淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究:
淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究,以玉米淀粉和蜡质玉米淀粉为原料，加入不同配比的瓜尔豆胶，比较两者复配后糊化及流 变特性的变化，并采用扫描电镜观察复配体系微观结构。结果表明：添加瓜尔豆胶可使玉米淀粉 及蜡质玉米淀粉体系具有更好的增稠性，复配体系表现出更优越的黏弹性。胶体分子与直链淀 粉分子间的相互作用是引起玉米淀粉与瓜尔豆胶复配体系流体指数和淀粉成糊温度显著降低， 协同作用更为显著的主要原因。微观结构观察表明淀粉与胶体复配体系呈现出更加均一、紧凑 的结构。
淀粉是食品工业中重要的基础原料和工艺助 局限性，被用于食品中的大部分是经物理或化学方 剂，广泛地应用于糖果、饮料、冷食、肉制品、焙烤食 法变性后的淀粉。研究发现，将淀粉与亲水性胶体 品等相关领域，在实际生产中，由于原淀粉性质的 复配使用，可达到很好的协同作用，淀粉的使用性 能得到明显改善，起到提高整个产品的质量和稳定 性、降低用量、简化加工工艺等作用[1，2]。这种复配 方法与化学改性方法相比，具有经济、安全、方便等 优点。因此，研究两者间的协同作用，对提高传统 食品质量，改善食品加工工艺和指导新型食品的研 究与开发都会起到巨大的推动作用。
亲水胶体的添加可改变淀粉体系的糊化和流 变特性，直接影响到最终产品的质构、口感、稳定性 等品质，且与加工过程中原料的输送、搅拌、混合、 能量的损耗等均密切相关[3]。因而，关于淀粉与胶 体复配体系糊化及流变特性的研究极为重要。作 者考察了瓜尔豆胶（guar gum，缩写为GG)对玉米 淀粉（corn starch，缩写为CS)及蜡质玉米淀粉 (waxycornstarch，缩写为WCS)糊化及流变特性 的影响，通过对主要参数的统计学分析，为更好地 在食品工业中应用玉米淀粉/瓜尔豆胶复配体系及 品质控制提供依据。同时，对其糊化和流变学的研 究有助于进一步揭示淀粉与亲水性胶体间的互作 机理。
材料与方法
1. 1主要材料与仪器
玉米淀粉：山东诸城兴贸玉米开发有限公司产 品；蜡质玉米淀粉：秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司 产品；瓜尔豆胶：苏州丹尼斯克（中国）有限公司产 品；定粉与瓜尔豆胶常规成分见表1。
表1淀粉与瓜尔豆胶常规成分
Tab. 1 Compositions of starch and guar gum
样品种类
质量分数/%
水分
粗蛋白质
粗脂肪
灰分
直链淀粉
玉米淀粉
13. 56
0. 36
0. 56 0. 12
29. 39
蜡质玉米淀粉
14 68
0. 57
0. 21 0. 10
9. 20
瓜尔豆胶
11. 20
9. 80
------ 1 00
——
1. 2仪器与设备
快速黏度分析仪（RVA):TecMaster型，瑞典 波通仪器公司产品；流变仪：AR—100型，美国TA 公司产品。扫描电子显微镜：QUANTA — 200型， 美国FEI公司产品。
1. 3实验方法
1.3.1 糊化特性的测定分别称取一定质量配比 的玉米淀 粉/ 瓜 尔 豆 胶 和 蜡 质 玉 米 淀 粉/ 瓜 尔 豆 胶 样品，与去离子水于RVA铝盒中混合均匀，配制成 总质量分数为6%的悬浮液（以干基计）。淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究,按照美国 谷物化学协会（AACC)规定方法standard2进行测 定，程序如下：在50°C下保温1min，后以6°C/min 的速度升温至95°C，保温5min，再以6°C/min的 速度降温至50C，保温2min。前10 s内搅拌速率 为960 r/min,而后以160r/min搅拌速率进行黏度 测试。
1. 3. 2静态剪切流变特性的测试取1. 3 1中 RVA制备的淀粉糊，于糊化后立即置于流变仪上， 平板直径4 cm，设置间隙0. 5 cm，测量温度25 C， 测定剪切速率（7)从0〜300 s—1递增，再从300〜0 s—1递减范围内样品剪切应力的变化。采用幂定律 (Power law模型）对数据点进行回归拟和，方程如 下：
r = Xyn (1)
式中，r为剪切应力（Pa) 为稠度系数（Pa*sn);
y为剪切速率为流体指数。
1.3. 3动态黏弹性测定取1. 2. 1中RVA中新 制备的淀粉糊，测定温度25°C，扫描应变1%，测定 由低频率（0. 1 Hz)至高频率（10 Hz)内贮能模量 (G')、损耗模量（〇及损耗角正切值（tan5 = G〃/G') 随角频率的变化。
1.3.4 微观结构分析将糊化后的样品进行冷冻 干燥，用〇s〇4气体在密壁容器内固定4h，然后经 喷金后于扫描电子显微镜下观察表面结构。
1. 3. 5 统计分析实验重复3次，采用DPS软 件，实验数值间以Tukey法(^<0. 05)进行差异显 著性分析。
2. 1淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化特性的测定
瓜尔豆胶与玉米淀粉及蜡质玉米淀粉复配体 系糊化参数值见表2。经统计分析表明，与单独淀 粉体系相比，添加胶体后，玉米淀粉及蜡质玉米淀 粉复配体系的峰值黏度、终值黏度、崩解值及回生 值均显著增加(^<0.05)。玉米淀粉与瓜尔豆胶复 配后，淀粉的成糊温度明显降低，但与蜡质玉米淀 粉复配后的表现出相反的变化趋势。为进一步比 较胶体对玉米淀粉和蜡质玉米淀粉糊化特性的作 用程度，对主要糊化参数值随胶体比例变化进行一
食品与生物技术学报2012年第31卷第8期⑩
元线性拟合，通过比较黏度变化的斜率大小来考察 瓜尔豆胶对淀粉的作用程度，淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究,结果见表3。拟合结 果表明，决定系数只2均在〇. 90以上，在实验比例 内，复配体系的黏度变化与配比变化呈一定正相关 性，其中，瓜尔豆胶与玉米淀粉复配体系的峰值黏 度、终值黏度及回生值均表现出更高的黏度变化斜 率，这表明瓜尔豆胶对玉米淀粉各主要参数值的影 响程度均高于蜡质玉米淀粉，瓜尔豆胶与玉米淀粉 间的协同增稠作用更强。
表2瓜尔豆胶对玉米淀粉和蜡质玉米淀粉糊化参数的影响
Tab. 2 Effect of guar gum on pasting parameters of corn starch and waxy corn starch pastes
淀粉
m(淀粉）：m(胶体）
淀粉成糊
温度/°c
峰值黏度/ (MPa • s)
崩解值/ (MPa • s)
终值黏度/ (MPa • s)
回生值/ (MPa • s)
10 : 0
88. 0±0. 5a
761±2e
204±11e
834±3e
276±10e
9. 5
0. 5
74 9±0. 0e
1 444±7d
354±13d
1 528±11d
437±17d
玉米淀粉
9. 0
10
76. 3±0. 2b
2 385±11
904±8e
2 139±10e
655±9C
8. 5
15
74 5±0. 0e
3 254±6b
1 548±15b
2 550±4b
843±5b
8. 0
2 0
72 5±0. 9d
4 239±21a
2 021±10a
3 139±9a
921±20a
10:0
71 6±0. 5d
1 259±2e
829±10e
538±9e
109±17e
9. 5
0. 5
71. 9±0. 4cd
1 638±6d
1 065±4d
736±7d
162±5d
蜡质玉米淀粉
9. 0
10
73 0±0. 2bc
2 363±10e
1 655±16c
967±13e
259±7e
8. 5
15
74 9±0. 3a
2 962±3b
2 113±11b
1 209±17b
362±14b
8. 0
2 0
73. 3±0. 5b
3 209±7a
2 286±10a
1 453±5a
529±6a
瓜尔豆胶与淀粉在糊化过程中的协同增稠作 用主要存在以下两方面的原因：一方面，糊化的淀 粉可视为由连续相（直链淀粉及支链淀粉）及分散 相（淀粉颗粒）两相组成[4]，当淀粉在存有瓜尔豆胶 的水溶液中糊化时，由于淀粉颗粒的膨胀作用，吸 收了连续相中水分，使位于此相的胶体浓度升高， 淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究,从而引起连续相黏度升高，复配体系的整体黏度增 大[5-6]。同时，胶体的吸水作用使得淀粉的糊化受 到了抑制[7]，使得添加了瓜尔豆胶的蜡质玉米淀粉 表现出成糊温度略有升高；另一方面，在玉米淀粉 与瓜尔豆胶复配体系中，连续相中的胶体分子可与 糊化初始阶段渗漏出的直链淀粉及外支链淀粉间 相互作用[8]，使得分子的水合半径增大，引起了在 糊化初始阶段黏度增加，表现为瓜尔豆胶与玉米淀 粉复配体系中淀粉的成糊温度降低。在降温的过 程中，这种分子间的键合作用亦引起了体系的回生 值的增加。 对瓜尔豆胶与蜡质玉米淀粉复配体系 而言，连续相中直链淀粉含量极少，糊化初始阶段 胶体与直链淀粉间作用较弱，淀粉与胶体之间的协 同作用以胶体与淀粉颗粒之间的相分离为主，因而 蜡质玉米淀粉的成糊温度表现为略有升高。 对复 配体系整体黏度影响方面，亦不如玉米淀粉复配体 系表现得显著。此外，淀粉与胶体复配体系的黏度 提高，造成剪切过程中有更大的剪切力作用于淀粉 颗粒上，颗粒更易变形及破损，同时，淀粉颗粒的破 损削弱了胶体与淀粉颗粒之间因相分离作用而产 生的黏度增加效应，使得崩解值增大。
表3胶体比例与糊化参数线性拟合结果
Tab. 3 Slope and intercept value obtained from the regression lines of the proportion of gum versus pasting parameters
参数
淀粉
斜率是
截距^
决定
系数记
峰值
玉米淀粉
175. 32
663. 4
0. 996 6
蜡质玉米淀粉
104 48
1241 4
0. 978 3
终值黏度
玉米淀粉
112. 64
911. 60
0. 993 0
蜡质玉米淀粉
46. 06
520. 00
0. 998 4
回升值
玉米淀粉
33. 92
287. 20
0. 981 1
蜡质玉米淀粉
20. 80
76. 20
0. 963 6
2 2静态流变测定采用幂律方程对添加不同比例 瓜尔豆胶复配体系的静态流变数据进行拟合，结果 见表4。与原淀粉相比，添加胶体后，玉米淀粉和蜡
质玉米淀粉复配体系上行线和下行线的稠度系数 K升高，但当淀粉与瓜尔豆胶比例小于9. 0:1. 0 时，淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究,变化均不再显著。对玉米淀粉体系而言，添加 胶体后，复配体系流体指数《降低，即剪切变稀性 增强。但胶体对蜡质玉米淀粉《值的影响并不显 著。剪切变稀是淀粉经外部剪切作用后，由于内部 结构被破坏而使表观黏度降低，在外力的作用下， 体系内线状分子链分子间氢键断裂，分子间的产生 的解旋作用可引起剪切变稀性增强[9^10]。瓜尔豆 胶为线状半乳甘露聚糖的非离子性胶体，在结构 上，以丨1，4键相互连接的甘露糖单元为主链， 侧链以连接单个半乳糖[11]。在溶液中时， 其侧链分支阻碍了分子内氢链的形成，因此，分子 链较为伸展。与淀粉复配后，易与体系中的直链淀 粉间形成非共价氢键，使得分子链段间的缠结点增 加。当体系受外力剪切作用时，一方面，部分氢键 断裂，分子间产生解旋作用，另一方面，淀粉分子链 与瓜尔豆胶分子链段间的缠绕作用增加了流体中 分子链节的顺向性，使体系剪切变稀性增强，《值降 低。但蜡质玉米淀粉中直链淀粉含量极少，因此， 复配体系的《值未显现显著变化。
表4淀粉/瓜尔豆胶复配体系拟合参数 Tab. 1 Parameters for starch/guar gum mixed systems
淀粉
m(淀粉）： m(胶体）
稠度系数K/
(Pa • sn)
流体指数n
触变环面积/ (Pa • s)
决定系数只2
10 : 0
31. 76±2 13d/23. 29±3. 07d
0. 35±0. 02/0. 31±0. 01a
2276±73e
0. 999 7/0. 996 3
9. 5 : 0. 5
65. 24±0. 63/55. 98±1. 27c
0. 24±0. 02b/0. 25±0. 01a
2614±22b
0. 994 3/0. 993 5
玉米淀粉
9. 0:1. 0
93. 87±1. 17b/73. 32±2. 26b
0. 22±0. 01b/0. 25±0. 02a
2647±135c
0. 993 7/0. 991 2
a 5:1. 5
127. 4±1. 0a/94 63±2. 23a
0. 21±0. 02b/0. 25±0. 01a
3536±156b
0. 994 1/0. 993 1
a 0:2. 0
128. 8±L 50a/97. 19±4 11a
0. 21±0. 02b/0. 25±0. 02a
3751±167a
0. 993 1/0. 992 7
10:0
29. 11±2 32/31. 06±1. 53e
0. 47±0. 01b/0. 46±0. 01a
3793±64a
0. 998 7/0. 997 1
9. 5:0. 5
40. 14±2. 79b/43. 31±1. 16d
0. 51±0. 01ab/0. 48±0. 02a
973±44b
0. 998 1/0. 997 6
蜡质玉米淀粉
9. 0:1. 0
47. 46±0. 71b/58. 46±2. 23e
0. 52±0. 00/0. 49±0. 02a
374±53c
0. 998 7/0. 999 2
a 5:1. 5
57. 72±1. 96/68 47±L 42b
0. 53±0. 01/0. 48±0. 01a
-479±113d
0. 999 1/0. 998 2
a 0:2.0
60. 51±1 12/73. 73±0. 77a
0. 53±0. 01/0. 48±0. 01a
一1079±75e
0. 998 6/0. 999 2
注：“”前数据为上行线拟合数据；/”后数据为下行线拟合数据。在同一列里的平均值（土标准差）所带的不同字母表示差 异显著（,<0. 05)。
添加胶体后，玉米淀粉复配体系的触变环面积 显著增加，蜡质玉米淀粉复配体系的触变环面积反 而降低，且当淀粉与瓜尔豆胶质量比小于9. 0 : 1. 0 时，表现出逆时针环状，即下行线高于上行线。这 表明玉米淀粉与瓜尔豆胶复配体系内部形成的网 络结构经外部剪切作用破坏后，很难在短时间内恢 复，因而，当慢慢撤去外力时，体系黏度的恢复滞 后，表现为触变环面积增加。胶体的添加可增加蜡 质玉米淀粉体系的网络结构，增强其抗剪切性。
2. 3动态黏弹性测定
图1为不同淀粉与瓜尔豆胶复配体系贮能模 量（G')、损耗模量（G〃）及损耗角正切值（tan幻随角 频率变化关系图。通过对比发现，复配体系的模量 值明显高于单独淀粉体系，且G'与G〃均随着胶体比 例的增大而逐渐升高。对玉米淀粉/瓜尔豆胶复配 体系而言，G'的频率依赖性增大，在高频率范围内， 淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究,G'随频率变化而增加的趋势更加明显。但蜡质玉 米淀粉复配体系表现出相反的变化趋势，胶体的添 加使其频率依赖性反而降低。对于凝胶体系而言， 频率依赖性的增强表明其体系内分子链段间的缠 结点增多[12]。通过对比胶体对贮能模量变化的影 响表明瓜尔豆胶与直链淀粉间存在着一定的相互 作用。
tan^为G〃与G'比值，tan^越大，表明体系的黏性比例越大，可流动性强，反之则弹性比例较大[13]。 从taM随频率的变化可以看出，玉米淀粉复配体系 在低频率范围内具有更高的可流动性，在高频率范 围内则弹性比例增加，胶体对玉米淀粉体系黏度的 影响取决于频率的变化。而蜡质玉米淀粉添加胶 体后，复配体系整体黏性比例增加，结构更为稳定， 表现出更优越的黏弹性。
0.5
0.4
0.3
0.2
■ m(WCS) ： m(GG)=10 ： 0 A m(WCS) ： m(GG)=9.5:0.5 ◄ m(WCS) ： m(GG)=9.0:1.0
•m(WCS) ： m(GGH-5:1.5
♦/n(WCS) ： m(GG)=8.0:2.0
00
19 98 8
H - - -
VI/
G GGGG G GGGG mm m m m
s s ss s c cccc w wwww
mmmmm
0^7 00
o
ea§
0I.5I.0I.5I.0.*.*""
100
0.
10
角频率/rad
(a)玉米淀粉与瓜尔豆胶
OAitsr〇〇
角頻率/rad -s1
(d)蜡质玉米淀粉与瓜尔豆胶
图1淀粉与瓜尔胶复配体系动态模量及随频率变化 曲线（实心图标代表G'空心图标代表（/)
Fig. 1Dynamic moduli and tan5 as a function of frequency
for starch/guar gum mixed systems! Closed symbols re¬present Gf； open symbols represent (/’）
2. 4淀粉与瓜尔豆胶复配体系微观结构
体系的微观结构与其流变特性是密切相关的。 微观观察结果发现（图2)，与添加了瓜尔豆胶的复 配体系相比，原淀粉呈现出一种松散、不均的网络 结构。
图2淀粉与瓜尔豆胶复配体系微观结构 Fig. 2Microstructure of starch and starch/guar gum mixed
syste
其中蜡质玉米淀粉颗粒片段较大，糊化程度更 高，玉米淀粉体系颗粒片段较小，表面可观察到大 小不均的孔洞。添加胶体后，瓜尔豆胶填充于淀粉 颗粒片段之间，使得复配体系的结构更为紧凑，均
一。通过比较两种复配体系，可以发现瓜尔豆胶与 蜡质玉米淀粉分子延展成光滑的片状结构，表面更 加光滑、致密。因此，蜡质玉米淀粉与瓜尔豆胶复 配体系的表现出更强的抗剪切性和抗触变性。
1)与单独淀粉体系相比，添加瓜尔豆胶可增加 复配体系的峰值黏度、终值黏度、崩解值及回生值， 瓜尔豆胶与直链淀粉间的相互作用可引起淀粉成 糊温度的降低。其中，玉米淀粉与瓜尔豆胶复配体 系表现出更高的协同增稠性。
2)静态流变试验结果表明添加瓜尔豆胶的复 配体系具有更好的增稠性，淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究,加入胶体后，玉米淀粉 体系的流体指数降低，触变环面积增大，蜡质玉米 淀粉体系流体指数未呈现显著变化，触变环面积减 少。流体指数的变化进一步表明胶体分子与直链 淀粉间的相互作用。
3)动态流变试验表明复配体系的模量值明显 高于单独淀粉体系，蜡质玉米淀粉添加胶体后，复 配体系整体黏性比例增加，结构更为稳定，表现出 更优越的黏弹性。
4)微观结构观察表明淀粉与瓜尔豆胶复配体 系呈现出更加均一、紧凑的结构。
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