不同聚合度菊粉对木薯珍珠理化性质的影响

刘敏娟,黄 磊,艾凤玲,万博祎,田哲玮,吴建永

(南昌大学食品科学与资源挖掘全国重点实验室,江西 南昌 330047)

淀粉珍珠是由淀粉和水经造粒制成的球状食品。煮熟的淀粉珍珠晶莹剔透,具有良好的弹性和咀嚼性,通常与茶、牛奶或者椰奶一起食用,为饮品提供独特的口感。在过去的20年里,这种饮料在亚洲越来越受欢迎,并传到了欧美[1]。尽管如此,目前关于淀粉珍珠的研究仍十分有限。优质的淀粉珍珠通常要求透明度、颗粒强度、硬度和咀嚼性均较高[1-4]。这些品质与淀粉的吸水性、溶胀力、水溶性以及凝胶性质紧密相关,木薯淀粉被认为是生产淀粉珍珠较为理想的原料[3-5],但是仍需进一步改善。KASOTE等[2]研究了浸泡和高压处理对木薯珍珠结构、糊化性质和抗性淀粉含量的影响。ZHANG等[4]研究发现淀粉醋酸酯、羟丙基二淀粉磷酸和羧甲基纤维素有助于改善木薯珍珠蒸煮前后的品质。但相对于人工合成添加剂,消费者更接受天然成分。

菊粉是由D-果糖经β(1→2)糖苷键链接而成的天然直链多糖,可作为益生元、脂肪替代品、糖替代品、质地调节剂等改善食品营养和品质[6,7]。按照聚合度,菊粉可分为低聚合度(DP≤10)、中聚合度(DP 2-60)和高聚合度(DP≥23)[8-9]。同温度下,低聚合度菊粉的水溶性和持水性要高于中、高聚合度菊粉,而在同浓度下,高聚合度菊粉具有更高的粘度[10]。

菊粉作为一种多羟基聚合物,可通过氢键与直链淀粉相互作用或插入直链淀粉形成的网络结构,有助于形成牢固的三维凝胶结构[11]。因此,添加菊粉也许能改善木薯珍珠的颗粒强度和蒸煮品质。经广泛查阅文献,尚未发现相关报道。本研究首次采用圆盘造粒法制备木薯珍珠,考察不同聚合度菊粉对木薯珍珠的粉末性质、颗粒强度和蒸煮品质的影响,发现低聚合度菊粉可以有效改善木薯珍珠品质。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

木薯淀粉(广西红枫有限公司);菊粉(比利时Beneo公司):低聚合度菊粉(LPI),DP≤10;中聚合度菊粉(MPI),DP 2-60;高聚合度菊粉(HPI),DP≥23。

1.2 仪器与设备

圆盘造粒机(KR1000,河南红星矿山机器有限公司);快速粘度分析仪(Tec Master,Newport Scientific公司);红外光谱仪(Nicolet iS10,赛默飞世尔科技有限公司);紫外分光光度计(TU-1900,北京普析通用仪器有限责任公司);质地分析仪(XT-plus,英国Stable Micro System公司);真空冷冻干燥机(FD5,美国SIM公司);扫描电子显微镜(Quanta-200,荷兰FEI公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 木薯珍珠的制备

木薯淀粉与3%(w/w)的菊粉混合均匀。取40 g的混合粉末,加入20 mL水润湿30 min,再过12目筛。将润湿、过筛后的粉末加入圆盘造粒机,转速为60 r·min-1。随后将剩余60 g混合粉末加入到圆盘造粒机中,同时以喷雾的方式缓慢加入36 mL水作为造粒粘结剂。制备的淀粉颗粒置于40 ℃烘箱中干燥12 h,得到木薯珍珠(TP)。添加3% LPI、MPI和HPI的木薯珍珠分别标记为LPI-TP、MPI-TP和HPI-TP。

1.3.2 菊粉对木薯珍珠粉末性质的影响

1.3.2.1 吸水性、溶胀力和水溶性测定

将0.4 g木薯珍珠粉末与25 mL蒸馏水混匀,所得悬浊液在25 ℃恒温振荡水浴锅中震荡30 min,在4 800 r·min-1下离心20 min。收集上清液,置于105 ℃干燥至恒重,并称量沉淀物质量。参照HU等[12]的方法,计算吸水性、溶胀力和水溶性。吸水性以沉淀质量占沉淀中干物质重量的百分比表示,溶胀力以沉淀质量占样品干重的百分比表示,水溶性以上清液干物质的重量占样品干重的百分比表示。

1.3.2.2 糊化特性

用快速粘度分析仪(RVA)测定木薯珍珠的糊化性质。将2 g木薯珍珠粉末和25 mL去离子水先后加入RVA测试罐。经程序化的搅拌、升温和降温(50 ℃-95 ℃-50 ℃)后,得到RVA曲线[13]。仪器自动从RVA曲线分析出峰值、谷值、终值和崩解值粘度。

1.3.2.3 分子间作用力测定

木薯淀粉与3%(w/w)的菊粉混合,取3 g混合物悬浮于30 mL浓度为0、0.2、0.6、1.0 mol·L-1的氯化钠或尿素溶液中[14],随后在95 ℃下水浴20 min再冷却至室温。最后用流变仪测定样品在0.1～10 Hz频率范围内的储能模量(G′)变化。

1.3.2.4 红外光谱分析

用红外光谱仪分析木薯珍珠的红外特征。将木薯珍珠粉末与KBr充分混合,以KBr为背景,在透射模式下记录样品在400～4 000 cm-1范围内的光谱,扫描次数为64次,分辨率为4 cm-1[15]。

1.3.3 菊粉对木薯珍珠颗粒强度的影响

1.3.3.1 破裂力

用质地分析仪的一次压缩程序测定木薯珍珠的破裂强度[16]。选用P/36R圆柱形探头,测试距离为1 mm,测试前、中和、后速度分别设置为2、1和2 mm·s-1。曲线上出现的峰值为破裂力。

1.3.3.2 摩擦损失

将木薯珍珠包装好,在摇床中以190 r·min-1摇晃60 min。取出珍珠并吹去粉末后称重。摩擦损失为破碎及磨损珍珠质量占初始珍珠质量的百分比。

1.3.4 菊粉对木薯珍珠蒸煮和感官品质的影响

1.3.4.1 蒸煮时间

将木薯珍珠加入沸水中,定时取出小部分,用两块玻璃板压紧,直至没有白芯,所用时间即为最佳蒸煮时间[17]。

1.3.4.2 蒸煮损失

在105 ℃下将蒸煮水烘干至恒重,蒸煮水中的干物质重量占木薯珍珠干重的百分比为蒸煮损失[18]。

1.3.4.3 体积膨胀比

用体积置换法[17]测定木薯珍珠蒸煮前后的体积,两者的比值即为体积膨胀比。

1.3.4.4 透明度

将粉碎过100目的木薯珍珠粉末悬浮于蒸馏水中(1%,w/v),再置于沸水浴中加热15 min。冷却至室温(25 ℃)后,用紫外可见分光光度计在620 nm波长下测定样品的透光率[19]。透光率越高,样品的透明度越高。

1.3.4.5 质构

用质地分析仪中的TPA程序测定熟珍珠的质地特性。选用P/36R圆柱形探头,压缩形变率为90%,设定测试前、中、后速度分别为2、1和1 mm·s-1[18]。系统软件自动分析样品硬度、粘性和咀嚼性。

1.3.4.6 感官评定

感官评定小组由10名经过培训的评审人员组成,对煮熟的木薯珍珠的外观色泽、组织状态和风味口感3个方面进行评价[20]。评定标准如表1所示。

1.3.4.7 微观结构

将煮熟后的木薯珍珠冷冻干燥,用刀片沿其横轴施压使其自然断裂。将珍珠的断面朝上,用导电胶将其粘于观察台上,喷镀一层金属薄膜。用扫描电镜在5 kv加速电压观察断面的微观结构。

2 结果与分析

2.1 菊粉对木薯珍珠粉末性质的影响

添加LPI和HPI可以显著提高木薯珍珠粉末的吸水性和溶胀力,而添加MPI则显著(p<0.05)降低吸水性(表2)。LPI对木薯珍珠粉末的吸水性和溶胀力影响最大,使两者从174.8%和175.7%分别提高至188.7%和195.6%。

表1 木薯珍珠的感官评定标准Tab.1 Sensory evaluation criteria of tapioca pearls

不同聚合度菊粉均能显著提高木薯珍珠粉末的水溶性(p<0.05)(表2)。菊粉较淀粉水溶性更好,是导致珍珠粉末水溶性增加的主要原因。HPI-TP的水溶性(2.30%)比MPI-TP(3.85%)和LPI-TP(3.56%)的水溶性低,可能是因为HPI水溶性较差[10]。

添加菊粉显著降低了木薯珍珠粉末的峰值、谷值、终值和崩解值粘度(p<0.05),且添加不同聚合度菊粉差异不显著(表2)。淀粉的粘度主要由支链淀粉决定[10],木薯珍珠糊化粘度的降低可能是由于菊粉吸水性强,与淀粉竞争水分[14],导致支链淀粉分子无法完全伸展,阻碍粘度的上升。也可能是菊粉通过氢键与浸出的直链淀粉相互作用,形成屏障,抑制淀粉颗粒的溶胀[14],从而降低木薯珍珠粉末的糊化粘度。

红外谱图中,3 387 cm-1处的峰带归因于聚合物羟基的伸缩振动吸收[14],2 930 cm-1处的峰带为C-H伸伸振动,1 646 cm-1处的峰带是吸附在淀

表2 菊粉对木薯珍珠粉末性质的影响Tab.2 Effect of inulin on the physicochemical properties of tapioca pearl powder

粉无定形区域中的水分子振动的结果[21],1 369 cm-1处的峰带可能与C-H的振动有关[14],1 159 cm-1处的峰带归因于C-O键的伸缩[18],999 cm-1附近的吸收峰主要是由于C-OH的弯曲振动[22]。添加菊粉后,木薯珍珠粉末没有出现新的红外吸收峰,说明菊粉与淀粉之间没有产生新的官能团,即菊粉没有与淀粉发生共价结合(图1)。但是,菊粉的添加使得羟基吸收峰发生红移,波数从3 387 cm-1移动到3 391～3 416 cm-1,且菊粉分子量越低则红移越明显。这表明菊粉与淀粉发生了氢键相互作用,限制了羟基的伸缩振动,且低聚合度菊粉与淀粉的相互作用更强。

σ/cm-1

尿素可通过形成竞争性氢键破坏原体系中的氢键,但是不影响原体系中的静电相互作用;氯化钠通过静电屏蔽干扰原体系的静电相互作用,但是对氢键作用影响不大[14,23]。因此,可以添加不同浓度的尿素和氯化钠,通过观察凝胶体系的储能模量(G′)的变化来探究菊粉与木薯淀粉之间的相互作用类型,进一步验证红外光谱的实验结果。如图2所示,随着尿素和氯化钠浓度的增加,菊粉与木薯淀粉混合物的G′不断降低,表明菊粉与木薯淀粉之间存在氢键和静电相互作用。JI等[14]的研究也发现,菊粉与小麦、马铃薯和豌豆淀粉之间均存在氢键相互作用,菊粉和豌豆淀粉之间还存在较强的静电相互作用。比较图2a和2b可知,LPI与木薯淀粉混合物的G′明显高于纯木薯淀粉,说明添加LPI可以增加淀粉凝胶的弹性。这与LPI提高木薯珍珠硬度和咀嚼性的结果一致。菊粉与淀粉的分子相互作用或许是影响木薯珍珠颗粒强度和蒸煮品质的重要因素之一(详见2.2、2.3小节)。

f/Hz

f/Hz

f/Hz

f/Hz

2.2 菊粉对木薯珍珠颗粒强度的影响

木薯珍珠在储运过程中可能会受到压力或摩擦力,导致磨损甚至破裂。因此,颗粒强度高,即破裂力大、摩擦损失小的木薯珍珠质量好。湿法造粒时,固体粉末随着圆盘的旋转而流动,水作为粘结剂以小液滴的形式洒入。除了水的“液桥”作用外,粉末狭缝间的毛细管作用也是固体粉末团聚成大颗粒的重要驱动力[24]。在湿法造粒过程中,固体粉末中的可溶性成分会析出溶入液相。颗粒干燥后,“液桥”转变为“固桥”[25],从而将颗粒固化。因此,粉末的水溶性对颗粒强度有显著影响。

添加菊粉可以显著(p<0.05)降低木薯珍珠的摩擦损失,可能是因为添加菊粉显著提高了珍珠粉末的水溶性(表2)。添加LPI效果最好,使木薯珍珠的摩擦损失从1.96%降低至1.04%,而MPI-TP和HPI-TP的摩擦损失分别为1.41%和1.21%。

添加LPI和MPI对木薯珍珠破裂力无显著影响,添加HPI显著(p<0.05)降低了破裂力。菊粉是由D-果糖是经β(1→2)糖苷键连接而成的线性直链多糖[6]。本研究中HPI的聚合度为DP≥23。HPI可能因分子链太长而不容易取向,不易与淀粉分子形成氢键,反而增加了颗粒的异质性,导致颗粒强度降低。随着菊粉聚合度的增加,羟基吸收峰的红移程度降低(图2),也表明相较于LPI和MPI,HPI更不易与淀粉分子形成氢键。

2.3 菊粉对木薯珍珠蒸煮和感官品质的影响

蒸煮品质是评价木薯珍珠的另一项重要指标。一般而言,期望木薯珍珠具有较短的蒸煮时间,较低的蒸煮损失,较高的体积膨胀率、透明度、硬度和咀嚼性[1-4]。由表3可知,添加LPI的效果最佳,不仅能显著降低木薯珍珠的蒸煮损失,还能显著(p<0.05)提高其体积膨胀率、透明度、硬度和咀嚼性。菊粉作为一种多羟基聚合物,可以与直链淀粉相互作用或插入直链淀粉形成网络结构[11,26],从而能提高木薯珍珠的硬度和咀嚼性。此外,菊粉作为一种亲水性多糖,可提高水介质的折射率[27],且能与淀粉形成氢键,抑制淀粉分子重排,降低光透过淀粉分子时的折射率[28],从而提高凝胶体系的透明度。然而,添加MPI会使木薯珍珠的透明度从9.4%显著(p<0.05)下降至8.8%。这是因为,淀粉凝胶的透明度还受其吸水性影响。吸水性越高,则凝胶透明度越高,因为水是透明的。添加MPI显著降低了木薯珍珠粉末的吸水性(表2),因此对透明度产生了不良影响。添加HPI的效果最差,会显著(p<0.05)增加木薯珍珠的蒸煮损失和蒸煮时间。蒸煮损失的增加可能是由于HPI-TP的颗粒强度较低。此外,3种菊粉均会提高木薯珍珠的粘性(从11.7 gs提高至14.2～15.1 gs),可能是因为水溶性的菊粉在蒸煮时溶于水中,最后附着在珍珠表面,导致粘性增

图3 菊粉对木薯珍珠颗粒强度的影响Fig.3 Effect of inulin on the granule strength of tapioca pearls

表3 菊粉对木薯珍珠蒸煮和感官品质的影响Tab.3 Effect of inulin on the cooking and sensory qualities of tapioca pearls

加。添加3%不同聚合度菊粉对木薯珍珠的外观色泽均无显著影响,但是添加HPI对木薯珍珠的组织状态产生了负面影响,而添加LPI可显著(p<0.05)提高木薯珍珠的风味口感。

添加菊粉不会影响木薯珍珠的颗粒外观(图4a1-a4),但是会明显提高其体积膨胀率(图4b1-b4),该结果与表3中的结果一致。煮熟后的木薯珍珠的横截面均呈蜂窝状多孔结构(图4c1-c4)。孔洞结构的形成是由于冻干过程样品水分升华所致[17],因此该孔洞结构反映了木薯珍珠的吸水率,与体积膨胀率密切相关。添加菊粉使木薯珍珠的孔洞结构更致密、更均匀(图4d1-d4),这与菊粉提高木薯珍珠体积膨胀率一致。从表3还可以看出,体积膨胀率越高,木薯珍珠的硬度和咀嚼性也越高。LPI-TP的体积膨胀率最高,其孔洞最致密且孔壁最厚(图4d1-d4),与其硬度和咀嚼性最高结果一致。

a1-a4,蒸煮前木薯珍珠外观;b1-b4,蒸煮后木薯珍珠外观;c1-c4,熟珍珠100倍下的微观结构;d1-d4,熟珍珠500倍下的微观结构。

3 结论

菊粉会与淀粉发生氢键和静电相互作用,与淀粉竞争水分,抑制淀粉颗粒溶胀,并提高粉末水溶性,从而影响木薯珍珠的颗粒强度和蒸煮品质。添加LPI效果最好,可以显著降低木薯珍珠的摩擦损失和蒸煮损失,同时显著提高其透明度、体积膨胀率、硬度、咀嚼性和风味口感。这是因为LPI的平均聚合度更低,与淀粉的氢键相互作用更强,形成的凝胶网络结构也更强。添加MPI会显著降低粉末的吸水性,从而降低木薯珍珠的透明度,而添加HPI则不易与淀粉分子形成氢键,反而增加了颗粒的异质性,导致颗粒强度降低,蒸煮损失升高,并对珍珠的组织状态产生负面影响。