林顺顺，赵 杰，宋晓燕，马兵团，金 钰，马常云，孙晓薇，陈 慧，王佩茹，李梦琴*
（1 河南农业大学食品科学技术学院 郑州450002 2 河南同昌实业有限公司 郑州450000 3 河南省林业科学研究院 郑州 450008）
人们对食物的选择和对食物的看法和经济社会的发展息息相关。研究表明，目前中国消费者对食物的看法，从原来的方便、餐饮、零食向质量、个性化、营养和健康方向转变，并认为食物是一种享受性消费。人类倾向于从食物消费中获得最大程度的感官愉悦，食物的质感是影响消费者对食品的偏爱、接受及接受程度的重要品质属性之一，其中，对润滑度和乳化度的感官感知通常是享乐性食物备受喜好的主要因素[1]。
在适当的条件下，高分子溶液体系转变成一种弹性的半固体状态的稠厚物质，失去流动性的现象称为凝胶作用，所形成的产物叫做凝胶或冻胶。根据高分子溶质浓度的差异，其形成的凝胶体系可分为液态、半固态、软固态、固态等物理形态。淀粉是食品的重要组成部分。淀粉凝胶吸引水分子和捕获脂肪的能力使其可在食品生产中作为润滑质地调节剂使用，淀粉水凝胶对产品的厚度、质地等口感感知至关重要[2-4]。众多研究表明，淀粉凝胶作为食品口感、润滑质地的调节剂的是合理的[5-8]。淀粉凝胶的质构特性与食品加工品质有密切关系，淀粉凝胶作为重要的食品基质参与甚至主导影响食品的质地、口感等品质特性[2，9]。不同物理形态食品体系在口腔加工中给人的润滑感觉和质地享受程度是显著不同的。相关研究显示，不同物理形态体系食品中的润滑机理存在差异。例如，淀粉、卡拉胶和脂肪对半固体乳制品的摩擦曲线产生不同影响，且脂肪的存在与否会影响润滑机制的差异[10]；
Liu 等[11]研究表明微颗粒乳清蛋白作为脂肪替代物在液体和半固体模型食品中的润滑性能源于滚珠轴承机制；
Krop 等[12]研究表明凝胶滤液润滑性降低是由于凝胶珠“球轴承” 能力的缺失。此外，水胶体的类型、浓度、均匀程度均对食品体系的流动和摩擦学行为产生显著影响[12-13]。对淀粉凝胶物理形态的客观界定，对于研究不同形态淀粉基质食品中不同物质组分的润滑机理，食品中多组分及其相互作用等都具有重要意义，这将有助于更准确控制淀粉基质食品的质感，改善其感官行为。
研究显示：淀粉粒径、形状、聚合度等结构因素也会影响凝胶的物理形态。不同品种淀粉的颗粒尺寸、直链/支链淀粉含量、直支比等存在差异，会对淀粉凝胶的形态和质地产生影响[14]。淀粉经糊化、老化后形成凝胶，在相同质量分数时，不同淀粉所得凝胶形态会有所不同，由此可能产生不同机制的口腔摩擦学行为。Zhang 等[15]研究指出，玉米和马铃薯淀粉煮熟后的颗粒悬浮液表现出明显不同的摩檫学性质。总之，淀粉粒径、形状、聚合度等结构因素也直接影响淀粉的凝胶状态，进而影响产品的润滑质地。建立不同种类淀粉的凝胶形态模型体系，对于研究不同凝胶形态对食品的口腔润滑行为具有重要意义。
本文选用谷类淀粉（玉米、小麦）、薯类淀粉（马铃薯、红薯）、豆类淀粉（豌豆、绿豆），研究不同淀粉形成的凝胶模型体系。采用质量分数梯度法，结合淀粉在不同质量分数下生成凝胶形态的视觉图像、成型性及质构性能，建立6 种淀粉的液态、半固态、软固态、固态和硬固体的凝胶模型体系。对各模型体系的质量分数、操作方法及条件进行反复验证，以确保结果的准确性和重复性。
1.1 主要材料及设备
马铃薯淀粉、红薯淀粉和豌豆淀粉，重庆佳仙食品有限公司；
绿豆淀粉，山东金城股份有限公司；
小麦淀粉，苏州市云可食品有限公司；
玉米淀粉，梁山葵花生物科技有限公司。
TA.XTplus 物性分析仪，英国SMS 公司。
1.2 淀粉凝胶的制备
采用浓度梯度法制备不同物理形态的凝胶[16]，具体为：准确称取淀粉样品，用适量的蒸馏水配制淀粉悬浮液。通过准确控制淀粉悬浮液的浓度，即分别制备淀粉质量分数梯度为1%～10%的6 种淀粉悬浮液（约200 mL），放入500 mL 的烧杯中；
将烧杯置于（98±2）℃水浴中搅拌加热30 min[17]，缓慢倒入2 cm 高的培养皿中，并控制液面高度为1.5 cm；
然后将培养皿平放于4 ℃冰箱中进行凝胶老化24 h，形成稳定的淀粉凝胶。
1.3 淀粉凝胶的视觉图像分析
基于1.2 节中制备得到的淀粉凝胶，取成型的淀粉凝胶块（1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm），放置在30°倾斜的干净玻璃平板上，拍摄凝胶的视觉效果图像。
1.4 淀粉凝胶的质构特性测定
将制备好的淀粉凝胶块切割成长、宽、高均为3 cm 的小方块在TA.XTplus 物性分析仪上测定。探头为P50，测前速度2 mm/s，测试时及测试后的速度均为1 mm/s，压速比为40%，测定凝胶的硬度、黏性、弹性、内聚性、咀嚼性和韧性[18]。
1.5 数据分析
采用SPSS 13.0 进行凝胶质构数据的差异检验分析。采用PCA（Unscrambler version 9.7）对凝胶质构参数进行进一步分析，在PCA 分析时，对所有数据进行标准化（1/Sdev）处理，使每个变量都得到公正的贡献分析[19-22]。
2.1 不同淀粉凝胶形态的视觉效果分析
图1 为6 种淀粉在质量分数梯度1%～10%范围制得的淀粉凝胶形态视觉效果图像（图1 和2）。由图1 可以看出，不同淀粉在相同质量分数下生成凝胶的物理形态差异显著。首先，6 种淀粉在1%质量分数时，所得到的凝胶形态均呈液体，其中马铃薯淀粉和红薯淀粉凝胶溶液色泽透亮，小麦淀粉、玉米淀粉和豌豆淀粉凝胶溶液色泽较白，绿豆淀粉凝胶溶液色泽位于以上二颜色中间。在2%质量分数时，马铃薯淀粉和绿豆淀粉凝胶形态虽已呈现类固体状，但凝胶块放置于30°斜板时会变形，有一定程度下滑，并在斜板上有凝胶残留，说明此时凝胶类固体形态弱，易变性，为明显半固态形态，而2%的小麦淀粉、玉米淀粉、红薯淀粉、豌豆淀粉凝胶仍为较黏稠液体形态。在3%质量分数时，小麦淀粉、红薯淀粉和豌豆淀粉凝胶形态呈现类固体状态，将其置于30°斜板时，形态易变形、下滑，且在斜板上有凝胶残留，为明显半固态形态。4%质量分数的玉米淀粉凝胶形态呈半固态状。
图1 中，当马铃薯淀粉、绿豆淀粉质量分数3%～4%，小麦淀粉、豌豆淀粉和红薯淀粉质量分数4%，玉米淀粉质量分数5%时，其对应凝胶块置于30°斜板时，虽有一定程度下滑，但板上未见凝胶残留，说明此时凝胶的类固体形态增强，但易变性，呈明显软固体形态。
图1 不同淀粉凝胶物理形态视觉效果（淀粉质量分数1%～4%）Fig.1 Visual effects of different starch gelling physical forms（starch mass fraction 1%-4%）
由图2 可知，当质量分数≥5%（玉米淀粉质量分数≥6%）淀粉形成的凝胶块置于倾斜平板时，其正方体形态未见明显变形，并可稳定立于斜板上（或沿斜板滑下后板上没有凝胶残留），此时凝胶具有明显固体性质，为固体形态。
图2 不同淀粉凝胶物理形态视觉效果（淀粉质量分数5%～10%）Fig.2 Visual effects of different starch gel physical forms（starch mass fraction 5%-10%）
2.2 不同淀粉固态凝胶质构参数的方差分析
为了对淀粉凝胶形态中固态与硬固态进行客观界定，本研究对5%～10%淀粉含量的凝胶硬度、黏性、弹性、内聚性、咀嚼性和韧性参数进行分析（表1）。
对同种淀粉不同质量分数凝胶质构性能的方差分析发现（表1），随着淀粉质量分数增加，6 种淀粉凝胶的硬度整体呈显著增加趋势（P＜0.05）；
弹性方面，淀粉质量分数从5%增加6%时，小麦、豌豆、红薯凝胶的弹性均显著增加（P＜0.05）。随着淀粉质量分数的增加，6 种淀粉凝胶的咀嚼性（除马铃薯淀粉9%、豌豆淀粉10%）呈不同程度的增加趋势。
表1 不同质量分数淀粉凝胶的质构性能分析Table 1 Analysis of texture properties of starch gels with differentmass fraction
对相同质量分数、不同淀粉凝胶质构性能的差异分析结果显示（表1），马铃薯淀粉凝胶（6%，7%，8%，9%，10%）的硬度显著小于其它淀粉凝胶（P＜0.05），为此后续又对11%～14%质量分数马铃薯淀粉的凝胶样品进行辅助分析。在相同质量分数时，豌豆淀粉凝胶和绿豆淀粉凝胶的硬度显著高于其它淀粉凝胶（P＜0.05）；
另外，凝胶的黏性、弹性、内聚性、咀嚼性和韧性性质在不同淀粉间也存在不同程度的显著性差异（P＜0.05）。
2.3 同种淀粉、不同质量分数的凝胶质构性能PCA 分析
由于淀粉凝胶的质构属性不是由某一个或某几个参数决定，凝胶的硬度、黏性、弹性、内聚性、咀嚼性和韧性分别从不同方面反映了凝胶的质构性质。为了全面掌握不同质量分数间凝胶质构性能的差异性，文中对数据进行了回归分析和主成分分析（PCA），分析过程中对各指标数值进行标准化处理，即消除了指标间数值差异性[20-22]。分析发现，前2 个主成分累计方差贡献率均大于80%，说明前两个主成分已经包含了大量能够反映样品整体差异特征的信息（图2）。图中不同样品间的距离可清晰、直观地反映样品之间的差异，即样品间距离越远，表明该样品间的差异越大。
图3 结果显示，第一主成分均为主要解释变量，因此均沿PC1 轴方向进行分析。不同质量分数小麦淀粉凝胶样品沿PC1 轴方向，从左到右可明显分成3 组，其中X5（小麦淀粉质量分数5%凝胶）位于图的左侧，X6、X7（淀粉质量分数6%和7%）样品位于轴中心处，X8、X9 和X10（淀粉质量分数8%，9%和10%）样品位于右侧位置，这一结果说明小麦淀粉质量分数6%和7%凝胶的（X6 和X7）质构性能较为相似，小麦淀粉质量分数8%～10%凝胶的（X8、X9 和X10）质构性能较为相似，且它们分别与淀粉质量分数5%凝胶的存在显著差异（P＜0.05）。
图3 不同质量分数淀粉凝胶的质构性能PCA 分析Fig.3 The PCA analysis of texture properties of starch gels with different mass fraction
类似地，玉米淀粉凝胶样品间的位置结果表明，淀粉质量分数6%凝胶的质构性能与7%凝胶存在显著差异，且均显著区别于淀粉质量分数8%～10%的凝胶样品（P＜0.05）。5%～7%质量分数马铃薯淀粉凝胶的质构性能较为近似，8%～11%质量分数凝胶的质构性能较为相近，且它们分别与12%～14%质量分数凝胶存在显著性差异（P＜0.05）。质量分数6%和7%的红薯淀粉凝胶的质构性能较为相似，质量分数8%～10%凝胶的质构性能较为相似，且它们均与5%凝胶有显著差异（P＜0.05）。5%和6%豌豆淀粉凝胶的质构性能极为相近，且和7%凝胶样品分别显著区别于8%，9%和10%样品（P＜0.05）。绿豆淀粉凝胶样品间的位置表明，绿豆淀粉质量分数5%～7%凝胶的质构性能极为相似，质量分数8%和9%凝胶极为相似，且它们均与10%凝胶样品存在显著差异（P＜0.05）。
2.4 6 种淀粉凝胶固态和硬固态的综合界定
为进行淀粉凝胶固态和硬固态的客观界定，对6 种质量分数在5%～10%范围的淀粉凝胶样品（其中马铃薯质量分数5%～14%）的质构参数进行综合分析（图4），发现前2 个主成分已经包含了大量信息（总方差贡献率76%），能够反映样品的整体差异特征，因此，这里建立了PC1-PC2 二维Score 图分析样品的整体信息。
图4 发现，小麦X5、X6 样品位于坐下方，X8～X10 样品位于右上方，X7 样品位于右下方，结合2.1 节凝胶视觉效果及2.3 节分析结果，将质量分数5%，6%，7%小麦淀粉形成的凝胶界定为固态，质量分数8%～10%得到的凝胶界定为硬固态；
类似地，玉米Y6～Y7 样品、马铃薯M5～M10 样品、红薯H5～H8 样品均位于右下方，玉米Y8～Y10 样品、马铃薯M11～M14 样品、红薯H9～H10 样品位于右上方，因此将质量分数6%～7%玉米淀粉、5%～10%马铃薯、5%～8%红薯形成的凝胶界定为固态，质量分数8%～10%玉米淀粉、11%～14%马铃薯、9%～10%红薯形成的凝胶界定为硬固态。
图4 6 种淀粉不同质量分数凝胶质构性能PCA 分析Fig.4 The PCA analysis of gel texture properties of six starches with different mass fraction
同样地，豌豆W6～W7 样品、绿豆L5～L8 样品均位于左下方，且其位置极为接近，豌豆W8～W10样品、绿豆L9～L10 样品均位于左上方，说明质量分数6%～7%豌豆淀粉与5%～8%绿豆形成的凝胶的质构性能极其相似，可将其均界定为固态，而质量分数8%～10%豌豆淀粉、9%～10%绿豆形成的凝胶界定为硬固态。
2.5 不同物理形态淀粉凝胶模型体系的建立
通过以上分析及后续试验验证，得到了6 种淀粉的5 种物理形态淀粉凝胶模型体系所需要的淀粉质量分数参数（表2）。该5 种物理形态淀粉凝胶模型体系的建立，为后续研究不同淀粉凝胶形态在口腔加工过程中淀粉摩擦学行为及口感影响机制提供基础。
表2 不同物理形态淀粉凝胶（%）模型体系的建立Table 2 Establishment of starch gel（%）model system with different physical forms
本文通过视觉成像、倾斜平板残留方法，判定并建立了6 种淀粉的液态、半固态、软固态形态凝胶模型体系；
采用SPSS 方差分析、PCA 分析对淀粉固态凝胶的质构性能参数进行综合分析，得到同种淀粉不同质量分数间的凝胶质构性能的差异性结果，以及6 种淀粉不同质量分数间的凝胶质构性能差异结果，从而建立了6 种淀粉5 种物理形态的淀粉凝胶模型体系，该体系的建立为后续研究口腔加工过程中淀粉凝胶摩擦学行为和口感影响机制提供基础。