薯类淀粉与卡拉胶共混体系特性及其对肌原纤维蛋白凝胶特性的影响

(天津市食品生物技术重点实验室,天津商业大学生物技术与食品科学学院,天津 300134)

淀粉是一类高分子碳水化合物,根据分子链构成不同,可分为直链淀粉和支链淀粉。淀粉具有来源丰富、成本低廉、生物可降解等特点而广泛应用于食品工业及生物医药等领域,西方国家淀粉平均摄入量超过50%,而发展中国家高达90%[1-2]。薯类淀粉是中国主要淀粉种类之一,常见的薯类淀粉包括红薯淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉等。其中红薯含有丰富的氨基酸,且所含热量低,可当做一种减肥食品;目前马铃薯日益成为主食之一,马铃薯淀粉具有广阔的应用前景;而木薯作为三大薯类之一,除含有丰富的营养价值外,还具有一定的保健功能。但天然薯类淀粉在加工储藏过程中对热、剪切作用敏感,易于老化而影响食品品质。研究表明,淀粉与亲水性胶体复配使用可增强其抗剪切性,改善产品的流变性质、质构和持水性等。如高脱乙酰度魔芋葡甘聚糖可增强马铃薯淀粉凝胶强度[3],魔芋胶能够显著降低甘薯淀粉的糊化温度,提高粘度、崩解值和回生值,显著抑制淀粉的长期回生[4],阿拉伯胶可降低面条硬度等[5]。

卡拉胶又称角叉莱胶、鹿角藻胶等,分为κ-卡拉胶、λ-卡拉胶和ι-卡拉胶3种重要类型,是一种非常稳定的亲水性胶体,在食品工业中应用广泛,可作为乳化剂、胶凝剂、悬浮稳定剂等[6]。通过对亲水性胶体和淀粉复配的研究,可掌握加工过程中产品质构变化情况,控制产品质量,在改善天然淀粉理化性质和扩大其应用范围方面已成为一种趋势[7-8]。

故本文将马铃薯淀粉、木薯淀粉、红薯淀粉及混合淀粉与卡拉胶以不同比例复配,研究共混体系的静态流变、凝胶质构、冻融稳定性和回生特性。并进一步考察了淀粉、卡拉胶与鸡胸肉肌原纤维蛋白混合后的凝胶特性,以期为深入了解淀粉与卡拉胶的相互作用机理，提高其在肉类食品加工中的应用提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

木薯淀粉 北京市厨大妈食品有限公司;红薯淀粉 北京味多美食品有限公司;马铃薯淀粉 山东金城股份有限公司;卡拉胶 海星生物科技有限公司;鸡胸肉(冷藏) 天津市华润万家超市;NaH2PO4、NaCl、EDTA(分析纯) 天津市赢达希化学试剂厂;MgCl2(分析纯) 天津市天大化工实验厂;三聚磷酸钠(STP) 天津市光复精细化工研究所。

SMSTA TA.XT plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司;Physica MCR301高级旋转流变仪 奥地利安东帕公司;HW-S24电热恒温水浴锅 上海一恒科学仪器有限公司;FA2004A电子天平 上海精天仪器有限公司;H185台式高速冷冻离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司;Q20差示扫描热量仪 美国TA仪器公司;IKA T10高速组织匀浆机 德国IKA公司;H1650-W台式高速离心机 长沙湘仪离心仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 淀粉与卡拉胶共混体系的制备 准确配制质量浓度为6%(g/mL)的不同配比(10∶0、9.5∶0.5、9∶1、8.5∶1.5、8∶2 (g/g))的马铃薯淀粉/卡拉胶溶液、木薯淀粉/卡拉胶溶液、红薯淀粉/卡拉胶溶液、混合淀粉(木薯、红薯、马铃薯按1∶1∶1混合)/卡拉胶溶液后,置于95 ℃水浴锅中加热糊化30 min,并不断搅拌。糊化结束后,在室温下冷却,待用。

1.2.2 淀粉、卡拉胶及肌原纤维蛋白共混体系的制备

1.2.2.1 肌原纤维蛋白的提取 参考Park等[9]、袁程程等[10]的方法,将鸡胸肉从4 ℃冰箱取出,洗净切碎后加入4倍体积的肌原纤维蛋白提取液(0.002 mol/L MgCl2、0.1 mol/L NaCl、0.001 mol/L EDTA、0.1 mol/L Na2HPO4pH=7),30 s高速匀浆,在4 ℃、5000 r/min条件下离心15 min,取沉淀,重复离心2次,再向所得沉淀中加入4倍体积的0.1 mol/L NaCl溶液,与上述相同的离心条件下重复离心3次,弃上清液,最后沉淀即为肌原纤维蛋白(4 ℃保存待用,储存时间不得超过一周)。

1.2.2.2 淀粉、卡拉胶及肌原纤维蛋白共混体系的制备 为提高肌原纤维蛋白的凝胶效果,提前加入适量的磷酸盐与蛋白混合。根据王诗萌[11]、吴鹏等[12]的方法,取一定量的肌原纤维蛋白,用0.1 mol/L NaCl制备60 mg/mL的蛋白溶液,加入3%的三聚磷酸钠(STP),室温下中档速度搅拌2 h,静置,待pH稳定后即得磷酸化肌原纤维蛋白。

固定淀粉与卡拉胶的配比为8∶2(淀粉/卡拉胶共混体系的流变与质构特性在8∶2时相对较好),以磷酸化肌原纤维蛋白溶液为溶剂,淀粉和卡拉胶为溶质、分别配制0%、5%的淀粉、卡拉胶及肌原纤维蛋白共混体系,95 ℃条件下水浴30 min后,室温冷却,待用。

1.2.3 流变特性的测定

1.2.3.1 触变性的测定 分别取少量按1.2.1中制备的4组不同配比的淀粉与卡拉胶共混体系和按1.2.2.2中制备的淀粉、卡拉胶及肌原纤维蛋白共混体系于高级旋转流变仪的测定平台上,选取探头为PP 50,直径为25 mm的锥板模具,恒定温度为25 ℃,测定样品剪切应力(τ)分别在3 min内随剪切速率(γ)从0～300 s-1递增(上行线),再从300～0 s-1递减(下行线)过程中的变化[13]。

1.2.3.2 剪切稀化的测定 按照1.2.3.1步骤取样及放样,温度恒定为25 ℃,测定样品在剪切速率(γ)从0～120 s-1递增过程中表观粘度(η)的变化。

1.2.4 凝胶质构的测定 参照刘静雪[14]的方法做修改,将1.2.1中制备的淀粉与卡拉胶共混体系和1.2.2.2中制备的淀粉、卡拉胶及肌原纤维蛋白共混体系置于质构仪下测定凝胶的质构特性,测定参数为:探头为P/0.5,测前速度1.0 mm/s,测试速度1.0 mm/s,测后速度1.0 mm/s,触发力为5 g,压缩比为40%。样品平行测3次。

图1 淀粉/卡拉胶共混体系的触变性Fig.1 Thixotropies of starch/carrageenan mixed systems

1.2.5 冻融稳定性的测定 按1.2.1中的方法制备淀粉与卡拉胶共混体系,取10 mL离心管,倒入约8 mL的共混体系溶液,冷却至室温,置于-20 ℃左右冰箱中冻藏20 h后在40 ℃水浴中融化2 h,以此为一个冻融循环(freeze-thaw cycle,FTC),分别冻融循环1、3、5次测其析水率。在6000 r/min条件下室温离心20 min,弃上清液,称沉淀物质量(m3),重复测3次。

析水率计算公式为:

式中:m1为离心管质量,g;m2为冻融前总质量,g;m3为冻融后沉淀物质量,g。

1.2.6 回生热力学性质的测定 按1.2.1中方法制备样品,冷却后取少量于差示扫描量热仪(Differential Scanning Calorimetry,DSC)测定(以此作为淀粉的糊化焓ΔHg),其余放入4 ℃冰箱分别储藏3、5 d进行测定。测定程序为:从30 ℃以10 ℃/min升温速率加热至200 ℃,从曲线上记录糊化的起始温度T0、峰值温度Tp、终止温度Tc,由峰面积确定淀粉的糊化焓值ΔHg和回生焓值ΔHr。

回生率的计算公式为:

式中:ΔHg为淀粉糊化焓值,J/g;ΔHr为淀粉回生焓值,J/g。

1.3 数据处理

采用Excel 2007、Origin 9.0、SPSS对实验数据进行处理分析及绘图。每个实验重复测3次。

2 结果与分析

2.1 不同比例的卡拉胶对淀粉功能特性的影响

2.1.1 静态流变学特性

2.1.1.1 触变性的分析 触变性是非牛顿流体特有的一种流变行为,指体系在剪切力作用下,有序的结构受到一定程度的破坏,当撤去剪切力或剪切速率减小,体系结构又逐渐恢复,但短时间内不能恢复到之前的黏度曲线而产生滞后环,表现出触变性。滞后环面积越大,触变性越强,形成的凝胶能力越差,结构被破坏后越不易恢复[15]。

由图1可知,淀粉/卡拉胶共混体系的流变曲线均过原点趋向剪切应力轴,上行线与下行线不重合,表现为假塑性流体。通过对流体曲线方程滞后环面积拟合如表1所示,随着加入卡拉胶比例的增加,木薯淀粉和马铃薯淀粉滞后面积越来越小。虽然在8∶2处滞后面积有所增加,但与原淀粉相比,添加卡拉胶的滞后面积较小。这表明卡拉胶的加入可明显降低体系的触变性,提高假塑性和剪切稳定性,增强体系的相对稳定性。Tao等[16]在芥末酱中加入改性淀粉-胶体共混体系发现可增大其屈服应力,提高稳定性。肉桂胶也能增强体系的剪切稳定性[17]。红薯淀粉的滞后面积随着卡拉胶所占比例的增加先减小后增加,在配比为9∶1时滞后面积最小。混合淀粉的滞后面积随卡拉胶的加入先减小后增加,最后又减小,相对于其他单一淀粉来说,混合淀粉的变化规律相对复杂。红薯淀粉中加入适量卡拉胶也能降低体系的触变性,增强剪切稳定性,进一步增加卡拉胶使体系触变性增大,剪切稳定性降低。分析原因可能是红薯淀粉的支链淀粉含量很高,其结构本身很稳定,当加入少量的卡拉胶时增强了红薯淀粉的结构,继续增加卡拉胶,卡拉胶与其相互作用破坏了原本稳定的支链结构,从而导致了滞后面积的增加,触变性增强,降低了体系的相对稳定性[18]。

从表1中还可看出马铃薯淀粉的滞后环面积明显大于红薯淀粉、木薯淀粉和混合淀粉,原因是马铃薯淀粉的直链淀粉含量较高,受剪切力作用后分子间氢键作用被破坏程度相对较大,导致其结构不易恢复。

表1 不同配比淀粉/卡拉胶共混体系的滞后面积Table 1 The area of hysteresis of starch/carrageenan mixed systems with different proportions

图2 淀粉/卡拉胶共混体系的剪切稀化Fig.2 Shear thinning of starch/carrageenan mixed system

2.1.1.2 剪切稀化的分析 剪切稀化是指随着流体剪切速率的增加,表观黏度降低的现象,是非牛顿流体重要流变学特性之一,是假塑性流体特有的现象[19]。

从图2中可看出,4组淀粉的表观黏度都随剪切速率的增加先显著降低后趋于平缓,存在明显的剪切稀化现象。其原因可能是淀粉充分糊化后,共混体系间的分子链相互缠绕,对流动产生较大的阻力,阻碍了分子的运动,表现出表观黏度较大,而当外部剪切力作用共混体系时,破坏了共混体系的内部结构而导致相互缠绕的分子链解旋,分子间氢键断裂,流体间剪切应力减小,从而出现了共混体系表观黏度下降的现象;当剪切速率继续增大到一定程度时,共混体系间的分子来不及取向或已经充分取向,此时共混体系的表观黏度维持至一个常数[20]。马铃薯淀粉中添加结冷胶和一些淀粉-多糖的研究中也存在剪切稀化现象[21-23]。

从图2中还可看出,同一剪切速率下木薯淀粉、红薯淀粉与卡拉胶的共混体系的表观黏度随着卡拉胶加入比例的增长而增大,说明卡拉胶具有增加体系的表观黏度的作用。与崔少宁等[24]在普通玉米淀粉中加入纳米纤维素的结果一致。与马铃薯原淀粉相比,卡拉胶的加入先使马铃薯与卡拉胶共混体系的表观黏度降低后又增加,在8∶2时表观黏度最大。分析出现这种现象的原因可能与马铃薯淀粉的构成有关,卡拉胶易与马铃薯直链淀粉形成非共价氢键,使得分子链段间的缠结点增加,当共混体系受外力剪切作用时,部分氢键断裂,分子间产生解旋作用,出现表观黏度下降现象[25],而继续增加卡拉胶的量,卡拉胶与淀粉分子间相互作用缠绕位点增多,致使结构相对更紧密,表观黏度增大。混合淀粉与卡拉胶共混体系的表观黏度在配比为9.5∶0.5时最小,在9∶1时最大,这与触变性的结果类似。表明多种淀粉混合使用时,卡拉胶的加入也能达到使体系的结构更加紧密的效果,但不同的淀粉混合表观黏度的变化有所差异。

2.1.2 凝胶质构的分析 由表2可知,随着卡拉胶在体系中所占比例的增加,4组淀粉与卡拉胶形成的共混体系的硬度都明显呈增大趋势。因为随着卡拉胶添加量的增加,体系中分子间作用力逐渐增强,分子与分子间的联系更加紧密致使硬度增大[26]。木薯淀粉、红薯淀粉在添加卡拉胶后出现弹性增大的现象,而马铃薯薯淀粉、混合淀粉的弹性有降低趋势。对于4组共混体系的粘聚性和回复性来说,薯类淀粉粘聚性和回复性都随卡拉胶所占比例的增加呈降低趋势。这与郑炯等[27]发现添加高酯果胶能降低豌豆淀粉的粘聚性的结果类似。

表2 不同比例卡拉胶对淀粉凝胶质构的影响Table 2 Effect of different proportions of carrageenan on texture of starch gel

注:同列不同字母表示差异显著性(P<0.05),表3同。

2.1.3 冻融稳定性的分析 淀粉类食品在运输、储藏等过程中,反复冻融会导致其水分流失和组织变软,而影响食品感官特性和货架期[28]。常用析水率评价淀粉冻融稳定性,析水率越高,说明淀粉凝胶冻融稳定性越差。

不同配比的4组淀粉与卡拉胶共混体系分别经过1、3、5次冻融循环后的析水率呈不同的变化趋势。从图3中可知,混合体系的析水率随冻融循环次数的增加而增加,

图3 淀粉/卡拉胶共混体系在1、3、5次冻融循环后的析水率Fig.3 Percent syneresis of starch/carrageenan mixed systems after 1 FTC,3 FTCs and 5 FTCs

在1～3次冻融循环中,析水率增加较快,3～5次循环析水率增幅明显变慢。这是因为在初始冷冻过程中,直链淀粉首先发生短期回生,链段发生重排致使水分被排挤析出,析水率明显增大;继续冻融循环时,支链淀粉逐步重新形成双螺旋结构,胶束中束缚的水也慢慢被排出[29]。

表3 不同比例的淀粉/卡拉胶共混体系的糊化温度和热焓值Table 3 Gelatinization temperature and enthalpy of starch/carrageenan mixtures with different proportions

表4 糊化后的淀粉/卡拉胶共混体系在4 ℃下分别贮存3、5 d后的回生焓值Table 4 Retrogradation enthalpy of gelatinized starch/carrageenan mixtures stored at 4 ℃ for 3 and 5 days

注:同行不同字母表示差异显著性(P<0.05),表5同。

随卡拉胶添加量的增大,马铃薯淀粉和混合淀粉的析水率降低。可能是因为亲水性胶体能吸附体系中的自由水,增强淀粉的持水能力而提高冻融稳定系[30-31]。木薯淀粉的析水率随卡拉胶比例的增大有略微增大的趋势,周子丹等[32]的研究发现添加魔芋胶和阿拉伯胶也能增大木薯淀粉的析水率。对于红薯淀粉来说,经过1、3次冻融循环的析水率先降低后增加。在卡拉胶加入的情况下，随着卡拉胶加入量的增多，混合淀粉的析水率呈下降趋势，经过多次冻融循环后析水率下降的原因可能是离心后的淀粉凝胶形成海绵状网络结构,将析出的水分倒吸回去[33],提高了体系的持水能力，从而出现了析水率降低的现象。

2.1.4 回生的热力学性质分析 淀粉的回生又称为老化,是指糊化后的淀粉在室温或低于室温下放置后,会变得不透明甚至产生沉淀的现象。从表3中可知,与原淀粉相比,木薯淀粉/卡拉胶体系的To、Tp、Tc值略有增加,焓值随卡拉胶的加入呈下降趋势,在配比为9∶1时最小。添加卡拉胶后，除马铃薯淀粉的To～Tc范围变宽外，木薯、红薯淀粉的To～Tc范围均减小，且与原淀粉相比卡拉胶的加入降低了焓值。可能是因为淀粉与卡拉胶相互作用,改变了结晶区和非结晶区之间的耦合力,降低了融化所需的热焓值[34]。混合淀粉的To、Tp、Tc值先降低后增加,焓值在加入卡拉胶后有增大的趋势。

淀粉的回生是指糊化淀粉分子从无序态向有序态转变的过程[35],而淀粉回生焓值反映了这个过程中重新有序排列堆积而成的晶体融化所吸收的热量[36]。表4为不同配比的4组淀粉与卡拉胶共混体系糊化后在4 ℃贮存3和5 d的回生焓值,从表中可知,添加卡拉胶可明显降低红薯淀粉在贮存过程中的回生焓值,抑制淀粉回生。木薯淀粉和马铃薯淀粉的回生焓值先减小后增大。与原淀粉相比,混合淀粉的回生焓值在加入卡拉胶后呈增大趋势。随着贮存天数的增加,4组淀粉/卡拉胶共混体系的回生焓值均增大。

图4、图5分别是4组淀粉/卡拉胶共混体系在4 ℃贮存3、5 d后的回生率,从图4～图5中可知,木薯淀粉和马铃薯淀粉的回生率随卡拉胶的增加先降低后增加，回生3 d时分别在9.5∶0.5和9∶1处达到最低，而回生5 d时，分别在9∶1和9.5∶0.5处达到最低，表明卡拉胶的加入会改变木薯淀粉和马铃薯淀粉的结构，能抑制或促进淀粉的回生。Zhou等[37]发现淀粉回生与胶体的浓度和种类有一定的相关性。与原淀粉相比，添加卡拉胶后的红薯淀粉与混合淀粉在配比为9∶1之后的回生率有降低的趋势，表明适量的卡拉胶能抑制红薯淀粉和混合淀粉的回生。其原因可能是卡拉胶的亲水性抑制了水分的流失，减小了重结晶区的形成，从而降低了淀粉的回生。Funami等[38]的研究发现添加胶体能明显的抑制玉米淀粉的回生。

图4 不同比例淀粉/卡拉胶共混体系 在4 ℃下贮存3 d后的回生率Fig.4 Retrogradation of starch/carrageenan blends with different proportions stored at 4 ℃ for 3 days

图5 不同比例淀粉/卡拉胶共混体系 在4 ℃下贮存5 d后的回生率Fig.5 Retrogradation of starch/carrageenan blends with different proportions stored at 4 ℃ for 5 days

2.2 淀粉与卡拉胶共混体系对肌原纤维蛋白凝胶特性的影响

2.2.1 静态流变学分析 淀粉、卡拉胶及肌原纤维蛋白共混体系也是非牛顿流体。由图6可知,肌原纤维蛋白在添加淀粉与卡拉胶后,随着剪切速率的增加,剪切应力明显增大,滞后面积也呈增大趋势。表明淀粉与卡拉胶的加入可明显增强肌原纤维蛋白的触变性。当体系结构被破坏后,淀粉、卡拉胶及肌原纤维蛋白共混体系相对不易恢复到原来的结构。在这4组混合体系中,木薯淀粉、卡拉胶与肌原纤维蛋白共混体系的剪切应力最小,混合淀粉、卡拉胶与肌原纤维蛋白共混体系相对较稳定。

图6 共混体系对肌原纤维蛋白触变性的影响Fig.6 The thixotropies of different starch, carrageenan and myofibrillar protein blends

由图7可知,随着剪切速率的增大,淀粉、卡拉胶及肌原纤维蛋白共混体系的表观黏度先急剧下降后趋于平缓,存在明显的剪切稀化现象。同一剪切速率下,添加淀粉与卡拉胶能明显增大肌原纤维蛋白的表观黏度,且红薯淀粉与卡拉胶对表观黏度的增加效果最好。

图7 不同淀粉、卡拉胶及肌原 纤维蛋白共混体系的剪切稀化Fig.7 The shear thinning of different starch, carrageenan and myofibrillar protein blends

2.2.2 凝胶质构分析 由表5可知,与肌原纤维蛋白相比,淀粉、卡拉胶及肌原纤维蛋白共混体系的硬度、弹性、粘聚性、胶着度、咀嚼度都明显增大,但回复性降低。表明淀粉与卡拉胶的加入可改变肌原纤维蛋白的凝胶质构性质,淀粉能明显提高复合凝胶的硬度和弹性[14]。可能是因为淀粉、卡拉胶与肌原纤维蛋白共混体系经95 ℃水浴30 min后,充分糊化的淀粉与蛋白质之间形成交联作用取代了蛋白质-蛋白质间的交联作用,使得凝胶的硬度、弹性、粘聚性等增大[39]。

3 结论

通过研究薯类淀粉/卡拉胶共混体系的静态流变特性,结果表明:共混体系为非牛顿流体,表现出假塑性;添加卡拉胶可减小流变曲线滞后面积,增大表观观粘度。凝胶质构特性实验表明:卡拉胶能增大淀粉的弹性和硬度,降低粘聚性和回复性。冻融稳定性实验表明:冻融稳定性与卡拉胶添加量呈正相关关系,与冻融循环次数负相关。

表5 不同淀粉、卡拉胶及肌原纤维蛋白的凝胶质构Table 5 The gel texture of different starch,carrageenan and myofibrillar protein blends

卡拉胶添加比例越大,体系析水率越小,冻融稳定性越好;随着冻融循环次数增加,析水率越大,冻融稳定性降低。通过对淀粉/卡拉胶共混体系热力学回生特性的研究发现,适量的卡拉胶可降低淀粉回生焓值,提高淀粉糊化温度,抑制淀粉回生。在薯类淀粉中添加适量的亲水性胶体可改善淀粉理化性质,从而提高产品质量,拓宽其在食品加工过程中的应用与开发。

将淀粉/卡拉胶共混体系应用到肌原纤维蛋白中能增强肌原纤维的触变性和表观黏度,其中混合淀粉、卡拉胶与肌原纤维蛋白共混体系稳定性最好。也能改善肌原纤维蛋白的凝胶质构特性,使得硬度、弹性、粘聚性、咀嚼度都得到了提升。因此,优化后的薯类淀粉与卡拉胶共混体系可提高凝胶类食品的功能性质,可为薯类淀粉的开发与利用提供一定的理论依据。