亲水胶体对红芽芋全粉理化特性和消化特性的影响

李 云 牛丽亚 涂 瑾 方加军 熊河生 肖建辉

(江西农业大学食品科学与工程学院1，南昌 330045)(江西省红芽芋工程技术研究中心2，上饶 334000)

铅山红芽芋是江西省上饶市铅山县特产，2016年全县的红芽芋种植面积达到6 666.7 hm2，年总产量高达15万t，但其开发程度远不及其他块茎、块根植物，如山药、马铃薯、甘薯等[1, 2]，加快开发利用铅山红芽芋，对引导当地经济的发展具有重要意义。

亲水胶体在较低浓度下就可赋予水溶液或其他悬浮液较高的黏度或者形成凝胶[3]，通常作为增稠剂、持水剂、凝胶剂、稳定剂以及乳化剂等广泛应用于含淀粉量较高的食品中。κ-卡拉胶、黄原胶和瓜尔胶是食品中常用的3种亲水胶体。研究表明，亲水胶体能够改变淀粉基食品的流变学特性以及质构，还能够影响淀粉的糊化与回生[4, 5]。而亲水胶体不同的分子结构导致其对样品的影响也有所不同。但目前关于亲水胶体对红芽芋全粉的影响研究鲜见报道。

本实验选用κ-卡拉胶、黄原胶和瓜尔胶3种亲水胶体，再以不同比例(0.4%、0.8%)与红芽芋全粉混合形成复配体系，并对复配体系的持水性、持油性、膨胀度、糊化特性、冻融稳定性、凝胶特性以及体外消化特性进行测定，探讨亲水胶体对红芽芋全粉理化特性和消化特性的影响及作用机制。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

铅山红芽芋；福临门非转基因压榨玉米油；κ-卡拉胶；黄原胶、瓜尔胶；猪胰淀粉酶(350 U/g)；糖化酶(10万单位/g)，DNS试剂；无水葡萄糖、醋酸钠、醋酸(3种试剂均为分析纯)。

1.2 仪器与设备

WFJ2100型可见分光光度计；TA-XT plus物性测定仪；RVA-4快速黏度分析仪。

1.3 方法

1.3.1 样品的制备

红芽芋全粉的制备：新鲜铅山红芽芋→清洗去皮→切片(厚度约为1 mm)→烘干(40 ℃)→粉碎→过筛(80目)→筛上物再次粉碎(直至全部过筛)→红芽芋全粉。

按照不同添加量(0.4%、0.8%)分别称取相应质量的红芽芋全粉和亲水胶体(κ-卡拉胶、黄原胶、瓜尔胶)，混合均匀，制成样品备用。以未添加任何胶体的红芽芋全粉为空白组。

1.3.2 持水性

参考朱新鹏等[6]的方法并略作改进。将0.1 g样品加入离心管中，质量记为m1，然后加入 2.4 mL 蒸馏水，混合均匀，沸水浴20 min，冷却至室温后以3 000 r/min 离心25 min，倒出上清液后，倒置沥干水分，质量记为m2。

持水性(g/g)=(m2-m1)/m1

1.3.3 持油性

参考朱新鹏等[6]的方法略作改进。将0.5 g样品加入离心管中，质量记为m1，然后加入3 mL玉米油，沸水浴20 min，冷却至室温后以3 000 r/min离心25 min倒置沥干油分，质量记为m2。

持油性(g/g)=(m2-m1)/m1

1.3.4 膨胀度

参考马梦苹等[7]的方法略作改进。将0.75 g 样品和25 mL 蒸馏水加入离心管中，混合均匀，分别在50、70、90 ℃水浴下振摇20 min 后，取出静置10 min后，在 5 000 r/min下离心20 min，去除上清液，然后将离心管倒置沥干水分后，称重。

膨胀度=(m2-m1)/m0

式中：m0为样品质量/g；m1为离心管质量/g；m2为沥干水分后样品和离心管总质量/g。

1.3.5 糊化特性

参考吕振磊等[8]的方法略作改进。准确称取一定量的样品，加入铝罐中，再加入25 mL 蒸馏水，用旋转桨将沾在铝罐壁上的样品全部混入蒸馏水中，放在样品台上，前8 s以960 r/min 搅拌，之后保持160 r/min 转速直至实验结束。RVA 初始温度为50 ℃并保持1 min ，然后以12 ℃/min的速度提高到95 ℃，并95 ℃下保持2.5 min ，再以相同的速度降至50 ℃并保持1 min，整个过程共历时13 min。

1.3.6 冻融稳定性

将2.0 g样品和20 mL 蒸馏水加入离心管中，混合均匀，沸水浴8 min，冷却后放入-18 ℃冰箱中冷冻20 h，然后取出放入25 ℃水浴中解冻2 h，这是1次冻融处理，再分别做1、2、3次冻融循环处理，将处理后的样品放入离心机中，以3 000 r/min离心15 min，离心后称质量，然后去除上清液，将离心管倒置沥干水分后称质量，计算析水率。

析水率=[(m2-m3)/(m2-m1)]×100%

式中：m1为离心管质量/g；m2为离心后样品和离心管总质量/g；m3为沥干水分后样品和离心管总质量/g。

1.3.7 胶凝特性

将6 g样品和16 mL蒸馏水搅拌均匀，放入50 ℃水浴锅中后开始升温至90 ℃，在90 ℃下保温30 min，然后放入在4 ℃的冰箱中放置24 h，然后进行凝胶质构，测试条件：探头P/36R；感应力5 g；测试形变30%；测前速率1.5 mm/s；测试速率1 mm/s；测后速率1 mm/s。

1.3.8 体外消化性

精确称取200 mg样品，然后加入15 mL 0.15 mol/L(pH 5.2)醋酸钠-醋酸缓冲液，在90 ℃水浴条件下振摇30 min，然后在37 ℃水浴条件下平衡温度，再加10 mL 混合酶(100 mL缓冲液，3 g猪胰α-淀粉酶和0.15 g糖化酶混合制成)，在37 ℃水浴下分别反应20 min和120 min后取出，沸水灭酶10 min，再在3 000 r/min下离心10 min。取1 mL上清液稀释10倍，再取1 mL稀释后的溶液，加入2 ml DNS试剂，混合均匀，在沸水浴下反应5 min后，立刻用冰水冷却2 min，然后加入22 mL蒸馏水，混合均匀后，在5 min之内测得540 nm处的吸光值。

易消化淀粉：RDS=(G20-FG)×0.9/TS×100%

慢消化淀粉：SDS=(G120-G20)×0.9/TS×100%

抗性淀粉：RS=[TS-(RDS+SDS)]/TS×100%

式中：G20为酶解20 min后葡萄糖的量/mg；G120为酶解120 min后葡萄糖的量/mg；FG为酶解前游离葡萄糖的量/mg；TS为样品中总淀粉量/mg；RDS为易消化淀粉的质量分数/%；SDS为慢消化淀粉的质量分数/%；RS为抗性淀粉的质量分数/%。

1.4 统计分析

每个实验均重复3次，使用 IBM SPSS Statistics 22软件对数据进行统计分析，使用Origin 9绘图。

2 结果与分析

2.1 亲水胶体对红芽芋全粉持水性的影响

由图1可见，添加这3种亲水胶体都能增加体系的持水性，这可能与亲水胶体本身就具有较高的吸水能力和持水能力有关[3,9]。但随着添加量的增加，3种胶体复配体系的持水性呈现不同变化趋势，其中κ-卡拉胶复配体系的变化趋势为逐渐升高，而黄原胶和瓜尔胶的为逐渐降低。这可能是由于黄原胶和瓜尔胶的水溶性比κ-卡拉胶的水溶性好[3, 10]，所以当添加量增加时，黄原胶和瓜尔胶与芋头淀粉分子竞争结合体系中水分子，阻碍了淀粉分子吸水，从而使其持水性呈现逐渐降低的趋势[11]。

2.2 亲水胶体对红芽芋全粉持油性的影响

从图2中可以看出添加3种胶体都能显著降低红芽芋全粉的持油性，其中瓜尔胶的效果最好。但随着添加量的增加，κ-卡拉胶复配体系的持油性也随之升高，而黄原胶复配体系的持油性则随之下降，瓜尔胶的基本不变。

在制作油炸食品过程中，常加入亲水胶体作为可食性膜在食品的表面形成保护膜，阻止油脂的进出，降低其吸油量[12,13]。由此可推断是因为3种胶体形成的保护膜阻碍了全粉中亲油物质与油脂的结合而导致持油性的降低。而卡拉胶添加量的增加，导致持油性随之升高，可能是因为κ型卡拉胶在浓度较低时能与全粉中的蛋白质反应生成聚合物[14]，阻碍了蛋白质与油脂的结合，从而降低了持油性，而当添加量增加为0.8%时，这部分作用减弱甚至消失导致其持油性相比较添加量为0.4%时有所提高。

2.3 亲水胶体对红芽芋全粉膨胀度的影响

从图3中可以看出在90 ℃条件下，添加3种胶体都能显著提高红芽芋全粉的膨胀度，其中瓜尔胶效果最差。这可能是由于在90 ℃时，在振摇条件下，淀粉分子和胶体都能充分吸水膨胀，避免了相互竞争吸水，而瓜尔胶可能因为没有离子基团，分子之间的相互排斥力较小，在振摇时更易靠近形成凝胶[3]，附于淀粉表面，阻碍了淀粉分子进一步吸水膨胀，导致其复配体系的膨胀度没有卡拉胶和黄原胶高。

2.4 亲水胶体对红芽芋全粉糊化特性的影响

从表1可以看出添加这3种亲水胶体都能极大的提高整个复配体系的峰值黏度、谷值黏度和终值黏度，增大了崩解值，降低了消减值和回生值(其中添加黄原胶使回生值降低的程度最大)，使红芽芋全粉的热稳定性变差，凝沉性变弱，不易回生。而且相比较空白组，3种胶体的复配体系的成糊温度和峰值时间也有所提升。

整个体系的糊化是芋头淀粉颗粒在水中受热之后吸水溶胀，期间伴随着分子内及分子间氢键的断裂，部分淀粉分子溶出，导致整个体系的表观黏度迅速升高的一个过程[15, 16]。这3种胶体的水溶液具有较高的黏度，并能与溶出的直链淀粉以及低分子质量的支链淀粉分子形成复合物，从而进一步增加了体系的表观黏度[16]。同时由于3种胶体与淀粉分子的结合，减少了芋头淀粉分子之间的结合，阻碍了直链淀粉有序排列，使复配体系变得不易回生[16, 17]。再结合前面的实验结果，发现3种胶体拥有较强的吸水能力，能结合游离水(黄原胶和瓜尔胶甚至会跟芋头淀粉分子竞争吸水)，减缓了整个体系中的水分迁移，而水作为增塑剂不仅参与淀粉分子链的重结晶而且利于淀粉分子链的迁移[16]。因此，由于自由水含量的减少使淀粉分子链重排变得困难，从而使复配体系更加不易回生，也使峰值时间和成糊温度升高。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，余同。图1 亲水胶体添加量对红芽芋持水性的影响

图2 亲水胶体添加量对红芽芋持油性的影响

图3 不同温度下亲水胶体添加量对红芽芋全粉膨胀度的影响

表1 亲水胶体对红芽芋全粉糊化性质的影响

注：同一列中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

2.5 亲水胶体对红芽芋全粉冻融稳定性的影响

样品的冻融稳定性一般用析水率来表示，析水率越小，冻融稳定性越好[18]。从图4中可以看出，添加κ-卡拉胶和瓜尔胶能够显著降低体系的析水率，提高冻融稳定性。在不同冻融次数下，不同比例的两种胶体降低析水率的程度也不同：在前2次循环冻融处理下，瓜尔胶的效果明显好于卡拉胶，但在第3次循环冻融时，卡拉胶在添加量为0.8%表现出非常好的效果，直接将析水率从空白组的32%降到21.5%。

图4 亲水胶体对红芽芋全粉析水率的影响

样品在冷冻时，体系中的水分结成冰，解冻后冰转化为水，从聚合网络中析出导致淀粉局部浓度升高，直链淀粉更容易组合结晶，从而析水量增多[19]。结合前面的实验结果可推断出是由于κ-卡拉胶和瓜尔胶能够与水和淀粉分子结合降低复配体系回生值，阻碍淀粉重结晶，从而使析水率降低[20]。

从图4中还可看出与空白组相比，在前2次循环冻融处理下，黄原胶复配体系的析水率较高，而在第3次循环冻融处理后，析水率反而降低。结合前面的实验结果以及邹近凤等[21]的研究，推断出黄原胶在整个复配体系中可能存在两种作用机制，一方面黄原胶与水和淀粉结合，降低回生值，提高体系冻融稳定性；另一方面黄原胶的阴离子和红芽芋全粉中的阳离子之间发生静电吸引，促进凝沉作用，增加了析水率。在前2次循环冻融处理下，阴阳离子静电吸引作用较强，而进行第3次循环冻融处理时，淀粉可能正处于长期回生过程中，黄原胶阻碍淀粉回生作用较强，从而总体表现为降低析水率，提高冻融稳定性。

2.6 亲水胶体对红芽芋全粉凝胶特性的影响

由表2可知在硬度和咀嚼性方面，添加3种胶体极大降低了硬度和咀嚼性，其中黄原胶和瓜尔胶效果较好；在黏度方面则有不同程度的提升；弹性几乎没有太大变化，只有在添加0.8%瓜尔胶时，弹性才表现出明显降低，可能与瓜尔胶易形成凝胶，且凝胶较柔软的性质有关。

3种亲水胶体会与淀粉因为热力学不相容性而产生相分离，从而有助于增加芋头淀粉分子之间的相互作用，使直链淀粉分子更加接近，利于分子缔合；同时亲水胶体分子还会对淀粉颗粒内支链分子交联结晶产生干扰，导致凝胶体系的硬度和结晶度降低[22]。而黏性的升高则与前面糊化特性实验结果相一致。

表2 亲水胶体添加量对红芽芋全粉凝胶质构特性的影响

2.7 亲水胶体对红芽芋全粉体外消化特性的影响

由表3可知在添加3种胶体后，RDS含量显著降低，并且添加量的越大，RDS含量下降程度越大；SDS含量在加入0.8%瓜尔胶后无显著变化，在其他复配体系中都表现为显著下降；RS含量均为显著升高，其中在加入0.8%黄原胶后，RS含量上升的程度最大，升至19.85%。

这与Sasaki等[23]的研究结果一致，即添加这3种亲水胶体能够抑制样粉酶解的速度和程度。结合Sasaki等[23]、周姗姗等[24]的研究，其原因可能是添加3种胶体，使体系黏度增加影响了酶解进程；同时胶体能和淀粉分子结合，形成空间位阻，阻碍了酶与底物的接触，而胶体添加量越高，使自由流动水越少，导致酶解速度和程度也越低，最终使SDS含量随之减少。即添加胶体后，体系中的RDS和SDS部分转化为RS，其中在0.8%瓜尔胶复配体系中，RS主要由RDS转化而来。

表3 亲水胶体添加量对红芽芋全粉易消化淀粉、快消化淀粉、抗性淀粉含量的影响

3 结论

添加3种胶体均可不同程度地提高红芽芋全粉的持水性和膨胀度，降低持油性，其中瓜尔胶效果最好。RVA曲线表明所有胶体都能极大地提高体系的峰值黏度、谷值黏度和终值黏度，增大崩解值，降低回生值和消减值。卡拉胶和瓜尔胶能降低析水率，提高冻融稳定性，而黄原胶只有在第3次冻融处理时提高冻融稳定性。与空白组相比，3种胶体复配体系的硬度和咀嚼性下降，黏度上升。消化特性结果表明所有胶体都能降低RDS含量和提高RS含量，其中添加0.8%黄原胶能使RS含量从10.11%升至19.85%。因此，亲水胶体可应用于红芽芋面点制品、平衡血糖食品等的开发中。