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              瓜爾豆膠產品中心 / Product Center

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              淀粉與瓜爾豆膠復配體系糊化及流變特性研究

              發布日期:2014-10-08 14:23:12
              淀粉與瓜爾豆膠復配體系糊化及流變特性研究介紹
              淀粉與瓜爾豆膠復配體系糊化及流變特性研究:
              淀粉與瓜爾豆膠復配體系糊化及流變特性研究,以玉米淀粉和蠟質玉米淀粉為原料,加入不同配比的瓜爾豆膠,比較兩者復配后糊化及流 變特性的變化,并采用掃描電鏡觀察復配體系微觀結構。結果表明:添加瓜爾豆膠可使玉米淀粉 及蠟質玉米淀粉體系具有更好的增稠性,復配體系表現出更優越的黏彈性。膠體分子與直鏈淀 粉分子間的相互作用是引起玉米淀粉與瓜爾豆膠復配體系流體指數和淀粉成糊溫度顯著降低, 協同作用更為顯著的主要原因。微觀結構觀察表明淀粉與膠體復配體系呈現出更加均一、緊湊 的結構。
              淀粉是食品工業中重要的基礎原料和工藝助 局限性,被用于食品中的大部分是經物理或化學方 劑,廣泛地應用于糖果、飲料、冷食、肉制品、焙烤食 法變性后的淀粉。研究發現,將淀粉與親水性膠體 品等相關領域,在實際生產中,由于原淀粉性質的 復配使用,可達到很好的協同作用,淀粉的使用性 能得到明顯改善,起到提高整個產品的質量和穩定 性、降低用量、簡化加工工藝等作用[1,2]。這種復配 方法與化學改性方法相比,具有經濟、安全、方便等 優點。因此,研究兩者間的協同作用,對提高傳統 食品質量,改善食品加工工藝和指導新型食品的研 究與開發都會起到巨大的推動作用。
              親水膠體的添加可改變淀粉體系的糊化和流 變特性,直接影響到最終產品的質構、口感、穩定性 等品質,且與加工過程中原料的輸送、攪拌、混合、 能量的損耗等均密切相關[3]。因而,關于淀粉與膠 體復配體系糊化及流變特性的研究極為重要。作 者考察了瓜爾豆膠(guar gum,縮寫為GG)對玉米 淀粉(corn starch,縮寫為CS)及蠟質玉米淀粉 (waxycornstarch,縮寫為WCS)糊化及流變特性 的影響,通過對主要參數的統計學分析,為更好地 在食品工業中應用玉米淀粉/瓜爾豆膠復配體系及 品質控制提供依據。同時,對其糊化和流變學的研 究有助于進一步揭示淀粉與親水性膠體間的互作 機理。
              材料與方法
              1. 1主要材料與儀器
              玉米淀粉:山東諸城興貿玉米開發有限公司產 品;蠟質玉米淀粉:秦皇島驪驊淀粉股份有限公司 產品;瓜爾豆膠:蘇州丹尼斯克(中國)有限公司產 品;定粉與瓜爾豆膠常規成分見表1。
              表1淀粉與瓜爾豆膠常規成分
              Tab. 1 Compositions of starch and guar gum
              樣品種類
              質量分數/%
              水分
              粗蛋白質
              粗脂肪
              灰分
              直鏈淀粉
              玉米淀粉
              13. 56
              0. 36
              0. 56 0. 12
              29. 39
              蠟質玉米淀粉
              14 68
              0. 57
              0. 21 0. 10
              9. 20
              瓜爾豆膠
              11. 20
              9. 80
               
              ------ 1 00
              ——
              1. 2儀器與設備
              快速黏度分析儀(RVA):TecMaster型,瑞典 波通儀器公司產品;流變儀:AR—100型,美國TA 公司產品。掃描電子顯微鏡:QUANTA — 200型, 美國FEI公司產品。
              1. 3實驗方法
              1.3.1 糊化特性的測定分別稱取一定質量配比 的玉米淀 粉/ 瓜 爾 豆 膠 和 蠟 質 玉 米 淀 粉/ 瓜 爾 豆 膠 樣品,與去離子水于RVA鋁盒中混合均勻,配制成 總質量分數為6%的懸浮液(以干基計)。淀粉與瓜爾豆膠復配體系糊化及流變特性研究,按照美國 谷物化學協會(AACC)規定方法standard2進行測 定,程序如下:在50°C下保溫1min,后以6°C/min 的速度升溫至95°C,保溫5min,再以6°C/min的 速度降溫至50C,保溫2min。前10 s內攪拌速率 為960 r/min,而后以160r/min攪拌速率進行黏度 測試。
              1. 3. 2靜態剪切流變特性的測試取1. 3 1中 RVA制備的淀粉糊,于糊化后立即置于流變儀上, 平板直徑4 cm,設置間隙0. 5 cm,測量溫度25 C, 測定剪切速率(7)從0?300 s—1遞增,再從300?0 s—1遞減范圍內樣品剪切應力的變化。采用冪定律 (Power law模型)對數據點進行回歸擬和,方程如 下:
              r = Xyn                                   (1)
              式中,r為剪切應力(Pa)  為稠度系數(Pa*sn);
              y為剪切速率為流體指數。
              1.3. 3動態黏彈性測定取1. 2. 1中RVA中新 制備的淀粉糊,測定溫度25°C,掃描應變1%,測定 由低頻率(0. 1 Hz)至高頻率(10 Hz)內貯能模量 (G')、損耗模量(〇及損耗角正切值(tan5 = G〃/G') 隨角頻率的變化。
              1.3.4 微觀結構分析將糊化后的樣品進行冷凍 干燥,用〇s〇4氣體在密壁容器內固定4h,然后經 噴金后于掃描電子顯微鏡下觀察表面結構。
              1. 3. 5 統計分析實驗重復3次,采用DPS軟 件,實驗數值間以Tukey法(^<0. 05)進行差異顯 著性分析。
              2. 1淀粉與瓜爾豆膠復配體系糊化特性的測定
              瓜爾豆膠與玉米淀粉及蠟質玉米淀粉復配體 系糊化參數值見表2。經統計分析表明,與單獨淀 粉體系相比,添加膠體后,玉米淀粉及蠟質玉米淀 粉復配體系的峰值黏度、終值黏度、崩解值及回生 值均顯著增加(^<0.05)。玉米淀粉與瓜爾豆膠復 配后,淀粉的成糊溫度明顯降低,但與蠟質玉米淀 粉復配后的表現出相反的變化趨勢。為進一步比 較膠體對玉米淀粉和蠟質玉米淀粉糊化特性的作 用程度,對主要糊化參數值隨膠體比例變化進行一
              食品與生物技術學報2012年第31卷第8期⑩
              元線性擬合,通過比較黏度變化的斜率大小來考察 瓜爾豆膠對淀粉的作用程度,淀粉與瓜爾豆膠復配體系糊化及流變特性研究,結果見表3。擬合結 果表明,決定系數只2均在〇. 90以上,在實驗比例 內,復配體系的黏度變化與配比變化呈一定正相關 性,其中,瓜爾豆膠與玉米淀粉復配體系的峰值黏 度、終值黏度及回生值均表現出更高的黏度變化斜 率,這表明瓜爾豆膠對玉米淀粉各主要參數值的影 響程度均高于蠟質玉米淀粉,瓜爾豆膠與玉米淀粉 間的協同增稠作用更強。
              表2瓜爾豆膠對玉米淀粉和蠟質玉米淀粉糊化參數的影響
              Tab. 2    Effect  of guar gum on pasting       parameters   of  corn  starch  and waxy   corn  starch  pastes
              淀粉
              m(淀粉):m(膠體)
              淀粉成糊
              溫度/°c
              峰值黏度/ (MPa • s)
              崩解值/ (MPa • s)
              終值黏度/ (MPa • s)
              回生值/ (MPa • s)
               
              10 : 0
              88. 0±0. 5a
              761±2e
              204±11e
              834±3e
              276±10e
               
              9. 5
              0. 5
              74 9±0. 0e
              1 444±7d
              354±13d
              1 528±11d
              437±17d
              玉米淀粉
              9. 0
              10
              76. 3±0. 2b
              2 385±11
              904±8e
              2 139±10e
              655±9C
               
              8. 5
              15
              74 5±0. 0e
              3 254±6b
              1 548±15b
              2 550±4b
              843±5b
               
              8. 0
              2 0
              72 5±0. 9d
              4 239±21a
              2 021±10a
              3 139±9a
              921±20a
               
              10:0
              71 6±0. 5d
              1 259±2e
              829±10e
              538±9e
              109±17e
               
              9. 5
              0. 5
              71. 9±0. 4cd
              1 638±6d
              1 065±4d
              736±7d
              162±5d
              蠟質玉米淀粉
              9. 0
              10
              73 0±0. 2bc
              2 363±10e
              1 655±16c
              967±13e
              259±7e
               
              8. 5
              15
              74 9±0. 3a
              2 962±3b
              2 113±11b
              1 209±17b
              362±14b
               
              8. 0
              2 0
              73. 3±0. 5b
              3 209±7a
              2 286±10a
              1 453±5a
              529±6a
              瓜爾豆膠與淀粉在糊化過程中的協同增稠作 用主要存在以下兩方面的原因:一方面,糊化的淀 粉可視為由連續相(直鏈淀粉及支鏈淀粉)及分散 相(淀粉顆粒)兩相組成[4],當淀粉在存有瓜爾豆膠 的水溶液中糊化時,由于淀粉顆粒的膨脹作用,吸 收了連續相中水分,使位于此相的膠體濃度升高, 淀粉與瓜爾豆膠復配體系糊化及流變特性研究,從而引起連續相黏度升高,復配體系的整體黏度增 大[5-6]。同時,膠體的吸水作用使得淀粉的糊化受 到了抑制[7],使得添加了瓜爾豆膠的蠟質玉米淀粉 表現出成糊溫度略有升高;另一方面,在玉米淀粉 與瓜爾豆膠復配體系中,連續相中的膠體分子可與 糊化初始階段滲漏出的直鏈淀粉及外支鏈淀粉間 相互作用[8],使得分子的水合半徑增大,引起了在 糊化初始階段黏度增加,表現為瓜爾豆膠與玉米淀 粉復配體系中淀粉的成糊溫度降低。在降溫的過 程中,這種分子間的鍵合作用亦引起了體系的回生 值的增加。 對瓜爾豆膠與蠟質玉米淀粉復配體系 而言,連續相中直鏈淀粉含量極少,糊化初始階段 膠體與直鏈淀粉間作用較弱,淀粉與膠體之間的協 同作用以膠體與淀粉顆粒之間的相分離為主,因而 蠟質玉米淀粉的成糊溫度表現為略有升高。 對復 配體系整體黏度影響方面,亦不如玉米淀粉復配體 系表現得顯著。此外,淀粉與膠體復配體系的黏度 提高,造成剪切過程中有更大的剪切力作用于淀粉 顆粒上,顆粒更易變形及破損,同時,淀粉顆粒的破 損削弱了膠體與淀粉顆粒之間因相分離作用而產 生的黏度增加效應,使得崩解值增大。
              表3膠體比例與糊化參數線性擬合結果
              Tab. 3 Slope and intercept value obtained from the regression lines of the proportion of gum versus pasting parame­ters
              參數
              淀粉
              斜率是
              截距^
              決定
              系數記
              峰值
              玉米淀粉
              175. 32
              663. 4
              0. 996 6
               
              蠟質玉米淀粉
              104 48
              1241 4
              0. 978 3
              終值黏度
              玉米淀粉
              112. 64
              911. 60
              0. 993 0
               
              蠟質玉米淀粉
              46. 06
              520. 00
              0. 998 4
              回升值
              玉米淀粉
              33. 92
              287. 20
              0. 981 1
               
              蠟質玉米淀粉
              20. 80
              76. 20
              0. 963 6
              2 2靜態流變測定采用冪律方程對添加不同比例 瓜爾豆膠復配體系的靜態流變數據進行擬合,結果 見表4。與原淀粉相比,添加膠體后,玉米淀粉和蠟
              質玉米淀粉復配體系上行線和下行線的稠度系數 K升高,但當淀粉與瓜爾豆膠比例小于9. 0:1. 0 時,淀粉與瓜爾豆膠復配體系糊化及流變特性研究,變化均不再顯著。對玉米淀粉體系而言,添加 膠體后,復配體系流體指數《降低,即剪切變稀性 增強。但膠體對蠟質玉米淀粉《值的影響并不顯 著。剪切變稀是淀粉經外部剪切作用后,由于內部 結構被破壞而使表觀黏度降低,在外力的作用下, 體系內線狀分子鏈分子間氫鍵斷裂,分子間的產生 的解旋作用可引起剪切變稀性增強[9^10]。瓜爾豆 膠為線狀半乳甘露聚糖的非離子性膠體,在結構 上,以丨1,4鍵相互連接的甘露糖單元為主鏈, 側鏈以連接單個半乳糖[11]。在溶液中時, 其側鏈分支阻礙了分子內氫鏈的形成,因此,分子 鏈較為伸展。與淀粉復配后,易與體系中的直鏈淀 粉間形成非共價氫鍵,使得分子鏈段間的纏結點增 加。當體系受外力剪切作用時,一方面,部分氫鍵 斷裂,分子間產生解旋作用,另一方面,淀粉分子鏈 與瓜爾豆膠分子鏈段間的纏繞作用增加了流體中 分子鏈節的順向性,使體系剪切變稀性增強,《值降 低。但蠟質玉米淀粉中直鏈淀粉含量極少,因此, 復配體系的《值未顯現顯著變化。
              表4淀粉/瓜爾豆膠復配體系擬合參數 Tab. 1 Parameters for starch/guar gum mixed systems
              淀粉
              m(淀粉): m(膠體)
              稠度系數K/
              (Pa • sn)
              流體指數n
              觸變環面積/ (Pa • s)
              決定系數只2
               
              10 : 0
              31. 76±2 13d/23. 29±3. 07d
              0. 35±0. 02/0. 31±0. 01a
              2276±73e
              0. 999 7/0. 996 3
               
              9. 5 : 0. 5
              65. 24±0. 63/55. 98±1. 27c
              0. 24±0. 02b/0. 25±0. 01a
              2614±22b
              0. 994 3/0. 993 5
              玉米淀粉
              9. 0:1. 0
              93. 87±1. 17b/73. 32±2. 26b
              0. 22±0. 01b/0. 25±0. 02a
              2647±135c
              0. 993 7/0. 991 2
               
              a 5:1. 5
              127. 4±1. 0a/94 63±2. 23a
              0. 21±0. 02b/0. 25±0. 01a
              3536±156b
              0. 994 1/0. 993 1
               
              a 0:2. 0
              128. 8±L 50a/97. 19±4 11a
              0. 21±0. 02b/0. 25±0. 02a
              3751±167a
              0. 993 1/0. 992 7
               
              10:0
              29. 11±2 32/31. 06±1. 53e
              0. 47±0. 01b/0. 46±0. 01a
              3793±64a
              0. 998 7/0. 997 1
               
              9. 5:0. 5
              40. 14±2. 79b/43. 31±1. 16d
              0. 51±0. 01ab/0. 48±0. 02a
              973±44b
              0. 998 1/0. 997 6
              蠟質玉米淀粉
              9. 0:1. 0
              47. 46±0. 71b/58. 46±2. 23e
              0. 52±0. 00/0. 49±0. 02a
              374±53c
              0. 998 7/0. 999 2
               
              a 5:1. 5
              57. 72±1. 96/68 47±L 42b
              0. 53±0. 01/0. 48±0. 01a
              -479±113d
              0. 999 1/0. 998 2
               
              a 0:2.0
              60. 51±1 12/73. 73±0. 77a
              0. 53±0. 01/0. 48±0. 01a
              一1079±75e
              0. 998 6/0. 999 2
              注:“”前數據為上行線擬合數據;/”后數據為下行線擬合數據。在同一列里的平均值(土標準差)所帶的不同字母表示差 異顯著(,<0. 05)。
              添加膠體后,玉米淀粉復配體系的觸變環面積 顯著增加,蠟質玉米淀粉復配體系的觸變環面積反 而降低,且當淀粉與瓜爾豆膠質量比小于9. 0 : 1. 0 時,表現出逆時針環狀,即下行線高于上行線。這 表明玉米淀粉與瓜爾豆膠復配體系內部形成的網 絡結構經外部剪切作用破壞后,很難在短時間內恢 復,因而,當慢慢撤去外力時,體系黏度的恢復滯 后,表現為觸變環面積增加。膠體的添加可增加蠟 質玉米淀粉體系的網絡結構,增強其抗剪切性。
              2. 3動態黏彈性測定
              圖1為不同淀粉與瓜爾豆膠復配體系貯能模 量(G')、損耗模量(G〃)及損耗角正切值(tan幻隨角 頻率變化關系圖。通過對比發現,復配體系的模量 值明顯高于單獨淀粉體系,且G'與G〃均隨著膠體比 例的增大而逐漸升高。對玉米淀粉/瓜爾豆膠復配 體系而言,G'的頻率依賴性增大,在高頻率范圍內, 淀粉與瓜爾豆膠復配體系糊化及流變特性研究,G'隨頻率變化而增加的趨勢更加明顯。但蠟質玉 米淀粉復配體系表現出相反的變化趨勢,膠體的添 加使其頻率依賴性反而降低。對于凝膠體系而言, 頻率依賴性的增強表明其體系內分子鏈段間的纏 結點增多[12]。通過對比膠體對貯能模量變化的影 響表明瓜爾豆膠與直鏈淀粉間存在著一定的相互 作用。
              tan^為G〃與G'比值,tan^越大,表明體系的黏性比例越大,可流動性強,反之則彈性比例較大[13]。 從taM隨頻率的變化可以看出,玉米淀粉復配體系 在低頻率范圍內具有更高的可流動性,在高頻率范 圍內則彈性比例增加,膠體對玉米淀粉體系黏度的 影響取決于頻率的變化。而蠟質玉米淀粉添加膠 體后,復配體系整體黏性比例增加,結構更為穩定, 表現出更優越的黏彈性。
               
              0.5
              0.4
              0.3
              0.2
              ■ m(WCS) : m(GG)=10 : 0 A m(WCS) : m(GG)=9.5:0.5 ? m(WCS) : m(GG)=9.0:1.0
              •m(WCS) : m(GGH-5:1.5
              ♦/n(WCS) : m(GG)=8.0:2.0
               
              00
              19 98 8
              H - - -
              VI/
              G GGGG G GGGG mm m m m
              s s ss s c cccc w wwww
              mmmmm
              0^7 00
              o
              ea§
               
              0I.5I.0I.5I.0.*.*""
               
              100
              0.
              10
              角頻率/rad
              (a)玉米淀粉與瓜爾豆膠
              OAitsr〇〇
              角頻率/rad -s1
              (d)蠟質玉米淀粉與瓜爾豆膠
              圖1淀粉與瓜爾膠復配體系動態模量及隨頻率變化 曲線(實心圖標代表G'空心圖標代表(/)
              Fig. 1Dynamic moduli and tan5 as a function of frequency
              for starch/guar gum mixed systems! Closed symbols re¬present Gf; open symbols represent (/’)
              2. 4淀粉與瓜爾豆膠復配體系微觀結構
              體系的微觀結構與其流變特性是密切相關的。 微觀觀察結果發現(圖2),與添加了瓜爾豆膠的復 配體系相比,原淀粉呈現出一種松散、不均的網絡 結構。
               
               
               
              圖2淀粉與瓜爾豆膠復配體系微觀結構 Fig. 2Microstructure of starch and starch/guar gum mixed
              syste
              其中蠟質玉米淀粉顆粒片段較大,糊化程度更 高,玉米淀粉體系顆粒片段較小,表面可觀察到大 小不均的孔洞。添加膠體后,瓜爾豆膠填充于淀粉 顆粒片段之間,使得復配體系的結構更為緊湊,均
               
              一。通過比較兩種復配體系,可以發現瓜爾豆膠與 蠟質玉米淀粉分子延展成光滑的片狀結構,表面更 加光滑、致密。因此,蠟質玉米淀粉與瓜爾豆膠復 配體系的表現出更強的抗剪切性和抗觸變性。
               
              1)與單獨淀粉體系相比,添加瓜爾豆膠可增加 復配體系的峰值黏度、終值黏度、崩解值及回生值, 瓜爾豆膠與直鏈淀粉間的相互作用可引起淀粉成 糊溫度的降低。其中,玉米淀粉與瓜爾豆膠復配體 系表現出更高的協同增稠性。
              2)靜態流變試驗結果表明添加瓜爾豆膠的復 配體系具有更好的增稠性,淀粉與瓜爾豆膠復配體系糊化及流變特性研究,加入膠體后,玉米淀粉 體系的流體指數降低,觸變環面積增大,蠟質玉米 淀粉體系流體指數未呈現顯著變化,觸變環面積減 少。流體指數的變化進一步表明膠體分子與直鏈 淀粉間的相互作用。
              3)動態流變試驗表明復配體系的模量值明顯 高于單獨淀粉體系,蠟質玉米淀粉添加膠體后,復 配體系整體黏性比例增加,結構更為穩定,表現出 更優越的黏彈性。
              4)微觀結構觀察表明淀粉與瓜爾豆膠復配體 系呈現出更加均一、緊湊的結構。
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