添加物对大米凝胶微结构和理化性质的影响

袁 子 张宾佳 赵思明 牛 猛 贾才华 熊善柏 林亲录

(华中农业大学食品科学技术学院1，武汉 430070)

(中南林业科技大学稻谷及副产物深加工国家实验室2，长沙 410004)

大米凝胶是大米粉在有限水分下糊化形成的凝胶体，米饭、米粉是典型的大米凝胶食品［1］。大米凝胶在存放过程中，淀粉分子、蛋白质分子等高分子与水的结合能力下降导致体系中游离水增加，高分子网络收缩，分子链的刚性上升，大米凝胶的硬度上升，柔性和强度下降，造成大米凝胶的老化，从而使产品变硬，掉渣，影响其品质［2－3］。目前米制品抗老化的研究主要在加工工艺和添加物两个方面。在加工工艺上，发酵可使淀粉的分子结构发生改变，短期抗老化性能提高［4］。添加外源物也可以很好地抑制大米凝胶食品的老化。添加蔗糖酯可有效地延缓饺子皮在储藏过程中淀粉的老化［5］。添加0.01%的糖化酶可以增强米粉的抗断条能力，同时有一定的抗老化效果［6］。通过对不同的抗老化剂进行复配也可以显著提高米制品的抗老化能力，有研究表明添加瓜尔豆胶0.4%，硬脂酰乳酸钠0.22%，水溶性大豆多糖0.18%，β － 环糊精0.15%，能很好地延缓鲜湿面淀粉的回生［7］。

针对大米凝胶老化问题，以大米粉为原料，综合研究添加单甘酯、复合磷酸盐、TG酶、山梨醇后对大米凝胶的热特性、流变特性、晶体结构和微观结构的影响，初步探究添加物稳定大米凝胶的机理，为大米凝胶食品的抗老化提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

大米粉:由钟祥中杂籼稻品种加工而成;单甘酯(DG):广州食品添加剂有限公司;复合磷酸盐(偏磷酸钠55%，三聚磷酸钠29%，焦磷酸钠3%，磷酸氢二钠13%，Fa):湖北省兴发集团;转谷氨酰胺酶(TG酶):无锡泰兴酶制剂有限公司;山梨醇(SLC):广州利源化工有限公司。

1.2 主要仪器与设备

FD－1A－50型冷冻干燥机:北京博医康实验仪器有限公司;DW－86W100型超低温冰箱:海尔集团;722S型分光光度计:上海精密科学仪器有限公司;YW－D6型蒸饭柜:宇王厨房设备有限公司;204F1型差示扫描量热仪:德国 NETZSCH公司;AR－2000ex型动态流变仪:美国 TA公司;JSM－6390型扫描电镜:日本NTC公司;D8型X－衍射仪:德国布鲁克AXS有限公司。

1.3 方法

1.3.1 大米粉基本理化指标的测定

水分测定采用直接干燥法(GB 5009.3—2016);总淀粉测定采用酸水解法(GB 5009.9—2016);直链淀粉测定参照 GB/T 15683—2008;支链淀粉含量由总淀粉含量减去直链淀粉含量得到;总蛋白测定采用凯氏定氮法(GB 5009.5—2016);粗脂肪测定采用索氏抽提法(GB 5009.6—2016)。

1.3.2 大米凝胶的制作与储藏

利用文献［8］中的方法，按1∶1.2米水比调米浆，再经过蒸煮、静置得到大米凝胶，其中在调浆过程中加入添加物。然后放到4℃冰箱进行保存，备用。

1.3.3 大米浆热特性测定

按照1.3.1的方法调米浆，在4℃平衡12 h，取10 mg左右加入到铝盒中，密封。进行程序升温:30～100℃，升温速率为5℃/min。

1.3.4 大米凝胶形成特性测定

按1.3.1的方法调米浆，置于AR－2000流变仪测试平台，参数:平板:40 mm，测试模式:Oscillation，平衡时间:1 min，温度扫描:25～100℃，100～4℃，5℃/min;频率:1 Hz，应变:2%。

1.3.5 大米凝胶老化特性测定

按照1.3.1的方法调米浆，置于AR－2000流变仪测试平台，参数:平板:40 mm，测试模式:Oscillation，平衡时间:1 min，在4℃下进行时间扫描，频率:1 Hz，应变:2% 。

1.3.6 大米凝胶的微观形貌

将制作好的凝胶冷冻干燥，然后粉碎过100目筛，得到干燥的大米凝胶粉，贴在扫描电镜样品台上，喷金后观察。用扫描电子显微镜在15 kV工作电压下观察不同放大倍数下其微观结构。

1.3.7 大米凝胶X－射线衍射测定

测定条件:特征射线Cu靶，管压40 kV，电流50 mA，测定角度 2θ 为 10°～45°，扫描速度 15 °/min。根据衍射峰的强度，将所得衍射峰分解为结晶和非结晶的两部分，相对结晶度为结晶峰的面积与总面积的比值［9］。

1.4 数据分析与处理

所有实验重复3次，应用Microsoft Excel 2003、SAS8.0软件进行数据分析，采用Origin 8.0软件作图，采用LSD分析进行显著性检验(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 大米粉理化指标测定

大米粉的基本理化指标见表1。

表1 大米粉的基本理化指标/%

2.2 添加物对大米凝胶热特性的影响

单甘脂含量对大米凝胶热特性影响的DSC图谱见图1，其他添加物对大米凝胶影响的热特性参数见表2。由图1可知，随温度的升高，在55℃出现第一个峰，这是单甘酯的融化峰［10］。热流量在68℃开始上升，大米凝胶吸热，开始糊化，在72℃出现第二个峰，这是淀粉的糊化峰。单甘酯的添加增大了大米凝胶的糊化峰值温度Tp、糊化的热焓ΔH。这是由于单甘酯被吸附在淀粉表面，产生水不溶性物质，抑制了水分的移动和淀粉粒的膨胀，使淀粉的吸水溶胀能力降低，使糊化温度提高［11］。

图1 单甘酯含量对大米凝胶影响的DSC图谱

表2 添加物对大米凝胶影响的热特性参数

TG酶可以提高大米凝胶的糊化峰值温度Tp，并能够显著提高淀粉糊化所需要的热焓。因TG酶能催化蛋白质分子内及分子间的交联，形成致密的网络结构，包裹淀粉颗粒从而阻碍淀粉颗粒的膨胀和分子链的伸展，减少直链淀粉的渗出，导致淀粉的糊化温度和热焓值上升［12］。山梨醇可以降低大米凝胶的糊化峰值温度Tp、增加糊化的热焓。这与山梨醇含有较多的羟基基团，具有一定的保水作用，从而增加大米凝胶的持水性有关。复合磷酸盐可以提高淀粉糊化峰值温度Tp，但能够降低大米凝胶糊化的热焓ΔH。复合磷酸盐中的磷酸根离子具有很好的螯合作用，能使淀粉分子、蛋白质分子、脂质形成复合体，使淀粉颗粒在吸水膨胀困难，需要较高的温度下才能糊化［13］。

2.3 添加物对大米凝胶形成特性的影响

单甘酯对大米凝胶形成过程的影响图谱见图2(以2%单甘酯为例)，其他添加物对大米凝胶形成特性的流变特征参数见表3。在25～60℃的升温阶段，还没有达到淀粉的糊化温度，G'、G″有轻微的升高，体系的黏性和弹性增加。当温度达到60～75℃时，达到了淀粉的糊化温度，淀粉开始大量吸水膨胀，导致体系的黏性和弹性增加，储能模量G'、G″急剧升高，在75℃左右G'、G″达到最高值。75～100℃阶段，温度继续增加，淀粉颗粒吸收过量的水，强度下降导致破裂，凝胶体系的黏度和弹性下降，G'、G″迅速降低［14］。添加单甘酯后，提高了大米凝胶的ToG'、TG'max，降低其 TG″max、G'max和 G″max，随着添加量的增加，G'max和G″max逐渐降低，说明单甘酯可以增强凝胶加热过程中的稳定性。单甘酯能与直链淀粉形成复合物，阻碍分子链的舒展，使大米凝胶趋于稳定，添加量较少时对凝胶稳定性影响不显著［15］。

图2 2%单甘酯对大米凝胶形成特性的影响

表3 添加物对大米凝胶形成特性及短期老化的影响

添加TG酶、复合磷酸盐后，可以提高大米凝胶的 ToG'、TG'max和 TG″max，降低大米凝胶的 G'max和 G″max。随着TG酶添加量的增加，大米凝胶的ToG'有逐渐增大的趋势，G'max和G″max有降低的趋势。TG酶催化蛋白质形成的网络结构包裹在淀粉颗粒周围，使淀粉颗粒不易发生膨胀，直链淀粉不易溶出，故淀粉颗粒的破裂需要更高的温度。而随着复合磷酸盐添加量的增加，ToG'、TG'max和 TG″max有增加的趋势。添加山梨醇，可以提高大米凝胶的 ToG'、TG'max，添加0.5%以上的山梨醇可以提高其G'max，降低TG″max。随着添加量的增加，G'max呈上升的趋势，但对 ToG'、TG'max和 TG″max影响不大。山梨醇可以降低凝胶在高温下的稳定性，对降温过程中的稳定性有一定的影响。这可能与山梨糖醇有较好的保水性有关。

2.4 添加物对大米凝胶微观结构的影响

添加物对大米凝胶的微观结构(SEM)的影响见图3。由图3可知，新鲜的大米凝胶表面比较致密且光滑，内部形成的空洞比较均一，经低温储藏后，大米凝胶的表面变得粗糙，空洞不均一，有许多凸起，并且有许多片状小碎片，这可能是由于淀粉的重结晶引起的。加入添加物后，可以减少碎片的产生，使大米凝胶的表面变得光滑，减少空洞。添加复合磷酸盐、TG酶的大米凝胶经储藏后，凝胶空洞较少，较致密，这可能与复合磷酸盐的保水作用以及TG酶催化形成蛋白质网络结构有关，能够抑制淀粉分子的移动，减少储藏过程中的水分散失。

图3 添加物对大米凝胶微观结构的影响

2.5 添加物对大米凝胶老化的影响

淀粉的短期老化是直链淀粉重结晶的过程［16］。利用动态流变仪测定在4℃保温过程中，大米凝胶的G'值变化，从而反映出凝胶的硬度变化，间接反映凝胶的短期老化状况。

单甘脂含量对大米凝胶短期老化的影响见图4，其他添加物对大米凝胶的短期老化拟合结果见表3。四种添加物的G'值都经历了一个先下降后上升的过程。G'值降低可能是由于淀粉、蛋白质等高分子链充分伸展造成，是凝胶的稳定过程。G'值上升因直链淀粉分子链内与链间具有较强的聚合趋势，会通过氢键相互作用，形成双螺旋结构的晶体，使凝胶的硬度增加［17］。利用线性方程y=k x+b拟合大米凝胶在4℃保温过程中G'值上升过程的变化，k值可以反映G'值的变化速率，G'值的变化速率可以间接反映出大米凝胶的短期老化情况，G'值的变化速率越大，大米凝胶的短期老化速率越快，反之则老化速率慢。添加单甘酯、TG酶，能够显著降低大米凝胶在保温过程中G'值的变化速率，随着添加量的增加，k值有降低的趋势，单甘酯和TG酶具有很好的延缓凝胶短期老化效果，添加0.15%TG酶的大米凝胶G'值的变化速率最小，达到0.48。低添加量的山梨醇可以降低G'值的变化速率，对大米凝胶的短期老化有一定的抑制作用，但过高的添加，增加了G'值的变化速率，加速了大米凝胶的老化。添加0.1%的复合磷酸盐对大米凝胶的G'值变化速率影响不大，但添加量的增加可以显著降低k，抑制大米凝胶的短期老化。

图4 单甘酯含量对大米凝胶短期老化的影响(4℃保温)

2.6 添加物对大米凝胶晶体结构的影响

图5 为添加物对大米凝胶老化结晶影响的X－衍射图谱。大米凝胶储藏3 d后，淀粉的典型结晶峰消失，只在 2θ =17°、20°、22°存在较强的衍射峰，而15°、18°、23°的结晶峰消失或者发生迁移，并且峰的强度比较弱。加入添加物后，大米凝胶的22°结晶峰消失，晶型发生变化，半高宽降低。相对于对照组，加入添加物后均可以降低大米凝胶的相对结晶度，具有一定抗老化作用，单甘酯、TG酶、复合磷酸盐使大米凝胶的结晶度下降显著，添加1.5%、0.15%的单甘酯、0.4%的复合磷酸盐具有较好的抗老化效果。

图5 添加物对大米凝胶老化结晶的影响

表4 添加物对大米凝胶结晶参数的影响/%

3 结论

TG酶、复合磷酸盐、单甘酯能提高大米凝胶的Tp，而山梨醇降低其Tp。四种添加物均对大米凝胶形成特性产生影响，它们均提高了大米凝胶的ToG'、TG'max，其中添加TG酶后，大米凝胶的ΔH、ToG'、TG'max和 TG″max最高，G'max和 G″max最低。添加物的加入可使大米凝胶经储藏后，减少小碎片及空洞，使表面变得光滑。添加复合磷酸盐、TG酶的大米凝胶经储藏后，凝胶空洞较少，较致密。四种添加物在一定的含量范围内均能降低大米凝胶G'值的变化速率和结晶度，可抑制大米凝胶的老化。