苏晓芳等

摘 要 为考察亲水性胶体与紫薯淀粉之间互作机理，以紫薯淀粉为原料，加入不同比例的卡拉胶，研究紫薯淀粉/卡拉胶共混体系糊化及流变学特性的影响。布拉邦德黏度曲线表明，与单独紫薯淀粉相比，添加卡拉胶可增加共混体系的峰值黏度、终值黏度、崩解值及回生值；静态流变学特性研究表明，紫薯淀粉/卡拉胶共混体系均属典型的非牛顿流体，具有假塑性流体的特征，添加卡拉胶后，可提高共混体系的增稠性，降低其流动性，有助于提高体系的假塑性与剪切稳定性；动态流变学特性研究表明，紫薯淀粉/卡拉胶共混体系具有更高的储存模量（G′）和损耗模量（G″），表现出较优越的黏弹特性；在剪切结构恢复力试验中，随着卡拉胶的比例增大，共混体系的恢复力增大。这提示卡拉胶的加入，能改善紫薯淀粉的稳定性，对紫薯产品生产具有一定的应用价值。

关键词 淀粉；卡拉胶；糊化；流变

中图分类号 TS231 文献标识码 A

Abstract In order to investigate the synergy principle between carrageenan and starch， purple sweet potato starch was used as the material in the paper. The pasting and rheological properties of purple sweet potato starch/ carrageenan mixed systems were investigated. Brabender viscosity curves showed that，compared with the single purple sweet potato starch，the peak viscosity， final viscosity， breakdown and regenerative value were increased after adding carrageenan. Their static rheological properties of purple sweet potato starch / carrageenan mixed systems were typically non-Newtonian fluid and appeared pseudoplastic characteristics. The purple sweet potato starch with carrageenan exhibited a more thickening effect and their mobility decreased， and could help to improve the system pseudoplastic and shear stability. The dynamic rheological properties showed purple sweet potato starch / carrageenan mixed systems possessed higher storage modulus（G′）and loss modulus（G″）， and more superior viscoelastic properties. In the shear restoring force experience， it was found that shear restoring force was significantly increased with the increasing of the proportion of the carrageenan. The result suggested that adding carrageenan could improve the stability of purple sweet potato starch and provided a great value for purple sweet potato products.

Key words Starch； Carrageenan； Pasting； Rheological properties

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.09.032

紫薯[Ipomoea batatas（L.）Lam]，又名紫甘薯、紫心甘薯，属旋花科一年生的草本植物[1]。淀粉是紫薯的主要成分，直链淀粉含量较高，对于紫薯深加工的产品品质有着重要的影响。研究表明，紫薯原淀粉在结构上相对不稳定，对于食品加工过程中的热处理及剪切较为敏感[2]，在一定程度上限制了紫薯产品的开发。

亲水性胶体具有良好的增稠性、持水性、凝胶性和稳定性等性能，常被应用于生化、食品工业、医学研究等领域[3]。在当今的加工工业中，为克服淀粉本身性能的缺陷，常将淀粉与亲水性胶体复配使用，二者协同以达到改变淀粉内部组织结构、提高产品稳定性质量，降低生产成本的作用，相比于化学改性更具有安全性[4-5]。因此，灵活运用淀粉与亲水性胶体间的协同作用，对于提高产品品质、改善食品加工工艺以及推动新型食品开发具有重大意义。

国内外有关亲水性胶体对淀粉性质影响的报道较多，如Muadklay等[6]研究发现，添加黄原胶比魔芋葡甘聚糖和刺槐豆胶更有效地减缓木薯淀粉的析水现象，而瓜尔豆胶则无延缓效果。柴春祥等[7]研究了黄原胶与马铃薯淀粉复配体系的流变学特性，表明添加黄原胶后可增加马铃薯淀粉体系的粘弹性。目前，大多数研究集中在亲水性胶体对木薯淀粉、马铃薯淀粉等淀粉性质的影响，但关于亲水性胶体对紫薯淀粉性质影响的研究则鲜见报道。本文利用布拉班德和流变仪，研究不同比例紫薯淀粉/卡拉胶共混体系的糊化及流变学特性，进一步揭示卡拉胶与紫薯淀粉间的相互作用机理，以期为紫薯淀粉及紫薯深加工的应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试材料 新鲜紫薯（紫罗兰品种），购自福建长乐。卡拉胶（κ型）：福建省绿麒食品胶体有限公司提供，含水率10.1%。

1.1.2 主要仪器 MCR301流变仪（奥地利安东帕公司）；Viscograph-E型布拉班德连续粘度仪（德国布拉班德公司）；HH-4数显恒温水浴锅（国华电器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 紫薯淀粉的制备 取洗净的鲜紫薯，去皮切成小块，加水放入搅拌机中搅拌。薯浆经2层纱布过滤（100目）后，薯泥加水搅拌重复冲洗3遍。将滤液静置6 h，弃上清，下层沉淀用蒸馏水清洗，反复静置沉淀3次。离心（5 000 r/min，20 min）、干燥（55 ℃，12 h）、磨粉、过筛（100目），得到紫薯淀粉成品。含水率为11.5%。

1.2.2 布拉班德粘度曲线的测定 将5组紫薯淀粉/卡拉胶共混体系[10 ∶ 0、9.5 ∶ 0.5、9.0 ∶ 1.0、8.5 ∶ 1.5和8 ∶ 2（g ∶ g）]样品配制成6%浓度的淀粉乳溶液，并置于磁力搅拌器中搅拌均匀后倒入Brabender黏度计测量杯中进行粘度曲线的测定。测定条件为：测量盒为700 cmg，转子转速为75 r/min，从30 ℃开始升温，升温速率为1.5 ℃/min，温度升高到95 ℃后保温30 min，再以1.5 ℃/min速率冷却到50 ℃，保温30 min，连续测定样品的黏度。

布拉班德黏度曲线上各参数的意义分别为：起始糊化温度（A），淀粉糊黏度开始上升时的温度（℃）；峰值黏度（B），升温期间淀粉糊的最高黏度值（mPa·s）；终值黏度（F），淀粉糊50 ℃保温30 min后的黏度值（mPa·s）；崩解值（B-D），95 ℃保温30 min后的黏度D值与最高黏度B值差的绝对值，表示淀粉糊的黏度热稳定性，该值小则黏度热稳定性高；回升值（E-D），95 ℃保温30 min后的黏度D值与淀粉糊温度冷却至50 ℃时的黏度E值差的绝对值，表示淀粉糊的冷稳定性，该值越小则冷稳定性越好。

1.2.3 流变样品制备 将5组不同配比的紫薯淀粉/卡拉胶共混体系[10 ∶ 0、9.5 ∶ 0.5、9.0 ∶ 1.0、8.5 ∶ 1.5和8 ∶ 2（g ∶ g）]配制成浓度为6%（W/V）的淀粉乳溶液，后置于95 ℃水浴锅中加热糊化30 min。糊化结束后，取出冷却到25 ℃，待用。

1.2.4 静态流变特性 触变性测定：取少量1.2.3制备的淀粉糊于MCR301流变仪的测定平台上，选取直径为25 mm的锥板模具，恒定温度为25℃，测定样品剪切应力（τ）分别在3 min内随剪切速率（γ）从0～300 s-1递增（上行线），再从300～0 s-1递减（下行线）过程中的变化。采用Herschel-Bulkley方程（如下所示）对流变曲线进行模型拟合分析：

τ=τ0+Kγn

其中：τ为剪切应力，Pa；τ0为屈服应力，Pa；K为稠度系数，Pa·sn；γ为剪切速率，s-1；n为流动特征指数，无量纲。

剪切稀化测定：按触变性测定时的步骤进行放样，温度恒定25 ℃，测定样品在剪切速率（γ）从0～120 s-1递增过程中表观黏度（η）的变化。

1.2.5 动态流变特性 按触变性测定时的步骤加样，恒定温度为25 ℃，设定角频率（ω）为10 rad/s，测定储能模量（storage modulus，G′）和损耗模量（loss modulus，G"）随角频率的变化。

1.2.6 剪切结构恢复力 按触变性测定时的步骤进行放样，温度恒定为25 ℃。测定样品依次于1、300、1 s-1剪切速率下，分别剪切120、60、180 s的表观黏度（η）变化。剪切结构恢复力为第3阶段前30 s表观粘度与第一阶段前30 s表观黏度比值。

1.3 统计分析

所有试验均重复3次，统计分析过程均运用SPSS 13.0统计分析软件进行。

2 结果与分析

2.1 卡拉胶对紫薯淀粉Brabender粘度曲线的影响

卡拉胶对紫薯淀粉糊化特性的影响见图1。从图1可知，与紫薯淀粉相比，添加卡拉胶后的淀粉糊的峰值黏度、终值黏度、崩解值及回升值均增加，且随着卡拉胶在体系中的比例增加而增加；表1显示了添加卡拉胶后紫薯淀粉糊的黏度特征值，可以看出，在二者比例为8 ∶ 2时，淀粉糊峰值黏度从360 Bu增加到了739 Bu。造成该现象的原因可能是亲水性胶体与淀粉间存在增稠效应；卡拉胶与紫薯淀粉分子间互相缠绕，形成稳定的氢键，从而增加了共混体系的峰值黏度。可将亲水性胶体与淀粉的共混体系看作是淀粉颗粒分散于亲水性胶体溶液中，淀粉颗粒为分散相，胶体溶液为连续相；淀粉在糊化过程中吸收了胶体溶液中的水分，使得处于连续相的亲水胶体浓度相对升高，黏度增加，从而导致共混体系整体黏度升高[8-9]。

从表1还可看出，紫薯淀粉的起始糊化温度为77 ℃，需要较高温度才可使其糊化；而随着胶体添加量的增加，其起糊温度也有所升高。这可能是由于亲水性胶体的加入，与淀粉争夺可利用水，从而使得淀粉的糊化受到了抑制[10]。但添加卡拉胶后的紫薯淀粉糊的热稳定性与冷稳定性均下降，这是由于该体系的黏度提高，使得在剪切过程中受到的剪切应力增大，体系结构被破坏，造成崩解值增大。

2.2 静态流变特性测定

2.2.1 卡拉胶对紫薯淀粉糊触变性的影响 触变性是指凝胶结构的构成及破坏能力，是重要的流变学特性。体系经外力剪切后，整齐的内部结构受到一定程度的破坏；当剪切速率减小，体系结构会逐渐恢复，但短时间内不能恢复到之前的黏度曲线，从而形成明显的滞后环，表现出触变性。通过拟合触变环面积的大小，可以确定打破体系结构所需要的能量[11-12]。

卡拉胶对紫薯淀粉糊触变性的影响见图2。从图2可知，紫薯淀粉/卡拉胶共混体系的流变曲线均通过坐标原点，并且凸向剪切应力轴，为非牛顿流体。采用幂律方程（Herschel-Bulkley）对不同比例的紫薯淀粉/卡拉胶共混体系的触变曲线进行拟合，结果显示（表2），决定系数R2均在0.99之上，表明该拟合方程与曲线有较高的相关性；流体指数n均小于1，表明紫薯淀粉/卡拉胶共混体系均为假塑性流体[13]。稠度系数K随着卡拉胶比例增大而增大，而流体指数n随着卡拉胶比例增大而降低，说明添加卡拉胶后，可以提高共混体系的增稠性，降低其流动性。

与原淀粉相比，加入卡拉胶后上行线和下行线基本重合，当共混比例小于9 ∶ 1时，下行线在上行线之上，体系的滞后面积显著降低，说明卡拉胶的加入有助于提高体系的假塑性与剪切稳定性，形成相对稳定的结构[14-15]。体系结构受到剪切破坏后，较容易恢复之前的状态。

2.2.2 卡拉胶对紫薯淀粉糊剪切稀化的影响 高分子流体的表观粘度随着剪切速率的增大而降低的现象被称作剪切稀化，是典型的假塑性流体的特征。该现象使得食品体系相对较容易成型、灌料，且能减少机械设备的磨损[16]，对淀粉基食品加工具有重要的意义。图3反应了不同配比的紫薯淀粉/卡拉胶共混体系的表观黏度与剪切速率的关系。由图3可知，紫薯淀粉/卡拉胶共混体系的表观黏度初始随剪切速率的增加而急剧下降，之后缓慢降低至趋于平缓，存在明显的剪切稀化现象，为时间依赖剪切稀化的假塑性流体，与2.2.1的结果一致。紫薯淀粉/卡拉胶共混体系在经充分糊化后，体系间分子链互相缠绕，阻碍了分子的运动，对流动产生比较大的阻力，当受到外部剪切作用力下，内部结构被破坏导致分子间解旋，氢键断裂，流体间剪切应力减少，从而引起表观黏度下降；当剪切速率增大到一定程度时，体系间分子来不及取向或者已经充分取向，其表观粘度则维持至一个常数[17-18]。在相同的流动方式下，卡拉胶所占共混体系的比例越大，其表观黏度就越大，这表明与紫薯原淀粉相比，卡拉胶的加入使得淀粉分子间排列产生变化，空间结构更加严密。

2.3 卡拉胶对紫薯淀粉糊动态黏弹性的影响

动态黏弹性，也称动态流变特性，是研究半固态物料黏弹性较常见的测量方式。储存模量（G′）和损耗模量（G"）是动态流变特性中2个重要的参数，储存模量（G′）是反映物料在受力之后产生弹性形变的程度；损耗模量（G"）是表示物料在受到外力作用下阻碍物料流动的特性[18]。图4为不同比例的紫薯淀粉/卡拉胶共混体系的储能模量（G′）和损耗模量（G"）。由图4可知，随着角频率的增大，共混体系的G′和G"均增加，且G′始终大于G"，这种凝胶行为属于典型的弱凝胶[19]。加入卡拉胶可以提高紫薯淀粉的G′和G"，且随着卡拉胶的比例增大而增加，表现出较高的黏弹性。这是由于卡拉胶的加入，改变了淀粉分子间的排列方式，形成更加稳定三维网络结构的复合体系，使紫薯淀粉/卡拉胶共混体系结构更为致密，形成较有序的构象。

2.4 卡拉胶对紫薯淀粉剪切结构恢复力的影响

剪切结构恢复力是用于研究物料在高速剪切后恢复到低速剪切原始结构的能力[20]。图5为不同比例紫薯淀粉/卡拉胶共混体系在3个剪切阶段中黏度随时间的变化关系。剪切恢复力记为第3阶段前30 s的表观粘度与第一阶段前30 s的表观粘度的比值，经计算可知，不同比例的共混体系的恢复力分别为23.77%、28.77%、29.93%、30.63%、32.46%。说明随着卡拉胶的比例增大，体系的恢复力增大，这表明卡拉胶能使紫薯淀粉在高速剪切变形后，结构能较迅速恢复。这与2.2.1的结果一致。

3 讨论与结论

将淀粉适当地与胶体进行复配，能够改善体系的糊化及流变学特性等性质。本实验将卡拉胶加入紫薯淀粉中，发现卡拉胶的加入，使紫薯淀粉的起始糊化温度升高，且增加共混体系的峰值黏度、终值黏度、崩解值及回生值，说明胶体与淀粉二者分子间相互缠绕，存在一定的协同效应，这与Techawipharat等[21]人报道的甲基纤维素和κ型、λ型卡拉胶均会使淀粉的糊化温度、峰值黏度和最终黏度升高的结果一致。

通过流变仪研究了紫薯淀粉/卡拉胶共混体系的静态学流变特性、动态黏弹性和剪切结构恢复力，研究可知，紫薯淀粉/卡拉胶共混体系均属典型的非牛顿流体，具有假塑性流体的特征；且添加卡拉胶后，可以增加共混体系的增稠性，降低其流动性，触变面积减少，有助于提高体系的假塑性与剪切稳定性，提高紫薯淀粉的储存模量（G′）和损耗模量（G"），表现出较高的黏弹特性。研究表明，卡拉胶的加入，能改善紫薯淀粉的内部结构，使共混体系结构更加紧密，形成较为有序、稳定的构象。

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