点逐渐向高频区移动。当Na2CO3添加量为3.2%时,在整个频率扫描范围,弹性模量>黏性模量,表现凝胶性质。可能原因为向体系添加Na2CO3这种碱性物质,魔芋葡甘聚糖分子链上的乙酰基会脱除。随着Na2CO3添加量增大,脱乙酰程度增加。当体系中Na2CO3含量高达3.2%时,此时魔芋葡甘聚糖与Na2CO3物质的量之比为1∶2,魔芋葡甘聚糖分子链上的乙酰几乎被完全脱除[14]。脱乙酰魔芋葡甘聚糖和玉米淀粉之间的协同作用增强,体系凝胶性质愈明显。

图5 不同Na2CO3含量的复配体系的频率扫描曲线Fig.5 Frequency sweep curves of mixed systems with different soda contents

固定 K∶S=2∶1,改变 Na2CO3添加量(0.4%~3.2%),得到复配体系的温度扫描曲线,如图6所示。当Na2CO3添加量为0.4%~1.6%时,图中曲线相交。在低温区域,弹性模量>黏性模量,体系多呈现固体性质;在高温区域,弹性模量<黏性模量,体系多呈现液体性质。在此范围内,随着Na2CO3添加量增大,交点逐渐向高温移动。由此表明Na2CO3添加量越多,复配体系中氢键含量越多,凝胶强度越大,破坏体系中氢键作用所需要的能量越大,因此交点向高温移动。当Na2CO3添加量为3.2%时,在整个温度扫描范围内,曲线并未相交,弹性模量>黏性模量。在整个升温过程中,体系仍体现凝胶性质。

图6 不同Na2CO3含量的复配体系的温度扫描曲线Fig.6 Temperature scanning curves of mixed systems with different soda contents

3 结论

碱性条件下,魔芋葡甘聚糖/玉米淀粉复配体系属于假塑性非牛顿流体。体系的表观黏度随着剪切速率增大而下降。改变魔芋葡甘聚糖与玉米淀粉的复配比例,对复合体系的流变性质影响显著。当体系中淀粉含量偏多时(K∶S=1∶2),体系的零剪切黏度、凝胶性质优于其它复配比例。大量的淀粉能促进分子间的缠结,使分子间相互作用增强,体系凝胶性质明显。此外,体系中Na2CO3含量增加(0.4%~1.6%),在频率扫描中,体系的凝胶点逐渐向高频率移动;在温度扫描中,交点向高温区域移动。当体系中Na2CO3含量达到3.2%,频率扫描和温度扫描均未出现交点,体系凝胶性质明显。说明Na2CO3能促进复配体系凝胶强度增大。本研究可为淀粉与亲水胶体之间的复配提供基础性资料,也为魔芋葡甘聚糖与玉米淀粉复配体系在食品工业中的应用及品质控制提供参考。

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