我国北方居民主要以小麦粉制作的面制食品为传统主食,小麦籽粒中含有蛋白质、淀粉、纤维素、脂质等营养物质,其中淀粉含量占小麦粉组成的75%,是人体主要的能量提供者。作为典型的小麦淀粉基传统食品,凉皮凭借其独特的凝胶质构特性(筋道爽滑)成为陕西、河南等黄河流域省份的标志性风味小吃。然而,凉皮在贮藏过程中易出现质地硬化、弹性下降、表面干裂等问题,严重影响其食用品质和商品价值。小麦淀粉主要由大颗粒A淀粉粒和小颗粒B淀粉粒组成[1]。A淀粉直径通常为10～35 μm,形态多呈椭圆形或不规则的多边形,表面较为光滑;B淀粉直径通常小于10 μm,多呈球形或类球形,表面较粗糙。A淀粉在糊化时,会呈现出更高的峰值黏度和崩解值;而B淀粉由于颗粒表面积较大、支链淀粉含量较高、晶体结构相对较弱,在加热时更容易吸收水分并发生膨胀[2]。此外,直链淀粉分子易通过氢键作用形成稳定的双螺旋结构,在冷却初期发生短期回生[3]。而支链淀粉因其高度分支的结构增加了分子间的空间位阻效应,主导淀粉的长期回生过程。凉皮在贮藏过程中硬度和脆性的变化与淀粉回生特性密切相关。
目前研究表明,多酚类物质、非淀粉多糖等外源添加物可以影响淀粉的糊化和回生特性[4-5]。阿拉伯木聚糖(arabinoxylan,AX)作为植物细胞壁中一种关键的非淀粉多糖成分,分布广泛。在小麦中,AX主要富集于麸皮部分,约占整个小麦籽粒AX总量的70%～80%,其中水溶性阿拉伯木聚糖(water-extractable arabinoxylan,WEAX)仅占15%～30%,而小麦粉中的AX总量虽相对较低,但60%～80%的AX为水溶性的。目前,已有研究表明,AX与淀粉分子发生相互作用,从而影响淀粉的糊化和回生特性[6]。例如,HOU等[7]研究了不同分子质量WEAX对淀粉回生特性的影响,研究表明低分子质量WEAX抑制直链淀粉的重排,而高分子质量WEAX主要延缓支链淀粉的再结晶。KANG等[8]通过乙醇沉淀法得到不同亚组分的AX,研究表明较高的分子质量和分支度的AX能更好地抑制淀粉的糊化和老化。因此,多糖作为改良剂加入淀粉基食品中,改善其老化问题具有重要意义。
传统凉皮制作过程中,洗面阶段会去除小麦粉中的大部分B淀粉与WEAX,导致其功能成分流失。因此,本研究通过分离小麦A、B淀粉,并回添一定比例的B淀粉和WEAX制备凉皮,将制备好的凉皮在4 ℃下分别贮藏0、24、72 h,通过测定凉皮的质构特性、水分分布和凉皮中淀粉的多尺度结构,系统研究B淀粉和WEAX对延缓凉皮老化、抑制水分迁移的影响,凉皮食用品质和贮藏品质的调控作用,为调控淀粉基食品的品质劣化提供新思路。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
郑麦1860,由河南省农业科学院提供。WEAX(分子质量:323 kDa,分支度:0.61,水分含量:3.8%,黏度:31.4 cst),爱尔兰Megazyme公司;所有试剂均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
JHMZ针式和面机,北京东孚久恒仪器技术有限公司;HT185高速台式离心机,湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;NKT2010-L激光粒度仪,中国山东耐克特仪器公司;ZEISS Sigma 360电子扫描显微镜(scanning electron microscope,SEM),德国Carl Zeiss公司;DSC 250差示扫描量热仪(differential scanning calorimeter,DSC),美国TA科技公司;Nicolet iS20傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared spectromete,FTIR),美国赛默飞世尔科技公司;TA-XT质构仪,英国Stable Micro Systems仪器公司;MicroMR-CL-I变温型低场脉冲核磁共振分析仪(low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR),上海纽迈电子科技有限公司;SmartLab SE型 X射线衍射仪(X-ray powder diffractometer,XRD),日本Rigaku公司。
1.3 实验方法
1.3.1 小麦A、B淀粉的分离
参考尚加英[2]的方法分离A、B淀粉,并稍作修改。a)制备面团:将200 g小麦粉与95 mL去离子水在和面机中混合,形成的面团在温度35 ℃、相对湿度85%的恒温恒湿箱中醒发半小时。b)水洗法提取淀粉:用面团质量的8～10倍的去离子水揉洗面团,使淀粉与面筋蛋白分离,直到洗涤水澄清后将淀粉浆过100目筛网,过滤后的淀粉浆室温静置10 h后离心(4 000 r/min,20 min),弃去上清液。c)将离心后的淀粉沉淀用适量去离子水重新调成淀粉浆,将淀粉浆置于低温环境中(低于15 ℃)静置2 h,收集上层溶液,下层沉淀再次加入适量去离子水重复上述过程,反复10～15次。合并上层溶液后再次离心(6 000 r/min,15 min)后,此离心管中下层沉淀刮去黄浆后,剩余的即为B淀粉;将多次悬沉后的沉淀离心(6 000 r/min,15 min),得到A淀粉。将收集2种沉淀冷冻干燥,研磨过80目筛,得到分离后的小麦A淀粉和小麦B淀粉。
取一定量的小麦淀粉,通过上述方法将A、B淀粉进行分离,通过称量法测定小麦淀粉中A、B淀粉的比例。重复3次,取平均值。
1.3.2 小麦A、B淀粉分离纯度测定
1.3.2.1 小麦A、B淀粉粒径分布测定
小麦A、B淀粉的粒度分布通过激光衍射粒度分析仪进行湿法测定。将少量淀粉加入到样品池中,使遮光率达到10%～15%,随后打开超声使淀粉颗粒在水中均匀分散,超声3 min后,选择“多次采样”模式采集数据。
1.3.2.2 小麦A、B淀粉微观结构测定
使用SEM观察分离后的2种淀粉的颗粒形态,参考LIANG等[9]的方法并稍作修改。少量淀粉样品通过导电粘合剂固定在单独的圆形样品板上,并用金溅射2 min,随后将样品放在SEM上,放大 1 000倍进行扫描观察,加速电压为3.00 kV。
1.3.3 凉皮的制备
将小麦A淀粉35 g、A淀粉16.25 g和B淀粉8.75 g的混合粉(基于小麦粉中原始A、B淀粉的比例)分别与WEAX(质量分数为0%、0.5%,基于淀粉干重)混合,参考赵贵婷等[10]的方法制备凉皮,制备好的凉皮取厚度均匀的部分,部分新鲜样品用于实验,另一部分真空包装,经高压灭菌后于4 ℃冰箱中分别贮藏24、72 h。将小麦A淀粉、AB淀粉混合粉制备的凉皮分别命名为ALP和ABLP,2种淀粉分别添加WEAX制备的凉皮命名为ALP-WEAX和ABLP-WEAX;经不同回生时间(X)后的凉皮命名为ALP-X、ALP-WEAX-X、ABLP-X、ABLP-WEAX-X。
1.3.4 凉皮贮藏过程中质构特性测定
1.3.4.1 质地剖面分析(texture profile analysis,TPA)
取新鲜的凉皮和贮藏后的凉皮,在室温下平衡一定的时间,参考YANG等[11]的方法,利用质构仪的TPA模式测定凉皮的质构特性。每组样品测定至少4次。
1.3.4.2 拉伸特性
取新鲜的凉皮和贮藏后的凉皮,在室温下平衡一定的时间,参考顾少闯等[12]的方法,利用质构仪测定单轴拉伸特性。测定参数为:A/KIE探头,测前、测中和测后速度分别为2.0、3.3、10 mm/s,测试距离70 mm,触发力5 g。每组样品测定至少4次。
1.3.5 凉皮贮藏过程中水分分布测定
采用LF-NMR测定凉皮的水分分布,具体测试参数参照赵贵婷[13]的方法。
1.3.6 凉皮贮藏过程中热力学特性测定
取2 mg凉皮冻干粉和6 μL蒸馏水置于坩埚中,并将其密封。将其平衡24 h后,以10 ℃/min的速率从20 ℃升温至100 ℃,以空白坩埚作为参考。每组样品重复3次。
1.3.7 凉皮贮藏过程中结晶结构测定
使用XRD测定制备的复合物的结晶特性。测定参数:在5～40°范围内进行衍射角扫描,扫描速率为5°/min,数据采集间隔为0.02°。
1.3.8 凉皮贮藏过程中短程有序性测定
将凉皮样品置于晶体上,采用FTIR衰减全反射(attenuated total reflection,ATR)模式测定。测定参数:400～4 000 cm-1波段进行扫描,扫描64次,分辨率为4 cm-1。
1.4 数据处理与分析
数据以“平均值±标准差”表示(n=3)。使用IBM SPSS Statistics 26.0进行统计学分析,显著性检验使用单因素方差分析(analysis of variance,ANOVA),并结合Duncan多重比较检验,显著性水平为P<0.05。使用Origin 2021软件进行绘图。
2 结果与分析
2.1 小麦A、B淀粉颗粒形态及粒径分布分析
根据A、B淀粉密度差异,使用悬沉法将小麦中颗粒大小不同的A、B淀粉分离,通过SEM和粒度分布测定可以判断分离效果。小麦A、B淀粉的SEM图如图1所示,A淀粉颗粒呈现较大的尺寸,形状多为椭圆形,表面较为光滑,并且大多数A淀粉颗粒保持完整,未因长时间悬沉造成淀粉发酵水解的现象,但为了保持A淀粉颗粒完整不受影响,在有限的时间内,B淀粉未完全与A淀粉分离,A淀粉样品中仍存在少量B淀粉颗粒。B淀粉颗粒较小,呈球状或无规则状,B淀粉颗粒由于其表面黏性高,易发生团聚现象。同时,可以发现B淀粉体积小,但其数量较多。
A-小麦A淀粉;B-小麦B淀粉
图1 小麦A、B淀粉颗粒形态
Fig.1 Morphology of wheat A and B starch granules
A-小麦A淀粉;B-小麦B淀粉
图2 小麦A、B淀粉粒度分布图
Fig.2 The particle size distribution of wheat A and B starch
小麦A、B淀粉的粒径分布图如图2所示,A淀粉颗粒直径大于10 μm,B淀粉颗粒直径为0～10 μm。从累积分布可以看出B淀粉中粒径小于10 μm占98%,分离效果较好,A淀粉中粒径大于10 μm占88%,A淀粉中含有少量的B淀粉,这与SEM图像结果一致,但总体分离效果已呈现较好态势。
2.2 WEAX对凉皮贮藏过程中质构特性的影响
凉皮样品的硬度、内聚性、咀嚼性和回复性4个TPA指标以及抗张强度和延展性2个拉伸指标的结果如表1所示。凉皮在贮藏过程中,硬度、内聚性及咀嚼性能有效地反映淀粉的回生程度[14]。内聚性表示食品内部结构抵抗分离的能力,内聚性高的食品不易碎裂。由表1可知,添加B淀粉后,凉皮的硬度降低,内聚性和咀嚼性整体提高,随着回生时间的延长,凉皮的硬度增加,内聚性、回复性和咀嚼性降低。当回生时间从0 h延长到72 h后,ALP和ABLP的内聚性分别从0.92和0.97降低到0.70和0.89,这表明添加B淀粉后,凉皮的硬度和脆性降低,这主要是由于B淀粉中支链淀粉具有高度分支的结构,阻止了直链淀粉分子的聚集和结晶,形成的结构相对较为松散和均匀,能够保持一定的水分。添加WEAX后,新鲜凉皮的硬度分别从13 814.49(ALP)、15 362.71 g(ABLP)降低到11 729.93、5 481.99 g,内聚性分别从0.92和0.97增加到0.94和1.00,这表明WEAX的添加使凉皮更加柔软和富有弹性,这与范欣[15]添加亲水胶体改善擀面皮品质的研究结果一致。在凉皮贮藏过程中,发现随着贮藏时间的延长,凉皮很容易变脆,这主要是由于直链淀粉分子在冷却过程中发生了分子重排,形成紧密的结晶结构。由表1可知,添加WEAX后,随着回生时间的延长,ABLP-WEAX样品的内聚性降低了10%,降低程度最低,这是由于WEAX对淀粉分子链的移动产生阻碍作用,阻止淀粉分子过度聚集形成大的结晶区,使凉皮中淀粉结构更加有序[16]。凉皮样品在进行拉伸实验中,ALP样品以及ALP-WEAX贮藏24 h和72 h由于脆性较高,无法进行实验,ABLP和ABLP-WEAX具有较好的抗张强度和延展性。因此,添加B淀粉和WEAX对改善凉皮品质具有重要意义。
表1 WEAX对凉皮贮藏过程中质构特性的影响
Table 1 Effect of WEAX on texture properties of Liangpi during storage
样品贮藏时间/h硬度/g内聚性咀嚼性/g回复性抗张强度/g延展距离/mm013 814.49±1 384.91cd0.92±0.01bc7 659.33±532.71de0.83±0.04b——ALP2415 914.69±814.68b0.81±0.07e5 786.15±368.54f0.64±0.03d——7218 456.39±334.00a0.70±0.08f3 244.40±729.66g0.52±0.04e——010 476.12±720.02f0.94±0.02abc10 795.85±693.73c1.02±0.02a60.87±3.80c11.12±0.48bALP-WEAX2411 729.93±897.12ef0.84±0.04de7 022.51±165.57e0.78±0.01bc——7215 362.71±2 064.03bc0.81±0.06e5 225.17±932.09f0.60±0.05de——06 880.27±1 393.83gh0.97±0.02ab15 208.37±282.05a0.76±0.08bc108.81±15.60ab11.43±0.65bABLP2413 320.39±235.17de0.94±0.01abc8 621.02±908.07d0.65±0.13d88.12±9.15b6.69±0.23cd7218 115.85±634.66a0.89±0.02cd7 066.41±210.11e0.53±0.06e55.52±8.49c5.41±0.59d05 481.99±811.77h1.00±0.04a15 672.49±814.07a0.96±0.01a113.62±1.04a13.90±2.14aABLP-WEAX247 957.11±1 354.68g0.98±0.00ab13 451.17±960.12b0.82±0.03b100.30±15.44b7.83±0.61c7211 089.15±574.94f0.95±0.01abc11 051.27±739.54c0.71±0.07cd65.10±16.40c5.42±0.61d
注：不同小写字母表示样品间存在显著差异(P<0.05),— 代表样品易碎程度较大导致无法进行实验。
2.3 WEAX对凉皮贮藏过程中水分分布的影响
不同原料制作的凉皮经不同回生时间后的水分子迁移谱图如图3所示。凉皮中普遍出现2个特征峰(T22弱结合水和T23游离水),个别样品在0.1～1 ms 出现了强结合水的峰。在凉皮回生过程中,T23发生了明显的变化,游离水峰向左偏移,且峰面积减小,这是淀粉回生过程中,淀粉分子质量发生重新排列,氢键位点的减少使部分水分子被排除凝胶结构,而剩余的水分子被淀粉结构束缚,降低了其自由度[17]。
图3 凉皮贮藏过程中水分分布的变化
Fig.3 Changes in water distribution of Liangpi during storage
对凉皮贮藏过程中T2弛豫时间和峰面积比例总结为表2,ALP样品在回生24 h时,出现了强结合水的峰,再随着时间的延长,S22和S23分别从3.99%和96.01%降低到2.07%和95.39%,同时在图3中发现T23后仍存在1个新的水分信号峰,这是由于回生期间凝胶结构逐渐塌瘪所致[18]。相比ALP样品,添加B淀粉后,ABLP样品在0.23 ms处出现强结合水的信号峰,这主要是由于B淀粉添加后,淀粉中支链淀粉所占比例增加,阻碍了直链淀粉的短期回生,松散的内部结构,促进了水分子与淀粉的结合。添加WEAX后的样品,ALP和ABLP样品的T23从289.94 ms降低到191.16 ms,ALP样品的T22从5.54 ms降低到4.50 ms,ABLP样品T21从0.23 ms降低到0.19 ms,这表明添加WEAX降低了水分子的运动性。此外,由表2可知,ALP-LM和ABLP-LM样品经过回生后,T23和S23略有降低,变化不显著,这表明WEAX对凉皮的老化有一定的抑制效果,这与陈龙[18]和侯翠丹[19]的研究结果一致。
表2 凉皮贮藏过程中T2弛豫时间的变化
Table 2 Changes in the T2 distribution of Liangpi during storage
样品贮藏时间/h弛豫时间/ms峰面积比例/%T21T22T23S21S22S230—5.54±0.75c289.94±8.48a—3.99±0.11b96.01±1.02bALP240.43±0.07b6.37±0.45bc95.48±12.11c0.35±0.02b2.33±0.05c97.32±0.46a72—1.20±0.14e58.73±8.45d—2.07±0.04c95.39±0.67b0—4.50±0.87cd191.164±14.22b—2.21±0.07c97.79±0.05aALP-WEAX24—6.83±1.11bc191.164±7.15b—3.35±0.01b96.56±0.34b72—9.66±1.58b178.34±14.11b—3.58±0.13b96.42±0.15b00.23±0.05c4.82±1.47cd289.94±9.24a0.25±0.01c3.31±0.04b96.45±0.18bABLP240.79±0.01a11.10±2.48b289.94±12.45a0.44±0.04b2.35±0.07b97.21±0.11a72—25.53±2.33a270.50±5.10a—19.64±1.25a80.36±0.24c00.19±0.03c7.84±1.85b191.16±3.48b2.61±0.12a1.97±0.21c95.43±0.34bABLP-WEAX240.16±0.01c8.41±2.04b178.34±17.04b1.05±0.08a2.14±0.30c96.81±0.08b72—2.25±0.42de166.38±5.40b—3.51±0.15b96.41±0.21b
注：— 代表样品水分分布测定中未出现强结合水峰。
2.4 WEAX对凉皮中淀粉热力学特性的影响
通过DSC测定了凉皮在贮藏过程中的热力学特性,结果如表3所示。回生淀粉的老化焓值表示糊化后的淀粉由于回生导致的直链淀粉与支链淀粉重新排列、聚集形成的晶体结构或双螺旋的熔化过程中发生的能量转换[20]。ΔH值越高,代表回生淀粉重结晶度越高,淀粉回生程度越大[13]。凉皮在4 ℃贮藏0 h时,ALP中淀粉的ΔH值(0.86 J/g)显著高于其他样品,这主要是由于ALP中较多的直链淀粉在冷却后,很快发生了分子间的重排,形成了晶体结构,而B淀粉和WEAX的添加都有效地抑制了直链淀粉分子间的聚集,说明淀粉中支链淀粉含量以及WEAX的添加均会影响淀粉的回生作用。随着凉皮贮藏时间的延长ABLP中淀粉的ΔH值(3.86 J/g)显著高于ALP(2.50 J/g),这表明直链淀粉与支链淀粉间通过氢键作用形成了双螺旋结构,提高了淀粉的热稳定性。
表3 凉皮贮藏过程中热力学特性的变化
Table 3 Changes in thermodynamic properties of Liangpi during storage
样品TO/℃TP/℃TC/℃老化焓ΔH/(J/g)ΔH0 hΔH24 hΔH72 hALP51.93±0.04a56.38±0.07a61.85±0.09bc0.86±0.04aB2.41±0.07aA2.50±0.14bAALP-WEAX48.46±0.07b55.15±0.13b64.75±0.12a0.25±0.01bB1.68±0.06bA1.52±0.09cAABLP48.82±0.02b54.91±0.05b61.53±0.10bc0.26±0.01bC2.24±0.03aB3.86±0.11aAABLP-WEAX46.17±0.03c55.57±0.02b62.01±0.07b0.06±0.02cB1.53±0.05bA1.66±0.06cA
注：不同大写字母表示同一样品不同贮藏时间存在显著差异(P<0.05),TO、TP和TC分别代表起始温度、峰值温度和终止温度。
相比ABLP样品,ABLP-WEAX样品中淀粉的ΔH值分别从0.26、2.24、3.86 J/g降低到0.06、1.53、1.66 J/g,WEAX与淀粉分子可以通过氢键和静电力相互作用,直链淀粉或与直链淀粉分子间的相互作用会受到WEAX与淀粉之间作用力和空间位阻的影响,从而阻碍淀粉分子链的聚集,抑制淀粉的短期和长期回生。
2.5 WEAX对凉皮中淀粉结晶结构的影响
不同原料制备的凉皮在贮藏过程中淀粉XRD的图谱如图4所示。将凉皮在4 ℃放置一定时间后,在2θ=17°和20°位置出现新的弱衍射峰,这表明B型与V型复合结晶相的形成,这主要是直链淀粉与支链淀粉重组导致[21]。在贮藏0 h时,2θ=20°具有明显的衍射峰,随着贮藏时间的延长,2θ=17°衍射峰逐渐增强,这主要与支链淀粉片段重结晶有关[22]。淀粉凝胶在贮存过程中,其晶体结构发生从无定形向多晶态的转变,因此结晶度的变化可以反映凉皮的老化程度[23]。添加B淀粉后凉皮中淀粉的结晶度略有降低,B淀粉中大量的支链淀粉抑制了直链淀粉的快速聚集。添加WEAX后,结晶度整体显著下降,ABLP-WEAX样品中淀粉的结晶度降低最为显著,说明WEAX阻碍了淀粉的重结晶,进而抑制了凉皮的老化。
A-小麦A淀粉组;B-小麦AB淀粉混合粉组
图4 凉皮中淀粉的XRD图谱
Fig.4 XRD patterns of starch in different raw materials of Liangpi
2.6 WEAX对凉皮中淀粉短程有序结构的影响
不同原料制备的凉皮在贮藏过程中淀粉的FTIR谱图如图5所示。由图5-A可知,与ALP-0相比,B淀粉和WEAX的添加以及回生过程中没有出现新的衍射峰,这表明没有出现新的官能团。图5-B是在1 200～800 cm-1波数范围去卷积得到的图谱,此波数范围主要由C—O和C—C拉伸振动引起,其中衍射峰常用来分析淀粉的短程有序结构。在FTIR中,淀粉的结晶结构在1 047 cm-1处有特征吸收峰,而非结晶区特征吸收峰在1 022 cm-1处[6]。通常1 047/1 022 cm-1的比值被用来定量评估淀粉分子的短程有序度,R1047/1022值越高,淀粉分子的短程有序性越高。回生72 h后,ALP和ABLP的R1047/1022值分别从1.18和0.84增加到1.44和1.2,而ALP-WEAX和ABLP-WEAX的R1047/1022值分别从0.92和0.7增加到1.11和1.06,这主要是淀粉分子重新发生了有序排列,有序性增加。ABLP的R1047/1022值变化程度(43%)高于ALP(22%),这表明B淀粉中支链淀粉促进了淀粉的长期回生,这与ΔH值变化的趋势一致。回生0 h和72 h的ALP-WEAX和ABLP-WEAX的R1047/1022值较ALP和ABLP显著降低,表明WEAX在淀粉回生过程中阻碍了淀粉分子的移动,从而抑制了短程有序性的变化。ABLP-LM-72的R1047/1022值仍低于ALP-0,这表明WEAX对淀粉的短期和长期回生均有抑制作用。这对凉皮贮藏过程中品质的调控具有重要意义。
A-4 000～500 cm-1;B-1 200～800 cm-1
图5 凉皮中淀粉在4 000～500 cm-1和1 200～800 cm-1的FTIR光图谱
Fig.5 FTIR spectra of starch in different raw materials of Liangpi at 4 000-500 cm-1and 1 200-800 cm-1
3 结论与讨论
WEAX和小麦B淀粉用于凉皮加工中,结果表明添加一定比例的B淀粉后,相比A淀粉制备的凉皮,新鲜凉皮的脆性和硬度均降低,水分的迁移减小且分布均匀。B淀粉与WEAX复合添加使凉皮在贮藏过程中硬度变化较小且脆性降低,凉皮持水性增加、质地更加柔软且富有弹性,其可以有效地抑制凉皮在贮藏过程中品质的劣变。同时,添加WEAX的凉皮后,淀粉的老化焓、相对结晶度和短程有序性均显著降低,且随着贮藏时间的变化,其变化程度较小。B淀粉和WEAX的添加有效地延缓了凉皮的老化。
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