木薯淀粉黄原胶复配体系中淀粉糊化机理,采用光学显微镜(LM)及扫描电子显微镜(SEM)观察木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶复配体系在糊化过程中淀 粉颗粒形态的变化。淀粉糊化是淀粉与水分相互作用的过程，利用核磁共振仪(NMR)测定质子自旋-自旋弛豫时间 (^)，来反映体系糊化过程中黄原胶对水分运动性的影响；通过测定渗漏直链淀粉含量，反映黄原胶对木薯淀粉 糊化过程中链段运动性的影响，从而探宄木薯淀粉在黄原胶为连续相体系中的糊化机理。结果表明：黄原胶一定 程度上可抑制升温过程中淀粉颗粒的膨胀，同时SEM图显示黄原胶包裹于木薯淀粉颗粒周围，形成空间位阻使得 淀粉颗粒分散均匀，与淀粉糊具有良好的相容性；升温过程中质子自旋-自旋弛豫时间(^2)的差异体现了糊化过程 中水分分布及结合程度的变化，由于黄原胶的吸水及包裹作用使得淀粉糊化温度升高，热糊稳定性提高，表现为 ^先降后升的拐点由50°C升高至60°C及95°C较高的72;黄原胶的加入使得体系中链段运动性降低，表现为直链淀 粉渗漏量随着黄原胶配比增加而减少。

1.2.1木薯淀粉黄原胶复配体系中淀粉糊化机理,糊化特性研究

分别称取不同质量比的木薯淀粉-黄原胶(10:0、9.5:0.5、 9.0:1.0、8.5:1.5、8.0:2.0)与去离子水混合于RVA专用铝 盒内，调制成质量分数6%的混合悬浮液（以干基计）。 RVA测定程序如下：10s内转速由960r/min降到160r/min 并稳定，从50°C开始升温，经过3min 42s升至95°C， 并保温1.5min，经过3min 48s降温至50°C，50°C保温 2min。

1.2.2光学显微镜观察木薯淀粉及木薯淀粉-黄原胶体 系中淀粉颗粒结构变化

取不同温度(50、60、70、80、95C)下恒温20mm 的木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶(质量比为8.0:2.0)，滴至 载玻片上，用0.1mol/L碘液染色，盖好盖玻片后，在 光学显微镜(X 400)下观察并拍摄木薯淀粉颗粒形态[3]。

1.2.3扫描电子显微镜观察木薯淀粉及木薯淀粉-黄原 胶体系微观结构

称取一定质量木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶(质量比 为8.0:2.0)，分别加入去离子水配制成质量分数6%的混 合液。在设定温度条件下(50、60、70、80、95C)搅 拌均匀，并保温20mm，糊化后的样品冷冻干燥。

取不同温度下处理并经冷冻干燥的样品先用戊二醛 固定，磷酸缓冲液淋洗，再用锇酸固定，磷酸缓冲液 冲洗，然后以不同体积分数的乙醇脱水，最后在临界 点干燥，涂以拍-钯合金。在扫描电子显微镜下观察木 薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶糊化过程中的微观结构[4-6]。

1.2.4木薯淀粉黄原胶复配体系中淀粉糊化机理核磁共振测定弛豫时间,

称取不同质量比例木薯淀粉-黄原胶于试管中，加 入去离子水配置成质量分数6%的混合液，与恒温水浴 中升温至相应温度(30、50、60、70、80、95C)。样 品在每个温度下恒温30min后开始测定，利用Carr- Purcell-Meiboom-GiU(CPMG)脉冲序列测定样品自旋-自旋 弛豫时间(72)。将预处理的样品分别置于永久磁场(20Mz) 射频圈中心进行测定。实验参数如下：采样点1024、 回波个数380、重复扫描次数8、弛豫衰减时间1000〜 2000ms。结果分别以单指数模型d=40e-l，其中d是 信号幅度；是热平衡时质子的信号幅度；/是时间变 量，拟合72研究水分在木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶 体系中的运动情况[7-9]。

1.2.5渗漏直链淀粉含量的测定

准确称取一定量样品置于三角瓶中，加入蒸馏水配 置成总固形物含量为2%木薯淀粉-黄原胶共混体系(木薯 淀粉-黄原胶质量比为 10.0:0、9.5:0.5、9.0:1.0、8.5:1.5、 8.0:2.0，添加黄原胶体系，淀粉质量不变，添加水使 得总固形物不变)，在沸水浴中糊化20mm，冷却后在 13000 X g离心20min，用蒸馏水将上清液转移至100mL 容量瓶中并稀释至刻度。准确吸取1mL定容后的溶液， 加入1mol/L醋酸1mL、0.01mol/L碘液2mL，用蒸馏水 定容至100mL作为待测样品。取100mL容量瓶中加入 1mol/L醋酸1mL，0.01mol/L碘液2mL，用蒸馏水定容， 作为空白对照。所有样品室温下避光静置20mm，在波 长620nm处测定吸光度，用马铃薯直链淀粉作为标准样 品并得出标准曲线(>=0.2171尤+ 0.0088，穴2=0.9982)，计 算得不同试样中渗漏的直链淀粉含量[10]。

2 结果与分析

2.1糊化特性

表1木薯淀粉-黄原胶共混物的糊化特性 Table 1 Gelatinization properties of tapioca starch-xanthan gum system

木薯淀粉-黄 原胶质量比峰值

黏度/cp崩解 值 /cp终值黏 度/cp回值/ cp糊化时 间 /min成糊

温度/C

10:0.0140258812224083.9370.4

9.5:0.5174357914412774.2771.1

9.0:1.0181665514322714.4771.2

8.5:1.522856331723714.8776

8.0:2.0290010751895704.9376.7

由表1可知，木薯淀粉黄原胶复配体系中淀粉糊化机理,随着黄原胶在共混体系中比例的增 加，峰值黏度、崩解值、终值黏度显著增加，黏度 的增加，使得共混体系相对于原淀粉体系更有利于作为

6〇 r

增稠剂在食品体系中应用。同时，回值随着黄原胶添 加量的增加而降低，回值表示温度降低时，分子聚集 作用发生的程度，即回生的程度。回值越低，回生越 不明显。由此可知，黄原胶一定程度上抑制了淀粉的 回生，这将提高淀粉基食品在储减中的稳定性。同时， 成糊温度、糊化时间一定程度提高，这与黄原胶本身 的亲水性有关。黄原胶一定程度上改善了木薯淀粉的糊 化特性，有关黄原胶对木薯淀粉糊化特性影响的机理在 下文将做进一步阐述。

2.2黄原胶对木薯淀粉糊化过程中颗粒结构变化影响

50 ^

2.3扫描电子显微镜观察木薯淀粉、木薯淀粉-黄原胶

糊化过程

扫描电子显微镜(SEM)广泛应用于淀粉的研究中， 主要用于观察淀粉颗粒的表面结构，用形态学来分析淀 粉分子和测定淀粉颗粒的变化等⑷。通过扫描电子显微 镜观察，观察糊化过程中木薯淀粉颗粒结构和黄原胶- 淀粉体系的微观结构的变化，研究黄原胶与木薯淀粉相 互关系及其对木薯淀粉颗粒结构的影响。

 

 

95 r

 

 

VO "C80-C，

Hr ： ^

a

•50。。• •••.60r

 

8〇 r

a

 

7〇 r

95 r

 

b

a 放大倍数分另ij为 2400、2400、300、300、300 ；

b 放大倍数分另ij为 2400、2400、300、300、300。

图2木薯淀粉(a)、木薯淀粉-黄原胶(b)扫描电镜图 Fig.2 SEM micrographs of tapioca starch and tapioca starch-xanthan gum

 

b

图1光学显微镜观察木薯淀粉(a)、木薯淀粉-黄原胶(b)中淀粉 颗粒结构（X 400)

Fig.1 Granular structures of tapioca starch and tapioca starch- xanthan gum system examined by light microscope and scanning electrode microscope (X 400)

淀粉糊化过程是淀粉颗粒吸水-颗粒膨胀-分子扩散 的过程。通过光学显微镜观察不同温度下添加/未添加 黄原胶的体系中木薯淀粉颗粒结构的变化，从表观上能 够说明黄原胶对淀粉颗粒结构的影响。由图1a可知， 50、60 r时木薯淀粉颗粒稍有膨胀，70 r时颗粒膨胀明 显，至95 r时颗粒结构几乎消失，淀粉颗粒破碎，完 全糊化。由图1b可知，相同温度下的木薯淀粉颗粒膨 胀程度较低，50r几乎不膨胀，且颜色较浅，至70r 淀粉颗粒膨胀显著，95 r时淀粉颗粒膨胀度最高，且 部分颗粒破碎，有完整颗粒存在。由此可知，黄原胶 一定程度上抑制了淀粉颗粒的膨胀，提高了木薯淀粉颗 粒耐热稳定性。

由图2a可知，50 r的木薯淀粉颗粒结构完整，呈 现木薯淀粉特有的‘‘头盔状”。60r时淀粉颗粒开始 膨胀，支链淀粉与少量渗漏出的直链淀粉溶解在水中包 裹于淀粉颗粒周围；当达到70r时，淀粉颗粒结构大 部分消失；80r时淀粉颗粒进一步破裂，淀粉糊成片 状；当95r时淀粉己糊化完全，淀粉渗漏量最大，体 系中稠度变大，SEM图表现为褶皱状。

由图2b可知，木薯淀粉黄原胶复配体系中淀粉糊化机理,复配体系表现的颗粒结构有所不 同。多糖之间相互结合方式有3种：相容(二者相互作 用力类似于多糖自身作用力)、不相容(二者相互作用力 相互排斥)、络合(二者相互吸引结合）。50 r的木薯淀 粉-黄原胶体系表现为完整的木薯淀粉颗粒分散在溶于水 的黄原胶中，木薯淀粉与黄原胶分散均匀，且由于木 薯淀粉不带有离子，因而二者没有静电作用即相容体 系；随着温度的升高(60r)，淀粉颗粒开始膨胀，在 黄原胶中分散更为均匀，由于黄原胶结合了体系中的部 分水分及黄原胶的包裹作用使得木薯淀粉颗粒膨胀受 阻，相对于原淀粉体系颗粒较小，且颗粒结构较完整； 70 °C淀粉颗粒膨胀度增加，溶于水的黄原胶与渗漏出的 直链、支链淀粉形成均匀的连续相，未完全糊化的淀 粉颗粒包裹于其中；随着温度的升高，淀粉糊化程度增 加，体系成糊状。黄原胶在水溶液中呈现有序螺旋结 构，侧链呈折叠状态，靠近主链[11-12]。随着温度的升 高，构象转变为无序的无归线团(侧链离开主链)与淀粉 链结合呈现无序的碎片状。温度升高至80 C，黄原胶 构象呈现“棒状”形态，体系黏度由于黄原胶构象变 化及淀粉糊化程度增加而显著增加；当温度至95C，木 薯淀粉-黄原胶体系，表面光滑，少褶皱，表明木薯 淀粉、黄原胶分散均匀。

2.4黄原胶在木薯淀粉糊化过程中对水分的影响

水分在不同体系中以不同的结合状态存在，维系水 分子的作用力可以分为氢键结合力和毛细管力两类[13]。 由氢键结合力结合的水分习惯上称为结合水或束缚水， 与结合水相对应的水分称为自由水或游离水。木薯淀 粉、木薯淀粉-黄原胶分散于水中形成多相体系，从热 力学角度的理论来看，在升温过程中体系处于能量不稳 定状态，体系中运动趋势为由高能级向低能级的热平衡 态运动。随着水分进入淀粉颗粒，淀粉颗粒结构消失， 直链淀粉、支链淀粉分散于水中，黄原胶溶于水中呈 现双螺旋结构及特殊的网状次生结构，升温过程中皆与 水分相互作用，因此，可以利用核磁共振仪(NMR)分析 水分子的特性进而了解体系结构变化与水分的关系。

由波尔兹曼分布可知，低能级质子多于高能级质 子，在恒定磁场中，高能级质子增加，最终导致两个 能级的质子数相等。这时，质子将不再吸收能量，因 此观察不到磁共振信号，质子达到饱和状态。停止射 频，高能级的质子能以不产生电磁辐射的方式返回到低 能级，最终导致不同能级的质子数分布恢复热平衡。质 子数在不同能级的分布由饱和值向热平衡值恢复的过 程，即高能态的质子向周围环境释放能量的过程称为弛 豫过程[14-15]，检测质子的弛豫行为可直接反应水分子的 流动性[16]。可由横向弛豫时间(^2)来表征质子的弛豫行 为。较长的T2说明分子具有较高的流动性。当水和底 物紧密结合时，它就高度地固定，T2会降低[17]。

由图3可知，木薯淀粉-黄原胶体系与单纯的木薯 体系相比，不同温度下T2存在着差异，即水分运动性存 在差异。水分运动性与温度引起的热效应及淀粉分子链伸 长、链运动相关，且在不同温度范围内表征不同[17-18]。 木薯淀粉体系在50C前，T2稍有下降，由前面实验结 果可知，此温度范围内颗粒结构无明显的膨胀，水分 仅单纯的进入淀粉颗粒内，淀粉颗粒形成的空间位阻使 得水分运动性降低，同时，较低温度下热效应引起的 水分运动较弱，综合二者的作用使得D稍有下降；50〜 60C后乃上升缓慢，60〜70C数值上升最为明显，至 80 C达到最大值，即这段温度范围内水分运动性逐渐增 强，其原因主要是温度升高过程中由于热量的传递使得 水分运动加剧。同时，结合图1、2可知，50〜60C 范围内，水分与无定形区的游离羟基相结合，淀粉缓 慢吸收水分，产生有限的膨胀，此时温度引起的水分 运动略高于淀粉对水分运动的阻碍，温度进一步升高； 60〜80C范围内，温度引起的水分运动性进一步增强， 淀粉颗粒膨润度增加明显，淀粉分子间氢键断裂，双 螺旋伸直形成分离状态，淀粉的晶体结构遭到破坏，小 的淀粉分子从淀粉颗粒中渗漏出来，水分在淀粉颗粒运 动阻力下降，运动性增强；进一步升温至95 C，淀粉 糊化完全，温度的升高使得水分中质子运动性增强，同 时加快了其与淀粉分子链中氢键的交换速率，使得水分 运动受淀粉链的束缚，因而自旋-自旋弛豫时间T2下降。

 

图3木薯淀粉黄原胶复配体系中淀粉糊化机理,不同质量比的木薯淀粉-黄原胶自旋-自旋弛豫时间(r2) 变化图

Fig.3 Relationship between Ti and temperature of tapioca starch- xanthan gum with different ratios

由前面实验结果可知，一方面黄原胶抑制了淀粉糊 化过程中的颗粒的膨胀；另一方面，黄原胶包裹于淀粉 颗粒周围，使得淀粉在体系中分散更为均匀且形成的空 间位阻一定程度上抑制了淀粉分子间相互作用。添加黄 原胶的复配体系和木薯淀粉相比，不同温度下(除95C 外）的弛豫时间均有所下降，且随着黄原胶配比的增 加，弛豫时间降低更为明显，此现象是由于黄原胶在 较低的温度下溶于水形成连续相，淀粉颗粒作为分散 相，相对于淀粉体系连续相黏度较高，且黄原胶溶于 水形成三维结构，阻碍了水分的流动。30〜60C范围 内，h—直下降，温度升高热效应增加，水分质子运 动性增强，但同时由于黄原胶的阻碍作用及淀粉颗粒内 部空间位阻，水分运动性总体呈现下降趋势。60C为 弛豫时间先下降后上升的拐点，而不是像木薯淀粉体系 中的50C，其原因是由于黄原胶吸收了部分水分，延 缓了淀粉糊化过程水分向淀粉颗粒中运动，使得淀粉膨胀及溶解降低，此与上述实验结果一致。60〜80°C范围 内，h趋势与木薯淀粉体系相似。80〜95 °C范围内h 变化趋势与木薯淀粉体系相反，其归因于两个方面：一 方面，温度上升，热效应；另一方面，淀粉分子进 一步解聚，水分运动性空间变大，同时高温使得黄原 胶空间结构由有序转变为无序结构，且黄原胶抑制了淀 粉链的断裂及淀粉与淀粉之间的相互作用，使得水分运 动性进一步增强，表现为^上升。

2.5木薯淀粉黄原胶复配体系中淀粉糊化机理黄原胶对木薯淀粉链段运动性的影响,

淀粉的糊化一方面为水分进入淀粉颗粒内，与淀粉 分子相结合，使得淀粉颗粒膨胀；另一方面，还包含 淀粉链段的溶出；淀粉链段的伸展、运动与淀粉的黏度 及回生特性密切相关。由前面实验可知，黄原胶吸收体 系中的水分使得淀粉颗粒膨胀受阻，且由于黄原胶对淀 粉颗粒的包裹作用使得水分进入淀粉颗粒的运动性减弱。 直链淀粉的链状结构相对于支链淀粉的树状结构在体系中 空间阻碍小，因而运动性较强。本实验通过测定不同配 比木薯淀粉-黄原胶共混物中渗漏直链淀粉含量(图4)，探 究黄原胶对木薯淀粉糊化过程中淀粉链段运动性的影响。

26 25 24 23 22 21 20 19 18

10.0:09.5:0.5 9.0:1.0 8.5:1.5 8.0:2.0

木薯淀粉-黄原胶质量比

图4不同质量比的木薯淀粉-黄原胶中渗漏直链淀粉含量变化 Fig.4 Effect of tapioca starch-xanthan gum with different ratios on the leakage amount of amylose

由图4可知，随着黄原胶质量比的增加，体系中渗 漏出来的直链淀粉含量降低。由此结果推测，黄原胶一 方面通过延缓淀粉糊化，阻碍了淀粉颗粒中淀粉的渗 漏；另一方面，阻止了渗漏出的淀粉链段进一步远程扩 散，从而不同程度的减少直链淀粉在整个共混体系中的 渗漏量，因而，在不同程度上使得淀粉糊连续相黏度增 加。同时，糊化时木薯淀粉-黄原胶共混体系中，从 淀粉颗粒中渗漏出的直链淀粉很容易暴露加入亲水胶体， 在链段的聚合过程中，与单独的淀粉体系相比，亲水胶 体将与直链淀粉竞争与其他直链淀粉结合，且少量支链 淀粉的外长链也会渗漏出来参与作用。因而，淀粉链段 之间的作用减弱，空间阻碍增加，使得淀粉回生减弱。

3 结论

综上可知，淀粉糊化为淀粉与水分相互作用的过 程，因而，从不同温度下黄原胶对淀粉颗粒、水分运 动性、淀粉链段运动性的影响，研究在糊化过程中黄 原胶与木薯淀粉的相互作用。糊化过程主要分为3个阶 段：第一阶段，木薯淀粉糊化温度前，水分单纯地进 入淀粉颗粒，淀粉颗粒完整且仅少量淀粉溶于水中，淀 粉颗粒膨胀不显著，质子运动性随着温度上升而下降。 由于黄原胶的冷水可溶性使得木薯淀粉-黄原胶体系水分 运动性显著下降，且随着黄原胶添加比例的增加，现 象越为明显，体系淀粉颗粒比单独的原淀粉体系中淀粉 颗粒稍小，木薯淀粉均匀的分散于黄原胶中，二者具 有较好的相容性。第二阶段，温度达到糊化温度，水 分运动性下降，分子链伸展，结晶区消失，淀粉颗粒 膨胀显著。由于黄原胶吸水且形成空间位阻使得水分相 对于原淀粉体系流动性差，淀粉颗粒有限膨胀。第三 阶段，淀粉糊化，淀粉颗粒消失，淀粉颗粒膨胀至极 限，且有部分颗粒破碎，较高的温度促进了淀粉链与 水分之间的作用，使得水分活度降低。黄原胶的加入 使得淀粉颗粒膨胀受到抑制，溶解的淀粉链减少，且 黄原胶与淀粉链段的作用抑制了淀粉链段之间相互作 用，使得水分运动性进一步提高