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热碱浸泡玉米粉的热力学特性和流变学特性

时间:2017-11-09 13:16来源:《粮食与饲料工业》 , 2016 , 12 作者:谢军红,刘亚伟,刘 点击:
为了解热碱浸泡技术对玉米粉热特性以及流变特性的影响,测定了热碱湿磨玉米粉和湿磨对照玉米粉的DSC、RVA和流变参数。结果表明:热碱湿磨玉米粉的起始温度、糊化温度较高,但糊化焓值较低;黏度曲线显示热碱处理样的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度和回生值都低
谢军红,刘亚伟,刘 洁,王瑞娟
(河南工业大学粮油食品学院//小麦和玉米深加工国家工程实验室,郑州 450001)
 
摘 要:为了解热碱浸泡技术对玉米粉热特性以及流变特性的影响,测定了热碱湿磨玉米粉和湿磨对照玉米粉的DSC、RVA和流变参数。结果表明:热碱湿磨玉米粉的起始温度、糊化温度较高,但糊化焓值较低;黏度曲线显示热碱处理样的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度和回生值都低于湿磨对照玉米粉;两种玉米粉均为假塑性流体,且热碱湿磨玉米粉表现了较好的剪切稳定性,在两种玉米糊凝胶结构里,弹性特征更为重要。
关键词:热碱浸泡法;玉米粉;热力学特性;流变特性
碱化湿磨法作为一种传统加工方法,用来生产玉米饼、玉米粉蒸肉、玉米粥等玉米食品。在碱液里加热并浸泡玉米可得到碱化颗粒,随后经过冲洗研磨后制得一个柔软且有黏弹性的马萨面团。这种塑性面团是由糊化淀粉、完整淀粉颗粒、胚乳和脂肪组成,这些组分在水中会形成一个复杂的非均质网状物。短时间的加热和浸泡,由于胚乳细胞吸水能力有限,淀粉糊化不完全;碱化湿磨法能够确保胚乳内的淀粉水合均一,这就避免了淀粉过度糊化,使最终产品柔韧性好。
在墨西哥,碱化玉米饼是饮食中碳水化合物和钙的主要来源[1]。热碱处理改变了玉米皮的微观结构,使最外层结构出现皱褶状;部分物质溶解,如:某些半纤维素转化为可溶性物质[2],有利于在冲洗过程中去除玉米皮;热处理还会使部分淀粉糊化、脂类皂化以及蛋白质溶解。
碳水化合物是谷物的主要成分,占干基的50~70%;颗粒胚乳的86~89%都是淀粉,以一种结晶形式存在,并且形态、化学成分以及超分子结构都是每一种植物所特有性质。当淀粉颗粒在过量的水溶液里受热,淀粉逐渐溶胀,同时部分组分溶解,产生一种溶胀颗粒悬浮分散在连续相里的现象,即淀粉糊化。对于热碱浸泡玉米食品,以墨西哥玉米饼为例,加工后淀粉重新排列,产生结晶结构,即淀粉老化。淀粉糊化和老化使淀粉类产品具有一定的质构特性,并且淀粉老化会改变食品的营养特性。
玉米与小麦不同,其不含面筋蛋白,所以玉米面团的可塑性较差。另外,玉米中的蛋白质包裹淀粉过于紧密,淀粉不能较好的吸水膨胀,且玉米蛋白也不能形成网络状结构,所以玉米面团的黏弹性较差,因此,以玉米为原料的食品加工受到限制。碱化湿磨法在墨西哥等的中美洲国家较常见,墨西哥72%的玉米食品都是用此方法加工制得。而马萨面团的柔软度、弹性以及可塑性相对一般面团要好。热碱浸泡处理提供给玉米粉面团特殊的流变以及质构特性,但是在加工过程中必须控制淀粉糊化,因为大量糊化淀粉会增加面团的黏稠度,进而影响其质量[3]。此外,热碱处理还能提高玉米粉的营养质量。关于热碱浸泡玉米和墨西哥玉米饼的营养已经做过不同方面的研究[4],但是关于玉米粉的热力学特性和流变学特性的研究却很少,这方面研究将会有助于理解热碱蒸煮玉米食品在加工过程中的变化并且提高其质量。
本研究选用最优的热碱浸泡条件制作碱化玉米粉,并分析热碱处理对玉米粉的热特性和流变学特性的影响。
 
1 材料和方法
1.1 材料与设备
商用玉米,氢氧化钙。
快速黏度仪(RVA),Q20差示扫描量热仪(DSC),DHR-1流变仪,组织捣碎机,胶体磨,立式喷雾干燥机,恒温水浴锅,分析天平。
1.2 方法
1.2.1 玉米粉制备
称取3kg玉米置于烧杯中,添加1.2%(基于玉米质量)的氢氧化钙,再加入400%(基于玉米质量)蒸馏水,在85℃中蒸煮1h,不断搅拌,然后在50℃下浸泡16h,冲洗多次后,用组织捣碎机破碎,再用胶体磨研磨,用立式喷雾干燥机进行干燥,制备碱蒸煮玉米粉。对照组玉米粉按照碱蒸煮玉米粉的方法进行制备,区别在于制备过程中不加氢氧化钙、不进行蒸煮。每个实验做三个重复。
1.2.2 玉米粉热力学特性测定
利用差示扫描量热仪测定玉米粉的热力学特性。称取1mg(干基)样品于样品盘中,再加入9mg蒸馏水,密封。参数设定:温度从30~120℃,升温速率为10℃/min,以空盘作为参比,得到样品的DSC曲线。每个样品重复做三次。使用TA Universal Analysis软件对曲线进行分析,得到吸热峰的起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终值温度(Te)以及糊化焓(ΔH)。
1.2.3 玉米粉糊化特性测定
用快速黏度仪测定玉米粉的糊化特性。配制淀粉乳液(淀粉∶蒸馏水=3∶25),温度设置程序:升温速率14℃/min,温度范围50~95℃,转速160r/min。记录糊化温度、峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、崩解值和回生值。
1.2.4 玉米粉流变学特性测定
1.2.4.1 淀粉糊的制备
配制质量分数10%的玉米粉悬浮液,在95℃中加热糊化15min,并不断搅拌;在冷水浴中快速冷却到室温,并在室温下保持10min,然后测定其流变特性。
1.2.4.2 静态流变测定
选择流变仪的流动模式测定其静态流变,采用平行板夹具,直径40mm,测量间距1mm;测定过程中,用硅油密封平行板的间隙。在25℃下,以剪切速率0.1~20s-1扫描,反向扫描剪切速率为20~0.1s-1,记录测量过程中样品应力和表观黏度的变化。
1.2.4.3 动态流变特性
选择流变仪的振荡模式测定其动态流变,采用平行板夹具,直径40mm,测量间距1mm;测定过程中,用硅油密封平行板的间隙。对样品在1Hz下进行应力扫描(0.01~4%),确定其线性黏弹区(LVR)。根据LVR,取1%的应变,进行频率扫描(0.1~50Hz)、时间扫描(0~1800s)、温度扫描(5~50℃)。记录样品的贮藏模量(G')、损失模量(G")、损失正切(tanδ)以及复数模量(G*)的变化。
 
2 结果与讨论
2.1 热特性分析
表1显示热碱处理样和对照样的热特性不同,热处理环境接近于淀粉糊化温度,使部分淀粉结晶结构发生改变[5]。热碱处理样品的糊化温度高于对照样品,这可能是由于Ca2+和淀粉链之间相互作用,改变交联淀粉所引起。这与先前报道的研究成果相一致[3]。在蒸煮和浸泡期间,不充足的热和水分以及直链淀粉和Ca2+之间的相互作用限制了淀粉糊化[6],因此,适当的碱化条件控制了淀粉的糊化量。另外,热碱处理后,糊化淀粉就会发生老化。冷却降温会使淀粉在低于糊化温度的环境下重新排列成更有序的结构。研究结果显示,淀粉的冷却降温造成糊化峰值温度升高。热碱处理后,玉米颗粒里面的淀粉微晶之间发生改变,解释了糊化温度的增加。然而,热碱处理玉米粉的糊化焓值较低。在热碱处理玉米粉中,一些淀粉颗粒的双折射消失并且相转变需要的能量也较低,这与热处理期间部分淀粉糊化相一致。热碱处理玉米粉里不会存在直链淀粉和脂质的混合物,这是因为在热碱浸泡加工过程中脂质发生皂化,减少了与直链淀粉之间的相互作用。
表1 热碱处理样和对照样的热特性对比
样品 To/℃ Tp/℃ Te/℃ ΔH/J•g-1
热碱处理玉米粉 72.3±0.1 77.9±0.2 79.9±0.2 11.3±0.8
湿磨对照玉米粉 67.2±0.1 71.6±0.6 74.6±1.1 12.8±1.1
 
 
2.2 玉米粉的黏度分析
加热阶段(50~95℃),黏度逐渐增加直至获得一个最大值(峰值黏度)(见图1)。当在过量的水里加热时,淀粉颗粒溶胀,同时部分组分溶解,固体悬浮分散在连续相里[11]。对照玉米粉的峰值黏度是2000mPa•s左右,这一峰值温度是在92.8℃附近;在95℃恒温期间,黏度下降(颗粒分解),并且在冷却阶段(重新结合)可以观察到黏度上升,这是由于在加热和恒温期间溶解的直链淀粉老化,形成一个网状结构,这个网状结构能够保持大量的水分子[7]。而热碱处理玉米粉,其峰值黏度比对照玉米粉低,但得到这一黏度的温度比对照样高。这就表明热碱处理改变了淀粉的特性。
热碱处理玉米粉的峰值黏度较低,是由于碱浸泡期间直链淀粉溶解,这会降低分子对系统黏度的贡献。另一方面,可以通过DSC分析观察到,对于热碱处理玉米粉来说,峰值峰值出现于较高的温度。冷却期间,热碱处理玉米粉与对照样相似,但是黏度更低,这与热碱浸泡加工期间直链淀粉的损失相一致。
2.3 玉米粉流变学特性
2.3.1 静态流变学特性
图2所示为两种玉米粉的剪切流动曲线,可以看出,两种玉米粉随着剪切速率的变化,表现为剪切变稀的假塑性以及触变性。在流动开始时,因为剪切速率较低,呈现出比较高的黏度,随着剪切速率的不断提高,黏度逐渐下降,这可能是因为凝胶结构受剪切速率变大的影响,网络结构破裂,较大聚集体不断崩解,小聚集体不断生成,减弱了产生流动阻力的分子间相互作用,黏度降低。
从图2可以发现,玉米粉样品的触变环面积中,热碱处理玉米粉面积较小,即其流动需要克服的能量也较小,说明热碱处理玉米粉的稳定性较好,这主要与样品中Ca2+与淀粉交联有关,这些交联有助于其重建凝胶结构。如果让物料静置足够时间,那么该流体的凝胶结构就能够重建,这是触变性流体的特征。另外,呈触变现象的食品口感柔和、爽口,生产中有利于阻止垂挂、沉淀等现象的发生[8]。
由图3可知,剪切应力随剪切速率的增加逐渐增大,玉米粉样品的变化符合Herschel-Bulkley方程:T=T0+k(r)n。
由表2可以看出,两种样品与Herschel-Bulkley方程相关度都在0.99以上,具有较好的相关性,其流动指数均小于1,显示出一种非牛顿流体的剪切变稀现象。热碱处理玉米粉的屈服应力值较大,表明其开始流动较难。而对照玉米粉的流动指数较大,易流动,更接近于牛顿流体。这些值都和热碱处理期间淀粉产生的变化一致。
2.3.2 动态流变学特性
动态流变测试反映的是样品的结构特征,而在整个测试过程中体系的结构未被破坏。对未知特性的玉米粉进行应力扫描,以确定线性黏弹区[8]。样品形变到达一定程度后,即在非线性黏弹区下,分子或聚集体内部的瞬时键遭到破坏,施加的能量变为不可逆的损耗,样品剪切变稀,凝胶特性遭破坏。从图4可以看出,复数模量(G*)在应力测试(0.01~4%)接近于水平,确定了线性黏弹区(LVR),在这个区域内样品完好。在LVR内,总的来说,贮藏模量(G')在样品体系优于损失模量(G"),这是凝胶状黏弹性材料的一个典型特征。
在选定1%形变量测试下,样品动态扫描的G'和G"显示在图5,在频率扫描里,可以看到热碱处理玉米粉的G'高于对照样的贮藏模量值。频率在0.1~50Hz内,G'随频率的增加而小幅度增加,但G"对频率的依赖性却很大,这是凝胶网状结构的特点。在碱性条件下产生的羟基使Ca2+与两个淀粉链之间形成交联,多余的Ca2+吸附于淀粉表面,使得样品硬度增加。这些交联使可溶性直链淀粉嵌入到溶胀颗粒内,形成高弹性凝胶网络结构并且产生较高的贮藏模量。热碱处理玉米粉的贮藏模量增加的变化趋势趋于缓慢,表现出更好的抗剪切能力。
G*反映材料的宏观黏弹性,图6表明,随着时间的延长,两种玉米粉的G*基本不变,说明其稳定性很好。从图中可以看出,热碱处理玉米粉的G*明显大于对照样的复数模量值,说明热碱处理玉米粉抗形变能力较强。
 
3 结论
热碱处理影响玉米粉的热特性以及黏弹特性。 在热碱浸泡加工时,Ca2+与淀粉之间相互作用,稳定了凝胶的结构,增加了玉米粉的糊化温度。由于热碱的存在,部分淀粉糊化,偏光十字消失,玉米粉的糊化焓值有所降低。在糊化阶段热碱处理玉米粉与对照样不同,热碱处理玉米粉形成的凝胶黏度低。对于动态流变测试,热碱处理玉米粉的动态模量较高,这可能是因为热碱浸泡期间淀粉之间、淀粉与Ca2+之间形成交联。在玉米粉里,弹性特征占主导作用。由于这些交联的存在,加强了玉米粉的凝胶特性,即加强了热碱处理玉米粉的稳定性。这些结果有助于去理解加工期间热碱浸泡产品的加工特性。
 
参考文献
[1] Fernández-Muñoz J L,González-Dávalos M L,San Martin-Martinez E,et al.Study of calcium ion diffusion in components of maize kernels during traditional nixtamalization process[J].Cereal Chem,2004,81(1):65~69.
[2] Gutiérrez-Cortez E,Rojas-Molina I,Rojas A,et al.Microstructural changes in the maize kernel pericarp during cooking stage in nixtamalization process[J].Journal of Cereal Science,2010,51(1):81-88.
[3] Mondragón M,Bello-Pérez L A,Agama-Acevedo E,et al.Effect of cooking time,steeping and lime concentration on starch gelatinization of corn during nixtamalization[J].Starch,2004,56(6):248~253.
[4] Mondragón,Mendoza-Martínez A M,Bello-Pérez L A,et al.Viscoelastic behavior of nixtamalized maize starch gels[J].Carbohydrate Polymers,2006,65(1):314~320.
[5] Mondragón M,Bello-Pérez L A,Agama E,et al.Effect of nixtamalization on the modification of the crystalline structure of maize starch[J].Carbohydrate Polymers,2004,55(4):411~418.
[6] Méndez-Montealvo G,García-Suárez F J,Paredes-López O,et al.Effect of nixtamalization on morphological and rheological characteristics of maize starch[J].Journal of Cereal Science,2008,48(2):420~425.
[7] Gimeno E,Moraru I C,Kokini J L,et al.Effect of xanthan gum and CMC on the structure and texture of corn flour pellets expanded by microwave heating[J].Cereal Chem,2004,81(1):100~107.
[8] 于 甜.软质食品流变学特性及测量方法的研究[D].青岛:中国海洋大学硕士论文,2012.

(责任编辑:lsgy100)
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