膳食纤维-淀粉体系相转变特性与结构变化的相关性

Phase transition has important significance for quality control and process design of starch-based food fortified with dietary fiber. But the effect and action mechanism of dietary fiber (DF) on phase transition of starch are still unclear. Our previous research showed that the modification of starch by DF correlated with molecular mobility of system. There are two kernel scientific issues to elucidate. The one is thermodynamic state diagram of DF-starch system, the other is characterization of composition and structure changes of system induced by DF. In this study, attentions will be paid to the correlation between the phase transition and structure change of the system which consisted with rice starch and soluble soybean DF. Properties of primary and secondary phase transition are measured by DMTA, RVA, DSC and low field NMR. Gordon-Taylor and Flory-Huggins formulas are used to fit state diagram. Composition and structure of system are analysed with X-ray, NMR, FT-IR and HPSEC-MALLS-RI. The conclusion will be helpful to elucidate the modification mechanism of dietary fiber on stach-based food. At the same time, it can lay the academic foundation to quality control and process design of starch-based food.

膳食纤维强化类淀粉基食品的相转变对其质量控制和加工设计具有重要意义。现阶段膳食纤维对淀粉相转变特性的影响及作用机理仍不清楚。前期我们发现膳食纤维对淀粉的改性与体系分子流动性有关。构建膳食纤维-淀粉体系的热力学状态图，表征膳食纤维对淀粉组成和结构变化的影响，是阐析膳食纤维对淀粉相转变特性影响机理的两个关键科学问题。本项目从相转变特性入手，采用DMTA、RVA仪、DSC、低场NMR等手段，测定大米淀粉与可溶性大豆膳食纤维二元体系的相转变参数；利用Gordon-Taylor、Flory-Huggins等模型构建体系的状态图；通过X衍射，NMR，FT-IR，高效液相分子排阻色谱等方法，对膳食纤维引入前后体系的组成和结构变化进行表征；建立膳食纤维-淀粉体系相转变特性与结构变化间的相关性。既为阐释膳食纤维对淀粉基食品的改性机理提供研究支撑，又为膳食纤维强化类淀粉基食品的品质控制和加工设计提供理论基础。

基于玻璃态转变特性实现食品品质和安全性控制成为国内外研究热点。开展膳食纤维对淀粉相变特性的影响及机理研究，建立热力学状态图，对膳食纤维强化类淀粉基食品的质量控制和加工设计具有重要的指导意义。本项目以大豆可溶性膳食纤维（SDF）与高直链和高支链大米淀粉形成的复合物（SDF-IRS、SDF-WRS）为对象,研究了SDF-RS体系的一级相变特性（糊化特性、稳态流变性特性、储能模量及损耗模量）。系统分析了SDF对RS体系吸湿等温线、玻璃化转变温度、冻结曲线及最大冻结溶度条件等二级相变参数的影响；利用Gordon-Taylor、Clausias-Clapeyron等模型对RS和SDF-RS的二级相变特性进行非线性拟合，建立了淀粉（IRS、WRS）和可溶性膳食纤维-大米淀粉体系（IRS-SDF、WRS-SDF）的状态图。表征和分析了SDF引入前后淀粉体系的结构变化，从相变特性的角度探讨了可溶性膳食纤维对大米淀粉改性的机理。结果表明：SDF具有一定的阻止淀粉糊化、延缓短程老化、提高体系剪切稳定性的作用，且高分子量段的SDF其作用效果更明显；RS和RS-SDF的吸附等温线均为II型等温线，颗粒表面存在不受束缚的单层和多层吸附位点，能够进行多层吸附；相同水分活度，SDF-RS的平衡水分含量要高于RS；SDF-RS的Tg显著低于原淀粉体系，在储藏过程中RS-SDF对水分含量的要求更为严苛。添加5%SDF后IRS-SDF和WRS-SDF的有效分子质量分别为647.5和976.8，低于原淀粉。在温和的混溶搅拌条件下，SDF的加入使得整个体系的有效分子量下降。但SDF并没有改变大米淀粉的形貌结构；RS及SDF-RS的X衍射图谱均为A型结晶；复配后SDF-RS的红外图谱较RS没有产生新的吸收峰，SDF的加入会降低RS体系的结晶度，这种作用对IRS的效果更明显；加入SDF后复合体系的链水结晶结构的熔融温度低于原淀粉，但淀粉链链结晶结构熔融的吸热峰未见显著改变；SDF与RS的相互作用更多的表现为氢键或疏水相互作用的结果。初探了分子模拟技术在淀粉玻璃态转变特性及淀粉与糖类相互作用机理研究中的应用。为阐释膳食纤维对淀粉基食品的改性机理提供研究支撑，也为相关产品的品质控制和加工设计提供理论参考。