海藻糖對三種淀粉理化性質的影響

金娃，陳威，李松原，趙凱

(哈爾濱商業大學 食品工程學院，哈爾濱 150028)

淀粉是一種天然存在的、生物可降解的且廉價的多糖分子[1]，其不僅可以作為原料，而且可以作為穩定劑[2]、增稠劑[3]等添加劑應用于食品調味品中[4]，但由于原淀粉的許多固有性質(冷水不溶性，糊液在酸、熱、剪切作用下不穩定)限制了淀粉的應用，為解決這些問題，可以通過在淀粉中添加糖類物質如葡萄糖、蔗糖[5]及海藻糖等改善淀粉的理化性質，使其賦予更多優良的應用性能。

海藻糖是由兩個吡喃型葡萄糖單體通過α,α-1,1-糖苷鍵連接而成的雙糖，化學名稱為α-D-吡喃葡糖基-α-D-吡喃葡糖苷[6]。海藻糖作為天然糖類，呈白色晶體狀，具有防止淀粉變性的作用，性質安全穩定，可以在惡劣環境下對生物起到防護作用[7]，被美國食品藥品監督管理局(FDA)批準為一般安全，在食品工業中得到廣泛應用[8]。本文選取海藻糖為研究對象，探究其對馬鈴薯淀粉、玉米淀粉、小麥淀粉性質的影響，實驗結果有助于深入理解海藻糖與淀粉的相互作用，拓展其在食品工業中的應用范圍。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉：市售；海藻糖、蔗糖：廣州億寶萊生物科技有限公司，以上試劑均為食品級。

1.2 主要實驗設備

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鄭州市亞榮儀器有限公司；TG16-WS臺式高速離心機 上海盧湘儀離心機儀器有限公司；DHG-9203A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；BS224S分析天平 北京賽多利斯科學儀器有限公司；HH-ZK4雙列四孔水浴鍋 鞏義市予華儀器有限公司；BCD-216SDN冰箱 青島海爾股份有限公司；722E分光光度計 上海光譜儀器有限公司；DSC4000差示掃描量熱儀 PerkinElmer公司。

1.3 方法

1.3.1 對海藻糖與淀粉共混體系透明度的測定

在淀粉中加入0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%(W/W)的海藻糖制備成1%(W/V)的淀粉乳，在95 ℃水浴鍋中加熱30 min使之糊化，期間不停攪拌，并不時加入蒸餾水保持原體積，室溫下冷卻。以蒸餾水為空白，采用分光光度計在620 nm波長下測定透光率。

1.3.2 對海藻糖與淀粉共混體系凍融穩定性的測定

參考1.3.1的方法制備淀粉乳，室溫冷卻，將冷卻后的淀粉乳倒入50 mL離心管中，并置于-18 ℃冰箱中24 h，在室溫下自然解凍4 h，以此為一個凍融循環，重復4次。每次解凍后采用3000 r/min離心20 min，棄上清液后稱重，按公式(1)計算析水率：

公式(1)

式中：m為沉淀物的質量，g；M為離心前淀粉凝膠的質量，g。

1.3.3 對海藻糖與淀粉共混體系凝沉性的測定

參考1.3.1的方法制備淀粉乳，室溫冷卻，分別倒入具塞試管中，每隔一段時間記錄上層清液和下層沉淀的體積，用上清液體積占淀粉糊總體積的百分比隨時間變化情況來表示淀粉糊的凝沉性質。

1.3.4 對海藻糖與淀粉共混體系熱特性的測定

準確稱取0.20～0.25 mg不同糖濃度的淀粉-海藻糖混合樣品置于DSC鋁坩堝中，按1∶2的比例加入蒸餾水，密封后室溫平衡3 h后進行測定，溫度掃描范圍是20～100 ℃，加熱速率為10 ℃/min，測定糊化起始溫度(onset temperature，To)、糊化峰值溫度(peak temperature，Tp)、糊化終止溫度(conclusion temperature，Tc)以及糊化焓(gelatinization enthalpy，ΔHgel)。將測定后的樣品于4 ℃條件下儲存3 d，測定其老化焓(retrogradation enthalpy，ΔHret)。按公式(2)計算老化度(retrogradation degree，RD)。

公式(2)

式中：ΔHret為老化焓，J/g；ΔHgel為糊化焓，J/g。

1.3.5 數據分析

利用SPSS 7.0與Excel 2012數據處理軟件對數據進行分析，并使用Origin 8.5軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 海藻糖對3種淀粉透明度的影響

不同海藻糖添加量對3種淀粉透明度的影響結果見圖1。

圖1 海藻糖添加量對3種淀粉透明度的影響Fig.1 Effects of trehalose additive amount on the transparency of three kinds of starch

由圖1可知，隨著海藻糖添加量的增加，3種淀粉的透光率均呈現先升高后降低的趨勢。淀粉透光率升高，可能是海藻糖與淀粉分子間形成的氫鍵代替空間結構中所必需的水分子，使淀粉的分散程度增大，透光率增加。當海藻糖添加量達到一定量時，海藻糖在淀粉體系中難以分散均勻，導致淀粉透光率下降。

2.2 海藻糖對3種淀粉凝沉性的影響

不同海藻糖添加量對3種淀粉凝沉性的影響結果見圖2。

圖2 海藻糖添加量對3種淀粉凝沉性的影響Fig.2 Effects of trehalose additive amount on the retrogradation property of three kinds of starch

由圖2可知，馬鈴薯淀粉的凝沉性最弱，與其他兩種淀粉相比，馬鈴薯淀粉的粘度最大且磷酸單酯含量高，磷酸酯鍵可以與淀粉支鏈結合，抑制分子聚合，從而使得淀粉糊不易凝沉[9]。

海藻糖的添加對淀粉凝沉具有一定的延緩效果，當海藻糖添加量增加時，淀粉凝沉性逐漸減弱，淀粉凝沉性與淀粉的老化有一定關系，在充足的水分條件下，凝沉性強則淀粉老化程度高。當含有多個羥基的海藻糖加入后，形成一種抗增塑作用，淀粉糊的水分活度降低，導致分子鏈遷移困難，抑制了淀粉分子的結晶重排和交聯纏繞，老化度降低，凝沉性降低。

2.3 海藻糖對3種淀粉凍融穩定性的影響

不同海藻糖添加量對3種淀粉凍融穩定性的影響結果見圖3。

圖3 海藻糖添加量對3種淀粉凍融穩定性的影響Fig.3 Effects of trehalose additive amount on the freeze-thaw stability of three kinds of starch注：a為馬鈴薯-海藻糖；b為玉米-海藻糖；c為小麥-海藻糖。

由圖3可知，隨著凍融次數的增加，析水率逐漸增大，馬鈴薯淀粉的析水率最低，其次是小麥淀粉，玉米淀粉的析水率最高，這與淀粉中磷酸單酯含量有關，磷酸酯鍵可與支鏈淀粉結合，抑制淀粉糊老化，從而降低析水率[10]。加入海藻糖后，淀粉析水率明顯下降，可能是由于海藻糖具有更低的水擴散系數和更高的玻璃態轉化溫度[11]，易形成高度濃縮的高滲透壓溶液，抑制分子間結晶重排，減少凍結過程中冰晶對淀粉糊質構的損傷，降低了淀粉的老化程度與析水率，且海藻糖中的平伏羥基基團與水分子結合，造成淀粉分子周圍的自由水含量相對下降，同樣會導致析水率降低。

2.4 海藻糖對3種淀粉熱焓特性的影響

不同海藻糖添加量對3種淀粉DSC特征值的影響結果見表1～表3。

表1 海藻糖對馬鈴薯淀粉糊化、老化特性的影響Table 1 Effects of trehalose on gelatinization and retrogradation properties of potato starch

表2 海藻糖對玉米淀粉糊化、老化特性的影響Table 2 Effects of trehalose on gelatinization and retrogradation properties of corn starch

表3 海藻糖對小麥淀粉糊化、老化特性的影響Table 3 Effects of trehalose on gelatinization and retrogradation properties of wheat starch

由表1～表3可知，3種淀粉在加入海藻糖后，To～Tc縮短，To～Tc越小，表明淀粉結晶結構越穩定。這可能是因為海藻糖中的平伏羥基可以和相鄰的水分子相互作用形成氫鍵，阻礙水分子的運動，只有借助更高的溫度才可以破壞這種結合力，從而導致淀粉糊化溫度升高[12]。ΔH的降低反映部分淀粉晶體結構穩定性的減弱和雙螺旋結構的消失[13-14]，海藻糖的添加使得單位重量樣品中雙螺旋結構數量減少和親水性糖的羥基與支鏈淀粉的側鏈相互作用，使得雙螺旋結構的強度減弱，因此ΔH隨著海藻糖的添加而呈下降趨勢。

另外，海藻糖的加入使水分子自由度下降，水分子對淀粉顆粒及其氫鍵的破壞作用減弱，3種淀粉在加入不同添加量的海藻糖后，老化焓均有所減小，隨著時間的延長，淀粉的老化程度受到明顯的抑制。可能是由于糖分子較淀粉分子擁有較多的羥基數目，更易通過氫鍵與淀粉分子結合，阻礙淀粉分子間微晶束的形成，延緩淀粉的老化，使回生率降低。另外，海藻糖使共混體系持水性增強，影響水分遷移，不利于支鏈淀粉重結晶，抑制淀粉分子鏈重新結合形成雙螺旋結構，從而延緩淀粉的老化[15]。

3 結論

隨著海藻糖添加量的增加，淀粉的凝沉性、老化度降低，透明度、凍融穩定性提高，且時間越長，效果越明顯，由于海藻糖具有良好的持水性，可以降低體系內的水分活度，阻礙淀粉重結晶，延緩淀粉老化；海藻糖的添加使3種淀粉的糊化溫度提高，由于海藻糖耐高溫，且海藻糖分子的平伏羥基可以和淀粉相互作用并形成穩定結構，阻礙水分子的運動，在一定程度上提高了淀粉的糊化溫度。