皂荚糖胶对玉米淀粉老化性质的影响及体系的水分分布

张晓宇，张丹丹，李荣芳，罗 磊，罗登林，朱文学

（1.河南科技大学食品与生物工程学院，食品加工与安全国家级实验教学示范中心，河南省农产品干燥装备工程技术研究中心，河南 洛阳 471023；2.洛阳师范学院化学化工学院，河南 洛阳 471934）

玉米淀粉是一种廉价、易得的食品原料，在食品和非食品加工有广泛的应用[1]。然而，在食品加工和储存过程中，玉米淀粉很容易老化，导致淀粉凝胶产品硬度、碎裂性增加，同时降低了产品的弹性、透明度和消化能力[2]，从而导致产品质量劣变。因此，如何有效控制淀粉老化成为科学研究的热点。

近年来，较多学者用不同实验手段，研究了不同亲水性胶体对不同来源淀粉老化性能的影响[3-6]。Shiroodi[7]和郜培[8]等通过流变、质构等研究手段表明：黄原胶能够抑制直链淀粉的渗出，干扰直链淀粉的聚集重排或者阻碍直链淀粉-支链淀粉-胶体分子之间的结晶作用，从而推迟大米淀粉和燕麦淀粉的老化，Muadklay等[9]也发现黄原胶对木薯淀粉凝胶的老化有一定的抑制作用；Yang Xue等[10]通过差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）、低场核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）等实验手段，研究了亚麻籽胶对玉米淀粉短期-长期老化性能的影响，结果表明亚麻籽胶的添加使淀粉的老化焓值降低，且胶体添加量越大，抑制老化的效果越明显；几个学者的研究表明含魔芋多糖胶/瓜尔胶/黄原胶/卡拉胶/明胶的木薯/玉米/大米淀粉凝胶，复配体系中胶-淀粉分子间存在竞争水分子的行为，会影响凝胶网络结构的水分子运动，进而影响储存过程中凝胶稳定性[11-14]。Liu Dan等[15]详细阐释了大豆可溶性多糖对葛根/莲子淀粉胶微结构影响的机理，指出该多糖可有效改善淀粉胶结构从而改观产品的可接受性。

不同的亲水胶体由于结构不同作用于不同种类淀粉时，其影响效果可能不同。本实验选取的皂荚糖胶是从我国特有的皂荚树果实中提取出来的一种多糖，该多糖主要由β-1,4-糖苷键连接而成的D-吡喃甘露糖主链和α-1,6-糖苷键连接而成的D-吡喃半乳糖支链构成[16]。GB 2760—2014《食品添加剂使用标准》中规定，皂荚糖胶可用于调味料、冰淇淋、饮料、饺子粉等产品的生产加工过程中，且使用过程中有较好的效果。然而，有关皂荚糖胶改善食品的质构特性，尤其是皂荚糖胶与淀粉的相互作用及其机理研究的报道很少。因此，本研究通过动态流变、DSC、食品物性分析等多种实验手段，探究皂荚糖胶添加量对玉米淀粉老化性能的影响，并通过LF-NMR法对其影响淀粉老化的机理进行分析，旨在能进一步丰富植物胶体对淀粉老化性能影响的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

皂荚糖胶（食品级） 偃师金皂角化工有限公司；玉米淀粉（食品级GB一级品） 孟州金玉米责任有限公司。

78-1型磁力搅拌器 常州丹瑞实验仪器设备有限公司；Brabender 803302型黏度仪 德国布拉班德公司；DHR-2型流变仪、Stable Micro Systems食品物性分析仪美国TA公司；DSC1型差示扫描量热仪 瑞士梅特勒-托利多公司；MINI20-015V-I型低场核磁共振成像分析仪上海纽迈电子科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 样品制备

淀粉质量以干基计算，用蒸馏水配制5 份淀粉质量分数6%的淀粉悬浮液，分别按玉米淀粉干基质量的0%、1%、3%、5%、7%添加皂荚糖胶，所配样品均在磁力搅拌器上以恒定转速搅拌60 min使其均匀分散，制备好的淀粉悬浮液参考张丹丹等[17]的方法制备淀粉糊：将淀粉悬浮液置于布拉班德测量钵内，设定升温/降温速率1.5 ℃/min，从50 ℃升温至95 ℃并保温15 min，然后从95 ℃降温至50 ℃并保温15 min完成糊化，得到新鲜的淀粉糊。

1.2.2 动态时间扫描测定

为保证实验条件的一致性，取1.2.1节中制备的冷却至室温的新鲜淀粉糊，立即置于流变仪上，选取40 mm直径的平板夹具，设置间隙为1 050 μm，在夹具边缘刮边并涂硅油，设置间隙为1 000 μm开始实验。测试温度4 ℃，频率1 Hz，扫描应变1%，测定2 h内样品弹性模量G’的变化。

1.2.3 凝胶质构测定

取1.2.1节中制备的新鲜淀粉糊，分别在4 ℃冷藏0、3、7、14、21 d后取出并放置至室温，采用物性测试仪对淀粉凝胶进行凝胶强度即硬度值的测试。测定条件：选用P/0.5探头，测前速率1.0 mm/s，测试速率2.0 mm/s，测后速率5.0 mm/s，触发力3.0 g，压缩程度60%。

1.2.4 热力学性质测定

以空盘作为参比，用DSC方法对不含或含皂荚糖胶的玉米淀粉的糊化和老化行为进行分析。测试前用金属铟（99.999%）校正仪器。用蒸馏水配制5 份淀粉质量分数为30%的淀粉乳，按淀粉干基质量的0%、1%、3%、5%、7%分别添加皂荚糖胶，所配样品均在磁力搅拌器上以恒定转速搅拌60 min使其均匀分散。分别加入铝盘中，并进行称量、记录数据。然后立即密封铝盘。样品在室温下平衡24 h后进行第1次程序升温确定样品的糊化焓值ΔHg，设定程序：以10 ℃/min的升温速率从40 ℃升温到95 ℃，每个样品至少重复3 次。糊化后的样品冷却后放入冰箱并于4 ℃冷藏保存3、7、14、21 d后，依次取出进行第2次热扫描确定样品的老化焓值ΔHr，测试程序与第1次相同；测得老化焓值与糊化焓值的比（ΔHr/ΔHg）即为老化率[32-34]。

1.2.5 LF-NMR检测

将1.2.1节采用布拉班德黏度仪制备的新鲜淀粉糊及添加皂荚糖胶5%的复配体系冷却到室温后，置于进样瓶中（样品质量保持（1.0±0.005）g），随即放入冰箱并于4 ℃冷藏0、3、7、14、21 d后取出，放置至室温后使用LF-NMR软件多脉冲回波序列Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）采集样品的自旋-自旋弛豫时间T2，并利用反演软件得到T2的反演谱。相应参数设置如下[18-19]：质子共振频率21 MHz，采样点数319 998，采样等待时间1 000 ms，180°脉宽10 µs，回波个数10 000，回波时间0.4 ms，累加次数8。

1.3 数据处理

采用Excel 2010软件进行数据整理；采用Origin 8.5和DPS处理数据，所有实验均测试3 次求平均值，实验数据之间采用Duncan新复极差法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 动态时间扫描分析

糊化后的淀粉糊在储藏过程中会发生不同程度的老化，有短期老化和长期老化2 个阶段[20-21]。据报道淀粉糊在老化的初始阶段，直链淀粉分子间以氢键的方式相互缔结在一起，共同形成淀粉凝胶网络结构，在动态时间扫描的结果中则表现为G’的升高[22]。图1a为不同配比的玉米淀粉-皂荚糖胶复配体系在老化2 h内G’随时间的变化曲线。玉米淀粉添加皂荚糖胶后的G’增加，玉米淀粉及复配体系的的G’值在前期升高很快，之后增长缓慢，进入相对稳定阶段，凝胶体系G’值的这一变化趋势与之前的报道一致[23]。图1b为含不同添加量皂荚糖胶的复配体系G’随时间的变化率，可以看出，玉米淀粉G’的变化率明显大于复配体系的G’变化率，且随着皂荚糖胶添加量的增多，G’变化率整体呈现减小的趋势，表明复配体系有更好的稳定性，添加皂荚糖胶后可以明显改善玉米淀粉的短期老化行为。皂荚糖胶的加入导致G’值的增长速率变缓，一方面是皂荚糖胶的加入使得糊化过程中渗漏出的部分淀粉可溶性组分与亲水性胶体结合，使得部分淀粉被胶体取代，阻碍了直链淀粉分子有序交联形成三维网状结构；另一方面皂荚糖胶属于亲水性胶体，与水的结合能力强，体系内可移动水分减少而不利于淀粉分子链的迁移，使得直链淀粉重排变得困难，减缓了淀粉的老化速率[24]。

图1 玉米淀粉与不同添加量皂荚糖胶混合体系G’（a）和变化率（b）随时间变化曲线Fig.1 Elasticity modulus (a) and change rates (b) as a function of time for mixed systems of corn starch with different concentrations of GSLG

2.2 玉米淀粉与皂荚糖胶复配体系凝胶强度分析

淀粉糊在冷藏过程中的老化程度可以通过食品物性分析软件中凝胶强度的测试模式确定，通常以硬度值表征[25]。淀粉在老化过程中，凝胶体系会表现出硬度值升高的特征[26-28]。由表1可见，冷藏0 d时，各体系的硬度不存在明显的差异，随着冷藏时间的延长，各体系硬度增加且开始有显著差异，在冷藏时间相同时（如第21天）玉米淀粉的硬度值（114.78 g）大于复配体系的硬度值（99.9～59.14 g），且胶添加量与体系硬度值大致呈现负相关的变化趋势。淀粉凝胶硬度与直链淀粉高度相关，直链分子间的缠绕和交联程度越大，凝胶硬度越大[15,29-30]。添加皂荚糖胶后，复配体系的硬度值降低，且下降趋势随着皂荚糖胶比例的增大更加明显。这可能是由于亲水胶体的存在阻碍了直链淀粉的聚集重排，削弱了直链淀粉分子间的作用力，胶体与淀粉分子间的缠绕使其复配体系形成了质地更为柔软的凝胶[31]。这与报道的其他多糖对淀粉硬度的影响结果一致[10-15]。

表1 玉米淀粉-皂荚糖胶混合体系凝胶的硬度值Table 1Hardness of corn starch/GSLG mixed systems

2.3 玉米淀粉-皂荚糖胶复配体系的热特性分析

在冷藏过程中，高能态无序化的淀粉分子逐步趋向于低能态有序化结构，淀粉分子间形成氢键而发生聚集重排，形成结晶聚合物。淀粉的老化程度通常用老化率衡量[32-34]。皂荚糖胶对玉米淀粉ΔHg和ΔHr的影响结果如表2所示，图2为体系糊化及冷藏14 d的DSC曲线。由表2可知，随着皂荚糖胶添加量的增大，玉米淀粉的ΔHg降低不明显；随着冷藏时间的延长，ΔHr逐渐增大，说明冷藏过程中淀粉的老化程度变大[35]。同时表2表明，皂荚糖胶的添加降低了玉米淀粉的ΔHr，且皂荚糖胶添加量越多，ΔHr降低的越多。这是因为亲水性胶体具有较高的持水性，使得淀粉分子周围的浓度升高，不利于分子链的迁移，延缓了淀粉的重结晶。另一方面，皂荚糖胶对淀粉颗粒的包埋作用致使糊化过程直链淀粉渗出受阻，干扰了直链淀粉晶核的形成，进而抑制了淀粉的老化[30,36-37]。当复配样品中皂荚糖胶的比例由0%增加至7%时，最终经过21 d的冷藏，样品的ΔHr则由8.86 J/g下降至6.12 J/g，老化率由66.7%下降至54.3%，说明皂荚糖胶能够一定程度上抑制了玉米淀粉的老化。本实验结果与前人研究报道的黄原胶对淀粉老化的影响结果一致[21,37]。

表2 玉米淀粉-皂荚糖胶混合物的DSC糊化/老化特征参数Table 2Characteristic parameters of DSC gelatinization/aging of corn starch/GSLG mixtures

图2 玉米淀粉及混合体系糊化（a）和老化14 d（b）的DSC曲线Fig.2 DSC curves of corn starch with and without added GSLG at day 14 of gelatinization (a) and retrogradation (b)

2.4 玉米淀粉-皂荚糖胶复配体系老化过程的水分运动性分析

在淀粉凝胶体系中，部分水分子与淀粉、蛋白质等大分子基团结合形成结合水；直链与支链淀粉之间存在不易流动水；这两部分水与底物结合紧密，处于高度固定状态，经LF-NMR测定呈现较低的T2弛豫时间；而存在于淀粉、蛋白质等大分子之外能自由流动的水为自由水，在LF-NMR测试中呈现较高的T2弛豫时间。在冷藏过程中，淀粉链之间氢键作用增强，迫使淀粉链和水分子之间氢键作用减弱，从而部分结合水被“挤出”形成自由水[38-40]。因此，可以通过添加皂荚糖胶前后，淀粉凝胶水分含量和结合与自由水分布状态的变化，对皂荚糖胶影响玉米淀粉老化过程的机理进行分析，进一步验证上述的老化实验结果。

由玉米淀粉凝胶体系的T2反演谱图3a分析可得：T2弛豫时间在0.1～10 ms范围内为结合水，在10～80 ms范围内为不易流动水，大于80 ms为自由水。由图3可知，随着老化时间的延长，反演谱整体略微向左移动，信号幅值略有减小，说明随着冷藏时间延长，水分子运动性以及分布状态受到影响。图3b为添加5%皂荚糖胶的复配体系老化过程的T2反演谱，随着冷藏时间的延长，游离水信号峰的大体呈现增强的趋势，但是从图谱中不能确定结合水、不易流动水以及自由水的峰面积以及峰比例，难以看出明显的变化规律，因此需要对各个弛豫峰的参数进行进一步的分析。

图3 玉米淀粉（a）和5%皂荚糖胶-玉米淀粉复配体系（b）老化过程的T2反演谱Fig.3 T2 inversion spectra of corn starch (a) and 5% GSLG-corn starch system (b) during aging

图4a与图4b具体展示了各体系中不同状态水分子所占的比例（以每种峰的积分面积占总峰面积的百分比表示淀粉凝胶中不同状态水分的相对含量）。由图4a可知，随着冷藏时间的延长，自由水含量增加，不易流动水减少（尤以老化21 d最为明显），说明随着淀粉老化时间的延长，淀粉分子链间更易形成氢键，迫使水分子与淀粉链间形成的氢键断裂，使得淀粉凝胶的持水能力减弱，有更多的水分从凝胶体系中析出，形成自由水。从图4b可以看出，含5%皂荚糖胶的淀粉凝胶冷藏0～21 d，与图4a玉米淀粉相比，自由水含量有所下降，说明皂荚糖胶的加入，增强了淀粉凝胶的持水能力，使得复配体系的水分运动性降低，这可能因为皂荚糖胶中有大量羟基等极性基团，能与水分子及淀粉分子之间形成胶-水或胶-水-淀粉的氢键相互作用。此外，皂荚糖胶的加入导致微相区淀粉分子浓度增大，淀粉分子链段的移动受阻，分子链间形成氢键的时间被延长，降低了体系中自由水分子的数量，延缓重结晶速率[41-44]。

图4 玉米淀粉（a）和5%皂荚糖胶-玉米淀粉复配体系（b）老化过程中的水分分布Fig.4 Water distribution in corn starch (a) and 5% GSLG-corn starch system (b) during aging

3 结 论

玉米淀粉及皂荚糖胶复配体系动态流变分析实验表明，皂荚糖胶可以延缓玉米淀粉的短期老化，且随着胶添加量的增加，老化延迟效应更加明显。物性分析实验表明，相同冷藏时间内玉米淀粉凝胶的硬度值随皂荚糖胶添加量的增大而降低，皂荚糖胶的加入能够使玉米淀粉形成质地更为柔软的凝胶。DSC实验进一步确证了皂荚糖胶的加入使体系的老化率降低，该胶可以抑制淀粉的长期老化。通过LF-NMR实验，证实随着冷藏时间延长，体系自由水增加，5%皂荚糖胶复配体系经过冷藏后体系的自由水含量相对较低。