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玉米淀粉與黃原膠復配體系流變和凝膠特性分析

發布日期:2015-04-26 21:34:09
凝膠
  淀粉與非淀粉類親水件膠體是食品中兩類重要的組 分,在現代食品工業中,兩者通常被共同應用于食品體 系中,以起到控制水分流動、提高整個產品的質量和穩 定性,簡化加工工藝等作用⑴。將淀粉與膠體復配使用, 發揮兩者間的協同互補作用,既可克服原淀粉本身性能 的不足,降低用量及產品成本,又可擴大淀粉和膠體的 應用范圍,使其廣泛應用于飲料、肉制品、焙烤食品以 及調味品等的生產中。
  
  淀粉糊化后能形成具有一定彈性和強度的凝膠,凝 膠的黏彈性、強度等特性直接影響到淀粉質食品的加工 性能及品質,加工過程中原料的輸送、攪拌、混合、能 量的損耗等均與凝膠體的流變特性密切相關lwl。因此, 關于淀粉與膠體復配體系流變和凝膠特性的研究極為重 要。玉米淀粉(cornstarch, CS)是可利用的最廉價的淀 粉,其流變和凝膠特性有助于使調料既具有稠性又始終 為短性糊絲,可做宰售業或公共飲食業的增稠劑141。但因 其易老化,凍融穩定性差,限制了在長貨架期和冷凍食 品中的應用。Ramsdem15"61等的研究表明,黃原膠(xanthan gum, XG)可有效地抑制玉米淀粉的回生,提高其增稠性和凍融穩定性。六11〇11(:1,1等比較了黃原膠、瓜爾膠和 刺槐豆膠對玉米淀粉糊黏彈性的影響,結果表明黃原膠 對玉米淀粉的黏彈性的增加作用最為顯著。而后,Sikora【8J 等將玉米淀粉與黃原膠復配后,作為增稠劑應用于可可 糖漿中,從感官評定,質構和流變學性質等多方面評價 了其應用效果。目前,國外對玉米淀粉與黃原膠復配體 系糊化和回生特性的研究報道較多,對其流變和凝膠特 性的報道較少。
  
  國內關于淀粉與膠體復配的研究報道甚少,柴春樣[9] 等考察了黃原膠與馬鈴薯復配體系的靜態與動態流變學 特性。表明黃原膠可增加馬鈴薯淀粉體系的黏彈性。對 玉米淀粉與黃原膠復配體系的研究還未見報道,目前還 缺乏系統、全面的研究。本文以玉米淀粉為原料,加入 不同比例的黃原膠,利用動態流變儀、物性測試儀和掃 描電鏡,研究兩者復配后體系流變和凝膠特性的變化, 為更好的在食品工業中應用玉米淀粉/黃原膠復配體系及 品質控制提供參考。
  
  1材料與方法1.1材料與試劑玉米淀粉:山東諸城興貿玉米開發有限公司提供, 含水率13.6%;黃原膠:蘇州丹尼斯克(中國)有限公司 提供,含水率9.5%。
  
  1.2儀器與設備AR-100型流變儀(美國TA公司),XT21-物性測 試儀(美國TA公司),QUANTA-200型掃描電子M微 鏡(美國FE丨公司)。
  
  10aM/-R5IS琮1.3試驗方法1. 3. 1樣品制備依據前期預試驗結果,選取5個不同配比玉米淀粉/ 黃原膠復配體系(10 : 〇, 9.5 : 0.5, 9.0 : 1.0, 8.5 : 1.5, 8.0 : 2,0,質量比,g/g)。準確稱取不同配比的玉米淀粉 /黃原膠樣品,加入去離子水調成質量分數6%的玉米淀粉 與黃原膠懸浮液(以千基計),置于磁力攪拌器上800 r/min水化30 mim然后于沸水浴中加熱糊化15 miru 1, 3. 2流變特性的測定流變特性的測定均取用按1.3.1方法調制成的樣品? 采用平板-平板測量系統,平板直徑4 cn^設置間隙0.5 cm,加入樣品,刮去平板外多余樣品,加上蓋板,并 加入硅油以防止水分蒸發。每次測試均需更換樣品。
  
  靜態剪切流變的測試:在25°C F,測量剪切速率(7) 從0?300 s“遞增,再從300 s“?0遞減范圍內樣品變化 情況。采用Herschel-Bulkley模型對數據點進行回歸擬和, 決定系數表示方程擬和精度。Herschel-Bulkley方程:0=(7〇+^( 1 )
  
  式中,代表剪切應力,Pa; (To代表屈服應力,Pa: /T代 表稠度系數,Pa s": y為剪切速率,s _; ?代表流體指數》 動態黏彈性測定:溫度25T:,掃描應變1%.測定由 低頻率(0.1 Hz)至高頻率(10 Hz)內貯能模量(G')、 損耗模量(Gw)及損耗角正切值(tan<5=GK/G0隨角頻率 的變化。
  
  動態時間掃描測定:溫度4X:。頻率設定為0.5 Hz, 掃描應變1%,測定2h內樣品彈性模量(G)和taW的變化。
  
  1.3. 3凝膠廣構測定取用按1.3.丨方法調制成的淀粉/黃原膠復配物,直接 在4X:下冷藏。24 h后取出放置至室溫,采用物性測試儀 對凝膠進行質地剖面分析。測定條件:測前速度為 l.Omm/s,測試速度l,0mm/s,測后速度1.0mm/s,觸發 力0.049N,壓縮程度40。/〇?
  
  1. 3. 4掃描電鏡觀察將按丨。3.1方法調制成的玉米淀粉和玉米淀粉/黃原 膠復配灃系(9.0 : 1.0, g/g)兩個樣品,進行冷凍干燥后, 用四氧化鋨氣體在密壁容器內固定4 h,然后經離子濺射 儀噴金,于掃描電子顯微鏡下進行觀察。
  
  1. 3. 5統計分析所有試驗均重復3次,采用DPS軟件計算平均值和 標準差,使用Tukey法(p<0.05)比較平均值之間的差異性。
  
  2結果與分析2.1靜態剪切流變特性的測定由圖I可見,黃原膠比例不同的淀粉糊在流動過程 中所需的剪切應力隨著剪切速率的增加而增大,隨著膠 體比例的增加,復配體系流動過程中所需的剪切應力減 小?依據冪定律(Herschel-Bulkley)對各曲線數據點進 行擬合(見表1).結果顯示決定系數及2均在0.99以上, Herschel-Bulkley模型對曲線具有較高的擬合精度*屈月S 應力%大于0,流體指數n小于丨,表明玉米淀粉/黃原 膠復配體系為典型的屈服一假塑性流體叫。添加黃原膠 后,復配體系上行曲線與下行曲線的稠度系數尺顯著增 加,內及n值降低,說明復配體系具有更強的增稠性及 假塑性,更易剪切稀化。統計分析結果表明,黃原膠比 例為10%時。復配體系的A:,辦及《值顯著增加,大于 10%時,增加不再顯著。
  
  玉米淀粉:霣SK質*比 ■■0.0:0上療 C3 10.0:0 卜’療 *9.J:0.5±9.5;0.5T f49 0 I.OJ: f< ^〇:l 〇T f ? 85 1.5上亍O 85:1.5卞亍 ?80 2 0衛檸? 8.0:2 0下疔■0100200300剪切速率/s-1圖丨玉米淀粉/黃原肢復配體系靜態流變曲線 Fig.l Flow curves of com starch/xanthan gum mixed systems表1玉米淀粉/黃原膠復配體系Herschel-Bulkiey方程擬合參數 Table 1 Herschel-Bulkley parameters for com starch/xanthan gum mixed systems樣品配比(玉米淀粉:黃原膠)/ (8R1)屈贗應力tVPa稠度系數s°)流體指數n決定系S/f2觸變環面枳/(Pa-!
  
  100:028.37±2.5I*/I8*15±0.76*7.25±1.49b/8.31土 I.6060.53±〇。〇2*/0.51±〇。〇1*0.997/0.9%2276*73.50"^.5 : 0.521.68±1.72b/l5.7S±1.59*\\M±2Mb/\\M±\.09lKOJ7±0.01b/0.38±0.0〇b0.999/0駕1064±27.39b9.0 : L08.94±0.57</8.|〇*〇。36b20.7H2.45*/16.92±r.85ib0.26±0.0lc/0.2^〇。〇2<0.994/0.997907±47.60c8.5 : L58.69*0^1 e/r7.83±8.i5b22.88±0.78*/l 8.24±081 *0.21±0,0\^26±0.0\^0.9%/0.995851±37.20c8.0 : 2.08.59±0.30c/6.89±6.67b25.90±2.74*/24.l9±3,74*0.22±0.01d/〇。2(W).〇1*0.998^.997-51 士21.93d注:前數據為上行線擬合數據?后數據為下行線擬合數據*在同列里的平均值(土標準差)所帶的不同字母表示差異顯著W05)
  
  剪切稀化是剪切引起的分子形變伴隨著流體力學相 互作用的變化及其作用下大分子既旋轉又形變的狀態。 在淀粉糊中,線性大分子鏈(主要為裒鏈淀粉)彼此之 間相互繩結,使得由分子相對運動引起的流動變得困難。 當受到剪切作用時,分子結構被拉直取向,編結點減少?
  
  流動阻力降低,從而使表觀黏度下降|IM2|?黃原膠是由3 種不同單糖(D-甘露糖、D■葡萄糖、D-葡萄糖醛酸)構 成的高分子雜多糖,由于自身負電荷間的相斥性使之分 子內無法形成氫鍵,分子鏈較為舒展fl'因而。易于與 淀粉分子間相互作用形成氫鍵,使得分子鏈段間的纏結 點增加。對流動產生的黏性阻力增強,使剪切稀化程度 增加。同時,分子纏結使得其體系黏度增加,因此,復 配體系表現出更高的增稠性。
  
  觸變性是水溶性高分子溶液重要流變學特性之一。 淀粉經外部剪切作用后,由于內部結構破壞而使表觀黏 度不同程度回升,因而呈現出具有不同面積大小的滯后 回路,黏性保持好,觸變環面積小,用觸變環面積可以 確定淀粉結構被打破所需要能量[14_|5]。由圖1和表1 可知,隨著膠體比例的增加,復配體系觸變環面積顯著 減小,當玉米淀粉與黃原膠比例為8.0: 2,0 g/g時,體 系曲線表現出逆時針環狀,這表明此比例下的復配體系 經剪切作用后,在短時間內形成新的結構體系,從而導 致流動阻力增大,與上行曲線相比,下行曲線剪切應力 增加。
  
  2.2動態黏彈性測定糊凝膠體系的動態黏彈性與其實際應用性能直接 相關。貯能模量(G0代表能量貯存而可恢復的彈性質, 損耗模量(G")代表能量消散的黏性性質1'由圖2可 見,所測樣品的可見,所測樣品的G均遠大于G、損 耗角正切值(tan<D小于1, G'與G"隨頻率增加而上升, 表現為一種典型的弱凝膠動態流變學譜圖[17]。添加黃原 膠后,復配體系的G*和G"均顯著增加,且隨著黃原膠 比例的增加而增大,復配體系表現出更為優越的黏彈 性?這進一步表明復配體系結構內部的分子鏈段間的纏 結點增多,凝膠體系網絡結構加強。tanj為G"與(7比 值* tan?5越大,表明體系的黏性比例越大,流動性強,反之則彈性比例較大與玉米淀粉相比,復配體系taM 的頻率依賴性降低,當玉米淀粉與黃原膠比例為8.0 : 2.0 g/g時^ tar^最高,復配體系具有更好的協同增稠作用。 2.3動態時間掃描的測定淀粉回生的重要表現是G'S著升高,tan<5變小。在 回生的初始階段(糊化后的幾小時內),主要為滲漏的 直鏈淀粉分子間進行定向遷移,分子間沿鏈排列的大量 羥基通過鏈間氫鏈與鄰鏈上的羥基相結合。形成三維凝 膠網狀結構,導致C7快速升高G'值可作為直鏈淀 粉的回生量度。
  
  玉米淀粉:黃垛膠質童比/(gf1) ?10:0(7 ^ 10,00*▲9.5 0.5 (7,A 9.5:0 5 CT -?9 0:1.0 G'<9.0:\.OGm ?8.5:1.5^0 8.5:1.5 GH *8.02,0 Gr^8.0;20G"|00|10斤0.300.25I10角頻率/(rs“) a.貯鴕鎮童和損耗模量玉米淀粉:黃垛膠庇董比° 10:0msA 9 5:0,5〇 8 0:2.0〇 9.0:1.0IOO1加角頻率/(r〇 b.
  
  圖2玉米淀粉與黃原膠復紀體系動態樓量及 taiu5隨頻率變化曲線Fig-2 Curves of dynamic modulus and lan<5 with frequency of corn starch/xanthan gum mixed systemsBOOO圖3為不同配比的玉米淀粉/黃原膠復配體系在加熱 糊化后2 h內貯能模量(G)與(and隨時間變化曲線。在測 量的初始階段,復配體系的G'大于單獨玉米淀粉凝膠體 系的G',這亦與動態黏彈性的測定結果一致。隨著時間 變化,兩者G'值均逐漸增加,同時伴隨著ta^的逐漸降 低。與復配體系相比,玉米原淀粉凝膠體系£7在最初 30min內升高很快,然后增長速度延緩,進入較穩定階 段。復配體系G'增長速度隨著黃原膠比例的增加而延 緩,最終,復配凝膠體系的G'反低于玉米淀粉凝膠體系 的G'。表明,復配體系在短時間內具有更好的穩定性, 其應用于食品中時可更好地改善因產品老化而產生的 品質變化。黃原膠對淀粉短期回生的抑制作用主要存在 以下兩方面的原因,一方面,黃原膠的添加避免了淀粉 體系內海綿狀結狀結構的形成發展,從淀粉顆粒中析出 的直鏈淀粉與黃原膠結合,減少了淀粉自身的結合《另 一方面,水作為增塑劑苻助P淀粉分子鏈的遷移,參與淀粉分子鏈的重結晶,而黃原膠具有較強的親水性*與 水的結合能力強。因此,復配體系內的淀粉分子鏈由于 自由水含曼的減少,重排變得困難,降低了淀粉的冋生 程度I2122、2.4玉米淀粉與黃原膠復配體系凝膠質構分析由表2凝膠質構分析結果來看,與玉米原淀粉相比, 添加黃原膠引起了復配體系凝膠硬度值、彈性值、內聚 性及黏合度降低。但變化趨勢未隨黃原膠添加比例的增 加Iftf早現規律性變化。其中內聚性和黏合度隨著黃擬膠 比例的增加呈現出先降低后升高的趨勢,淀粉凝膠的硬 度與直鏈淀粉含量密切相關?‘般而言,直鏈淀粉含量越大,分子相互間交連和纏繞的程度就越高,由此淀粉 凝膠的強度越大,支鏈淀粉分子的相互纏繞則使得淀粉 凝膠Jt冇軟的結構而+易破壞l2KMI。黃原膠的添加阻礙 了 i_i鏈淀粉分子間的聚集重排,削弱7■直鏈淀粉分子間 的作用力,黃原膠與淀粉分子間的纏繞使其復配體系形 成了質地更為柔軟的凝膠。
  
  統計學分析表明,當黃原膠比例大于10%.即玉米 淀粉與黃原膠比例小于9.0: 1.0g/g時,復配體系凝膠的 稠度系數(/〇和硬度變化不再顯著。即增稠作用和抑制回 生效果不再顯著。因此應用中選擇玉米淀粉與黃原膠的 比例為9.0: 1.0g/g時較為適宜。實際生產中若代替木薯 交聯酯化淀粉作為增稠劑應用于醬類食品時,可節約成 本約40%。
  
  表2玉米淀粉/黃原膠復配體系凝膠質構參數 Table 2 Parameters of texture profile of com starch/xanthan gum mixed systems樣品配比(玉米淀粉:黃 原膠)/(g'g1)硬度/N彈性/Nxi〇J內聚性黏合度/N*s10 : 0|,202±0.065*9.095±0.029a0.658*0.010*-0.434*0.003*9.5 : 0.50.800H).058b8.950^0.012*0.620^0.006^4)237*0.005"9.0 : 1.00.233±0.030e9.006*0.020*0.533±0,007,1■0190*0.004*8.5 : 1,50,2l8±0.032e8.820*0.059h0.576±0.003c-0.225i0.0024*8.0 : 2.00.202±0.010"8,869±0.049^0.577^0.025"^.270±0.005b2,5玉米淀粉與黃原膠復配體系微觀結構選用玉米淀粉/黃原膠比例9.0: 1.0 g/g,觀察復配 體系微觀結構的變化。由圖4可見,添加黃原膠后,復 配體系的微觀結構發生拔著變化,凝膠表面孔洞大小和 分布的均勻性存在顯著差異?玉米淀粉糊化后的凝膠體 系(圍4a)存有大量淀粉顆粒碎片,表面結構較為ffi糙。 孔洞多,且分布不均勻,結構松散。加入與原膠后(圖 4b),復配體系表而孔洞縮小,數量減少,與玉米原淀 粉相比,更為光滑。黃原膠填充于淀粉顆粒片段間■與 浲漏出的直鏈、支鏈淀粉組成了較為均勻的連續相,形 成了結構致密的類終窩狀結構,微觀結構的顯著變化導 致了復K體系與玉米原淀粉體系間流變及凝膠特性的 不同,玉米淀粉/黃原膠復K體系表現出更好的協同增效 性。
  
  圖4玉米淀粉與黃原肢復配體系微現結構(放大锫數x丨60) Fig.4 Microstructure of CS and CS/XG mixed system ( * 160 times)
  
  3結論1)玉米淀粉與黃原膠可通過分子間的相互作ffl而達 到協同增效的作用,復配后的體系具有更商的稠度系數/C 及動態模量?在外力剪切作用下> 體系的流體指數《降 低,假塑性增強*2)在冷卻階段,黃原膠與直鏈淀粉分T間發生相互 作用,從而使分子鏈段間的纏結點增多,膠體與淀粉分子 段間的作用延緩及肌ih 了部分直鏈淀粉分子之間凝膠化 作用,抑制了淀粉由于自身分子鏈的審:排而引起的回生。 與原淀粉凝膠體系相比,復配體系糊化后2 h內的K能模 竜CT增長速度延緩。放置24 h后形成的凝膠硬度更低。
  
  3)與玉米原淀粉相比,復配體系的微觀結構發生顯 著變化,形成了更為均勻致密的類蜂窩狀結構。
  
  綜合考慮成本和復配效果,表明在實際應用中選擇 玉米淀粉與黃原膠的比例為9.0: 1.0g/g較為適宜。復fill 是一種成本低、效果好、工藝簡單、適合工業化生的方 法,采用復配的方法,可改善玉米淀粉本身性能的不足。 從而減少或替代變性淀粉在食品屮的應用。對玉米淀粉 與黃原膠復配體系流變及凝膠特性的研究是深入探討大 分子多糖間復配機理及其性能影響規律的基本依據。
 
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