藕淀粉和超微全藕粉的糊化特性研究

余清清，张美霞，陈光静，阚建全,2,3*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715) 2(农业部农产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(重庆)，重庆，400715)3(中匈食品科学联合研究中心，重庆，400715)

藕，又称莲藕(NelumbonuciferaGaertn)，睡莲科多年生植物，是我国种植面积最大的水生蔬菜[1]。莲藕富含淀粉、蛋白质、矿物质、维生素、生物碱等多种对有益的营养成分和生物活性成分，是一种价值较高的药食同源水生经济作物[2]，深受消费者喜爱。莲藕属于热敏性作物，在收获贮藏期间容易腐烂褐变，造成大量浪费，降低了其食用品质和商品价值。因此，有必要对莲藕进行加工处理加以保藏。目前市场上莲藕加工制品种类较多，传统的有水煮藕片、糖醋藕片、盐渍藕、姜藕、藕粉、藕汁饮料、清水莲藕罐头、果脯和糯米藕等[3-4]，但这些产品的附加值较低，缺少深加工。因此，应采用新工艺技术和设备促进莲藕的利用和开发。

超微粉碎技术是20世纪70年代为适应现代高新技术发展而产生的一种高科技含量的物料加工技术，其原理是利用机械或流体动力将粒径3 mm以上的物料颗粒粉碎至粒径10 ～ 25 μm以下的微细颗粒。研究表明，物料经超微粉碎处理后，淀粉颗粒的表观结构被破坏，结晶结构改变[5]，颗粒表面积和空隙率增加，能显著改善淀粉的理化性质，如分散性、溶解性、吸附性、化学活性以及生物活性等[6-7]。目前，国内外对淀粉超微化的研究主要集中在马铃薯淀粉[8]、小麦淀粉[9]、山药淀粉[10]、玉米淀粉[11]、绿豆淀粉[12]等，关于超微全藕粉的制备及其糊化特性的研究还鲜有报道。

糊化特性是反映淀粉品质好坏的一个重要指标[13]，对淀粉的应用及其深加工产品的质量有一定的影响。因此，本文以不同品种莲藕为原料，通过超微粉碎技术制备超微全藕粉，系统的对超微全藕粉和藕淀粉的糊化特性进行对比研究，以期为莲藕在食品工业中的加工与开发利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

莲藕于2015年8月采自重庆市大足莲藕生产基地，品种为莲藕9217、00-26、00-01，分别编号为1号、2号、3号样品(含直链淀粉质量分数分别为24.17%，25.57%，23.33%)；护色剂：苹果酸，柠檬酸，抗坏血酸，L-半胱氨酸。

1.2 仪器与设备

DHG-9240型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司；BFM-T6BI型翻转式振动碾磨混炼机，济南倍力粉技术工程有限公司；PF -I型冲击式超微粉碎机，青岛振中粉碎机械厂；Mastersizer MS-2000型衍射散射式激光测粒仪，英国MALVERN公司；LD5-2A离心机，北京医用离心机厂；NETZSCH DSC 200 F3型差示扫描量热仪，德国耐驰；Viskograph-E型BRABENDER连续黏度计，德国BRABENDER公司；TA-XT2i型质构仪，英国Stable Micro System公司；HZ-9211K型恒温振荡器，华利达实验设备公司。

1.3 方法

1.3.1 藕淀粉的制备

参考BAIK等[14]的方法。将3种新鲜莲藕洗净去皮，切块粉碎后过滤，静置12 h，弃去上清液，并用蒸馏水清洗下层沉淀，再静置6 h，反复水洗沉淀3次。将沉淀置于60 ℃烘箱中烘干，粉碎后过100目筛，得藕淀粉样品，编号为1-淀粉、2-淀粉和3-淀粉。

1.3.2 超微全藕粉的制备

参考吴卫国等[13]的方法并加以改进。将洗净的新鲜莲藕去皮后在60 ℃的护色剂(苹果酸0.25%，柠檬酸0.15%，抗坏血酸0.15%，L-半胱氨酸0.15%)(质量分数)中浸泡15 min，取出，切成2 ～ 3 mm的薄片，平铺于70 ℃热风干燥箱内干燥8 h(控制水分含量在8%左右)后取出，于粉碎机中粗粉碎后再超微粉碎30 min，分别过100、200和300目样品筛，得到不同粒径的超微全藕粉样品，编号为1-100、1-200、1-300、2-100、2-200、2-300、3-100、3-200、3-300。

1.3.3 粒径分布测定

参考ZHANG等[15]的方法，采用激光粒径测定法测定各组粉末的粒径分布。

1.3.4 淀粉热特性测定

参考OCLOO等[16]方法，采用差示扫描量热仪法(differential scanning calorimetry，DSC)。称取10.0 mg左右样品于铝盘中，加入蒸馏水使样品达到质量分数为40%，将样品密封并在室温下平衡水分1 h，放入DSC测试仪中检测，样品盘以10 ℃/min的速率从40 ℃加热至100 ℃。

1.3.5 溶解度和膨胀度测定

称取用105 ℃干燥箱烘干至恒质量的1 g淀粉样品，置于离心管中配制质量分数为2%的淀粉乳，95 ℃水浴加热下搅拌30 min，冷却后3 000 r/min下离心20 min，吸取上层清液水浴蒸干，烘干(105 ℃烘至恒重)后称量，即溶解度为上清液淀粉干燥后质量与淀粉干质量之比；称量离心管中沉淀的重量，即膨胀率为沉淀物与淀粉干质量之比。

1.3.6 冻融稳定性测定

以质量分数6%的浓度配制莲藕淀粉乳，沸水浴加热30 min后，冷却至室温。称取一定量的淀粉糊于离心管中，放置于-20 ℃冰箱中冷冻24 h后取出，自然解冻后3 000 r/min下离心20 min，弃去上层清液，称取沉淀物质量，以成型情况和析水率为淀粉糊冻融稳定性的评价指标。其中，析水率/%=(淀粉糊质量-沉淀物质量)/淀粉糊质量×100。

1.3.7 酶解率测定

参考并修改弓志青等[17]的方法。称取1.0 g样品(W)置于30 mL磷酸缓冲液(0.2 mol/L、pH 6.9)中，沸水浴加热30 min。待其冷却到25 ℃后加入320 IU的α-淀粉酶，于30 ℃条件下振荡酶解14 h，最后加入5 mL 10 g/L的硫酸终止酶解反应。4 000 r/min下离心10 min，用80%乙醇洗脱未被酶解的产物，再次离心后，于80 ℃烘箱内将沉淀物干燥至恒重(P)。以每个样品在不加酶的条件下做相同操作为空白，校正可溶性糖(A)的含量。淀粉酶解率表示为酶解后淀粉减重率，即:

(1)

1.3.8 BRABENDER糊化黏度曲线的测定

参考RUTKAITE、黄立新等[18-19]的方法并加以修改。称取一定量样品，加420 mL蒸馏水配制成质量分数6%淀粉乳，倒入测量筒中，75 r/min搅拌均匀，从35 ℃开始以1.5 ℃/min的速度加热到95℃后保持30 min，再以1.5 ℃/min的速度冷却至50 ℃后保持30 min，结束测定。

1.3.9 凝胶机械性质测定

由前期预实验可得，藕淀粉在较低的浓度下即可形成较好的凝胶，而超微全藕粉须在较高的浓度下才能形成较好的凝胶。因此，在研究浓度对凝胶性能影响时，设定藕淀粉的浓度梯度为6%～10%(质量分数)，超微全藕粉的浓度梯度为11%～15%(质量分数)。参考吕振磊等[20]的方法，稍作修改。用藕淀粉分别配制为质量分数6%，7%，8%，9%，10%浓度的淀粉乳，超微全藕粉配制为质量分数11%，12%，13%，14%，15%浓度的全粉乳，搅拌均匀后在沸水浴中加热糊化30 min，取出冷却至室温后密封，4 ℃冰箱中冷藏。24 h后采用TA-XT2i质构仪对样品凝胶质地进行测定，利用其自带的数据处理软件texture profile analysis(TPA)分析数据。测定条件：TPA模式，P/5探头，触发力5 g；距离：15 mm；测前速度：5.00 mm/s；测试速度：1.00 mm/s；测后速度：5.00 mm/s。每个样品重复测定12次，结果取平均值。

1.4 数据处理

本试验除特殊说明外，所有样品均进行3次平行测定，结果取3次测定平均值，采用Excel 2010和Origin 9.0分析软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 藕淀粉和超微全藕粉的粒径分布

淀粉颗粒的大小和形状的差异可能源于其品种的生物学差异[21]，一般用颗粒的长轴长度来表示淀粉颗粒大小。由表1可知，1号、2号、3号藕淀粉的平均粒径分别为44.568 μm、39.674 μm、43.409 μm，其中2号藕淀粉颗粒粒径相对较小，1号和3号藕淀粉颗粒粒径分布相近。同一品种超微全藕粉颗粒的粒径分布比藕淀粉宽，藕淀粉的平均粒径显著低于100目超微全藕粉，高于200目和300目超微全藕粉，且随着目数的增大，超微全藕粉粒径分布更均匀，这是因为超微粉碎处理破坏了全藕粉的颗粒结构，颗粒粒径显著降低。对于颗粒粒径来说，粒径分布越均匀，颗粒的理化性质越接近。因此，在食品加工中对全藕粉采用超微粉碎处理，可以改善添加全藕粉的粗糙感。

2.2 藕淀粉和超微全藕粉的热特性分析

糊化是淀粉应用的关键环节，淀粉在水中通过加热提供足够的能量，结晶胶束区较弱的氢键被破坏，颗粒开始吸水膨胀，结晶“溶解”，大部分直链淀粉溶解到溶液中，淀粉粒解体，从而完成糊化形成黏稠的糊状物[22]。由表2可知，1号、2号、3号藕淀粉的糊化温度分别为62.4、61.1、63.9 ℃，低于同品种超微全藕粉的糊化温度；对于同一品种的超微全藕粉，粒径越细，颗粒的糊化温度越低，糊化结束的温度也越低。这可能是由于超微全藕粉含有蛋白质、脂类等物质，与淀粉相互作用形成复合物，使淀粉的膨胀力下降，糊化温度升高。同样可以看出藕淀粉糊化所需吸收的热量明显高于同品种超微全藕粉，这是因为超微粉碎使淀粉颗粒结构变得松散、晶体结构被破坏程度更大[23]，水分子渗入到颗粒内部藕淀粉使颗粒溶胀变得容易，淀粉分子有序化程度降低，说明藕粉的超微粉碎处理为水分子的进入提供了良好的条件，使全藕粉的热特性得以提升。

表1 藕淀粉和超微全藕粉颗粒的平均粒径分布单位：μm

注：D0.1表示粒径小于该直径的颗粒占10%；D0.5表示样品中大于该粒径和小于该粒径的颗粒各占50%；D0.9表示粒径小于该直径的颗粒占90%；D表示颗粒的平均粒径。

表2 藕淀粉和超微全藕粉的热特性值Table 2 Lotus root starch and super-fine whole lotus root stzrch thermal properties value

注：表中同一列数据的上标中，不同小写字母表示差异显著(p<0.05)，相同小写字母表示差异不显著(p>0.05)，表3和表4同。

2.3 藕淀粉和超微全藕粉的溶解度和膨胀度分析

淀粉的溶解度和膨胀度与淀粉食品的工艺学特性密切相关，其大小与淀粉粒的大小、形态及分子质量等有关，反映了淀粉的水和能力[24]。

由图1可知，随着温度的升高，藕淀粉和超微全藕粉的溶解度逐渐增加。淀粉分子在常温下很难溶于水，但温度升高时，淀粉分子内部的氢键被切断，晶体结构被破坏，水分子逐步从颗粒表面扩散到分子内部，溶解度升高。在相同温度下，超微全藕粉的溶解度显著高于藕淀粉；随着颗粒粒径减小，超微全藕粉的溶解度逐渐提升。这是由于全藕粉经超微粉碎后，颗粒结构被严重破坏，表面积和空隙率的增加使水更容易接近，溶解度增加[6]；同时全藕粉还含有大量水溶性蛋白质，多糖及矿物质等物质，所以溶解度显著增加。随着颗粒粒径减小，超微全藕粉的比表面积增加，使全藕粉的溶解性、分散性增加[25]。因此，经超微粉碎处理的全藕粉有良好的溶解性，适于生产速溶、方便食品。

图1 温度对藕淀粉和超微全藕粉溶解度的影响Fig.1 Effect of temperature on the solubility of lotus root starch and super-fine whole lotus root starch

由不同温度梯度藕淀粉和超微全藕粉的膨胀度测定结果(图2)可知，随着温度的升高，藕淀粉和超微全藕粉的膨胀度增加。主要是因为随着温度的升高，淀粉颗粒吸水性增强，体积膨胀。相同温度下，超微全藕粉的膨胀度高于藕淀粉，这可能是因为全藕粉含有蛋白质、膳食纤维等物质，吸水性增强，膨胀度增加。同时超微粉碎过程中的机械力作用使淀粉的晶格结构被破坏，促进了水分子和淀粉分子游离羟基的结合，其溶解度与膨胀度增加；淀粉颗粒粒径越小，遇水易发生团聚，导致水分子不易进入团粒核心，膨胀度降低[26]。由图2还可以看出，不同品种藕淀粉的溶解度和膨胀度存在差异，在95 ℃时，1号、2号、3号藕淀粉的溶解度分别为3.2%、3.37%、2.58%，其膨胀度分别为31.3%、21.9%、32.5%，其中2号藕淀粉的溶解度最大，膨胀度最低，这可能与其直链淀粉含量最高有关。

图2 温度对藕淀粉和超微全藕粉膨胀度的影响Fig.2 Effect of temperature on the swelling ratio of lotus root starch and super-fine whole lotus root starch

2.4 藕淀粉和超微全藕粉的冻融稳定性

淀粉的冻融稳定性可以用析水率来反映，析水率越低，表明淀粉的冻融稳定性越好，反之越差。由表3可知，藕淀粉的析水率明显低于同品种超微全藕粉的析水率，即超微全藕粉的冻融稳定性远低于藕淀粉，且从外观看，藕淀粉凝胶较硬，超微全藕粉凝胶较软。可能是由于在冷藏期间，超微粉的淀粉分子由于颗粒结构的破坏而易于取向排列，形成氢键，使结合水游离，淀粉糊的持水能力和抗冷冻能力降低[27]。此外，由表3还可知，随着超微全藕粉粒径的减小，淀粉糊的析水率逐渐增大。这说明超微粉碎处理降低了全藕粉的冻融持水能力，其抗冷冻能力减弱，低温稳定性较差，不宜用做冷冻及冷藏食品的原料或配料。

2.5 藕淀粉和超微全藕粉的α-淀粉酶酶解率

淀粉酶解率取决于淀粉本身固有的特性如粒径、结构、表面特性以及非淀粉成分与淀粉间的相互作用等因素[27]。由表3可以看出，同一品种的藕淀粉其α-淀粉酶酶解率显著高于超微全藕粉，即超微全藕粉的抗α-淀粉酶酶解率较好，这可能是因为全藕粉含有较多α-淀粉酶不能水解的蛋白质、膳食纤维等物质，其淀粉含量相对低于藕淀粉。不同粒径大小的超微全藕粉其α-淀粉酶酶解率随着粒径的减小而降低。可能是由于全藕粉在超微粉碎过程中，部分淀粉的结晶性被破坏，损伤淀粉增加，淀粉的持水力和膨胀度下降，酶与底物的接触机会减小，酶解率下降[17,28]。

表3 藕淀粉和超微全藕粉的冻融稳定性和α-淀粉酶酶解率Table 3 Lotus root starch and super-fine whole lotusroot starch freeze-thaw stability and α-amylasehydrolysis rate

此外，不同品种藕粉的酶解率也不同，3号淀粉的酶解率最高，1号淀粉的酶解率最低。

2.6 藕淀粉和超微全藕粉的BRABENDER黏度分析

不同品种藕淀粉的糊化起始温度、峰值黏度等特征值见表4。由表4可以看出，藕淀粉的糊化温度低于同品种超微全藕粉；超微全藕粉的糊化温度和峰值温度都随着淀粉粒径的减小而降低，这和DSC测定的结果一致。藕淀粉在各个关键点的黏度值均高于超微全藕粉，这可能是因为超微粉碎过程中的机械力作用使淀粉分子结构被破坏，小分子数量显著增加，对流动产生的黏性阻力增加，表观黏度显著降低[29]。全藕粉经超微化处理后，淀粉颗粒几乎不表现其溶胀性，使得淀粉溶液中的自由水分充足，黏度值很低，因此黏度的变化小，无显著差异。其中100目超微粉在各个关键点的黏度值高于200目和300目的超微粉，200和300目超微粉的黏度值差异不明显。

表4 藕淀粉和超微全藕粉的布拉班德黏度数据Table 4 Lotus root starch and super-fine whole lotus root starch Brabender viscosity data

降落值是峰值劲度与保持劲度的差值，反映淀粉颗粒的崩解程度及黏度的热稳定性；淀粉的降落值越小，热糊稳定性越好。回升值反映了淀粉糊冷却时形成凝胶性的强弱以及淀粉糊的冷稳定性；回升值越小，表明淀粉糊的抗老化性能较好。由表2可以看出，藕淀粉的热稳定性和抗老化性能都显著低于超微全藕粉，这是因为超微粉碎破坏了全藕粉的颗粒结构，淀粉颗粒粒径减小，导致淀粉糊凝沉现象的发生，提升了超微粉的凝胶性能[30]。随着超微粉粒径的减小，淀粉糊的热糊稳定性与抗老化性能变好。由于200目和300目超微粉的颗粒结构几乎全被破坏，其淀粉糊黏度变化相对稳定，小于相对较完整的100目超微粉。不同品种藕粉的降落值按下列顺序依次降低：1号淀粉>2号淀粉>3号淀粉；回升值按下列顺序依次降低：3号淀粉>2号淀粉>1号淀粉。超微粉淀粉糊的黏度虽低于藕淀粉，但稳定性较好，因此，在食品加工中添加超微全藕粉不会影响产品的贮藏稳定性。

2.7 藕淀粉和超微全藕粉的凝胶特性

凝胶主要是淀粉糊化后从淀粉粒中渗析出来的直链淀粉分子的缠绕和有序化[31]，淀粉糊化后所形成凝胶的弹性、强度等特性对淀粉食品的口感及凝胶体加工、成型性能等都有较大影响。

淀粉糊的凝胶强度是由淀粉降解引起的，表现为脱水收缩和支链淀粉的结晶[32]。由图3可知，随着藕淀粉和超微全藕粉凝胶浓度的增加，凝胶强度逐渐增加，因为凝胶浓度增加的同时增加了淀粉分子淀粉链之间交联作用，形成局部紧密积聚状的不溶于水的非结晶状凝胶[33]，凝胶强度增强。3个品种的超微全藕粉与藕淀粉相比较，均须在较高的浓度下才能形成较好的凝胶，且随着全藕粉粒径的减小，凝胶强度变差。这是由于全藕粉受到超微粉碎的机械力作用，颗粒结构被破坏，从而导致淀粉糊的凝胶质地疏松，硬度、强度弱。此外，200和300目超微粉的淀粉颗粒被严重破坏，颗粒粒径较小，两者之间的凝胶强度差异不显著(p<0.05)。

图3 藕淀粉和超微全藕粉的凝胶浓度对其凝胶强度的影响Figure 3 Lotus root starch and super-fine whole lotus root starch gel concentration on the gel strength

由图4可得，随着藕淀粉和不同粒径超微全藕粉凝胶浓度的增加，其凝胶弹性缓慢增加。这是因为凝胶浓度的增加，增加了凝胶体系的有效交联数目，凝胶弹性增加。随着超微全藕粉粒径的减小，其凝胶弹性变差，这可能是因为全藕粉在超微粉碎后，晶体结构改变，分子交联松散，使得形成的凝胶弹性降低。3个品种的藕淀粉和超微全藕粉的凝胶强度曲线、凝胶弹性变化曲线相似，凝胶浓度相同时，2号淀粉的凝胶强度、凝胶弹性最大，3号最小，可能与其直链淀粉的含量有关。

图4 藕淀粉和超微全藕粉的凝胶浓度对其凝胶弹性的影响Fig.4 Lotus root starch and super-fine whole lotus root starch gel concentration on the gel elastic

3 结论

(1)相同品种的超微全藕粉和藕淀粉的糊化特性变化趋势相似，但超微粉碎后的全藕粉颗粒粒径减小，糊化温度、溶解性和膨胀度提升，糊化所需要的能量降低，冻融稳定性变差；粘度显著降低、稳定性好，在较高浓度11%时才能形成凝胶，且形成的凝胶强度低、弹性好。

(2)随着超微全藕粉粒径的减小，颗粒粒径分布更均匀集中，溶解度提升，膨胀度、冻融稳定性和酶解率降低，淀粉糊粘度的热稳定性和冷稳定性较好，其中200目和300目超微全藕粉的糊化特性相近。因此，对全藕粉进行适度的超微粉碎后，能显著降低其颗粒粒径，改善其糊化特性与加工特性。