高酯果膠對豌豆淀粉凝膠糊化及流變特性的影響

鄭炯，張可珺，曾瑞琪，張甫生

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(西南大學)，重慶，400715)

豌豆(PisumsativumLinn)為豆科豌豆屬攀緣性草本植物豌豆的種子，是一種營養(yǎng)豐富的重要經(jīng)濟作物[1-3]。豌豆淀粉作為提取豌豆蛋白質(zhì)后的產(chǎn)物，與谷類淀粉和薯類淀粉相比，出粉率高且價格低廉，因此被認為是一種相對便宜的淀粉來源[4-5]。豌豆淀粉含有較多的直鏈淀粉，但其淀粉顆粒直徑小于其他種類的淀粉顆粒，較高的直鏈淀粉含量使得其在糊化時的吸水膨脹能力較差，且糊化后容易回生，導致豌豆淀粉形成的凝膠脆度大，在加工過程中易碎，最終導致豌豆淀粉在食品工業(yè)中的應用受到限制[6-7]。

親水性膠體因其良好的性質(zhì)而被應用于淀粉的改性當中，親水性膠體的加入會使淀粉的糊化、流變等理化特性發(fā)生較大的變化，從而對淀粉的加工特性產(chǎn)生較大影響。目前，常用的親水性膠體主要有黃原膠、結(jié)冷膠、魔芋膠和果膠等。研究表明，親水性膠體可提高淀粉的熱穩(wěn)定性，并改善其凝膠性質(zhì)。唐敏敏等[8]研究了黃原膠對綠豆淀粉糊化和流變特性的影響，發(fā)現(xiàn)黃原膠可提高綠豆淀粉糊化溫度，降低其崩解值與回生值，提高淀粉凝膠強度。宋楊宇[9]在結(jié)冷膠對馬鈴薯淀粉性質(zhì)影響的研究中發(fā)現(xiàn)，高濃度的結(jié)冷膠可抑制馬鈴薯淀粉的糊化，提高淀粉的熱穩(wěn)定性。

高酯果膠(high methoxyl pectin, HMP)在較低的pH條件下具有較好的凝膠性能，同時因其具有較高的酯化度而對產(chǎn)品的溶解性、黏稠度、凝膠性質(zhì)有顯著的影響[10-11]。研究表明，果膠可在一定程度上抑制大米淀粉凝膠網(wǎng)絡結(jié)構的形成，延緩或抑制大米淀粉的老化[12]。柳艷梅等[13]研究發(fā)現(xiàn)，果膠可對大米淀粉凝膠的儲能模量產(chǎn)生顯著影響，提高大米淀粉在冷藏條件下的穩(wěn)定性。目前，對親水性膠體作用于淀粉的研究大多集中于谷類淀粉和薯類淀粉上，而有關HMP對豌豆淀粉凝膠特性影響的研究還鮮有報道。因此，本文以豌豆淀粉為原料，加入不同比例的HMP后，考察豌豆淀粉及其凝膠在糊化特性、流變及質(zhì)構特性上的變化，探究HMP是否能改善豌豆淀粉的凝膠特性，為豌豆淀粉與HMP復配體系在食品工業(yè)中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豌豆淀粉(食品級)，成都達恒毛實業(yè)有限公司提供；HMP(酯化度65%～70%)，淄博中軒生化有限公司提供。

1.2 儀器與設備

RVA-TecMaster快速黏度分析儀，瑞典波通儀器有限公司；DHR-1旋轉(zhuǎn)流變儀，美國TA公司；CT3物性測定儀，美國Brookfield公司；FD-1A-50冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；JSM-6510LV鎢燈絲掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社(JEOL)。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

選取5種質(zhì)量配比的豌豆淀粉與果膠復配體系(10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0，g∶g)，準確稱量各配比下的豌豆淀粉與HMP的質(zhì)量，于燒杯中加入去離子水混合，配制成質(zhì)量濃度為60 g/L的懸浮液(以干基計)，攪拌均勻后在沸水浴中加熱糊化30 min， 糊化結(jié)束后取出，冷卻至室溫，待用。除糊化特性的測定，流變、質(zhì)構特性以及微觀結(jié)構的測定所用樣品均采用此方法制備。

1.3.2 糊化特性的測定

參考吳銀琴等[14]的方法，選取5種質(zhì)量配比的豌豆淀粉與HMP復配體系(10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0，g∶g)，準確稱量后加入去離子水，于RVA鋁盒中混勻，配制成總質(zhì)量濃度為60 g/L的懸浮液(以干基計)，按照美國谷物化學協(xié)會(AACC)規(guī)定方法Standard 2，使用快速粘度分析儀進行測定。具體程序如下：在50 ℃下保溫1 min，然后以6 ℃/min的速度升溫至95 ℃，保溫5 min，再以6 ℃/min的速度降溫至50 ℃，保溫2 min。前10 s內(nèi)以960 r/min的速率進行攪拌，之后以160 r/min的攪拌速率進行黏度測定。

1.3.3 流變特性的測定

部分施工單位為了中標，故意低價投標，中標后為了獲取更多的利潤，在工程建設過程中鋌而走險，使用的建筑材料質(zhì)量低于設計和規(guī)范要求，或在施工過程中不按施工工藝標準和質(zhì)量驗收標準進行施工，使得建筑工程質(zhì)量存在不穩(wěn)定因素。

靜態(tài)流變特性測定：設置測量溫度25 ℃，測定剪切速率從0～300 s-1遞增，再從300～0 s-1遞減過程中樣品剪切應力的變化情況。采用冪定律(Power-law模型)對數(shù)據(jù)點進行回歸擬合，相關系數(shù)R2表示方程的擬合精度，方程如式(1)：

τ=Kγn

(1)

式中：τ表示剪切應力，Pa；K表示稠度系數(shù)，Pa·sn；γ表示剪切速率,s-1；n表示流體指數(shù)。

動態(tài)黏彈性測定：設置測量溫度25 ℃，掃描應變1%，測定頻率范圍由0.1 Hz至10 Hz內(nèi)樣品儲能模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗角正切值(tanδ=G″/G′)隨角頻率的變化情況。

1.3.4 質(zhì)構特性的測定

參考劉敏等[15]的方法并稍加改動。將糊化后的樣品置于4 ℃下，密封冷藏24 h后取出放置至室溫，使用CT3物性測定儀進行凝膠質(zhì)構的測定。采用TPA模式，選擇TA5探頭，設置測定條件：測前速度1.0 mm/s； 測試速度1.0 mm/s；測后速度1.0 mm/s；壓縮程度40%；觸發(fā)力5 g。每組測試均做5次平行測定。

1.3.5 微觀結(jié)構的測定

將制備好的樣品在培養(yǎng)皿中涂抹均勻，放入冰箱凍藏室中凍藏24 h，待水分完全結(jié)冰后，放入冷凍干燥箱中，在-50 ℃條件下進行抽真空冷凍干燥72 h，使樣品完全干燥。將干燥好后的樣品安裝在雙面導電的鋁片上，并涂上一薄層鈀金合金，使用離子濺渡機使樣品具有導電性。樣品在15 kV的加速電壓和200～1 000倍的放大率下進行觀察和拍照。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 HMP對豌豆淀粉糊化特性的影響

圖1為HMP對豌豆淀粉糊化特性的影響。由圖1可知，豌豆原淀粉的黏度曲線有明顯的黏度峰，黏度在達到峰值以后則快速下降，豌豆淀粉的淀粉顆粒在糊化的過程中可以充分吸收水分而膨脹，淀粉分子之間具有較弱的相互作用，在加工中容易被剪切[16]。當加入HMP后，豌豆淀粉的黏度特性曲線的變化趨勢保持不變，HMP的加入并未改變豌豆淀粉顆粒的吸水膨脹能力，但不同比例的HMP對豌豆淀粉的黏度特性影響較小，從黏度曲線中較難精確分析出不同比例的HMP對豌豆淀粉糊化特性的影響。

圖1 HMP對豌豆淀粉糊化特性的影響Fig.1 Effect of HMP on pasting characteristics of pea starch

表1為豌豆淀粉/HMP復配體系的糊化特征值。豌豆原淀粉的峰值黏度和回生值較高，這與其較高的直鏈淀粉含量、較小的粒徑以及顆粒之間緊密的排列方式有關[17]。添加HMP后，豌豆淀粉的峰值黏度、崩解值、終值黏度、回生值與豌豆原淀粉體系相比均降低，而糊化溫度升高。峰值黏度可以反映在糊化時淀粉顆粒的膨脹程度，隨著HMP添加量的增加，復配體系的峰值黏度雖然一直呈下降趨勢，但在總體上仍處于較高的水平，表明豌豆淀粉顆粒的吸水膨脹能力較強，能在糊化時充分吸水膨脹。崩解值表示峰值黏度與峰谷黏度之差，表征熱淀粉糊的耐剪切性能，崩解值越大則樣品的耐剪切性越差，當HMP的比例逐漸增大時，復配體系的崩解值逐漸降低。當豌豆淀粉與HMP的質(zhì)量比為8.5∶1.5時，復配體系的崩解值驟減至約為豌豆原淀粉的一半。而在豌豆淀粉與HMP質(zhì)量比為8∶2的復配體系中，復配體系的崩解值已降低至豌豆原淀粉的39.6%， 此時復配體系的抗剪切性能大幅度增加，復配體系的穩(wěn)定性增強，同時糊化溫度隨著HMP添加量的增加而增加，也表明了HMP增強了復配體系的穩(wěn)定性。

回生值主要表征了冷淀粉糊的凝膠形成能力，回生值越高，淀粉具有的凝膠形成能力越強。隨著HMP添加量的逐漸增加，復配體系的回生值逐漸降低，凝膠形成能力變?nèi)酢Ｓ捎诠z分子鏈帶負電荷，分子間趨向相互排斥，隨著酯化度的提高，電荷密度增大，排斥作用增強，且復配體系處于非酸性環(huán)境，在較強空間位阻排斥的影響下，HMP依靠氫鍵形成凝膠的能力進一步減弱，從而影響了淀粉間氫鍵的形成。

表1 豌豆淀粉/HMP復配體系糊化特征值Table 1 Pasting parameters of pea starch/HMP mixed system

注：同一列中的平均值(±標準差)所帶的不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 HMP對豌豆淀粉凝膠流變特性的影響

2.2.1 對靜態(tài)剪切流變特性的影響

圖2為不同配比的豌豆淀粉/HMP體系剪切應力隨剪切速率的變化曲線。

圖2 HMP對豌豆淀粉凝膠靜態(tài)流變特性的影響Fig.2 Effect of HMP on flow curves of pea starch gel

由圖2可知，豌豆淀粉凝膠為典型的非牛頓流體，隨著剪切速率的逐漸增加，淀粉凝膠的剪切應力逐漸增加，且淀粉凝膠的靜態(tài)流變特性曲線凸向于剪切應力軸，表明豌豆淀粉凝膠具有假塑性[18]。隨著HMP的添加量逐漸增加，在同一剪切速率下，淀粉凝膠受到破壞所需要的剪切應力也逐漸增加。當豌豆淀粉/HMP的配比(質(zhì)量比)為8∶2時，復配體系對應的剪切應力達到最大。在剪切速率從低到高和從高到低的兩個過程中產(chǎn)生的上行曲線與下行曲線之間形成的環(huán)狀回路稱為滯后環(huán)[18]，滯后環(huán)的存在反映了復配體系的觸變性。豌豆原淀粉在剪切速率大于150 s-1后，上下行曲線重合性較好，而在低剪切速率時，兩條曲線的偏離較大，但在總體上復配體系的滯后現(xiàn)象較小。隨著HMP添加量的逐漸加大，復配體系的滯后環(huán)面積減小，HMP的加入使得豌豆淀粉凝膠的回復性能增強，這可能是由于HMP的存在，使得HMP與淀粉分子間的氫鍵作用增強，而在剪切過程中，豌豆淀粉分子間的氫鍵作用減小的程度變小，淀粉結(jié)構被破壞得較小，因而可以使豌豆淀粉凝膠保持較好的回復性能[19]。

采用冪定律對復配凝膠體系靜態(tài)剪切流變曲線的數(shù)據(jù)點進行擬合，擬合參數(shù)如表2所示。

由表2可知，決定系數(shù)R2均大于0.92，表明該模型具有較高的擬合精度。表中所有復配凝膠體系的流體指數(shù)n均小于1，說明復配凝膠體系具有剪切變稀性質(zhì)，為典型的假塑性流體，這與復配凝膠體系靜態(tài)流變特性的測試結(jié)果一致。稠度系數(shù)K反映樣品的黏稠性，K隨HMP的增加，先減小后增加，表明少量HMP的加入一定程度上增大了豌豆淀粉凝膠的流動性，淀粉剪切稀化現(xiàn)象嚴重，從而使體系的增稠性下降。但隨著HMP比例的增加，淀粉的黏度增加，體系的流動性減弱。這可能與HMP膠體分子與淀粉分子纏結(jié)有關，致使復配體系表現(xiàn)出更高的黏性[20]。

表2 豌豆淀粉/HMP復配體系擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of pea starch/HMP mixed system

2.2.2 對動態(tài)黏彈流變特性的影響

圖3為豌豆淀粉/HMP復配凝膠體系動態(tài)模量隨角頻率的變化關系曲線。由圖3可知，復配凝膠體系的G′隨角頻率的增加而逐漸增加，在施加較高的作用力下，體系恢復形變的能力增大，表現(xiàn)出明顯的彈性行為。而HMP的加入并未改變豌豆淀粉的彈性特征，但隨著HMP的添加量逐漸增加，體系的G′呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。豌豆原淀粉具有較高的G′值，當豌豆淀粉/HMP的配比(質(zhì)量比)為9.5∶0.5時，體系的G′下降較為明顯，當配比增加到8.5∶1.5時，體系的G′下降幅度較小，而當豌豆淀粉/HMP的配比達到8∶2后，G′下降幅度又增大。體系的G″與G′的變化趨勢相同，表明體系在較高角頻率作用下表現(xiàn)出更強的黏性性能，復配凝膠體系具有典型的黏彈體特征。

圖中實心點表示G′，空心點表示G″圖3 豌豆淀粉/HMP復配體系動態(tài)模量隨角頻率變化曲線Fig.3 Curves of dynamic modylus with angular frequency of pea starch/HMP mixed system

在豌豆原淀粉中，其G′始終大于G″，此時的豌豆淀粉凝膠以彈性性能占主導作用，且在雙對數(shù)坐標中，二者保持相互平行，G′與G″的變化不表現(xiàn)出頻率依賴性，豌豆淀粉凝膠表現(xiàn)出弱凝膠行為[21]。在添加HMP后，淀粉凝膠的動態(tài)黏彈性發(fā)生改變，當豌豆淀粉/HMP的配比(質(zhì)量比)為9.5∶0.5時，G′與G″仍保持平行，在整個測試范圍內(nèi)均有G′>G″，此時復配凝膠體系仍以彈性性能為主導，測試時的能量大部分被消耗于彈性形變，顯示出類似固體的黏彈性特征[22]。當HMP的添加量繼續(xù)增加后，體系G′與G″平行的狀態(tài)開始減弱，G′與G″之間的頻率依賴性增強。

損耗角正切值tanδ與體系的流體特征有關。由圖4可知，復配凝膠體系的tanδ值均小于1，表現(xiàn)為一種弱凝膠動態(tài)流變學特征。在添加HMP后，淀粉凝膠的tanδ呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化，豌豆原淀粉的tanδ在低頻測試范圍與高頻測試范圍之間的變化較大，HMP的加入抑制了這種劇烈的變化，當豌豆淀粉/HMP的配比(質(zhì)量比)為8.5∶1.5時，體系的tanδ在角頻率大于5 rad/s后就基本保持不變，且tanδ值一直處于最低狀態(tài)，凝膠體系表現(xiàn)出最強的彈性，隨著彈性比例的增加，復配凝膠體系的結(jié)構更加穩(wěn)定。當豌豆淀粉/HMP的配比(質(zhì)量比)為8∶2時，復配體系具有最小的G′，而體系的G″則呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢，體系的黏性性能逐漸增加，彈性性能的占比減小，從而導致了該體系下具有較高的tanδ。

圖4 豌豆淀粉/HMP復配體系tanδ隨角頻率變化曲線Fig.4 Curves of tanδ with angular frequency of pea starch/HMP mixed system

2.3 HMP對豌豆淀粉凝膠質(zhì)構特性的影響

淀粉凝膠是由吸水膨脹后的淀粉顆粒和直鏈淀粉之間形成的含有一定水分的網(wǎng)狀結(jié)構復合物。淀粉的凝膠特性主要體現(xiàn)在質(zhì)構特性、凍融特性以及凝膠的微觀結(jié)構上[23]。表3為豌豆淀粉/HMP復配體系凝膠質(zhì)構特性的參數(shù)。隨著HMP添加量的逐漸增加，復配體系的硬度逐漸減小，但黏著性呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，復配體系的內(nèi)聚性和彈性變化規(guī)律具有一定的起伏。淀粉凝膠的硬度主要與淀粉分子中直鏈淀粉含量有關，直鏈淀粉含量越高，分子間相互交聯(lián)和纏繞的程度越大，淀粉凝膠的硬度越大[24]。在不同種類的淀粉當中，豌豆淀粉的直鏈淀粉含量較高，因此豌豆原淀粉凝膠具有較高的硬度，而隨著HMP的添加，復配體系的硬度逐漸減小，原淀粉具有最大的硬度，當豌豆淀粉/HMP的配比(質(zhì)量比)達到9∶1時，體系硬度開始出現(xiàn)大幅減小。當豌豆淀粉/HMP的配比(質(zhì)量比)為8∶2時，淀粉凝膠的硬度幾乎減小至豌豆原淀粉的一半。這可能是由于HMP具有較高的與水分子結(jié)合的能力，隨著HMP濃度的增加，結(jié)合作用逐漸增強，HMP還能與淀粉分子通過范德華力等分子間相互作用力連接減少豌豆淀粉分子間相互交聯(lián)和纏繞的程度，從而使得豌豆淀粉體系的硬度降低[25]。

彈性和內(nèi)聚性則與淀粉凝膠內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構有關，凝膠抵抗外界破壞的能力隨彈性和內(nèi)聚性值的升高而增強。由表3可知，豌豆原淀粉的彈性和內(nèi)聚性均表現(xiàn)出較高水平，豌豆淀粉凝膠的內(nèi)聚性在添加HMP后下降較明顯，但隨著HMP添加量的增加，內(nèi)聚性的變化并不顯著(P<0.05)。彈性的變化與內(nèi)聚性的變化相似，在添加HMP后，豌豆淀粉凝膠的彈性下降較多，而HMP的添加量大小并未引起彈性的顯著變化。黏著性與淀粉凝膠的內(nèi)聚性和彈性有關，原淀粉的黏著性較小，而隨著HMP的加入，豌豆淀粉凝膠的黏著性增加，且隨著HMP添加量的增大而增大，當豌豆淀粉/HMP的配比(質(zhì)量比)達到8∶2以后，豌豆淀粉凝膠的黏著性增長至原淀粉凝膠的1倍，HMP本身具有的黏度可使豌豆淀粉凝膠的黏度增加，從而引起咀嚼時淀粉凝膠滯留時間增長。

表3 豌豆淀粉/HMP復配體系凝膠質(zhì)構參數(shù)Table 3 Parameters of texture profile of pea starch/HMP mixed system

注：同一列中的平均值(±標準差)所帶的不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.4 HMP對豌豆淀粉凝膠微觀結(jié)構的影響

5種不同配比的豌豆淀粉/HMP凝膠體系在200倍下的掃描電鏡圖如圖5所示。由圖5可知，豌豆原淀粉凝膠的表面具有較大的孔徑，孔徑的大小和排列的均勻性較差，淀粉凝膠中含有較多的淀粉顆粒碎片，同時淀粉凝膠的斷層較多，結(jié)構較為松散。加入少量的HMP后，淀粉凝膠表面的顆粒碎片減少，當豌豆淀粉/HMP的配比(質(zhì)量比)達到9∶1時，豌豆淀粉凝膠的結(jié)構變得較為有序，凝膠表面的孔徑雖然仍較大，但其分布較為均勻，在凝膠表面幾乎看不到淀粉的顆粒碎片。而隨著HMP添加量的進一步提高，HMP與豌豆淀粉間的相互作用形成了逐漸均勻的連續(xù)網(wǎng)絡結(jié)構，淀粉凝膠的表面孔徑變小，當豌豆淀粉/HMP的配比(質(zhì)量比)達到8∶2后，淀粉凝膠的孔洞縮小，孔徑減少，出現(xiàn)連續(xù)致密的結(jié)構[26]。HMP的添加引起豌豆淀粉凝膠微觀結(jié)構的顯著變化，影響了淀粉凝膠質(zhì)構特性。

A～E-豌豆淀粉/HMP的配比(質(zhì)量比)分別為10∶0，9.5∶0.5，9∶1，8.5∶1.5，8∶2圖5 HMP對豌豆淀粉凝膠微觀結(jié)構的影響Fig.5 Effect of HMP on microstructure of pea starch gel

3 結(jié)論

HMP的添加可以降低豌豆淀粉糊化時的黏度、崩解值和回生值，能在一定程度上抑制豌豆淀粉的回生，同時增加豌豆淀粉的糊化溫度使得豌豆淀粉的穩(wěn)定性提高。HMP不改變豌豆淀粉的流體特征，隨著HMP添加量的增加，豌豆淀粉的剪切穩(wěn)定性增加，HMP具有良好的增稠效果，豌豆淀粉/HMP復配體系有較好的穩(wěn)定性。加入HMP后，復配凝膠體系的硬度減小而黏著性和彈性增加，表明形成的凝膠韌性較好，不易被破壞。HMP能夠顯著改變豌豆淀粉凝膠的微觀結(jié)構，隨著HMP的加入，淀粉凝膠中的顆粒碎片減少，凝膠孔徑變小形成了更加均勻、穩(wěn)定和致密的網(wǎng)絡結(jié)構。