乳化劑對(duì)鮮濕面貨架期內(nèi)水分遷移及熱力學(xué)影響

李立華，周文化,*，鄧 航

（1.糧油深加工與品質(zhì)控制湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學(xué)食品學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

鮮濕面在貨架期內(nèi)水分含量和分布會(huì)發(fā)生變化，嚴(yán)重影響鮮濕面的表面外觀和質(zhì)地，對(duì)鮮濕面貨架期也有重要影響。水分對(duì)淀粉體系中由支鏈淀粉重結(jié)晶所引起的淀粉老化也有著重要的影響，支鏈淀粉的重結(jié)晶對(duì)水的依賴性較強(qiáng)，在重結(jié)晶的過(guò)程中涉及到水分子的遷移[1]，研究鮮濕面貨架期內(nèi)水分遷移和淀粉老化是很有必要的。多糖[2-3]、乳化劑、抗壞血酸鈉等添加劑可改善水分分布和遷移對(duì)淀粉老化的影響，其中乳化劑是一種較常用的添加劑，其可以提高面團(tuán)的持水性，延緩淀粉老化。淀粉老化檢測(cè)技術(shù)主要有流變儀和差示掃描量熱（differential scanning calorimeter，DSC）儀[4]、掃描電子顯微鏡[5]等，其中DSC技術(shù)能夠快速地得到淀粉的老化焓，掃描電子顯微鏡可以清晰地觀察分子微觀結(jié)構(gòu)，而低場(chǎng)核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）儀是研究水分遷移的快速方法，并且具有準(zhǔn)確、無(wú)損的優(yōu)點(diǎn)[6-7]。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究頗多，劉銳等[8]用LF-NMR和DSC儀分析面團(tuán)中的水分狀態(tài)，結(jié)果表明在低水分面條面團(tuán)中，水分主要以弱結(jié)合水形態(tài)存在。吳酉芝等[9]利用LF-NMR研究34 種面團(tuán)常用添加劑的持水特性，得出乳化劑能夠提高面團(tuán)深層結(jié)合水的比例。但是目前很少有乳化劑對(duì)鮮濕面體系水分分布、遷移影響的研究報(bào)道，離子型乳化劑和非離子型乳化劑的抗老化差異也沒(méi)有進(jìn)行深入地研究。本研究利用LF-NMR、掃描電子顯微鏡和DSC儀對(duì)硬脂酰乳酸鈉（sodium stearyl lactate，SSL）（離子型乳化劑）添加組、β-環(huán)糊精（betacyelodextrin，β-CD）（非離子型乳化劑）添加組和空白（control check，CK）組鮮濕面進(jìn)行掃描，探討鮮濕面的水分分布、遷移、微觀結(jié)構(gòu)和淀粉熱力學(xué)情況，以期對(duì)鮮濕面抗老化作用進(jìn)行初步研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮濕面由中南林業(yè)科技大學(xué)稻谷及副產(chǎn)物國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室自制。

β-CD（純度99%）、SSL（純度99%） 無(wú)錫市百端多化工有限公司；自封袋（聚乙烯（polyethylene，PE）樹(shù)脂，厚度0.12 mm） 河源市華豐塑料有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

NMI20核磁共振成像分析儀 上海紐邁電子科技有限公司；TA Q2000 DSC儀 美國(guó)TA儀器公司；SEM Quanta-200掃描電子顯微鏡 荷蘭FEI公司；FD5-4冷凍干燥機(jī) 美國(guó)金西盟國(guó)際集團(tuán)中國(guó)分公司；DHH-180A小型電動(dòng)壓面機(jī) 永康市海鷗電器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 CK組鮮濕面的制作

稱取100 g小麥粉，配制鹽水和面液（2 g鹽、31 g水），將其緩慢加到面粉中，和面5 min，使面粉吸水均勻。再在30～35 ℃恒溫培養(yǎng)箱熟化30 min。取出用壓面機(jī)壓片，壓延6 次，使得面片均勻，表面光滑，面片厚度1 mm，最后切成寬為3 mm的面條。然后在沸水中蒸煮3 min，立刻撈出冷水淋洗1 min，再將面條瀝干水，逐根挑出，裝入7號(hào)自封袋，4 ℃密封保存。

1.3.2 添加乳化劑的鮮濕面的制作

稱取100 g小麥粉，配制鹽水和面液（2 g鹽、31 g水），將0.2%（相對(duì)于面粉質(zhì)量）配比的SSL及0.10%的β-CD分別加入和面液中（本課題組前期已經(jīng)做了鮮濕面的全質(zhì)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，得出了SSL和β-CD的最適添加量），緩慢加入面粉中，經(jīng)和面、熟化、壓面、切面、蒸煮水洗、瀝干后裝入7號(hào)自封袋，4 ℃密封保存。

1.3.3 鮮濕面LF-NMR測(cè)定

取3 g面條樣品，用保鮮膜將其包裹放入檢測(cè)管，置于核磁共振檢測(cè)室進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)參數(shù)：采樣點(diǎn)數(shù)為2 048，重復(fù)掃描次為8，弛豫衰減時(shí)間為1 000 ms。利用CPMG脈沖序列測(cè)定樣品的橫向弛豫時(shí)間T2。每個(gè)樣品進(jìn)行3 次重復(fù)LF-NMR測(cè)試，數(shù)據(jù)取平均值。

1.3.4 鮮濕面熱力學(xué)特征測(cè)定

用專用的鑷子取適量待測(cè)的鮮濕面樣品（＜10 mg）放進(jìn)DSC坩堝中，壓平，使之均勻地平鋪于坩堝中，壓蓋密封，4 ℃貯藏1 周，于25 ℃條件下進(jìn)行DSC測(cè)定。設(shè)定升溫程序如下：掃描溫度范圍為從30～95 ℃，升溫速率均為10 ℃/min。測(cè)定時(shí)以空坩堝作為參照，載氣為氮?dú)猓魉?0 mL/min。每組樣品重復(fù)測(cè)試2 次，取平均值。測(cè)得重結(jié)晶融化起始溫度（T0）、重結(jié)晶融化頂點(diǎn)溫度（Tp）、重結(jié)晶融化終止溫度（Tc）、老化焓（Δ H）。

1.3.5 鮮濕面微觀結(jié)構(gòu)分析

將貯藏7 d的鮮濕面切成3～4 mm3的小塊，先用3%的戊二醛溶液4 ℃浸泡過(guò)夜進(jìn)行固定，之后0.1 mol/L磷酸緩沖液清洗3 次，再依次用30%、50%、70%、90%、100%乙醇溶液梯度脫水，最后采用臨界點(diǎn)干燥法進(jìn)行干燥，用濺射鍍膜法對(duì)樣品進(jìn)行表面鍍金，并置于掃描電子顯微鏡下觀察拍照。

1.4 數(shù)據(jù)采集與處理分析

利用T2-FitFrm軟件調(diào)用CPMG序列反演得到各樣品的波譜圖，再利用17.0版SPSS和2010 Excel對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳化劑對(duì)鮮濕面水分遷移的影響

2.1.1 兩種類型乳化劑對(duì)鮮濕面中水分分布的影響

圖1 4 ℃貯藏3 h鮮濕面LF-NMR圖譜Fig.1 LF-NMR map of fresh noodles after storage for 3 hours at 4 ℃

如圖1所示，鮮濕面LF-NMR圖譜有3 個(gè)不同高度的峰，每個(gè)峰和橫坐標(biāo)之間的面積不一樣，且對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間也不一樣。并且與CK組對(duì)比，加乳化劑的另外兩種曲線峰的強(qiáng)度有不同程度的變強(qiáng)，且對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間都有不同程度的右移。

從表1可以看出，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，CK組鮮濕面結(jié)合水A21和不易流動(dòng)水A22逐漸下降，自由水A23逐漸上升，添加SSL和β-CD降低了鮮濕面3 種水分的變化速率（P＜0.05），使得A21：β-CD＞SSL＞CK（P＜0.05），A22：SSL＞β-CD＞CK（P＜0.05），A23：SSL＜β-CD＜CK（P＜0.05）。

添加了SSL的鮮濕面貯藏3 d，結(jié)合水A21呈下降趨勢(shì)，貯藏3～5 d，A21上升，貯藏5～7 d，A21又下降；相比較CK組，這兩種乳化劑均能使得體系的結(jié)合水含量有所上升（P＜0.05），SSL使得結(jié)合水質(zhì)量分?jǐn)?shù)從（2.16±0.34）%增大到（3.14±0.19）%；貯藏1 d，A22上升，貯藏3～5 d，A22下降，貯藏5～7 d，A22又上升，相比CK組，SSL使得A22從（3.10±0.05）%增大到（4.32±0.41）%（P＜0.05）；貯藏1～7 d，自由水A23一直逐漸上升，相比C K組，S S L使得A23從（94.73±0.38）%減少到（92.43±0.22）%（P＜0.05）。添加了β-CD的鮮濕面貯藏1～7 d，A21和A22的變化趨勢(shì)與SSL類似，只是變化的程度不同，β-CD使得A22增大到（4.01±0.47）%（P＜0.05），β-CD使得結(jié)合水質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到（3.06±0.53）%；A23呈上升趨勢(shì)，且β-CD使得A23從（94.73±0.38）%減少到（92.85±0.68）%（P＜0.05）。

以上數(shù)據(jù)說(shuō)明兩種乳化劑都增大了結(jié)合水和不易流動(dòng)水水含量，減少了自由水在面條貯藏過(guò)程中緩慢漏出而流失[10]；并且可以看出SSL效果更好，原因可能是它們自身結(jié)構(gòu)不同[11]，SSL是陰離子型乳化劑，它因電性差異固定水分，且能與麥谷蛋白及麥膠蛋白分別以疏水鍵及親水鍵結(jié)合，對(duì)游離的蛋白質(zhì)起吸附、交聯(lián)作用，促使面筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成，能更好地束縛自由水；而β-CD是非離子型乳化劑，其與水分子之間形成氫鍵而固定水分子，并只能通過(guò)氫鍵和范德華力與蛋白質(zhì)結(jié)合，作用不及交聯(lián)作用[12-15]；這與樊海濤等[12]利用LF-NMR研究乳化劑對(duì)面團(tuán)中水分狀態(tài)的影響結(jié)果類似。這兩種乳化劑降低鮮濕面體系水分的變化速率，也可能是在貯藏過(guò)程中，SSL和β-CD能通過(guò)疏水鍵與直鏈淀粉形成絡(luò)合物產(chǎn)生凝聚[16-18]，這種復(fù)合物不溶于水，阻止了面筋和淀粉之間的水分遷移[19]。說(shuō)明乳化劑能夠影響鮮濕面貯藏期內(nèi)3 種水分的含量變化。

2.1.2 兩種類型乳化劑對(duì)鮮濕面水分流動(dòng)性的影響

3 種狀態(tài)水的弛豫時(shí)間分別標(biāo)記為T(mén)21、T22、T23，弛豫時(shí)間越短，表明水與底物結(jié)合越緊密，水的自由度越低；越自由的水分子由于越小，運(yùn)動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于氫質(zhì)子的共振頻率，故弛豫時(shí)間T2越長(zhǎng)[20-22]。

表1 兩種類型乳化劑對(duì)鮮濕面中3 種水分狀態(tài)含量的影響Table1 Effects of two kinds of emulsi fi ers on the contents of three kinds of water in fresh noodles%

圖2 鮮濕面T21隨時(shí)間變化曲線Fig.2 T21 curves of fresh noodles as a function of storage time

由圖2可以看出，T21的范圍在0.05～1 ms之間，時(shí)間很短，說(shuō)明這部分水分流動(dòng)性很差，屬于結(jié)合水。貯藏1 d，3 組鮮濕面的T21都呈上升趨勢(shì)，添加SSL和β-CD的鮮濕面T21均比CK組大，且SSL＞β-CD＞CK（P＜0.05），說(shuō)明貯藏前期兩種乳化劑使得結(jié)合水的流動(dòng)性增強(qiáng)，且SSL的效果更好；貯藏3～7 d，3 組鮮濕面T21均呈下降趨勢(shì)，添加了SSL和β-CD的鮮濕面最終的T21均比CK組小（P＜0.05）；且貯藏3～5 d，SSL＜β-CD（P＜0.05），貯藏7 d時(shí)SSL和β-CD無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。

圖3 鮮濕面T22隨時(shí)間變化曲線Fig.3 T22 curves of fresh noodles as a function of storage time

由圖3可知，不易流動(dòng)水T22的范圍在1～10 ms之間。貯藏1 d時(shí)，SSL＞β-CD＞CK（P＜0.05），說(shuō)明貯藏前期兩種乳化劑使得不易流動(dòng)水的流動(dòng)性增強(qiáng)，且SSL的效果更好；貯藏1～7 d內(nèi)，3 組鮮濕面T22都呈下降趨勢(shì)，添加了SSL和β-CD的鮮濕面變化更顯著，T22均比CK組小（P＜0.05）；說(shuō)明SSL和β-CD可以抑制不易流動(dòng)水的活動(dòng)性，使得鮮濕面的持水性進(jìn)一步提高。

圖4 鮮濕面T23隨時(shí)間變化曲線Fig.4 T23 curves of fresh noodles as a function of storage time

從圖4可知，自由水T23的范圍在50～100 ms之間。3 組鮮濕面T23都呈持續(xù)下降趨勢(shì)，貯藏1 d，添加兩種乳化劑的鮮濕面T23均比CK組大（P＜0.05），說(shuō)明SSL和β-CD均能增大貯藏前期鮮濕面體系內(nèi)水分的活性；貯藏7 d，相比CK組，添加了SSL和β-CD的鮮濕面T23均有一定程度的減小，且SSL＜β-CD＜CK（P＜0.05），說(shuō)明長(zhǎng)期回生過(guò)程中添加劑使得鮮濕面體系自由水的活動(dòng)性起到了一定抑制作用，原因可能是乳化劑的親水作用使體系中自由水分子的數(shù)量有所減少，這與表1中兩種乳化劑使得鮮濕面體系自由水含量得到減少的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

從圖2～4可以看出，貯藏7 d，鮮濕面弛豫時(shí)間T21、T22、T23總的趨勢(shì)均有不同程度的下降，這與Ottenhof等[23]研究的小麥淀粉在貯藏后T2下降的結(jié)果類似，說(shuō)明貯藏期間，支鏈淀粉老化伴隨著水分流動(dòng)性下降[23]；最終SSL和β-CD均能降低T2（P＜0.05），這與Roca等[24]采用預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型對(duì)兩種復(fù)合食品系統(tǒng)中的水分進(jìn)行了模擬，研究脂含量對(duì)蛋糕中的水分遷移影響，得出脂能夠降低水分?jǐn)U散系數(shù)，阻礙水分遷移的結(jié)果類似。

2.2 兩種類型乳化劑對(duì)鮮濕面熱力學(xué)特征的影響

煮熟的鮮濕面發(fā)生了淀粉的糊化，在4 ℃貯藏后，糊化的淀粉迅速重結(jié)晶發(fā)生老化[25]，DSC老化焓反應(yīng)的就是該晶體的融化。直鏈淀粉的老化發(fā)生在140 ℃以上，所以所測(cè)得的重結(jié)晶是由支鏈淀粉引起的[26]。從圖5可直觀地看出，隨著溫度的升高曲線上出現(xiàn)了一個(gè)峰頂點(diǎn)，這就是淀粉老化形成的重結(jié)晶的融化頂點(diǎn)溫度Tp；對(duì)比CK組，添加SSL和β-CD的鮮濕面的Tp更低；也可以直觀地看出添加乳化劑的鮮濕面產(chǎn)生的老化熱焓比CK組低（CK＜SSL＜β-CD）。說(shuō)明乳化劑對(duì)鮮濕面的熱力學(xué)特征有一定的影響，并且兩種乳化劑影響的程度不同。

圖5 鮮濕面貯藏3 h DSC變化曲線Fig.5 DSC curves of fresh noodle stored for 3 h

4 ℃貯藏1 周的鮮濕面熱力學(xué)參數(shù)變化具體情況如表2所示，T0為淀粉顆粒內(nèi)穩(wěn)定性最低的微晶的解體溫度。隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，鮮濕面重結(jié)晶融化起始溫度T0和老化焓ΔH都越來(lái)越大。其中CK組鮮濕面的T0從46.33 ℃增大到52.59 ℃；ΔH從0.62 J/g增大到1.81 J/g；說(shuō)明鮮濕面在貯藏期間發(fā)生了老化，支鏈淀粉重結(jié)晶程度越來(lái)越大，并且越來(lái)越難解體。而添加SSL和β-CD的鮮濕面的T0和ΔH都明顯比CK組小（P＜0.05），SSL使得鮮濕面的ΔH從（1.81±0.05）J/g減小到（1.37±0.12）J/g（P＜0.05），β-CD使得鮮濕面的ΔH減小到（1.31±0.04）J/g（P＜0.05）。這與Xu Jin等[27]利用DSC研究彈性糊精對(duì)糊化淀粉老化得出彈性糊精能降低淀粉老化焓的影響結(jié)果相類似，說(shuō)明這2 種乳化劑都能減緩老化焓ΔH增大的速率，抑制鮮濕面的老化。原因可能是乳化劑和直鏈淀粉形成了復(fù)合物，降低了淀粉重結(jié)晶速率k和增加了Avrami指數(shù)n，改變成核模式[28]，使得成核不斷趨近于自發(fā)成核（1≤n≤2），從而降低老化的速度[29-30]，使淀粉結(jié)晶程度降低[31]，肖東等[32]利用Hyperchem軟件模擬動(dòng)力學(xué)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)SSL和β-CD能打開(kāi)并插入直鏈淀粉形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，抑制直鏈淀粉螺旋結(jié)構(gòu)的形成，從而抑制淀粉的老化。

表2 在4 ℃貯藏1 周的鮮濕面熱力學(xué)參數(shù)Table2 Thermodynamic parameters of fresh noodles during storage for 7 days at 4 ℃

2.3 兩種類型乳化劑對(duì)鮮濕面微觀結(jié)構(gòu)的影響

在1 500 倍放大鏡下觀察到的在4 ℃貯藏7 d的鮮濕面的微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示，CK組鮮濕面微觀結(jié)構(gòu)表面并不光滑，有很多斷裂和塌陷；而添加SSL的鮮濕面結(jié)構(gòu)表面光滑，沒(méi)有斷裂和塌陷；可以看到橢圓形的淀粉顆粒，分子間連接緊密，水分分布均勻，面筋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；添加β-CD的鮮濕面表面也光滑，水分分布均勻；但是結(jié)構(gòu)和SSL組不同，可以看到分子之間有包裹性的連接，且分子間有小的間隙，原因可能是β-CD不能像SSL起交聯(lián)作用，但可以因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疏水性和外部的親水性起到連接作用。

圖6 鮮濕面在4 ℃貯藏7 d的掃描電子顯微鏡圖Fig.6 SEM photographs of fresh noodle stored 7 days at 4 ℃

3 結(jié)論與討論

兩種類型乳化劑均能影響鮮濕面的水分分布和遷移，最終都減緩了結(jié)合水和不易流動(dòng)水下降趨勢(shì)，減緩了自由水上升趨勢(shì)，使得鮮濕面在貨架期內(nèi)的自由水含量減少（P＜0.05），結(jié)合水和不易流動(dòng)水含量增大（P＜0.05）；且SSL和β-CD均使得鮮濕面體系T2的下降得到抑制（P＜0.05），使鮮濕面在貯藏前期的結(jié)合水T21增大，使貯藏7 d的鮮濕面T2減小，降低水分遷移，并且SSL和β-CD的影響效果存在顯著差異（P＜0.05）；通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察到鮮濕面微觀結(jié)構(gòu)不光滑，面筋結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，有很多斷裂和塌陷的結(jié)構(gòu)；而添加乳化劑的結(jié)構(gòu)光滑，可見(jiàn)橢圓形的淀粉顆粒，沒(méi)有斷裂的結(jié)構(gòu)，水分分布均勻，分子間鏈接緊密，面筋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；SSL和β-CD均能減緩老化焓ΔH增大的速率，使得鮮濕面在貨架期內(nèi)的老化焓減小（P＜0.05），抑制淀粉重結(jié)晶，從而抑制鮮濕面老化；也說(shuō)明了支鏈淀粉老化過(guò)程中伴隨著水分的遷移。

兩種乳化劑雖都能增加鮮濕面結(jié)合水含量，減小自由水含量，增大貯藏前期T21和減小T23，但是二者的影響效果卻不一樣（P＜0.05）；二者的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致作用機(jī)制不同，SSL作為陰離子型乳化劑，能夠產(chǎn)生負(fù)離子的親水基團(tuán)，通過(guò)電性差異和與水分子作用而能固定水分，并且能夠?qū)τ坞x蛋白起吸附、交聯(lián)作用，增強(qiáng)面筋結(jié)構(gòu)，提高持水性；而β-CD作為非離子型乳化劑，通過(guò)與水分子形成氫鍵作用來(lái)固定水分，并且通過(guò)自身特殊的結(jié)構(gòu)在分子內(nèi)或分子間與水發(fā)生連接作用。本研究中乳化劑減小自由水含量的結(jié)果和樊海濤等[12]的研究結(jié)果一致，但是T2分布卻有很大差異，樊海濤研究得出的3 個(gè)峰中沒(méi)有不易流動(dòng)水的峰，并且弛豫時(shí)間比本研究大很多，原因可能是其采用冷凍面團(tuán)，且面團(tuán)中添加的水分比本研究多，在緩慢冷凍過(guò)程中面團(tuán)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)被破壞，不易流動(dòng)水含量減少，自由水的流動(dòng)性變大，弛豫時(shí)間變大。林向陽(yáng)等[33]利用了核磁共振及成像技術(shù)研究水分遷移和觀察面團(tuán)面筋網(wǎng)絡(luò)的形成和破壞過(guò)程，通過(guò)NMR曲線和圖像的黑點(diǎn)區(qū)域確定面團(tuán)的攪拌時(shí)間，本研究的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)也可以利用成像技術(shù)補(bǔ)充乳化劑對(duì)鮮濕面水分遷移的研究。同時(shí)，需要進(jìn)一步對(duì)乳化劑和淀粉形成的復(fù)合物進(jìn)行驗(yàn)證，并且得出復(fù)合物的組成。

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