糯米是我国主要的粮食作物,营养丰富,含有淀粉、蛋白质、脂肪和微量元素等多种营养物质,深受我国人民喜爱。糯米粉中含有丰富的支链淀粉,因其具有较高的黏度和软糯的质地,所以常用于汤圆、年糕的生产[1]。汤圆,起源于宋朝,是我国传统小吃,口感香甜软糯,回味无穷,也是我国元宵节所具有的特色食物,象征阖家团圆美满,所以深受消费者青睐。但是,汤圆从加工到销售会经历反复冻融,汤圆内部结构被破坏,而且糯米粉吸水能力弱且难以形成蛋白网络结构,汤圆组织结构松散,煮后易出现浑汤现象,汤圆口感也会被影响[2],这些现象均会影响汤圆的品质。因此,如何提升汤圆的品质备受关注。
当前常见的改进汤圆品质的方法主要有以下几个方面:改进糯米粉成分,LI等[3]研究发现蛋白质含量影响了糯米粉溶解度,糯米粉黏度随蛋白质含量降低而升高,汤圆煮后蒸煮损失降低弹性变差;改进加工条件,黄忠民等[4]研究发现液氮冻结、螺旋速冻冻结及低温冰箱冻结3种冻结方式均对汤圆的失水率、糊化特性、煮后汤汁透过率及感官品质存在显著影响,液氮冻结较好地改善了汤圆的品质特性;添加食品添加剂,张宁等[5]研究发现在糯米粉中加入木糖醇提升了糯米粉的糊化温度和黏度,降低了汤圆的失水率和煮后汤汁透过率。
γ-聚谷氨酸(γ-poly glutamic acid,γ-PGA)是微生物产生的谷氨酸分子聚合物,它溶于水、可生物降解,因此常用于食品、化妆品、废水处理、生物医学等领域[6]。在食品领域,γ-PGA常作为抗冻剂用于冷冻面团中,因为它可以限制面团中的水分在冻藏过程中的流动及状态转化,抑制冰晶的生长和重结晶的形成[7],提升冷冻面团的品质。GUAN等[8]研究发现添加γ-PGA的冷冻面团在冻融循环过程中可冻结水含量降低、水分迁移被限制、发酵性和黏弹性改善;刘芳等[9]研究发现添加γ-PGA提高了面条的保水性,面条拉伸力增加黏弹性降低,食用品质改善。γ-PGA用作冷冻保护剂的研究主要集中在小麦粉制品中,在糯米制品中的应用较少。本文将γ-PGA加入到糯米粉中,使用差示扫描量热仪、快速黏度分析仪测定γ-PGA对糯米粉热特性、糊化特性的影响,并使用不同量的γ-PGA和糯米粉制成汤圆,通过低场核磁共振仪、质构仪、扫描电镜测定γ-PGA对汤圆水分分布、煮后汤汁透过率、质构及汤圆冻干粉短程有序性、微观结构的影响,以期更全面地了解γ-PGA对糯米粉理化特性、速冻汤圆品质的影响规律,为γ-PGA改善糯米粉品质提供相应理论参考,为速冻汤圆品质的改善提供更多的选择。
1 材料和方法
1.1 材料与试剂
γ-聚谷氨酸,西安四季生物科技有限公司;糯米粉,江苏江南上一道科技股份有限公司。
1.2 仪器与设备
DSC-214型差示扫描量热仪,德国Netzsch公司;RVA-4500快速黏度分析仪,瑞典Perton仪器有限公司;TA-XT Plus型质构仪,英国Stable Micro System公司;TENSORⅡ型傅里叶变换红外光谱仪,德国Bruker Optics公司;JV2000型紫外可见分光光度计,上海尤尼柯仪器有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 糯米粉热力学特性测定
称取5 mg的糯米粉放入坩埚中,然后称取10 mg溶液(糯米粉质量分数的0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的γ-PGA和水配制成的溶液)于坩埚中。将制备好的样品在室温下平衡24 h,然后进行差式扫描量热测定。测试时以未加样品的空白坩埚为对照,温度程序为从20 ℃以10 ℃/min的升温速率加热至100 ℃。
1.3.2 糯米粉糊化特性的测定
称取3 g(水分校正后质量)的糯米粉于铝罐中,根据糯米粉水分含量加入所需溶液量(糯米粉质量分数的0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的γ-PGA和水配制成的溶液),将铝罐放在快速黏度计中,选择快速黏度仪中标准程序1进行测定。
1.3.3 速冻汤圆粉团的制备
首先,称取100 g糯米粉。之后,将糯米粉质量分数0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%的γ-PGA溶解到80 g水中,制备成均匀的γ-PGA溶液。然后,将γ-PGA溶液和糯米粉揉制成团,再分割、搓圆成8 g的汤圆粉团;最后,将汤圆置于-18 ℃冰箱中冻藏7 d。
为研究汤圆添加γ-PGA前后微观结构的变化,将储藏后的汤圆在真空冷冻干燥机中冻干,研磨后过200目筛制得冻干糯米粉,储存在PE袋中待进一步分析。
1.3.4 速冻汤圆微观结构的测定
使用扫描电子显微镜对速冻汤圆研磨后糯米粉的微观结构进行测定,放大倍数为2 000倍。
1.3.5 速冻汤圆傅里叶红外光谱的测定
采用傅里叶变换红外光谱仪对速冻汤圆研磨后糯米粉中淀粉的短程有序变化进行表征。参数设置如下:分辨率:4 cm-1,光谱扫描范围:400～4 000 cm-1,扫描64次,光谱由OMNIC进行反卷积,计算1 047/1 022 cm-1处的峰值强度之比[10]。
1.3.6 速冻汤水分分布测定
通过低场核磁共振仪测定汤圆中水分分布,将汤圆在室温下解冻后,称取3 g放入玻璃管中,使用CMPG序列采集横向弛豫时间,通过反演分析得到结合水(A21)、弱结合水(A22)和自由水(A23)所占比例。CMPG序列的参数设置如下:回波个数5 000,回波时间0.3 ms,累加次数16。
1.3.7 速冻汤圆煮后汤透过率测定
将汤圆放入500 mL沸水中煮5 min捞出,汤汁冷却至室温定容在500 mL容量瓶中,以蒸馏水为对照,在650 nm处测定汤汁透过率。
1.3.8 速冻汤圆煮后质构特性测定
取数个冷冻汤圆放入沸水中煮5 min捞出。然后将煮熟的汤圆冷却至室温,沥干水分后将汤圆放在质构仪载物台上,使用P50探头进行质构特性测定。参数设置如下:测前速度2 mm/s,测试速度和测后速度1 mm/s;压缩比例50%;感应力5.0 g。
1.4 数据处理与分析
所有指标重复测定3次,实验数据的处理与分析用SPSS 16.0中的ANOVA,结果以平均值±标准差表示,显著性差异为P<0.05,用Origin制图。
2 结果与分析
2.1 γ-PGA对糯米粉热力学特性的影响
不同γ-PGA添加量对糯米粉热力学特性的影响如表1所示,未添加γ-PGA时糯米粉的糊化焓值为6.93 J/g,峰值温度、起始温度、终止温度分别为69.10、62.10、75.90 ℃。随着γ-PGA添加量的增加,糯米粉的糊化焓值降低至6.20 J/g,糊化焓值的降低可能是由于在糊化过程中γ-PGA与淀粉颗粒竞争水导致淀粉颗粒可利用水的含量减少[11],阻碍了糯米淀粉颗粒内部的水分扩散,淀粉糊化不完全,所需能量减少;添加0.9%的γ-PGA时,糯米粉的糊化焓值升高原因可能是过量γ-PGA与糯米粉相互作用时,一部分γ-PGA随水渗透到糯米淀粉颗粒内的无定形区域,与其形成较稳定的复合物,糯米粉在糊化过程中需要更多的能量[5]。添加γ-PGA后糯米粉糊化的峰值温度增加至70.60 ℃,峰值温度的升高可能是由于γ-PGA本身糊化需要的温度较高,也可能是淀粉的活性基团与γ-PGA羧基结合形成氢键所致;γ-PGA的水合能力较强,水分子向淀粉颗粒无定形区域的转移受到限制,淀粉颗粒的膨胀以及糊化过程被抑制,也会导致体系糊化温度升高[12]。BEMILLER[13]的研究表明糊化与所用淀粉原料类型有关,不同的亲水胶体对某一类型淀粉原料的糊化也会产生不同的影响,某些亲水胶体对糊化温度和糊化焓值几乎没有影响。
表1 γ-PGA对糯米粉热力学特性的影响
Table 1 Effect of γ-PGA on thermodynamic characteristic of glutinous rice flour
γ-PGA添加量/%糊化焓值ΔH/(J/g)峰值温度Tp/℃起始温度To/℃终止温度Te/℃06.93±0.24a69.10±0.40c62.10±0.80ab75.90±0.30b0.16.78±0.13ab69.93±0.50b62.37±0.32ab76.73±0.15a0.36.57±0.19b69.87±0.06b61.93±0.25b76.20±0.30b0.56.51±0.16b69.87±0.35b62.47±0.64ab75.80±0.35b0.76.20±0.10c70.60±0.10a63.30±0.40a75.75±0.25b0.96.81±0.15ab70.30±0.40ab62.80±0.70ab76.80±0.20a
注：同列有不同字母上标者表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2 γ-PGA对糯米粉糊化特性的影响
糊化特性反映淀粉在加热过程中黏度的变化,并与淀粉类食品的蒸煮质量有关[14]。如表2所示,未添加γ-PGA时糯米粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度分别为2 533.33、1 384.67、1 665.00 mPa·s,γ-PGA的加入显著改变了混合体系的糊化特性(P<0.05),添加γ-PGA后糯米粉的黏度降低,糯米粉黏度的降低可能是因为γ-PGA和未糊化的淀粉分子之间存在对水的竞争,抑制了淀粉颗粒的吸水膨胀,淀粉颗粒间的摩擦减弱[15];糯米粉黏度降低到一定程度后开始增加,糯米粉的黏度增加可能是因为过量γ-PGA与淀粉分子间通过氢键发生相互作用,形成交联从而使混合体系的黏度增加。糯米粉的崩解值为1 148.67 mPa·s,随着γ-PGA添加量的增加,糯米粉的崩解值降低为915.33 mPa·s,崩解值与淀粉体系的稳定性相关,崩解值的降低可能是因为糊化时γ-PGA覆盖在淀粉颗粒周围,提高了淀粉的稳定性[16]。回生值的变化表明γ-PGA的添加对糯米粉的回生无显著性影响,玉米纤维胶加入到玉米淀粉中显示出相似的结果[17]。
表2 γ-PGA对糯米粉热力学特性的影响
Table 2 Effect of γ-PGA on thermodynamic characteristic of glutinous rice flour
γ-PGA添加量/%峰值黏度/(mPa·s)谷值黏度/(mPa·s)崩解值/(mPa·s)最终黏度/(mPa·s)回生值/(mPa·s)02 533.33±16.74a1 384.67±12.90ab1 148.67±11.72a1 665.00±11.14b280.33±2.08a0.12 465.67±30.44b1 397.67±10.69a1 068.00±21.66b1 680.00±10.82ab282.33±0.58a0.32 244.67±22.85e1 324.00±19.00c920.67±10.21c1630.00±4.58c306.00±18.03a0.52 244.33±5.51e1 329.00±19.00c915.33±13.61c1 621.67±14.57c292.67±4.51a0.72 289.00±16.64d1 362.67±16.26b926.33±22.94c1 657.00±9.85b294.33±6.51a0.92 326.00±20.78c1 400.33±20.50a925.67±21.08c1 702.67±20.79a302.33±18.01a
2.3 γ-PGA对冻干糯米粉微观结构的影响
不同γ-PGA添加量的冻干糯米粉微观结构如图1所示,在冻干糯米粉中淀粉颗粒为呈细小棱角的多面体。在未添加γ-PGA的冻干糯米粉中可以观察到淀粉颗粒表面有凹槽出现,并且还出现褶皱、破损现象,而在添加γ-PGA的冻干糯米粉中,随着γ-PGA添加量的增加,淀粉颗粒受损逐渐减轻,淀粉颗粒呈表面光滑紧凑的多面体。这是因为汤圆在冻藏过程中会形成冰晶,在未添加γ-PGA的汤圆中形成的冰晶尺寸较大,对淀粉颗粒造成损伤[18],导致淀粉颗粒出现明显破损,淀粉表面有较多的凹槽和裂纹;γ-PGA在汤圆冻藏过程中可以抑制冰晶的生长和重结晶现象,形成的冰晶尺寸小,淀粉颗粒受损情况变轻,表面较为光滑。
图1 γ-PGA对冻干糯米粉微观结构的影响
Fig.1 Effect of γ-PGA on the Microstructure of freeze-dried glutinous rice flour
图2 γ-PGA对汤圆汤汁透过率的影响
Fig.2 Effect of γ-PGA on transmittance of the soup of glutinous rice dumplings
2.4 γ-PGA对冻干糯米粉短程有序结构的影响
在傅里叶红外光谱中,1 047 cm-1和1 022 cm-1与淀粉的有序和无定形区域有关[19],淀粉的短程有序性由R1 047/1 022表示。如表3所示,在没有添加γ-PGA的冻干糯米粉中淀粉的短程有序度为2.11,随着γ-PGA添加量的增加,R1 047/1 022值显著(P<0.05)降低为1.86。实验结果表明,添加γ-PGA会显著减小速冻汤圆粉团的短程有序性(P<0.05)。有研究表明冷冻过程中生成的冰晶会形成力,可以促进支链淀粉侧链的迁移和重排,最终促进新的双螺旋结构的形成,淀粉分子链发生重排,短程有序性增加[20]。与未添加γ-PGA冻干糯米粉相比,添加γ-PGA冻干糯米粉的短程有序降低是因为添加γ-PGA抑制冰晶的生长,减轻了冰晶对淀粉结构的破坏,这与微观结构结果相一致。
表3 冻干糯米粉的短程有序度
Table 3 Short-range ordered degree of freeze-dried glutinous rice flour
γ-PGA添加量/%R(1 047/1 022)值02.11±0.00a0.11.99±0.11b0.31.99±0.10b0.51.87±0.02c0.71.86±0.01c0.91.92±0.07bc
2.5 γ-PGA对汤圆水分分布的影响
汤圆中水分分布和含量会对汤圆品质产生重要影响。水的存在状态主要有3种:结合水、弱结合水、自由水,这3种水所占比例分别由A21、A22、A23表示。结合水是淀粉颗粒内可以与淀粉颗粒结合的水,弱结合水存在于淀粉颗粒表面,自由水是可以自由流动的水[21]。由表4可知,汤圆中结合水、弱结合水、自由水所占比例分别为8.48%、91.39%、0.13%,添加γ-PGA后,汤圆中结合水和自由水所占比例显著减少为7.31%和0.06%,而弱结合水所占比例增加至92.63%。与未添加γ-PGA的汤圆相比在汤圆中加入γ-PGA后结合水的含量降低,弱结合水的含量升高是因为γ-PGA与淀粉竞争与水的结合,导致结合水向弱结合水迁移;同时γ-PGA具有较强的持水保水能力,阻碍了弱结合水向自由水的转化从而改变水分分布,使汤圆中弱结合水所占比例增加而自由水所占比例减少,汤圆中水分的结合状态更加紧密,产生的裂纹减少,脱粉现象缓解,汤圆蒸煮时汤汁透过率增加,提升了汤圆的冻藏品质。
表4 γ-PGA对汤圆水分分布的影响
Table 4 Effect of γ-PGA on water distribution of glutinous rice dumplings
γ-PGA添加量/%A21/%A22/%A23/%08.48±0.13a91.39±0.10c0.13±0.03a0.17.84±0.23b92.03±0.22b0.13±0.01a0.37.58±0.19bc92.34±0.19a0.08±0.01b0.57.45±0.12c92.47±0.13a0.07±0.02b0.77.31±0.19c92.63±0.19a0.06±0.01b0.97.33±0.09c92.59±0.09a0.08±0.00b
2.6 γ-PGA对汤圆煮后汤汁透过率的影响
汤圆煮后汤汁透过率是反映汤圆质量的重要指标,它测定了汤圆在煮制过程中的糯米粉向水中溶解扩散的程度,决定了汤圆在煮制过程中保持结构完整性的能力[22]。由图3可知,未添加γ-PGA的汤圆煮后汤汁透过率为31.80%,添加γ-PGA后汤圆的煮后汤汁透过率显著增加为47.33%(P<0.05)。结果表明,添加γ-PGA提高了汤圆煮后汤汁的透过率。添加亲水胶体后汤圆煮后汤汁透过率的增加可能是由于γ-PGA具有良好的增稠和亲水作用,使汤圆凝胶体系网络结构的强度和稳定性增加,减少了可溶性组分的溶出,汤汁浑浊率下降,透过率增加,在宏观上表现为亲水胶体的加入使汤圆结构的完整性增加[23]。
2.7 γ-PGA对汤圆煮后质构特性的影响
质构特性是评价食品品质的重要指标,因此取煮后的汤圆进行质构测定以评价其品质。由表5可知,汤圆的硬度、胶着性、咀嚼性值分别为537.53、0.87、362.43,当γ-PGA添加量增加至0.7%时汤圆的硬度、胶着性、咀嚼性分别降低为346.26、278.00、242.75,未添加γ-PGA的汤圆与添加γ-PGA的汤圆硬度、胶着性、咀嚼性之间有显著性差异(P<0.05)。添加0.7%的γ-PGA制成的汤圆硬度、胶着性、咀嚼性小,具有较好的食用品质,硬度降低的原因可能是γ-PGA含有大量的亲水基团羧基,当把γ-PGA加入糯米粉中揉制成汤圆时,其均匀分布在糯米粉粒之间,糯米粉与水结合较为紧密,体系中的水分分布更为均匀且水分含量增多导致糯米粉团松软,因而汤圆硬度值降低[24];咀嚼性降低可能是因为γ-PGA阻碍了淀粉形成三维网络,使汤圆内部抗剪切和回复能力下降[16];添加0.9%的γ-PGA时质构相关指标有所回升,可能是因为γ-PGA添加量过高时与糯米淀粉发生相互作用,凝胶强度增加,汤圆的硬度、胶着性和咀嚼性增加。
表5 γ-PGA对汤圆质构特性的影响
Table 5 Effect of γ-PGA on texture characteristics of glutinous rice dumplings
γ-PGA添加量/%硬度/g弹性胶着性咀嚼性0537.53±45.90a0.87±0.04a414.83±38.08a362.43±35.60a0.1485.97±11.06ab0.88±0.01b377.83±10.03ab330.97±9.16ab0.3453.88±14.37b0.78±0.03a348.12±18.66b272.44±25.24cd0.5445.18±49.44b0.86±0.04a350.93±38.87b301.99±45.80bc0.7346.26±16.29c0.87±0.02a278.00±14.64c242.75±19.33d0.9466.04±8.55b0.90±0.04a367.14±9.74b329.14±21.66ab
3 结论
本文研究了γ-PGA对糯米粉热力学特性和糊化特性的影响和添加γ-PGA对冻干糯米粉微观结构和短程有序性的影响,并用水分分布、汤圆煮后汤汁透过率、质构特性表征了γ-PGA对汤圆品质的影响。结果表明:γ-PGA的添加使糯米粉的糊化温度升高,糊化焓值降低,峰值黏度、谷值黏度、最终黏度降低;添加γ-PGA后冻干糯米粉的短程有序性降低,微观结构显示淀粉颗粒受损情况减轻;γ-PGA的添加使汤圆中弱结合水比例升高、自由水所占比例降低,汤圆与水的结合更为紧密,可溶性组分溶出减少,煮后汤汁透过率更高,汤圆的硬度、弹性、胶着性、咀嚼性降低,汤圆食用品质提升。γ-PGA对糯米粉和汤圆理化性质和品质影响表明,当γ-PGA的添加量为0.7%时,制作的汤圆品质最好。本文章仅研究了γ-PGA的添加对糯米粉的理化性质和汤圆短时间冻藏品质的影响,而汤圆从生产到销售的过程中会经历温度波动,因此在后续的研究中可考虑γ-PGA在不同冻藏时间和冻融循环次数处理下对汤圆品质的影响。
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