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玉米淀粉与黄原胶复配体系流变和凝胶特性分析

发布日期:2015-04-26 21:34:09
凝胶
  淀粉与非淀粉类亲水件胶体是食品中两类重要的组 分,在现代食品工业中,两者通常被共同应用于食品体 系中,以起到控制水分流动、提高整个产品的质量和稳 定性,简化加工工艺等作用⑴。将淀粉与胶体复配使用, 发挥两者间的协同互补作用,既可克服原淀粉本身性能 的不足,降低用量及产品成本,又可扩大淀粉和胶体的 应用范围,使其广泛应用于饮料、肉制品、焙烤食品以 及调味品等的生产中。
  
  淀粉糊化后能形成具有一定弹性和强度的凝胶,凝 胶的黏弹性、强度等特性直接影响到淀粉质食品的加工 性能及品质,加工过程中原料的输送、搅拌、混合、能 量的损耗等均与凝胶体的流变特性密切相关lwl。因此, 关于淀粉与胶体复配体系流变和凝胶特性的研究极为重 要。玉米淀粉(cornstarch, CS)是可利用的最廉价的淀 粉,其流变和凝胶特性有助于使调料既具有稠性又始终 为短性糊丝,可做宰售业或公共饮食业的增稠剂141。但因 其易老化,冻融稳定性差,限制了在长货架期和冷冻食 品中的应用。Ramsdem15"61等的研究表明,黄原胶(xanthan gum, XG)可有效地抑制玉米淀粉的回生,提高其增稠性和冻融稳定性。六11〇11(:1,1等比较了黄原胶、瓜尔胶和 刺槐豆胶对玉米淀粉糊黏弹性的影响,结果表明黄原胶 对玉米淀粉的黏弹性的增加作用最为显着。而后,Sikora【8J 等将玉米淀粉与黄原胶复配后,作为增稠剂应用于可可 糖浆中,从感官评定,质构和流变学性质等多方面评价 了其应用效果。目前,国外对玉米淀粉与黄原胶复配体 系糊化和回生特性的研究报道较多,对其流变和凝胶特 性的报道较少。
  
  国内关于淀粉与胶体复配的研究报道甚少,柴春样[9] 等考察了黄原胶与马铃薯复配体系的静态与动态流变学 特性。表明黄原胶可增加马铃薯淀粉体系的黏弹性。对 玉米淀粉与黄原胶复配体系的研究还未见报道,目前还 缺乏系统、全面的研究。本文以玉米淀粉为原料,加入 不同比例的黄原胶,利用动态流变仪、物性测试仪和扫 描电镜,研究两者复配后体系流变和凝胶特性的变化, 为更好的在食品工业中应用玉米淀粉/黄原胶复配体系及 品质控制提供参考。
  
  1材料与方法1.1材料与试剂玉米淀粉:山东诸城兴贸玉米开发有限公司提供, 含水率13.6%;黄原胶:苏州丹尼斯克(中国)有限公司 提供,含水率9.5%。
  
  1.2仪器与设备AR-100型流变仪(美国TA公司),XT21-物性测 试仪(美国TA公司),QUANTA-200型扫描电子M微 镜(美国FE丨公司)。
  
  10aM/-R5IS琮1.3试验方法1. 3. 1样品制备依据前期预试验结果,选取5个不同配比玉米淀粉/ 黄原胶复配体系(10 : 〇, 9.5 : 0.5, 9.0 : 1.0, 8.5 : 1.5, 8.0 : 2,0,质量比,g/g)。准确称取不同配比的玉米淀粉 /黄原胶样品,加入去离子水调成质量分数6%的玉米淀粉 与黄原胶悬浮液(以千基计),置于磁力搅拌器上800 r/min水化30 mim然后于沸水浴中加热糊化15 miru 1, 3. 2流变特性的测定流变特性的测定均取用按1.3.1方法调制成的样品? 采用平板-平板测量系统,平板直径4 cn^设置间隙0.5 cm,加入样品,刮去平板外多余样品,加上盖板,并 加入硅油以防止水分蒸发。每次测试均需更换样品。
  
  静态剪切流变的测试:在25°C F,测量剪切速率(7) 从0?300 s“递增,再从300 s“?0递减范围内样品变化 情况。采用Herschel-Bulkley模型对数据点进行回归拟和, 决定系数表示方程拟和精度。Herschel-Bulkley方程:0=(7〇+^( 1 )
  
  式中,代表剪切应力,Pa; (To代表屈服应力,Pa: /T代 表稠度系数,Pa s": y为剪切速率,s _; ?代表流体指数》 动态黏弹性测定:温度25T:,扫描应变1%.测定由 低频率(0.1 Hz)至高频率(10 Hz)内贮能模量(G')、 损耗模量(Gw)及损耗角正切值(tan<5=GK/G0随角频率 的变化。
  
  动态时间扫描测定:温度4X:。频率设定为0.5 Hz, 扫描应变1%,测定2h内样品弹性模量(G)和taW的变化。
  
  1.3. 3凝胶广构测定取用按1.3.丨方法调制成的淀粉/黄原胶复配物,直接 在4X:下冷藏。24 h后取出放置至室温,采用物性测试仪 对凝胶进行质地剖面分析。测定条件:测前速度为 l.Omm/s,测试速度l,0mm/s,测后速度1.0mm/s,触发 力0.049N,压缩程度40。/〇?
  
  1. 3. 4扫描电镜观察将按丨。3.1方法调制成的玉米淀粉和玉米淀粉/黄原 胶复配沣系(9.0 : 1.0, g/g)两个样品,进行冷冻干燥后, 用四氧化锇气体在密壁容器内固定4 h,然后经离子溅射 仪喷金,于扫描电子显微镜下进行观察。
  
  1. 3. 5统计分析所有试验均重复3次,采用DPS软件计算平均值和 标准差,使用Tukey法(p<0.05)比较平均值之间的差异性。
  
  2结果与分析2.1静态剪切流变特性的测定由图I可见,黄原胶比例不同的淀粉糊在流动过程 中所需的剪切应力随着剪切速率的增加而增大,随着胶 体比例的增加,复配体系流动过程中所需的剪切应力减 小?依据幂定律(Herschel-Bulkley)对各曲线数据点进 行拟合(见表1).结果显示决定系数及2均在0.99以上, Herschel-Bulkley模型对曲线具有较高的拟合精度*屈月S 应力%大于0,流体指数n小于丨,表明玉米淀粉/黄原 胶复配体系为典型的屈服一假塑性流体叫。添加黄原胶 后,复配体系上行曲线与下行曲线的稠度系数尺显着增 加,内及n值降低,说明复配体系具有更强的增稠性及 假塑性,更易剪切稀化。统计分析结果表明,黄原胶比 例为10%时。复配体系的A:,办及《值显着增加,大于 10%时,增加不再显着。
  
  玉米淀粉:霣SK质*比 ■■0.0:0上疗 C3 10.0:0 卜’疗 *9.J:0.5±9.5;0.5T f49 0 I.OJ: f< ^〇:l 〇T f ? 85 1.5上亍O 85:1.5卞亍 ?80 2 0卫柠? 8.0:2 0下疔■0100200300剪切速率/s-1图丨玉米淀粉/黄原肢复配体系静态流变曲线 Fig.l Flow curves of com starch/xanthan gum mixed systems表1玉米淀粉/黄原胶复配体系Herschel-Bulkiey方程拟合参数 Table 1 Herschel-Bulkley parameters for com starch/xanthan gum mixed systems样品配比(玉米淀粉:黄原胶)/ (8R1)屈赝应力tVPa稠度系数s°)流体指数n决定系S/f2触变环面枳/(Pa-!
  
  100:028.37±2.5I*/I8*15±0.76*7.25±1.49b/8.31土 I.6060.53±〇。〇2*/0.51±〇。〇1*0.997/0.9%2276*73.50"^.5 : 0.521.68±1.72b/l5.7S±1.59*\\M±2Mb/\\M±\.09lKOJ7±0.01b/0.38±0.0〇b0.999/0驾1064±27.39b9.0 : L08.94±0.57</8.|〇*〇。36b20.7H2.45*/16.92±r.85ib0.26±0.0lc/0.2^〇。〇2<0.994/0.997907±47.60c8.5 : L58.69*0^1 e/r7.83±8.i5b22.88±0.78*/l 8.24±081 *0.21±0,0\^26±0.0\^0.9%/0.995851±37.20c8.0 : 2.08.59±0.30c/6.89±6.67b25.90±2.74*/24.l9±3,74*0.22±0.01d/〇。2(W).〇1*0.998^.997-51 士21.93d注:前数据为上行线拟合数据?后数据为下行线拟合数据*在同列里的平均值(土标准差)所带的不同字母表示差异显着W05)
  
  剪切稀化是剪切引起的分子形变伴随着流体力学相 互作用的变化及其作用下大分子既旋转又形变的状态。 在淀粉糊中,线性大分子链(主要为裒链淀粉)彼此之 间相互绳结,使得由分子相对运动引起的流动变得困难。 当受到剪切作用时,分子结构被拉直取向,编结点减少?
  
  流动阻力降低,从而使表观黏度下降|IM2|?黄原胶是由3 种不同单糖(D-甘露糖、D■葡萄糖、D-葡萄糖醛酸)构 成的高分子杂多糖,由于自身负电荷间的相斥性使之分 子内无法形成氢键,分子链较为舒展fl'因而。易于与 淀粉分子间相互作用形成氢键,使得分子链段间的缠结 点增加。对流动产生的黏性阻力增强,使剪切稀化程度 增加。同时,分子缠结使得其体系黏度增加,因此,复 配体系表现出更高的增稠性。
  
  触变性是水溶性高分子溶液重要流变学特性之一。 淀粉经外部剪切作用后,由于内部结构破坏而使表观黏 度不同程度回升,因而呈现出具有不同面积大小的滞后 回路,黏性保持好,触变环面积小,用触变环面积可以 确定淀粉结构被打破所需要能量[14_|5]。由图1和表1 可知,随着胶体比例的增加,复配体系触变环面积显着 减小,当玉米淀粉与黄原胶比例为8.0: 2,0 g/g时,体 系曲线表现出逆时针环状,这表明此比例下的复配体系 经剪切作用后,在短时间内形成新的结构体系,从而导 致流动阻力增大,与上行曲线相比,下行曲线剪切应力 增加。
  
  2.2动态黏弹性测定糊凝胶体系的动态黏弹性与其实际应用性能直接 相关。贮能模量(G0代表能量贮存而可恢复的弹性质, 损耗模量(G")代表能量消散的黏性性质1'由图2可 见,所测样品的可见,所测样品的G均远大于G、损 耗角正切值(tan<D小于1, G'与G"随频率增加而上升, 表现为一种典型的弱凝胶动态流变学谱图[17]。添加黄原 胶后,复配体系的G*和G"均显着增加,且随着黄原胶 比例的增加而增大,复配体系表现出更为优越的黏弹 性?这进一步表明复配体系结构内部的分子链段间的缠 结点增多,凝胶体系网络结构加强。tanj为G"与(7比 值* tan?5越大,表明体系的黏性比例越大,流动性强,反之则弹性比例较大与玉米淀粉相比,复配体系taM 的频率依赖性降低,当玉米淀粉与黄原胶比例为8.0 : 2.0 g/g时^ tar^最高,复配体系具有更好的协同增稠作用。 2.3动态时间扫描的测定淀粉回生的重要表现是G'S着升高,tan<5变小。在 回生的初始阶段(糊化后的几小时内),主要为渗漏的 直链淀粉分子间进行定向迁移,分子间沿链排列的大量 羟基通过链间氢链与邻链上的羟基相结合。形成三维凝 胶网状结构,导致C7快速升高G'值可作为直链淀 粉的回生量度。
  
  玉米淀粉:黄垛胶质童比/(gf1) ?10:0(7 ^ 10,00*▲9.5 0.5 (7,A 9.5:0 5 CT -?9 0:1.0 G'<9.0:\.OGm ?8.5:1.5^0 8.5:1.5 GH *8.02,0 Gr^8.0;20G"|00|10斤0.300.25I10角频率/(rs“) a.贮鸵镇童和损耗模量玉米淀粉:黄垛胶庇董比° 10:0msA 9 5:0,5〇 8 0:2.0〇 9.0:1.0IOO1加角频率/(r〇 b.
  
  图2玉米淀粉与黄原胶复纪体系动态楼量及 taiu5随频率变化曲线Fig-2 Curves of dynamic modulus and lan<5 with frequency of corn starch/xanthan gum mixed systemsBOOO图3为不同配比的玉米淀粉/黄原胶复配体系在加热 糊化后2 h内贮能模量(G)与(and随时间变化曲线。在测 量的初始阶段,复配体系的G'大于单独玉米淀粉凝胶体 系的G',这亦与动态黏弹性的测定结果一致。随着时间 变化,两者G'值均逐渐增加,同时伴随着ta^的逐渐降 低。与复配体系相比,玉米原淀粉凝胶体系£7在最初 30min内升高很快,然后增长速度延缓,进入较稳定阶 段。复配体系G'增长速度随着黄原胶比例的增加而延 缓,最终,复配凝胶体系的G'反低于玉米淀粉凝胶体系 的G'。表明,复配体系在短时间内具有更好的稳定性, 其应用于食品中时可更好地改善因产品老化而产生的 品质变化。黄原胶对淀粉短期回生的抑制作用主要存在 以下两方面的原因,一方面,黄原胶的添加避免了淀粉 体系内海绵状结状结构的形成发展,从淀粉颗粒中析出 的直链淀粉与黄原胶结合,减少了淀粉自身的结合《另 一方面,水作为增塑剂苻助P淀粉分子链的迁移,参与淀粉分子链的重结晶,而黄原胶具有较强的亲水性*与 水的结合能力强。因此,复配体系内的淀粉分子链由于 自由水含曼的减少,重排变得困难,降低了淀粉的冋生 程度I2122、2.4玉米淀粉与黄原胶复配体系凝胶质构分析由表2凝胶质构分析结果来看,与玉米原淀粉相比, 添加黄原胶引起了复配体系凝胶硬度值、弹性值、内聚 性及黏合度降低。但变化趋势未随黄原胶添加比例的增 加Iftf早现规律性变化。其中内聚性和黏合度随着黄拟胶 比例的增加呈现出先降低后升高的趋势,淀粉凝胶的硬 度与直链淀粉含量密切相关?‘般而言,直链淀粉含量越大,分子相互间交连和缠绕的程度就越高,由此淀粉 凝胶的强度越大,支链淀粉分子的相互缠绕则使得淀粉 凝胶Jt冇软的结构而+易破坏l2KMI。黄原胶的添加阻碍 了 i_i链淀粉分子间的聚集重排,削弱7■直链淀粉分子间 的作用力,黄原胶与淀粉分子间的缠绕使其复配体系形 成了质地更为柔软的凝胶。
  
  统计学分析表明,当黄原胶比例大于10%.即玉米 淀粉与黄原胶比例小于9.0: 1.0g/g时,复配体系凝胶的 稠度系数(/〇和硬度变化不再显着。即增稠作用和抑制回 生效果不再显着。因此应用中选择玉米淀粉与黄原胶的 比例为9.0: 1.0g/g时较为适宜。实际生产中若代替木薯 交联酯化淀粉作为增稠剂应用于酱类食品时,可节约成 本约40%。
  
  表2玉米淀粉/黄原胶复配体系凝胶质构参数 Table 2 Parameters of texture profile of com starch/xanthan gum mixed systems样品配比(玉米淀粉:黄 原胶)/(g'g1)硬度/N弹性/Nxi〇J内聚性黏合度/N*s10 : 0|,202±0.065*9.095±0.029a0.658*0.010*-0.434*0.003*9.5 : 0.50.800H).058b8.950^0.012*0.620^0.006^4)237*0.005"9.0 : 1.00.233±0.030e9.006*0.020*0.533±0,007,1■0190*0.004*8.5 : 1,50,2l8±0.032e8.820*0.059h0.576±0.003c-0.225i0.0024*8.0 : 2.00.202±0.010"8,869±0.049^0.577^0.025"^.270±0.005b2,5玉米淀粉与黄原胶复配体系微观结构选用玉米淀粉/黄原胶比例9.0: 1.0 g/g,观察复配 体系微观结构的变化。由图4可见,添加黄原胶后,复 配体系的微观结构发生拔着变化,凝胶表面孔洞大小和 分布的均匀性存在显着差异?玉米淀粉糊化后的凝胶体 系(围4a)存有大量淀粉颗粒碎片,表面结构较为ffi糙。 孔洞多,且分布不均匀,结构松散。加入与原胶后(图 4b),复配体系表而孔洞缩小,数量减少,与玉米原淀 粉相比,更为光滑。黄原胶填充于淀粉颗粒片段间■与 浲漏出的直链、支链淀粉组成了较为均匀的连续相,形 成了结构致密的类终窝状结构,微观结构的显着变化导 致了复K体系与玉米原淀粉体系间流变及凝胶特性的 不同,玉米淀粉/黄原胶复K体系表现出更好的协同增效 性。
  
  图4玉米淀粉与黄原肢复配体系微现结构(放大锫数x丨60) Fig.4 Microstructure of CS and CS/XG mixed system ( * 160 times)
  
  3结论1)玉米淀粉与黄原胶可通过分子间的相互作ffl而达 到协同增效的作用,复配后的体系具有更商的稠度系数/C 及动态模量?在外力剪切作用下> 体系的流体指数《降 低,假塑性增强*2)在冷却阶段,黄原胶与直链淀粉分T间发生相互 作用,从而使分子链段间的缠结点增多,胶体与淀粉分子 段间的作用延缓及肌ih 了部分直链淀粉分子之间凝胶化 作用,抑制了淀粉由于自身分子链的审:排而引起的回生。 与原淀粉凝胶体系相比,复配体系糊化后2 h内的K能模 竜CT增长速度延缓。放置24 h后形成的凝胶硬度更低。
  
  3)与玉米原淀粉相比,复配体系的微观结构发生显 着变化,形成了更为均匀致密的类蜂窝状结构。
  
  综合考虑成本和复配效果,表明在实际应用中选择 玉米淀粉与黄原胶的比例为9.0: 1.0g/g较为适宜。复fill 是一种成本低、效果好、工艺简单、适合工业化生的方 法,采用复配的方法,可改善玉米淀粉本身性能的不足。 从而减少或替代变性淀粉在食品屮的应用。对玉米淀粉 与黄原胶复配体系流变及凝胶特性的研究是深入探讨大 分子多糖间复配机理及其性能影响规律的基本依据。