高水分环境条件下普通和蜡质大麦淀粉不同比例复配体系的功能性质

赵神彳，李 鑫，刘 骞,*，孔保华，胡公社

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.美国农业部-农业研究局，国家杂粮和马铃薯种质资源研究中心，美国 爱达荷 亚伯丁 83210）

淀粉是人类饮食中主要的能量来源，具有良好的凝胶、增稠、品质改良等特性，在食品工业中被广泛应用[1]。然而，由于天然淀粉较差的功能特性（溶解性差、热加工过程中稳定性差、贮存期间易回生、冻融易析水等），已经成为其在实际应用过程中所面临的巨大障碍[2]。为了解决上述问题，经常采用化学改性（交联、氧化、基团替代等）和物理改性（湿热处理、干热处理、冻融处理等）方法对淀粉进行处理，以期提高其功能特性[3]。但是，由于化学改性淀粉的安全性问题，以及对天然食品成分需求的增加，使用化学物质对淀粉进行改性变得不受欢迎[1]。而物理改性只是局限于淀粉颗粒的重新排布，因此其作用效果远小于化学改性[4]。Zavareze等[5]研究发现湿热处理能够显著降低淀粉颗粒的膨胀性以及抑制直链淀粉的溢出，从而加速淀粉的回生。

除上述常见的淀粉改性方法以外，复配不同来源的天然淀粉成为改善淀粉功能特性的一个新方法[1]。复配淀粉已经应用于挤压膨化制品等多种食品加工中，以提高产品的品质[6]。另外，复配淀粉体系中的不同水分含量会显著影响淀粉的糊化特性，同时还会显著影响淀粉凝胶的质构特性和流变学特性[3]。Li Shuanghong等[7]研究表明随着木薯淀粉含量的增加，木薯淀粉与甘薯淀粉复配体系具有高的糊化稳定性，不易形变，淀粉组分之间发生相互作用，而且复配物在90%水分质量分数条件下糊化特性和流变学特性显著降低。Wu Kao等[8]发现在80%水分质量分数条件下，随着绿豆淀粉复配比例的增加，能够显著提高绿豆淀粉、马铃薯淀粉和大米淀粉三者复配体系的峰值黏度。Waterschoot等[1]研究表明在97%水分质量分数条件下，随着马铃薯淀粉复配比例的增加，马铃薯淀粉与大米淀粉复配体系的峰值黏度、衰减值和膨胀率显著提高。淀粉复配物的糊化特性受每种淀粉以及淀粉复配物组成成分的影响，而且与淀粉复配物的浓度密切相关。Novelo-Cen等[9]研究表明随着金甲豆淀粉含量的增加，能够显著提高金甲豆淀粉与木薯淀粉复配体系淀粉颗粒，从而使淀粉复配体系在99%水分质量分数条件下具有较强的膨胀性、吸水能力和溶解性。另外，在糊化或凝胶形成过程中，淀粉分子会与淀粉颗粒相互作用，水分子在此过程中会与淀粉颗粒发生竞争，水分含量会影响淀粉凝胶的形成，进而改变淀粉的溶解度以及膨胀率[10]。

在前期研究中，本实验组从2 种不同品种来源的大麦（Tetonia hulled barley和Transit hull-less barley）中分别得到普通大麦淀粉（normal barley starch，NBS）和蜡质大麦淀粉（waxy barley starch，WBS），并对2 种大麦淀粉的基本理化性质和功能特性进行了研究。研究结果表明，与NBS相比，WBS具有较低的糊化温度、回生值和凝胶强度。此外，WBS具有极佳的冻融稳定性，甚至在经历5 次冻融循环以后，其冻融析水性仅为1.88%，但是NBS的冻融稳定性较差[11]。本实验进一步研究NBS和WBS按照不同比例复配以后的功能特性的变化，以NBS和WBS为主要对象，研究在高水分环境条件下（质量分数95%）复配淀粉功能特性与原天然淀粉之间的差异，以期为大麦淀粉的复配改性提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大麦（Tetonia hulled barley和Transit hull-less barley）均由美国农业部-农业研究局国家杂粮和马铃薯种质资源中心提供，Tetonia大麦为有壳大麦，Transit大麦为无壳大麦。其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

去壳机 美国科迪马有限公司；3045型磨粉机 美国博朗公司；RW20机械搅拌机 美国IKA公司；电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；RVA-4型快速黏度分析仪（rapid visco analyser，RVA） 澳大利亚Newport科学仪器公司；水浴锅 余姚市东方电工仪器厂；电子分析天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司；TA-XT2质构分析仪 英国戈德尔明稳定微系统有限公司；GL-21M高速冷冻离心机 湖南湘仪离心机仪器有限公司；单点模拟磁力搅拌器 北京昊源科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 大麦淀粉的提取

将Tetonia大麦用实验室去壳机进行脱壳处理后，分别将2 种大麦通过磨粉机磨成大麦粉。大麦淀粉的提取参照Liu Keshun等[12]的方法。将750 g大麦粉放入11.3 L、45 ℃温水中，然后加入160 mL 2 mol/L氢氧化钠溶液，并调节溶液pH值至10.0。5 500 r/min搅拌20 min，将上述溶液25 ℃、4 500×g离心25 min。离心后除去上清液并收集沉淀，在沉淀中加入1～2 倍体积的蒸馏水，2 400 r/min搅拌10 min后过270 目筛。将收集到的滤液25 ℃、4 500×g离心15 min，并弃去上清液。将沉淀表面的纤维和破损的淀粉除去，剩下的沉淀则为大麦淀粉。提取出的湿淀粉在室温（25 ℃）下用电风扇吹干，然后用粉碎机粉碎后过50 目标准筛，即得大麦淀粉。将NBS和WBS分别按照质量比为100∶0、75∶25、50∶50、25∶75、0∶100进行复配，得到5 组淀粉复配物，以NBS、NBS75∶WBS25、NBS50∶WBS50、NBS25∶WBS75、WBS表示。

1.3.2 淀粉悬浮液和淀粉凝胶的制备

将1.3.1节制备的淀粉复配物分别配制成50 mg/mL（干基质量）的淀粉悬浮液，并在RVA中糊化，制备淀粉凝胶。

1.3.3 淀粉溶解性和膨润力的测定

参照Kong Baohua等[13]方法，并稍作改动。将50 mg/mL淀粉悬浮液于100 ℃水浴加热后，8 000×g离心30 min。将离心后的上清液和沉淀物倒入铝盒中，将其放入105 ℃的烘箱中直至质量恒定。

1.3.4 淀粉糊的黏度曲线

参照Kong Baohua等[13]方法，并稍作改动。在专用的铝盒内制作50 mg/mL的淀粉浆液，并进行机械搅拌，用RVA测定。

1.3.5 淀粉持水力的测定

采用Delgado-Nieblas等[14]方法稍作改动。将50 mg/mL淀粉悬浮液放入10 mL离心管中，在沸水浴中加热30 min，然后室温下冷却静置20 min。25 ℃、4 500×g离心30 min，弃去上清液，并用薄纸沥干10 min。吸水指数通过式（1）计算：

1.3.6 淀粉样品凝胶穿刺强度测定

在30 mm×50 mm的称量瓶中，放入淀粉悬浮液沸水浴加热20 min后，将淀粉凝胶在室温中放置30 min，将淀粉凝胶样品在4 ℃贮存24 h备用。在分析凝胶前，需在室温（21～25 ℃）解冻30 min。用型号TA-XT2质构分析仪分析凝胶强度，并将其连接到5 kg测力传感器上。用P/0.5平表面圆柱形探针（直径12 mm）以50 mm/min的速度在凝胶中轴向渗透至8 mm的深度。以凝胶破裂所需压力表示为凝胶强度。

1.3.7 淀粉冻融稳定性的测定

采用Srichuwong等[15]方法测定淀粉样品的冻融稳定性。使用RVA按照1.3.2节方法制备淀粉凝胶。待凝胶冷却至室温，将淀粉凝胶分装在10 mL的离心管中，于－18 ℃的环境下冷冻21 h，然后将带有凝胶的离心管放入30 ℃恒温水浴箱中解冻，室温下以8 000×g离心10 min。淀粉样品的析水率按式（2）计算：

1.3.8 微观结构观察

将淀粉悬浮液按照1.3.4节的方法进行糊化，然后冷却至室温，形成淀粉凝胶。将淀粉凝胶置于50 mL离心管中，－18 ℃冻融1～5 次。选取第1次和第5次冻融后的样品切成1 cm×1 cm×1 cm的正方形小块，先用2.5%、pH 6.8戊二醛浸泡过夜固定，然后切成3 mm×5 mm×1 mm的长方形小块，之后用0.1 mol/L、pH 6.8磷酸缓冲液洗涤3 次，每次10 min。分别用70%、80%、90%的乙醇溶液脱水10 min；再用100%乙醇溶液脱水3 次，每次10 min；而后依次用100%乙醇-叔丁醇（1∶1，V/V）和叔丁醇各置换1 次，每次15 min。最后用ES-2030（HITACHI）型冷冻干燥仪对样品进行干燥。样品观察面向上粘贴在扫描电镜样品台上，用E-1010（Giko）型离子溅射镀膜仪进行离子溅射喷金，扫描电镜观察。

1.4 数据统计分析

2 结果与分析

2.1 溶解度、膨胀性和持水力分析

表1 NBS和WBS不同比例复配体系的溶解度、膨胀性和持水力的变化Table 1 Changes in solubility, swelling power and water absorption capacity of NBS and WBS blends with various mass ratios

淀粉的溶解度表示为淀粉在加热过程中的溶解能力[16]，即淀粉分子在淀粉糊化过程中浸出的行为[17]。如表1所示，NBS75∶WBS25和NBS的溶解度较好，分别为3.77%和3.72%。随着NBS的含量增加，淀粉复配物的溶解度增加。一方面由于淀粉颗粒无定形层被破坏，使糊化的淀粉从颗粒内部浸出，使淀粉溶解度增加；另一方面，淀粉颗粒的结晶层形成屏障，阻碍水分子进入淀粉颗粒内部[18]，从而使淀粉的溶解度降低。此外，谷物淀粉的分子形态、淀粉颗粒的大小、直链淀粉的含量、支链淀粉的结构、晶体结构等均会影响淀粉的溶解性[19]。在加热过程中，支链淀粉可能发生断裂或者较长的直链淀粉分子形成较多且短的直链淀粉分子，使淀粉的溶解度降低[20]。淀粉复配体系之间的吸水性具有显著差异，NBS的吸水性最低为31.36 g/g（P＜0.05），随着NBS的含量降低，吸水性增加，其中NBS添加量为50%时其吸水性最高为36.13 g/g（P＜0.05），当NBS添加比例大于50%时，吸水能力下降。吸水性增加是由于淀粉颗粒的非结晶区在加热糊化过程中被破坏，使水分子进入到颗粒内部[21]。

如表1所示，淀粉复配体系中，NBS添加量50%时的膨胀性为最好，与其他复配物具有显著差异，其值为18.88 g/g（P＜0.05）。在加热过程中，淀粉的膨胀和水解作用表明淀粉分子链间发生相互作用。由于复配淀粉中直链淀粉与支链淀粉含量的不同，使其膨胀性和溶解性之间差异显著。研究表明，直链淀粉分子会抑制淀粉颗粒的膨胀，而支链淀粉分子间双螺旋的分解，使淀粉发生溶胀[22]。另外，淀粉颗粒在形成凝胶过程中，会膨胀到原来的几倍；淀粉中支链分子的长链越多，淀粉的膨胀性越高[23]。NBS与WBS混合后，其复配淀粉的支链淀粉含量增加，使淀粉分子的膨胀性增加。Kim等[24]研究普通淀粉和蜡质淀粉的膨胀性发现，表观直链淀粉含量以及直链淀粉脂质络合物的含量会抑制淀粉的膨胀。Srichuwong等[25]认为支链淀粉中的短支链的缺失，中间支链淀粉数量增加使分子重新排列，淀粉内部结晶区域稳定性增加，从而抑制淀粉颗粒膨胀。Wang Li等[26]认为淀粉的结晶区域增加，支链淀粉分子之间的相互作用加强，抑制了淀粉无定型区域的水合作用，使淀粉的膨胀性受到抑制。

2.2 糊化特性分析

淀粉复配物之间的糊化参数有很大差异，即使是来源于相同基因型的淀粉，理化性质也不尽相同，因为淀粉的组成和加工特性很大程度上取决于其原料生长环境[27-28]。如图1和表2所示，不同复配比例淀粉的糊化曲线与天然淀粉相比有很大的不同。当WBS添加量大于25%时，其复配物糊化温度随着复配比例的增加而降低；复配物的峰值黏度，也出现不同程度的增加，WBS的峰值黏度为1 334.50 cP。有研究表明，淀粉中直链淀粉含量会直接影响淀粉的糊化温度，因为增加的直链淀粉分子一定程度上会抑制淀粉的膨胀[29]。另外，Zhang Chen等[2]发现普通玉米淀粉与蜡质玉米淀粉的糊化温度和黏度具有显著性差异，主要是由淀粉中的直链淀粉分子含量所决定的。淀粉的峰值黏度通常与淀粉颗粒中的支链淀粉含量呈正相关，与直链淀粉含量呈负相关。淀粉之间的交联作用使淀粉的黏度发生改变，一方面，交联作用阻止直链淀粉分子从淀粉颗粒中浸出并形成新的稳定结构，使淀粉的黏度增加；另一方面，水分子进入形成的新结构时被阻碍，使淀粉的膨胀率和黏度降低[17]。与WBS相比，其他复配物的最小值、终值、衰减值随着NBS比例的降低而减小。如表2所示，WBS易发生糊化，其糊化温度最低为67.78 ℃（P＜0.05）。NBS具有最低的终值和衰减值，分别为175.00、7.05 cP；当WBS添加量为75%时，复配体系具有最高的终值（1 103.00 cP）（P＜0.05）。Ahmed等[30]在研究不同基因型的马铃薯淀粉的糊化特性时，具有相同的研究结果。一方面衰减值越低说明淀粉具有越好的耐热性能[27]，因此，NBS与其他淀粉相比具有较低的耐热性；另一方面，淀粉的终值与淀粉膨胀颗粒的稳定性有关，淀粉颗粒的大小以及形状，直链淀粉和支链淀粉的支链长度会影响淀粉的糊化性质，在加热过程中直链淀粉从膨胀的淀粉颗粒中浸出，重新聚合形成网络结构使终值增加[25,31]。淀粉的回生值表示淀粉糊的回生趋势[32]，回生值随着WBS的比例增加而增大，当WBS添加量达到50%时，回生值达到最大为352.00 cP（P＜0.05）。Sandhu等[33]发现直链淀粉分子含量的增加导致淀粉糊的回生值和终值增加。

图1 NBS和WBS不同比例复配体系的糊化曲线图Fig. 1 Pasting curves of normal and waxy barley starch blends with various mass ratios

表2 NBS和WBS不同比例复配体系的糊化特性的变化Table 2 Changes in pasting properties of normal and waxy barley starch blends with various mass ratios

2.3 淀粉凝胶穿刺力分析

如图2所示，NBS的凝胶穿刺力与其他淀粉复配体系具有显著差异（P＜0.05）。淀粉的凝胶强度受很多因素影响，例如直链淀粉的黏度，淀粉颗粒的体积，糊化后淀粉颗粒的硬度、持水能力以及分散相和连续相之间的相互作用等[33-34]。在淀粉凝胶过程中，直链淀粉分子在高温加热的水中很容易发生溶解，并与凝胶体系形成连续相，而支链淀粉分子在高温加热的水中很难溶解，只能在水中发生溶胀使淀粉糊化。WBS的支链含量高，NBS直链淀粉含量明显高于WBS[11]，在复配体系中，随着NBS比例的增加，其淀粉凝胶强度随之增加。此外，淀粉复配体系中，NBS添加量为50%时的凝胶强度低于其添加比例为25%时的凝胶强度，这可能是由于水中溶解的直链淀粉分子与淀粉颗粒中其他分子发生聚合并附在颗粒表面，阻碍其他物质浸出，致使淀粉的凝胶性降低。另外，淀粉性质的变化，使其凝胶过程中发生回生，从而导致淀粉的凝胶强度增加[35]。

图2 不同复配比例的NBS和WBS凝胶穿刺力的变化Fig. 2 Changes in puncture force of starch gels prepared with normal and waxy barley starch blends with various mass ratios

2.4 冻融稳定性分析

表3 不同复配比例的NBS和WBS凝胶在不同冻融循环（1、3、55 次）后脱水收缩率的变化Table 3 Changes in syneresis of starch gels prepared with normal and waxy barley starch blends with various mass ratios after 1, 3 and 5 freeze-thaw cycclleess

淀粉的冻融析水性用来评估淀粉凝胶在冻融期间所产生的不良物理变化。淀粉凝胶在冻融期间会使淀粉分子链相互交联，尤其是淀粉直链分子，结果会导致水分子从淀粉凝胶中浸出[36]。如表3所示，WBS的冻融析水性在1～5 次冻融循环中均为最低且较为稳定，随着WBS的添加比例不断增加，复配物凝胶的冻融析水性在第1次冻融循环后降低。不同比例淀粉凝胶的冻融析水性差异显著，在1～5 次冻融循环周期后，它们的冻融析水性随着循环周期的增加而出现不同程度的增加。Teng等[37]认为冻融析水性随着冻融循环次数的增加而增加是由于在冻融循环中淀粉的回生增加造成的。NBS在1～3 次冻融循环周期后，其冻融析水性达到最高为47.89%（P＜0.05），3～5 次冻融循环周期后，其冻融析水性降低至32.73%（P＜0.05）。有研究表明直链淀粉回生行为的延缓造成淀粉冻融析水性的降低，使淀粉的黏度增加[38]。淀粉凝胶在冷冻期间，由于淀粉分子和冰晶之间会形成相，从而使淀粉凝胶在融化 期间，直链淀粉分子和支链淀粉分子的网络结构之间发生脱水作用[39]。Srichuwong等[15]发现普通淀粉和蜡质淀粉更能有效降低冻融析水性，这是由于这些淀粉具有较高的支链淀粉分支度与聚合度的比率以及较低的表观直链淀粉含量。直链淀粉分子的长度以及高迁移率使淀粉凝胶发生回生，最终导致第1、3、5次的冻融析水性增加。Singh等[40]研究19 种籼稻淀粉发现，淀粉的膨胀率与冻融析水性之间呈正相关，但是并没有发现直链淀粉与淀粉的冻融析水性之间的关联。

2.5 淀粉凝胶冻融后的微观结构

图3 不同复配比例的NBS和WBS凝胶在不同冻融循环后微观结构的变化Fig. 3 Scanning electron microscopy images of starch gels prepared with normal and waxy barley starch blends with different mass ratios after 1 and 5 freeze-thaw cycles

不同比例的天然大麦淀粉复配物在第1次和第5次冻融循环周期后的微观结构具有显著性差异。第1次冻融循环后的淀粉凝胶微观结构见图3A，展现了清晰的纹理以及海绵状结构。淀粉胶体在冻融循环后造成的海绵状结构，是由于直链淀粉的回生以及冰晶的形成所导致的。淀粉凝胶通过冷冻干燥处理后被观测，凝胶中的自由水先是冷冻形成冰晶然后升华形成水蒸气，最后形成无规则的孔洞[41]。随着冻融循环次数的增加，孔洞数量变多，尺寸变大，使越来越多的自由水从凝胶网络结构中析出。Ye Jiangping等[42]认为冻融期间淀粉凝胶析出的水分比重新吸收的水分含量高，从而形成蜂窝状结构。Charoenrein等[36]认为由于淀粉分子重新进行有序排列，在冻融过程中形成冰晶，从而形成图3中的凝胶结构。第5次冻融循环后的淀粉凝胶微观结构如图3B所示，孔径变大，孔洞加深，孔壁变薄导致破裂和塌陷，凝胶内的水分不同程度的流失，造成大量失水，致使孔壁塌陷堆叠在一起。淀粉凝胶的微观结构在第1次和第5次冻融循环后具有显著差异，是由于冻融循环后淀粉凝胶的持水力增加以及WBS的加入，使淀粉复配物凝胶的冻融析水性降低，自由水含量降低。WBS在冻融循环中具有较为稳定的微观结构，水分流失较少，这与其冻融析水性结果一致。

3 结 论

本实验主要研究了在高水分环境条件下（95%水分）2 种大麦淀粉复配（NBS、NBS75∶WBS25、NBS50∶WBS50、NBS25∶WBS75、WBS）后功能特性（溶解性、膨胀性、吸水性、糊化特性、凝胶强度、冻融稳定性）的变化。其中，WBS的添加能够显著降低NBS的溶解度和凝胶强度，同时显著提高NBS的膨胀力、吸水性、峰值黏度以及糊化温度。与此同时，WBS的添加能够显著提高NBS的冻融稳定性。上述研究结果表明，WBS与NBS以不同比例复配会对NBS自身的功能特性产生显著影响，为大麦淀粉的改性及其在食品工业中的广泛应用提供新的理论依据。