不同添加剂对菱角淀粉凝胶的微观结构及质构的影响

李丽，金嘉奇，易阳，况龙，陈旭龙

(1.武昌工学院，武汉 430065；2.武汉轻工大学，武汉 430023)

随着我国食品工业的快速发展，消费者对食品的色、香、味、形、质地等方面的要求越来越高，食品添加剂已经成为现代食品不可或缺的组成部分，其对食品品质的改善起到了举足轻重的作用。淀粉凝胶食品如粉皮、凉粉等是我国具有独特风味特色的传统食品，深受大众的喜爱[1]。研究表明，淀粉种类、处理条件、添加剂类别都会使凝胶的微观结构、质构及稳定性发生改变，进而影响产品的加工性能、质地形态和货架期。本文从食品添加剂的角度，研究不同添加剂对淀粉凝胶微观结构及质构的影响，旨在为生产实践提供一定的参考依据。

豁银强等[2]研究了大米谷蛋白对大米淀粉凝胶化及凝胶特性的影响，结果表明，随着大米谷蛋白添加量的增加，大米淀粉凝胶的黏聚性、黏性及回弹性均呈升高趋势。扫描电镜显示，添加大米谷蛋白的大米淀粉凝胶的孔洞深度增加，直径增大，结构显得较为松散。肖志刚等[3]研究了甜菜果胶对淀粉凝胶调控形成机制的研究，结果表明，甜菜果胶与玉米淀粉之间形成氢键，并相互交联构成网络结构，凝胶中淀粉颗粒碎片减少，凝胶结构更加致密均一。随着甜菜果胶添加量的增加，淀粉凝胶的黏度、崩解值和回生值逐渐降低，质构特性有显著改变。谢涛等[4]研究了回生抗性淀粉种类对米淀粉凝胶形成的影响，结果表明，未添加RS Ⅲ的米淀粉凝胶存在很多不规则、深浅不一的大洞，而加入RS Ⅲ使米淀粉凝胶的网状结构变得更为规整、致密；添加锥栗、马铃薯与绿豆RS Ⅲ后能加速米淀粉凝胶的形成，与未添加RS Ⅲ的米淀粉凝胶相比，其硬度分别增加了2.38，1.97，1.25倍，黏着性分别增加2.56，1.99，1.32倍(P<0.01)，弹性增加1.07，0.81，0.53倍。刘晓庆等[5]研究了不同改良剂对豌豆淀粉凝胶化及凝胶特性的影响，结果表明，黄原胶、复合磷酸盐、魔芋粉及复合稳定剂对豌豆淀粉凝胶的微观结构均有显著影响，其中魔芋粉的影响相对较小。岳晓霞等[6]以马铃薯淀粉为原料，研究了单硬脂酸甘油酯、羧甲基纤维素钠、瓜尔豆胶及β-环糊精对马铃薯淀粉老化度、粘度的影响。结果表明，4种添加剂均可改善马铃薯淀粉的老化性，瓜尔豆胶降低老化度的作用效果最为明显。

本课题以鲜菱角为原料，先制备菱角淀粉，然后通过特定的工艺制备菱角淀粉凝胶。通过选取不同类别的添加剂，设计空白组、单甘酯组、海藻酸钠组及复合磷酸盐组进行对比，探讨不同添加剂对菱角淀粉凝胶的微观结构、凝胶强度及质构的影响，旨在为菱角淀粉凝胶食品的开发应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 主要材料

菱角：市售；海藻酸钠、复合磷酸盐、单甘酯：河南喜莱客生物有限公司。

1.2 主要仪器设备

TA.XT plus物性测试仪 英国Stable Micro System公司；S-43000型扫描电子显微镜 日本日立公司；FA2004B电子分析天平 奥豪斯仪器有限公司；-80 ℃冰箱 北京爱立斯生物科技有限公司；集热式恒温加热磁力搅拌器 武汉科尔仪器设备有限公司；冷冻干燥机 北京四环科学仪器厂有限公司；JMS-120胶体磨 上海羌迪机械设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 菱角淀粉的提取

将新鲜菱角去皮、洗净后切成小块，加入3倍的水浸泡约12 h，用胶体磨打浆，然后用200目的筛网过滤，收集滤液、滤渣加适量的水重复打浆，收集并合并滤液，静置后弃去上清液，沉淀物于40 ℃下鼓风干燥完全，密封保存备用。

1.3.2 菱角淀粉凝胶样品的制备

取12 g菱角淀粉置于50 mL的烧杯中，加入15 mL蒸馏水溶解(单甘酯组样品即将2‰的单甘酯溶于蒸馏水中,海藻酸钠组样品即将3‰的海藻酸钠溶于蒸馏水中,复合磷酸盐组样品即将4‰的复合磷酸盐溶于蒸馏水中)，搅拌均匀备用；取250 mL烧杯，加入90 mL 95 ℃的热蒸馏水，置于95 ℃的恒温水浴锅中，将制备好的菱角淀粉浆液匀速加入250 mL烧杯的热水中，匀速搅拌，水浴搅拌加热20 min，然后置于室温缓慢冷却，待凝固后即可得到淀粉凝胶样品。

1.3.3 菱角淀粉凝胶电镜实验

样品准备：取凝胶样品的中间部位，将4组样品切片，均匀放置在准备好的冷冻托盘中，并做好标记，将冷冻干燥盘放入-18 ℃冰箱中预冷12 h左右，然后置于冷冻干燥机内冷冻干燥50 h干燥结束后，取出凝胶片并研磨成粉，过100目筛，置于密封袋中保存备用。

取一个电镜样品的底座，清理干净后，在底座上贴上方形的导电胶，在导电胶上面均匀涂抹菱角淀粉凝胶样品粉末，并轻轻按压，用吸耳球吹去多余的粉末，然后进行镀金处理。

采用S-43000型扫描电子显微镜(SEM)，设定扫描电压为15 kV，然后将样品置于电子显微镜下放大不同倍数(500，2.0 K)，在不同角度下进行观察拍照。

1.3.4 菱角淀粉凝胶强度及质构特性测定[7]

样品制备：将水浴加热20 min的淀粉凝胶流体倒入干净的250 mL烧杯中，表面尽量整理平整，并保持凝胶样品的高度一致，冷却成型备用。

凝胶强度：采用TA.XT plus物性测试仪，测试探头为P/0.5，测前速度为1.5 mm/s，测试速率为1.0 mm/s，测后速度为1.0 mm/s，穿刺深度为10 mm，触发力为2 g。在测试前用同型号的空烧杯进行调零。

质构特性：采用TA.XT plus物性测试仪，测试探头为P/45，测前速度为1.0 mm/s，测试速率为2.0 mm/s，测后速度为1.0 mm/s，压缩比为50%，触发力为10 g，时间为5 s。

1.4 数据处理

每组实验均进行2次平行实验，相对偏差不超过±0.5%，试验结果取两次实验的平均值。每个样品同一放大倍数的电镜图片共3张，从中选取效果较佳的1张。

2 结果与分析

2.1 菱角淀粉的基本成分

由表1可知，新鲜菱角除去水分以外，含量最多的为淀粉，其次是粗蛋白质，还含有少量的矿物质和粗脂肪。通过特定工艺提取的菱角淀粉，在其非水组分中，除去极少量的粗蛋白、粗脂肪和矿物质以外，基本全为淀粉。

表1 新鲜菱角与菱角淀粉的理化成分对比Table 1 The comparison of physical and chemical components between fresh water chestnut and water chestnut starch

2.2 菱角淀粉凝胶微观结构测定结果与分析

(a)空白组500倍

由图1可知，当放大倍数为500倍时，菱角淀粉凝胶呈现明显的三维网络结构，且结构较为疏松,孔洞分布较均匀；当放大倍数为2.0 K时，可见凝胶表面较为光滑，局部呈片状。

(a)海藻酸钠组500倍

由图2可知，与空白组相比，海藻酸钠组凝胶亦呈三维网络结构，但其结构相对紧实，孔洞结构不明显；当放大至2.0 K倍时，可见其表面光滑度变差，局部颗粒状较为明显。海藻酸钠是一种亲水性多糖，可在各类食品中按生产需要适量使用，常用作增稠剂、胶凝剂和稳定剂，在菱角淀粉凝胶体系中，海藻酸钠高度分布于其中，并与水分子发生偶极-偶极相互作用，故而使得其孔洞结构不明显，结构相对紧实；同时，可能由于海藻酸钠相比菱角淀粉，其吸水速度相对较慢，在凝胶形成过程中还未充分吸水而导致其表面光滑度变差。

(a)单甘酯组 500倍

由图3可知，与空白组相比，单甘酯组凝胶的三维网络结构明显受到破坏，多呈碎片状，无明显的孔洞结构，但其致密性尚好；当放大至2.0 K倍时，可见其片层结构明显，局部出现少许断裂，表面较为光滑。单甘酯即单硬脂酸甘油脂肪酸酯，可在各类食品中按生产需要适量使用，常用作乳化剂[8]，分布于菱角淀粉凝胶水相与油相的界面，在一定程度上阻断了凝胶淀粉与水的相互作用，故而使得其结构发生断裂，出现明显的碎片。

(a)复合磷酸盐组500倍

由图4可知，与空白组相比，复合磷酸盐组凝胶呈现三维网络结构，但网络结构相对致密，部分孔洞较大，有少数断裂现象；当放大至2.0 K倍时，可见其片层结构明显，局部出现部分断裂，表面尚为光滑。复合磷酸盐主要包括焦磷酸钠、六偏磷酸钠及三聚磷酸钠3种成分，可用于食用淀粉及方便米面制品，常用作水分保持剂[9]、酸度调节剂、稳定剂及凝固剂，可溶于水相体系，并与水分子发生离子-偶极相互作用，故而使得其孔洞相对减少，结构相对致密。

2.3 菱角淀粉凝胶强度测定结果与分析

由表2可知，在应力面积和应变高度一定的条件下，复合磷酸盐组的凝胶强度最大(336.616 g)，其次是海藻酸钠组和空白组，单甘酯组的凝胶强度最小(162.930 g)。与空白对照组相比，复合磷酸盐组的凝胶强度增加了76.49%，海藻酸钠组的凝胶强度增加了47.62%，原因可能是复合磷酸盐和海藻酸钠与凝胶体系中的水分子相互作用，在一定程度上强化了菱角淀粉与水的相互作用，使得其强度显著增加；与空白对照组相比，单甘酯组的凝胶强度降低了14.58%，原因可能是单甘酯定向于菱角淀粉菱角体系的水相和油相界面，在一定程度上阻断了凝胶淀粉与水的相互作用，使得其强度有所降低。

表2 菱角淀粉凝胶样品凝胶强度测定结果Table 2 The determination results of gel strength of water chestnut starch gel samples

2.4 菱角淀粉凝胶质构特性测定结果

由表3可知，在硬度方面，复合磷酸盐组的硬度最大，单甘酯组的硬度最小；与空白对照组相比，复合磷酸盐组硬度增加12.80%，海藻酸钠组硬度增加1.84%，由此可见，复合磷酸盐可明显增强菱角淀粉凝胶样品的硬度。与空白对照组相比，单甘酯组的硬度降低8.27%，原因可能是单甘酯作为乳化剂，在一定程度上可抑制淀粉的老化。在弹性方面，与空白对照组相比，海藻酸钠组的弹性增加14.19%，单甘酯组的弹性增加6.11%，而复合磷酸盐组略有增加，由此可见，海藻酸钠和单甘酯均可改善菱角淀粉凝胶样品的弹性。在耐咀性方面，与空白对照组相比，海藻酸钠组降低5.14%，单甘酯组相差不大，而复合磷酸盐组增加6.70%，由此可见，复合磷酸盐可在一定程度上提升菱角淀粉凝胶样品的耐咀性。

表3 菱角淀粉凝胶样品质构特性测定结果Table 3 The determination results of texture properties of water chestnut starch gel samples

3 结语

结果表明，海藻酸钠、单甘酯及复合磷酸盐均能影响菱角淀粉凝胶中水分子流动程度及淀粉分子间相互作用，进而改变了菱角淀粉凝胶的微观结构、凝胶强度及质构特性，且不同类型的添加剂其影响效果各不相同。在生产实践中，可根据产品的实际需要，选择适宜的添加剂类别，对产品的品质进行适度改良。此外，后期还将选用天然防腐剂[10]或生物保鲜剂，对菱角淀粉凝胶的稳定性或保质期进行系统的研究，力求为菱角淀粉凝胶食品的工业化生产提供一定的依据。