紅薯全粉與玉米淀粉共混體系的凝膠特性及其粉絲品質研究

余振宇, 韓嵊峻, 胡 堯, 郝宗圍, 王 宇, 李 超, 谷宗艷, 張 強,肖亞慶, 劉英男, 劉 抗, 鄭明明, 周裔彬

(安徽農業大學食品加工研究院;安徽省農產品加工工程實驗室,農業農村部江淮農產品精深加工與資源利用重點實驗室;安徽農業大學茶與食品科技學院,合肥 230036)

粉絲,一種亞洲常見的淀粉類食品,是以淀粉為原料經糊化與老化加工制作而成的絲狀或條狀制品[1],其爽滑筋道的口感深受大眾喜愛。一直以來,品質的提高是粉絲的研究重點,將不同品種淀粉進行復配用于改善單一淀粉的性質被廣泛研究。但以淀粉為傳統的加工原料制作的粉絲,其營養成分無法滿足人們對食品較高營養價值的需求,所以粉絲需向營養型的方向發展。

紅薯全粉,是利用整顆新鮮紅薯加工而成的粉末狀食品,包含了新鮮紅薯中的全部干物質,并且在復水后仍具有新鮮紅薯的營養和風味。紅薯全粉可以作為優良的食品配方材料,用于加工健康、營養的紅薯食品[2]。研究發現,紅薯全粉部分替代小麥粉制作餅干和面包時,在使食物具有良好可接受性與感官品質的同時,提高了食物的營養價值[3, 4]。紅薯全粉中含有大量纖維等非淀粉成分,不利于淀粉的糊化與老化,導致粉絲成型和耐煮性差,所以需與淀粉進行復配才可制作粉絲。玉米淀粉產量高、價格低廉,是一種可以加工多種食品的原材料,應用較為廣泛。玉米淀粉中直鏈淀粉含量較高,具有良好的成糊和凝膠特性[5],與全粉復配時可以起到改善凝膠品質的作用。因此實驗選擇玉米淀粉與紅薯全粉進行復配,降低生產成本的同時,希望擴展玉米淀粉在粉絲加工中的應用。Li等[8]利用抹茶粉與米粉制作的粉絲的抗性淀粉含量和多酚保留率顯著增加。Fu等[9]研究表明粉絲中蕎麥粉的存在有利于提高粉絲的膳食纖維含量和黃酮保留率,說明一定量植物全粉的添加有利于改善粉絲的營養品質,添加富含多種營養成分的植物全粉與淀粉進行復配是一種有效、可行的方法。但含有植物全粉的粉絲的研究主要集中在粉絲烹煮、質構和營養性質等方面,而關于原料粉凝膠特性的研究較少,對于粉絲產品開發具有的理論指導意義較淺。

實驗利用玉米淀粉和紅薯全粉為原料,研究不同比例玉米淀粉-紅薯全粉共混體系的凝膠特性及所制作粉絲的品質,并對所制紅薯全粉粉絲與市售紅薯淀粉粉絲的基本成分進行測定,為生產富含膳食纖維的紅薯全粉粉絲提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

紅薯(商薯19),玉米淀粉,紅薯淀粉粉絲。

1.2 儀器與設備

SZ-60型米粉機,2500A型粉碎機, KDN-04A全自動凱氏定氮儀,SZF-06A脂肪測定儀,DHR旋轉流變儀,TA-XT plus 型質構儀,PQ001LF- NMR核磁共振分析儀,S-4800 掃描電子顯微鏡,PERTEN- RVA4500快速黏度分析儀。

1.3 紅薯全粉的制備

新鮮紅薯保留紅薯皮切成厚度2 mm左右的紅薯片,于45 ℃鼓風干燥箱中干燥12 h,置于轉速為35 000 r/min下的粉碎機中研磨1.5 min,粉末過80目網篩即制得紅薯全粉。

1.4 混合粉的制備

在保證粉絲擠出成型并減少混合粉中玉米淀粉含量的前提下,在預實驗的基礎上選擇玉米淀粉占混合粉總質量分數為0%、40%、45%、50%、55%、60%和100%的比例進行實驗。將紅薯全粉與玉米淀粉均勻混合后置于干燥罐中儲藏備用。

1.5 粉絲的制備

米粉機預熱至80 ℃,將混合粉粉團從進料口倒入,啟動粉絲機轉動螺桿3 s后停止轉動,保持溫度為80 ℃,使粉絲機靜置5 min。開啟風扇,啟動機器,螺桿轉速為600 r/min,調節閥門使糊化后的粉團通過出料口擠出成型,擠出的粉絲風冷后,剪切成合適長度平鋪于盤中,置于-18 ℃環境中冷凍8 h后取出化凍,通過搓粉使粉絲分散后于60 ℃烘箱中干燥1.5 h,即制得紅薯全粉粉絲。

1.6基本成分測定

分別參照GB 5009.3—2016、GB 5009.4—2016、GB 5009.5—2016、GB 5009.6—2016、GB 5009.9—2016、GB 5009.88—2014、GB/T 15683—2008測定紅薯全粉、玉米淀粉及粉絲中的水分、蛋白質、脂肪、總淀粉、直鏈淀粉、膳食纖維和灰分的含量。

1.7 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系成糊特性的測定

參照Ding等[10]的方法。取3 g混合粉于鋁筒中,加入25 mL蒸餾水,攪拌至均勻,放入PERTEN- RVA4500快速黏度分析儀中,設定程序為50 ℃恒溫1 min,以12 ℃/min的速率加熱至 95 ℃,保持 95 ℃恒溫2.5 min,以12 ℃/min 降溫至50 ℃,保持1 min。測定過程中攪拌器的速率保持160 r/min。用峰值黏度(PV),最終黏度(FV),谷值黏度(TV),回生值(SB)和崩解值(BD)表征樣品糊化性能。

1.8 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系動態流變學特性的測定

參照Yang等[11]的方法。取3 g混合粉與50 mL蒸餾水混勻制成質量濃度為6%的淀粉懸浮液,于95 ℃的磁力攪拌水浴鍋中加熱30 min,取出自然冷卻至室溫。選擇直徑 40 mm 夾具和振蕩模式,將樣品置于流變儀感應板上。確定線性黏彈區后,選擇測試程序為:溫度25 ℃,頻率0.1～10.0 Hz,應變2%。記錄儲能模量(G′)和損耗模量(G″)。

1.9 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系水分分布的測定

準確稱取2 g混合粉糊化樣品移至到15 mm核磁管中,冷卻至室溫,于4 ℃放置3 d后進行核磁共振實驗。利用多脈沖回波序列(CPMG)進行橫向弛豫時間(T2)的測定,測定前選用 Q-FID 程序進行校零,每個樣品重復采集 3 次信號,結果取平均值。檢測參數:主頻SF1=18 MHz,偏移頻率 O1=278 658.92 Hz,90°脈沖時間P90=15.00 μs,180°脈沖時P180=29.00 μs,采樣點數 TD=720 170,累加次數 NS=8,回波時間TE=0.200 ms。對指數衰減曲線進行反演后即可得到T2 (橫向) 弛豫時間圖譜。

1.10 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系質構特性的測定

參照Liu等[12]的方法并略作修改。準確稱取5 g混合粉并加入50 mL蒸餾水攪拌均勻,制成濃度為10%的淀粉懸浮液,置于95 ℃的水浴鍋中加熱30 min后,自然冷卻至室溫,倒入鋁盒(內徑30 mm,高50 mm),4 ℃環境中放置24 h形成穩定的凝膠。質構儀測定:選用TPA 模式;探頭:P 0.5;測定參數:測試前速度1 mm/s,測試中速度1 mm/s,測試后速度1 mm/s;觸發力,5 g;壓縮距離:10 mm,重復6次取平均值。

1.11 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系微觀結構的測定

樣品糊化方法同1.8。糊化后的混合粉自然冷卻至室溫,倒入玻璃培養皿中,-18 ℃冷凍24 h后冷凍干燥48 h。用刀片將干燥的樣品切成5 mm×3 mm長方形薄片。通過導電膠將樣品粘于圓盤表面,噴金后,進行觀察。

1.12 粉絲烹煮品質的測定

1.12.1 斷條率的測定

選取20根質地均一且長度約為10 cm無機械損傷的粉絲,在1 000 mL燒杯中放入900 mL水,水沸后放入粉絲烹煮20 min,撈出粉絲,觀察粉絲的完整條數,3次平行實驗,取平均值[13]計算斷條率:

斷條率 =(煮后粉絲斷條數/煮前粉絲總條數)×100%

1.12.2 糊湯透光率的測定

參照楊書珍等[14]的方法并略做修改,取 5 g粉絲放于 100 mL 沸水中,煮沸20 min,撈出粉絲,湯汁冷卻至室溫,湯汁在波長 650 nm 下用 1 cm 比色皿測定其吸光值,進行3次平行實驗,取平均值。

1.12.3 膨脹系數和烹煮損失率的測定

參照Chen等[15]的方法。將待測粉條置于105 ℃的烘箱中約4 h進行干燥,稱取3 g約6 cm長的粉絲(干基)。于 150 mL燒杯中,加入100 mL蒸餾水,煮至沸騰放入粉絲,固定功率下煮沸15 min,期間不斷加入沸水補充已蒸發的水分。撈出粉絲,靜置5 min,吸水紙吸收粉絲表面水分,測定含水粉絲的質量(m1);將粉絲置于105 ℃烘箱中烘干至恒重,測定其質量(m2)。膨脹系數及烹飪損失分別按公式進行計算:

膨脹系數=(m1-m2)/m2×100%

烹飪損失=(3-m2)/3×100%

1.13 粉絲質構特性的測定

參照鄒金浩等[16]的方法進行參考并略做修改。隨機選取約15 cm 長無機械損傷的粉條 20根在800 mL煮沸的蒸餾水中煮制10 min,撈出過冷水,用吸水紙吸干表面水分進行測試。質構測定參數:選取P/36R型探頭,TPA模式,測試前速率 2.0 mm/s,測試中速率 1.0 mm/s,測試后速率 1.0 mm/s,壓縮程度50%,觸發力5 g。重復6次實驗,取平均值。

1.14 粉絲剖面結構的測定

將隨機挑選的粉絲置于柔軟的紗布上,使用刀片將粉絲切成約3 mm長的小段。粉絲通過導電膠以豎立狀態粘于圓盤凸起側壁上,噴金后,對粉絲剖面進行觀察,重復3次實驗。

1.15 數據處理與分析

所有實驗均至少重復3次,結果以平均值±標準差表示。采用Microsoft Excel 2019整理歸納數據、Origin 2019b軟件繪圖,利用SPSS 22軟件并用Duncan法進行數據間的差異性分析,P<0.05時有顯著性差異。

2 結論與分析

2.1 玉米淀粉與紅薯全粉的基本成分

玉米淀粉和紅薯全粉基本成分含量如表1所示。玉米淀粉中總淀粉和直鏈淀粉含量顯著高于紅薯全粉,且存在有少量的蛋白質、脂肪和膳食纖維。紅薯全粉的營養價值高于玉米淀粉,但在粉絲的加工過程中,因紅薯全粉包含大量膳食纖維、脂肪和蛋白質等非淀粉成分,從而抑制淀粉的糊化與老化,導致難以形成致密的凝膠網結構,粉絲擠出時難以成型[17],這也是利用純紅薯全粉難以制作粉絲的主要原因。利用玉米淀粉與紅薯全粉復配,玉米淀粉中較高的總淀粉和直鏈淀粉含量可以改善紅薯全粉的凝膠特性,從而可以形成較強的凝膠網絡結構[18],達到可以制作粉絲的目的。

2.2 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系的成糊特性

混合粉成糊特性如圖1和表2所示。玉米淀粉的存在對混合粉成糊特性具有顯著影響。隨著玉米淀粉質量分數的遞增,混合粉峰值黏度不斷增加,可能是由于共混體系中淀粉含量升高導致,這與Xu等[19]研究發現的淀粉含量低時不利于懸浮液黏度升高的結果一致。谷值黏度與峰值黏度變化趨勢一致,有研究表明淀粉較高的谷值黏度有利于降低粉絲在烹煮過程中的損失[20]。崩解值為峰值黏度和谷值黏度之差,反映了混合粉的熱糊穩定性,有研究表明纖維成分可以提高淀粉糊的熱穩定性[19, 21],而玉米淀粉的添加導致混合粉崩解值的提高,這可能與混合粉中纖維含量的降低有關。回生值反映了糊化過的淀粉分子在降溫過程中重新聚集形成致密微晶束的能力,當玉米淀粉質量分數為50%時,混合粉具有最高的回生值,說明此時淀粉分子之間的纏繞聚集加劇,促進了氫鍵的形成從而利于淀粉老化,這對粉絲的品質是有利的。玉米淀粉質量分數增至60%時,混合粉的回生速率出現下降的情況,這可能由于玉米淀粉與紅薯全粉相互作用從而阻礙了淀粉分子鏈的重排有關。

圖1 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系的糊化特性曲線

表2 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系的RVA參數

2.3 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系的動態流變學特性

如圖2所示,所有樣品的G′和G″均隨頻率增加呈現出上升的趨勢,樣品的G′大于G″,表現出典型的弱凝膠特征[22]。玉米淀粉質量分數40%至50%時,混合粉的G′隨玉米淀粉質量分數的增加而逐漸提高,損耗角正切值tanδ為G″和G′的比值,可以直觀準確地反映淀粉凝膠的黏彈性,當tanδ<1時,表示淀粉凝膠彈性行為占優,固體性質增強[23],此時混合粉的tanδ值<1,并逐漸減小,說明混合粉凝膠的黏彈性不斷提高,三維網絡結構逐漸變得緊密,凝膠結構增強。玉米淀粉質量分數增至60%時,混合粉凝膠的G′降低,tanδ值升高,混合粉凝膠強度減弱,但與玉米淀粉質量分數為40%和45%時的混合粉凝膠相比仍具有較高的黏彈性,可能與玉米淀粉含量過高時會抑制紅薯淀粉中直鏈淀粉的浸出有關,這與汪薇[24]研究發現玉米淀粉在質量分數不超過25%時對馬鈴薯淀粉凝膠的G′值具有顯著提升的效果,而玉米淀粉含量過高時造成馬鈴薯淀粉凝膠的G′值下降的情況相似。

圖2 25 ℃下玉米淀粉/紅薯全粉共混體系的動態剪切性能

2.4 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系的水分分布

如表3所示,混合粉凝膠中結合水含量顯著高于紅薯全粉凝膠,因為紅薯全粉中的纖維可與直鏈淀粉相互作用,淀粉分子間的交聯受到阻礙,形成了疏松的凝膠網絡結構,從而使水分子具有較高的遷移速率[25],而水分遷移速率過高會引起結合水與淀粉分子的結合減少,使其更容易轉變成自由水擴散[26],而玉米淀粉的存在有利于混合粉形成致密的凝膠網絡結構從而抑制了水分的遷移。當玉米淀粉質量分數為40%～50%時,混合粉凝膠的結合水含量升高,弱結合水含量隨著玉米淀粉含量的提高而不斷減小,自由水含量逐漸升高。這可能是由于淀粉凝膠在4 ℃環境中儲藏,淀粉極易老化,淀粉分子相互聚集導致與水結合的氫鍵斷裂,凝膠網絡結構中的水分被釋放,從而引起結合水和自由流動水含量的增加[27,28]。隨著玉米淀粉質量分數繼續增加,混合粉凝膠的結合水含量無顯著變化,弱結合水含量逐漸升高,自由水含量下降,說明此時混合粉凝膠中淀粉的回生速率逐漸降低。

表3 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系的水分分布

2.5 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系的質構特性

質構特性是反映淀粉凝膠品質的重要指標,Sandhu等[29]通過研究發現淀粉凝膠的質構特性可以達到預測粉絲品質的目的。硬度反映了凝膠承受施加外力的能力,淀粉回生速率越高,凝膠的硬度越高。由表4可以看出,玉米淀粉質量分數為40%至50%時,混合粉凝膠硬度逐漸上升,說明玉米淀粉的存在導致直鏈淀粉含量的升高從而在形成凝膠的過程中易于老化,淀粉凝膠硬度增加[30]。玉米淀粉質量分數升高至60%時,混合粉凝膠的硬度逐漸下降,可能由于玉米淀粉與紅薯全粉之間的相互作用抑制了淀粉分子老化有關。混合粉凝膠的膠黏性變化趨勢與硬度一致。內聚性反映分子之間的相互結合能力,內聚性越大表明分子之間結合程度越高[31],這與直鏈淀粉的浸出有關。與紅薯全粉凝膠相比,玉米淀粉的存在提高了凝膠的內聚性,但當玉米淀粉含量超過50%時,混合粉凝膠內聚性降低,說明混合粉中直鏈淀粉的浸出程度降低從而削弱了淀粉回生過程中分子之間的交聯,導致形成的凝膠強度較弱。混合粉凝膠彈性與內聚性變化趨勢一致。因此,玉米淀粉質量分數為50%時,混合粉凝膠質構特性最佳。

表4 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系的質構特性

表5 粉絲的烹煮損失率和膨脹系數

2.6 玉米淀粉/紅薯全粉共混體系的微觀結構

如圖3所示,玉米淀粉凝膠呈現出連續、不均勻的網孔狀結構,而紅薯全粉凝膠則是一種散亂的無規則的堆積狀態。玉米淀粉質量分數為40%～50%時,混合粉凝膠也呈現出連續、不均勻的網孔狀結構并逐漸變得緊密。玉米淀粉質量分數為50%～60%時,混合粉凝膠雖然具有連續的網孔狀結構,但混合粉凝膠網絡結構中的孔徑逐漸變大且結構逐漸變得疏松。通過實驗可以得出,玉米淀粉質量分數為50%時可以形成致密性最好的混合粉凝膠網絡結構,適合制作品質優良的粉絲。

注:圖中數字為玉米淀粉質量分數a:0%;b:40%;c:45%;d:50%;e:55%;f:60%;g:100%。

2.7 粉絲的烹煮特性

斷條率是直觀反映粉絲烹煮品質優劣的重要指標,粉絲斷條率低,其固形物損失就越小,粉絲耐煮性越高且不易糊湯。由圖4可知,當玉米淀粉質量分數為40%～50%時,粉絲的斷條率降低,糊湯透光率上升,烹煮損失率降低,粉絲耐煮性提高。與Menon等[32]加工的營養強化紅薯淀粉粉絲相比,本研究所制紅薯全粉粉絲的烹煮損失率較高,但與Renjusha等[33]所制的紅薯粉面條的烹煮損失率較為接近,因為與純淀粉凝膠相比,紅薯全粉中大量膳食纖維的存在造成形成的凝膠網絡結構較為疏松,導致粉絲耐煮性差,這與Nisha等[34]研究結果一致。同時紅薯全粉中含有的一些可溶性成分都會增加粉絲的烹煮損失。當玉米淀粉質量分數為50%～60%時,粉絲的斷條率和烹煮損失率增加,糊湯透光率降低,說明此時混合粉形成的淀粉凝膠強度減弱,這可能與淀粉分子的回生能力被抑制有關。結果顯示,隨著玉米淀粉質量分數的升高,粉絲的膨脹系數無顯著變化。

圖4 粉絲的斷條率和糊湯透光率

2.8 粉絲的質構特性

煮熟粉絲的質構特性是反映粉絲品質的重要指標之一。品質優良的粉絲具有硬度、彈性適中和耐咀嚼的特點。表6可見,玉米淀粉質量分數為40%～50%,粉絲的硬度呈現逐漸上升趨勢。硬度是反映粉絲質構特性優劣的重要指標之一,硬度越高的粉絲耐煮性越好,這與直鏈淀粉含量的增加有關[35]。咀嚼性是指將粉絲咀嚼到能夠吞咽時所做的功,反映了粉絲耐咀嚼的程度[36]。隨著玉米淀粉質量分數升高,減少了纖維對直鏈淀粉的吸附,形成了更強的凝膠網絡結構,紅薯纖維被均勻包裹,粉絲的硬度和咀嚼性均增加。玉米淀粉質量分數為50%～60%時,粉絲的硬度和咀嚼性下降,可能與淀粉的老化被抑制導致形成的凝膠強度較弱有關。粉絲的彈性和內聚性隨玉米淀粉質量分數的增加略有提高但無顯著性差異。

表6 粉絲的質構特性

2.9 粉絲的剖面結構

食品內部的組織結構決定了食品的質地。食品自身結構的多孔性可以顯著影響食品的品質[37]。粉絲是一種由淀粉經糊化和老化形成的淀粉凝膠類食品,凝膠的結構決定了粉絲品質的優劣。如圖5所示,所有粉絲樣品剖面都具有明顯的裂紋和孔洞。當玉米淀粉質量分數為40%～50%時,粉絲的孔洞數量逐漸減少,孔徑變小,可能是由于混合粉體系中直鏈淀粉含量的升高,形成了緊密的凝膠網絡結構,并促進了淀粉分子之間的重排有關。但玉米淀粉質量分數為50%～60%時,粉絲的孔洞數量增加,孔徑變大。當粉絲的內部存在數量較多和孔徑較大的孔洞時,烹煮時水分子會更容易進入粉絲內部,粉絲耐煮性下降,烹煮后的粉絲質地較軟,不耐咀嚼。而孔洞數量低或孔徑小的粉絲,烹煮時水分難以進入粉絲內部,粉絲耐煮性好,煮熟的粉絲口感較佳。粉絲的剖面結構直觀地反映了粉絲地品質,這與前面測定的粉絲烹煮和質構特性實驗結果一致。因此,玉米淀粉與紅薯全粉以1∶1質量比混合時所制粉絲品質最佳,與混合粉凝膠特性研究結果一致。

注:圖中數字為玉米淀粉質量分數a:40%;b:45%;c:50%;d:55%;e:60%。

2.10 紅薯全粉粉絲與紅薯淀粉粉絲基本成分的分析

圖6是實驗得到的最佳玉米淀粉與紅薯全粉混合質量比例(1∶1)制作的紅薯全粉粉絲和紅薯淀粉粉絲的基本成分含量。紅薯全粉粉絲蛋白質、膳食纖維和脂肪含量分別是紅薯淀粉粉絲的4.28、47.93和2.65倍。與紅薯淀粉粉絲相比,食用紅薯全粉粉絲可以提高人們日常蛋白質、膳食纖維和脂肪的攝入量,并且紅薯全粉粉絲中富含的膳食纖維具有調控機體糖脂代謝的作用,還可以促進腸胃蠕動,改善便秘及預防結腸癌。總的來說,紅薯全粉的存在對粉絲的營養價值具有較好的改善作用。

圖6 紅薯全粉粉絲和紅薯淀粉粉絲的基本成分比較

3 結論

與紅薯全粉相比,玉米淀粉與紅薯全粉以不同比例復配可以形成連續性、完整性強的淀粉凝膠網絡結構。當玉米淀粉質量分數為40%～50%時,粉絲的烹煮品質與質構特性逐漸提高,玉米淀粉占比為50%時所制粉絲耐煮性與咀嚼性最佳。但玉米淀粉質量分數為50%～60%時,對混合粉凝膠特性及粉絲品質提升的效果降低。此外紅薯全粉粉絲的膳食纖維含量顯著高于市售紅薯淀粉粉絲,說明紅薯全粉的存在可以提高粉絲的營養品質。因此,紅薯全粉是一種可以作為開發新品種粉絲的適宜原料,且混合粉的凝膠特性與粉絲的品質具有相關性。