慈姑、荸荠和菱角淀粉共混物的凝胶特性研究

慈姑、荸荠和菱角淀粉共混物的凝胶特性研究 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2014, Vol.30, No.2 赵力超，曹素芳，刘欣，曹庸 (华南农业大学食品学院，广东广州 510642) 摘要:慈姑、荸荠和菱角均为南方特色水生根茎类作物，具有独 特的加工特性，其混粉制品拥有新的凝胶特点和营养价值。本试验采 用混料，建立了凝胶质构指标与混合淀粉各组分的回归模型，并 采用差示扫描量热法测定混粉糊化过程中的热特性，在二者基础上探 讨各组分间的交互作用。结果表明，混粉既表现出慈姑淀粉的拮抗效 应，制约，最终在各凝胶质构特征参数上表现出占优势的一种。DSC 的存在，明显抑制了菱角淀粉的回生，菱角淀粉颗粒相对可利用的水 分少，膨胀受限， 关键词:淀粉;食品加工;凝胶特性;差示扫描量热法;交互作 用 文章篇号:1673-9078(2014)2-17-22 Gel Characteristics of Starch Blends from dulcis and Abstract: Sagittaria sagittifolia, Eleocharis dulcis and Tcombination can create novel food products with new texture and values. mixture design approach was used to of different starch blends ratio by using results showed that the mixture starches presented antagonistic effect for Sagittaria sagittifolia starch for Trapa natans starch. These two actions —————————————————————————————————————————————————— ——— interacted and finally components. The starches of and dulcis inhibited the recovery of Trapa natans starch, which led to less Key words: 和热处理影响、淀粉糊法也被广泛采用。但这些方法往往使得产品成本较之前提高了5~6倍[2]，而且消费者对“绿色”产品的呼声也越来越高。所以，通过选择不同的淀粉混合，以 收稿日期:2013-07-23 作者简介:赵力超(1979-)，男，博士，副教授，主要从事功能食品的高新加工技术 通讯作者:曹庸(1966-)，男，博士，教授，主要从事天然活性物的研究 较低成本获得可控的功能特性的思路备受青睐。 在食品工业中，已有不同植物来源的淀粉共混研究的报道[2~6]。共混淀粉在粘度上会表现出增效效应，并且会出现一些不同于原来淀粉的热凝胶特性和热糊化稳定性[5]。但对于混粉这样的复杂体系，目前仍没有统一的理论解释其性质变化的原因。 目前，有关混粉应用的研究仅限于谷类淀粉。而根茎类淀粉往往在食品中会表现出更加独特的加工特性，如:与谷物淀粉相比，由于组成成分和分子结构的不同，荸荠淀粉制成的糕具有更好的弹性[7]。慈姑、荸荠、菱角是南方特色水生根茎类作物，作为淀粉新资源，具有巨大的开发潜力。三种植物中淀粉含量丰富，且具有不同的加工特性。前期研究表明，慈姑淀粉应用相对广泛，因为其糊化温度低，凝————————————————————————————————————————————————————— 胶粘度高，但缺点在 17 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2014, Vol.30, No.2 于其较差的黏聚性[8];菱角淀粉凝胶热稳定性好、耐剪切，但透明度低、易于老化、脱水收缩严重，不适合用于需低温贮藏的食品加工过程[9];荸荠淀粉凝胶具有极好的冻融稳定性，且保水性强、耐咀嚼，但因硬度较大，使得部分产品较脆、弹性差[10]。因此，单一品种天然淀粉的加工特性均有不足，只能开发特定种类的产品，但如果能够按一定比例混合则有可能研制出具有独特品质和营养的新型食品。 实验结果表明，菱角淀粉比例超过60%的时候，混粉凝胶脱水严重，4 ?条件下放置24 h后，析水量达到24.47%。因此，在预实验的基础上，根据约束混料设计原则[11]，设定各因子的质量比例分别为:0?慈姑淀粉?1，0?荸荠淀粉?1，0?菱角淀粉?0.6。试验设计如表1所示。 1.3.2 凝胶特性 按表1将三种淀粉按比例进行混料，配制成8%，、8 9 0.35 0.2 0.35 0.2 0.3 0.6 ) ————————————————————————————————————————————————————— 2 结果与讨论 2.1 混粉凝胶质构分析 表2列出了用慈姑、荸荠、菱角混合淀粉制备凝胶放置24 h后的凝胶质构测定结果。利用Design- Expert 7.1.3软件对混合淀粉凝胶质构的实验值进行特殊三次多项式(1)回归拟合，分别建立硬度、黏聚性、弹性、 注:A=慈姑，B=荸荠，C=菱角。 采用Design-Expert软件(Statsoft 7.1.3)中的混料设计。混料设计的因子表示为混合物中的三种淀粉，他们所占百分比的总和等于100%。混料设计因子的水平，对应于各组分在混合物中所占的比例。预 18 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2014, Vol.30, No.2 黏附性、胶稠度、咀嚼性的回归模型，各回归模型的回归系数如表2所示，方差分析见表3。 表2 4 ?贮存24 h后混粉凝胶质构特征参数 Table 2 Mean values of starch gels textural parameters corresponding to the first day of storage at 4 ? 编码 1 2 3 4 硬度/N 1.35?0.02 0.82?0.02 1.31?0.03 1.02?0.04 黏聚性 0.43?0.01 0.36?0.01 0.39?0.01 0.36?0.03 弹性 1.47?0.01 1.09?0.08 1.05?0.05 1.58?0.09 粘附性/(N?mm) 0.21?0.06 0.32?0.04 0.35?0.08 0.29?0.02 胶稠度 0.58?0.02 0.30?0.02 0.51————————————————————————————————————————————————————— ?0.02 0.39?0.08 咀嚼性 0.85?0.03 0.35?0.01 0.75?0.03 0.59?0.09 2X ，1有促进作用。表3也显示，慈姑淀粉与荸荠淀粉的交互作用，以及三种淀粉之间的交互作用对凝胶硬度有显著的拮抗效应。由图2b及表3可知，黏聚性的极大值出现在三角形区的菱角淀粉-荸荠淀粉边上，二者的交互作用，对黏聚性有极显著的协同效应。而慈姑淀粉的存在，不管是两两交互还是三者交互，都会显著降低黏聚性。从图2c可看出，弹性的极小值出现在三 19 12345稠度;Y6= 咀嚼性。 从表3可知，6个凝胶质构特征参数的回归模型均达到极显著水平，校正后的判定系数达到0.8478~0.9848，说明回归模型能较好地拟合各凝胶质构特征参数与混合淀粉组分。但从变异系数来看，硬度、黏聚性、粘附性、胶稠度、咀嚼性的回归模型变异系数较低，表明该模型可反映出这五种特性的变化趋势，并 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2014, Vol.30, No.2 角形区的慈姑淀粉-荸荠淀粉边上，并朝着菱角淀粉的顶点方向线性递增，在菱角淀粉边上出现极大值。表3也表明，慈姑淀粉、荸荠淀粉的交互作用降低了凝胶的弹性，菱角淀粉的存在提高了凝胶的弹性，但各淀粉之间的交互作用并不显著。由图1d可以看出，黏附————————————————————————————————————————————————————— 性的极大值出现在三角形区荸荠淀粉的顶点上，极小值出现在菱角淀粉的顶点上，表明菱角淀粉是促使黏附性降低的主要因素。表3显示，慈姑、荸荠、菱角淀粉两两之间的交互作用表现出拮抗效应，但作用不显著，而三者之间的交互作用表现出极显著的协同效应。从图2e、图f及表3可知，胶稠度、咀嚼性的等值线图相似，混粉各组分间的交互作用相同。除了菱角淀粉、荸荠淀粉的交互作用表现为协同效应外，其它淀粉之间的交互作用均表现为拮抗效应。这种相似性表明了在特征参数胶稠度、咀嚼性之中，可以仅选择胶稠度作为评价淀粉凝胶性能的重要指标。胶稠度、咀嚼性是通过硬度、黏聚性计算出来的。相较之下，胶稠度、咀嚼性的等值线图更类似于硬度的，说明硬度是胶稠度、咀嚼性的最主要影响因素。 糊化过程中，分散于支链淀粉颗粒(或团块)的周围，显著地影响着淀粉的凝胶特性，此外，淀粉颗粒与直链淀粉连续优势的一种作用。表3短有关，/则凝胶强度低[12, 13] 故对混合部分膨胀的菱角淀粉颗粒结构较为刚硬、弹性大，进而引起凝胶的硬度、弹性显著增加。而对于其他质构特征参数，慈姑、菱角淀粉的交互作用则表现为拮抗效应，以黏聚性的拮抗效应达到极显著水平。说明慈姑淀粉的拮抗作用对混合体系的影响更大。三者之间的交互作用在硬度、黏聚性、弹性、胶稠度、咀嚼性上均表现为拮抗效应，这也主要与慈姑淀粉的存在有 20 关。三者的交互作用在黏附性上表现为增效效应，可以这样解释:————————————————————————————————————————————————————— 由凝胶质构的相关性分析可知，黏聚性大，则黏附性小。在黏聚性上呈极显著的降低作用，在黏附性上即表现为增效作用。 图1 混合淀粉各组分变化对凝胶质构的影响 Fig.1 Effects of ratios of starch blends on textural properties of gels 2.2 热特性 不同比例的慈姑、荸荠、菱角混合淀粉的DSC曲线特征参数见表5。 由表5可以看出，当混合淀粉中含有菱角淀粉(30~60%)时，其DSC曲线均存在两个分离的吸热峰，具有两阶段糊化行为。第一个峰值温度与糊化温度较低的慈姑淀粉或荸荠淀粉的热相变有关，第二个峰则主要反映具有较高糊化温度的菱角淀粉的糊化。其中，0.2:0.2:0.6混合淀粉的第一个峰不明显，?H1较低，可视为肩峰。随着慈姑、荸荠淀粉含量的增加，肩峰消失，表现出明显的两个峰。 由吸热峰峰形与?H1可发现，慈姑、荸荠淀粉混合(0.5:0.5)后的DSC曲线其吸热峰发生了叠加，趋向成为一个峰形较宽的吸热峰，仅出现一个峰值温度。此外，从0.2:0.2:0.6与0.35:0.35:0.3混合淀粉的DSC曲线的第一个吸热峰中，也可以比较明显地观察到慈 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2014, Vol.30, No.2 姑、荸荠淀粉的吸热峰发生了叠加。吸热峰的叠加，表明慈姑、荸荠淀粉发生了共糊化，从而交互作用增强。Eliasson及Zaidul等人————————————————————————————————————————————————————— 分别在对小麦面粉-马铃薯 淀粉混粉[6]，马铃薯-大麦混合淀粉[14]进行DSC分析时也得到类似的结果。 表5 慈姑、荸荠、菱角及混合淀粉DSC曲线特征参数 Table 5 DSC measurements for Sagittaria sagittifolia, Eleocharis dulcis and Trapa natans starches and their blends 编码 1 2 To/? 59.05 67.26 Tp1/? 65.96 73.12 Tp2/? - - Tf/? 68.63 74.45 ΔH1/(J/g) - - ΔH/(J/g) 18.37 13.45 估算ΔH/(J/g) - - 以析 失水率反映了淀粉凝胶回生后的脱水收缩程度。将混合淀粉凝胶贮藏于4 ?条件下，定期测定其失水率，结果见表6。 3 结论 将慈姑、荸荠、菱角淀粉混合，可获得具有不同特性的淀粉凝胶。凝胶质构回归模型的分析表明，慈姑、荸荠淀粉的交互作用表现为拮抗效应;慈姑、菱角淀粉的交互作用对硬度、弹性表现为增效效应，对黏聚性、黏附性、胶稠度、咀嚼性表现为拮抗效应;荸荠、菱角淀粉的交互作用对黏附性表现为拮抗效应， 21 菱角淀粉凝胶脱水严重，预实验中1 d后失水率 达到24.47%。从表6中可看出，混合淀粉中慈姑、荸荠淀粉比————————————————————————————————————————————————————— 例越高，凝胶的失水率随之降低，0.7:0:0.3 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2014, Vol.30, No.2 对其它质构特征参数则表现为增效效应;慈姑、荸荠、菱角淀粉 三者之间的交互作用除对黏附性表现为增效效应外，其它的均表现为 拮抗效应。受可溶性直链淀粉含量高低的影响，3种淀粉共混，既有 慈姑淀粉的拮抗效应，也有菱角淀粉的增效效应，这两种作用相互影 响、制约，最终在各凝胶质构特征参数上表现出占优势的一种作用。 在混合体系中，慈姑、荸荠、菱角淀粉的糊化并非各自独立，而是相 互作用。慈姑、荸荠淀粉的糊化温度相接近，相容性好，发生了共糊 化现象。慈姑、荸荠淀粉的存在，明显抑制了菱角淀粉的回生，贮藏 过程中的脱水收缩作用减弱。 You Man jie, Zhao Li chao, Zhang Qian, et al. Study on Viscosity Properties of Starch Paste of Chinese Water Chestnut [J]. Food Science, 2009, 30(9): 99-102 [8] 杜征,赵力超,肖苏尧,等.慈姑淀粉的理化特性及其比较研究 [J].食品科技,2010,35(9):70-75 Du Zheng, Zhao Li chao, Xiao Su yao, et al. Physicochemical properties and comparative study of arrowhead starch [J]. Food science and technology, 2010, 35(9): 70-75 [9] Chiang P Y, Wang C C R, Li et Physicochemical properties of water caltrop starch 310-315 —————————————————————————————————————————————————— ——— [10] Xie B, Wang et study on freeze-thaw characteristics and of chestnut starch 2008,8 8(2): [11] [12] D S. Retrogradation and gel textural flour fractions exhibit differences in amylopectin fine structure and gel texture [J]. Cereal Chemistry, 2002, 79(3): 354-358 [14] Zaidul I S M, Yamauchi H, Matsuura-Endo C, et al. Thermal analysis of mixtures of wheat flour and potato starches [J]. Food Hydrocolloids, 2008, 22(4): 499-504 参考文献 [1] Biliaderis C G. The structure and interactions of starch with food constituents [J]. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology, 1991, 69(1): 60-78 [2] Bello-Perez L A, Meza-Leon K, Contreras-Ramos S, et al. Functional properties of corn, banana and potato starch blends [J]. ActaCientVenez, 2001,52(1):62-67 [3] 吕吉鸿,贺子福,唐洁.粉混合体系形成面团影响[J].粮食与油 脂,2012,88(4):12-15 LvJihong, He Zifu, Tang Jie. Effect of corn bran dietary fiber on dough of wheat gluten and wheat starch [J]. Cereals & Oils, 2012, 88(4): 12-15 [4] Cereal Chemistry, 1997,74(4):431-436 [5] [6] Ortega-Ojeda F E, A and some starch mixtures [J]. [7] ,.[J].食品 —————————————————————————————————————————————————— ——— [15] Liu H, Lelievre J. A differential scanning calorimetry study of melting transitions in aqueous suspensions containing blends of wheat and rice starch [J]. Carbohydrate Polymers, 1992, 17(2): 145-149 22 —————————————————————————————————————————————————— ———