纤维素纳米晶体对甘薯淀粉糊化特性和流变特性的影响

崔少宁,谢 玮,葛胜菊

(烟台南山学院食品系,山东烟台 265713)

淀粉作为一种原材料或食品添加剂,如增稠剂、稳定剂或增强剂,在食品开发中起着至关重要的作用,如提供热值与影响质构[1]。如甘薯淀粉常以增稠剂和稳定剂的形式被用于生产甜味剂、纸张和纺织品[2],然而,受天然淀粉固有特性的限制,天然淀粉越来越不能满足现代工业的要求。淀粉在水分存在的条件下受热发生糊化[3]。糊化淀粉在存储和加工过程中易于老化,亦称回生。淀粉回生是原淀粉的α化向熟化变性后的β化转化的过程,是直链淀粉和支链淀粉分子重组的过程[4],这会降低食品的品质和消化性。如米饭的回生、糕点及面包硬化均属此类,因此,抑制淀粉回生是改善食品口感、延长货架期的重要措施。目前,食品领域常用的抗淀粉回生方法主要包括物性修饰法、化学改性法、酶法和基因工程法。物性修饰法,即通过添加蛋白质、食品胶体、糖和脂类等来抑制淀粉回生。已报道利用蛋白质抑制淀粉回生:猪血浆蛋白质/玉米淀粉[5]、麦谷蛋白/小麦淀粉[6]、米糠蛋白质水解物/大米淀粉[7]等;采用食品胶体抑制淀粉回生:黄原胶/玉米淀粉、瓜尔胶/玉米淀粉、结冷胶/马铃薯淀粉等;采用糖抑制淀粉回生:糖/玉米淀粉[8]、极限糊精/玉米淀粉[9]、纤维素/淀粉[10]等。化学改性法[11-12]、淀粉乙酰化[13]及氧化淀粉能够提高淀粉的抗回生能力,但容易引起食品安全问题。典型的酶法修饰淀粉来抑制回生采用的是淀粉酶,有α-淀粉酶和β-淀粉酶[14-15],尽管生物酶法是抑制淀粉回生的良好方法,然而,通过酶法处理过的产品会出现技术弊端,如表面组织状态差、食味不佳等[16]。基因修饰法[17]技术要求和成本都很高,现今不适合工业化生产应用。纤维素在调节人体生理机能方面起着非常重要的作用,具有促进肠道蠕动、利于减肥、防治便秘、预防肠癌发生等功能,是食品研究领域的热点。纤维素纳米晶体不仅具有天然纤维素的固有特性,且具有高透明性、超精细结构、高强度、高亲水性、高模量、高结晶度和较大的比表面积等[4]。

采用物性修饰法中的添加外源物质法改性淀粉,该法操作简单、安全且作用效果明显,纤维素纳米晶为天然大分子,具有极佳的生物相容性及安全性。因此,本文将纤维素纳米晶体与甘薯淀粉进行复配,考察纤维素纳米晶体对甘薯淀粉糊化特性和流变特性的影响,旨在开发天然淀粉回生抑制剂,为在分子水平上探索淀粉回生开辟一条新的研究途径,改善淀粉基食品的品质。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甘薯淀粉(水分含量13%) 青岛海达尔淀粉有限公司;微晶纤维素(食品级) 上海诺申食品贸易有限公司;硫酸 济宁市汶上县长浩商贸有限公司;其它试剂 均为分析纯。

MA35M-000230V1红外水分测定仪、Secura电子天平 北京赛多利斯有限公司;DKZ-1电热恒温振荡水槽 上海一恒科技有限公司;BCD-160TMPQ海尔冰箱 青岛海尔股份有限公司;PHS-25精密pH计 上海雷磁仪器厂;MCR102型动态流变仪 奥地利Anton Paar 有限公司;KQ-500E超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;TechMaster RVA快速黏度分析仪 澳大利亚Newport 科学仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 纤维素纳米晶体的制备 称取100 g微晶纤维素,加入1000 mL 65%硫酸溶液,搅拌均匀,50 ℃水解90 min,用100 W超声波处理30 min,加入8000 mL去离子水终止反应。将得到的乳白色悬浮液以11000 r/min离心10 min并洗涤至pH7,得到稳定的纤维素胶体。将胶体液倒入玻璃平皿于-20 ℃冷冻24 h,经冷冻干燥48 h得到样品[18]。

1.2.2 纤维素纳米晶体的透射电子显微镜分析 配制0.01%(w/v)的纤维素纳米晶体悬浮液,取20 μL悬浮液浸没碳涂层铜网,冷冻干燥后,用乙酸双氧铀染色20 min,室温干燥5 min。使用透射电子显微镜(Transmission electron micrographs,TEM)在80 kV条件下分析样品[19]。

1.2.3 纤维素纳米晶体对甘薯淀粉糊化特性的影响 称取1.5 g甘薯淀粉(干基计),以0、0.03、0.06、0.09、0.12、0.15 g的纤维素纳米晶体取代等量淀粉,置于铝罐中,加入适量的蒸馏水,浆液浓度为6%,进行糊化,记录数据。样品重复测定3次。

RVA模式,其具体参数设置为:淀粉浆在50 ℃下平衡1 min,以12 ℃/min的速率加热到95 ℃,95 ℃保持2.5 min,再以相同的速率冷却到50 ℃,最后在50 ℃保持2 min。搅拌叶片的转速在前10 s为960 r/min,其他时间均为160 r/min。整个测定过程13 min[20]。

1.2.4 流变特性的测定 参考刘敏等[21]的方法并加以改动,取用1.2.3制作的样品,采用平板-平板测量系统,平板直径50 mm,设置间隙1 mm。每次测试均需更换样品。

静态流变特性:温度25 ℃,剪切速率从0～300 s-1递增。幂定律模型用于静态剪切数据点回归拟合。方程为:

τ=Kγn

式中:τ 为剪切应力(Pa);γ为剪切速率(s-1);n为流体指数;K为稠度系数(Pa·sn)。

动态黏弹性测定:温度25 ℃,通过预实验中对线性黏弹区的测定,确定扫描应变值为1%。设定频率从0.1 Hz到10 Hz,测定贮能模量G′随角频率ω变化的情况,记录样品的黏弹性。

动态时间扫描:将样品置于平板上,4 ℃平衡5 min,扫描应变1%,频率0.5 Hz,测定样品的储能模量(G′)和tanδ在1 h内的变化。

1.3 数据处理

实验结果以“平均值±标准差”表示。所有试验均进行3次重复。使用Origin8、Excel绘制相关图表,并应用SPSS 17.0统计软件分析数据方差。使用Duncan法(P<0.05)比较平均值之间的差异性。

2 结果与分析

2.1 纤维素纳米晶体制备

从图1可以看出,纤维素纳米晶体呈棒状,宽<20 nm,长50～300 nm。纤维素由两部分组成,结晶区和无定形区,无定形区反应活性较大,结晶区则性质稳定,基本不发生反应。在强酸水解过程中,特定温度和强酸浓度将使纤维素中的β-1-4糖苷键发生一定程度的裂解。酸中H+进入无定形区与氢键反应生成水溶性物质[22]。Tang等[18]采用低强度超声辅助硫酸水解微晶纤维素,制得纤维素纳米晶体的平均粒径为332.4 nm。

图1 纤维素纳米晶体透射电镜图(×20.0k)

2.2 纤维素纳米晶体对甘薯淀粉糊化特性的影响

纤维素纳米晶体明显地降低了甘薯淀粉的最终黏度,归因于纤维素纳米晶体与淀粉分子之间的氢键作用和链缠结。纤维素纳米晶体对峰值黏度的影响甚微,这可能是由于纤维素纳米晶体是带负电荷的胶体,分子间存在静电排斥,低比例条件下无凝胶现象;而高比例时会发生分子链缠结,使黏度增大[20]。这与Sun等[27]的结果一致。羟丙基甲基纤维素对大米淀粉的峰值黏度和谷值黏度几乎没有影响,羧甲基纤维素钠降低了大米淀粉的最终黏度和回生值。

表1 纤维素纳米晶体/甘薯淀粉复合体系糊化特征值

2.3 纤维素纳米晶体对甘薯淀粉流变特性的影响

2.3.1 静态流变特性 图2清楚地反映了样品结构随剪切速率变化的规律。随着剪切速率增大,剪切应力逐渐增大,在相同的剪切速率下,复合体系的剪切应力低于纯甘薯淀粉,且随着纤维素纳米晶体含量的增加,复合体系在流动过程中需要的剪切应力也相应降低。

图2 纤维素纳米晶体/甘薯淀粉复合体系静态流变曲线

曲线的数据点采用幂定律拟合。R2是趋势线拟合程度的指标,拟合程度越高,趋势线的可靠性就越高。R2>0.99,表明拟合具有较高精度。K值反映增稠能力,K值越大,增稠效果越好[24]。添加纤维素纳米晶体取代等量淀粉,体系的稠度系数K减少,黏度降低,与RVA测定复合体系的黏度值降低规律一致。流动性指数n反映了黏-切依赖性的大小,所有流体指数n<1,说明复合体系仍为假塑性流体[28]。随着纤维素纳米晶体含量的增加,n逐渐接近于1,表明复合体系的假塑性逐渐减弱,流动性得到改善[29]。

表2 纤维素纳米晶体/甘薯淀粉复合体系拟合参数

由图3可知,剪切速率<25 s-1,淀粉糊的黏度迅速下降,且随着剪切速率增加,黏度逐渐下降并趋于平衡。与纯甘薯淀粉相比,甘薯淀粉/纤维素纳米晶体复合体系的黏度略微降低,并随着纤维素纳米晶体的添加而增加。一定量的纤维素纳米晶体取代淀粉,将降低淀粉糊的黏度,这可能是因为纤维素纳米晶体在淀粉糊化过程中能与淀粉相结合,减小了淀粉分子之间的黏结作用,在淀粉糊化过程中,淀粉颗粒的溶胀受到阻碍,因此淀粉分子间的黏结程度降低,这表现为淀粉糊黏度的降低[29]。

图3 纤维素纳米晶体/甘薯淀粉复合体系黏度随剪切速率变化曲线

2.3.2 动态流变特性 动态流变反映样品的黏弹性,储能模量G′代表能量储存的弹性性质;损耗模量G″表示能量损耗的黏性性质;动态机械损耗模量tanδ(tanδ=G″/G′)[24]。由图4A可知,G′随着角频率的增加逐渐上升。由图4B可知,tanδ小于1,即G′始终大于G″,所有体系均以弹性性质为主,所有体系均呈现典型的弱凝胶动态流变图。

图4 纤维素纳米晶体/甘薯淀粉复合体系储能模量(A)与tanδ(B)随角频率变化的曲线

tanδ值越大,体系的黏性越强,可流动性越强;tanδ值越小,表明体系的弹性越强[30]。从图4B可以看出,tanδ值随着纤维素纳米晶体比例增加而增大。这是由于储能模量G′比损耗模量减少的程度更大,导致tanδ逐渐增大。这表明纤维素纳米晶体与甘薯淀粉相互作用以增强流体的黏性。纤维素纳米晶体对甘薯淀粉糊性质的影响主要归因于纤维素纳米晶体与淀粉形成的复杂网络结构间的相互作用。纤维素纳米晶体具有良好的亲水性导致淀粉分子的水合作用和分子内氢键的形成受到影响,淀粉颗粒的溶胀受到抑制。

2.3.3 动态时间扫描 直链淀粉的快速聚集形成三维凝胶网络结构,储能模量G′快速升高,因此G′的变化反映淀粉短期回生的程度[31]。从图5可知,随着纤维素纳米晶体取代淀粉量增加,G′值逐渐降低,表明纤维素纳米晶体的添加增强了体系的流体性。这与动态流变结果一致。添加纤维素纳米晶体的体系在前2000 s内G′增长速率迅速,可能是由于水分蒸发引起的。而后增长速率减缓,逐渐趋于平稳。G′的增加越慢,淀粉中渗漏的直链淀粉减少,纤维素纳米晶体能够延迟淀粉的短期回生。tanδ随着纤维素纳米晶体比例的增加而增大,表明复合体系具有更好的流动性。

图5 纤维素纳米晶体/甘薯淀粉复合体系储能模量及tanδ随时间变化的曲线

3 结论

本实验探究了纤维素纳米晶体对甘薯淀粉糊化特性和流变特性的影响。纤维素纳米晶体显著地降低了甘薯淀粉的回生值,而衰减值明显增加。纤维与淀粉间的作用延缓了淀粉分子链自身重排引起的回生,使复配体系有较好的稳定性。纤维素纳米晶体/甘薯淀粉糊的流变模型符合幂率模型,属于假塑性流体。纤维与淀粉结合后具有更好的增稠作用,添加纤维素纳米晶体使复合体系的黏性增强,为纤维素纳米晶体在甘薯淀粉基制品的应用提供参考。