温度调控红薯淀粉老化特性的研究

代云飞,高海燕,姜继凯,曾洁,刘玉粉,靳致远

（河南科技学院食品学院,河南新乡453003）

红薯又称番薯,富含淀粉、蛋白质和多种维生素等,有较高的食用价值和药用价值,还能够通过工业生产制作酱油等.红薯淀粉可由鲜红薯或红薯干加工制得,但目前通常以鲜红薯加工淀粉为多,这是由于鲜红薯中淀粉品质较好且易加工.淀粉具有半结晶的颗粒结构,溶于水中并加热到一定程度,分子开始舒展,线性分子由有序状态变为无序状态,即淀粉的糊化,同时还伴随着溶解性变化、黏度、老化等现象发生.“老化”是“糊化”的逆过程,即已经溶解于水中的淀粉分子吸水膨胀重新排列组合,形成的类天然淀粉结构的物质,这一过程具有不可逆性.淀粉老化后的口感和消化吸收率等关键指标均呈现降低趋势,一定程度上造成了淀粉类食品的大量浪费.为降低不利影响,食品开发研究人员通常会加入抗老化剂或者改进传统加工方式来延长淀粉老化时间,增长货架期.

淀粉的加工性能和成品的品质与淀粉的老化密切相关,因此研究淀粉的老化过程对指导淀粉的加工具有十分重要的意义[1].目前影响淀粉老化的因素有：淀粉分子结构、淀粉分子聚合度、水分、温度、直链淀粉和支链淀粉的比例、糖类等六种[2].从淀粉分子聚合度的角度来讲,直链分子的分子量过大或过小都会影响淀粉老化的进程,分子量适中时更容易凝沉；支链分子的分子质量较小,一般来讲链长在10个单位左右[3-4],较易形成稳定的双螺旋结构.张雨桐等[5-7]对菠萝蜜种子淀粉进行分离发现支链聚合度对其理化特性、凝胶特性和老化特性均有显著影响.此外温度对淀粉老化的影响也十分明显,据有关文献称,贮藏温度与淀粉回生呈负相关.在5℃左右保存时,大部分直链淀粉较易发生老化凝结沉淀,而在45℃保存时,只有较小分子发生老化.此外,温度下降速率也对淀粉的老化有显著影响,缓慢冷却加重了淀粉回生程度,快速冷却与之相反.淀粉分子在不同温度下老化难易程度不同,在2～4℃易老化,高于60℃和低于-20℃时较难发生老化[8-9].玉米淀粉凝胶的硬度与贮藏温度有关,在3.5℃时达到峰值；刘炳利等[10]发现不同热处理方式对淀粉的凝胶特性等具有重大影响；高成成等[11]研究发现淀粉凝胶经不同温度贮藏后均呈现两种尺度上的质量分型结构等.综上所述他们的研究都在一定程度上表明温度调控对淀粉的老化特性有显著影响.但是,在0～-10℃关于红薯淀粉凝胶老化特性的研究相对较少.

不同温度下,淀粉的老化速率存在较大差异,因此本试验通过测定同一贮藏时间内不同贮藏温度（3℃、0℃、-3℃、-6℃、-9℃）对红薯淀粉老化特性的影响,对探究温度对淀粉凝胶老化特性具有一定指导意义[12].

1 材料与方法

1.1 试验材料

红薯淀粉200 g,温县源汇调味食品有限公司.

1.2 仪器与设备

TA-XTplus质构分析仪,英国Stable Micro Systems公司；RVA快速黏度分析仪,TecMaster澳大利亚新港科学仪器有限公司；Q200差示扫描量热仪,美国TA公司；HYC-TH-800H可程式恒温恒湿试验箱,东莞市泓进检测仪器有限公司；Aiphal-2LDplus真空冷冻干燥机,德国CHRIST冻干机有限公司.

1.3 试验方法

1.3.1样品处理 淀粉凝胶采用快速黏度测定仪制备,称取3 g淀粉放入专用铝盒中,加25 mL蒸馏水,均匀搅拌后将铝盒放入仪器中开始测量.采用升温降温程序：室温升高至50℃后再升高至95℃,在95℃保温2.70 min,从95℃降低至50℃,在50℃时保温2 min,采用快速黏度测定仪测得原淀粉黏度特性的曲线,并用配套软件记录和分析数据[13].

将糊化后的样品放入不同温度下保存24 h得到淀粉凝胶,用于后续测定.

1.3.2质构（TPA）测试 在不同温度条件下放置红薯淀粉凝胶于快速黏度测定仪测定硬度、弹性、回复性、黏性、咀嚼性和回复性等指标.测试条件：选用P/36R探头；感应力5 g；测试形变25%；测前速率3 mm/s；测中速率0.8 mm/s；测后速率3 mm/s[14].

1.3.3凝胶强度测试 凝胶强度的测定采用P/0.5圆柱型探头,进行穿刺模拟试验,被测样品表面积大于测定面积,过程中同时存在压缩和剪切作用,可表征凝胶样品对抗局部压缩和剪切的能力.参数设定：触发力为2 g,测量前下降速度为2.0 mm/s,测试速度为1.5 mm/s,测量后上升速度为1.5 mm/s,压缩深度为10 mm,凝胶强度值由质构仪软件直接读取,每个样品重复测试3次并取平均值[15].

1.3.4糊化特性测试 淀粉的糊化特性采用快速黏度测定仪测定,样品经真空冷冻干燥过筛后,准确称取3.0 g于快速黏度测定仪专用铝盒中,加水25 mL,均匀搅拌后开始测定.采用升温降温程序同1.3.1,测得黏度特性的曲线,并快速黏度测定仪配套软件记录和分析数据[16].

1.3.5差示扫描量热仪测试 配制约30 mg的淀粉乳（淀粉质量分数为40%）于铝盘中,密封圈密封并平衡4 h.选用空铝盘作为对照,DSC测定扫描温度范围为25～130℃,扫描速率为5℃/min.记录吸热曲线上相变起始温度（T0）、相变峰值温度（Tp）和相变终止温度（Tc）3个特征参数[17].

1.3.6淀粉凝沉稳定性测定 将不同温度贮藏后的红薯淀粉凝胶进行冷冻干燥,磨粉并过100目筛后进行凝沉性测定.准确称取5 g处理后的红薯淀粉凝胶粉末和95 mL蒸馏水混合,沸水浴条件下加热20 min后冷却.将混合溶液转移至带塞量筒中,于室温下静置30 min,记录0,6,12,18和24 h后上清液体积及淀粉糊总体积,按下式计算红薯淀粉凝沉稳定性[18]式中：N/%为凝沉性；h/mL为上清液体积；H/mL为淀粉糊总体积.

2 结果与分析

2.1 不同温度对红薯淀粉凝胶老化质构特性影响

不同温度对红薯淀粉凝胶老化质构特性影响见表1.

表1不同温度对红薯淀粉凝胶老化质构特性影响Tab.1 Effectsof different temperatureson theagingtexturecharacteristicsof sweet potatostarch gel

由表1数据可知,样品温度从3～-9℃的变化中,硬度、弹性、回复性、黏性和咀嚼性指标均出现一定的变化.淀粉凝胶硬度、黏性和咀嚼性随此试验温度梯度的下降而上升,但是弹性和回复性却随温度梯度的下降而下降.淀粉凝胶硬度、黏性和咀嚼性与温度呈负相关,弹性和回复性与温度呈正相关.主要原因是由于淀粉最适老化温度区为0～-3℃[19].随着贮藏温度的降低,淀粉老化过程受阻,只有在0～-3℃温度范围内,淀粉老化速率最快,所以相同老化时间内,当老化温度高于或低于此温度范围时,淀粉凝胶弹性和硬度却降低.另外,冻结过程中冰晶的逐渐形成和生长对淀粉分子造成挤压,使得淀粉凝胶分子间距离缩短,也对淀粉凝胶的三维网络结构发生造成破坏,并导致水分析出,形成吸满水的海绵或半海绵状[20].因此随着贮藏温度的降低,弹性、回复性都呈现下降的趋势；淀粉凝胶硬度、黏性、咀嚼性呈现上升的趋势[21].

2.2 不同温度对红薯淀粉凝胶老化凝胶强度特性影响

不同温度对红薯淀粉凝胶老化凝胶强度特性影响见图1.

图1 不同温度对红薯淀粉凝胶老化凝胶强度特性影响Fig.1 Effectsof different temperatures on the gel strength characteristicsof sweet potatostarch gel aging

由图1数据我们可以明显看出,随着温度的降低,红薯淀粉凝胶的凝胶强度呈现出上升趋势,红薯淀粉凝胶的凝胶强度与温度呈明显的反比关系.同时在0～-3℃这一范围内凝胶强度整体上升但变化不大,也与淀粉最适老化温度区相佐证.凝胶强度与温度呈负相关是由于随着贮藏温度的降低,红薯淀粉凝胶在冷却冻结过程中冰晶的逐渐形成和生长对淀粉分子造成一定的挤压破坏.使得淀粉凝胶分子间距离缩短.-3～-9℃凝胶强度变化显著,有关资料表明,温度低于-3℃时淀粉分子之间会产生交联现象,凝胶强度快速增加,从而导致红薯淀粉凝胶强度呈现出明显上升[22].

2.3 不同温度对马铃薯淀粉凝胶老化黏度特性影响

不同温度对马铃薯淀粉凝胶老化黏度特性影响见表2.

表2不同温度对红薯淀粉凝胶老化黏度特性影响Tab.2 Effectsof different temperatures on the aging viscosity characteristicsof sweet potato starch gel

由表2的数据可以看出对照组的峰值粘度为4213 cp,衰减值为2285 cp,回生值为552 cp,糊化温度为50.01℃.在0℃时,样品的峰值黏度最低,-3℃的峰值黏度最高.随着温度的降低,红薯淀粉凝胶的峰值黏度、衰减值呈现先升高后降低的趋势,回生值明显上升.与对照组相比,在3～-9℃之间,峰值黏度大体呈上升趋势.主要原因可能是随着红薯淀粉中直链淀粉的老化,剩余支链淀粉未发生或者没有老化完全,同时直链淀粉对支链淀粉的老化有一定的抑制作用,使得凝胶冻干破碎后黏度增加[23].随着峰值黏度上升,衰减值也对应出现上升趋势.在-6～-9℃之间衰减值和最终黏度出现阶段性的下降,可能是温度下降对淀粉的糊化稳定性造成了一定的影响.

2.4 不同温度对红薯淀粉老化热力学特性影响

不同温度对红薯淀粉老化热力学特性影响见表3.

表3不同温度对红薯淀粉老化热力学特性影响Tab.3 Effectsof different temperatureson thethermodynamic properties of sweet potatostarch Aging

通过表3可以看出,在对应温度调控下的红薯淀粉凝胶存放24 h后,红薯淀粉的起始温度、峰值温度、最终温度相对于对照组均升高,但焓值却明显降低.主要原因可能是随着温度的降低,淀粉凝胶老化程度降低,同时造成分子之间结合紧密程度逐渐降低.因此焓值也随着降低[24-26].

2.5 不同温度对红薯淀粉老化热力学特性影响

不同温度对红薯淀粉老化热力学特性影响见图2.

图2 不同温度对红薯淀粉凝沉稳定性影响Fig.2 Effectsof differenttemperatureson thefirmness and stability of sweet potatostarch

通过图2中的数据可知,当凝沉时间为0～18 h时,不同温度处理下红薯淀粉的淀粉糊上清液体积呈现明显的增长趋势；当凝沉时间超过18 h以后,红薯淀粉糊上清液体积在不同温度梯度都出现较大的增幅,凝沉速率快速上升,沉降体积从大至小依次为-9℃、-6℃、-3℃、3℃和0℃.主要原因可能是凝胶在前期不同温度老化过程中,随着贮藏温度的降低,凝胶老化程度呈现下降的趋势.当凝胶冻干粉末再次糊化后,淀粉分子中未发生老化缔结的大量的自由基团再次随着温度降低重新发生缔结.前期贮藏温度越低,凝胶中的游离基团量越多.所以当室温静置后,随着温度的降低,凝沉性反而增加[26].

3 结论

采用质构仪、快速黏度测定仪和差示扫描量热仪对不同温度调控下的红薯淀粉老化程度进行测定.发现随温度降低,冻结过程中冰晶的逐渐形成和生长对淀粉分子造成一定程度挤压,使得淀粉凝胶分子间距离缩短,使得红薯淀粉的凝胶强度、硬度、黏性、咀嚼性缓慢上升,弹性和回复性下降,同时造成分子之间结合紧密程度逐渐降低,因此焓值也随着降低.试验结果表明3℃的淀粉最容易老化,随温度降低老化程度也在减缓,-9℃时老化程度最低.由此推测,低温贮藏可能对淀粉老化有抑制作用.