陳瑾　趙陽(yáng)　李欣然　張婷婷　閆溢哲　冀曉龍

摘要：文章以不同濃度的低聚半乳糖與豌豆淀粉進(jìn)行復(fù)配，制備低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系，研究復(fù)配體系的糊化及熱力學(xué)等理化特性，并分析低聚半乳糖與豌豆淀粉間的相互作用。結(jié)果表明，低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的黏度、崩解值、回生值顯著增加。熱力學(xué)特性結(jié)果表明，與純豌豆淀粉相比，復(fù)配體系的起始溫度、峰值溫度、終止溫度顯著增加，熱焓值降低，表明添加低聚半乳糖使得體系具有較好的穩(wěn)定性，且隨著多糖濃度的增加，效果更加顯著。通過(guò)復(fù)配體系的傅里葉紅外光譜分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加了不同濃度低聚半乳糖的復(fù)配體系并沒(méi)有形成新的共價(jià)鍵。X-射線衍射實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果顯示低聚半乳糖的添加使得復(fù)配體系在17°處的衍射峰強(qiáng)度更大。該研究旨在為推動(dòng)豌豆淀粉基食品的廣泛應(yīng)用與發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：豌豆淀粉；低聚半乳糖；糊化；糊化焓；熱力學(xué)特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TS235.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-9973（2023）06-0087-05

Abstract： In this paper， different concentrations of galactoologosaccharides and pea starch are mixed to prepare the compound system of galactoologosaccharides-pea starch， the physicochemical characteristics such as gelatinization and thermodynamics of the compound system are studied， and the interaction between galactoologosaccharides and pea starch is analyzed.The results show that the viscosity， disintegration value and retrogradation value of the galactoologosaccharides-pea starch compound system significantly increase. The results of thermodynamic characteristics show that compared with pure pea starch， the initial temperature， peak temperature and termination temperature of the compound system increase significantly， while the enthalpy value decreases， indicating that the addition of galactoologosaccharides makes the system have better stability， and the effect is more significant with the increase of polysaccharide concentration.Through Fourier transform infrared spectroscopy （FT-IR） analysis experiment of the compound system， it is found that no new covalent bond is formed in the compound system with different concentrations of galactooligosaccharides. The analysis results of X-ray diffraction experiment show that the addition of galactoologosaccharides makes the diffraction peak intensity of the compound system at 17° greater. The aim of this study is to provide references for promoting the wide application and development of pea starch-based foods.

Key words： pea starch; galactoologosaccharides; gelatinization; gelatinization enthalpy; thermodynamic characteristics

收稿日期：2022-12-20

基金項(xiàng)目：河南省青年科學(xué)基金項(xiàng)目（212300410297）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（21A550014）；鄭州輕工業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2020BSJJ015）；鄭州輕工業(yè)大學(xué)星空眾創(chuàng)空間項(xiàng)目（2021ZCKJ205）

作者簡(jiǎn)介：陳瑾（2000—），女，碩士研究生，研究方向：植物多糖與淀粉互作。

*通信作者：冀曉龍（1989—），男，講師，博士，研究方向：植物多糖與淀粉互作。

豌豆為世界上最重要的豆科植物之一，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，豌豆的主要成分是淀粉和蛋白質(zhì)。豌豆淀粉中的直鏈淀粉含量比谷物淀粉高，具有熱黏度高、凝膠透明度及強(qiáng)度高等特點(diǎn)[1]。豌豆淀粉有廣泛的應(yīng)用范圍，主要用于粉皮、食品加工業(yè)、化工、制藥等方面[2-3]。但是豌豆淀粉的理化性質(zhì)并不穩(wěn)定，其較高的直鏈淀粉含量導(dǎo)致其易老化，糊化后易回生。通過(guò)添加多糖形成豌豆淀粉復(fù)配體系，可以很好地改善淀粉的理化性質(zhì)[4]。

低聚半乳糖（GOS）是一種天然的功能性寡糖，在自然界動(dòng)物的乳汁中含有少量的GOS，但在人類(lèi)母乳中有較高的含量，是嬰兒生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的營(yíng)養(yǎng)成分。低聚半乳糖屬于益生元的一類(lèi)功能因子，對(duì)雙歧桿菌、乳酸桿菌有一定的促進(jìn)作用[5-6]，可以有效地保持腸道菌群平衡，提高機(jī)體的免疫力，有利于人體健康[7]。此外，人們廣泛認(rèn)可低聚半乳糖的安全性，例如日本將低聚半乳糖列為一種特殊的保健食品（FPSHU），美國(guó)認(rèn)為它是一種被廣泛接受的安全用途物質(zhì)（GRAS）[8]。補(bǔ)充GOS還能抑制腸道中有害微生物的滋生，提高人體免疫力，調(diào)節(jié)血脂和膽固醇代謝，降血壓等[9-12]。

豌豆淀粉在食品行業(yè)中的應(yīng)用受限于其理化性質(zhì)，而低聚半乳糖特殊的生理功能可有效改善豌豆淀粉的特性。因此，本研究將低聚半乳糖與豌豆淀粉進(jìn)行復(fù)配，重點(diǎn)探究不同濃度的低聚半乳糖對(duì)豌豆淀粉理化性質(zhì)的影響，以期推動(dòng)淀粉基功能性食品的發(fā)展，為豌豆淀粉在食品行業(yè)中的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與設(shè)備

1.1 材料與試劑

豌豆淀粉、低聚半乳糖：購(gòu)于河南恩苗食品有限公司；溴化鉀：購(gòu)于天津科密歐化學(xué)試劑有限公司，市售分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

RVA4500型快速黏度分析儀 德國(guó)波通儀器有限公司；Vertex 70型傅里葉變換紅外光譜儀、D8 Advance型X-射線衍射儀 德國(guó)Bruker公司；DSC8000型差示掃描量熱儀 美國(guó)TA公司；DHR-1型質(zhì)構(gòu)儀 上海紐邁電子科技有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 豌豆淀粉水分含量的測(cè)定

豌豆淀粉中的水分含量參照國(guó)標(biāo)GB 5009.3—2016所提供的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 低聚半乳糖-豌豆淀粉懸浮液的制備

準(zhǔn)確稱(chēng)取0，2.5，50，125，250，1 250 mg（即0%、0.05%、0.2%、0.5%、1%、5%）的低聚半乳糖分散溶解在25 mL去離子水中。隨后向低聚半乳糖的水溶液中緩慢加入2 870 mg（10%）的豌豆淀粉，并攪拌15 min，得到懸浮樣品[13]。

1.3.3 低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系糊化特性的測(cè)定

選用快速黏度分析儀測(cè)得低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的糊化參數(shù)，具體步驟：取懸浮液25 mL至快速黏度分析儀專(zhuān)用小鋁盒中，然后選擇快速黏度分析儀標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行分析。過(guò)程：將試樣在50 ℃下保持1 min，然后將樣品的溫度升至95 ℃并保持2.5 min，隨后用恒定的速率將溫度降至50 ℃，保持2.5 min。

1.3.4 低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系熱力學(xué)的測(cè)定

使用差示掃描量熱儀測(cè)試不同濃度的低聚半乳糖對(duì)豌豆淀粉熱力學(xué)特性的影響。首先取5 μL不同濃度的低聚半乳糖水溶液和2.5 mg（干基）豌豆淀粉至小鋁盤(pán)中，用真空壓片機(jī)壓片，并于室溫下平衡12 h。最后使用差示掃描量熱儀將樣品小鋁盤(pán)從20 ℃加熱至120 ℃。密封的空盤(pán)作為空白參照，記錄試樣的起始溫度（T0）、峰值溫度（TP）、終止溫度（TC）和糊化焓（ΔH）。經(jīng)過(guò)糊化后的樣品在 4 ℃下放置7 d，使其老化。然后用差示掃描量熱儀對(duì)其進(jìn)行相同的檢測(cè)，并且記錄淀粉老化后的初始溫度（T0r）、峰值溫度（TPr）、終止溫度（TCr）和老化焓（ΔHr）。最后通過(guò)計(jì)算得到樣品的老化率（R）。

1.3.5 低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配凝膠質(zhì)構(gòu)的測(cè)定

使用質(zhì)構(gòu)分析儀來(lái)測(cè)定低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的質(zhì)構(gòu)特性。選用36R探針進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量的具體參數(shù)設(shè)置為：測(cè)前、測(cè)中、測(cè)后速度 2.0 mm/s，目標(biāo)模式為位移，位移距離為5.0 mm，時(shí)間為5 s，觸發(fā)力為5 g，觸發(fā)方式為自動(dòng)。

1.3.6 X-射線衍射測(cè)定

取1.3.3中制備的糊化樣品（0.5 g）進(jìn)行冷凍干燥，然后將冷凍干燥后的試樣研碎，過(guò)100目篩。使用X-射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的具體程序?yàn)椋簰呙鑵^(qū)域?yàn)?°～35°，掃描速度為4°/min，采樣步寬為0.02°，掃描模式設(shè)置為連續(xù)，重復(fù)次數(shù)為1次。

1.3.7 低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系傅里葉紅外光譜分析

使用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。取1.3.3中制備的糊化試樣，趁熱冷凍干燥，將冷凍干燥的樣品粉碎，過(guò)100目篩。將一定量的樣品與溴化鉀按1∶100稱(chēng)量，然后碾碎混勻。其檢測(cè)光譜在4 000～500 cm-1之間，分辨率為4 cm-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本次實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 26.0軟件程序進(jìn)行差異顯著性分析，P<0.05表示差異顯著。采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的糊化特性

由圖1可知，添加低聚半乳糖后，其復(fù)配體系的RVA糊化曲線明顯整體上移，黏度增加，且低聚半乳糖的濃度越高，RVA糊化曲線上移位置越高。隨著溫度的不斷上升，膨脹的程度加大。隨著低聚半乳糖濃度的增加，復(fù)配體系的糊化黏度逐漸增大。這主要是因?yàn)榈途郯肴樘堑奈?，奪取了豌豆淀粉糊化過(guò)程中需要的水分，因此低聚半乳糖濃度越高，低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的糊化黏度越大[14]。

由表1可知，低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的峰值黏度、崩解值、谷黏度和最終黏度都隨著低聚半乳糖濃度的增加而增加，均呈濃度依賴(lài)性。該現(xiàn)象可能與低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的兩相性質(zhì)有關(guān)[15]。一方面，淀粉粒子在糊化時(shí)的膨脹會(huì)使多糖的可用量減小，而在體系中存在的低聚半乳糖則會(huì)使其濃度升高，從而使復(fù)配體系的黏度增加。另一方面，低聚半乳糖的吸水率較高，在復(fù)配體系中，與豌豆淀粉和低聚半乳糖中的水分子發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，使溶脹的豌豆淀粉或直鏈淀粉分子的活性濃度也隨著水分子的減少而增大[16]。回生值越大，表明越容易老化，凝膠性越強(qiáng)[17]。崩解值可反映淀粉粒子的耐熱性和抗剪能力。其崩解值越大，豌豆淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越差[18]。在復(fù)配體系中低聚半乳糖的濃度增大，崩解值也越來(lái)越高，該體系的崩解值顯著增大。

2.2 低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的熱特性

低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的起始溫度（T0）從58.67 ℃增加到61.19 ℃，峰值溫度（TP）從65.26 ℃增加到67.65 ℃，終止溫度（Tc）從79.51 ℃增加到82.36 ℃。起始溫度、峰值溫度、終止溫度均隨著低聚半乳糖濃度的增加而遞增，這與淀粉的玻璃化轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。低聚半乳糖的存在，延遲了豌豆淀粉的糊化，其結(jié)果與快速黏度分析儀測(cè)得的結(jié)果相一致。同時(shí)復(fù)配體系的糊化焓（ΔH）隨著低聚半乳糖濃度的增加而減小，糊化焓從8.04 J/g降低到 6.07 J/g，此現(xiàn)象可能是由低聚半乳糖的吸水性造成的，它與豌豆淀粉競(jìng)爭(zhēng)吸收水分，從而使低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的糊化推遲或者糊化并不徹底[19]。

經(jīng)過(guò)糊化的淀粉再經(jīng)過(guò)低溫儲(chǔ)藏24 h，糊化淀粉會(huì)經(jīng)歷老化，即直鏈淀粉或支鏈淀粉通過(guò)氫鍵重新排列組合形成新的結(jié)晶區(qū)的過(guò)程。由表3可知，經(jīng)老化后的低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的起始溫度、峰值溫度、終止溫度以及老化焓的值都比糊化后的低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的值低，這主要是由于經(jīng)過(guò)老化后的豌豆淀粉中的晶體結(jié)構(gòu)更加松散。

老化率是復(fù)配體系中老化焓與糊化焓的比值。表3中老化率的數(shù)值變化規(guī)律呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，這說(shuō)明在復(fù)配體系中加入適量的低聚半乳糖能夠抑制豌豆淀粉的老化。這可能是因?yàn)閺?fù)配體系中適量低聚半乳糖的存在，使得豌豆淀粉通過(guò)水合作用與低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)合物或水之間形成了大量氫鍵，游離水含量下降，限制了淀粉鏈的活性，從而使豌豆淀粉的老化受到了抑制[20]。然而，當(dāng)體系中的低聚半乳糖含量逐漸增多時(shí)，其在復(fù)配體系中的作用可被看作為增塑劑，其效果相當(dāng)于在復(fù)配體系中添加一定量的水，這導(dǎo)致低聚半乳糖抑制淀粉老化的效果減弱，當(dāng)?shù)途郯肴樘堑奶砑恿孔銐蚨鄷r(shí)，低聚半乳糖會(huì)促進(jìn)淀粉的老化。

2.3 低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的質(zhì)構(gòu)特性

硬度是反映淀粉凝膠受到外力作用，分子間作用力的情況。硬度值指第一次穿沖樣品時(shí)的壓力峰值，硬度值不一定出現(xiàn)在刺入的最深處[21]。豌豆淀粉經(jīng)過(guò)糊化后，再經(jīng)過(guò)短暫的低溫保存，糊化后的樣品發(fā)生短期的老化回生，形成凝膠，該過(guò)程主要是豌豆淀粉中的直鏈淀粉分子間網(wǎng)格的形成。低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)見(jiàn)表4。

由表4可知，低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系中變化最明顯的是硬度，其硬度隨著低聚半乳糖濃度的增大而減小。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是低聚半乳糖的吸水性阻礙了復(fù)配體系的直鏈淀粉或支鏈淀粉形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其硬度逐漸降低。咀嚼性和膠著性都反映了咀嚼該凝膠所需要消耗的能量。復(fù)配體系中低聚半乳糖濃度對(duì)復(fù)配體系的咀嚼性和膠著性有影響，其影響的規(guī)律與硬度相同；以上的指標(biāo)為測(cè)評(píng)淀粉基食品的品質(zhì)提供了理論依據(jù)。

2.4 FT-IR

低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系在4 000～500 cm-1的FT-IR圖見(jiàn)圖2。

由圖2可知，以沒(méi)有添加低聚半乳糖的豌豆淀粉為基準(zhǔn)，添加了不同濃度低聚半乳糖復(fù)配體系的吸收峰并沒(méi)有增加，說(shuō)明在低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系中并沒(méi)有形成新的共價(jià)鍵。在未添加低聚半乳糖之前，在3 394 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰，當(dāng)添加了低聚半乳糖之后，吸收峰向3 409 cm-1移動(dòng)。樣品在3 401 cm-1附近吸收率很高，位于3 401 cm-1處的吸收峰是—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰。位于2 927 cm-1處的吸收峰是—CH2伸縮振動(dòng)吸收峰，在1 647 cm-1附近的吸收峰是CO伸縮振動(dòng)峰[22]。隨著低聚半乳糖濃度的增加，低聚半乳糖-豌豆淀粉復(fù)配體系的吸收峰又開(kāi)始逐漸向低波數(shù)方向移動(dòng)。表示隨著低聚半乳糖濃度的增加，多糖與淀粉間的相互作用增強(qiáng)，此現(xiàn)象是由于多糖與淀粉間發(fā)生了氫鍵的相互作用[23]。在1 647 cm-1處的吸收峰與樣品的水分含量有關(guān)，這與淀粉無(wú)定形區(qū)域結(jié)合水的O—H彎曲振動(dòng)相一致。在1 021 cm-1處的吸收峰與C—O鍵的伸縮有關(guān)。在929 cm-1 處的吸收峰與整個(gè)無(wú)水葡萄糖環(huán)的拉伸振動(dòng)有關(guān)[16]。

2.5 X-射線衍射分析

不同濃度低聚半乳糖復(fù)配體系的X-射線衍射圖譜見(jiàn)圖3。

由圖3可知，淀粉粒子包括結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)，結(jié)晶區(qū)的X衍射曲線顯示出尖峰的衍射特征，而無(wú)定形區(qū)則顯現(xiàn)出彌散的衍射特性[24-25]。經(jīng)過(guò)糊化的豌豆淀粉相較于未經(jīng)糊化的淀粉來(lái)說(shuō)，衍射峰變鈍。這可能是因?yàn)楹蟮耐愣沟矸劬w結(jié)構(gòu)被破壞。對(duì)比加入了低聚半乳糖的復(fù)配體系與未加入低聚半乳糖的復(fù)配體系，加入了低聚半乳糖的復(fù)配體系在17°處的衍射峰更突出，并且隨著低聚半乳糖濃度的增加，在17°處的衍射峰強(qiáng)度增加，這可能是因?yàn)樵诤^(guò)程中低聚半乳糖與浸出的直鏈淀粉發(fā)生了相互作用。

3 結(jié)論

低聚半乳糖的添加提高了復(fù)配體系的糊化黏度，并且隨著低聚半乳糖濃度的增加，豌豆淀粉的回生值、崩解值以及黏度開(kāi)始逐漸升高，呈現(xiàn)出較高的濃度依賴(lài)性。在淀粉糊化過(guò)程中，由于低聚半乳糖的吸水性，低聚半乳糖與豌豆淀粉同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)水分子，導(dǎo)致淀粉糊化不徹底；低聚半乳糖對(duì)于豌豆淀粉的短期老化具有抑制作用。低聚半乳糖的添加延遲了復(fù)配體系的糊化，降低了糊化焓。由傅里葉紅外光譜分析可知，在低聚半乳糖-豌豆淀粉的復(fù)配體系中低聚半乳糖和豌豆淀粉并沒(méi)有發(fā)生共價(jià)結(jié)合。X-射線衍射實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果顯示低聚半乳糖的添加使得復(fù)配體系在17°處的衍射峰強(qiáng)度更大。期望本研究結(jié)果能為豌豆淀粉基功能性食品的應(yīng)用與發(fā)展提供一定的理論參考。

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