脈沖電場(chǎng)對(duì)西米淀粉物化性質(zhì)的影響*

張本山 李芬芬 陳福泉，2

(1.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640;2.華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心，廣東廣州510640)

淀粉作為一種可再生的資源，已廣泛應(yīng)用于食品、造紙、紡織、化工等行業(yè)［1］.在所有淀粉中，西米淀粉是食物中一種很有價(jià)值的成分，它是從西谷椰子中分離獲得的;在馬來(lái)西亞每年生產(chǎn)約30萬(wàn)噸西米淀粉，是當(dāng)?shù)鼐用竦闹饕澄飦?lái)源，他們用其粗粉制湯、糕餅、布丁和醬汁增稠劑［2］.西米淀粉在食品工業(yè)上已有很長(zhǎng)的應(yīng)用歷史，特別是在東南亞地區(qū)，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)它的研究卻很少.高凌云、陳翠蘭等［3-4］對(duì)西米原淀粉的組成、顆粒形貌、顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)及熱特性、糊化性質(zhì)、透明度、老化性等性質(zhì)進(jìn)行研究;劉淑麗［5］對(duì)西米原淀粉基本的物理性能和流變性能進(jìn)行論述.但總體上說(shuō)，國(guó)內(nèi)對(duì)其研究還不深入，因此，對(duì)西米淀粉的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

不同的處理方法對(duì)淀粉的物化性質(zhì)有不同的影響.Lewandowicz等［6］報(bào)道，馬鈴薯淀粉經(jīng)過(guò)微波加熱處理后，其晶型和結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化;Blaszczak等［7］報(bào)道，淀粉經(jīng)過(guò)高靜壓處理后，淀粉的結(jié)晶度降低;Wang等［8］研究發(fā)現(xiàn)，玉米淀粉經(jīng)過(guò)高壓均質(zhì)后，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞、糊化溫度和糊化焓顯著下降;羅志剛等［9］對(duì)超聲處理后高鏈玉米淀粉糊的性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)超聲處理使得淀粉糊的冷穩(wěn)定性增強(qiáng)、凝沉性減弱.高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興的非熱加工技術(shù)，它已成功應(yīng)用于處理低黏度和低電導(dǎo)率的液體食品，如牛奶、酸奶、豆奶、果汁等［10］.到目前為止，關(guān)于脈沖電場(chǎng)對(duì)西米淀粉物化性質(zhì)影響的相關(guān)研究鮮見報(bào)道.文中在不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)下處理西米淀粉，系統(tǒng)研究了脈沖電場(chǎng)處理后的西米淀粉的物化性質(zhì)，并與西米原淀粉性質(zhì)進(jìn)行比較，一方面豐富了淀粉前處理的方法，另一方面為脈沖電場(chǎng)在淀粉領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

西米淀粉，購(gòu)于馬來(lái)西亞，水分含量為14.21%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));所用化學(xué)藥品均為分析純化學(xué)試劑，天津市富宇精細(xì)化工有限公司生產(chǎn);高壓脈沖電場(chǎng)設(shè)備，廣州云星科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn);S3700型掃描電子顯微鏡，日本日立有限公司生產(chǎn);Malvern Mastersizer2000激光粒度分析儀，英國(guó)莫爾文儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn);D/max 2200 VPC粉末X射線衍射儀，日本理學(xué)公司生產(chǎn);Perkin-Elmer DSC-7型差示掃描量熱儀，美國(guó)Perkin-Elmer公司生產(chǎn);Viscograph-E型 Brabender黏度儀，德國(guó) Brabender公司生產(chǎn).

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 脈沖電場(chǎng)系統(tǒng)

脈沖電場(chǎng)系統(tǒng)主要由脈沖電場(chǎng)發(fā)生裝置、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和處理室組成.脈沖電場(chǎng)發(fā)生器與處理室相連，用所期望的頻率、電壓峰值，產(chǎn)生連續(xù)不斷的高壓脈沖，使淀粉與脈沖電場(chǎng)作用，發(fā)生組織結(jié)構(gòu)等變化［11］.文中，西米原淀粉在連續(xù)的高壓脈沖電場(chǎng)系統(tǒng)中處理.處理室由兩個(gè)平行銅電極和一個(gè)管狀的聚四氟乙烯絕緣體組成.西米原淀粉泵入處理室后，接受高壓脈沖電場(chǎng)處理.淀粉乳的流速由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制，輸入電壓和脈沖波形由示波器監(jiān)控.此外，利用插在進(jìn)出口的探針來(lái)監(jiān)測(cè)樣品的溫度.處理前樣品的溫度為室溫，處理后樣品的溫度不超過(guò)40℃.利用調(diào)節(jié)至室溫的水浴鍋來(lái)及時(shí)冷卻處理后的樣品.

2.2 脈沖電場(chǎng)處理淀粉

用蒸餾水配制8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的淀粉乳，加適量KCl調(diào)節(jié)電導(dǎo)率為200μs/cm.用磁力攪拌器攪拌淀粉乳，同時(shí)泵入處理室分別接受強(qiáng)度為30、40、50kV/cm的高壓脈沖電場(chǎng)處理，循環(huán)處理3次.淀粉乳流速控制為60mL/min，樣品溫度控制在40℃以下以防糊化.處理后的樣品過(guò)濾，然后在40℃烘箱中干燥24h.

2.3 淀粉顆粒形貌分析

采用S3700型掃描電鏡觀察淀粉顆粒形貌，電子槍加速電壓為10.0kV，放大倍數(shù)為2000倍.

2.4 淀粉顆粒粒徑測(cè)定

采用Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析儀測(cè)定淀粉顆粒粒徑，經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件處理分析結(jié)果，可得出各淀粉樣品的粒徑分布圖和平均粒徑數(shù)據(jù)，平行測(cè)定3次.

2.5 結(jié)晶性測(cè)試

采用D/max 2200 VPC型X射線衍射儀測(cè)定結(jié)晶特性，Cu-Kα輻射，管壓40kV，管流30mA，掃描速度10°/min，掃描范圍 3°～60°，步寬 0.04°，Ni片濾波，波長(zhǎng)為154.06 pm，發(fā)射及防反射狹縫1°，接受狹縫0.2mm，平行測(cè)定3次.

2.6 熱特性測(cè)試

采用Perkin-Elmer DSC-7型差示掃描量熱儀測(cè)定淀粉的熱特性.稱取淀粉樣品2.5mg(干基)于鋁盤中并加入5.0 μL的去離子水，密封后置于冰箱(4℃)中過(guò)夜，測(cè)試前室溫下平衡1 h.以空白的鋁盤用作參比，加熱范圍是20～90℃，加熱速率10℃ /min［12］，平行測(cè)定 3 次.

2.7 淀粉糊黏度特性測(cè)試

準(zhǔn)確稱取一定量樣品，在600 mL燒杯中加入適量的蒸餾水配制6%的淀粉乳，將攪勻后的淀粉乳樣品倒入黏度儀的測(cè)量杯中，開動(dòng)儀器，以1.5℃/min的速率從 30℃加熱到 95℃，保溫 30 min，再以1.5℃/min的速率冷卻到50℃，保溫30min，自動(dòng)獲得黏度曲線［13］，平行測(cè)定3次.

3 結(jié)果與分析

3.1 淀粉顆粒的形貌分析

經(jīng)不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后的西米淀粉及西米原淀粉的掃描電鏡分析結(jié)果如圖1所示.

圖1 不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后西米淀粉的掃描電鏡圖Fig.1 SEM micrographs of sago starch treated at different electric field strength

由圖1可以看出，西米原淀粉顆粒完整，表面光滑，呈現(xiàn)橢球體;經(jīng)過(guò)強(qiáng)度為30 kV/cm的脈沖電場(chǎng)處理后，西米淀粉仍保持顆粒狀，但是表面不再光滑，出現(xiàn)一些小的凹坑;經(jīng)過(guò)強(qiáng)度為40 kV/cm的脈沖電場(chǎng)處理后，西米淀粉顆粒表面出現(xiàn)很大的凹坑;經(jīng)過(guò)強(qiáng)度為50kV/cm的脈沖電場(chǎng)處理后，西米淀粉的一些顆粒破碎變形.

3.2 淀粉顆粒粒徑分析

西米原淀粉及經(jīng)不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后西米淀粉顆粒粒徑的特征值如表1所示.由表1可知，當(dāng)脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度為30kV/cm時(shí)，脈沖電場(chǎng)對(duì)西米淀粉顆粒的作用還不明顯，淀粉顆粒的體積平均粒徑和表面積平均粒徑略有減小，這種粒徑的減少與西米淀粉顆粒表面已經(jīng)出現(xiàn)了一些小的凹坑有直接關(guān)系;當(dāng)脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度增加到40kV/cm時(shí)，脈沖電場(chǎng)對(duì)西米淀粉顆粒的作用表現(xiàn)出來(lái)，淀粉顆粒的體積平均粒徑和表面積平均粒徑分別從原淀粉的34.274 μm 和 31.559 μm 減 小 到 34.003 μm 和31.250μm;特別是d(0.9)，從原淀粉的 47.374 μm 減小到45.807μm，這與圖1(c)中顆粒表面的凹坑進(jìn)一步加大并導(dǎo)致顆粒明顯變小相對(duì)應(yīng);當(dāng)脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增加到50kV/cm時(shí)，脈沖電場(chǎng)對(duì)西米淀粉顆粒的作用更加明顯，淀粉顆粒體積平均粒徑和表面積平均粒徑分別減小到33.877μm和30.928 μm，同時(shí)，d(0.9)顯著減小到43.301μm，與西米原淀粉顆粒相比，下降了4.073μm，此時(shí)導(dǎo)致顆粒粒徑變小的原因不僅是顆粒表面出現(xiàn)的凹坑，同時(shí)還有少量顆粒破碎現(xiàn)象發(fā)生，這種現(xiàn)象與圖1(d)中可以明顯看到顆粒破碎相一致.在脈沖電磁場(chǎng)的作用下，西米淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹坑甚至碎裂的現(xiàn)象，這可能與淀粉分子中存在極性化學(xué)鍵有關(guān).這種極性化學(xué)鍵在脈沖電場(chǎng)和脈沖磁場(chǎng)的交替作用下發(fā)生了化學(xué)鍵的斷裂并直接導(dǎo)致顆粒強(qiáng)度減弱，出現(xiàn)顆粒表面局部脫落形成凹坑，甚至顆粒破碎，顆粒平均直徑變小.

表1 不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后西米淀粉顆粒的粒徑1)Table 1 Diameters of sago starch granules treated at different electric field strength

此外，由表1可見，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度由0增到30、40、50kV/cm時(shí)，比表面積逐漸增大.由于顆粒粒徑越小，比表面積越大，從比表面積的增大說(shuō)明西米原淀粉經(jīng)過(guò)脈沖電場(chǎng)處理后顆粒粒徑減小，而且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，顆粒粒徑越來(lái)越小.最后通過(guò)單因素方差分析可知，脈沖電場(chǎng)在0～50kV/cm之間，對(duì)于d4，3和d3，2各測(cè)值點(diǎn)處P值均大于 0.05，表明脈沖電場(chǎng)對(duì)淀粉顆粒的體積平均粒徑和表面積平均粒徑影響不顯著;對(duì)于d(0.9)各測(cè)值點(diǎn)處P值均小于0.05，表明脈沖電場(chǎng)對(duì)累計(jì)分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑值影響顯著.

3.3 淀粉顆粒結(jié)晶性分析

不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后西米淀粉的X射線衍射圖譜如圖2所示.由圖2可見，西米淀粉經(jīng)過(guò)脈沖電場(chǎng)處理后，其峰形未發(fā)生變化，其晶型為A型，與Fasihuddin［2］報(bào)道西米淀粉為C型不同，這是由于在測(cè)試前先對(duì)樣品進(jìn)行干燥，在5.6°處的峰在干燥或部分干燥的情況下減弱或消失了.采用MDI Jade軟件可以測(cè)出西米原淀粉相對(duì)結(jié)晶度為25.7%;當(dāng)西米淀粉經(jīng)強(qiáng)度較低的電場(chǎng)(30 kV/cm)作用后，其相對(duì)結(jié)晶度稍有降低，為24.6%;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加到40和50 kV/cm時(shí)，淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞較大，相對(duì)結(jié)晶度分別降低到23.7%和20.8%.這是由于西米淀粉經(jīng)過(guò)脈沖電場(chǎng)處理后，顆粒破碎，從而導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)破壞，使得相對(duì)結(jié)晶度降低.

圖2 不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后西米淀粉的X射線衍射圖Fig.2 XRD patterns of sago starch treated at different electric field strength

3.4 熱特性分析

不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后西米淀粉的熱力學(xué)特征值如表2所示.由表2可見，與西米原淀粉的to和tp相比，經(jīng)過(guò)30 kV/cm脈沖電場(chǎng)處理后的西米淀粉，其to和tp稍有下降;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加到40kV/cm時(shí)，to和tp進(jìn)一步下降，但是下降幅度仍舊不大;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增加到50kV/cm時(shí)，脈沖電場(chǎng)對(duì)西米淀粉的熱特性影響明顯，to下降約1℃;不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后的西米淀粉的tp下降的幅度小于to下降的幅度，這導(dǎo)致糊化溫度范圍的擴(kuò)大.此外通過(guò)單因素方差分析可知，脈沖電場(chǎng)在0～50kV/cm之間，對(duì)于to和tp各測(cè)值點(diǎn)處P值均小于0.05，表明脈沖電場(chǎng)對(duì)西米淀粉的to和tp影響顯著.同時(shí)由表2看出，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，糊化焓減小;且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，糊化焓下降的幅度越來(lái)越大，脈沖電場(chǎng)對(duì)西米淀粉的熱特性影響越來(lái)越明顯.根據(jù)Wang等［8］的報(bào)道，淀粉糊化焓與淀粉的結(jié)晶區(qū)有關(guān).從上述X射線衍射圖譜分析，高強(qiáng)度的脈沖電場(chǎng)破壞西米淀粉的結(jié)構(gòu)，使得結(jié)晶區(qū)破壞;因此在加熱過(guò)程中，水分子與結(jié)晶區(qū)分子作用更容易，從而使得糊化焓下降.

表2 不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后西米淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)1)Table 2 Thermal properties of sago starch treated at different electric field strength

3.5 淀粉糊黏度分析

不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后西米淀粉的Brabender黏度曲線如圖3所示，其特征值如表3所示.

圖3 不同強(qiáng)度電場(chǎng)處理后西米淀粉的Brabender黏度曲線Fig.3 Brabender viscosity curves of sago starch treated at different electric field strength

表3 不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后西米淀粉糊黏度的特征值1)Table 3 Characteristic viscosity values of sago starch treated at different electric field strength

由表3可知，西米淀粉經(jīng)過(guò)不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后，起糊溫度下降，這是由于脈沖電場(chǎng)破壞西米淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使得淀粉糊化變得容易，因此糊化溫度降低.與西米原淀粉的起糊溫度相比，經(jīng)過(guò)強(qiáng)度為30kV/cm的脈沖電場(chǎng)處理后的西米淀粉，起糊溫度下降較明顯，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增加到40和50kV/cm時(shí)，起糊溫度下降的幅度不大，這說(shuō)明脈沖電場(chǎng)剛開始作用于西米淀粉時(shí)，它對(duì)淀粉起糊溫度作用明顯，當(dāng)繼續(xù)增大電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，效果不再明顯.同時(shí)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，峰值黏度增加，在電場(chǎng)強(qiáng)度為50kV/cm時(shí)達(dá)到最大;此外，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，BD、ED和BE值增加;與西米原淀粉的BD、ED和BE相比，經(jīng)過(guò)30和40 kV/cm的脈沖電場(chǎng)處理后西米淀粉的BD、ED和BE稍有增加，直到電場(chǎng)強(qiáng)度為50kV/cm時(shí)達(dá)到最大.由此可知西米淀粉經(jīng)過(guò)脈沖電場(chǎng)處理后，其糊熱穩(wěn)定性下降，凝膠性和凝沉性增強(qiáng)，而且，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，這些現(xiàn)象變得更加顯著.

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)脈沖電場(chǎng)處理后的西米淀粉，其淀粉顆粒形貌遭到不同程度的破壞，而且隨著脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，這種破壞作用更加明顯，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為50kV/cm時(shí)，西米淀粉的一些顆粒已經(jīng)變形;

(2)隨著脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，淀粉顆粒體積平均粒徑和表面積平均粒徑降低;

(3)西米淀粉經(jīng)脈沖電場(chǎng)處理后結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，相對(duì)結(jié)晶度減小，且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，相對(duì)結(jié)晶度減小的幅度增大;

(4)隨著脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，起糊溫度、峰值溫度和糊化焓均下降;

(5)西米淀粉經(jīng)過(guò)不同強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理后，其起糊溫度和糊熱穩(wěn)定性下降，凝膠性和凝沉性增強(qiáng)，而且，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，這些現(xiàn)象變得更加顯著;

(6)西米淀粉經(jīng)過(guò)脈沖電場(chǎng)處理后，其物化性質(zhì)都發(fā)生了不同程度的變化，因此利用高壓脈沖電場(chǎng)制備變性淀粉將是一項(xiàng)新技術(shù)，對(duì)于脈沖電場(chǎng)在淀粉領(lǐng)域的應(yīng)用還亟待更進(jìn)一步的研究.

［1］Che L M，Li D，Wang L J，et al.Micronization and hydro-phobic modification of cassava starch ［J］.International Journal of Food Properties，2007，36(10):527-536.

［2］Fasihuddin B，Peter A，Jean-Louis D，et al.Physicochemical characterization of sago starch［J］.Carbohydrate Polymers，1998，38(6):361-362.

［3］高凌云，張本山.西米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2009，35(6):68-70.Gao Ling-yun，Zhang Ben-shan.Study on the granule structure and properties of sago starch［J］.Food and Fermentation Industry，2009，35(6):68-70.

［4］陳翠蘭，張本山.西米淀粉的物化性質(zhì)研究［J］.食品工業(yè)科技，2010，31(1):78-80.Chen Cui-lan，Zhang Ben-shan.Study on physicochemical characteristics of sago starch［J］.Science and Technology of Food Industry，2010，31(1):78-80.

［5］劉淑麗.西米淀粉的流變特性［J］.江蘇食品與發(fā)酵，2003，1(8):28-30.Liu Shu-li.The rheological properties of sago starch ［J］.Jiangsu Food and Fermentation，2003，1(8):28-30.

［6］Lewandowicz G，F(xiàn)ornal J，Walkowski A.Effect of microwave radiation on physico-chemical properties and structure of potato and tapioca starches［J］.Carbohydrate Polymers 1997，34(3):213-220.

［7］Blaszczak W，F(xiàn)ornal J，Kiseleva V I，et al.Effect of high pressure on thermal，structural and osmotic properties of waxy maize and Hylon VII starch blends［J］.Carbohydrate Polymers，2007，68(8):387-396.

［8］Wang B，Li D，Wang L J，et al.Effect of high-pressure homogenization on the structure and thermal properties of maize starch ［J］.Journal of Food Engineering，2008，87(7):436-444.

［9］羅志剛，扶雄，羅發(fā)興，等.超聲處理下水相介質(zhì)中高鏈玉米淀粉糊的性質(zhì)［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，36(11):74-78.Luo Zhi-gang，F(xiàn)u Xiong，Luo Fa-xing，et al.Properties of high-amylose maize starch paste treated with ultrasonic in water system［J］.Journal o f South China University of Technology:Natural Science Edition，2008，36(11):74-78.

［10］Li Y Q，Chen Q，Liu X H，et al.Inactivation of soybean lipoxygenase in soymilk by pulsed electric flelds［J］.Food Chemistry，2008，109(4):408-414.

［11］縱偉，梁茂雨，申瑞玲.高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)在水產(chǎn)品加工中的應(yīng)用［J］.北京水產(chǎn)，2007，36(1):51-53.Zong Wei，Liang Mao-yu，Shen Rui-ling.PEF technology in the application of primary products processing［J］.Fisheries Proceeding，2007，36(1):51-53.

［12］吳雪輝，張加明.板栗淀粉的性質(zhì)研究［J］.食品科學(xué)，2003，24(6):38-41.Wu Xue-hui，Zhang Jia-ming.Investigation on the properties of chinese chestnut starch ［J］.Food Science，2003，24(6):38-41.

［13］張力田.變性淀粉［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，1992，6:4-6.