淀粉在水介质中加热、冷却过程中,直链淀粉和支链淀粉在空间构象上重排,由糊状乳液转变为有序的凝胶结构,这一现象称为淀粉回生[1]。在传统凝胶食品的加工应用中淀粉回生是必不可少的处理工艺,例如粉丝、凉粉、鲜湿米粉等淀粉凝胶食品的生产过程中,适度回生显著改善了产品的结构和感官性能;淀粉回生过程中形成的抗性淀粉还具有增强主观饱腹感、调节血糖血脂代谢、改善肠道菌群多样性等多种功能[2]。但在贮藏期间,大多数淀粉凝胶食品又会因过度回生发生失水干燥、质地硬化、风味丧失等劣变,严重影响其食用与感官品质,限制产业发展[3]。鉴于此,如何合理利用淀粉回生、调控回生程度,对淀粉凝胶食品加工和食用品质改良均具有重要意义。
近年来,国内外研究者聚焦于明晰淀粉回生行为规律及潜在机理,运用多种现代检测技术对其回生程度及品质变化原因进行了系统的研究分析,进而通过常见的、经济的技术手段调控淀粉凝胶食品品质,从而提高经济效益,拓展产品市场空间。本文基于淀粉凝胶形成机理与淀粉回生机制,从回生行为对淀粉凝胶理化特征、微观结构、消化性能及食用品质4个方面的影响规律,对近年来国内外的相关研究进行综述,以期为淀粉回生程度的选择与控制、我国传统凝胶食品食用及功能品质提升等提供参考。
1 淀粉凝胶食品概述及机理研究
1.1 淀粉凝胶食品概述
淀粉凝胶食品是一类以禾谷类、薯类、豆类等淀粉为主要原料,在水介质中经热处理糊化、冷却回生后形成的具备独特的弹性和强度以及良好食用品质的凝胶体,是一种介于液态及固态间特殊存在形式的食品[4]。在我国传统饮食文化中占据重要地位,早在古典文集中就有其加工制作的相关记载,《本草纲目》云:“豌豆,磨而为面,澄滤取粉,可以作饵顿糕,荡皮搓索,为食中要物”,又有《齐民要术》引“《食次》曰‘粲’,用秫稻米,绢罗之。水蜜中半,以和米屑。作竹杓容一升许,其下节概作孔。竹杓中下沥五升铛里,膏脂煮之熟。”
随着国内外对淀粉凝胶研究不断深入,又衍生出更多新兴淀粉凝胶食品,例如,通过调控回生工艺提高抗性淀粉含量,制得具有益生价值、食用品质俱佳的低血糖生成指数(glycemic Index,GI)粉丝、凉粉[5];将淀粉代替传统胶凝剂,制作新式软糖和布丁[6-7]等,其生产和应用依然依赖于淀粉凝胶化和冷却诱导的回生反应。
1.2 淀粉凝胶形成机理
淀粉凝胶形成的本质是淀粉微观结构由凝胶化后的无序分散状态转变为有序聚集状态的热力学平衡过程[8]。淀粉是由直链淀粉和支链淀粉组成的半晶体聚合物,糊化过程中高温和水使淀粉颗粒膨胀,破坏淀粉颗粒的无定型区和结晶区,直链淀粉从淀粉粒中渗析出来,与水分子以氢键结合形成高黏度松散的胶体,完成有序结晶态到无序非结晶态的不可逆转化,此过程称为淀粉的凝胶化[1](图1)。之后在降温冷却过程中直链分子间不断以双螺旋形式互相缠绕,被破坏的淀粉分子间氢键重新结合,淀粉分子趋向于平行排列,形成三维网络结构,最终与支链淀粉构成具有一定黏弹性和强度的非均相混合体系,即形成淀粉凝胶[9](图1)。
图1 淀粉凝胶形成及回生机制假想图
Fig.1 Hypothetical diagram of starch gel formation and retrogradation mechanism
1.3 淀粉回生机理
淀粉回生亦称老化,是一个在淀粉凝胶化后持续进行的过程。包括最开始数小时内直链淀粉有序聚合和结晶引起的快速而不可逆的短期回生,和之后几天甚至数月的漫长贮存中支链淀粉重结晶所引起的缓慢而热可逆的长期回生[8](图1)。直链淀粉的短期回生可为淀粉凝胶提供弹性和抗变形强度,决定了淀粉凝胶的初始硬度,以及淀粉类食品的黏性和消化率;而长期回生在整个淀粉回生过程中占主要作用,是导致淀粉体系品质变化的主要原因[10]。
Avrami模型进一步阐述了淀粉回生过程中,聚合物结晶随时间与温度变化的规律与机理,如公式(1)所示:
θ=1-exp(-ktn)
(1)
式中:θ为t时刻的结晶率,%;k为回生速度常数;n为Avrami指数。
当用Avrami模型解释淀粉回生时,θ表示回生程度,由公式(1)可以看出淀粉的回生程度随时间呈指数增加;Avrami指数n表示晶核类型和晶体生长的信息,大小取决于晶核成长过程中的维度和成核时间;回生速度常数k反应的是成核与晶体的成长速度,温度是k的最重要影响因素[11]。
除时间与温度外,淀粉回生程度通常还与淀粉本身、食品体系所处环境、食品体系组成成分、外源添加物等诸多内外因素密切相关,如图2所示。
图2 淀粉回生影响因素
Fig.2 Influencing factors of starch rejuvenation
2 淀粉回生对凝胶食品理化特性的影响
糊化后的淀粉在冷却及贮藏过程中的回生行为会造成机械性能以及热学特性等的改变,使淀粉凝胶在流变学特性、热力学性质、冻融稳定性、水分迁移等方面产生显著变化,极大程度地影响凝胶食品品质。
2.1 流变学特性
淀粉的流变学行为分为动态流变和静态流变。动态流变特性是通过动态流变仪研究淀粉糊弹性模量(G′)、黏性模量(G″)等指标的变化趋势,能够快速直观地反映淀粉糊的动态形变与回生程度。静态流变特性常用来反映淀粉糊在外力剪切作用下产生的形变,即剪切应力(τ),通常将其与幂律方程拟合来研究回生过程中样品结构的变化规律,如公式(2)所示:
τ=Kγn
(2)
式中:τ为剪切应力,Pa;K为稠度系数,表示流体的黏稠度,Pa·sn;γ为剪切速率,s-1;n为流动指数,表示偏离牛顿流体的程度。
回生行为对淀粉凝胶体系流变学特性的影响如表1所示。
表1 回生行为对淀粉凝胶体系流变学特性的影响
Table 1 Effect of retrogradation behavior on the rheological properties of starch gel system
流变特性淀粉凝胶体系来源处理条件主要影响参考文献动态籼米 4 ℃,贮藏0 h、3 h、6 h、12 h、1 d、3 d、5 d、7 d、14 d、21 d在淀粉糊回生过程中,凝胶的G'和G″均呈现出随贮藏时间的延长而增加的基本趋势,且增长速率受淀粉直支比和回生程度影响[15]栗子 分别置于5 ℃、25 ℃,冷却24 h淀粉凝胶在5 ℃下贮藏时相比25 ℃,G'更高且增长趋势更快,具有更强的弹性[16]玉米 4 ℃下冷却0～4 htanδ(G″与G'比值)在短期时间内随回生程度的加深而降低,凝胶体系表现出更多固体特性[17]静态稻米 4 ℃贮藏0～30 d随着贮藏时间不断延长,n有所上升但始终<1,表明淀粉凝胶体系刚性增加但依然具有假塑性[18]小麦面条水煮后25 ℃环境下贮藏0～60 d贮藏过程中,淀粉分子间相变导致淀粉糊刚性增大,使其在剪切速率一定时,τ随回生程度加深而增大[19]板栗 4 ℃,贮藏1 d和21 d回生过程中,淀粉凝胶体系中淀粉分子链的缠绕使流动阻力增加,表观黏度(η)随贮藏时间延长而加大,且短期回生(<24 h)较长期回生(1～21 d)增长速率更快[20]
2.2 热力学特征
回生淀粉的热力学特性指淀粉重结晶在加热熔融过程中,晶体相变温度与热焓等变化情况,一般采用差示扫描量热法(differential scanning calorimeter,DSC)进行分析。重熔回生淀粉需外加能量,在DSC曲线图谱中表现出向上的吸热峰,峰面积表示晶体熔融的热焓变值(ΔH),与熔融起始温度(To)、终止温度(Tc)、峰值温度(Tp)等参数共同反映淀粉回生的热特性。
表2汇总了国内外关于回生行为对淀粉凝胶体系热力学特性影响的相关研究。
表2 回生行为对淀粉凝胶体系热力学特性的影响
Table 2 Effect of retrogradation behavior on thermodynamic properties of starch gel system
淀粉凝胶体系来源处理条件主要影响参考文献水稻4 ℃下,贮藏1、3、5、7、14 d随贮藏时间延长ΔH由2.94 J/g上升至7.37 J/g[21]马铃薯酸碱浸泡分离完整马铃薯细胞,73 ℃水热处理30 min,4 ℃回生处理0～15 dTo、Tp随贮藏时间的延长而降低,Tc基本不受影响,ΔH与贮藏时间呈正相关,且短链双螺旋结构的熔融温度低于由长链形成的淀粉双螺旋[22]玉米4 ℃,贮藏1～21 d随着回生时间的延长,To、Tp、Tc逐渐降低,ΔH逐渐增加,表明淀粉回生程度增大,融化支链淀粉结晶所需能量逐渐增大[23]马铃薯红外烘焙(180 ℃,40 min)后,4 ℃和25 ℃分别恒温贮藏1～7 d和1～3 d随贮藏时间的延长,ΔH和回生度均不断增大,回生程度加深,4 ℃贮藏条件下淀粉回生速率显著高于25 ℃贮藏[24]红薯3、0、-3、-6、-9 ℃下贮藏24 h随温度降低,淀粉凝胶回生程度降低,同时降低了分子之间结合紧密程度,各温度下回声处理的红薯淀粉相较于原淀粉,To、Tp、Tc均升高,ΔH明显降低[25]燕麦-20、-40、-80 ℃分别冷冻贮藏7 d、28 d快速通过淀粉的最大回生温度区域(10～-2 ℃)可有效抑制淀粉重结晶过程,降低凝胶体系回生程度[26]
在回生作用的影响下,直链淀粉与支链淀粉的有序化程度不断加深,使淀粉凝胶重熔过程的ΔH呈现上升趋势,且前期直链淀粉较为活跃,上升幅度较大,后期增长减缓[21]。SHU等[22]研究结果也表明淀粉回生过程的热力学特性与淀粉链长密切相关,短链双螺旋结构的熔融温度低于由长链形成的淀粉双螺旋。淀粉重结晶融化的To、Tp、Tc在贮藏过程中不断降低,可能与淀粉重结晶结构的均匀度降低有关[23]。贮藏后淀粉回生的回生焓与原淀粉的糊化焓的比值可表示淀粉回生度,目前已有研究表明淀粉凝胶体系随贮藏时间的延长,ΔH和回生度均增大,体系回生程度与ΔH呈紧密正相关[24]。同时热力学特征参数变化与温度因素的相关性,为通过回生温度的调节影响淀粉凝胶回生程度和淀粉分子间结合紧密程度提供了理论依据[25]。
2.3 冻融稳定性
冻融稳定性是淀粉糊化后形成的凝胶对冻结和融化过程的耐冷热能力,能力较差的凝胶食品会因贮藏环境的温度波动发生水分流失、表皮开裂等劣变现象。淀粉凝胶的冻融特性被发现与其冻融过程的析水率呈密切负相关性,通常以析水率高低衡量冻融稳定性好坏[27]。
周虹先[28]研究了马铃薯淀粉凝胶在7 d的贮藏周期中冻融特性的变化,发现冻融稳定性受回生程度影响,回生越彻底,析水率越高,其淀粉制品的冻融稳定性越差。王欢等[29]在研究中也验证了此观点,糊化后的大米淀粉随着回生时间的延长,析水率逐渐增加,且增加程度逐渐减缓,最终达到平衡。
2.4 水分迁移
食品中的水分可分为紧密结合水、弱结合水和游离水。淀粉凝胶食品以水为主要基质加工生产,不可避免地涉及水分子的转化与迁移,影响食品品质。利用低场核磁共振技术(low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)测定水分的T2弛豫时间,可定性定量分析回生过程中水的迁移规律。3种状态水的弛豫时间分别标记为T21、T22、T23,反映水分流动性变化;对弛豫谱积分得到3个峰的峰面积,即A21、A22、A23,反映水分分布变化。
回生行为对淀粉凝胶体系水分迁移规律的主要影响如表3所示。回生程度加大使淀粉与水分子结合逐渐紧密,凝胶体系中水分的流动性减弱,表现为弛豫时间减小,且此过程可能与短期回生的直链淀粉局部有序行为紧密相关[30]。3种状态水处于相互转化的动态平衡体系,并通过游离水向外界环境的转移,促进胶凝化行为的发生[31-32]。食品中水分活度(Aw)变化也与淀粉回生造成的水分迁移有关,贮藏后期淀粉凝胶网络结构收缩,游离水析出,导致体系周围蒸汽压上升,Aw随之上升[33]。
表3 回生行为对淀粉凝胶体系水分迁移规律的影响
Table 3 Effect of retrogradation behavior on water migration law of starch gel system
淀粉凝胶体系来源处理条件主要影响参考文献水稻4 ℃,贮藏0 d、1 d、3 d、7 d,14 d、21 d所有样品的T21、T22、T23值均在贮藏周期内逐渐降低[34]小麦4 ℃,贮藏1 d、7 d,14 d、21 dT2值的下降主要发生在贮藏的前7 d,之后水分流动性的进一步变化不大[30]馒头密封条件下25 ℃贮藏45 dA21与A22不断相互转化,总和大致呈一恒定值,A23变化不明显[31]年糕25 ℃短期回生0～30 h整个胶凝化过程中,A21和A22不断减少,A23占比增加[35]玉米4 ℃短期回生0～10 h短期回生过程中,样品的T2值持续减小,水分流动性显著降低。[34]籼米、糯米4 ℃,贮藏0 h、3 h、6 h、12 h、1 d、7 d,14 d、21 d籼米淀粉凝胶体系Aw值随回生程度加深先下降后上升,糯米淀粉凝胶体系Aw值保持匀速下降状态[18]
3 淀粉回生对凝胶食品微观结构的影响
淀粉凝胶的微观结构主要包括微观形貌和晶体特征。在淀粉胶凝及后续回生过程中,时间、温度和水分的改变会使淀粉凝胶的微观结构产生较大差异,并与淀粉制品的回生程度和质构特性密切相关。
3.1 微观形貌
研究表明(表4),原淀粉的颗粒形状多样,但通常表面光滑,颗粒完整,形成凝胶后内部呈光滑完整的三维网络状结构且连接紧密;随着回生程度的加深,淀粉颗粒有序性变差,体积增大,无明显可观形状,形成的凝胶表面粗糙,网状结构混乱,出现塌陷和断裂,微观形貌发生了显著变化。主要机理可能与淀粉回生过程淀粉颗粒吸收水分、升温膨胀,冷却后颗粒表面凹陷或淀粉分子重结晶导致凝胶网络持水能力下降,水分向外界流失有关[36]。
表4 回生行为对淀粉凝胶体系微观形貌的影响
Table 4 Effect of retrogradation behavior on microscopic morphology of starch gel system
淀粉凝胶体系来源处理条件主要影响参考文献板栗4 ℃贮藏3 h、1 d、3 d、7 d、14 d原淀粉颗粒粒径相差较大,形状各异,但表面光滑,回生处理后的淀粉颗粒呈多角形,表面凹陷带有皱痕,体积增大,质地坚硬,以14 d最为明显[36]板栗4 ℃短期回生10 h板栗淀粉凝胶经短期回生形成了孔洞较少的片状结构[37]甘薯提取淀粉,糊化后贮藏1、4、10 d在糊化形成凝胶之后几天内的凝胶表面由光滑变为中空的网络结构[38]大米4 ℃,贮藏7 d凝胶体系中孔隙随回生程度增加呈现数量减少但空腔增大的趋势,孔洞数量与样品持水能力成正相关,但孔洞的大小可能与淀粉凝胶在贮藏过程中的水分流失有关[39]桄榔4 ℃,贮藏0、1、3、5、7 d随淀粉凝胶的回生,淀粉分子间由于聚合程度不断加深,致使凝胶网状结构的孔壁呈变厚趋势[40]马铃薯分别于25、3、0、-3、-6、-9、-18 ℃条件下回生24 h25 ℃回生缓慢,网络结构未完全形成;3 ℃,凝胶网络结构细小、均匀致密;0～-9 ℃,淀粉凝胶网状物逐渐增加,伴随着网状破坏现象;-18 ℃,淀粉糊难以回生,无三维网络结构形成,但淀粉糊中游离水形成冰晶,挤压破坏凝胶,微观结构呈碎片状[41]
3.2 晶体特征
测定淀粉凝胶结晶结构的方法主要是X射线衍射法(X-ray diffraction,XRD)。天然淀粉颗粒根据来源的不同呈现出不同的晶体结构(A、B、C、V),糊化后的淀粉样品结晶结构会消失,在放置过程中,淀粉由于回生又会产生自组装现象,形成新结晶(图3)。
a-A型淀粉晶体结构俯视图;b-B型淀粉晶体结构俯视图;c-C型淀粉晶体结构俯视图;d-V型淀粉晶体结构正视图;e-糊化、回生过程淀粉晶体结构转化示意图
图3 淀粉晶体结构及其糊化、回生过程转化示意图[42]
Fig.3 Schematic diagram of starch crystal structure and transformation during retrogradation
HIZUKURI[43]表示淀粉凝胶贮藏时,低温会导致B型晶体的形成,高温更有利于A型晶体的形成,且形成的晶体类型受贮藏温度的影响大于溶液浓度的影响。淀粉回生过程中除晶型转化还伴随着结晶度的改变,结晶度与淀粉回生程度呈一定正相关关系。陶雨辰[33]的研究结果显示,A型晶体的籼米淀粉经完全糊化处理后,衍射峰极其微弱,结晶度几乎为零;随着贮藏时间的延长,B型晶体特征衍射峰逐渐显露,淀粉的结晶度增大至13.63%。谢涛等[44]以锥栗淀粉为研究对象,发现在相同贮藏时间里,不同贮藏温度下样品的结晶度表现出极显著差异,以25 ℃最低,4 ℃最高。
4 淀粉回生对凝胶食品消化特性的影响
淀粉的消化速率和消化程度在调节餐后血糖浓度以及控制胰岛素水平上起着非常重要的作用。根据淀粉在人体内的消化特点,可将淀粉分为三类:快消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、慢消化性淀粉(slowly digestible starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch,RS)。
RS的产生和慢消化特性与短期回生中直链淀粉的局部有序行为紧密相关,而长期贮藏过程中淀粉分子的变化主要是由于支链淀粉的重结晶所引起,对消化性影响较小。王充等[45]研究结果显示在短期回生过程中(0～3 d),淀粉凝胶SDS和RS含量显著增加,RDS含量显著降低;随着贮藏时间的延长(5～10 d),SDS和RDS保持原来趋势,但RS含量几乎没有变化。姚月华等[46]在优化箭筈豌豆粉丝制备工艺的过程中得出,抗性淀粉含量随冷却时间(4 ℃,0～12 h)延长而增加,但增加速度逐渐降低,粉丝成品的GI为62.331,处于中等血糖指数范围(55≤GI≤70),且明显低于市面上其他粉丝产品。
回生温度能够通过影响结晶度使淀粉的体外消化率产生显著差异[47]。LI等[48]利用不同贮藏温度处理对熟化后大米淀粉消化率的研究中发现,在25 ℃环境下回生形成的淀粉重结晶,相比4 ℃和-18 ℃更稳定,结晶度更高,淀粉凝胶的体外消化率随贮藏温度的升高显著降低。
5 淀粉回生对凝胶食品食用品质的影响
主观评价和客观评价是淀粉凝胶食品食用品质评价的主要方法,感官评价是利用感官品尝评判食品的一种常用主观评价方法,客观评价是通过仪器设备,用具体数据反映品质优劣,通常以烹调特性和质构品质作为评价指标。当前国内外相关研究结果显示(表5),淀粉回生行为在一定程度上改良了淀粉凝胶体系的食用品质。
表5 回生行为对淀粉凝胶体系食用品质影响
Table 5 Effects of retrogradation behavior on edible quality of starch gel system
品质评价指标淀粉凝胶体系来源处理条件主要影响参考文献感官品质凉皮4 ℃,贮藏0、1、3、5、7 d随回生时间延长,感官评分呈现先升高后持续降低趋势[49]粉条5、10、15、20、25 ℃冷却50 min随回生温度升高,感官评分在小梯度内出现上升现象,在 10 ℃时达到最高值(87.50±1.91),而后呈现整体下降趋势[50]烹调特性鲜湿米粉3 ℃回生0～24 h冷却24 h内,蒸煮损失率和吸水率呈降低趋势,断条率先下降后逐步升高至趋于稳定[51]在-18、4、25 ℃分别贮藏4、24、48 h在-18～25 ℃的温度范围内,断条率先下降后升高[47]质构品质杂豆类4 ℃,贮藏0、1、3、5、7 d淀粉凝胶的硬度、剪切力、黏性、咀嚼度、胶着性不断增加,而凝胶的弹性、拉伸强度、延展性、回复性、凝聚性先增大后逐渐降低[52]马铃薯分别于25、3、0、-3、-6、-9、-18 ℃条件下回生24 h随温度降低,淀粉凝胶的硬度、弹性、咀嚼度、凝胶强度和延展性先增加后降低,剪切力与拉伸强度逐渐增大[41]
6 结论
本文基于淀粉凝胶形成及其回生机制,就淀粉回生行为引起的品质变化规律及潜在机理进行了系统的综述分析:
a)冷却和贮藏过程中淀粉回生程度的变化,影响着淀粉凝胶的力学形变、晶体相变、水分的转化与流失,使凝胶体系的流变学特性、热力学性质、冻融稳定性和水分迁移等理化性质呈现出可观测的变化趋势,与食品品质的改善密切关联。
b)良好的回生条件(时间、温度、含水量)使淀粉凝胶呈光滑完整的三维网络状结构且连接紧密,随回生程度的加深,淀粉有序性变差,持水能力减弱,凝胶结构出现塌陷和断裂,同时形成不太稳定的新晶型,且结晶度不断增加,微观形貌显著劣变。
c)回生淀粉的消化性与短期回生中直链淀粉的局部有序行为紧密相关,受支链淀粉重结晶影响较小,同时结晶度的增大能改变淀粉的抗酶解能力,使其体外消化率显著降低。
d)回生早期与适宜的回生温度通过直接改良淀粉凝胶的质构品质(如硬度、弹性、咀嚼度等)和烹调特性(如断条率、蒸煮损失等),间接影响主观上的感官评价,对淀粉凝胶食品的食用品质产生较大提升。
当前国内外相关研究多聚焦于淀粉回生的影响因素及改善方法,较少从宏观(如凝胶特性、消化及食用性),微观(凝胶、淀粉颗粒微观形态),相互作用方式(结晶结构及键合作用)等多个角度,探究淀粉凝胶回生行为本身与食品品质演变相关性。此外,淀粉凝胶食品并不是单纯的淀粉体系,盐、蛋白质、脂类等各个成分之间复杂的相互作用均对淀粉回生和凝胶品质具有重要影响,其深层机理在历经多年研究后仍未明朗。未来开展这些方面的研究,可为更加精准的调控与应用淀粉回生提供理论依据,以改变历史上继承传统食品“知其然不知其所以然”的滞后状态,促进淀粉凝胶类食品产业的发展。
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