淀粉糊老化行为的粒子示踪微流变表征方法初探

2019-10-09田缘李双红周韵叶发银赵国华

食品与发酵工业 2019年17期

田缘，李双红，周韵，叶发银，赵国华,2*

1(西南大学食品科学学院，重庆，400715)2(重庆市甘薯工程技术研究中心，重庆，400715)

食品是一个多组分结构体，其结构层次非常复杂，既包含各种成分基础的分子结构，又包含这些成分之间相互作用形成的分子集聚体、亚微观结构单元和微观结构体等。这些结构相互有机衔接最终形成了可被消费者感知的食品宏观结构[1]，也就是所谓的食品多尺度结构的内涵。食品的多尺度结构是其呈现特有质地、口感以及营养消化特性的重要基础。认识与了解食品在加工贮藏过程中多尺度结构形成规律以及它们与食品品质形成的关系一直是食品科学家密切关注的核心问题[2-6]。受热糊化的淀粉糊在冷却过程中凝胶的形成就是其中一个典型例子[7]。经过长期发展，已经具备可以有效探知食品多尺度结构形成或加工过程中食品结构变化的方法与技术。对液态或半固态食品而言，流变学是一种研究其微观结构变化与宏观品质变化的有效工具[8]。目前来看，应用最为广泛的是各类机械式流变仪。它们通常在利用一定外力破坏食品原有结构或使其发生形变的过程中获取诸如剪切应力和法向应力等参数，从而了解样品的内部结构[9-11]。这种方法的缺陷也显而易见，比如，测试过程要向样品施加形变作用力，会给样品结构带来扰动或破坏，无法准确反映体系原有结构[12]；针对食品质地结构形成的时间尺度，该法只能从不同时间点上取样进行测定，而无法就同一样品随结构发展时间尺度连续观察[13]。

基于粒子示踪微流变的独特优势，它逐渐在食品结构-功能关系研究中受到青睐，成为当前食品物性学研究的一个热点[12,14]。以应用最为广泛的被动粒子示踪光学微流变仪为例，它是通过光学技术非接触式的测量预先埋藏在样品中微小粒子的布朗运动轨迹而获取样品内部结构及其宏观品质的变化[15-19]。截至目前，尚无以粒子示踪微流变解析冷却和冷藏过程淀粉糊微结构的动态演化的报道。本研究拟从丰富淀粉老化研究手段的角度，探索粒子示踪微流变淀粉冷致凝胶形成过程中的应用可能。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘薯淀粉，重庆金田股份有限公司；木薯淀粉，云南鸿泰股份有限公司，二者的淀粉含量分别为88.3和87.7 g/100 g；直链淀粉含量分别为26.0和19.9 g/100 g。以上含量均以干基表示。聚苯乙烯微球(半径约500 nm)，上海辉质生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

RHEOLASER MASTERTM光学流变仪，法国FORMULACTION公司；HH-2恒温水浴锅，数显金坛市富华仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 淀粉糊冷却过程的微流变表征

于250 mL烧杯中配制质量分数为10%(以干基计)淀粉悬浮液，加入0.4 mL聚苯乙烯微球作为示踪粒子。用玻璃棒搅拌均匀后，称量玻璃棒和样品的总质量。然后将烧杯放入沸水浴中加热15 min，加热过程中不停搅拌使淀粉浆受热均匀，并充分糊化。加热完毕，取出烧杯并立即称重，补足加热过程中散失掉的水分。取20 mL制备好的样品迅速灌入测试玻璃瓶中(高140 mm；直径为16 mm)，其中一部分样品立即放进仪器测试槽中进行测试；其余样品放入冰箱，4 ℃条件下分别冷藏6、12、24 h，放在室温条件下平衡1 h后进行测试。测试过程采用专家测试模式，测定条件为时长2.5 h，环境温度25 ℃，自然冷却。每条均方根位移(mean square displacement,MSD)曲线间隔时间60 s，每条MSD曲线最大去相关时间限制为1 000 s，d2/d2max比率的最大值为0.95。与样品的黏弹性密切相关的MSD曲线由仪器自带的RheoSoft Master 1.4.0.1软件给出。

1.3.2 微流变指标提取

利用光学微流变仪可获得的粒子均方根位移(MSD，nm2)与去相关时间(decorrelation time,tdec)的关系图(图1)。该图可以划分为3个区间，分别为溶剂黏度感知区间(第1上升区)，产品弹性差感知区间(平台区)和产品宏观黏度感知区间(第2上升区)。利用此曲线结合仪器自带软件，可以获得弹性因子(elasticity index，EI)、固液平衡值(solid-liquid balance，SLB)、宏观黏度因子(macroscopic viscosity index，MVI)、流度因子(fluidity index，FI)、弹性模量(elastic modulus，G′)、损耗模量(loss modulus，G″)和损耗角正切(loss tangent，tanδ)等能反映淀粉糊老化进程的相关参数。假定在某个时间点上(t)所对应的MSD-tdec关系图平台区对应的纵坐标为6δ2(nm2)，则产品的EI值则为1/6δ2(nm-2)。平台区曲线的斜率(SLB=tanθ)反映产品固体特性与液体特性的相对强弱。斜率越低表示粒子运动越慢，产品的固体特性越强；反之，产品的液体特性越强。一般来说，当SLB=0表示产品具有纯粹的弹性(固体特性)；当0

MVI=kb·T/(π6Dm×a)

(1)

式中，kb为波兹曼常数(J·K-1)，T为绝对温度(K)，流度因子(FI，Hz)为宏观黏度因子的倒数(1/MVI)。

图1 粒子均方根位移与去相关时间关系及其解读Fig.1 The relationship of mean square displacement and decorrelation time and its interpreting diagram

2 结果与分析

2.1 淀粉糊冷却过程的光学流变图谱

图2给出了甘薯淀粉糊在冷却过程中其均方根位移随时间的变化趋势(木薯淀粉糊以及甘薯淀粉和木薯淀粉的等比混合物所制成的淀粉糊也具有同样的趋势)。可以看出，冷却早期的MSD曲线近似直线状，处于淀粉糊内的聚苯乙烯微球粒子运动的MSD随tdec线性增加。这说明聚苯乙烯微球粒子可以在淀粉糊内自由运动，不会受到任何限制[20]。这也就说明此时淀粉糊内尚未形成网络结构，淀粉糊表现为近似牛顿流体的特征。随着冷却时间延长，MSD曲线逐渐降低并呈非线性，即MSD曲线在中等去相关时间范围内出现了一个平台区，而在较大去相关时间范围内曲线斜率变得越来越小。平台区的出现表示在单位运动时间内聚苯乙烯微球粒子的运动范围逐渐缩小；而上升阶段曲线斜率的增加则表示粒子运动要达到同样的运动面积，需要增加时间[13]。所有这些都说明聚苯乙烯微球粒子在淀粉糊内的运动逐渐受阻。随着冷却时间的延长，MSD曲线逐渐向高的去相关时间方向右移，平台区沿横坐标不断扩展而沿纵坐标逐渐降低，上升区的斜率不断降低。平台区的逐渐降低说明单位去相关时间内粒子的运动范围不断缩小，束缚粒子运动的结构“笼子”不断减小，体系的弹性不断增加[21]；MSD曲线越向右移，说明体系的黏度越大。上升阶段MSD曲线的斜率实际是淀粉糊体系固态特性与液态特性的比值，斜率越低，说明粒子的运动速率越低，体系更倾向于固体特性。所有这些变化预示着淀粉糊内部逐渐形成稳定的网络结构，体系从溶液向凝胶逐渐过渡，淀粉糊体系发生了老化。

图2 甘薯淀粉糊均方根位移曲线随冷却时间的变化Fig.2 The changing tendency of mean square displacement curves along with cooling time for sweet potato starch paste

2.2 淀粉糊冷却过程中弹性因子和流度因子的变化情况

由图3可知，甘薯淀粉、木薯淀粉以及它们的等比混合物所制成的淀粉糊的EI在冷却早期快速上升。很显然木薯淀粉糊EI在老化初期的上升速度不及甘薯淀粉。甘薯淀粉糊在自然冷却25 min后EI就达到了最高值(0.20 nm-2)，而木薯淀粉糊达到最高EI(0.11 nm-2)要自然冷却50 min左右。在整个冷却过程中木薯淀粉糊的EI始终显著低于甘薯淀粉糊。与甘薯淀粉糊EI达到最高值后保持恒定不同，木薯淀粉糊在冷却后期(>130 min)略有下降。与EI对老化时间的变化趋势相反，所有淀粉糊的FI在冷却早期都急剧下降直至为零。相比于EI，FI随老化时间变化的更快。木薯淀粉糊和甘薯淀粉糊的FI分别在老化25 min和4 min就几乎降低到零。在冷却早期，木薯淀粉糊表现出比甘薯淀粉糊更高的FI值。甘薯淀粉糊比木薯淀粉糊具有更高的EI和更低的FI的主要原因是甘薯淀粉(26.0 g/100 g)中直链淀粉的含量明显高于木薯淀粉(19.9 g/100 g)。更重要的是，等比混合淀粉糊EI和FI的变化都几乎与甘薯淀粉重合，这说明混合糊的冷却老化过程主要由甘薯淀粉主导。淀粉糊EI和FI自然降温时间发生变化反映了体系内淀粉老化的情况以及由此引起的三维网络形成程度。结合淀粉老化的有关理论，冷却早期EI和FI的快速变化，是由直链淀粉的短期老化行为所引起的。文献报道由直链淀粉引起的淀粉短期老化发生速度很快[22]。按照常规淀粉老化进程，在直链淀粉的短期老化逐渐结束时，由支链淀粉引起的长期老化将持续进行[23-24]。但遗憾的是EI和FI在后续冷却过程中都基本保持稳定，没有明显的变化趋势。因此可以认为微流变获得的EI与FI主要决定于淀粉的短期老化行为，而与淀粉的长期老化行为关系不大。

a-弹性因子；b-流变因子图3 三种淀粉糊冷却过程中弹性因子和流度因子的变化趋势Fig.3 The changing tendency of elasticity index and fluidity index along with cooling time for three starch pastes

2.3 淀粉糊冷却过程中宏观黏度因子和固液平衡值的变化情况

由图4可知，所有淀粉糊在老化前期其MVI都急剧上升，且甘薯淀粉糊的上升速度明显高于木薯淀粉糊。随冷却时间的延长其上升速度逐渐变缓，但在后期木薯淀粉糊MVI的上升速度高于甘薯淀粉。混合淀粉糊MVI随冷却时间的变化曲线几乎与甘薯淀粉糊完全重叠。就淀粉的SLB来看，木薯淀粉糊在前50 min急剧下降，在后续时间内缓慢下降；甘薯淀粉在前30 min急剧下降，此后基本恒定。混合淀粉糊前30 min的SLB介于甘薯淀粉糊与木薯淀粉糊之间，但更接近于木薯淀粉。在30 min后混合淀粉糊的固液平衡值与甘薯淀粉基本一致。可以看出木薯淀粉糊在冷却前10 min表现出纯粹的液体特性(黏性)，在约27 min之前以黏性为主，之后转变为以弹性为主的行为。而木薯淀粉糊和混合淀粉糊即便在冷却早期也表现出黏弹特性，却没有纯粹的黏性特征窗口，它们分别在冷却8 min和13 min后转入以弹性为主体的行为区间。从曲线随冷却时间的变化可知，与EI和FI不同，MVI和SLB可以同时较好地反映淀粉的直链淀粉的短期老化和支链淀粉的长期老化。相比之下，SLB对淀粉糊早期的老化具有高的区分度，而MVI更能表征淀粉糊的长期老化行为。

a-宏观黏度因子；b-固液平衡值图4 三种淀粉糊冷却过程中宏观黏度因子和固液平衡值的变化趋势Fig.4 The changing tendency of macroscopic viscosity index and solid-liquid balance along with cooling time for three starch pastes

2.4 淀粉糊冷却过程中机械黏弹特性的变化情况

由图5可知，在冷却的早期，所有淀粉糊的G′和G″都随冷却时间急剧上升，但G″随时间的变化速率明显高于G′。在随后的冷却中，G′转入缓慢上升阶段，而G″进入稳定阶段或缓慢下降阶段。在冷却早期所有淀粉糊的G″都高于其G′，tanδ>1.0。这表明在此阶段淀粉糊以黏性为主，弹性为次，表现出类液体特性[25-26]；但在降温老化后期，所有淀粉糊的G″都低于其G′，tanδ<1.0，淀粉糊表现出类固体特性。这说明淀粉糊在冷却过程中发生了溶液到凝胶的转变[27-28]。显然，木薯淀粉糊形成凝胶需要更长的冷却时间(67.22 min)，而甘薯淀粉糊和混合淀粉糊形成凝胶需要的时间相差无几，分别为32.11和34.62 min。但是，与前面SLB=0.5对应的时间点来看，机械谱所表征的固液特性的转变点(凝胶形成点)明显比SLB表征的要晚。从图5还可以看出，和在EI和FI中观察到的趋势一致，混合淀粉糊的G′、G″和tanδ曲线基本与甘薯淀粉糊重合。

图5 淀粉糊冷却过程中机械黏弹特性的变化趋势Fig.5 The changing tendency of mechanical viscoelastic nature of three starch pastes along with cooling time

2.5 淀粉糊冷藏后各关键指标的变化情况

表1给出了冷藏后的淀粉糊在不同老化时间下弹性因子、流度因子、宏观黏度因子和固液平衡值的变化情况。由表1可知，3种淀粉糊随老化时间的延长均表现出相似的趋势，弹性因子和宏观黏度因子上升，流度因子和固液平衡值下降。这表明在老化的过程中，凝胶网络尺寸逐渐缩小，强度逐渐增大，凝胶结构进一步形成[29-30]。在相同的老化温度和时间条件下，甘薯淀粉糊EI值和MVI值远大于木薯淀粉糊，FI值和SLB值远小于木薯淀粉糊，这说明甘薯淀粉较木薯淀粉更易形成网络结构。尽管甘薯/木薯等比例混合后淀粉糊的EI值介于两者之间，但在冷藏时间为0、6、12 h的条件下，混合样品的EI值更接近于甘薯淀粉，而冷藏时间延长至24 h后，混合体系的EI值则与木薯淀粉相近。这再次表明相对较短的老化时间，甘薯淀粉对混合淀粉糊回生影响更大，而长期老化过程中，木薯淀粉的影响则占主导作用。从各指标反映的结果来看，通过被动粒子示踪微流变技术能够在一定程度上对淀粉的长期老化行为进行表征。

3 结论

作为一种新的流变学研究方法，被动粒子示踪微流变具有很强的连续评价淀粉糊在冷却老化过程中流变特性与内部结构变化的能力。但其各个指标所能表征的方面有所不同。总结起来，微流变给出的EI、FI和SLB能很好地表征淀粉糊冷却初期直链淀粉的短期老化行为，且相比之下SLB具有更好的区分度。MVI可同时表征淀粉糊冷却初期直链淀粉的短期老化与冷却后期支链淀粉的长期老化。同时被动粒子示踪微流变能很好地评价淀粉糊冷却过程的黏弹特性变化以及进行凝胶点的判断，也能够通过各关键指标在一定程度上对淀粉糊的长期老化行为进行表征。但这只是初步的探索，后续还需要将这一技术与传统的快速黏度仪、机械流变仪、质构仪等对比，确定该方法的可信度与有效度，同时建立该技术在淀粉糊老化行为评价上的规范操作方法。