CN108272068B - 热可逆胶凝淀粉 - Google Patents

Abstract

一种衍生自具有一剂量或两剂量的隐性直链淀粉扩充基因(ae)的具有胚乳基因型的蜡质玉米突变体的改性淀粉的热可逆胶凝剂。该淀粉可经酶促、物理或通过酸解改性。此类胶凝剂展现可用于增稠或以其它方式向食品提供独特质地的性质。

Description

热可逆胶凝淀粉

发明领域

本发明涉及用于食品生产的胶凝剂，且更特别地涉及来自特定的ae蜡质玉米胚乳基因型的改性淀粉用于形成具有良好的胶凝强度和流变性质的热可逆胶凝剂的用途。

背景技术

玉米具有许多影响淀粉中支链淀粉结构和支链淀粉/直链淀粉比率的基因。一种是Wx或蜡质基因(waxy)。隐性蜡质等位基因(wx)减少淀粉中存在的直链淀粉的量。另一种是Ae或直链淀粉扩充基因(amylose-extender)。隐性直链淀粉扩充等位基因(ae)增加支链淀粉的直链长度。所述基因复杂地相互作用，这是由于显性基因和加性基因效应影响淀粉的量及其结构二者。出于许多目的，来自各种玉米基因型和玉米胚乳基因型的淀粉用于食品工业中，但已证明在制造热可逆凝胶中使用有限。例如，酶促脱支蜡质玉米已显示形成可逆凝胶，但是酸解的蜡质玉米不能。

热可逆凝胶是取决于条件(如热)而转变成凝胶相和从凝胶相转变来的物质。它们在食品工业中是重要的，尤其用于控制感官性能。存在着对于在使用更宽泛的一系列改性之后能够制造更强的热可逆凝胶的玉米淀粉的需要。

发明内容

本文公开了由具有隐性wx和ae等位基因二者的玉米淀粉制造的胶凝剂。更具体地，玉米胚乳具有一剂量(dose)或两剂量(或拷贝)的ae，且具有三剂量的wx。改性玉米淀粉形成比由类似改性的蜡质玉米胶凝剂可获得的显著更强的热可逆凝胶。该淀粉可酶促消化或通过酸解消化。在另一实施方案中，该淀粉可酶促脱支。在另一实施方案中，该淀粉可经剪切。值得注意的，在许多情况下，可在没有首先使淀粉颗粒胶凝化的情况下制造胶凝剂。

还公开了由所公开的改性淀粉制造的凝胶、用于制造那些凝胶的方法，以及使用此类凝胶的食品(food product)和制造那些食品(food)的方法。

具体实施方案

出于本申请的目的，ae表示隐性直链淀粉扩充等位基因。

出于本申请的目的，Ae表示显性野生型直链淀粉扩充等位基因。

出于本申请的目的，wx表示隐性蜡质等位基因。

出于本申请的目的，Wx表示显性野生型蜡质等位基因。

出于本申请的目的，纯合aewx玉米淀粉或纯合ae蜡质玉米淀粉表示来自wx和ae等位基因纯合的玉米胚乳的淀粉。

出于本申请的目的，aewx玉米淀粉或ae蜡质玉米淀粉是由具有三剂量的wx和一剂量或两剂量的ae的玉米胚乳提取的淀粉。

如本申请中所使用的，热可逆凝胶是在再加热时变成溶液并在冷却时再次形成凝胶的凝胶。该凝胶足够稳定以在发生显著的退化之前经受至少5次熔化/胶化循环，并优选至少10次循环。

虽然本领域普通技术人员将理解可根据各种方法使用各种浓度制造凝胶，以获得各种性质，但是使用所公开的胶凝剂的热可逆凝胶的非排他性实施方案可根据以下方法制造并且具有以下性质：

凝胶制备：通过在沸水浴中加热浆料20分钟，从热源移走并冷却直至其胶化来使改性aewx淀粉15％(w/w，在蒸馏水中)完全胶凝化。

凝胶品质：如由实施例1中所阐述的冲压力测试所测量的，凝胶在4℃下放置1周之后展现至少100g的硬度(firmness)。

如本文中所使用的，改性淀粉表示经受酸解、剪切、酶促反应或使天然淀粉稀化(thin)、脱支或降解的其它反应的淀粉。此类改性不包括使淀粉稳定的反应，例如化学衍生化(例如，乙酰化、丙基化、酯化、醚化等)、交联或热处理反应，如热抑制、退火、湿热处理等等。但是，这不妨碍改性淀粉被稳定或以其它方式被改变以进一步改变热可逆胶凝剂的性质。

本文公开了可经改性以形成热可逆胶凝剂的玉米淀粉，所述热可逆胶凝剂与由通过类似方法制造的其它玉米突变体(variant)的淀粉制造的胶凝剂相比，能够形成更强的热可逆凝胶。该玉米淀粉来自具有一剂量或两剂量的ae的aewx玉米基因型。wx等位基因减少淀粉颗粒中直链淀粉的量，使得纯合wx的淀粉颗粒具有极少的直链淀粉含量(少于3％)。在纯合wx玉米中，ae剂量数通常决定直链淀粉链长，其中3剂量通常具有比2剂量更长的链，而2剂量通常具有比1剂量更长的链。

在本发明的实施方案中，淀粉来自具有aewx基因型的玉米胚乳，其为隐性wx等位基因纯合的，但具有一剂量或两剂量的ae。更具体地，在一个实施方案中，淀粉来自具有aewx基因型以及一剂量的ae的玉米胚乳。在另一实施方案中，淀粉来自具有aewx基因型以及两剂量的ae的玉米胚乳。

玉米淀粉倾向于形成不可逆凝胶或不胶化。没有受理论限制，这是淀粉颗粒中支链淀粉和直链淀粉的相互作用(或相互作用的缺乏)所导致。直链淀粉是长直链分子，其可更容易地自身排列成有序的(organized)的分子复合物如凝胶，其如果太强地结合(通过分子内力如氢键)的话，则是不可逆的。因此，含有直链淀粉的玉米淀粉倾向于形成不可逆的凝胶。支链淀粉是重度支化分子，其自身不能容易地有序化。因此它倾向于不胶化。因此，含有极少直链淀粉或不含直链淀粉的蜡质玉米倾向于不胶化，或在特殊条件下形成弱凝胶。

本文中还公开了改性以上公开的淀粉以形成能够形成热可逆凝胶的胶凝剂的方法。一般地，所公开的方法涉及将支链淀粉稀化、水解或脱支。这些效果可以化学方法实现、酶促实现或通过剪切实现。

在一个实施方案中，使用酶来改性所公开的淀粉。在一个实施方案中，酶促反应可使支链淀粉脱支，即裂解1-6糖苷键的反应。在另一实施方案中，酶促反应可为稀化(thinning)反应，即裂解1-4糖苷键的反应。该反应还可裂解1-4糖苷键和1-6糖苷键两者。合适的酶通常包括α-淀粉酶、支链淀粉酶I型和II型、异淀粉酶、内淀粉酶，以及能够裂解1-4糖苷键和/或1-6糖苷键的其它酶。

本领域普通技术人员将理解反应由所使用的酶决定，并且这种技术人员可调节本文中描述的一般方法以适应所使用的酶以及特别的要求。合适的pH可为4至10，尽管典型地，反应将在酸性溶液(即pH低于7)中发生，并且更典型地反应将在4至6的pH下发生。合适的温度将典型地为约45°至95℃。

取决于所使用的酶的类型和所需的凝胶的最终性质，反应可进行各种时长。典型地，反应时间持续(run)0.5至5小时。在极端情况下，未进行足够长时间的反应不足以消化淀粉来制造热可逆胶凝剂，而进行太长时间的反应将过度消化淀粉并也将不会制造热可逆胶凝剂。

在一个实施方案中，淀粉通过裂解1-4糖苷键的酶(如α-淀粉酶)来改性。制备淀粉浆料，其中在酸性溶液(即，小于pH 7)中，在溶液中含有10％至50％的淀粉(w/w)。优选地，淀粉的浓度为20％至40％(w/w)，且最优选约30％(w/w)。同样，优选溶液具有4至6的pH，且最优选约6的pH。以1.0％至0.01％(w/w，dsb)且更优选大约0.1％(w/w，dsb)的浓度向淀粉浆料中添加酶。将酸性淀粉/酶浆料在50°至95℃范围内、更优选为约90°至95℃的受控温度下温育。使反应进行超过0.5小时，更优选超过1小时。通过常规手段，例如使浆料沸腾或冷冻来停止反应。随后通过冷冻干燥或其它蒸发手段回收消化淀粉。虽然优选淀粉在与α-淀粉酶反应之前不胶凝化，但是在添加酶之前淀粉可能胶凝化。另外地，淀粉可预胶凝化，使得它在被添加到溶液中之前为可溶性的。

在另一实施方案中，淀粉通过裂解1-6糖苷键的酶(如支链淀粉酶或异淀粉酶)脱支。制造淀粉浆料，其中在蒸馏水中含有10％至50％(w/w)淀粉、优选20％至40％(w/w)淀粉且最优选约20％(w/w)淀粉。将浆料调节为酸性，具有低于7的pH，并优选pH低于5，且最优选为约4.5。在该实施方案中，脱支反应典型地在比上述酶促消化反应的温度更低的温度下进行，因此在添加酶之前淀粉优选在溶液中胶凝化。或者，淀粉可在被添加至浆料之前增溶(例如通过喷射蒸煮)。在添加酶之时，浆料温度为45°至65℃、优选为50°至60℃且更优选为约55℃。使浆料保持温度并以1％至5％(w/w，dbs)且优选约2％(w/w，dsb)的浓度将酶添加至浆料中。反应进行1至6小时、更优选2至5小时且最优选3至4小时。通过常规手段，例如使溶液冷冻或沸腾来停止反应。通过标准蒸发手段回收淀粉。

在另一实施方案中，所公开的淀粉可通过酸解改性，其同时破坏淀粉颗粒以及通过裂解糖苷键使淀粉本身稀化。与酶促反应一样，淀粉可在被添加到溶液中之前经预煮，或可在溶液中胶凝化。因为酸破坏颗粒结构以及消化淀粉，所以优选淀粉在被添加到溶液中之前不增溶，且反应在颗粒淀粉上进行。

酸解在强酸性溶液中进行，即溶液pH小于4，并优选pH远小于4。在一个实施方案中，溶液将具有小于1的pH。制造淀粉浆料，其中含有10％至50％(w/w)的淀粉，优选20％至40％(w/w)的淀粉且最优选约35％(w/w)的淀粉。将浆料与强酸(例如盐酸或硫酸)混合。以0.5％至2.5％(w/w)、优选1％至2％(w/w)的范围且最优选约1.5％(w/w)添加酸。将浆料保持在45°至65℃、优选50°至60℃且最优选约55℃的温度下。使反应进行2至36小时、优选4至24小时。在一个实施方案中，反应可进行约8小时，在另一实施方案中，反应可进行约16小时。通过添加足量的碱性溶液将溶液中和来停止反应，例如使用1％至10％(w/v)的氢氧化钠溶液。通过过滤并用蒸馏水洗涤来回收淀粉。在避免淀粉胶凝化的温度(即，低于约60℃)下干燥改性淀粉。

在另一实施方案中，淀粉可通过剪切使淀粉脱支来改性。大多数物理加工方法可以做这个，例如使淀粉经受高速混合器、泵、挤出机或均化器。此类过程起着使淀粉脱支的作用。相比于酶促改性或酸改性，物理剪切过程较少取决于溶液的pH。因此溶液可为碱性、酸性或中性的。在一个实施方案中，使淀粉在随后的并入食品中以便进一步加工之前经受物理剪切。淀粉还可在剪切之前被并入，并经受作为食品加工的一部分的物理剪切。食品中的淀粉浓度典型地为0.1％至50％(w/w)的淀粉。使淀粉胶凝化，或可通过已知方法(例如喷射蒸煮)使淀粉预胶凝化。在物理加工之前，将淀粉加热以完全蒸煮(胶凝化)或活化(预胶凝化淀粉)，使得它将形成糊状物。所得的糊状物经剪切以使淀粉脱支。在一个实施方案中，将所得的糊状物在高速混合器中处理约1分钟或更长，优选多于5分钟。

如本文中所公开般改性的淀粉可用于制造热可逆凝胶。所述热可逆凝胶的性质取决于改性。但是与现有技术的玉米基胶凝剂相比，所公开的淀粉形成更强的热可逆凝胶，而与改性无关。如在本申请中所使用的，热可逆凝胶是在再加热时变成溶液并在冷却时再次形成凝胶的凝胶。该凝胶足够稳定以在发生显著的退化之前经受至少5次熔化/胶化循环，并优选至少10次循环。

通过将淀粉与溶液(其中淀粉浓度为10％至50％(w/w)淀粉、优选20％至40％(w/w)淀粉)混合来制造凝胶。在一个实施方案中，由具有15％(w/w)淀粉浓度的浆料来制造凝胶。在另一实施方案中，由具有30％(w/w)淀粉浓度的浆料来制造凝胶。通过将浆料加热至90°至99℃、持续10至30分钟来使淀粉胶凝化。或者，可在与溶液混合之前使淀粉预胶凝化。随后将预胶凝化淀粉浆料类似于上述过程进行加热以活化淀粉。随后将淀粉溶液冷却直至其胶化，其取决于用于改性淀粉的方法，在60°至85℃之间。

取决于溶液中淀粉的浓度以及根据用于改性淀粉的方法，由改性淀粉制造的凝胶的强度是不同的。但是已观察到某些通性。凝胶倾向于随着时间的过去增加强度，并且虽然一些溶液不会即刻胶化，但是在使溶液放置1天至1周之后，其发生胶化。另外地，酶促脱支淀粉产生了所探索方法的最强的凝胶。在所测试的三种反应时间中，用酶脱支3.5小时的淀粉比进行2或5小时的反应(的淀粉)更强。这显示反应必须进行足够的时间以使淀粉脱支，但是如果使其进行太长时间，则倾向于使淀粉过度脱支。对于酸解而言，凝胶在水解8小时或更短时倾向于最强。如果允许酶促消化(例如通过α-淀粉酶)进行多于1小时，则其形成较强的凝胶。并且在剪切1分钟之后，剪切淀粉能够形成凝胶，但是在5分钟的剪切之后显著更强。虽然在15分钟的剪切之后凝胶进一步更强，但是与5分钟的剪切相比，胶凝强度的增加小于剪切1分钟和5分钟的溶液之间的增加的胶凝强度。

虽然本领域普通技术人员将理解可根据各种方法、使用各种浓度制造凝胶，以获得各种性质，但是使用所公开的胶凝剂的热可逆凝胶的非排他性实施方案可根据以下方法制造并且其具有以下性质：

凝胶制备：通过在沸水浴中加热浆料20分钟，从热源移走并冷却直至其胶化来使改性aewx淀粉15％(w/w，在蒸馏水中)完全胶凝化。

凝胶品质：如由实施例1中所阐述的冲压力测试所测量的，凝胶在4℃下放置1周之后展现至少100g且更优选至少100g的硬度。

通过所公开的方法制造的改性淀粉可用于形成可用于各种食物应用中的凝胶。实例包括，但不限于人造奶酪(imitation cheese)、汤、甜点、沙司(sauce)、肉汁、饼馅、酸乳酪、布丁和调味品(dressing)。所公开的淀粉可单独用作胶凝剂，或与其它胶凝剂组合使用。本发明的胶凝剂可单独使用或与增粘剂或其它成分一起使用，以提供食品独特的质地。可将淀粉作为改性淀粉添加或作为未改性淀粉添加，所述未改性淀粉将在食品加工期间进行改性。将按照应用的需要来添加淀粉或改性淀粉，但是通常量为0.1％至50％淀粉(w/w)。

经由以下实施例进一步描述本发明的某些方面，提供所述实施例作为例示并且不应将其解释为以任何方式限制本发明的范围。本领域普通技术人员将认识到可对实施例中所使用的方法和材料作出常规改变，其将仍然落在本发明的精神和范围内。

方法和结果

实施例1-胶凝强度

使用质地分析仪(TA.XT)测量胶凝强度。将淀粉溶液倾倒进入10mL烧杯中，并在4℃下储存1或7天。使用5mm球形探针(TA-8B)在凝胶中冲压15mm深度，并记录所需的力。临测试之前从冰箱中取出样品，使得凝胶在测量期间仍处于冷藏温度下。

测试参数：

触发力：2g；

测试速度：1mm/s(6cm/min)；

测试距离：15mm。

实施例2-酶促脱支

将淀粉(20％w/w)与蒸馏水混合。使用0.5M HCl溶液将浆料的pH调节至4.6。在沸水浴中伴随持续搅拌将浆料蒸煮15分钟，以实现淀粉的完全胶凝化。随后将所得的糊状物转移到水浴中并在58.5℃下温育，并伴随偶尔搅拌使其冷却至58.5℃，持续10分钟。将

D2(Novozyme)(2％，dsb，密度1.208g/ml)添加到糊状物中并充分混合，并在58.5℃下温育3.5小时。通过将样品在沸水浴中加热5分钟来终止脱支反应。将脱支样品冷冻干燥。

制造脱支淀粉的凝胶，其中在蒸馏水中含有10％淀粉(w/w)。将溶液在沸水浴中加热20分钟，直至淀粉胶凝化。将溶液从热源移走，并使其冷却至低于胶凝温度。通过将凝胶在热水浴中再加热直至凝胶熔化来显示热可逆性。所有凝胶的熔点均为80℃。

表1

如所示，使用来自具有1剂量或2剂量的ae的aewx玉米胚乳的酶促脱支改性淀粉成功地制造了热可逆凝胶。两种凝胶都随着时间的过去增强。由具有2剂量的ae的aewx玉米淀粉制造的凝胶在1天和7天的放置之后均展现了最高的强度。

在蜡质玉米淀粉和具有两剂量的ae的aewx玉米淀粉上进行相同的脱支程序，所不同的是改变脱支时间：使反应进行2小时、3.5小时和5小时。同样，制造热可逆凝胶，其中在水中的淀粉浓度为15％(w/w)。

表2

如所见，具有2剂量的ae的aewx玉米淀粉形成在80°至85℃下熔化的热可逆凝胶。该凝胶展示比蜡质玉米更高的强度，而与反应持续时间无关。由具有2剂量的ae的aewx玉米淀粉制造的凝胶在反应3.5小时之后展现最高的强度。

实施例3-酸解

将淀粉(35％w/w淀粉，在蒸馏水中)与HCl(1.5％w/w)混合，以制备浆料。将浆料在52℃的水浴中伴随搅拌温育16小时。通过中和终止反应。通过过滤并洗涤三次来回收酸稀化的淀粉。

使用15％(w/w，在蒸馏水中)制造由水解淀粉制造的凝胶。通过将浆料在沸水浴中加热20分钟来使淀粉完全胶凝化。将淀粉溶液从热源移走，并冷却直至其胶化。所有胶化的溶液在大约60℃下都如此。通过将凝胶在水浴中加热来显示热可逆性。观察到所有凝胶在约60℃下熔化。

表3

如所见，酸解蜡质玉米不形成凝胶。来自具有1剂量和2剂量的ae的aewx玉米胚乳的酸解淀粉在放置一周之后形成凝胶。来自具有2剂量的ae的aewx玉米胚乳的酸解淀粉在一天和一周之后形成凝胶。

在蜡质玉米淀粉和具有2剂量的ae的aewx玉米淀粉上进行相同的酸解反应，所不同的是水解反应进行不同的时间，分别为8小时、16小时和24小时。再次由具有15％(w/w)淀粉/水的溶液制造凝胶。

表4

来自具有2剂量的ae的aewx玉米胚乳的酸解淀粉在一天之后形成凝胶，对于所有的反应持续时间而言，其在一周之后得到增强。在8小时反应之后的凝胶是最强的。蜡质玉米在放置一天之后不胶化，并在放置一周之后仅形成非常弱的凝胶。

实施例4-物理脱支

在淀粉/蒸馏水溶液上进行物理脱支，其中淀粉浓度为15％(w/w)。将淀粉浆料在沸水浴中完全蒸煮20分钟，以使淀粉完全胶凝化。使用手持混合器剪切所得的糊状物1分钟、5分钟或15分钟，并随后将其倾倒进入金属箔长条烤盘并冷冻干燥以回收淀粉。

由如上所述经物理脱支的具有2剂量的ae的aewx玉米淀粉制造凝胶，并将其与由未脱支的具有2剂量的ae的aewx玉米淀粉制造的凝胶相比。通过混合淀粉浆料(15％w/w，在蒸馏水中)制造凝胶。将淀粉浆料在沸水浴中加热，以使淀粉完全胶凝化。随后将淀粉溶液冷却，直至其胶化。通过将凝胶在水浴中再加热直至其熔化来显示热可逆性。所有凝胶在约75℃下熔化。

表5

如所见，所有的溶液均形成凝胶。与使其放置一天的凝胶相比，由剪切淀粉形成的凝胶在1周之后在强度上显著增加。另外地，剪切5分钟或更长的凝胶在使其放置一周展现剪切一分钟并使其类似放置的凝胶的至少两倍的胶凝强度。

实施例5-酶促消化

以30％(w/w)浓度制备淀粉浆料，并将浆料的pH调节至5.8。以0.08％(w/w，dsb)的浓度将α-淀粉酶(

Fred L，DuPont)添加至浆料中，并充分混合。将浆料在配备有自动化温度控制器的油浴中温育。伴随搅拌在95℃下进行酶解0.5小时或1小时，并即刻将所得的水解物倾倒进入金属箔长条烤盘并在冷冻机中冷冻。通过冷冻干燥回收样品。

由如上所述进行改性的α-淀粉酶蜡质玉米淀粉和具有2剂量的ae的aewx玉米淀粉制造凝胶。通过混合淀粉(30％w/w)和蒸馏水来制造凝胶。将淀粉浆料在沸水浴中加热，以使淀粉完全胶凝化。随后将淀粉溶液冷却，直至其胶化。通过将凝胶在水浴中再加热直至其熔化来显示热可逆性。所有凝胶在约50℃下熔化。

表6

如所见，经改性的具有2剂量的ae的aewx玉米淀粉在一周之后形成凝胶，而与反应时间无关，但是在使其放置一周之后凝胶更强。同样，反应1小时的经改性的具有2剂量的ae的aewx玉米淀粉在使其放置一天之后形成凝胶。

Claims (10)

1.一种来自具有一剂量或两剂量的ae的具有胚乳基因型的aewx玉米的改性淀粉，其能够形成热可逆凝胶，其中来自aewx玉米的改性淀粉是从具有三剂量的wx和一剂量或两剂量的ae的玉米胚乳提取的淀粉并且其中所述淀粉经历过酸解、剪切或酶促反应。

2.权利要求1所述的改性淀粉，其中所述具有胚乳基因型的aewx玉米具有两剂量的ae。

3.权利要求2所述的改性淀粉，其中当使用所述改性淀粉来制造测试凝胶时，所述测试凝胶的特征至少在于所述测试凝胶在4℃下储存1周之后具有至少100g的冲压强度；其中所述测试凝胶包括在水中的不多于15重量％的所述改性淀粉。

4.一种用于制造如权利要求1中所定义的改性淀粉的方法，其包括：

改性来自具有一剂量或两剂量的ae的具有胚乳基因型的aewx玉米的淀粉，使得所述淀粉能够制造热可逆凝胶。

5.权利要求4所述的方法，其中所述淀粉来自具有两剂量的ae的具有胚乳基因型的aewx玉米。

6.权利要求5所述的方法，其中所述淀粉通过直链淀粉酶、异淀粉酶或α-淀粉酶中的一种进行酶促改性。

7.权利要求5所述的方法，其中所述改性淀粉在改性之前未胶凝化。

8.权利要求5所述的方法，其中所述改性淀粉通过酸解改性。

9.一种食品，其包含：

如权利要求1中所定义的来自具有两剂量的ae的具有胚乳基因型的aewx玉米的改性淀粉。

10.权利要求9所述的食品，其中当使用所述改性淀粉来制造测试凝胶时，所述测试凝胶的特征至少在于所述测试凝胶在4℃下储存1周之后具有至少100g的冲压强度；其中所述测试凝胶包括在水中的不多于15重量％的所述改性淀粉。