郑炯1,2*，张可珺1,2，曾瑞琪1,2，张甫生1,2
1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(食品科学与工程国家级实验教学示范中心(西南大学)，重庆，400715)
摘 要 为研究高酯果胶(high methoxyl pectin, HMP)对豌豆淀粉凝胶特性的影响，以豌豆淀粉为原料，加入不同比例的HMP后考察豌豆淀粉的糊化和流变特性的变化。结果表明，豌豆淀粉的峰值黏度、崩解值以及回生值随着HMP添加量的增加而逐渐降低，当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)为8∶2时，复配体系具有最低的峰值黏度、崩解值和回生值；糊化温度随HMP的增加而升高，当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)为8.5∶1.5时，糊化温度增加至75.85 ℃。HMP的添加并未改变豌豆淀粉凝胶的流体性质，豌豆淀粉/HMP复配体系仍为典型的假塑性流体。HMP对豌豆淀粉的储能模量(G′)的影响大于对损耗模量(G″)的影响，随着HMP添加量的增加，复配体系的G′逐渐下降，淀粉凝胶的黏性逐渐增强，复配体系表现出弱凝胶的动态流变特征。HMP降低了豌豆淀粉凝胶的硬度，豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)为8∶2时，复配体系的硬度达到最低；但弹性和黏着性随HMP的增加而升高。扫描电镜观察到添加HMP后，豌豆淀粉凝胶内部结构更加均匀稳定，网络结构更致密。
关键词 豌豆淀粉；高酯果胶；糊化特性；流变特性；质构特性
DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.018014
第一作者：副教授(本文通讯作者，E-mail：zhengjiong-swa@126.com)。
基金项目：中央高校基本科研业务费(XDJK2016B035、SWU 2016 1702001)
收稿日期：2018-06-12，改回日期：2018-07-25
豌豆(Pisum sativum Linn)为豆科豌豆属攀缘性草本植物豌豆的种子，是一种营养丰富的重要经济作物[1-3]。豌豆淀粉作为提取豌豆蛋白质后的产物，与谷类淀粉和薯类淀粉相比，出粉率高且价格低廉，因此被认为是一种相对便宜的淀粉来源[4-5]。豌豆淀粉含有较多的直链淀粉，但其淀粉颗粒直径小于其他种类的淀粉颗粒，较高的直链淀粉含量使得其在糊化时的吸水膨胀能力较差，且糊化后容易回生，导致豌豆淀粉形成的凝胶脆度大，在加工过程中易碎，最终导致豌豆淀粉在食品工业中的应用受到限制[6-7]。
亲水性胶体因其良好的性质而被应用于淀粉的改性当中，亲水性胶体的加入会使淀粉的糊化、流变等理化特性发生较大的变化，从而对淀粉的加工特性产生较大影响。目前，常用的亲水性胶体主要有黄原胶、结冷胶、魔芋胶和果胶等。研究表明，亲水性胶体可提高淀粉的热稳定性，并改善其凝胶性质。唐敏敏等[8]研究了黄原胶对绿豆淀粉糊化和流变特性的影响，发现黄原胶可提高绿豆淀粉糊化温度，降低其崩解值与回生值，提高淀粉凝胶强度。宋杨宇[9]在结冷胶对马铃薯淀粉性质影响的研究中发现，高浓度的结冷胶可抑制马铃薯淀粉的糊化，提高淀粉的热稳定性。
高酯果胶(high methoxyl pectin, HMP)在较低的pH条件下具有较好的凝胶性能，同时因其具有较高的酯化度而对产品的溶解性、黏稠度、凝胶性质有显著的影响[10-11]。研究表明，果胶可在一定程度上抑制大米淀粉凝胶网络结构的形成，延缓或抑制大米淀粉的老化[12]。柳艳梅等[13]研究发现，果胶可对大米淀粉凝胶的储能模量产生显著影响，提高大米淀粉在冷藏条件下的稳定性。目前，对亲水性胶体作用于淀粉的研究大多集中于谷类淀粉和薯类淀粉上，而有关HMP对豌豆淀粉凝胶特性影响的研究还鲜有报道。因此，本文以豌豆淀粉为原料，加入不同比例的HMP后，考察豌豆淀粉及其凝胶在糊化特性、流变及质构特性上的变化，探究HMP是否能改善豌豆淀粉的凝胶特性，为豌豆淀粉与HMP复配体系在食品工业中的应用提供参考。
豌豆淀粉(食品级)，成都达恒毛实业有限公司提供；HMP(酯化度65%～70%)，淄博中轩生化有限公司提供。
RVA-TecMaster快速黏度分析仪，瑞典波通仪器有限公司；DHR-1旋转流变仪，美国TA公司；CT3物性测定仪，美国Brookfield公司；FD-1A-50冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司；JSM-6510LV钨灯丝扫描电子显微镜，日本电子株式会社(JEOL)。
1.3.1 样品的制备
选取5种质量配比的豌豆淀粉与果胶复配体系(10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0，g∶g)，准确称量各配比下的豌豆淀粉与HMP的质量，于烧杯中加入去离子水混合，配制成质量浓度为60 g/L的悬浮液(以干基计)，搅拌均匀后在沸水浴中加热糊化30 min， 糊化结束后取出，冷却至室温，待用。除糊化特性的测定，流变、质构特性以及微观结构的测定所用样品均采用此方法制备。
1.3.2 糊化特性的测定
参考吴银琴等[14]的方法，选取5种质量配比的豌豆淀粉与HMP复配体系(10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0，g∶g)，准确称量后加入去离子水，于RVA铝盒中混匀，配制成总质量浓度为60 g/L的悬浮液(以干基计)，按照美国谷物化学协会(AACC)规定方法Standard 2，使用快速粘度分析仪进行测定。具体程序如下：在50 ℃下保温1 min，然后以6 ℃/min的速度升温至95 ℃，保温5 min，再以6 ℃/min的速度降温至50 ℃，保温2 min。前10 s内以960 r/min的速率进行搅拌，之后以160 r/min的搅拌速率进行黏度测定。
1.3.3 流变特性的测定
静态流变特性测定：设置测量温度25 ℃，测定剪切速率从0～300 s-1递增，再从300～0 s-1递减过程中样品剪切应力的变化情况。采用幂定律(Power-law模型)对数据点进行回归拟合，相关系数R2表示方程的拟合精度，方程如式(1)：
τ=Kγn
(1)
式中：τ表示剪切应力，Pa；K表示稠度系数，Pa·sn；γ表示剪切速率,s-1；n表示流体指数。
动态黏弹性测定：设置测量温度25 ℃，扫描应变1%，测定频率范围由0.1 Hz至10 Hz内样品储能模量(G′)、损耗模量(G″)和损耗角正切值(tanδ=G″/G′)随角频率的变化情况。
1.3.4 质构特性的测定
参考刘敏等[15]的方法并稍加改动。将糊化后的样品置于4 ℃下，密封冷藏24 h后取出放置至室温，使用CT3物性测定仪进行凝胶质构的测定。采用TPA模式，选择TA5探头，设置测定条件：测前速度1.0 mm/s； 测试速度1.0 mm/s；测后速度1.0 mm/s；压缩程度40%；触发力5 g。每组测试均做5次平行测定。
1.3.5 微观结构的测定
将制备好的样品在培养皿中涂抹均匀，放入冰箱冻藏室中冻藏24 h，待水分完全结冰后，放入冷冻干燥箱中，在-50 ℃条件下进行抽真空冷冻干燥72 h，使样品完全干燥。将干燥好后的样品安装在双面导电的铝片上，并涂上一薄层钯金合金，使用离子溅渡机使样品具有导电性。样品在15 kV的加速电压和200～1 000倍的放大率下进行观察和拍照。
除质构特性测定外，其余实验均重复测定3次，每次测试均需更换样品。文中所有图表均使用Origin 9.0和Microsoft Excel进行绘制，利用SPSS19.0对质构特性进行方差分析(ANOVA)，利用邓肯式多重比较对差异显著性进行分析，P<0.05表示有显著性差异，P<0.01表示差异极显著。
图1为HMP对豌豆淀粉糊化特性的影响。由图1可知，豌豆原淀粉的黏度曲线有明显的黏度峰，黏度在达到峰值以后则快速下降，豌豆淀粉的淀粉颗粒在糊化的过程中可以充分吸收水分而膨胀，淀粉分子之间具有较弱的相互作用，在加工中容易被剪切[16]。当加入HMP后，豌豆淀粉的黏度特性曲线的变化趋势保持不变，HMP的加入并未改变豌豆淀粉颗粒的吸水膨胀能力，但不同比例的HMP对豌豆淀粉的黏度特性影响较小，从黏度曲线中较难精确分析出不同比例的HMP对豌豆淀粉糊化特性的影响。
图1 HMP对豌豆淀粉糊化特性的影响
Fig.1 Effect of HMP on pasting characteristics of pea starch
表1为豌豆淀粉/HMP复配体系的糊化特征值。豌豆原淀粉的峰值黏度和回生值较高，这与其较高的直链淀粉含量、较小的粒径以及颗粒之间紧密的排列方式有关[17]。添加HMP后，豌豆淀粉的峰值黏度、崩解值、终值黏度、回生值与豌豆原淀粉体系相比均降低，而糊化温度升高。峰值黏度可以反映在糊化时淀粉颗粒的膨胀程度，随着HMP添加量的增加，复配体系的峰值黏度虽然一直呈下降趋势，但在总体上仍处于较高的水平，表明豌豆淀粉颗粒的吸水膨胀能力较强，能在糊化时充分吸水膨胀。崩解值表示峰值黏度与峰谷黏度之差，表征热淀粉糊的耐剪切性能，崩解值越大则样品的耐剪切性越差，当HMP的比例逐渐增大时，复配体系的崩解值逐渐降低。当豌豆淀粉与HMP的质量比为8.5∶1.5时，复配体系的崩解值骤减至约为豌豆原淀粉的一半。而在豌豆淀粉与HMP质量比为8∶2的复配体系中，复配体系的崩解值已降低至豌豆原淀粉的39.6%， 此时复配体系的抗剪切性能大幅度增加，复配体系的稳定性增强，同时糊化温度随着HMP添加量的增加而增加，也表明了HMP增强了复配体系的稳定性。
回生值主要表征了冷淀粉糊的凝胶形成能力，回生值越高，淀粉具有的凝胶形成能力越强。随着HMP添加量的逐渐增加，复配体系的回生值逐渐降低，凝胶形成能力变弱。由于果胶分子链带负电荷，分子间趋向相互排斥，随着酯化度的提高，电荷密度增大，排斥作用增强，且复配体系处于非酸性环境，在较强空间位阻排斥的影响下，HMP依靠氢键形成凝胶的能力进一步减弱，从而影响了淀粉间氢键的形成。
表1 豌豆淀粉/HMP复配体系糊化特征值
Table 1 Pasting parameters of pea starch/HMP mixed system
注：同一列中的平均值(±标准差)所带的不同字母表示差异显著(P<0.05)。
2.2.1 对静态剪切流变特性的影响
图2为不同配比的豌豆淀粉/HMP体系剪切应力随剪切速率的变化曲线。
图2 HMP对豌豆淀粉凝胶静态流变特性的影响
Fig.2 Effect of HMP on flow curves of pea starch gel
由图2可知，豌豆淀粉凝胶为典型的非牛顿流体，随着剪切速率的逐渐增加，淀粉凝胶的剪切应力逐渐增加，且淀粉凝胶的静态流变特性曲线凸向于剪切应力轴，表明豌豆淀粉凝胶具有假塑性[18]。随着HMP的添加量逐渐增加，在同一剪切速率下，淀粉凝胶受到破坏所需要的剪切应力也逐渐增加。当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)为8∶2时，复配体系对应的剪切应力达到最大。在剪切速率从低到高和从高到低的两个过程中产生的上行曲线与下行曲线之间形成的环状回路称为滞后环[18]，滞后环的存在反映了复配体系的触变性。豌豆原淀粉在剪切速率大于150 s-1后，上下行曲线重合性较好，而在低剪切速率时，两条曲线的偏离较大，但在总体上复配体系的滞后现象较小。随着HMP添加量的逐渐加大，复配体系的滞后环面积减小，HMP的加入使得豌豆淀粉凝胶的回复性能增强，这可能是由于HMP的存在，使得HMP与淀粉分子间的氢键作用增强，而在剪切过程中，豌豆淀粉分子间的氢键作用减小的程度变小，淀粉结构被破坏得较小，因而可以使豌豆淀粉凝胶保持较好的回复性能[19]。
采用幂定律对复配凝胶体系静态剪切流变曲线的数据点进行拟合，拟合参数如表2所示。
由表2可知，决定系数R2均大于0.92，表明该模型具有较高的拟合精度。表中所有复配凝胶体系的流体指数n均小于1，说明复配凝胶体系具有剪切变稀性质，为典型的假塑性流体，这与复配凝胶体系静态流变特性的测试结果一致。稠度系数K反映样品的黏稠性，K随HMP的增加，先减小后增加，表明少量HMP的加入一定程度上增大了豌豆淀粉凝胶的流动性，淀粉剪切稀化现象严重，从而使体系的增稠性下降。但随着HMP比例的增加，淀粉的黏度增加，体系的流动性减弱。这可能与HMP胶体分子与淀粉分子缠结有关，致使复配体系表现出更高的黏性[20]。
表2 豌豆淀粉/HMP复配体系拟合参数
Table 2 Fitting parameters of pea starch/HMP mixed system
2.2.2 对动态黏弹流变特性的影响
图3为豌豆淀粉/HMP复配凝胶体系动态模量随角频率的变化关系曲线。由图3可知，复配凝胶体系的G′随角频率的增加而逐渐增加，在施加较高的作用力下，体系恢复形变的能力增大，表现出明显的弹性行为。而HMP的加入并未改变豌豆淀粉的弹性特征，但随着HMP的添加量逐渐增加，体系的G′呈现逐渐降低的趋势。豌豆原淀粉具有较高的G′值，当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)为9.5∶0.5时，体系的G′下降较为明显，当配比增加到8.5∶1.5时，体系的G′下降幅度较小，而当豌豆淀粉/HMP的配比达到8∶2后，G′下降幅度又增大。体系的G″与G′的变化趋势相同，表明体系在较高角频率作用下表现出更强的黏性性能，复配凝胶体系具有典型的黏弹体特征。
图中实心点表示G′，空心点表示G″
图3 豌豆淀粉/HMP复配体系动态模量随角频率变化曲线
Fig.3 Curves of dynamic modylus with angular frequency of pea starch/HMP mixed system
在豌豆原淀粉中，其G′始终大于G″，此时的豌豆淀粉凝胶以弹性性能占主导作用，且在双对数坐标中，二者保持相互平行， G′与G″的变化不表现出频率依赖性，豌豆淀粉凝胶表现出弱凝胶行为[21]。在添加HMP后，淀粉凝胶的动态黏弹性发生改变，当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)为9.5∶0.5时，G′与G″仍保持平行，在整个测试范围内均有G′>G″，此时复配凝胶体系仍以弹性性能为主导，测试时的能量大部分被消耗于弹性形变，显示出类似固体的黏弹性特征[22]。当HMP的添加量继续增加后，体系G′与G″平行的状态开始减弱，G′与G″之间的频率依赖性增强。
损耗角正切值tanδ与体系的流体特征有关。由图4可知，复配凝胶体系的tanδ值均小于1，表现为一种弱凝胶动态流变学特征。在添加HMP后，淀粉凝胶的tanδ呈现出不规律的变化，豌豆原淀粉的tanδ在低频测试范围与高频测试范围之间的变化较大，HMP的加入抑制了这种剧烈的变化，当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)为8.5∶1.5时，体系的tan δ在角频率大于5 rad/s后就基本保持不变，且tan δ值一直处于最低状态，凝胶体系表现出最强的弹性，随着弹性比例的增加，复配凝胶体系的结构更加稳定。当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)为8∶2时，复配体系具有最小的G′，而体系的G″则呈现持续升高的趋势，体系的黏性性能逐渐增加，弹性性能的占比减小，从而导致了该体系下具有较高的tanδ。
图4 豌豆淀粉/HMP复配体系tanδ随角频率变化曲线
Fig.4 Curves of tanδ with angular frequency of pea starch/HMP mixed system
淀粉凝胶是由吸水膨胀后的淀粉颗粒和直链淀粉之间形成的含有一定水分的网状结构复合物。淀粉的凝胶特性主要体现在质构特性、冻融特性以及凝胶的微观结构上[23]。表3为豌豆淀粉/HMP复配体系凝胶质构特性的参数。随着HMP添加量的逐渐增加，复配体系的硬度逐渐减小，但黏着性呈现逐渐增加的趋势，复配体系的内聚性和弹性变化规律具有一定的起伏。淀粉凝胶的硬度主要与淀粉分子中直链淀粉含量有关，直链淀粉含量越高，分子间相互交联和缠绕的程度越大，淀粉凝胶的硬度越大[24]。在不同种类的淀粉当中，豌豆淀粉的直链淀粉含量较高，因此豌豆原淀粉凝胶具有较高的硬度，而随着HMP的添加，复配体系的硬度逐渐减小，原淀粉具有最大的硬度，当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)达到9∶1时，体系硬度开始出现大幅减小。当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)为8∶2时，淀粉凝胶的硬度几乎减小至豌豆原淀粉的一半。这可能是由于HMP具有较高的与水分子结合的能力，随着HMP浓度的增加，结合作用逐渐增强，HMP还能与淀粉分子通过范德华力等分子间相互作用力连接减少豌豆淀粉分子间相互交联和缠绕的程度，从而使得豌豆淀粉体系的硬度降低[25]。
弹性和内聚性则与淀粉凝胶内部的网状结构有关，凝胶抵抗外界破坏的能力随弹性和内聚性值的升高而增强。由表3可知，豌豆原淀粉的弹性和内聚性均表现出较高水平，豌豆淀粉凝胶的内聚性在添加HMP后下降较明显，但随着HMP添加量的增加，内聚性的变化并不显著(P<0.05)。弹性的变化与内聚性的变化相似，在添加HMP后，豌豆淀粉凝胶的弹性下降较多，而HMP的添加量大小并未引起弹性的显著变化。黏着性与淀粉凝胶的内聚性和弹性有关，原淀粉的黏着性较小，而随着HMP的加入，豌豆淀粉凝胶的黏着性增加，且随着HMP添加量的增大而增大，当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)达到8∶2以后，豌豆淀粉凝胶的黏着性增长至原淀粉凝胶的1倍，HMP本身具有的黏度可使豌豆淀粉凝胶的黏度增加，从而引起咀嚼时淀粉凝胶滞留时间增长。
表3 豌豆淀粉/HMP复配体系凝胶质构参数
Table 3 Parameters of texture profile of pea starch/HMP mixed system
注：同一列中的平均值(±标准差)所带的不同字母表示差异显著(P<0.05)。
5种不同配比的豌豆淀粉/HMP凝胶体系在200倍下的扫描电镜图如图5所示。由图5可知，豌豆原淀粉凝胶的表面具有较大的孔径，孔径的大小和排列的均匀性较差，淀粉凝胶中含有较多的淀粉颗粒碎片，同时淀粉凝胶的断层较多，结构较为松散。加入少量的HMP后，淀粉凝胶表面的颗粒碎片减少，当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)达到9∶1时，豌豆淀粉凝胶的结构变得较为有序，凝胶表面的孔径虽然仍较大，但其分布较为均匀，在凝胶表面几乎看不到淀粉的颗粒碎片。而随着HMP添加量的进一步提高，HMP与豌豆淀粉间的相互作用形成了逐渐均匀的连续网络结构，淀粉凝胶的表面孔径变小，当豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)达到8∶2后，淀粉凝胶的孔洞缩小，孔径减少，出现连续致密的结构[26]。HMP的添加引起豌豆淀粉凝胶微观结构的显著变化，影响了淀粉凝胶质构特性。
A～E-豌豆淀粉/HMP的配比(质量比)分别为10∶0，9.5∶0.5，9∶1，8.5∶1.5，8∶2
图5 HMP对豌豆淀粉凝胶微观结构的影响
Fig.5 Effect of HMP on microstructure of pea starch gel
HMP的添加可以降低豌豆淀粉糊化时的黏度、崩解值和回生值，能在一定程度上抑制豌豆淀粉的回生，同时增加豌豆淀粉的糊化温度使得豌豆淀粉的稳定性提高。HMP不改变豌豆淀粉的流体特征，随着HMP添加量的增加，豌豆淀粉的剪切稳定性增加，HMP具有良好的增稠效果，豌豆淀粉/HMP复配体系有较好的稳定性。加入HMP后，复配凝胶体系的硬度减小而黏着性和弹性增加，表明形成的凝胶韧性较好，不易被破坏。HMP能够显著改变豌豆淀粉凝胶的微观结构，随着HMP的加入，淀粉凝胶中的颗粒碎片减少，凝胶孔径变小形成了更加均匀、稳定和致密的网络结构。
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ZHENG Jiong1,2*, ZHANG Kejun1,2, ZENG Ruiqi1,2, ZHANG Fusheng1,2
1 (College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China) 2(National Demonstration Center for Experimental Food Science and Engineering Education (Southwest University), Chongqing 400715, China)
ABSTRACT The effects of high methoxyl pectin (HMP) on the gelling properties of pea starch were explored. The changes in pasting and rheological properties of pea starch were investigated by adding HMP in different ratios. The results showed that the peak viscosity, breakdown value, and setback value of pea starch gradually decreased with increasing HMP. Besides, they were the lowest when the ratio of pea starch to HMP was 8∶2. The gelling temperature increased with increasing HMP, and it increased to 75.85 ℃ when the ratio of pea starch to HMP was 8.5∶1.5. However, HMP did not change the rheological properties of pea starch gel. The pea starch/HMP mixed system was still a typical pseudoplastic fluid. The effect of HMP on the energy storage modulus (G′) of the mixed system was greater than that of the loss modulus (G″). The G′ of mixed system decreased with increasing HMP, and the viscosity of pea starch gel increased gradually, and the mixed system showed dynamic rheological characteristics of a weak gel. HMP lowered the hardness of pea starch gel, and it was the lowest when the ratio of pea starch to HMP was 8∶2. However, the elasticity and adhesiveness of pea starch gel increased with HMP. Scanning electron microscope showed that the internal structure of pea starch gel was more uniform and stable after adding HMP, and the network structure was denser.
Key words pea starch; HMP; pasting properties; rheological properties; texture properties