裴 斐，倪曉蕾，孫昕煬，杜逸飛，楊文建，方 勇，胡秋輝

（南京財經(jīng)大學食品科學與工程學院，江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點實驗室，江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023）

大米是世界上種植最廣泛，消費量最大的糧食作物之一，其主要成分淀粉占大米干質(zhì)量的90%以上[1]。隨著人們生活節(jié)奏的加快和消費水平的提高，消費者對米飯的口感、營養(yǎng)、方便性等方面提出了更高需求，因此便攜式方便米飯應運而生。目前，國內(nèi)市售方便米飯存在復水性差、易回生、口感差等一系列問題，而大米加工后淀粉快速回生是造成這些問題的根本原因。回生是糊化后的淀粉分子鏈通過氫鍵締合形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)趨于有序化形成晶體的過程，導致了米飯、飯團等淀粉基食品在加工和儲藏過程中變硬、干縮等問題，嚴重影響了米飯的口感和復水性[2]，是限制方便米飯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。因此，提升大米淀粉（rice starch，RS）抗回生性能對于方便米飯的品質(zhì)改善具有重要意義。

淀粉回生特性的改善可以通過化學修飾[3]，酶處理[4]和淀粉改良劑[5]等實現(xiàn)?；瘜W修飾（如氧化淀粉、乙?；矸鄣龋┖蛡鹘y(tǒng)淀粉改良劑[6]安全性較低，長期或過量食用易產(chǎn)生毒性和帶來食品安全問題[7]；酶處理容易產(chǎn)生各種水解產(chǎn)物，破壞產(chǎn)品原有的味道和營養(yǎng)價值[8]。目前，安全天然的淀粉回生控制技術(shù)一直是國內(nèi)外學者關注的熱點。其中，親水膠體是一類具有較好持水性、凝膠性、穩(wěn)定性、增稠性等特點的水溶性多糖或蛋白質(zhì)，它能與淀粉相互作用從而改變食品體系的流變特性和質(zhì)構(gòu)特性[9]。親水膠體已廣泛用于日常生活中以淀粉為原料的食品制備[10]，特別是以β-環(huán)糊精（β-cyclodextrin，β-CD）為代表的親水膠體對淀粉回生的延緩作用已經(jīng)被廣泛報道。Tian Yaoqi等[11]研究了β-CD對RS短期回生的影響，證明了β-CD與淀粉中的直鏈淀粉可通過范德華力、靜電力等非共價作用形成直鏈淀粉-β-CD復合物，降低了直鏈淀粉比例和RS的回生速率。田耀旗等[12]對β-CD抑制淀粉回生效果及抑制機理進行研究，證明了β-CD可與直鏈淀粉結(jié)合形成絡合物，延緩了直鏈淀粉有序結(jié)晶，抑制了淀粉的回生。然而，具有生物活性的功能性親水膠體對RS抗回生性方面關注較少。低聚果糖（fructo-oligosaccharide，F(xiàn)OS）是一種功能性低聚糖，具有低熱量、抗齲齒和改善腸道功能等功能活性，已用于以淀粉為主要成分的食品品質(zhì)的改善。Park等[13]發(fā)現(xiàn)，在冷凍面團中添加FOS提高了冷凍面團的烘焙質(zhì)量，增加了面包的水分含量，降低面包的硬度。Zeng Jie等[14]表明，通過FOS處理增加了小麥淀粉的溶脹率、淀粉凝膠的吸水指數(shù)和水溶性指數(shù)，并且能夠延緩小麥淀粉凝膠的回生。前期研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過FOS處理后的米飯能夠顯著改善米飯的蒸煮品質(zhì)、抗回生效果和消化特性，有效提升了米飯適口性[15]。因此，通過研究FOS對RS的黏度、析水率、動態(tài)流變特性、相對結(jié)晶度等關鍵回生特性指標的影響，明確FOS處理對RS延緩回生作用。然而，F(xiàn)OS改善RS抗回生能力需進一步研究。

本實驗以廣泛報道具有淀粉抗回生作用的β-CD為對照，利用快速黏度儀、動態(tài)流變學、質(zhì)構(gòu)儀、低場核磁共振、傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射光譜、掃描電鏡和激光共聚焦掃描顯微鏡分別分析FOS和β-CD對RS回生值、動態(tài)流變學、分子結(jié)構(gòu)、X射線衍射和微觀結(jié)構(gòu)的影響，明確FOS對RS回生特性的影響規(guī)律，從而為以淀粉為主要成分的快捷、營養(yǎng)方便食品的開發(fā)和品質(zhì)提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

RS（直鏈淀粉質(zhì)量分數(shù)為32.4%） 安徽順鑫晟源生物食品有限公司；β-CD 北京索萊寶科技有限公司；FOS 中國上海源業(yè)生物科技有限公司；三氯乙酸、氫氧化鈉、碘、碘化鉀、溴化鉀（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

RVA快速黏度分析儀 澳大利亞Newport Scientific儀器公司；FreeZone 12 L真空冷凍干燥機 美國Labconco公司；Spectra Max 190酶標儀 美國Molecular Devices公司；TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systems公司；MCR302旋轉(zhuǎn)流變儀 奧地利安東帕公司；TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker公司；MesoMR核磁共振成像分析儀 上海紐邁電子科技有限公司；TM3000掃描電鏡 日本Hitachi公司；SmartLab 9kw X射線衍射儀 日本理學公司；Leica TCS SP8激光共聚焦顯微鏡 德國徠卡公司。

1.3 方法

1.3.1 黏度測定

采用快速黏度分析儀制備樣品。根據(jù)前期對FOS添加量的研究[15]，將1.6% RS質(zhì)量的FOS和β-CD分別溶解于25 mL蒸餾水中，與3 g RS在鋁容器混合、攪拌，制成淀粉勻漿，進行糊化特性的測定。程序為在50 ℃保持1 min，然后升溫到95 ℃保持2 min后，冷卻到50 ℃保持2 min。實驗過程中，塑料葉片轉(zhuǎn)速始終保持在160 r/min。

1.3.2 析水率測定

將1.6% RS質(zhì)量的FOS和β-CD分別溶解于30 mL蒸餾水中，加入3 g RS，充分分散后加熱制成糊后，在4 ℃冷藏4 h。參考鄭明靜[16]的方法，分析不同處理RS樣品析水率，回生樣品經(jīng)過10 000 r/min離心15 min后，計算析水量占樣品總質(zhì)量的百分比。析水率按式（1）計算：

式中：M2為離心后析出的水分質(zhì)量/g；M1為離心前樣品的質(zhì)量/g。

1.3.3 滲漏直鏈淀粉量的測定

取1.3.2節(jié)中離心后一定質(zhì)量上清液，加入0.33 mol/L的NaOH溶液6 mL并在95 ℃加熱30 min。取加熱后的溶液0.1 mL，加入0.5%三氯乙酸溶液（5 mL）調(diào)節(jié)pH值為5.5左右，再用0.01 mol/L 的I2-KI溶液顯色（0.05 mL），避光靜置30 min，在波長620 nm處測定吸光度，用蒸餾水作對照。另取直鏈淀粉標準品作標準曲線，計算上清液中滲漏直鏈淀粉含量[17]。將上清液中的直鏈淀粉含量除以大米原淀粉質(zhì)量，計算出滲漏的直鏈淀粉濃度。

1.3.4 硬度測定

將黏度測定后在4 ℃冷藏4 h后得到回生樣品，采用質(zhì)構(gòu)儀分析其質(zhì)構(gòu)特性，具體條件：TPA模式、探頭P/50、測試前速率1.5 mm/s、測試中速率1.0 mm/s、測試后速率1.0 mm/s、壓縮比40%。測定樣品的硬度，實驗平行重復10 次。

1.3.5 動態(tài)流變學測定

將回生樣品加載至旋轉(zhuǎn)流變儀的帕爾貼板上，選用6 cm平板夾具進行實驗。待儀器參數(shù)基本穩(wěn)定后開始動態(tài)流變特性測試。實驗條件：在25 ℃、板間距500 μm以及應變掃描實驗所確定的應變值1%條件下，對樣品進行動態(tài)頻率掃描，測定頻率為0.1～10 Hz范圍內(nèi)儲能模量G’、損耗模量G”的變化。

1.3.6 紅外光譜測定

將回生樣品進行真空冷凍干燥后，研磨成粉末，然后與光譜純溴化鉀按質(zhì)量比1∶100混合，置于瑪瑙研缽中研磨約5 min，采用真空壓片機壓片。隨后，進行傅里葉紅外光譜儀掃描測定。測定參數(shù)：掃描波長范圍400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1。用OMNIC分析軟件對結(jié)果進行傅里葉自去卷積處理，分析淀粉的短程有序性。

1.3.7 低場核磁共振測定

采用低場核磁共振技術(shù)測定回生樣品自旋-自旋弛豫時間（spin-spin relaxation time，T2）圖譜。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列，在23 MHz和25 ℃條件下進行SIRT反演。采集參數(shù)如下：譜寬200.000 kHz，掃描次數(shù)8 次，共采集8 000 個回波進行分析。

1.3.8 掃描電鏡測定

將回生樣品進行真空冷凍干燥后，進行固定并噴金。用掃描電鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.9 X射線衍射測定

按照1.3.6節(jié)方法制備樣品粉末。X射線衍射測試參數(shù)：掃描角度范圍為5～40°，掃描速率為2°/min。采用MDI Jade V6.0軟件進行結(jié)晶度計算。

1.3.10 激光共聚焦掃描顯微鏡測定

用激光共聚焦顯微鏡觀察回生樣品的淀粉網(wǎng)絡分布。將2 種類型的熒光染料異硫氰酸熒光素（20 μL，2 mg/mL）和羅丹明B（20 μL，2 mg/mL）與回生樣品混合（500 μL）染色20 min，放在激光共聚焦掃描顯微鏡下觀察。掃描條件：激發(fā)波長543 nm熒光信號和488 nm的反射，以100 倍采集圖像。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 8.5軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖，SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 FOS處理對RS黏度的影響

利用快速黏度儀分析不同處理后RS在加熱和冷卻過程中黏度的變化。從圖1和表1可以看出，與RS相比，F(xiàn)OS-RS和β-CD-RS均顯著降低了峰值黏度、谷值黏度、終值黏度和回生值（P＜0.05）。在淀粉糊冷卻過程中，淀粉中的直鏈淀粉和支鏈淀粉分子間發(fā)生重結(jié)晶，與氫鍵形成較為穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)。淀粉糊冷卻期間黏度上升越快，越容易發(fā)生短期回生[18]。而回生值為RVA糊化曲線上終值黏度與谷值黏度的差值，回生值越高表明短期回生的程度越高，與冷卻過程中糊化淀粉分子特別是直鏈淀粉的再結(jié)合程度更加密切[19]。與RS相比，F(xiàn)OS-RS和β-CD-RS的峰值黏度、谷值黏度、終值黏度和回生值顯著降低說明經(jīng)過處理能夠顯著降低RS糊化后的回生程度。這是由于β-CD和FOS分子在淀粉周圍形成水合層限制了直鏈淀粉分子的重排，穩(wěn)定了短期儲藏過程中的產(chǎn)物，在一定程度上減少直鏈淀粉分子之間的相互作用[20-21]。

圖1 FOS處理對RS的黏度變化的影響Fig. 1 Effect of different treatments on viscosity change of rice starch

表1 FOS處理對RS的RVA參數(shù)的影響Table 1 Effects of different treatments on RVA parameters of rice starch cP

2.2 FOS處理對RS析水率、硬度和滲漏直鏈淀粉含量的影響

析水率是由于淀粉凝膠離心后脫水而釋放的水分量，是淀粉回生指標，能夠通過凝膠中水分的析出量反映體系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。淀粉短期回生發(fā)生的主要原因是直鏈淀粉分子之間的相互纏繞，纏繞的程度越強，形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)強度越強，會導致淀粉凝膠硬度增加[22]。如表2所示，與RS和β-CD-RS相比，F(xiàn)OS-RS顯著降低了析水率和硬度值（P＜0.05）。與RS相比，F(xiàn)OS-RS的析水率和硬度值分別降低了21.82%和16.26%。因此，F(xiàn)OS處理有利于提高RS的保水性能，降低硬度，減少淀粉回生程度。FOS較強的吸水性可能也減少了短期回生過程中大米直鏈淀粉結(jié)晶所需的水分，從而延緩RS回生程度[23]。

熱處理會引起淀粉溶液中直鏈淀粉的滲漏，滲漏出的直鏈淀粉聚集形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其在淀粉的凝膠形成和回生過程中發(fā)揮重要作用[24]。由表2可知，與RS和β-CD-RS相比，F(xiàn)OS-RS顯著降低了滲漏直鏈淀粉含量（P＜0.05）。與RS相比，F(xiàn)OS-RS的滲漏直鏈淀粉含量降低了17.25%。直鏈淀粉自身分子間的聚合受到干擾，導致RS回生程度降低。FOS與滲漏的直鏈淀粉分子之間的相互作用抑制了直鏈淀粉分子之間的結(jié)合，從而降低了RS的直鏈淀粉浸出[19,25]，延緩了RS的回生。因此，F(xiàn)OS在提高RS的保水性、穩(wěn)定性，降低硬度和抑制直鏈淀粉分子之間的結(jié)合等較β-CD更具優(yōu)勢。

表2 FOS處理對RS的析水率、硬度和滲漏直鏈淀粉含量的影響Table 2 Effect of different treatments on the syneresis rate,firmness and amylose leaching of rice starch gel

2.3 FOS處理對RS動態(tài)流變特性的影響

動態(tài)流變學可以測定不同樣品的黏彈性模量，從而判斷該流體的黏彈特性。其中，G’反映的是樣品的彈性性質(zhì)，即樣品表現(xiàn)出固體行為的能力大??；G”則表示樣品的黏性，反映樣品流體性質(zhì)。由圖2可知，在0.1～10 Hz范圍內(nèi)，所有回生樣品的G’值均比G”值大，且G’與G”無交叉，這些特征均表明不同處理后的回生樣品均為典型的弱凝膠體系。與RS和β-CD-RS相比，F(xiàn)OS-RS的G’顯著下降，表明FOS處理后RS體系的彈性減弱，這是由于FOS分子與淀粉分子相互交纏并黏附到淀粉顆粒的表面，進一步抑制了淀粉顆粒的吸水與膨脹，使浸出直鏈淀粉分子數(shù)量銳減，從而導致淀粉凝膠的G’降低[26]。同時，與RS相比，β-CD-RS和FOS-RS的G”降低，黏性降低，這一結(jié)果和RVA分析結(jié)果一致。這是由于FOS具有良好的親水性，會影響水分子和淀粉分子的水合作用，并且干擾淀粉分子內(nèi)部氫鍵的形成，在淀粉糊化過程中阻礙了淀粉顆粒的溶脹，降低了黏度。此外，β-CD-RS的G’和G”在任何頻率都低于RS，這表明FOS的存在干擾了直鏈淀粉鏈之間的結(jié)合[20]，進而能夠延緩RS的短期回生。

圖2 FOS處理對RS的G’（A）和G”（B）隨頻率變化的影響Fig. 2 Effects of different treatments on storage modulus G’ (A) and loss modulus G” (B) of rice starch as a function of frequency

2.4 FOS處理對RS分子結(jié)構(gòu)和水分分布的影響

利用紅外光譜和低場核磁共振分別測定不同處理后回生樣品的分子結(jié)構(gòu)和水分分布。由圖3可知，所有回生樣品的紅外譜圖在3 100～3 600 cm-1范圍內(nèi)有一個寬而強的吸收峰，這是多糖分子間的羥基伸縮振動吸收峰[27]。與RS相比，F(xiàn)OS的添加使表示氫鍵的羥基伸縮振動峰向低波數(shù)方向發(fā)生較大的位移，從3 444.72 cm-1降低到3 421.37 cm-1，表明FOS與RS分子間氫鍵作用得到增強[28]。而β-CD和FOS都含有大量的親水性基團——羥基，與RS分子間能夠存在氫鍵相互作用。因此，F(xiàn)OS與RS分子之間可能存在氫鍵作用力，阻礙了直鏈淀粉間氫鍵的形成[20]。與RS相比，β-CD-RS和FOS-RS沒有形成新的特征峰，只存在一些吸收峰的峰形、峰強度或譜帶頻率的變化，說明加入β-CD和FOS與RS之間沒有發(fā)生共價結(jié)合且并未形成新的基團[18]，表明與RS之間有較好的相容性。

圖3 FOS處理對RS紅外光譜的影響Fig. 3 Effect of different treatments on FTIR spectrum of rice starch

表3 FOS處理對RS的紅外1 047 cm－1/1 022 cm－1和弛豫峰面積的影響Table 3 Effects of different treatments on ratio between transmittance at 1 047 and 1 022 cm-1 in FTIR spectrum and relaxation peak area percentages in LF-NMR spectrum of rice starch

紅外光譜在800～1 200 cm-1范圍內(nèi)主要與C—C和C—O鍵的拉伸有關，反映了淀粉的短程有序結(jié)構(gòu)[29]。1 022 cm-1和1 047 cm-1分別表示淀粉顆粒中無定形和有序（結(jié)晶）區(qū)域的數(shù)量[30]，因而常用1 047 cm-1/1 022 cm-1的透光率比值表示晶體區(qū)域的有序度[31]，反映淀粉的結(jié)晶程度。對應的1 022 cm-1與1 047 cm-1比值見表3。與RS和β-CD-RS相比，F(xiàn)OS-RS顯著降低了比值（P＜0.05）。與RS相比，F(xiàn)OS-RS的比值降低了11.36%。由此可見，與β-CD相比，F(xiàn)OS能顯著降低RS體系的短程有序結(jié)構(gòu)，延緩淀粉回生程度。

由圖4可知，樣品的弛豫譜中都有3種不同遷移率的水分子，從左到右分別代表凝膠體系中的強結(jié)合水、弱結(jié)合水和自由水[32]。不同組的弛豫時間T2比較相似。一些研究表明，水膠體對晶體模式或螺旋形態(tài)沒有影響[33]。通過對弛豫譜的積分，可以計算出3個峰的峰面積。所對應峰面積占比代表不同類型水分的相對含量。強結(jié)合水、弱結(jié)合水和自由水的峰面積比例分別表示為A21、A22、A23（表3）。FOS-RS的強結(jié)合水分和弱結(jié)合水含量顯著高于RS和β-CD-RS（P＜0.05），且自由水成分含量降低。糊化后的淀粉隨著回生過程中淀粉鏈之間更易形成氫鍵，使水分子與淀粉鏈間形成的氫鍵斷裂，從而結(jié)合水被擠出，轉(zhuǎn)變成自由水[34]。而FOS的添加與暴露出來的淀粉分子鏈末端的自由羰基通過氫鍵相互作用，而缺乏電子的羰基被水分子附著并滲透到淀粉晶型結(jié)構(gòu)中，從而導致淀粉的雙螺旋重新排列[35]。隨著回生程度的增加，自由水的占比呈現(xiàn)增長趨勢。β-CD和FOS都具有多羥基結(jié)構(gòu)，而FOS的相對分子質(zhì)量小于β-CD，F(xiàn)OS比β-CD更容易滲透進淀粉顆粒內(nèi)部，更多的與暴露的淀粉分子鏈末端的自由羰基通過氫鍵相互作用，阻礙直鏈淀粉分子之間氫鍵的形成，干擾了直鏈淀粉自身分子間的聚合，減少了體系內(nèi)自由水的占比，進而減少淀粉凝膠的有序結(jié)構(gòu)，有效抑制了RS的短期回生[36]。

圖4 FOS處理對RS水分分布的影響Fig. 4 Effect of different treatments on moisture distribution of rice starch

2.5 FOS處理對RS X射線衍射的影響

天然RS具有典型的A晶型峰[22,37]，在15°、17°、17.9°和22.8°附近有4個特征衍射峰。糊化后RS的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，導致結(jié)晶峰消失。在低溫下糊化后的淀粉發(fā)生回生現(xiàn)象，回生程度增加，結(jié)晶度也隨之增加[38]。由圖5可知，在13°、17°和20°附近處出現(xiàn)了衍射峰，表明樣品發(fā)生了回生現(xiàn)象，從天然RS的A晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榛厣矸鄣湫偷腂晶型峰[39]。利用衍射圖計算各組的結(jié)晶度，結(jié)果表明，與RS和β-CD-RS相比，F(xiàn)OS-RS的相對結(jié)晶度顯著降低，主要原因是FOS顯著提高了淀粉體系的保水性、穩(wěn)定性，阻礙直鏈淀粉分子之間氫鍵的形成，干擾了直鏈淀粉自身分子間的聚合，進而減少淀粉凝膠的有序結(jié)構(gòu)，有效抑制了RS的短期回生，結(jié)晶度隨之降低[40]。

圖5 FOS處理對RS的X射線衍射和相對結(jié)晶度的影響Fig. 5 Effect of different treatments on X-ray diffraction pattern and relative crystallinity of rice starch

2.6 FOS處理對RS微觀結(jié)構(gòu)的影響

凍干淀粉樣品呈現(xiàn)出致密多孔的蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[41]。不同處理下回生RS樣品凍干后的微觀結(jié)構(gòu)如圖6A～C所示。與RS和β-CD-RS相比，F(xiàn)OS-RS的蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更致密，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙更均勻。通過激光共聚焦顯微鏡進一步研究FOS對RS回生后淀粉網(wǎng)絡分布的影響（圖6a～c），發(fā)現(xiàn)RS和β-CD-RS淀粉網(wǎng)絡較松散不均勻，而FOS-RS的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加均勻、緊密，與掃描電鏡結(jié)果一致。因此，經(jīng)過FOS處理能使RS體系結(jié)構(gòu)更加緊密，可以促進淀粉形成良好的凝膠結(jié)構(gòu)，并且有利于抑制RS的回生，這與Zeng Jie等[14]研究結(jié)果一致。

圖6 FOS處理對RS微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig. 6 Effect of different treatments on microstructure of rice starch

3 結(jié) 論

探究FOS對RS短期回生特性的影響。結(jié)果表明，與空白對照組（RS）相比，F(xiàn)OS處理能顯著降低RS糊化后的峰值黏度、終值黏度和回生值。此外，在短期冷藏后FOS-RS的析水率、硬度和滲漏直鏈淀粉含量顯著降低，有利于提高RS的保水性和穩(wěn)定性。同時，F(xiàn)OS-RS的儲能模量、水流動性，相對結(jié)晶度和紅外1 047 cm-1/1 022 cm-1比率顯著降低，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更加緊密，表現(xiàn)出較好的抗回生性。而與β-環(huán)糊精相比，F(xiàn)OS在延緩RS的回生方面更具優(yōu)勢，能夠有效阻礙直鏈淀粉分子之間的氫鍵的形成，減少了體系內(nèi)自由水的占比，進而減少淀粉凝膠的有序結(jié)構(gòu)，抑制了RS的短期回生。因此，F(xiàn)OS在延緩以RS為主要成分的方便食品回生方面具有較大潛力。從而為以淀粉為主要成分的快捷、營養(yǎng)方便食品的開發(fā)和品質(zhì)提升提供理論依據(jù)。