β-葡聚糖对燕麦淀粉凝胶特性及老化的影响

2021-09-09张美莉

中国食品学报 2021年8期

张晶，张美莉

（内蒙古农业大学食品科学与工程学院呼和浩特 010018）

燕麦淀粉位于燕麦籽粒的胚乳中，被β-葡聚糖和含蛋白质的麸皮包围，燕麦淀粉与β-葡聚糖的相互作用是燕麦面团形成的前提[1]。燕麦淀粉含量约为50%～65%，颗粒较小，比其它淀粉更易糊化[2-3]。淀粉的性质直接影响淀粉原料食品的品质、加工性能、保鲜期以及淀粉的商业应用价值[4-5]。原淀粉存在不溶于冷水、易老化、抗剪切能力差等缺点，直接影响淀粉的加工应用[6]。淀粉的老化会影响食品的感官品质和货架期，一般通过添加乳化剂、食品胶、糖类等抑制淀粉的老化[7]。采用复配的方法，可以克服原淀粉本身的缺点，并改善淀粉的加工性能和应用范围。加工性能与凝胶特性、流变特性、老化特性等密切相关，因此研究复配体系的这些特性极为重要。

燕麦β-葡聚糖是由β-D-吡喃葡萄糖通过糖苷键连接而成的一种线性无支链、水溶性非淀粉类黏多糖，含量约为3%～9%，具有增稠、胶凝等加工特性，以及降血脂、降血糖、调节肠道菌群等生理功能，此外，β-葡聚糖在人体的消化道中没有营养功能，因此没有热量[8-10]。国内外学者进行了淀粉与胶体复配的相关研究，如Banchathanakij 等[11]研究发现，β-葡聚糖的添加导致大米淀粉在4 ℃下储存后起始温度、峰值温度、终止温度和老化焓值显著降低，回生度增加。李渊等[12]研究了不同添加量的大麦β-葡聚糖对小麦淀粉糊化性质和流变学性质的影响，结果表明大麦β-葡聚糖的添加使得小麦粉糊化过程的峰值黏度、谷值黏度、崩解值和终值黏度均呈现增大的趋势，回生值有所降低。张丹丹等[13]研究发现皂荚糖胶的加入使玉米淀粉凝胶更加柔软，硬度降低，在一定程度上抑制玉米淀粉的短期老化。Yang 等[14]通过差示扫描量热法（Differential scanning calorimetry，DSC）和低场核磁共振等手段，研究了亚麻籽胶对玉米淀粉老化的影响，结果表明亚麻籽胶的添加使淀粉的老化焓值降低，抑制老化的效果明显。糖类对淀粉性质的影响与糖的类型、来源等密切相关。还有很多学者研究了黄原胶、魔芋葡甘聚糖、亚麻籽胶、葡萄糖、蔗糖、壳聚糖、海藻糖等的添加对大米淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉等理化性质、糊化、老化及流变特性等的影响[15-16]。

利用β-葡聚糖与淀粉之间的相互作用，改变淀粉组织结构，改善淀粉的加工性能，抑制淀粉的老化，对燕麦淀粉在食品加工中的应用具有重要意义。本研究以燕麦淀粉为原料，探讨不同β-葡聚糖添加量对燕麦淀粉微观结构、质构特性、热特性、流变学特性及老化的影响，为燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系在食品加工中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

燕麦籽粒，北京西贝餐饮集团股份有限公司提供；燕麦淀粉，蒙古农业大学食品科学与工程学院粮油及植物蛋白加工研究室自制（淀粉90.85%，蛋白质0.18%，脂肪0.98%，灰分0.96%）；β-葡聚糖，广州诺然生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

傅里叶红外光谱仪、RS6000 哈克流变仪，美国赛默飞公司；TM4000 电子扫描显微镜，日本株式会社；TA-XT2i 质构仪，英国SMS 公司；Discovery 25 差示扫描量热仪，美国TA 仪器公司；FDVE 淀粉糊化粘度测量仪，上海尼润智能科技有限公司；BT-2002 激光粒度分析仪，丹东百特科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系的配制 β-葡聚糖按0%，5%，10%，15%，20%的量（以淀粉质量计）与燕麦淀粉混合，并参照Banchathanakij等[11]的方法，配制成15 g/100 mL 的混合液：将一定量的β-葡聚糖加入蒸馏水中，搅拌15 min 后于80 ℃加热10 min，快速冷却至室温，将燕麦淀粉加入β-葡聚糖溶液中，室温搅拌15 min，避免结块，真空冷冻干燥后备用。

1.3.2 颗粒结构的观察将复配体系配制成质量浓度为8 g/100 mL 的悬浮液，搅拌均匀后沸水浴加热糊化20 min，糊化后的样品在培养基均匀涂膜，冷冻干燥；冷冻干燥后的样品粘于导电胶上，镀金后，放入扫描电子显微镜中观察，加速电压为15 kV。

1.3.3 粒度分布的测定参照Yang 等[9]的方法，测定复配体系颗粒粒度范围，平行3 次，结果取平均值。淀粉颗粒折射率：1.53，分散剂折射率：1.33。

1.3.4 红外光谱扫描为了消除水分子对吸收峰的干扰，将样品和溴化钾粉末置于105 ℃烘干3～4 h。准确称取1.5 mg 样品及150 mg 溴化钾粉末，置于玛瑙研钵中研磨，压片并抽真空，将样品薄片放入样品架上扫描，扫描波数为400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描次数64 次，绘制红外光谱图。

1.3.5 凝胶质构特性的测定参照张晶等[17]的方法，测定复配体系凝胶硬度、弹性、黏聚性、胶着度、咀嚼度和回复性，每个样品重复测定3 次。

1.3.6 糊化特性的测定利用快速粘度测定仪测定复配体系的糊化特性，测定参数包括峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、崩解值和回生值，每个样品重复测定3 次。

1.3.7 热特性的测定称取3.0 mg 样品置于铝质坩埚内，加入9 μL 去离子水，密封压盖。空铝质坩埚为对照，扫描温度从40 ℃到200 ℃，温度上升速率为10 ℃/min。

1.3.8 流变学特性的测定参照张晶等[17]的方法，采用振荡模式测定复配体系凝胶储能模量（G'）、损耗模量（G''）随频率的变化，频率扫描范围为1～10 Hz；采用稳态模式测定淀粉凝胶剪切应力随剪切速率从0 s-1增到300 s-1，再从300 s-1降到0 s-1过程中的变化。

1.3.9 老化焓的测定将燕麦淀粉、β-葡聚糖添加量为10%的复配体系配成质量分数为30%的悬浮液，在沸水中糊化30 min，将糊化后的样品分别放在4 ℃和25 ℃贮藏，分别在第0，1，3，5，7，14，21，35 天取样。利用差示扫描量热仪测定样品的老化焓。

1.4 数据统计与分析

使用Excel 对数据进行整理，Origin 2017 软件作图，SPSS 20.0 进行ANOVA 差异性分析。

2 结果与分析

2.1 β-葡聚糖对燕麦淀粉颗粒结构的影响

从图中可以看出燕麦淀粉糊化后凝胶体系结构松散，分布不均匀、不连续，存在大量的孔洞和凹陷（图1a）；加入β-葡聚糖后，体系孔洞数量减少，形成均匀、光滑、连续的结构。据报道，孔洞表征冻干前凝胶结构中水的位置，β-葡聚糖与淀粉竞争水分，导致浸入淀粉颗粒内部的水分变少，孔洞数量减少[18]。随着β-葡聚糖添加量的增多，网络骨架结构数量增多，可以明显的看到致密的、类蜂窝状结构及相互交联的网络结构（图1c～e），说明β-葡聚糖填充在燕麦淀粉之间，与淀粉分子相互作用，形成稳定的网络结构，体系稳定性提高。当β-葡聚糖添加量为10%时，复配体系网络结构孔壁较厚，表明缠结力最强；当添加量为15%和20%时，孔壁变薄，这是由于添加量增大，淀粉相对含量降低，导致网络结构疏散。微观结构的显著变化必然会导致复配体系凝胶特性的变化，下文进一步对复配体系凝胶特性的变化进行描述。

图1 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系SEM 图Fig.1 Scanning electron micrographs of oat starch and β-glucan mixtures

2.2 β-葡聚糖的添加对燕麦淀粉粒度分布的影响

添加不同含量β-葡聚糖后，燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系颗粒粒径大小和分布见表1，图2为复配体系粒度体积分数分布图。

从图2和表1中可以看出，燕麦淀粉颗粒体积平均粒径为10.35 μm，粒径范围为1.46～26.68 μm，粒径小于9.75 μm 的颗粒占总颗粒的50%，其颗粒体积分布图为单峰曲线，峰值出现在10 μm 附近。随着β-葡聚糖添加量的增加，复配体系颗粒粒径减小，体积分布图向左移动，峰型变窄。添加量5%和10%之间的粒径分布无差异，说明β-葡聚糖刚性较大，在混合过程中容易破裂。此外，β-葡聚糖易溶于水，添加量越多，淀粉浓度相对越小，复配体系粒径越小。汪磊[10]报道称随着β-葡聚糖添加量的增加，混合粉平均粒径减小，但差异性不显著，与本研究结果一致。

表1 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系的粒径分布Table 1 Particle size distribution of oat starch and β-glucan mixtures

图2 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系颗粒粒径体积分布图Fig.2 Particle size and volume distribution of oat starch and β-glucan mixtures

2.3 β-葡聚糖的添加对燕麦淀粉红外光谱的影响

傅里叶变换红外光谱技术常用于分析分子结构的短程有序性，对分子链构象及双螺旋结构的改变十分敏感[19]。红外光谱图中，波数1 045 cm-1附近的吸收峰与淀粉的结晶结构有关，1 022 cm-1附近的吸收峰与非结晶结构有关，因此1 045 cm-1与1 022 cm-1的吸收峰峰值强度的比值R1045/1022可用于表征样品的短程有序结构；R955/1022值可以反映淀粉颗粒内部双螺旋结构的变化[20-21]。复配体系红外光谱图经归一化处理后见图3。

图3 复配体系红外光谱图Fig.3 Infrared spectrum of mixtures

复配体系与燕麦淀粉相比，没有形成新的特征峰，说明添加β-葡聚糖后，复配体系并未形成新的基团，主要还是通过氢键作用形成三维凝胶网络结构[22]。复配体系在3 700～3 100 cm-1处形成一个宽峰，是大分子物质间典型的羟基缔合峰。添加β-葡聚糖后，波谱带3 415 cm-1处的O-H 拉伸峰变宽，说明淀粉和β-葡聚糖间存在着氢键相互作用。

表2为复配体系R1045/1022与R955/1022值。从表中可以看出，当β-葡聚糖添加量为10%时，R1045/1022与R955/1022值较高，有序程度和双螺旋结构增多，推测此时β-葡聚糖对燕麦淀粉晶体结构起到保护作用。

表2 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系R1045/1022 与R955/1022 值Table 2 R1045/1022 and R955/1022 value of oat starch/β-glucan mixtures

2.4 β-葡聚糖对燕麦淀粉凝胶质构特性的影响

淀粉凝胶的质构特性不仅与食品的口感、质地密切相关，凝胶在贮藏过程中硬度的变化还与淀粉的老化程度相关。添加不同含量β-葡聚糖后，燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系凝胶质构参数测定结果见表3。

表3 燕麦淀粉/β-葡聚糖凝胶质构参数Table 3 Gel texture parameters of oat starch and β-glucan mixtures

从表3中可以看出，β-葡聚糖添加后，复配体系凝胶的硬度、胶着度和咀嚼度显著降低，弹性、回复性增加，但不同添加量之间回复性差异不显著。凝胶的硬度是淀粉回生的直接结果，这与淀粉分子的重结晶有关，直链淀粉含量越高，分子间重排程度越高，硬度越大[23]。β-葡聚糖的添加阻碍了直链淀粉分子聚集重排，削弱了直链淀粉分子间的作用力，使复配体系凝胶质地更为柔软。此外，部分淀粉被β-葡聚糖取代，混合体系内淀粉总量降低，淀粉间的相互作用减弱，使得凝胶硬度降低[24-25]。弹性与淀粉凝胶样品网状结构有关，弹性越大，说明网络结构越强。添加β-葡聚糖后，大分子物质同时在溶液中展开，形成相互交织的三维网络结构，结合SEM 结果，β-葡聚糖的添加使得复配体系网络结构增强，弹性值增加。

2.5 β-葡聚糖对燕麦淀粉糊化特性的影响

从图4可以看出复配体系糊化曲线整体下移，且β-葡聚糖添加量越高，曲线下移位置越低。与燕麦淀粉相比，添加β-葡聚糖后，复配体系峰值黏度、谷值黏度度、最终黏度、崩解值、回生值显著降低，糊化温度、峰值时间升高。回生值反映糊化后分子重新结晶的程度，主要与直链淀粉的重结晶相关，回生值越大，越易老化。回生值的降低说明β-葡聚糖抑制了淀粉的老化；自由水含量的减少导致糊化温度升高，峰值时间延长[26]。崩解值越小，抗剪切性越强，峰值时间越长，越不容易糊化。崩解值显著降低，说明β-葡聚糖提高了淀粉糊的热稳定性，这与SEM 图中β-葡聚糖与淀粉形成稳定的三维网络结构，增强了体系的稳定性一致。

图4 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系的糊化曲线Fig.4 Pasting curves of oat starch and β-glucan mixtures

表4 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系的糊化参数Table 4 Pasting parameters of oat starch and β-glucan mixtures

2.6 β-葡聚糖对燕麦淀粉热特性的影响

差示扫描量热仪可以得到样品在加热糊化过程中的温度参数。糊化焓反映在淀粉糊化过程中，破坏双螺旋结构所需要的能量。添加不同含量β-葡聚糖后，燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系热力学变化规律见图5，表5为热特性参数。

图5 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系热力学曲线Fig.5 DSC spectra of oat starch and β-glucan mixtures

从表5中可以看出，复配体系糊化焓呈升高趋势，表明添加β-葡聚糖后，形成了结构稳定的网络结构，降低了淀粉链的流动性。β-葡聚糖具有较高的持水能力，使得体系内自由水含量减少，影响淀粉的膨胀，抑制了淀粉的糊化，体系稳定性增高，最终导致糊化温度升高[27]，这与前文糊化特性结果研究一致。黄泽华[28]研究发现，随着大麦β-葡聚糖含量的增加，面团峰值温度增加。李妍等[18]的研究显示，玉米淀粉/玉木耳多糖体系的热焓值随玉木耳多糖浓度的增加显著降低，而峰值温度显著升高。这些差异的产生与胶体的种类、结构、空间构象等有关。

表5 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系热力学参数Table 5 Thermal parameters of oat starch and β-glucan mixtures

2.7 β-葡聚糖对燕麦淀粉动态流变学特性的影响

动态流变学可以判断样品以黏性还是弹性为主。储能模量（G'）为应力能量在试验中暂时储存，以后可以恢复的弹性性质；损耗模量（G''）为初始流动所需能量，是不可逆损耗。tan δ 为G'' 与G'的比值，比值越大，表明体系的黏性越大；比值越小，体系中的弹性成分就越多[26]。添加不同含量β-葡聚糖后，复配体系储能模量（G'）、损耗模量（G''）及tan δ 随频率变化见图6。

由图6可知，复配体系的G'与G''随着频率的增加逐渐增大，G'值大于G''，二者曲线不重合，即所有样品以弹性性质为主。随着扫描频率的增加，tan δ 呈上升趋势，且tan δ 值小于1，说明复配体系表现出典型的弱凝胶动态流变学特性[29]。

图6 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系的储能模量、损耗模量及tan δ 随频率的变化曲线Fig.6 Change curves of storage modulus，loss modulus and tan δ with frequency of oat starch and β-glucan mixtures

当β-葡聚糖的添加量为15%～20%时，复配体系的G' 与G'' 均低于燕麦淀粉，tan δ 升高，说明15%～20%的β-葡聚糖添加量降低淀粉糊的黏弹性，且显示出更高的黏性流体性质，即相比于燕麦淀粉，复配体系糊化后更趋于流体性质。高浓度非淀粉多糖的添加与淀粉竞争水分，导致淀粉糊化的自由水分减少，淀粉颗粒无定形区域水合作用减弱，加热后分子链不能充分伸展，复配体系黏弹性降低[18]。当β-葡聚糖的添加量为5%～10%时，复配体系的G' 与G'' 略高于燕麦淀粉，tan δ 降低，说明β-葡聚糖的添加使淀粉糊黏性和弹性增强，且复配体系显示出更高的弹性流体性质。β-葡聚糖与淀粉及水分子通过氢键聚集，体系结构内部分子段间的缠结点增多，网络结构增强，形成了更强的三维网状结构，这与前文研究结果相符。不同添加量的复配体系与燕麦淀粉动态流变学特性差异不显著，因此添加10% β-葡聚糖的复配体系固体性质表现最明显。

2.8 β-葡聚糖对燕麦淀粉静态流变学特性的影响

静态流变学反映样品结构随剪切速率变化的规律。添加不同含量β-葡聚糖后，复配体系黏度、剪切应力随剪切速率的变化见图7。

从图7a 可以看出，随着剪切速率的增加，复配体系黏度快速下降。当剪切速率逐渐增加到100 s-1时，体系黏度趋于稳定，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。复配体系经充分糊化后，体系间分子链互相缠绕，阻碍了分子的运动，流动阻力较大。在外部剪切力作用下，内部结构被破坏，氢键断裂，流动阻力降低，从而引起黏度下降；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，其黏度保持不变[16，30]。当β-葡聚糖的添加量为5%和10%时，复配体系的黏度略高于燕麦淀粉，剪切变稀现象更明显，但差异不显著；当β-葡聚糖的添加量为15%和20%时，复配体系的黏度低于燕麦淀粉，验证了动态流变学试验结果的准确性。

图7 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系的静态流变曲线Fig.7 Static rheological curves of oat starch and β-glucan mixtures

随着剪切速率的增加，复配体系剪切应力也增加，随后趋于平缓（图7b）。凝胶体系中大分子链以非共价氢键互相缠绕，剪切初期，破坏凝胶体系的结构需要的剪切应力较大，随后越来越多的分子转为定向流动，分子链由于缠结点的减少被拉直，导致剪切应力趋于平缓[18]。触变性是重要的流变学特性之一，体系在剪切力的作用下，黏性变化的曲线构成一个闭合的触变环，触变环面积大小可以表示淀粉糊网络结构被破坏所需要的能量，如果体系黏性维持较好，触变环的面积相对较小[31]。从图7b 可以看出，当剪切速率在0～300 s-1之间先增加再下降时，复配体系的触变曲线均出现顺时针滞后环，说明复配体系属于触变体系。与燕麦淀粉相比，当β-葡聚糖添加量为5%和10%时，触变环面积与燕麦淀粉无差异；当β-葡聚糖添加量为15%和20%时，触变环面积减小，说明β-葡聚糖可增强复配体系网络结构，有助于提高体系的剪切稳定性。

幂次定律方程τ=K·γn常用于拟合剪切应力与剪切速率曲线，流变方程拟合参数见表6。其中τ 为剪切应力；γ 为剪切速率；K 为黏稠系数，值越大增稠能力越强；n 为流动性特征指数，值越小偏离牛顿型越远，越容易剪切变稀，假塑性越大[17]。

表6 燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系流变方程拟合参数Table 6 Fitting parameters for rheological equations for oat starch and β-glucan mixtures

从表5中可以看出，R2越高，说明拟合方程精密度越高；流体指数；n 值小于1，复配体系表现为剪切时间依赖现象，为假塑性流体。随着β-葡聚糖的增加，稠度系数K 先增大后减小，5%～10%的β-葡聚糖添加量使淀粉糊变黏稠，说明复配体系分子链在糊化过程中充分伸展，分子链缠绕程度加大，增稠效果好；当添加量为15%和20%时，稠度系数减小，说明高浓度β-葡聚糖的加入与淀粉竞争水分，淀粉颗粒水合作用减弱，一定程度上增大了淀粉凝胶的流动性，与前文研究结果一致。

2.9 β-葡聚糖对燕麦淀粉老化的影响

老化过程中，会发生相转变和热转变，晶体的熔化温度、吸热量、玻璃化转变温度等都可以通过DSC 检测。根据SEM、FTIR 及流变学特性研究结果，选取β-葡聚糖添加量10%研究β-葡聚糖添加对燕麦淀粉老化的影响。

从图8中可以看出，贮藏期间样品DSC 曲线差异较大，刚开始吸热峰尖而窄，说明此时结晶均匀稳定，随后吸热峰变宽，表明在重结晶期间淀粉结晶结构不均匀，多重吸热峰的出现可能与重结晶期间水分子的迁移、分布不均匀有关[32-33]。25 ℃贮藏条件下复配体系老化焓低于4 ℃，说明4 ℃贮藏条件下更容易老化，4 ℃贮藏时，淀粉分子会以一次成核的方式形成重结晶，重结晶速率快，老化速率高；25 ℃贮藏时，淀粉分子则是以不断成核的方式缓慢形成重结晶晶体，老化速率较低。杨雪[34]研究发现，20 ℃贮藏条件下的亚麻籽胶/玉米淀粉凝胶老化度显著低于4 ℃，与本研究结果相似。

图8 不同温度贮藏后燕麦淀粉/β-葡聚糖复配体系的DSC 曲线Fig.8 DSC spectra of oat starch and β-glucan mixtures after storage at different temperature

在4 ℃和25 ℃贮藏期间，10% β-葡聚糖的添加可以降低淀粉在贮藏过程中的老化焓值。25 ℃贮藏5 d 后老化焓值显著降低，说明β-葡聚糖对淀粉长期回生的抑制效果明显。结合糊化特性结果，β-葡聚糖添加后回生值降低，说明β-葡聚糖抑制了淀粉的老化。因此β-葡聚糖抑制燕麦淀粉回生机制可能是：β-葡聚糖与淀粉通过氢键形成更强的网络结构，减缓了淀粉分子聚集重排速度。此外，β-葡聚糖持水能力较高，与淀粉竞争水分，导致体系内自由水含量减少，延缓淀粉分子链的迁移速率，淀粉分子重排受到抑制，有效的抑制淀粉的长期回生[13，35]。