玉木耳多糖对杂粮粥糊化、流变及老化特性的影响

孙 聪，郑明珠，许秀颖，蔡 丹，刘美宏，曹 勇，刘景圣

（吉林农业大学食品科学与工程学院，小麦和玉米深加工国家工程实验室，吉林 长春 130118）

玉木耳是毛木耳白色变异菌种，是经杂交改良后选育出的稳定遗传、优质高产新品种。玉木耳外观温润如玉，口感清爽脆嫩，营养丰富多样[1]。玉木耳多糖是一种天然食用菌多糖，研究发现其具有抗肿瘤[2]、抗疲劳[1]、抗氧化及抑菌等功效[3]。

罐装粥类食品是一种复杂的生化胶体体系，其原料主要成分为淀粉，在贮藏期间淀粉会发生一系列变化，导致罐装粥品质下降，如消化吸收率降低、淀粉凝沉、可溶性淀粉减少等[4]，通常把这些现象称之为粥类的老化。多糖可以抑制淀粉的老化。曾子聪等[5]研究表明可溶性大豆多糖对大米淀粉的老化有显著抑制作用，可提高米制品质量、延长产品货架期。Torres等[6]研究表明多糖可以通过与淀粉分子间相互作用抑制淀粉的老化。肖东等[7]研究表明亲水多糖能延缓鲜湿面淀粉的老化，延长鲜湿面的货架期。陈龙[8]研究表明普鲁兰多糖对大米淀粉的短期老化与长期老化均有一定的抑制作用。玉木耳中含有丰富的玉木耳多糖，一定程度上可以抑制罐装粥类食品在贮藏过程中出现的变质老化现象[9]，从而替代常规的稳定剂，有益健康。

本研究将玉木耳多糖加入到杂粮粥中，制成一款绿色营养的罐装粥，同时用玉木耳多糖替代食品生产中常用的稳定剂。利用快速黏度分析（rapid visco analyser，RVA）仪、流变仪、差示扫描量热（differential scanning calorimeter，DSC）仪结合Avrami动力学模型[10]，分析玉木耳多糖对杂粮粥的糊化特性、流变特性和老化特性的影响，阐明玉木耳多糖对杂粮粥老化的抑制作用，以期为深度开发营养丰富、安全健康的玉木耳粥类罐装食品提供理论支持，也为玉木耳产品开发利用提供基础数据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉木耳、糯玉米、燕麦、小米、红豆、绿豆、芸豆市售；乙醇（食品级） 济南溪川化工科技有限公司。

1.2 仪器与设备

Q2000型DSC仪 美国TA仪器公司；TecMasterTM快速黏度分析仪 波通澳大利亚公司；MCR-302旋转流变仪奥地利安东帕有限公司；Alpha1-4LDplus冷冻干燥机德国Christ公司；Allegra X-30R高速离心机 美国Beckman公司；C21-WT2103多功能电磁炉 广东美的生活电器制造有限公司；DSX-2803高压蒸汽灭菌锅上海申安医疗器械厂。

1.3 方法

1.3.1 杂粮粥的制作

根据杂粮粥制作工艺要求，称取糯玉米、燕麦、小米、红豆、绿豆、芸豆若干，清洗除杂后对原料进行预熟处理，将处理好的各种原料混合灌装于灭好菌的玻璃罐中，加入纯净水，密封，置于高压灭菌锅中灭菌熟化，得到杂粮粥。

1.3.2 玉木耳多糖的提取

参考Yuan Qingxia等[11]的方法，略作修改，利用水提醇沉法提取玉木耳多糖。温度90 ℃、料液比1∶90（g/mL）、提取时间4 h。混合提取物于4 ℃、4 000 r/min离心20 min，过滤后取上层清液。向滤液中加入3 倍体积乙醇进行醇沉，4 ℃冰箱中放置过夜，5 000 r/min离心10 min，过滤，取沉淀。用蒸馏水复溶沉淀，真空冷冻干燥后得到玉木耳多糖。玉木耳多糖质量分数为69.8%。

1.3.3 添加玉木耳多糖的杂粮粥制作

根据杂粮粥制作工艺要求，将1.3.2节中得到的多糖按照原料质量的0%、3%、6%、9%、12%依次加入到纯净饮用水中，混匀待用。参照1.3.1节对杂粮粥原料进行预熟处理后，加入到混合均匀的液体中密封，置于预先设定好温度和时间的高压灭菌锅中灭菌熟化，最终得到含有不同比例玉木耳多糖的杂粮粥，按照多糖比例依次记为P0、P1、P2、P3、P4，其中P0为空白组。

1.3.4 样品的制备

将制得的杂粮粥置于料理机中粉碎搅拌混合均匀后，真空冷冻干燥去除水分，置于干燥器中备用。

1.3.5 RVA测定

将杂粮粥的制作原料复配后打磨成粉，向其中按照原料总质量的0%、3%、6%、9%、12%依次添加玉木耳多糖，混合均匀待测。具体操作参照Ji Na等[12]方法，略作修改如下：称取3 g待测样品于RVA专用铝盒中，向其中加入25 mL水搅拌均匀后，开始测定。测定程序设置为：50 ℃保温1 min，以6 ℃/min的速率升温至95 ℃，保温5 min，再以6 ℃/min的速率降温至50 ℃，保温2 min。初始10 s内搅拌速率为960 r/min，随后以160 r/min搅拌速率进行测定。最终获得所测样品体系的糊化特性曲线，并使用相关配套软件记录和分析数据。

1.3.6 流变仪测定

取适量1.3.3节所制玉木耳多糖杂粮粥样品，置于料理机中破碎打磨成糊状，再放置于均质机中均质，取出后冷却至室温，参考Bucsella等[13]的方法，将适量糊状样品移至流变仪操作平台上，去除周边多余部分，再用硅油将四周边缘密封，防止水分挥发。运行参数设置如下：间隙1 mm，固定温度25 ℃，剪切速率0～300 s-1递增。记录整个过程随剪切速率变化的剪切应力。

1.3.7 DSC

依据Yu Zhen等[14]的研究，首先准确称取5 mg样品（1.3.4节）于DSC专用坩埚中，使待测样品均匀分散在坩埚中，压盖密封后4 ℃贮藏。随后分别在第0、1、3、5、7、21天时取出，设置实验参数为扫描温度范围20～200 ℃，升温速率10 ℃/min，载气为氮气，流速50 mL/min。测定时以空坩埚作参照。

1.3.8 杂粮粥老化动力学模型建立

根据Avrami提出的结晶理论数学模型分析发现，老化程度会随时间延长呈指数率增加[10]，如式（1）所示：

式中：R为在t时刻淀粉的结晶量占最大结晶总量的百分比；k为结晶速率常数，k值越大，晶核生长速度越快；n为Avrami指数。

同时，在DSC测定中，由相应时刻的ΔH也可计算出淀粉在某一时刻的结晶率R，所以方程（1）为：

式中：ΔH0为初始ΔH，一般为0；ΔHt为待测样品在t时刻的ΔH/（J/g）；ΔHz为最终ΔH，是待测样品贮藏一定时间后的ΔH。由于ΔH0=0，所以式（2）为：

因此式（1）可以写成：

对等式变型，可得：

对式（5）方程两边同时取2 次对数，可得：

因此，当得到待测样品在t时刻的ΔHt和最终ΔHz，计算出ln[-ln（1-ΔH/ΔHz）]后，再对lnt进行线性回归分析，就可计算出方程中的速率常数k值和Avrami指数n值。

1.4 统计分析

所有数据使用SPSS 19.0及Origin 8.6软件进行统计分析，使用方差分析法分析显著性。

2 结果与分析

2.1 糊化性质分析

表1 玉木耳粗多糖-杂粮粥体系糊化特征值Table 1 Pasting parameters of porridge with different amounts of added ACP

经过RVA的测定，样品获得的糊化特征值如表1所示。添加玉木耳多糖后，杂粮粥体系的峰值黏度、最终黏度与玉木耳多糖添加量呈显著正相关（P＜0.05），相关系数R2分别为0.99和0.98，其中P3和P4的最终黏度值比P0（（1 922±78）mPa·s）分别上升至（2 152±102）mPa·s和（2 193±69）mPa·s；而随着玉木耳多糖添加量的增加，回生值和衰减值显著降低（P＜0.05），相比于P0（（259±11）mPa·s和（177±4）mPa·s），P3和P4的回生值减小了135 mPa·s和152 mPa·s，衰减值降低了46%。总体分析，在玉木耳多糖添加量增加的过程中，杂粮粥体系的糊化参数不断变化，样品P3与P4的各项糊化特征值趋于稳定，说明当玉木耳多糖添加量不小于9%时，杂粮粥体系的糊化性能趋于稳定。

RVA测定结果反映添加玉木耳多糖后，杂粮粥体系峰值黏度、最终黏度、回生值、衰减值等参数的变化，说明添加玉木耳多糖对杂粮粥的糊化特性产生了影响，这与孙棡[15]研究的黑木耳多糖对面条品质影响的结论类似。峰值黏度反映混合物结合水分能力以及增稠潜力[16]，峰值黏度、最终黏度增加，表明杂粮粥体系具有更好的黏稠性；回生值为最终黏度与最低黏度的差值[17]，反映杂粮粥体系的老化程度，添加玉木耳多糖后，回生值降低，表明延缓了杂粮粥体系的老化程度；衰减值为峰值黏度与最低黏度的差值[18]，反映杂粮粥体系的耐剪切性能，添加玉木耳多糖后，衰减值降低，表明杂粮粥体系的耐剪切性能增强。玉木耳多糖与淀粉分子竞争结合水分，使得淀粉分子与水的氢键作用减弱，降低了回生值，抑制了老化；淀粉颗粒与多糖分子结合增加了杂粮粥体系的热稳定性，降低了衰减值；添加玉木耳多糖后黏度值的增加，与多糖分子和淀粉分子间相互作用及分子链间的缠结有关[19]。

2.2 流变特性分析

静态流变学是对样品施加线性增大或减少的剪切速率，反映样品结构随剪切速率变化的规律[20]。如图1所示，随着剪切速率的增大，各样品的剪切应力呈增大趋势，在相同剪切速率条件下，P1、P2、P3、P4组的剪切应力低于P0组，随着玉木耳多糖添加量的增加，杂粮粥体系在受到剪切的过程中，所需的剪切应力逐渐减小。在剪切速率达到300 s-1时，相比于P0组，P3组剪切应力减小了221.78 Pa。当玉木耳多糖添加量为9%以后，剪切应力随剪切速率变化趋于平稳。

图1 玉木耳粗多糖杂粮粥体系流变曲线Fig. 1 Rheological curves of porridge with different amounts of added ACP

表2 玉木耳粗多糖杂粮粥体系流变拟合参数Table 2 Power law parameters for the rheology of porridge with different amounts of added ACP

应用幂定律方程τ=Kγn对得到的数据进行拟合[21]，其中：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）。如表2所示，所有拟合方程的R2值均大于0.99，说明拟合度较好。添加玉木耳多糖后，K显著增大（P＜0.05），P1、P2、P3、P4组K值分别比P0组增加了0.572、0.716、0.916、1.065，这一结果表明添加玉木耳多糖后，杂粮粥体系具有更好的黏稠性；同时观察到所有样品拟合方程的n值均小于1，这表明在设定的剪切速率范围内，被测样品均属于假塑性流体。随着玉木耳多糖的添加量增加，n值显著降低，这表明整个杂粮粥体系的假塑性和剪切稀化性逐渐增强。导致这种现象的可能原因是多糖分子与淀粉分子相互交联，当受到剪切力作用时，交联受到破坏，所以剪切稀化性增强，随着剪切运动的进行，分子间又开始重新排列，n值逐渐趋于稳定[22]。这与汪名春等[23]关于菊糖对小麦淀粉流变特性的影响结论基本一致。

2.3 热力学参数分析

淀粉老化是指糊化后的淀粉分子从无序结构转为有序结构，重新排列形成晶体的过程[24]。淀粉的老化程度可以用DSC进行测定，贮藏期间体系热力学性质的变化反映其老化程度。其中，T0为起始融化温度，表示淀粉重结晶（晶核）融化的起始温度，是淀粉分子中晶体有序性最弱的部位开始融化的温度；TC为终止融化温度，表示淀粉分子中稳定性最高的部位的融化温度；在淀粉老化过程中，T0、TC均呈上升趋势，上升速率越快老化速率越快。

图2 玉木耳粗多糖-杂粮粥体系T0（a）和TC（b）Fig. 2 Melting onset temperature (T0) (a) and conclusion temperature(TC) (b) of porridge with different amounts of added ACP

将各个样品在4 ℃贮藏第0、1、3、5、7、21天，分别使用DSC进行测定，得到T0和TC的变化趋势结果如图2所示。可以看出，在贮藏期间，各样品T0、TC均呈现上升趋势，P1、P2、P3、P4组的T0和TC显著低于空白组P0（P＜0.05），同时观察到P4组样品的T0和TC在7～21 d的贮藏期内趋于稳定。从图2a可知，各样品组的起始糊化温度T0与贮藏时间呈显著正相关（P＜0.05），但各组之间的贮藏期T0增加量差异不显著（P＞0.05）；而图2b中贮藏第21天，P0、P3和P4组的TC相较于0 d分别增加了12.7、9.7 ℃和11.1 ℃，其中P3组的TC在贮藏期间增加最少。结果表明所有样品中的淀粉在贮藏期内均发生了不同程度的老化，出现了内部淀粉的重结晶现象，经过初期贮藏（约7 d）后的P3和P4组样品的老化速率明显降低，说明添加玉木耳多糖抑制了杂粮粥的老化。相比较于其他样品，P3和P4组样品在贮藏期内淀粉老化速率更加缓慢。

表3 玉木耳粗多糖-杂粮粥体系老化焓值ΔHTable 3 Retrogradation enthalpy change (ΔH) of porridge with different amounts of added ACP

ΔH也是反映老化的重要指标，ΔH越大说明重结晶越多，即老化程度越严重[25]。由表3可以看出，随着贮藏期的延长，各组样品ΔH逐渐上升，这与Wang Shujun等[26]关于淀粉老化的综合叙述相符，说明淀粉的老化程度在逐渐加深，也就是说融化淀粉结晶所需要的热量逐渐增加[27]。P1、P2、P3、P4组ΔH的上升速率在整个贮藏过程中均显著小于P0组（P＜0.05），空白组P0和实验组P3的ΔH从贮藏期1～21 d分别增加了8.94 J/g和3.07 J/g；在21 d的实验结果中P3组的ΔH值显著低于P0、P1和P2组样品（P＜0.05），相对于P0组（（15.01±0.40） J/g）降低了6.89 J/g；同时结果显示在贮藏期中P4组的ΔH值变化量略高于P3组，终止贮藏时的重结晶数量同样更多。

综合以上老化特性研究结果表明，玉木耳多糖的添加对杂粮粥贮藏期间的淀粉老化起到一定的延缓和抑制作用。有报道称多糖分子会与淀粉分子之间的氢键相互作用[28]，考虑到多糖通过氢键与淀粉分子的分支相互作用，同时减少淀粉分子侧链之间的氢键[29]，从而抑制淀粉链的重结晶，最终达到抗老化的效果，但本研究发现玉木耳多糖添加量过大则会减弱这一相互作用，在实验组中选择9%添加量的P3组抗老化效果最好。

2.4 杂粮粥老化动力学模型的建立

表4 玉木耳粗多糖-杂粮粥体系的老化动力学Avrami模型Table 4 Avrami kinetic models of porridge with different amounts of added ACP

为了进一步探究玉木耳多糖对杂粮粥体系的抗老化行为，对添加多糖组与普通组的热力学参数进行Avrami线性回归分析，得到杂粮粥老化动力学方程和相关参数如表4所示。研究表明对于n值，当n≤1时，晶体成核方式为瞬间成核；1＜n＜2时，成核方式为自发成核为主[30]。从表4可以看出，拟合方程n值均小于1，所以在杂粮粥老化过程中，淀粉结晶的成核方式以瞬间成核为主，即其结晶所需要的晶核多在贮藏初期形成，贮藏后期形成的较少；P1、P2、P3、P4组的k值均显著小于（P＜0.05）空白组P0，k值大小可以直观体现出杂粮粥中淀粉重结晶速率的高低，k值减小说明淀粉老化结晶速率越发缓慢，分析表中数据可知添加不同比例的玉木耳多糖，杂粮粥体系中的淀粉老化结晶均受到抑制，结晶速率逐渐减小，使得样品中的淀粉老化反应延后，说明添加玉木耳多糖后，杂粮粥体系淀粉老化的成核方式发生改变，逐渐趋于自发成核，或者更接近于支链淀粉的重结晶方式[31]。这一结论与赵凯等[32]关于小麦淀粉老化动力学的研究结果一致。

3 结 论

玉木耳多糖对杂粮粥的糊化特性产生影响，随着玉木耳多糖添加量的增加，杂粮粥体系的峰值黏度、最终黏度上升，回生值、衰减值下降；添加玉木耳多糖并未改变杂粮粥的流体性质，当剪切速率一定时，随玉木耳多糖添加量的增加，剪切应力呈减小趋势；玉木耳多糖对杂粮粥样品的老化过程也存在影响，玉木耳多糖添加量增加，重结晶温度（T0和TC）上升速率减小，ΔH降低；拟合出的Avrami模型表明玉木耳多糖添加量的增加会导致k值呈减小趋势，杂粮粥淀粉老化结晶速率减缓。实验结果表明，添加玉木耳多糖对杂粮粥糊化和流变特性以及老化进程均存在积极影响，且选择玉木耳多糖添加量为9%时延缓老化作用最佳。本研究为玉木耳在食品生产中的深加工利用提供了理论依据并探索了应用价值，玉木耳多糖作为一种绿色、安全的添加剂可以替代人工合成稳定剂，可用于保持杂粮粥的口感并对贮藏过程中的淀粉老化现象产生较好的抑制作用，进一步提高杂粮粥的质量和贮藏品质。