超聲波處理對豌豆淀粉糊化、流變及質(zhì)構(gòu)特性的影響

李 薇 鄭 炯 陳映衡 張甫生

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715；2. 西南大學食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，重慶 400715)

豌豆(Pisumsativum)是世界各地廣泛種植的食用豆類之一，淀粉是其主要成分。豌豆淀粉來源廣泛，價格便宜，與薯類淀粉和谷物淀粉相比，其直鏈淀粉含量較高、形成的凝膠強度大、糊化溫度高[1]，適用于粉絲和粉皮的生產(chǎn)加工[2]。但豌豆淀粉不溶于冷水，淀粉糊極易老化回生，在高溫下耐剪切力較弱，熱穩(wěn)定性差[3]，限制了豌豆淀粉在食品行業(yè)中的應用。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)超高壓改性后，淀粉重結(jié)晶速率降低，回生率減小，回生過程受到控制[4]；酸水解結(jié)合濕熱處理淀粉可增加其溶解度、凝膠強度并影響淀粉黏彈性[5]。因此，可采用改性的方法改善或增添豌豆淀粉的功能性質(zhì)，擴大其應用范圍。

目前改性淀粉的方法主要以化學法和酶法為主，但化學法存在反應速率低、操作不易控制、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，并且在應用化學改性淀粉時還需對其安全性進行評價；而酶的催化活性受到溫度、濕度及pH等多種因素影響，操作過程繁瑣，使其應用受限[6]3-4。超聲波技術(shù)作為一種簡便有效的新型物理變性方法，其在介質(zhì)中傳播時可以產(chǎn)生機械效應、熱效應和空化效應[7]。研究表明，超聲波主要通過機械斷鍵作用以及自由基氧化還原反應作用于淀粉大分子[8]，從而造成淀粉某些大分子鏈斷裂、分子的纏結(jié)點減少、結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞等，使淀粉反應活性增加[6]20。且超聲波處理作用時間短、能耗低、無需引入其他化學添加劑[9]，具有良好的應用前景。

Sujka等[10]研究了超聲處理對馬鈴薯、小麥等淀粉的影響，發(fā)現(xiàn)超聲處理使得淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹陷，最小膠凝濃度以及淀粉糊黏度降低；Hu等[11]研究發(fā)現(xiàn)，糯米淀粉溶液經(jīng)超聲波處理后，糊化的峰值黏度與終值黏度顯著低于處理前；此外，孟欣[12]探究了超聲改性對豌豆淀粉黏度、透明度、溶解度、結(jié)晶度等的影響，結(jié)果表明，超聲處理可降低淀粉的峰值黏度與終值黏度，提高淀粉的冷、熱穩(wěn)定性，還可增加淀粉的透明度及溶解性，減小淀粉的糊化焓并使得淀粉的凍融穩(wěn)定性降低，但卻未涉及不同超聲功率對豌豆淀粉質(zhì)構(gòu)特性及流變特性的影響。流變特性能夠預測、解釋淀粉在加工過程中的性質(zhì)變化，影響淀粉漿料的輸送、攪拌及加工工藝等；質(zhì)構(gòu)特性可直觀地反映淀粉凝膠的硬度、彈性、膠黏性等性質(zhì)，進一步證明超聲波處理對淀粉凝膠的形成及穩(wěn)定性的影響，有利于改善淀粉的加工適應性。但目前圍繞這方面的研究報道還較少，且多以玉米[11]、木薯[13]等為原料。因此，本試驗擬以豌豆淀粉為原料，探究不同功率的超聲波對淀粉糊化、流變、凝膠質(zhì)構(gòu)特性及微觀結(jié)構(gòu)的影響，以期為豌豆淀粉類食品的研究與開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豌豆淀粉(水分含量11.3%，直鏈淀粉含量38.6%，支鏈淀粉含量47.3%)：食品級，成都達恒毛實業(yè)有限公司；

一水合檸檬酸、NaCl：分析純，成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平：FA2104型，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；

酸度計：pHS-3C型，成都世紀方舟科技有限公司；

超聲波細胞破碎儀：JY98-IIN型，寧波新芝生物科技有限公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH-8型，常州澳華儀器有限公司；

快速黏度分析儀：RVA-TecMaster型，瑞典波通儀器有限公司；

旋轉(zhuǎn)流變儀：DHR-1型，美國TA公司；

物性測定儀：CT3型，美國Brookfield公司；

鎢燈絲掃描電子顯微鏡：JSM-6510LV型，日本電子株式會社(JEOL)。

1.3 方法

1.3.1 超聲波處理豌豆淀粉 參照陳潔等[13]的方法并加以改動，將稱好的豌豆淀粉調(diào)成含量為15%的淀粉溶液，待樣品完全均勻分散于水中后，將裝有樣品的燒杯放置于超聲波細胞破碎儀內(nèi)，將直徑為2 cm的探頭伸入樣品中約3～5 cm，使用低溫水浴保持樣品溫度處于室溫，放好樣品后將細胞破碎室密封，選定超聲功率為0 W的豌豆淀粉樣品為對照組，其他樣品分別經(jīng)150，30，450 W超聲波處理30 min，超聲處理的工作時間為5 s，間歇3 s。將處理后的淀粉溶液在冰箱中預冷凍24 h后，于-50 ℃下真空冷凍干燥48 h，待分析測試用。

1.3.2 糊化性質(zhì)的測定 參照張正茂等[3]的方法，準確稱取豌豆原淀粉及超聲波處理后的豌豆淀粉與蒸餾水置于RVA專用鋁盒內(nèi)混合調(diào)成質(zhì)量分數(shù)為12 g/100 g的懸浮液。采用RVA Standard 1測定，程序：前10 s內(nèi)攪拌速率為960 r/min，而后以160 r/min攪拌速率進行黏度測定。初始溫度50 ℃保溫1 min，經(jīng)過3.7 min升溫至95 ℃，并保溫2.5 min，經(jīng)過3.8 min降溫至50 ℃，再保溫2 min，整個過程歷時13 min，記錄淀粉的峰值黏度(PV，溫度達 95 ℃時的最高黏度)、終值黏度(FV，在 50 ℃等溫時期結(jié)束時的黏度)、崩解值(BV，峰值黏度與谷值黏度之差)、回升值(SV，谷值黏度與終值黏度之差)以及糊化溫度(起始糊化溫度，指測試過程中，試樣黏度開始有明顯增加時的試樣溫度)。

1.3.3 流變特性的測定 參照陳潔等[13]的方法準確稱取1.3.1 制備的豌豆淀粉及原淀粉與蒸餾水置于50 mL小燒杯中混合，調(diào)成質(zhì)量分數(shù)為6 g/100 g的懸浮液，在95 ℃水浴鍋中加熱糊化30 min，室溫下冷卻至25 ℃后進行測定。

采用平板-平板測量系統(tǒng)，設(shè)置平板直徑為40 mm，平板間隙為1 mm，上樣平衡時間為3 min，測定溫度為25 ℃。

靜態(tài)剪切測定：設(shè)定剪切速率從0 s-1增加至300 s-1，再從300 s-1降低至0 s-1。記錄該過程中剪切應力隨剪切速率的變化情況。采用冪定律(Power law)模型對數(shù)據(jù)點進行回歸擬合，得方程：

τ=kγn，

(1)

式中：

τ——剪切應力， Pa；

k——稠度系數(shù)，Pa·sn；

γ——剪切速率，s-1；

n——流體指數(shù)。

滯后環(huán)的面積通過前后2次剪切速率積分差得出：

(2)

式中：

△Hr——滯后環(huán)面積，Pa/(s·m)；

γ1——起始剪切速率；

γ2——終止剪切速率；

k——上行線稠度系數(shù)；

k′——下行線稠度系數(shù)；

n——上行線流體指數(shù)；

n′——下行線流體指數(shù)。

動態(tài)黏彈性測定：設(shè)定掃描應變?yōu)?%，記錄振蕩頻率為從0.1 Hz增加至10 Hz內(nèi)儲能模量(G′)、損耗模量(G″)、損耗角正切值(tanδ)隨角頻率的變化情況。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)測定 取1.3.3中制備的懸浮液，在95 ℃水浴鍋中加熱糊化30 min。冷卻至室溫后，于4 ℃冰箱內(nèi)密封冷藏24 h，形成凝膠后，使用CT3物性測定儀對樣品進行質(zhì)地剖面分析(TPA)測定。測定條件：TA5探頭，測試前速度1.0 mm/s；測試速度1.0 mm/s；測試后速度1.0 mm/s；壓縮形變程度30%；觸發(fā)力5 g。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)觀察 參照張根生等[2]的方法，取1.3.3中制備的懸浮液，經(jīng)超聲處理后靜置0.5 h，棄去多余水分，將樣品平鋪于培養(yǎng)皿中，置冰箱中預冷凍24 h，水分完全結(jié)冰后，于-50 ℃條件下進行抽真空冷凍干燥48 h。將冷凍干燥好的樣品用導電膠布固定于樣品臺上，并用洗耳球吹去多余淀粉，經(jīng)離子濺射儀噴金后，使用掃描電子顯微鏡在20 kV 的加速電壓和1 200倍的放大倍率下，對樣品的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察。

1.3.6 統(tǒng)計分析 試驗結(jié)果以“平均值±標準差”表示。所有試驗均進行3次重復。應用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件，對數(shù)據(jù)進行方差分析。使用Origin 9.0進行相關(guān)圖表的繪制和數(shù)據(jù)處理。使用Duncan法比較平均值之間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲處理對豌豆淀粉糊化性質(zhì)的影響

圖1為豌豆淀粉經(jīng)不同功率超聲波處理后的糊化曲線，表1為RVA特征值。與未經(jīng)超聲處理的原淀粉相比，隨著超聲波功率的增加，豌豆淀粉糊的峰值黏度、終值黏度、回生值、崩解值顯著性降低(P<0.05)。這是因為超聲波產(chǎn)生的機械作用和空化效應導致淀粉分子鏈斷裂、分子量降低，使限制淀粉糊流動的黏性阻力減小[14]，黏度降低。研究[15]發(fā)現(xiàn)，淀粉顆粒的膨脹和糊化與其結(jié)晶區(qū)相關(guān)，結(jié)晶區(qū)的占比越大，淀粉顆粒越易膨脹后受剪切力的破壞而導致崩解值增大。超聲波作用破壞了淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使支鏈淀粉減少[16]，最終導致豌豆淀粉的崩解值降低，熱穩(wěn)定性增強[17]。同時，這種破壞作用使淀粉鏈暴露了大量羥基，增加了淀粉與水分子的相互作用，提高了淀粉的保水性，從而導致豌豆淀粉回升值降低，冷穩(wěn)定性增強[18]。從表1可得到，超聲處理對糊化溫度沒有顯著影響，與張志華[6]25探究超聲波處理對玉米淀粉結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究結(jié)果一致。

圖1 超聲處理后豌豆淀粉的糊化曲線Figure 1 Pasting curves of pea starch after ultrasound treatment表1 超聲處理后豌豆淀粉的糊化特征值?Table 1 Pasting parameters of pea starch after ultrasound treatment

超聲波功率/W峰值黏度/(MPa·s)崩解值/(MPa·s)終值黏度/(MPa·s)回生值/(MPa·s)糊化溫度/℃03 279±22a921±15a5 077±21a2 736±23a72.70±0.05a1502 956±11b780±12b4 379±15b2 203±23b72.60±0.10a3002 738±27c728±17c4 057±27c2 047±30c72.70±0.15a4502 590±24d628±10d3 858±6d1 896±12d72.65±0.10a

? 同列數(shù)據(jù)中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 超聲處理對豌豆淀粉流變特性的影響

2.2.1 靜態(tài)剪切流變特性 圖2為超聲波處理后，豌豆淀粉靜態(tài)剪切流變特性隨剪切速率變化曲線。由圖2可知，所有樣品在流動中所需剪切應力都隨著剪切速率的增加而增大，曲線表現(xiàn)為凸曲線，即豌豆淀粉糊的流變呈現(xiàn)剪切變稀，為典型的非牛頓流體[19]。前人[20]研究表明，在相同剪切速率下，剪切應力越高，表明淀粉的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。由圖2還可得，超聲作用后，豌豆淀粉糊達到相同的剪切速率，所需要的剪切應力降低，即超聲作用破壞了淀粉結(jié)構(gòu)，引起淀粉分子降解、大分子鏈解纏結(jié)，從而導致限制分子運動的流動行為弱化[21]，且隨著超聲功率的增加，淀粉的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞程度加大，因此，在450 W時淀粉黏度降至最低，該結(jié)果與淀粉糊化特性的結(jié)果相一致。值得注意的是，當剪切速率降低時，所有豌豆淀粉樣品下行剪切曲線均出現(xiàn)較大彎折，與上行剪切曲線重合性較差，出現(xiàn)滯后環(huán)，即體系的恢復速率跟不上剪切作用對其的破壞作用，重新形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要較長時間，表現(xiàn)出觸變性[22]。

觸變性流體均可視為具有剪切稀化的假塑性流體，流體發(fā)生觸變性則說明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到了破壞，可用滯后環(huán)面積的大小進行評價[23]。圖3為超聲處理后豌豆淀粉靜態(tài)剪切滯后環(huán)面積的柱狀圖。由圖3可知，隨著超聲波功率的增加，豌豆淀粉糊滯后環(huán)面積逐漸減小，說明超聲作用降低了體系觸變性，使體系結(jié)構(gòu)被打破后還原所需能量降低，回復性及穩(wěn)定性提高。這種性質(zhì)對于淀粉物料的加工是有利的，如在物料泵送過程中，攪拌產(chǎn)生剪切使物料表觀黏度降低從而易于輸送，輸送完畢后，剪切力消失，物料表觀黏度又得以恢復[24]。另外，與其他谷薯類淀粉相比，豌豆淀粉的滯后環(huán)面積較大，可能是豌豆淀粉中直鏈淀粉含量較高，在室溫下易老化回生，淀粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)在剪切力作用下被破壞程度較大，不易恢復且極不穩(wěn)定[25]。

表2為超聲處理后豌豆淀粉的Power-law擬合數(shù)據(jù)，R2值接近于1，說明冪函數(shù)能較好地對淀粉糊流變曲線進行描述；流體指數(shù)n<1，表征所有樣品均具有假塑性流體特征[26]。由表2可得，隨著超聲功率的增加，豌豆淀粉糊上、下行線稠度系數(shù)k均逐漸降低，流體指數(shù)n均逐漸增加，與聶卉等[27]的研究結(jié)果一致。這可能是超聲波功率增加導致能量累積，產(chǎn)生高聲壓及更多空化泡，從而進一步削弱了淀粉分子間的作用力，減少了淀粉分子鏈在運動過程中因相互摩擦而產(chǎn)生的黏性阻力[28]，進而使淀粉糊黏稠度降低，流動性增強。

圖2 超聲處理后豌豆淀粉的靜態(tài)剪切流變曲線圖Figure 2 Flow curves of pea starch after ultrasound treatment

不同字母表示差異顯著(P<0.05)圖3 超聲處理后豌豆淀粉的滯后環(huán)面積柱狀圖Figure 3 Hysteresis ring area histograms of pea starch after ultrasound treatment表2 超聲處理后豌豆淀粉流變曲線的冪定律擬合參數(shù)Table 2 Power-law parameters for pea starch after ultrasound treatment

功率/W上行線k/(Pa·sn)nR2下行線k/(Pa·sn)nR2010.3720.2770.96210.0390.2830.9361509.9400.2860.9859.7590.2930.9413009.1770.2980.9738.8820.3010.9444508.7360.3080.9838.5830.3230.939

2.2.2 動態(tài)黏彈流變特性 儲能模量G′又稱彈性模量，表示材料因彈性形變而儲存的能量，反映材料彈性大?。粨p耗模量G″又稱黏性模量，表示材料因抵抗彈性形變而損失的能量，反映材料黏性大??；損耗模量和儲能模量的比值稱為損耗角正切，反映材料黏性彈性比例，tanδ>1時可判斷為液體，tanδ<1時可判斷為凝膠。圖4為超聲處理后，豌豆淀粉的動態(tài)模量及tanδ隨角頻率變化曲線。由圖4可知，所有樣品在掃描角頻率內(nèi)，G′始終大于相應的G″，并且G′和G″隨掃描角頻率上升逐漸增加，tanδ<1，說明樣品主要表現(xiàn)為彈性性質(zhì)且都為典型的弱凝膠結(jié)構(gòu)[29]。

圖4 超聲處理后豌豆淀粉的動態(tài)黏彈流變曲線Figure 4 Curves of dynamic viscoelastic rheological of pea starch after ultrasound treatment

由圖4(a)可知，隨著超聲波功率的增加，G′和G″均呈下降趨勢，說明在高頻振動下，體系黏彈性降低，流動性增強，更加趨于牛頓流體[30]。這可能是超聲波作用使淀粉內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)及氫鍵遭到破壞，使淀粉凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得松散，導致體系抵抗剪切力的能力下降，束縛介質(zhì)以自由介質(zhì)的形式被釋放[31]27-30，從而降低了體系黏彈性。隨著超聲波功率的增加，更多的空化作用和機械作用使體系的黏彈性進一步降低。此外，隨著超聲功率的增加，體系的tanδ呈上升趨勢[圖4(b)]，其反映在G′和G″上則為G″的降低幅度小于G′，即超聲作用對豌豆淀粉體系黏性的影響高于對彈性的影響。這可能是超聲波產(chǎn)生的高頻剪切振動作用及射流力場作用弱化了淀粉凝膠的交界區(qū)，即破壞了淀粉分子間的氫鍵，減少了分子間的纏結(jié)點，最終使得體系形成脆弱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或更趨向于流動性較強的液體。而豌豆淀粉本身形成的弱凝膠結(jié)構(gòu)彈性較小，受到超聲破壞作用后，降低幅度較小。

2.3 超聲處理對豌豆淀粉質(zhì)構(gòu)特性的影響

淀粉糊化后，淀粉分子重新排列并以氫鍵相互聚合，破碎的淀粉顆粒包裹在直鏈淀粉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，形成具有一定彈性和強度的膠體，即凝膠。表3為超聲波處理后，豌豆淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的參數(shù)，由表3可知，隨著超聲功率的增加，豌豆淀粉凝膠的硬度、彈性、內(nèi)聚性、膠著性和咀嚼性都呈下降趨勢。其中，硬度與膠著性下降最為顯著。研究[32]表明，淀粉凝膠硬度與淀粉分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密， 淀粉凝膠的硬度越大。因此，超聲作用破壞了豌豆淀粉凝膠體系內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，阻滯了淀粉分子間的交聯(lián)聚合作用，使淀粉凝膠硬度降低，可適用于軟膠囊[33]的開發(fā)。膠著性可模擬表示半固態(tài)樣品的黏性特征，其與硬度、內(nèi)聚性呈正相關(guān)[34-35]。因此，超聲作用使樣品的黏性顯著降低，這在商業(yè)應用中是有益的，因為黏性較高的凝膠會粘在牙齒或上顎上，這是消費者所不能接受的[36]。

表3 超聲處理后豌豆淀粉的質(zhì)構(gòu)參數(shù)?Table 3 Parameters of texture profile of pea starch after ultrasound treatment

? 同列數(shù)據(jù)中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

彈性和內(nèi)聚性與淀粉內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的緊密程度呈正相關(guān)，咀嚼性則反映了淀粉的綜合性質(zhì)[37]。可能是超聲波作用使溶劑分子運動加快，淀粉分子間聚合重排減少，從而導致淀粉分子間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、不緊密。隨著超聲波功率的增加，淀粉凝膠TPA特征值進一步下降，在450 W時，淀粉凝膠具有最低的硬度、內(nèi)聚性、膠著性、咀嚼性與彈性，有利于改善多種配方食品的基本質(zhì)地[38]。

2.4 超聲處理對豌豆淀粉微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖5(a)可知，豌豆原淀粉顆粒呈卵型或不規(guī)則的球型，其表面光滑，顆粒結(jié)構(gòu)完整。

由圖5(b)可得，經(jīng)150 W超聲處理后，豌豆淀粉顆粒的整體結(jié)構(gòu)保持完整，但其表面變得粗糙、不平滑。說明超聲作用破壞了淀粉顆粒表層結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使淀粉降解[31]18-21。這可能是超聲波處理后，豌豆淀粉糊的黏度、崩解值降低，流動性增強，形成凝膠后硬度降低的根本原因。

由圖5(c)可得，經(jīng)300 W超聲處理后，豌豆淀粉顆粒的整體結(jié)構(gòu)依然保持完整，但其表面出現(xiàn)較大的凹陷與坑洞，部分淀粉顆粒邊緣不完整。這是因為隨著超聲功率加強，更多的空化泡在淀粉顆粒周圍瞬間塌陷，進一步破壞淀粉顆粒表面結(jié)構(gòu)，使豌豆淀粉的黏度、崩解值等進一步降低，體系流動性進一步增強。

圖5 超聲處理后豌豆淀粉的微觀結(jié)構(gòu)圖Figure 5 The granular microstructures of pea starch after ultrasound treatment

由圖5(d)可得，經(jīng)450 W超聲處理后，顆粒受侵蝕程度加深，其表面出現(xiàn)非常大的凹陷與坑洞，部分淀粉顆粒發(fā)生破裂及斷裂，幾乎所有淀粉顆粒表面都呈現(xiàn)粗糙與不光滑。這是因為在高頻率的超聲作用下，更高強度的機械作用及空化效應使淀粉表層結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞程度加深，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)變得不完整。這可能是超聲處理可促進淀粉化學反應活性提高的根本原因。

3 結(jié)論

超聲波處理能明顯降低豌豆淀粉的糊化黏度，提高淀粉熱穩(wěn)定性及冷穩(wěn)定性，抑制淀粉老化回生。此外，超聲波作用可提高體系流動性，減小觸變性，降低黏彈性，增強了豌豆淀粉糊的穩(wěn)定性。同時，超聲處理顯著降低了豌豆淀粉凝膠的硬度及膠著性，但對其彈性的影響較小，可應用于需要改善豌豆淀粉硬度而保留其彈性的情況。隨著超聲波功率的增加，效果更明顯。因此，應用超聲處理對豌豆淀粉進行改性研究，有利于豌豆改性淀粉產(chǎn)品的開發(fā)，但淀粉常處于酸、鹽等食品體系中進行生產(chǎn)加工，對于不同體系中超聲處理對豌豆淀粉性質(zhì)的影響還需要進行進一步的研究，為該類產(chǎn)品的開發(fā)提供更多參數(shù)。