菊粉-小麥淀粉復(fù)配體系理化特性及相互作用

冀曉龍,尹明松,趙陽(yáng),曹騰正,高潔,劉延奇*

1(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,河南 鄭州,450001) 2(河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州,450001)

菊粉(inulin,IN),又名菊糖,一種天然的線性果聚糖,存在于菊苣根、大麗花塊莖、洋蔥、香蕉等多種水果和蔬菜中,工業(yè)上常用菊苣根提取天然IN[1]。IN主要是由D-呋喃果糖分子以β-(2→1)鍵連接而成,末端通過(guò)α-(1←→2)鍵與最后1個(gè)果糖相連,鏈長(zhǎng)從2～60個(gè)單位不等[2]。研究表明,天然IN具有調(diào)節(jié)血糖、降脂、刺激腸道菌群、預(yù)防和緩解便秘、降低胃腸道疾病風(fēng)險(xiǎn)等功效[3-4]。近年來(lái),IN因?yàn)轱@著的功能特性,被廣泛的應(yīng)用于食品加工行業(yè),為功能性食品的研發(fā)提供新的方向。

小麥淀粉(wheat starch,WS)作為食品加工的原材料,價(jià)格低廉,被廣泛應(yīng)用于面條、餅干、面包、蛋糕等產(chǎn)品中。然而,天然淀粉由于穩(wěn)定性差、易老化、易膨脹等固有缺陷,無(wú)法滿足某些食品的加工要求[5]。目前,淀粉與非淀粉多糖復(fù)配體系受到了廣泛的關(guān)注。大量研究表明,非淀粉多糖與不同淀粉復(fù)配,可對(duì)復(fù)配體系的糊化、流變以及消化特性有顯著的影響。LUO等[6]發(fā)現(xiàn)涼粉草多糖可以促進(jìn)玉米淀粉的糊化,增強(qiáng)復(fù)配體系的黏彈性。DARTOIS等[7]研究了淀粉-瓜爾豆膠復(fù)配體系的體外消化性,結(jié)果表明瓜爾豆膠的添加有效抑制淀粉酶的消化,且抗性淀粉(resistant starch,RS)含量升高。但目前未見(jiàn)將天然IN與WS復(fù)配體系的研究報(bào)道。

本文選用不同濃度的IN,制備IN-WS復(fù)配體系,研究其糊化、流變、消化等理化特性,同時(shí)進(jìn)一步分析復(fù)配體系中IN與WS間的相互作用,旨在擴(kuò)大WS的應(yīng)用,為IN-淀粉基產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供研究數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

天然IN(含量>88%,食品級(jí)),比利時(shí)Beneo公司；WS(水分含量13%,食品級(jí)),河南恩苗食品有限公司；葡糖氧化酶/過(guò)氧化物酶試劑(glucose oxidase/peroxidase reagent,GOPOD)(食品級(jí)),愛(ài)爾蘭Megazyme公司；淀粉葡萄糖苷酶(A709,分析純)、豬胰酶(P7545,分析純),美國(guó)Sigma公司；溴化鉀(光譜純),天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水乙醇(分析純),天津市精細(xì)化工有限公司；氯化鈉,尿素(分析純),天津市大茂化學(xué)試劑廠。

4500快速黏度分析儀(rapid visco analyzer,RVA),美國(guó)Perten公司；Q20差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC)、DHR-1旋轉(zhuǎn)流變儀,美國(guó)TA公司；Vertex70傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR),德國(guó)Bruker公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 IN-WS懸浮液的制備

準(zhǔn)確稱取不同質(zhì)量的IN分散溶解在25 mL的蒸餾水中,磁力攪拌30 min,得到質(zhì)量濃度0、50、100、150、200 g/L的多糖溶液。隨后向多糖的水溶液中緩慢加入2.5 g(100 g/L)的WS,并繼續(xù)攪拌30 min,得到懸浮樣品。

1.2.2 IN-WS復(fù)配體系糊化特性的測(cè)定

使用RVA測(cè)得IN-WS復(fù)配體系的糊化參數(shù)。取1.2.1方法制備的懸浮樣品25 mL至RVA專用測(cè)試鋁盒中,調(diào)用RVA標(biāo)準(zhǔn)程序1進(jìn)行測(cè)試。具體程序如下：開(kāi)始在50 ℃下保持1 min,升溫至95 ℃,保持2.5 min,然后再以相同速率降溫至50 ℃,保持2 min。

1.2.3 IN-WS復(fù)配體系熱力學(xué)特性的測(cè)定

使用DSC測(cè)試IN對(duì)WS熱力學(xué)特性的影響。參考張明月等[8]的方法并稍作改動(dòng)。取5 μL不同濃度的IN水溶液和2.5 mg(干基)WS到鋁盤(pán)中,壓蓋密封,并在室溫下平衡12 h。將樣品盤(pán)從20 ℃加熱至120 ℃。使用密封的空盤(pán)作為參考,記錄樣品的起始溫度(To),峰值溫度(TP),終止溫度(Tc)和糊化焓(ΔH)。

1.2.4 IN-WS復(fù)配體系流變學(xué)特性的測(cè)定

使用旋轉(zhuǎn)流變儀(Discovery HR-1)測(cè)試IN-WS復(fù)配體系的流變學(xué)特性。參考REN等[9]的方法并稍作修改。將1.2.2方法制備的糊化樣品于4 ℃下平衡24 h,以充分完成水合。隨后將樣品轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)流變儀上,平板直徑400 mm,間隙500 mm。

穩(wěn)態(tài)流變特性的測(cè)定：以0.1～100 s-1測(cè)定樣品的穩(wěn)態(tài)流變特性。通過(guò)連續(xù)剪切試驗(yàn)確定表觀黏度與剪切速率之間的關(guān)系,測(cè)試溫度保持在25 ℃。

動(dòng)態(tài)流變特性的測(cè)定：以1～25 Hz測(cè)定樣品的動(dòng)態(tài)流變特性。通過(guò)振蕩頻率的變化測(cè)定樣品的儲(chǔ)能模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗因子(tanσ),測(cè)試應(yīng)變?yōu)?%,溫度保持在25 ℃。

1.2.5 IN-WS復(fù)配體系體外消化特性的測(cè)定

IN-WS復(fù)配體系的消化特性參照景悅等[10]的方法。取1.2.2方法制備的糊化樣品,冷凍干燥,過(guò)100目篩,再準(zhǔn)確稱取200 mg干燥樣品,加入4 mL的醋酸鈉緩沖溶液和1 mL胰α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶復(fù)配液,37 ℃下振蕩水解。在20和120 min時(shí)取0.1 mL水解液,加乙醇滅酶,離心后再取0.1 mL的上清液,加入3 mL GOPOD,水浴顯色,記錄510 nm處吸光值。另取0.1 mL標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液和蒸餾水分別作為標(biāo)準(zhǔn)和空白對(duì)照。根據(jù)樣品的吸光值,計(jì)算快速消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS),慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)和RS的含量。RDS、SDS和RS計(jì)算如公式(1)～公式(3)所示：

(1)

(2)

RS/%=[1-(RSD+SDS)]×100

(3)

式中：G20和G120分別為水解20和120 min后的葡萄糖含量；m,復(fù)合體系樣品的質(zhì)量；FG為酶水解處理前WS中游離葡萄糖含量,FG=0。

1.2.6 IN-WS復(fù)配體系相互作用力的測(cè)定

參考REN等[11]的方法并稍作修改,探究IN-WS復(fù)配體系的相互作用力。將2 g WS和1 g IN混合粉末分別溶解在0、0.2、0.6、1.0 mol/L的氯化鈉和尿素中。將制備好的樣品在95 ℃下水浴20 min,冷卻至25 ℃。隨后在1～25 Hz進(jìn)行頻率掃描測(cè)試,測(cè)試應(yīng)變保持在1%。

1.2.7 IN-WS復(fù)配體系FT-IR掃描

使用FT-IR測(cè)定IN-WS復(fù)配體系的結(jié)構(gòu)。取1.2.2方法制備的糊化樣品,趁熱冷凍干燥,粉碎過(guò)100目篩。按照1∶100(g∶g)稱取一定量的樣品與溴化鉀,充分研磨后壓片。測(cè)試光譜范圍為4 000～400 cm-1,分辨率為4 cm-1。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均重復(fù)3次。所有數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 26.0軟件程序進(jìn)行差異顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 糊化特性

淀粉的糊化是淀粉顆粒受熱吸水、膨脹并失去原有晶體結(jié)構(gòu)的過(guò)程[12]。添加不同濃度IN的WS復(fù)配體系RVA糊化曲線如圖1所示,糊化參數(shù)如表1所示。添加不同濃度IN后復(fù)配體系的糊化溫度從91.55 ℃增加到95.35 ℃。結(jié)果表明IN延遲了復(fù)配體系的糊化,造成這種現(xiàn)象主要是因?yàn)镮N具有較強(qiáng)的吸濕性,在糊化過(guò)程中與WS爭(zhēng)奪糊化所需的水分,使得糊化難度增大,糊化溫度增高[13]。

圖1 IN-WS復(fù)配體系糊化曲線Fig.1 Pasting curve of the IN-WS blended systems

由表1可知,IN-WS復(fù)配體系的峰值黏度、谷黏度以及最終黏度都隨著IN濃度的增加而不斷降低,呈現(xiàn)出濃度依賴性。這種現(xiàn)象主要是由于IN分子具有吸濕性,導(dǎo)致支鏈淀粉不能充分吸收水分,無(wú)法形成完全的黏性物質(zhì)[11]。此外,IN分子作為一種非淀粉多糖也是引起淀粉黏度下降的原因之一。LIU等[14]試驗(yàn)結(jié)果表明多糖可抑制淀粉顆粒的膨脹,導(dǎo)致黏度降低。這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果相一致。

崩解值反映淀粉顆粒對(duì)抗熱和剪切的穩(wěn)定性[14],崩解值越小,表明在受熱過(guò)程中淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。從表1中可以發(fā)現(xiàn),IN的添加使復(fù)配體系的崩解值顯著降低(P<0.05)。試驗(yàn)結(jié)果表明,IN提高了WS的熱穩(wěn)定性。另外,在回生值中也觀察到了一樣的趨勢(shì)?；厣荡淼矸酆亩唐诶匣?與直鏈淀粉的重排有關(guān)[15]。表1中,隨著IN添加量的增高,回生值逐漸降低,當(dāng)IN添加量為20%時(shí),復(fù)配體系的回生值達(dá)到最低。結(jié)果表明添加IN抑制了WS復(fù)配體系的短期老化,且IN添加量越高抑制效果越強(qiáng)。這種現(xiàn)象可能是因?yàn)镮N分子與浸出的直鏈淀粉相互作用,從而抑制直鏈淀粉的重排[14]。

表1 IN-WS復(fù)配體系糊化特征參數(shù)Table 1 Pasting parameters of IN-WS blended systems

2.2 熱特性

IN-WS復(fù)配體系熱特征參數(shù)如表2所示,IN-WS復(fù)配體系的起始溫度(To)從56.95 ℃增加到62.74 ℃,峰值溫度(TP)從63.04 ℃增加到69.88 ℃,以及終止溫度(Tc)從75.65 ℃增加到82.82 ℃。起始、峰值和終止溫度水平與淀粉的玻璃化轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。它們隨著IN濃度的增加而增加,表明IN的存在延遲了WS的糊化,這與RVA試驗(yàn)結(jié)果相符。糊化焓(ΔH)與支鏈淀粉在顆粒內(nèi)發(fā)生糊化所需的能量有關(guān)。由表2觀察到,隨著IN的添加,WS的糊化焓從10.07降低到7.68 J/g。

表2 IN-WS復(fù)配體系熱力學(xué)參數(shù)Table 2 Thermal parameters of IN-WS blended systems

糊化溫度的增高和糊化焓的降低可能是由于IN具有較強(qiáng)的吸水能力,可以與淀粉競(jìng)爭(zhēng)有效水分子,限制了WS體系中的水分利用率,從而推遲糊化過(guò)程,同時(shí)也會(huì)引起WS的不完全糊化,降低糊化焓[16]。SUN等[17]在研究魔芋多糖對(duì)大米、馬鈴薯和豌豆淀粉的理化特性影響時(shí)也發(fā)現(xiàn),魔芋多糖可抑制3種不同晶型淀粉的糊化過(guò)程。

2.3 流變特性

添加不同IN濃度后WS復(fù)配體系的穩(wěn)態(tài)剪切和動(dòng)態(tài)流變結(jié)果分別由圖2和圖3所示。

圖2 IN-WS復(fù)配體系表觀黏度曲線Fig.2 Apparent viscosity of the IN-WS blended systems

由圖2可以看出,所有樣品的表觀黏度隨剪切速率的增高而不斷降低,表現(xiàn)為剪切稀化行為,這表明添加IN的WS復(fù)配體系是典型的非牛頓流體[18]。IN的添加也增加了復(fù)配體系的表觀黏度,但是各濃度之間并沒(méi)有明顯的差異。由圖3-a和圖3-b觀察到所有復(fù)配體系的儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)隨著頻率的增加而增大,IN的添加增大了WS糊的動(dòng)態(tài)模量(G′,G″)。此試驗(yàn)結(jié)果與REN等[19]在涼草多糖對(duì)大米淀粉流變特性影響研究的結(jié)果一致。此外,所有樣品的G′顯著高于G″,這一結(jié)果表明添加IN的WS復(fù)配體系具有典型弱凝膠的類固體行為[9]。由圖3-c可知,所有樣品的損耗因子(tanσ)均<1且隨著頻率的增高而增大。復(fù)配體系的損耗因子隨著IN添加量的增加呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢(shì),這表明IN可以使復(fù)配體系的凝膠結(jié)構(gòu)由類固態(tài)向類液態(tài)轉(zhuǎn)變[20]。這些結(jié)果表明,IN的添加能顯著的影響WS糊的流變特性。

a-儲(chǔ)能模量；b-損耗模量；c-損耗因子圖3 IN-WS復(fù)配體系動(dòng)態(tài)黏彈性曲線Fig.3 Dynamic viscoelasticity of the IN-WS blended systems

2.4 體外消化特性

IN-WS復(fù)配體系中RDS、SDS和RS的含量如表3所示。RDS的含量隨著IN添加量的增大而顯著降低,表明IN可抑制WS的消化。當(dāng)IN濃度高于10%時(shí),SDS的含量變化不明顯(P>0.05),說(shuō)明IN只有在較低的濃度下對(duì)SDS的抑制作用較強(qiáng)。另外,IN的添加增大了WS中RS的含量并且具有濃度依賴性,這進(jìn)一步說(shuō)明了IN對(duì)WS的消化具有明顯的抑制作用。KONG等[21]在冬蟲(chóng)夏草多糖對(duì)WS體外消化的影響研究中得到了相似的結(jié)果。引起這種抑制作用的原因可能有2個(gè)方面。一方面,IN分子與WS對(duì)有效水的競(jìng)爭(zhēng),抑制了淀粉的膨脹,導(dǎo)致部分淀粉顆粒的不完全糊化,使得消化變得困難[18]。另一面,IN可能會(huì)包裹在淀粉顆粒表面,限制了消化酶進(jìn)入到淀粉顆粒內(nèi)部[22]。

表3 IN-WS復(fù)配體系RDS、SDS和RS的含量Table 3 Content of RDS,SDS,and RS of IN-WS blended systems

2.5 相互作用力

一般來(lái)說(shuō),非淀粉多糖和淀粉的復(fù)配體系中存在的相互作用力通常包括靜電力、氫鍵、疏水的相互作用和范德華力[23]。從分子的結(jié)構(gòu)特征來(lái)看,IN和WS分子中存在大量的親水基團(tuán)—羥基,因此氫鍵和靜電相互作用最有可能是多糖與淀粉相互作用的主要作用力。氯化鈉主要干擾靜電相互作用,對(duì)氫鍵影響作用不大,而尿素主要破壞氫鍵作用,對(duì)靜電作用沒(méi)有影響。因此,通過(guò)向多糖與淀粉復(fù)配體系中添加氯化鈉和尿素來(lái)探究IN與WS間的相互作用力。如圖4-a所示,隨著氯化鈉濃度的增加,IN-WS復(fù)配體系的儲(chǔ)能模量略有變化,但是總體上變化較小。

a-NaCl；b-尿素圖4 不同濃度NaCl和尿素對(duì)IN-WS復(fù)配體系的 儲(chǔ)能模量曲線Fig.4 Storage modulus (G′) curves of IN-WS blended systems with different concentrations of NaCl and Urea

由此可以推測(cè)IN與淀粉分子間的相互作用不是靜電力。如圖4-b所示,隨著尿素的不斷添加,IN-WS復(fù)配體系的儲(chǔ)能模量不斷下降,這表明尿素的添加破壞了IN與淀粉分子間的氫鍵作用。綜上說(shuō)明,氫鍵可能是維持IN與WS分子間的主要力量。LI等[24]也報(bào)道了氫鍵是淀粉-多糖體系中的主要作用力。

2.6 FT-IR

圖5為IN-WS復(fù)配體系在4 000～400 cm-1的FT-IR圖。與原WS相比,添加IN后復(fù)配體系的吸收峰基本相同,并沒(méi)有出現(xiàn)新的吸收峰,說(shuō)明IN與淀粉分子之間沒(méi)有形成新的共價(jià)鍵。IN-WS復(fù)配體系在3 400和2 900 cm-1左右出現(xiàn)的吸收峰分別與O—H和C—H的伸縮振動(dòng)有關(guān)。其中,3 400 cm-1左右的吸收峰為典型的多聚體分子間締合羥基的特征峰[25],說(shuō)明IN與WS分子間存在氫鍵的作用力,與相互作用試驗(yàn)結(jié)果相一致。IN的添加使WS在3 429 cm-1處的吸收峰向3 446 cm-1處移動(dòng),但隨著IN添加量的增大,IN-WS復(fù)配體系的吸收峰又逐漸向低波數(shù)方向移動(dòng),說(shuō)明復(fù)配體系分子間的氫鍵作用力逐漸增強(qiáng)。在1 647 cm-1處的吸收峰與樣品的含水量有關(guān),對(duì)應(yīng)于淀粉無(wú)定形區(qū)域結(jié)合水的O—H彎曲振動(dòng)[26]。在1 021 cm-1處的吸收峰與C—O鍵的伸縮有關(guān)。929 cm-1處的吸收峰與整個(gè)無(wú)水葡萄糖環(huán)的拉伸振動(dòng)有關(guān)[27]。

圖5 IN-WS復(fù)配體系FT-IR圖Fig.5 FT-IR spectra of IN-WS blended systems

3 結(jié)論

本文研究表明,IN的添加對(duì)IN-WS復(fù)配體系的糊化,流變和體外消化特性有顯著的影響。IN-WS復(fù)配體系的黏度、崩解值、回生值顯著降低,且具有濃度依賴性。IN的添加延遲了復(fù)配體系的糊化,降低了糊化焓。IN-WS復(fù)配體系為典型的非牛頓流體,具有剪切稀化行為。隨著IN濃度的添加,IN-小麥復(fù)配體系凝膠結(jié)構(gòu)由類固態(tài)向類液態(tài)轉(zhuǎn)變。體外消化試驗(yàn)結(jié)果表明IN的存在抑制WS的水解,提高了SDS的含量。IN與WS間主要發(fā)生氫鍵的相互作用,并沒(méi)有新的基團(tuán)產(chǎn)生。目前的研究結(jié)果表明,IN的添加改善了WS的加工特性,為開(kāi)發(fā)IN-淀粉基產(chǎn)品提供新的思路。