劉成梅 王日思 羅舜菁 丁月平 萬 婕 劉 飛

（南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室 南昌 330047）

淀粉的老化過程包括短期老化和長期老化。在淀粉老化的初始階段，主要發(fā)生的是直鏈淀粉分子鏈間的重排，直鏈淀粉因無分支結構，空間位阻小，在回生的短期過程中分子間更易于聚集，形成三維網狀結構，使得淀粉凝膠彈性增強[1]。而支鏈分子因有復雜的分支結構，空間位阻較大，其淀粉分子鏈間的相互聚集需要更長的時間，故在淀粉的長期老化過程中起主導作用。老化會引起淀粉基食品感官品質以及營養(yǎng)價值的降低，如米飯硬化，面包干裂，淀粉基食品水分析出，質構不均等。抑制淀粉的老化成為提高淀粉基食品質量，延長貨架期的關鍵。影響淀粉老化的因素很多，諸如淀粉組分中直鏈/支鏈比、水分含量、淀粉與其它物質的相互作用等[2-3]。淀粉的老化可通過多種途徑得到控制，包括生物技術改造，化學改性以及物理改性[4]等?？扇苄陨攀忱w維作為增稠劑及保水劑被廣泛用于各類食品，以改善食品在加工貯藏及銷售過程中的品質。研究表明，可溶性膳食纖維對淀粉的回生有較好的抑制作用。如陳龍等[4]發(fā)現(xiàn)普魯蘭多糖的加入可抑制大米淀粉（RS）的回生，在長期冷藏過程中可保持淀粉凝膠的結構完整性。Schwartz等[5]研究表明魔芋葡甘聚糖對淀粉糊化及老化性質均有顯著影響。雖然有文獻報道大豆可溶性膳食纖維對淀粉老化性質的影響[6]，但未見關于不同分子質量的大豆可溶性膳食纖維對淀粉老化性質影響的研究，分子質量被認為是多糖影響淀粉基食品品質的重要因素[7]?；谇捌趯Σ煌肿淤|量膳食纖維對淀粉糊化特性影響研究[8]，本文采用動態(tài)流變儀、X-衍射儀、紅外以及差示熱量掃描量熱儀、掃描電鏡等手段研究不同分子質量的SSDF對RS短期及長期老化的影響，為拓展可溶性膳食纖維在淀粉基食品體系中的應用提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要材料 大米淀粉（RS），美國Sigma公司；豆渣，農貿市場；大豆可溶性膳食纖維，鄭州荔諾生物科技有限公司。

1.1.2 主要儀器及設備 AR224CN分析天平，奧豪斯儀器有限公司；FreeZone冷凍干燥機，美國Labconco公司；Nicolet 5700紅外光譜分析儀，美國Thermo Nicolet公司；D5000 X-衍射儀器，德國西門子公司；MCR流變儀，奧地利Anton-Paar公司；DSC7000X差示熱量掃描儀，日本HITACHI公司；FEI Quanta200F環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 可溶性膳食纖維的制備 參照王日思等[8]方法制備可溶性膳食纖維。獲得兩種分子質量HSSDF（27.8 ku）和LSSDF（9.3 ku）大豆可溶性膳食纖維。

1.2.2 RS-LSSDF與RS-HSSDF復合體系的制備 參照王日思等[8]方法制備RS-LSSDF與RSHSSDF復合體系：將RS與LSSDF或HSSDF按質量比95∶5（g/g）進行混合。以不添加膳食纖維的原淀粉作為對照組。

1.2.3 樣品短期老化特性分析 參照Sun等[9]的方法，取3 g混合樣品，放入RVA專用鋁盒中，加入25 mL去離子水攪拌均勻，配成淀粉乳，采用RVA進行糊化。RVA程序設置如下：50℃保持1 min；經過3.75 min后升溫至95℃，保溫2.5 min，經過3.75 min降溫至50℃，之后保持1 min。

采用MCR流變儀的動態(tài)時間掃描程序測定樣品的短期老化特性。將得到的糊化樣品趁熱加至流變儀平板上。將板間距調整為1 mm，溢出來的樣品部分用塑料刮板刮除。用硅油密封防止試驗過程中水分蒸發(fā)。待儀器參數(shù)基本穩(wěn)定后開始動態(tài)流變特性測試。在4℃，板間距1 mm，應變2%，掃描頻率1 Hz條件下對樣品進行動態(tài)時間掃描，測定 0～4 h范圍內儲能模量G′和損耗角正切值tanδ的變化。

1.2.4 樣品長期老化特性分析 取1.2.3中RVA糊化的樣品冷卻至室溫，并放入4℃冰箱中冷藏1，7，14 d后將樣品進行冷凍干燥，凍干后的樣品分別用于DSC、XRD、紅外和掃描電鏡分析。

1.2.4.1 差式掃描量熱儀（DSC）分析方法 精密天平稱取2～3 mg混合樣品到PE液體坩堝中，按1∶2（g/g）的比例加入去離子水。樣品密封后在室溫下放置12 h平衡。然后在DSC上糊化。糊化條件：以空坩堝為參比，設置10℃/min的速度從20℃加熱到100℃，載氣為氮氣，流速20 mL/min。從DSC熱流曲線中確定老化淀粉樣品的起始糊化溫度（T0）、峰值溫度（TP）、終止溫度（TC）以及老化焓值（△Hr）。

1.2.4.2 X-射線衍射分析方法 XRD測試條件：采用Cu-Ka射線，管壓 40 kV，管流 40 mA，掃描區(qū)域 2θ=5°～40°，以 10°/min 速率掃描。 得到的圖譜計算它們的相對結晶度。計算方法參考Dragsdorf[10]的方法，即結晶區(qū)域占整個衍射區(qū)域的比率作為它的相對結晶度。

1.2.4.3 傅里葉轉換紅外光譜（FTIR）分析方法 將制得的樣品和KBr以質量比1∶100混合，壓片后，采用Nicolet 5700紅外光譜分析儀掃描其紅外光譜。用OMNIC 8.2版軟件扣除空氣背景，校準基線并去卷積；去卷積參數(shù)為半峰寬26，增強因子 2.4，去卷積范圍：1 200～800 cm-1；根據(jù)去卷積后的譜圖計算1 047，1 022 cm-1處的峰高比值用于老化淀粉的光譜分析[11-12]。

1.2.4.4 掃描電鏡（SEM）分析 取老化7 d后的凍干樣品，用離子濺射鍍膜儀將樣品鍍金，在Quanta-200的掃描電子顯微鏡中觀察顆粒形貌結構。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析 所有試驗均重復3次，采用SPSS 19.0中的方差分析（ANOVA）進行差異顯著性分析，以P<0.05表示有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 樣品短期老化特性

儲能模量G′的大小可反映物料彈性的大小?；厣跗?，G′值的快速升高主要是由于直鏈淀粉間的相互聚集。以氫鍵相互締結的直鏈淀粉分子共同形成淀粉凝膠網狀結構，使淀粉糊體系彈性模量不斷上升[2]。由圖1可知，RS的G′值隨時間延長不斷增加，表明在4℃下淀粉糊中的直鏈淀粉分子不斷地發(fā)生分子重排，凝膠彈性持續(xù)增大。此結果與Kim等[13]的報道結果相一致。SSDF的加入顯著降低了RS凝膠的G′值，尤以RS-HSSDF的G'值降低更為明顯。

在淀粉的短期老化中，tanδ值越大，淀粉體系黏性比例越大，直鏈淀粉三維網絡形成速率越緩慢，淀粉短期回生程度越低[14]。由圖2可知，所有樣品的tanδ值均隨時間的延長而減少，表明在4℃貯藏條件下所有淀粉糊的黏性均減少，體系內的直鏈淀粉發(fā)生不同程度的聚集。然而，與RS相比，添加SSDF的淀粉凝膠tanδ值均有所升高，且以RS-HSSDF復合體系tanδ值升高最為明顯。表明加入SSDF可增加淀粉凝膠體系的黏性，抑制RS的短期老化，這與Funami等[15]的結果相似，HSSDF的抑制效果更為明顯。SSDF抑制RS的短期老化的原因，可能是在淀粉糊化過程中，SSDF包裹在淀粉顆粒表面，有效抑制了直連淀粉顆粒的滲出[4]。同時，SSDF與淀粉顆粒競爭水分，抑制了淀粉顆粒的糊化，部分糊化的淀粉顆粒內部存在大量有序緊密的結構，有效限制了淀粉分子鏈的運動，進而抑制了淀粉的老化[4]。而HSSDF因其分子質量較大，一方面在淀粉糊化過程中限制了淀粉顆粒的糊化膨脹，使直鏈淀粉的滲出量降低[16]，另一方面也降低了直鏈淀粉在短期重排過程中利用水分子的能力，最終使得體系凝膠網絡程度的降低更為明顯[15]。

圖1 4℃貯藏4 h RS-SSDF的儲能模量G′隨時間的變化曲線Fig.1 Variation of storage modulus（G′）with time for RS and RS-SSDF blends during 4 h at 4℃

2.2 樣品長期老化特性

2.2.1 老化過程中的熱力學性質分析（DSC）在冷藏回生過程中，無序的淀粉分子重新聚集成有序的晶體結構，從而引起晶體熔融過程中△Hr的增加。因此，通過測定體系△Hr即可得知體系的老化程度。如表1所示，隨著老化時間延長，RS及RS-SSDF體系的△Hr不斷增加，表明體系支鏈淀粉老化程度不斷加劇。SSDF的加入可顯著降低大米淀粉的△Hr，但LSSDF與HSSDF對大米淀粉△Hr的影響未見顯著性差異。在淀粉的老化熱流曲線中，△Hr表征的是支鏈淀粉結晶區(qū)熔化所需的熱量[17]。SSDF對淀粉長期老化的影響可能由于淀粉與SSDF通過羥基形成氫鍵，干擾了支鏈淀粉分子鏈間的自聚集，從而降低了RS的重結晶能力，延緩了淀粉老化[18]。

圖2 4℃貯藏4 h內RS-SSDF的損耗正切角隨時間的變化曲線Fig.2 Variation of tanδ with time for RS and RS-SSDF blends during 4 h at 4℃

表1 RS與RS-SSDF復配樣品的回生熱力學參數(shù)Table1 Retrogradation enthalpy（△Hr）of RS and RS-SSDF blends

2.2.2 X-射線衍射結果分析 淀粉結晶程度越高，其X-射線衍射峰的峰高越高，峰型越窄，表明淀粉的老化程度越高[19]。因此，XRD技術可被用來進一步驗證SSDF對RS老化作用的影響。樣品回生7 d的XRD衍射圖譜如圖3所示。從圖3可知，RS在回生的過程中形成了典型的B型結晶峰特征，在2θ=17°出現(xiàn)衍射峰。此外，所有淀粉樣品在2θ=20°處亦有衍射峰出現(xiàn)，這是直鏈淀粉與脂質形成復合物的結晶而產生Vh型結晶所致[20]。

圖3 RS及RS-SSDF體系4℃貯藏7 d的X-射線衍射譜圖Fig.3 X-ray diffraction spectra of RS and RS-SSDF blends after 7 days of storage at 4℃

從表2可知，在14 d的貯藏過程中，RS的相對結晶度逐漸上升，在前7 d變化迅速，后7 d變化緩慢，F(xiàn)ama等[21]的結果與之相類似。RS-SSDF體系的相對結晶度也是隨著貯藏時間的延長而增加，而RS-SSDF組的相對結晶度始終比RS低，尤以添加HSSDF對相對結晶度影響最為顯著。與RS相比，在4℃條件下貯藏14 d的RS-LSSDF及RS-HSSDF的相對結晶度分別降低了15.9%及28.9%，說明可溶性膳食纖維可延緩淀粉老化[20]。

2.2.3 FTIR結果分析 RS及RS-SSDF體系4℃貯藏7 d的紅外光譜如圖3所示。紅外光譜中，1 047 cm-1處的吸收峰代表淀粉結晶區(qū)域，1 022 cm-1處的吸收峰代表非結晶區(qū)域[22]；峰高比值（1 047 cm-1/1 022 cm-1）與淀粉結晶度有關，比值越大，淀粉結晶度越大，老化程度也越大[23]。

由表3可知，在4℃貯藏過程中，隨著時間的延長，淀粉體系的A1047/A1022比值均逐漸上升。RS-SSDF復合體系的A1047/A1022比值顯著低于RS，添加HSSDF的效果更為明顯。其結果表明，添加SSDF可降低RS在老化過程中有序結構與無序結構數(shù)量的比值。與第7天相比，貯藏14 d RS的A1047/A1022比值增加了6.3%。而RS-LSSDF及RSHSSDF體系A1047/A1022的增長率僅為3.5%及2.1%，明顯低于RS。紅外光譜數(shù)據(jù)顯示SSDF可延緩RS的長期老化，尤以HSSDF對RS老化結晶度的降低更為明顯。此結果與XRD中所測得的相對結晶度的變化趨勢一致。

圖4 RS及RS-SSDF體系4℃貯藏7 d的紅外去卷積光譜Fig.4 FTIR spectra of RS and RS-SSDF blends after 7 days of storage at 4℃

表2 添加不同分子質量SSDF的RS相對結晶度Table2 Relative crystallinity of RS and RS-SSDF blends from XRD

表3 RS與RS-SSDF體系A1047/A1022比值分析Table3 A1047/A1022of RS and RS-SSDF blends

2.2.4 掃描電鏡結果 由圖5可知，RS在貯藏7 d后形成了致密的片狀結構（圖5a），這可能是由于淀粉分子脫水縮合導致淀粉間聚集狀致密結構的形成[24]。Karim等[25]及Wu等[26]指出淀粉貯藏過程中的脫水收縮作用可以反映淀粉的老化程度。與RS相比，當添加不同分子質量的SSDF后（圖5b、5c），復合體系淀粉凝膠空腔明顯變大，形成類似蜂窩狀的結構。這種結構的形成與凍干過程中水分的散失有關?？锥丛蕉?，表明樣品凍干前體系內部持水能力越強。說明可溶性大豆膳食纖維的加入可有效增加淀粉凝膠的持水力，從而抑制了RS的老化[26]。

圖5 RS及RS-SSDF體系4℃貯藏7 d的掃描電鏡圖Fig.5 The SEM images of RS and RS-SSDF blends after 7 days of storage at 4℃

3 結論

本文的研究結果顯示，兩種分子質量的SSDF（27.8 ku和9.3 ku）均可抑制RS的短期老化和長期老化，其中HSSDF對RS老化的抑制效果更為顯著。SSDF對RS老化的抑制可能是由于其較強的持水能力，通過與淀粉顆粒共同競爭水分，從而有效限制了淀粉分子鏈的運動。而HSSDF因其分子質量較大，一方面降低了淀粉分子重排過程中利用水的能力，一方面增加了淀粉老化過程中的空間位阻，從而抑制了淀粉鏈的自聚集，表現(xiàn)出較好的淀粉老化抑制能力。