马铃薯淀粉基质脂肪模拟物物理性质的研究

马铃薯淀粉基质脂肪模拟物物理性质的研究
刘怀伟孔保华徐　聃
(东北农业大学食品学院,哈尔滨　150030)
摘　要　以马铃薯淀粉为原料,通过高温α - 淀粉酶限制性水解的方法制备的脂肪模拟物,其物理性质
较原淀粉发生了显著的变化。浓度为30% , DE值2～3之间的模拟物的凝胶强度、表观黏度较原淀粉都显著
的降低,形成了具有类似脂肪口感的弱凝胶体系;另外还对DE2. 5的模拟物的水溶性、持水性、玻璃化转变温
度、冻融性等性质进行了研究并与原淀粉进行了对比分析,为其在低脂食品中的应用提供理论依据。
关键词　马铃薯淀粉　脂肪模拟物　物理性质
　　为了满足消费者需求,脂肪模拟物的研究和应
用日益广泛,其中马铃薯淀粉基质的脂肪模拟物就
是通过耐高温α - 淀粉酶改性的方法得到的[ 1 ] 。耐
高温α - 淀粉酶是一种内切酶,其水解方式是从分子
内部水解中间部位的α - 1, 4糖苷键,先后次序没有
规律。随着水解反应的进行,产品的性质也发生明
显的变化[ 2 ] 。DE值(Dextrose Equivalent,葡萄糖当
量)即葡萄糖含量占总干物质的百分数,可以间接表
示淀粉的水解程度, DE值越高表示水解程度越大。
经耐高温α - 淀粉酶水解马铃薯淀粉制备的DE值
在2 ～ 3 之间的水解物能模拟脂肪的口感和质
构[ 3 - 4 ] 。
不同的食品对脂肪模拟物性质的要求不同,例
如奶油和色拉调味料对模拟物的表观黏度和乳化性
要求较高[ 5 ] ,而肉制品则对其凝胶强度、持水性和冻
融性要求较高[ 6 ] ,因此掌握和了解脂肪模拟物的性
质,例如凝胶强度、表观黏度、乳化性、水溶性、持水
性、玻璃化相变温度等性质就显得至关重要。本文
就马铃薯淀粉基质脂肪模拟物的物理性质进行了研
究分析,并对DE2. 5的模拟物与原淀粉的性质作了
对比分析,为其最终在低脂产品中的应用提供理论
依据。
1　实验材料与方法
111　主要实验材料与设备
收稿日期: 2006 - 06 - 20
作者简介:刘怀伟,男, 1981年出生,硕士,畜产品加工
通讯作者:孔保华,女, 1963年出生,教授,博士生导师,畜产品加
工
　　马铃薯淀粉:哈尔滨如意淀粉厂;马铃薯淀粉基
质脂肪模拟物:自制;大豆色拉油:九三油脂厂。
差示扫描量热仪: Pyris 6 DSC Perkin Elmer,荷
兰; NDJ - 1旋转黏度计:上海经贸科学仪器有限公
司;ME - 100多功能实验型高剪切混合乳化机:上海
富麦机电设备有限公司; TA - XT 2 i质构仪: Stable
Micro Systems. TA. XT. Plus - Analyse 英国; LD4 - 2
型高速离心机:北京医用离心机厂。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 凝胶性质的测定[ 5 ]
对不同DE值(0、0. 9、1. 5、1. 8、2. 5和3. 5)的样
品在70℃下配制成质量分数为30%的溶液, 4℃下放
置约12h 形成凝胶后,采用质构仪测定凝胶性质。
探头型号P /0. 5;下压速度2. 0mm / s,接触凝胶后速
度1. 0mm / s;提升速度2. 0mm / s。其中凝胶硬度(强
度)指第一次穿破样品时的压力峰值。重复实验三
次,以平均值作为测定结果。
1. 2. 2 表观黏度的测定[ 5 ]
取14g不同DE值(0. 9、1. 5、2. 5和3. 5)的脂肪
模拟物用蒸馏水配成浓度为20%的淀粉乳溶液,选
择合适的转子,以不同的转速( 0. 6、1. 5、3. 0、6. 0、
12、30、60 r /min) ,进行黏度的测定。表观黏度为非牛
顿流体剪切应力即剪切速率曲线上的任一点所对应
的剪切应力除以剪切速率。
1. 2. 3 水溶性的测定[ 6 ]
冷水(25℃)溶解性的测定:室温下取14g样品,
配成10%的溶液, 混合均匀后放于离心管中以4
000 r /min离心15min,记录上清液的重量。取5g上
清液于105℃烘干。称量铝盒中固形物的重量。
第22卷第4期刘怀伟等　马铃薯淀粉基质脂肪模拟物物理性质的研究
热水溶解性的测定:取14g样品,配成10%的溶
液,加热到70℃后离心,以同样的方法测定其溶解
性。
上清液中总固形物(M) =上清液总重量(m2 ) ×
铝盒中固形物重量(m1 ) /5
溶解度% =M /14 ×100%
1. 2. 4 持水性的测定[ 6 ]
分别配制浓度为15%和30%的模拟物浆液,然
后在7 500 r /min转速下,离心15min,弃去上清液。
WHC = (样品中水含量- 离去水量) /模拟物量
1. 2. 5 回生现象的测定[ 7 ]
称取一定质量的样品,配制1. 0%质量分数的淀
粉乳,于沸水中加热糊化并保温15min,冷却至室温。
然后将淀粉糊放入具塞刻度管中,在25℃静置,分别
记录经0、1、2、4、6d后上清液的体积,上清液体积
分数越大,凝沉降性越大,回生现象越明显。
1. 2. 6 玻璃化转变温度的测定[ 8 ]
取样品1. 0g,无水乙醇洗涤后在50℃干燥5h,
取1g的脂肪模拟物配成30%的溶液,用DSC (差示
扫描量热仪)测定,在测定样品前,首先在低温下用
环乙胺,在高温下用铟进行标定。以空铝盒做为标
准物,吸取12μL的样品放于另一铝盒内用压盖器压
盖。样品以10℃/min的速率从25℃加热到100℃。
1. 2. 7 冻融稳定性的测定[ 1 ]
取样品7. 0g加入100mL 蒸馏水中配制成浓度
为7%的浆液, 在70℃温度下保温20min, 然后在
- 18℃温度下冷冻24h,取出在室温下自然解冻8h,
在3 000 r/min下离心20min,计算析水率公式如下:
析水率= (浆液总重- 凝胶总量) /浆液总重,离心后
析水率越大冻融稳定性越差。
1. 2. 8　乳化性和乳化稳定性的测定[ 9 ]
准确称取2. 0g样品,分散于100mL 水中,在沸
水浴中加热糊化并保温10min,冷却后淀粉糊中加入
100mL大豆色拉油, 均质( 2 000 r /min) 2 次, 每次
30 s,将乳化液转移至10mL离心管中,以3 500 r/min
离心约15min,记录乳化层高度和液体总高度。计算
乳化能力( Emulsion Ability, EA) 。EA越大,说明乳
化能力越好。
EA (% ) =离心管中乳化层高度/离心管中液体
总高度×100%
乳化稳定性( Emulsion Stability, ES) 的测定方
法:乳化后的样品放置24h,以3 500 r /min 离心约
15min,记录乳化层高度和液体总高度。ES越大,说
明乳化稳定性越好。
ES (% ) =离心管中仍保持乳化层的高度/离心
管中液体总高度×100%
1. 2. 9　数据分析
数据分析使用Statistix 8. 0 统计分析软件,采用
LSD (最小显著差异法)进行统计分析,使用Sigma2
p lot软件作图。
2　结果与讨论
2. 1 凝胶性质的测定结果
2. 1. 1 不同DE值样品的凝胶强度
图1　不同DE值脂肪模拟物的凝胶强度
从图1可以看出,随着DE值的增加,模拟物的
凝胶强度逐渐降低,DE值小于2. 50时,凝胶强度显
著降低( P < 0. 05) ,当DE值在2～3范围内时,形成
相对稳定网状结构的弱凝胶,凝胶强度的降低差异
不显著( P > 0. 05) ,当DE值为3. 5时,几乎不能形成
凝胶。
2. 1. 2　DE值为2. 5的模拟物和原淀粉在不同温度
条件下的凝胶性质
Eliasion[ 10 ]认为,淀粉水解得到的低DE值水解
物能够模拟脂肪的质构和口感主要是因为能形成弱
凝胶。根据3. 1. 1的测定结果,选择DE值为2. 5的
模拟物,在不同的温度条件下测定其凝胶强度,并与
原淀粉形成的凝胶性质进行对比分析。
表1　不同温度条件下凝胶强度变化
样品
凝胶强度
/g
凝胶状态
模拟物25℃ 17. 280 平滑、油状、类似脂肪
原淀粉25℃ - 不能形成凝胶
模拟物70℃ - 低黏度溶液
原淀粉70℃ 542. 328 硬度很大,类似海绵
模拟物70℃降到25℃ 18. 452 平滑的、油状、类似脂肪
原淀粉70℃降到25℃ 542. 328 硬度很大,类似海绵
模拟物- 2℃冷冻, 25℃融化50. 534 硬度稍有增加、平滑、油状
原淀粉- 2℃冷冻, 25℃融化- 不能形成凝胶
　　注:“ - ”表示凝胶强度太小,质构仪不能测出数据。
由表1可以看出,浓度为30%的DE值2. 5的脂
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中国粮油学报2007年第4期
肪模拟物与水混合后润胀并形成的凝胶,其凝胶强
度较低(17. 280g) 。感官上具备平滑、油状、类似脂
肪的性质,加热到70℃时变成一种低黏度的溶液,但
是当再次降到室温时则又形成了凝胶结构( 18. 452
g) 。这就充分证实了,马铃薯淀粉基质脂肪模拟物
可以形成具有“热可逆性能”的凝胶结构,浓度为
30%马铃薯原淀粉在25℃不能形成凝胶, 加热到
70℃时形成强度很大的凝胶( 542. 328g) ,降温后仍
保持高强度的凝胶结构,不具有“热可逆性能”的凝
胶结构。Avebe[ 3 ]研究表明,浓度为30% ,DE值2～
3的玉米淀粉、马铃薯淀粉和大米淀粉基质的脂肪替
代物所形成的凝胶体系均具有“热可逆性能”。当模
拟物的凝胶在- 2℃进行冷冻,室温下进行解冻时,
其凝胶强度增加(50. 534g) ,但仍呈现平滑的状态,
这些性质可以赋予添加马铃薯基质脂肪模拟物的肉
制品良好的冻融稳定性,即产品在较低的温度下仍
能保持良好的凝胶强度,在冻融解冻后仍能保持较
多的水分含量。
2. 2 不同DE值样品表观黏度的性质
2. 2. 1　不同DE值样品在不同剪切速率下的表观黏
度
图2　不同DE值样品在不同剪切速率下的表观黏度
由图2可知,对于不同DE值的脂肪模拟物,在
一定的温度和浓度下表观黏度随着转子转速的增加
表观黏度逐渐降低,即存在明显的剪切变稀现象,这
是假塑性流体的典型特征。
研究还发现,随着产品DE值的增加表观黏度呈
下降趋势,DE值在0. 9～2. 5 之间表观黏度显著下
降( P < 0. 05) ,主要是因为随着水解程度的增加,庞
大的淀粉分子被水解成小分子的程度也越大,产品
所形成的凝胶之间的网状结构的交联程度减弱,所
以黏度会降低。
模拟物在形成凝胶的过程中,由于颗粒的膨胀、
溶解、水合等作用使分子链成充分舒展状态。施加
剪切力后,剪切作用使模拟物的分子间作用减弱,相
互缠绕的模拟物的分子在剪切作用下逐步沿着平行
于流动的方向排列,从而导致模拟物凝胶的表观黏
度有所下降[ 11 ] 。
2. 2. 2 不同DE值样品在不同温度下的表观黏度
图3　不同DE值样品在不同温度下的表观黏度
由图3可知,同一剪切速率下,温度越高,模拟
物所形成的凝胶的表观黏度越低,温度从30℃增加
到60℃表观黏度显著降低( P < 0. 05) , 60℃～70℃时
黏度降到最低基本为0。这是由于体系温度上升,促
进淀粉分子运动,提高了分子之间的相互作用,聚集
体结构被打破,同时液体体系发生膨胀,使每一个淀
粉分子平均占有体积增大,流动性增强,导致体系的
表观黏度降低[ 7 ] 。脂肪模拟物所形成的凝胶的黏度
相对于原淀粉显著降低,黏度的降低同时也带来凝
胶强度降低,合适的凝胶强度的产品适合于用作脂
肪模拟物。
2. 2. 3　不同浓度下模拟物(DE2. 5)表观黏度
图4　不同浓度下模拟物(DE2. 5)表观黏度
由图4可知,随着溶液浓度的增加,产品的表观
黏度逐渐增加,并呈显著性差异( P < 0. 05) ,当浓度
达到35%时产品的黏度迅速增加,因此可以认为
35%为溶液的关键浓度,这可能是因为模拟物中直
链淀粉发生回生现象所致,也可能与产品中含有高
分子量的聚合物有关。Wang[ 12 ]对大米淀粉水解物
Rice3 Trin 10的研究发现当其浓度达到40%时,溶
液黏度迅速增加。
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第22卷第4期刘怀伟等　马铃薯淀粉基质脂肪模拟物物理性质的研究
2. 3　水溶性的测定
表2　模拟物与原淀粉水溶性比较
25℃溶解性/% 70℃溶解性/%
原淀粉2. 14 100 (离心后无上清液)
DE值2. 5模拟物68. 0 100 (离心后无上清液)
　　由表2 可知, DE 值为2. 5 的模拟物在冷水
(25℃)中的溶解性为68% , 比原淀粉的溶解性
(2. 14% )明显增加。热水( 70℃)中的溶解性均为
100%。这是因为原淀粉糊溶液不稳定,淀粉分子的
羟基间存在氢键从而彼此结成较大的颗粒和束状结
构,当体积增大到一定程度时,发生沉淀,水溶性较
差。而经酶水解后的马铃薯淀粉基质脂肪模拟物,
由于分子的降解和分子量的降低,产品虽以颗粒形
式存在,但当其混入水中时,结构脆弱,会发生部分
溶解,所以溶解度增加。但原淀粉和模拟物在热水
中都会形成凝胶,离心后没有上清液出现[ 11 ] 。
214　持水性测定
图5　不同浓度的模拟物与原淀粉持水性比较
由图5可以看出,室温下,溶液浓度为30%的马
铃薯原淀粉(DE = 0)的持水能力较差(46% ) ,DE值
为2. 5的模拟物持水能力明显增加(233% ) ,因为淀
粉分子的羟基间的氢键作用,分子之间结成较大的
颗粒和束状结构,不利于与水分子结合,模拟物在冷
水中润胀,吸水形成网状的弱凝胶,可以把大量的水
截流在胶束内。但当溶液浓度下降到10%时,模拟
物和原淀粉的持水能力都有明显的下降趋势。因为
浓度的降低溶液凝胶强度和黏性降低不能束缚较多
的水,离心时会析出[ 12 ] 。
2. 5 回生凝沉性的测定
由图6可知,马铃薯原淀粉(DE = 0)的凝沉性较
大,而脂肪模拟物凝沉性有明显下降趋势,并且随着
水解程度的增加,凝沉性下降的趋势越大,这是因为
原淀粉经酶水解后把较长的直链淀粉分子水解成较
小的直链淀粉分子。由于较小的直链淀粉分子链
短,分子量小,易于扩散,活动速度较快,不利于相互
间完全的结合,不易凝沉回生[ 11 ] 。
图6　不同DE值模拟物回生凝沉性分析
2. 6 玻璃化相变温度( Tg)
　　图7　原淀粉( a)和DE值2. 5的模拟物( b)玻璃化相变温
度比较
玻璃化相变( Tg)是影响大分子聚合物物理性质
的一种重要相变特性[ 13 ] 。由图7可知,脂肪替代物
相对于原淀粉, Tg有所下降。这是由于酶降解,使得
淀粉分子量下降而导致Tg的下降。原淀粉Tg为
70. 72℃,DE为2. 5的模拟物Tg为69. 12℃, Tg下降
不明显,即淀粉水解后制备的模拟物不会对产品储
藏的稳定性产生明显影响。
2. 7 冻融性和冻融稳定性测定
由图8可知,不同DE值( 1. 5、2. 5、3. 5)的脂肪
模拟物的冻融稳定性较原淀粉有所下降( P < 0. 05) 。
可能的原因是马铃薯原淀粉在高温下糊化,低温冷
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中国粮油学报2007年第4期
却后形成强度很大的凝胶,把大量的水分截留在凝
胶束内,即使在冻融解冻后水分也不会析出。DE为
2. 5的模拟物在高温加热冷却后形成的网状结构的
凝胶,强度较弱,在低温冷冻解冻后会有水分析出,
因此DE值增加,冻融/解冻析水率明显增加( P <
0. 05) ,冻融稳定性明显降低。
图8　DE值对产品冻融稳定性的影响
2. 8 乳化性和乳化稳定性的测定
图9　不同DE值模拟物乳化性和乳化稳定性比较
由图9可知,脂肪模拟物比原淀粉(DE = 0)的乳
化性有明显的提高,并且随着水解程度的增加,产品
的乳化性也逐渐增加( P < 0. 05) 。
3 结论
马铃薯淀粉经耐高温α - 淀粉酶改性后制备的
脂肪模拟物,所形成凝胶的强度和表观黏度显著降
低( P < 0. 05) 。浓度为30% ,DE值在2～3之间的模
拟物凝胶强度在17. 0g左右,黏度降到了2. 0Pa·s
左右,并且呈现剪切变稀现象,属于假塑性流体,可
以作为脂肪模拟品应用在食品中。浓度为30% ,DE
为2. 5的模拟物胶体溶液较原淀粉乳化性、乳化稳
定性和持水能力明显增加( P < 0. 05) ,冻融稳定性和
玻璃化转变温度较原淀粉稍有下降。
参　考　文　献
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Physical Properties of Potato Starch Based Fat - mimetics
Liu Huaiwei Kong Baohua Xu Dan
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(下转第70页)
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Morphological and Physicochemical
Properties of Gingko Starch
Wang Lan Deng Qianchun Zhang Yun Yin Zhihua Xie Bijun
(Department of food science and technology, Huazhong Agriculture University, Wuhan　430070)
Abstract　The morphological and physicochemical p roperties of gingko starch were studied by SEM, X - ray
distraction, RVA, HAKKE rheometer and DSC. Results show as follows: The granular of gingko starch is spherical
and ellip tical, size ranged from 5 to 20μm, and disp lays a C - type X - ray diffraction pattern with relative crystal de2
gree 39. 9%. The RVA shows the pasting temperature of gingko starch is higher than that of corn and tap ioca. The
gingko paste exhibits high clarity, poor coagulation, and good freezing - thawing stability. The influence of tempera2
ture on viscosity coefficient and rheology exponent can be accurately described by Arrhenius equations. The To , Tp ,
Tc and gelating enthalpy of gingko starch are 72. 34℃, 76. 69℃, 80. 08℃ andΔH5. 79 J /g, respectively.
Key words　granular structure, physicochemical p roperties, gingko starch
(上接第62页)
Abstract　Potato starch based fat - mimeticswas p repared through limited hydrolysis of potato starch by thermal
α - amylase. Results show the physical p roperties of the p roduct change significantly compared with the original
starch. The gel strength and apparent gel viscosity of the p roduct contained 30% solids (DE 2～3) decrease signifi2
cantly, thus, a smooth and creamy - fat - like low strength gel system is formed. Additionally, the water holding ca2
pacity, water solubility, glass transition temperature, and freezing/ thawing stability of the fatmimetic ofDE 2. 5 were
investigated, which may be valuable for low - fat foods development.
Key words　potato starch, fat - mimetics, physical p roperties
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