不同物理方法處理對碎米中淀粉特性的影響

吳　瓊，柳　溪（天津市產品質量監(jiān)督檢測技術研究院，天津 300308）

不同物理方法處理對碎米中淀粉特性的影響

吳瓊，柳溪
（天津市產品質量監(jiān)督檢測技術研究院，天津 300308）

采用擠壓、微波、超聲波三種物理方法對水分含量18%的碎米淀粉進行處理，研究分析碎米淀粉經物理方法處理前后的理化性質和結構變化。結果表明，碎米淀粉經微波和超聲處理后酶解力增加，糊化黏度下降，而溶解度、膨脹力、糊化溫度和直鏈淀粉含量變化不顯著；兩種淀粉顆粒表面棱角減少，淀粉顆粒晶型基本沒有發(fā)生變化，淀粉結晶區(qū)降低。擠壓后的碎米淀粉變化較大，顆粒形狀為片狀，凝沉性強，1.0 h后體積僅為3m L，糊化溫度明顯降低至55.0℃，直鏈淀粉含量增長為30.75%，溶解度強，為0.59%，酶解力達到45%，X-射線主要衍射峰的強度降低。

碎米淀粉；擠壓；微波；超聲波；性質

大米淀粉是一種重要的谷物淀粉，是大米中最主要的成分，含量高達80%［1］。淀粉分子在大米中以淀粉顆粒的形式存在，在已知的谷物淀粉中，大米淀粉顆粒最?。?］。隨著淀粉領域的不斷拓展以及大米淀粉研究的進一步深入，研究人員發(fā)現大米淀粉具有一些特殊的物理化學性質及生理功能。碎米中的淀粉等營養(yǎng)物質與大米相近，而且價格僅為大米的1/3～1/2左右，因此碎米淀粉研究發(fā)展前景十分可觀。

近些年來，微波、超聲波和擠壓膨化等物理方法被廣泛的應用在淀粉的前處理過程中。擠壓膨化技術作為一種高溫短時處理原料的方法，具有減少液化、糖化時間，提高原料利用率和產品出品率等諸多優(yōu)點［4］。肖志剛等［5］研究了擠壓酶解法生產淀粉糖漿時擠壓機參數對淀粉糖漿水解值，即對還原糖當量（dextrose equivalent，DE）的影響規(guī)律。VASANTHAN T等［6］曾利用擠壓機作為連續(xù)酶生物反應器，分別對西米、玉米、小麥和大米淀粉的酶法擠壓進行了研究，制備出不同轉化程度的淀粉水解產物。

本研究在碎米淀粉理化特性現有理論研究成果的基礎上，采用碎米為原料，利用擠壓、微波、超聲處理3種物理方法對水分含量較低的碎米進行處理，研究碎米中淀粉處理前后的理化特性和淀粉顆粒結構變化，為淀粉糖等產品生產提供理論基礎［7-11］。

1　材料與方法

1.1料與試劑

東北碎米：市售；氫氧化鈉、冰乙酸、碘試劑、無水乙醇等（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；3，5-硝基水楊酸、磷酸緩沖液、α-淀粉酶（20 000U/g）：東北農業(yè)大學食品學院實驗室提供。

1.2器與設備

FA2104N型電子分析天平：上海民橋緊密科學儀器有限公司；MM-2270M海爾微波爐：青島海爾微波制品有限公司；KQ-500B型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；DS56Ⅲ雙螺桿擠壓機：濟南賽信有限公司；TechMasterRVA快速黏度分析儀：上海倫捷機電儀表有限公司；DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科技有限公司；722型可見分光光度計：上海光譜儀器有限公司；DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋：天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3法

1.3.1米淀粉的物理處理方法［12］

擠壓處理：采用DS56Ⅲ雙螺桿擠壓機（功率為20kW，套筒長1 m，?？字睆? mm），在溫度為110℃，轉速為140 r/min，水分含量為18%的條件下對碎米粉進行擠壓預處理后，烘干粉碎。在分析前將擠壓后的碎米粉在-20℃儲存?zhèn)溆谩?/p>

微波處理：稱取一定質量并經調節(jié)水分含量為18%的原碎米粉，放入微波爐中，在低火條件（約150W）下處理3min，放入烘箱中在60℃烘干備用。

超聲波處理：稱取一定質量并經調節(jié)水分含量為18%的原碎米粉，在溫度55℃、500W功率條件下超聲20min，放入烘箱中在60℃烘干備用。

1.3.2米淀粉的性質測定

（1）淀粉糊凝沉性的測定

分別稱取碎米樣品1.00 g，加蒸餾水100m L，配成質量分數1%的淀粉乳，放入沸水浴中加熱糊化并保溫15min后冷卻至室溫。取100m L淀粉乳置于100m L量筒中，靜置，在3.5h內每隔0.5h紀錄上層清液體積，每個試樣至少重復3次。

（2）溶解性和膨脹力的測定

分別稱取0.5 g樣品置于離心管中，加20m L蒸餾水混合。將其分散液于100℃水浴中攪拌加熱30m in。將糊化的樣品冷卻至室溫，然后在1 000×g離心20min。上清液在110℃條件下烘干至質量恒定，烘干后的質量為可溶性部分的質量，去掉上清液剩下部分為吸水膨脹的質量，每個樣品均至少重復測定3次。淀粉溶解度和膨脹力的計算公式如下：

（3）淀粉糊化特性的測定

根據GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性測定快速粘度儀法》中的方法處理試樣，用快速黏度分析儀測定，每個試樣至少重復3次。

（4）水分含量測定

按照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》中的方法進行測定。

1.3.3鏈淀粉含量測定

（1）標準溶液配制

取純直鏈淀粉0.1000g加入100m L容量瓶中，加入1m L無水乙醇濕潤樣品，再加入1mol/LNaOH溶液9m L，于沸水浴分散10min，迅速冷卻后，用水定容，配制標準溶液。

分別取0、0.50m L、1.00m L、1.25m L、1.50m L、1.75m L直鏈淀粉標準液到預先加入約50m L水的100m L容量瓶，再分別加入4.50m L、4.00m L、3.50m L、3.25m L、3.00m L、2.75m L直鏈淀粉標準液和0.09mol/LNaOH溶液0.5m L。加入乙酸，搖勻，再加入2.0m L的碘試劑，加水定容，搖勻，靜置10min，空白溶液采用5.0m L 0.09mol/L氫氧化鈉溶液代替標準液，在波長720 nm處測定系列標準溶液的吸光度值，繪制標準曲線。

（2）樣品測定

稱取經過脫糖脫脂后的0.100 0 g淀粉樣品于100m L容量瓶中，加入1 m L無水乙醇，充分濕潤樣品，再加入1mol/LNaOH溶液9m L，于沸水浴分散10min，迅速冷卻，用水定容。取4.5m L淀粉分散溶于100m L容量瓶中，加0.5m L的0.09mol/L氫氧化鈉，加水50m L再加入1mol/L乙酸溶液1m L及碘試劑1m L，用水定容，顯色10min后，在波長620 nm處讀取吸光度值。直鏈淀粉含量計算公式如下：

式中：A為由吸光度值在標準曲線上查出相應的直鏈淀粉含量，mg；W為樣品質量，mg。

1.3.4-淀粉酶的酶解作用

分別稱取4份經不同物理方法處理的碎米淀粉試樣各（2.50±0.01）g（干基）分散在15.0m L的磷酸緩沖液（pH 6.5）中，每克樣品加酶量按3000U加入0.1m Lα-淀粉酶，在65℃不斷攪拌分別反應15min、30min、45min、60min、90m in。反應結束后在沸水浴中滅酶10min冷卻至室溫，定容至100m L。采用3，5-二硝基水楊酸法測定生成還原糖的含量來比較酶解作用的強弱。還原糖當量計算公式如下：

1.3.5體結構的測定

通過X-射線衍射儀器獲得擠壓處理前后碎米淀粉的衍射圖譜，掃描衍射區(qū)域角度5～30°，目標電壓為30 kV，電流為30mA，掃描速度2°/min。通過衍射圖譜觀察結晶區(qū)與非結晶區(qū)的變化。

1.3.6描電鏡

樣品顆粒形態(tài)結構變化通過掃描電子顯微鏡進行檢測。樣品最初分散在含量1%的酒精中。分別取少量樣品直接鋪在載玻片的表面，在32℃烘24 h，鍍金。處理后的樣品用掃描電子顯微鏡在加速電壓5.00kV，距離13.1mm，放大倍數5 000的條件下進行檢測。

1.3.7計方法

試驗數據采用SPSS、Origin7.5和Excel軟件進行分析。

2　結果與分析

2.1同物理處理對碎米淀粉理化性質變化及影響

2.1.1同方法處理對碎米淀粉凝沉性的影響

碎米淀粉經不同方法處理后凝沉性隨時間的變化見表1。由表1可知，凝沉性隨時間的增加而趨于穩(wěn)定，1.5 h后經處理的淀粉體積不變，擠壓淀粉、微波淀粉和超聲淀粉體積分別為3.0m L、17.0m L和23.5m L，而3.0 h后原碎米粉體積趨于穩(wěn)定為18.5m L，擠壓處理淀粉的凝沉性最為顯著，1.0 h后僅為3.0m L。擠壓作用使得碎米淀粉的直鏈淀粉含量增加，大分子淀粉遭到破壞，破壞了淀粉顆粒在水中相對穩(wěn)定的結構，淀粉容易凝沉，而較高的膨脹力能阻礙淀粉分子間締合作用。

表1　不同方法處理對碎米淀粉凝沉性的影響Table 1 Effect of different treatment on rice starch coagu lation sink m L

2.1.2同方法處理對碎米淀粉溶解度和膨脹力影響

不同方法處理對碎米淀粉溶解度和膨脹力的影響見圖1。由圖1可知，經擠壓、微波和超聲處理的碎米淀粉在100℃條件下溶解度分別為0.59%、0.33%和0.16%，膨脹力分別為16.2 g/g、13.8 g/g和15.0 g/g，與原淀粉相比，擠壓處理的溶解度和膨脹力都有所提高。這是由于物理擠壓作用，顆粒結構發(fā)生改變，這種變化使碎米有較強的吸水力，有利于溶性成分的溶出。而微波處理為熱處理，碎米淀粉經微波處理后水分含量變得更低，分子間結合有所改變但不明顯，所以微波米粉的溶解度和膨脹力增加不明顯。超聲主要是機械性斷鍵和自由基的氧化反應，使顆粒內分子鍵斷裂，顆粒結構變得疏松，淀粉分子更容易從顆粒內溶出［13］。

圖1　不同方法處理對碎米淀粉溶解度（A）和膨脹力（B）影響Fig．1 Effect o f different treatm ent on rice starch solubility（A）and swelling force（B）

2.1.3同方法處理對碎米淀粉糊化性質影響［14］

表2　不同方法處理對碎米淀粉糊化曲線特征值影響Table 2 Effecto f different treatmenton characteristic va lue of rice starch pasting curve

不同處理方法對碎米淀粉糊化曲線特征值的影響見表2。結果表明，與原碎米粉相比，經微波和超聲處理后的碎米淀粉終值、回生值、峰值黏度值較低，而糊化溫度分別為89.1℃和88.6℃，與原淀粉88.9℃相比基本不變。擠壓處理由于剪切力作用使得糊化黏度與原淀粉相比降低明顯，糊化溫度55.0℃降低明顯。這主要是由于微波和超聲處理后淀粉結構變得疏松，直鏈淀粉含量增加，造成碎米淀粉較原碎米淀粉難糊化，而擠壓淀粉顆粒結構變?yōu)槠瑺?，空隙比其他兩種物料處理增多，而且微波淀粉和超聲淀粉顆粒形狀沒有改變，表面出現小孔，直鏈淀粉含量增加相對較少，這些原因使得擠壓淀粉糊化過程更難一些，但各參數變化不呈規(guī)律性。

2.1.4同方法處理對碎米淀粉直鏈淀粉影響

淀粉粒中直鏈淀粉的含量多少影響淀粉酶對其酶解效果。根據淀粉與碘形成復合物的最大吸光度值可以說明不同物理方法處理對碎米淀粉分子的降解情況。吸光度值（y）與直鏈淀粉含量（x）的標準曲線回歸方程為y= 0.322 0x-0.002 8，R2=0.999 2。表明一定范圍內吸光度值與直鏈淀粉含量線性關系良好。

根據直鏈淀粉標準曲線計算出樣品直鏈淀粉含量結果見表3。由表3可知，經物理方法處理后淀粉組分含量發(fā)生了變化，其中微波處理的樣品直鏈淀粉含量為28.11%，超聲處理的為28.18%，擠壓米粉的直鏈淀粉含量30.75%，與原淀粉的28.37%相比，擠壓處理碎米淀粉中的直鏈淀粉含量增加顯著。進一步驗證了在擠壓過程中，隨著淀粉的降解，其結構發(fā)生了變化，支鏈淀粉的一部分側鏈被“切割”下了，使較短的直鏈淀粉比例增加［15］。

表3　不同方法處理對碎米淀粉直鏈淀粉影響Tab le 3 Effec t of different treatm ent on amy lose content of rice starch

2.1.5同方法處理對碎米淀粉酶解力影響

不同物理方法處理后的碎米淀粉進行酶解，所得糊精DE值結果見圖2。由圖2可知，3種物理方法對碎米淀粉進行處理后，隨著時間的增加，其DE值增加。在相同的酶解反應條件下，與原碎米淀粉相比較，擠壓淀粉DE值最大，60min時達到45%。因此，物理方法處理對碎米酶解有促進作用，這是由于處理后的淀粉顆粒表面結構發(fā)生改變，使酶反應接觸面積增加。此外，擠壓處理淀粉顆粒分子的結構變化最大，呈片狀空隙增多，體積膨脹，與酶作用面積更大，而且擠壓的剪切力作用，使得小分子物質增多，有利于酶作用，所以擠壓處理效果最顯著。

圖2　不同方法處理對碎米淀粉酶解力影響Fig．2 Effect of different treatm ent on hydrolysis ab ility of rice starch

2.2同物理方法對碎米淀粉顆粒結構的影響

2.2.1粉的掃描電子顯微結構

各處理后的淀粉的電鏡掃描圖結果見圖3。由圖3a和圖3b可知，碎米淀粉擠壓前呈緊密有序的結合態(tài)，擠壓后則呈松散無序的片狀結構，表面有撕裂的痕跡，這是由于擠壓過程中樣品受到剪切力和熱作用，使碎米淀粉的理化性質改變。

由圖3c可知，利用微波輻射法制備出的非晶顆粒態(tài)淀粉樣品仍然保持著完好的顆粒大小，但是棱角結構有熱力熔化的跡象，大顆粒淀粉表面部分地方有爆裂孔和皺紋出現。碎米淀粉經過微波處理后，形狀變得圓潤，部分顆粒臍點表面呈現凹坑。

由圖3d可知，碎米淀粉經超聲處理后，淀粉顆粒形狀沒有發(fā)生改變，但部分顆粒表面出現程度不同的蜂窩狀孔洞或裂紋，表面變得粗糙。這是當超聲場作用于碎米淀粉時，由超聲產生的氣穴現象在淀粉顆粒周圍造成高壓，繼而對顆粒產生剪切作用，可見在此條件下的超聲處理并沒有明顯地對淀粉顆粒表面產生剝落。另外超聲場對淀粉顆粒會產生一定的降解，造成小孔的出現。

圖3　不同方法處理碎米淀粉電鏡掃描圖（×5 000）Fig．3 Elec tron m ic roscope scan of different physical pretreatm ent on rice starch

2.2.2粉的X-射線衍射

不同方法處理對碎米淀粉X-射線衍射圖譜見圖4。由圖4可知，碎米淀粉在14.8°、17.5°和22.8°處有強的衍射峰。淀粉的結晶體是由支鏈淀粉的分支鏈以雙螺旋結構構成，無定形區(qū)由直鏈淀粉構成。在微波處理過程中，淀粉的衍射峰位置沒有發(fā)生變化，然而對應位置其衍射強度減小，這是由于微波處理后淀粉鏈結構發(fā)生變化造成的。超聲處理后，破壞了淀粉結晶結構，降低了淀粉結晶度，降低了衍射峰強度，衍射峰位置基本沒有改變，但是超聲波對淀粉破壞程度尚不足以使其晶型發(fā)生改變。而碎米淀粉經擠壓處理后淀粉晶型發(fā)生改變，衍射峰位置和衍射峰強度都發(fā)生了改變，結晶區(qū)減小，非結晶區(qū)增加，這是由于支鏈淀粉被切割，直鏈淀粉含量增加。

圖4　不同方法處理對碎米淀粉X-衍射影響Fig.4 Effect of different treatmen t on X-ray diffraction of rice starch

3　結論

3種物理方法對含水量18%的碎米淀粉進行處理，擠壓處理淀粉的溶解性、膨脹性升高，黏度降低，可溶物含量和糊化穩(wěn)定性提高，并使淀粉的老化趨勢減少。擠壓處理時剪切力對水分含量低的淀粉理化性質影響尤為顯著，其中直鏈淀粉含量明顯上升，糊化溫度顯著下降。而微波處理和超聲處理的碎米淀粉糊化溫度和直鏈淀粉含量基本沒有改變。

3種物理方法對含水量低的碎米淀粉進行處理，碎米淀粉在微觀粒子結構上發(fā)生變化，結構由緊密變得疏松，微波處理和超聲處理的碎米淀粉部分地方有生成多孔狀結構，顆粒表面棱角減少，顆粒形狀趨于橢圓形，而顆粒大小基本沒有發(fā)生變化；而且X-射線衍射峰值強度降低，結晶區(qū)略微減小，衍射峰位置基本沒有改變。擠壓處理形成無序片狀結構。X-射線衍射晶型發(fā)生改變，衍射峰位置發(fā)生改變，衍射峰強度降低，結晶區(qū)明顯減小，非結晶區(qū)明顯增加。

3種物理處理方法導致淀粉顆粒的微觀結構、淀粉分子結構的改變，從而直接導致淀粉性質的改變。

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Effectof differentphysical treatmenton propertiesof rice starch

WUQiong，LIU Xi（TianJin Produce Quality Inspection Technology Research Institute，Tianjin 300308，China）

Broken rice starchesw ith water contentof 18%were treated bym icrowave radiation，ultrasonic sound and extrusion.The physicochem ical properties and structures changes of rice starches after physical treatmentswere investigated.The results showed that the hydrolysis ability of the starches increased and the viscosity of rice starch decreased afterm icrowave and ultrasonic treatments.However，the solubility，swelling properties，gelatinization temperature and amylose contentwere essentially constant.The surface edgesof the two starch granules reduced，and crystal structure of the starch granule changed little，and the starch crystal zone decreased.The rice starch showed significantly change after extrusion，the shape of rice starch granulewas in slice，the coagulation characteristic was strong，and the volume was only 3 m l after 1.0 h.The gelatinization tem perature lowered to 55.0℃，the am ylase content increased to 30.75%，the solubility was 0.59%and the hydrolysisability wasas strong as45%.The intensity of X-ray diffraction peak decreased.

broken rice starch；extrusion；m icrowave；ultrasonic sound；property

TS210．9

0254-5071（2016）01-0105-05

10．11882/j．issn．0254-5071．2016．01．023

2015-09-15

吳瓊（1989-），女，助理工程師，本科，主要從事食品質量檢驗工作。