3种根茎类淀粉混合物的糊化及性质研究.pdf

423种根茎类淀粉混合物的糊化及性质研究钱格格，薛欣欢，郭建行，史苗苗（郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南郑州450 0 0 1）摘要：以山药淀粉、木薯淀粉和红薯淀粉3种根茎类淀粉不同复配体系的混合淀粉为研究对象，利用快速黏度分析仪（RVA）、差示扫描量热仪（DSC)和流变仪对淀粉样品的糊化、热力学特性和流变学特性进行研究。结果表明：与其他复配淀粉相比，山药-红薯复配淀粉糊的峰值黏度更高，而复配体系中含有木薯淀粉的淀粉糊的崩解值较小，热稳定性较好；山药淀粉峰值糊化温度、终止糊化温度和糊化热恰值最高，且随复配体系改变并无规律性变化；各复配体系淀粉糊均为假塑性流体,表现出剪切稀化特性;3种淀粉配比中,剪切速率在0 0.1s-1范围内,随着山药淀粉配比的增加，复配体系淀粉糊的黏度增大，流动性越差。关键词：山药淀粉；糊化；热力学特性；流变学特性Study on the gelatinization and propertiesof three rhizome starch mixturesQIAN Ge-ge,XUE Xin-huan,GUO Jian-hang,SHI Miao-miao(College of Food and Bioengineering,Zhengzhou University of Light Industry,Abstract:The gelatinization,thermodynamic and rheological properties of starch samples were studiedby using rapid viscosity analyzer(RVA),differential scanning calorimeter(DSC)and rheometer,usingthe mixture of yam starch,cassava starch and sweet potato starch as research object.The results showedthat compared with other composite starches,the peak viscosity of yam-sweet potato composite starchpaste was higher,while the starch paste containing cassava starch in the composite system had lower dis-integration value and better thermal stability.The peak gelatinization temperature,termination gelatiniza-tion temperature,and gelatinization enthalpy of yam starch were the highest,and there was no regularchange with the change of the composite system.The starch paste of each composite system was a pseu-doplastic fluid,exhibiting shear thinning characteristics.Among the three starch ratios,the shear rateranges from O-0.1 s-l,with the increase of yam starch ratio,the viscosity of the starch paste in thecomposite system increased and the fluidity deteriorated.Key words:yam starch;gelatinization;thermodynamic property;rheology property中图分类号：TS235.2淀粉在食品加工方面的性能主要取决于淀粉糊化和凝沉过程中的结构变化。这些特性有助于提高淀粉类食品的可食用性、营养价值、可接受性和保质期1-2 1。淀粉的结构和物理化学性质对其应用至关重要3。天然淀粉在长时间加热、高剪切行收稿日期：2 0 2 2-0 7-13基金项目：河南省科技攻关项目（2 2 2 10 2 110 337）作者简介：钱格格（19 9 3一），女，在读硕士，研究方向为淀粉结构和功能改性。通信作者：史苗苗（19 8 5一），女，博士，教授，研究方向为淀粉结构和功能改性。粮食与油脂Zhengzhou 450001,Henan,China)文献标志码：A2023年第36 卷第9 期文章编号：10 0 8-9 57 8（2 0 2 3)0 9-0 0 42-0 6为或酸性条件下的糊化稳定性差，凝胶网络往往会被破坏4。热处理和剪切力变化能较大程度破坏淀粉颗粒的完整性，导致加工过程中产品黏度降低5。因此,需要对天然淀粉进行适当修饰,使其满足各种加工性能。2023年第36 卷第9 期山药属于药食同源食材，其营养价值、药用价值及抗病能力极高。木薯是世界三大薯类之一，木薯淀粉(CS)成膜性好,有促进消化、维护血管等诸多益处。红薯淀粉（SPS）具有黏度高、易糊化等优点。国内外大多以红薯淀粉或木薯淀粉为原料生产粉条6-7 ,但营养价值有限。本试验以山药淀粉（Y S）、C S及CPS为研究对象，研究3种淀粉复配后的糊化及流变学性质的变化，旨在为山药淀粉制品的应用和生产提供理论依据。1材料与方法1.1材料与试剂铁棍山药，产自河南温县；SPS，古田项辉食品有限公司;CS,河南恩苗有限公司；氢氧化钠、无水乙醇,分析纯。1.2仪器与设备RVA4500快速黏度分析仪，德国波通公司；Q20型差示扫描量热仪，美国TA公司;DiscoveryHR-1旋转流变仪，上海纽迈电子科技有限公司;DZKW-D-2数显恒温水浴锅，北京光明医疗器械厂;Scientz-10N压盖型冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司。1.3试验方法1.3.1YS 的制备采用SHARMA等8 的方法提取YS,并稍作修改。山药块茎去皮，打浆粉碎，过滤，洗涤，收集滤液，加人质量分数0.2%氢氧化钠溶液静置沉淀，除去上清液。多次洗涤沉淀，烘干,磨粉，过0.150 mm筛网得YS。1.3.2样品制备以YS、SPS和CS总质量为基准，将3种淀粉分别按照不同比例进行复配，准确称取3g复配后混合样品（干基）添加到2 5mL蒸馏水中，磁力搅拌30min，制成淀粉悬浮液。1.3.3糊化特性使用快速黏度分析仪（RVA）对1.3.2 制备的样品的糊化特性进行分析。测试条件：在50 下平衡1min,以12/min加热至9 5,保温2.5min，以相同的速率冷却至50，保温2 min,前10 s的转速为9 6 0 r/min,其余转速为16 0 r/min。1.3.4热性能测定采用差示扫描量热仪(DSC)和内置冷却器分析淀粉的热性能，利用TA软件进行分析。将1.3.3淀粉悬浮液糊化完成后的部分样品置于冰箱冷藏粮食与油脂(4)2 4h,先冷冻干燥,再利用高速粉碎机粉碎,过0.150mm筛。称取粉碎后样品3mg（干重）,加9 mL蒸馏水,均匀放入铝皿，密封并在室温下平衡12 h。程序起始温度2 0，以10/min升温至12 0。1.3.5流变测试分析采用旋转流变仪测定淀粉糊的流变特性。采用平板系统测试,探头直径40 mm、间隙1mm。测量前，将1.3.3淀粉悬浮液糊化完成后的部分样品转移至2 5恒温水浴锅中平衡5min,流变学测量在(2 50.0 1）进行9 。使用平板模具放置制备好的淀粉糊样品，切边，在样品边缘涂抹甲基硅油以防止在测定过程中的水分蒸发。1.3.5.1振幅扫描采用Oscillation Frequency模式,将温度恒定在25,设定扫描频率为1Hz，剪切应变0.0 1%100%,测定储能模量（G）、损耗模量（G）随应变振幅变化的关系曲线。1.3.5.2动态频率扫描设定应变为1%，在1 150 rad/s的动态频率范围内测定样品的动态流变数据，测定样品的G、G和损耗角正切(tan)。1.3.5.3静态黏弹性扫描完成动态流变性质测定后，设定扫描频率0.1Hz，扫描应变0.0 1%10 0%，测试温度2 5。通过连续剪切，确定表观黏度与剪切速率之间的关系。1.4统计分析所有试验至少重复测量3次，数据均以平均值标准差表示；采用Origin2018软件作图，使用IBMSPSSStatistics26.0统计软件检测最小差异(LSD)。2结果与分析2.1糊化特性由表1可知：不同配比体系间的黏度发生了明显变化。与其他复配淀粉相比，山药红薯复配淀粉糊的峰值黏度相对更高，而复配体系中含有CS的淀粉糊的崩解值较小，热稳定性较好。YS的回生值高,表明其凝胶性较强,更易回生;而 SPS 和 CS的回生值低,凝胶性较弱，不易回生。3种淀粉混合配比的淀粉糊随着YS的配比降低，回生值降低，因此凝胶性减弱。YS的糊化温度最高，为8 6.41。在糊化过程中，黏度的变化主要与淀粉颗粒中直链淀粉和支链淀粉的相互作用有关。这可能是因为4344YS中含有大量的支链淀粉,在糊化过程中浸出的支样品配比峰值黏度/（mPas）YS100%5 478.33 118.97eCS100%4 317.00 197.28dSPS100%5 812.33 42.57dYS80%CS20%3 887.33 177.33cYS60%CS40%3 326.33 153.83bYS40%CS60%2 914.33 56.53 aYS20%CS80%3 145.00 42.03 abYS80%SPS20%5 327.67 209.06 bcYS60%SPS40%4 988 64.21aYS40%SPS60%4 864.00 26.88 4YS20%SPS80%5 191.67 3.51bYS80%CS10%SPS10%4 319.66 12.85cYS60%CS20%SPS20%3 625.66 94.74bYS40%CS30%SPS30%3 383.66 17.61 aYS20%CS40%SPS40%3 499.33 175.67 ab注：同列不同字母表示差异显著（P0.05），下表同。2.2热学特性的测定由表2 3可知：经过处理后YS的峰值糊化温度（Tp）、终止糊化温度（Tc）、热恰值（H）均最高，且随复配体系改变并无规律性变化。与原淀粉相比,YS和CS的起始糊化温度（To）、T p、T c 都有所降样品Tp/山药原淀粉74.92 0.50c木薯原淀粉64.33 0.17a红薯原淀粉72.20 0.21b样品YS100%CS100%SPS100%YS80%CS20%YS60%CS40%YS40%CS60%YS20%CS80%YS80%SPS20%YS60%SPS40%YS40%SPS60%YS20%SPS80%YS80%CS10%SPS10%YS60%CS20%SPS20%YS40%CS30%SPS30%YS20%CS40%SPS40%粮食与油脂链淀粉与水分子结合形成黏性物质10 。表1不同淀粉复配体系糊化特征参数最终黏度/（mPas）5 713.00 83.36f2 226.67 38.13 a3.390.33 40.27a4 856.33 210.023 823.00 51.64d3 017.00 63.23 c2 603.67 48.95 b5 233.00 118.21 d4 580.00 72.77c3 925.33 27.61b3 500.66 23.15 a4 943.33 6.42d4 029.33 108.86c3 546 32.44b3 307.66 102.05a表2 3种原淀粉的热力学参数To/82.72 0.45c70.51 0.61a79.51 0.17b表3不同淀粉复配体系糊化的热力学参数To/Tp/50.75 0.13f62.6 0.5947.56 0.13 h59.67 0.04c47.66 0.11 abe59.03 0.18a48.13 0.16 bed59.47 0.51a48.7 0.58 bede60.06 0.01 ab48.01 0.08 bed60.51 0.19 ab47.08 1.19ab59.03 0.27454.37 0.76%64.68 1.33 d49.45 0.97def 61.83 0.06 bc.50.26 0.08ef60.06 0 ab49.18 0.27 cdef 60.27 0.16 ab50.08 0.08cf62.16 0.06 bc53.5 0.79g63.77 0.31cd46.24 1.29a60.17 2.88ab48.83 1.58 bede59.2 0.82a2023年第36 卷第9 期崩解值/(mPas)回生值/(mPas)1 813.33 57.812.048.00 34.07e2 796.00 154.34d705.67 24.7843 042.00 45.21c620.00 36.04a1 056.33 23.072 025.33 96.15e1 061.33 224.1641 558.00 120.50d1 028.67 26.65 a1 131.33 33.29c1 482.33 14.74b941.00 22.71 b1 790.00 125.52a1 695.33 37.60d1 756.00 38.97a1 348.00 24.511 850.33 28.09a911.67 11.71b2.274.66 1.15 b583.67 26.76a1 173.33 6.65 b1 830.33 43.84d950 4.35a1 353.66 38.08c1 003.33 1.15a1 165.66 21.93 b1 290 72.02 d1 098.33 27.68 a低，这可能是完全糊化的淀粉在发生老化作用时，其吸热峰值的To、T p、T c 均低于原淀粉的糊化峰值相对应的温度值，糊化恰高于老化恰。3种原淀粉的H均高于其复配后的淀粉。H与淀粉的老化程度呈正相关,可以判断淀粉所发生的老化程度 。Tc/90.43 0.81c82.42 1.15486.03 0.09b79.68 0.17b72.47 0.06c74.97 1.48 ab72.08 2.08a72.98 0.66a77.47 1.27ab75.96 0.47ab75.63 2.55 ab74.92 1.41 ab72.46 2.07474.87 0.27ab77.33 1.07ab75.73 1.07ab73.07 1.47a72.01 7.25a糊化温度/86.41 0.02 d73.25 0.51a76.43 0.55a86.96 0.98d75.93 0.02c74.33 0.02 b72.93 0.53a83.73 0.41e80.42 0.44d79.12 0.07c77.20 0.52b85.60 0.85d79.36 0.50c75.86 0.05 a78.85 0.994H/(J/g)11.05 1.32b11.13 1.32b6.18 0.31aTc/H/(J/g)7.57 0.024.68 0.15a3.76 0.35 bc4.95 0.87cd4.12 0.38 bed4.23 0.31 bd2.76 0.6b3.92 0.05 hbed4.76 0.83 cd3.96 0.3 bed4.24 0.28 bed5.52 0.31d3.56 0.65 bc2.76 0.66b2.88 1.89b2023年第36 卷第9 期样品恰值的变化与YS的添加量不相关，可能是因为混合物中淀粉之间颗粒大小和膨胀力的巨大差异，导致淀粉悬浮液加热过程中水分分布不均匀，混合物的行为与基于单个淀粉的行为所预期的不同。2.3流变特性2.3.1淀粉的动态流变特性G表示样品在形变过程中储存的能量,为弹性参数，G表示样品形变后恢复原样的能量为黏性参数,数值越大则体系弹性或黏性越大12-13。1400-YS100%-CS100%1200FYS80%CS20%-YS60%CS40%YS40%CS60%-YS20%CS80元100080060040020000200YS100%180-CS100%YS80%CS20%YS60%CS40%160YS40%CS60%YS20%CS80%140120ed/uD10080604020%20（b）山药-木薯复配淀粉的损耗模量1.2-YS100%-CS100%-YS80%CS20%1.0YS60%CS40%YS40%CS60%YS20%CS80%0.80.60.40.2%（c）山药-木薯复配淀粉的损耗因子图1山药木薯复配淀粉体系动态流变曲线粮食与油脂1400m1200F文YS40%SPS60%YS20%SPS80%100080060040020000-YS100%200SPS100%YS80%SPS20%180YS60%SPS40%YS40%SPS60%160YS20%SPS80%14012010080604012040角频率/（rad/s)（a）山药-木薯复配淀粉的储能模量804060角频率/(rad/s)2040角频率/(rad/s)45YS100%SPS100%YS80%SPS20%YS60%SPS40%2040角频率/（rad/s）（a）山药-红薯复配淀粉的储能模量6080608060801001201001201001201002000.6-YS100%-SPS100%0.5-YS80%SPS20%YS60%SPS40%-YS40%SPS60%-YS20%SPS80%0.4F0.30.20.10（c）山药-红薯复配淀粉的损耗因子图2 山山药-红薯复配淀粉体系动态流变曲线由图1 3可知：YS的G和G要远高于SPS和CS,且两者皆随着YS 配比的减少,G和G逐渐降低。角频率的变化对弹性模量的破坏要高于黏性模量。G在角频率低于10 0 rad/s时,G随着角频率的增加而升高,在角频率高于10 0 rad/s时，G趋于稳定14。随着角频率的增加,C一直处于升高状态。YS凝胶更趋于稳定的固态，随着YS配比的增加，tan8越低，表观黏度越强，样品的流动性越差。1202040角频率/(rad/s)（b）山药-红薯复配淀粉的损耗模量2040角频率/(rad/s)6060808010010012012046ed/60040020000（a）山药-木薯-红薯复配淀粉的储能模量YS100%+CS100%200+SPS100%+YS80%CS10%SPS10%180+YS60%CS20%SPS20%-YS40%CS30%SPS30%160-YS20%CS40%SPS40%14012010080604020（b）山药-木薯-红薯复配淀粉的损耗模量YS100%CS100%1.2SPS100%YS80%CS10%SPS10%YS60%CS20%SPS20%1.0YS40%CS30%SPS30%YS20%CS40%SPS40%0.80.60.40.200（c）山药-木薯-红薯复配淀粉的损耗因子图3山药木薯红薯复配淀粉体系动态流变曲线2.3.2淀粉的静态流变特性由图4可知：所有样品的表观黏度随着剪切速率的增高呈先增高后不断降低的趋势，表现出剪切稀化行为。这是假塑性流体（非牛顿流体）的典型特性15。剪切稀化是指在流体力学作用下，由剪切引起的分子变形中的大分子发生变形和旋转的现象。在复配体系中，线性大分子链相互缠绕，使得粮食与油脂YS100%+CS100%1400rSPS100%+YS80%CS10%SPS10%-YS60%CS20%SPS20%-YS40%CS30%SPS30%1200YS20%CS40%SPS40%10008002023年第36 卷第9 期复配体系的流动变得困难。当复配体系受到剪切时,分子结构变直，发生向异性，分子间纠缠点减少,流动阻力减小,表观黏度降低16 。30000元-YS100%-SPS100%25000-YS80%SPS20%YS60%SPS40%YS40%SPS60%20000YS20%SPS80%d/鞋15 00042040角频率/（rad/s)12040角频率/（rad/s)2040角频率/(rad/s)608060806080100100100120120120100005.0003000025000YS40%CS60%20000-YS20%CS80%15 00010000500030000元+YS100%+CS100%25 000+SPS100%YS80%CS10%SPS10%￥Y S6 0%CS2 0%SPS2 0%YS40%CS30%SPS30%20000+YS20%CS40%SPS40%15000100005000000.1（c）山药-木薯-红薯淀粉图4不同复配淀粉体系静态流变曲线综上所述，动态流变特性表明，不同淀粉的不同配比能影响淀粉糊的弹性模量和黏性模量。随着YS配比增加，淀粉的动态模量增加；静态流变分析表明，YS配比量能影响淀粉糊的静态流变特性，3种淀粉配比中,剪切速率在0 0.1s-1范围内，YS0.1-YS100%-SPS100%-YS80%CS20%YS60%CS40%0.10.2剪切速率/s（b）山药-红薯淀粉0.20.3剪切速率/s0.2 0.30.40.5剪切速率/s（a）山药-木薯淀粉0.30.40.50.60.40.50.60.60.70.70.72023年第36 卷第9 期配比增加使淀粉糊的流体指数减小，黏度增大，流动性越差。3结论通过以YS、C S和SPS3种根茎类淀粉不同复配体系的混合淀粉为研究对象,利用RVA、D SC 和流变仪对淀粉样品的糊化、热力学特性和流变学特性进行研究。结果表明：与其他复配淀粉相比，山药-红薯复配淀粉糊的峰值黏度相对更高，而复配体系中含有CS的淀粉糊的崩解值较小,热稳定性较好；YS峰值糊化温度、终止糊化温度和糊化热烩值最高，且随复配体系改变并无规律性变化；各复配体系淀粉糊均为假塑性流体，表现出剪切稀化特性；3种淀粉配比中,剪切速率在0 0.1s-范围内,随着YS配比的增加，复配体系淀粉糊的黏度增大,流动性越差。本研究为YS制品的应用和生产提供理论依据。参考文献 1 LI Z,WEI C X.Morphology,structure,properties andapplications of starch ghost:A reviewJ.InternationalJournal of Biological Macromolecules,2020,163:2084-2096.2 CHEN B,ZHANG B,LI M N,et al.Effects of glutenin andgliadin modified by protein-glutaminase on pasting,rheologi-cal properties and microstructure of potato starch J.FoodChemistry,2018,253:148-155.3 KAUR S,KAUR A,SINGH N,et al.Effect of shearingon functional properties of starches isolated from Indiankidney beans J.Starch,2013,65(9/10):808-813.4 YU S F,ZHANG Y C,GE Y,et al.Effects of ultrasoundprocessing on the thermal and retrogradation properties ofnonwaxy rice starch J.Journal of Food Process Engi-neering,2013,36(6):793-802.5 WANG S J,LI C,COPELAND L,et al.Starch retrogra-dation:A comprehensive review J.Comprehensive Re-粮食与油脂views in Food Science and Food Safety,2015,14(5):568-585.6 FENG Y Y,MU T H,ZHANG M,et al.Effects of differ-ent polysaccharides and proteins on dough rheologicalproperties,texture,structure and in vitro starch digestibil-ity of wet sweet potato vermicelli J.International Journalof Biological Macromolecules,2020,148:1-10.【7 易拓，黄娟，雷雅杰，等木薯食品研究进展J美食研究，2 0 19,36(2)：2 3-2 7.8 SHARMA S,SINGH N,SINGH B.Effect of extrusion onmorphology,structural,functional properties and in vitro di-gestibility of corn,field pea and kidney bean starches J.Starch,2015,67(9/10):721-728.9 SOLAESA A G,VILLANUEVA M,MUNOZ J M,et al.Dry-heat treatment vs.heat-moisture treatment assisted bymicrowave radiation:Techno-functional and rheologicalmodifications of rice flour J.LWT-Food Science andTechnology,2021,141:110851.【10 李彬山药淀粉品质特性的研究与应用D，天津：天津科技大学，2 0 15.11孟祥艳淀粉老化机理及影响因素的研究J食品工程,2 0 0 7(2):6 0 -6 3.12】王颖，罗志刚，罗发兴瓜尔胶对木薯淀粉糊流变特性的影响J食品与发酵工业，2 0 10，36(10)：39-41.【13陈洁，郭泽镔，刘贵珍，等超声波处理木薯淀粉对其流变特性的影响J福建农林大学学报（自然科学版),2 0 13,42(1):8 6 -9 2.14】王艳，王宏伟，王凯旭，等湿热处理对大米淀粉流变特性的影响J食品工业科技，2 0 2 1，42(3)：48-52.15 CHEN L,TONG Q,REN F,et al.Pasting and rheologi-cal properties of rice starch as affected by pullulan J.International Journal of Biological Macromolecules,2014,66:325 331.16 CHO M L,CHOI W S,YOU S G.Steady and dynamicshear rheology of fucoidan-buckwheat starch mixtures J.Starch,2009,61(5):282-290.47