電場處理對大米淀粉理化性質的影響

王詩雁 韓 忠 劉忠義 岳書杭 劉紅艷

(廣西高校北部灣特色海產品資源開發(fā)與高值化利用重點實驗室(欽州學院)1，欽州 535000) (湘潭大學化工學院2，湘潭 411105) (華南理工大學食品科學與工程學院3，廣州 510641)

大米淀粉的潛在用途非常廣泛，如造紙、照相用紙、化妝品添加劑和藥品賦形劑，湯羹、沙司的增稠劑、烘焙食品的抗老化劑和擠壓食品的膨化劑[1]。商用大米淀粉是一種細白粉末，顆粒細小、結構緊密，和所有原淀粉一樣糊化后容易老化[1,2]，這些特性限制了它的應用。采用化學修飾方法對大米淀粉進行改性，例如羥乙基化[3]、磷酸酯化[4]以及羧甲基化[5,6]，可以改善其理化特性，擴大其應用范圍。

除了使用化學法外，淀粉的改性還可以通過生物酶法[7]和物理法[8,9]完成。相較于化學法和酶法改性，物理法改性不引進新的化學基團，不改變淀粉的化學組成，只破壞生物大分制之間的分子間作用力，改變淀粉顆粒的物理結構。物理改性法中的脈沖電場技術是一種新型的非熱加工技術，近年來越來越受到關注[10]。電場處理能明顯破壞蛋白質、淀粉等大分子物質的分子間作用力，能改變蛋白質[11]和淀粉[8,12]的高級結構，但不破壞共價鍵。通過高壓脈沖電場處理普通玉米淀粉的結果顯示[8]，淀粉的相對結晶度下降，顆粒表面遭到破壞，冷熱糊穩(wěn)定性提高。

本研究利用脈沖電場處理大米淀粉乳，結合掃描電子顯微鏡、紅外光譜儀和X射線衍射儀對樣品進行表征分析，研究脈沖電場處理前后淀粉顆粒結構的改變，測定淀粉糊的透明度、凝沉性、凍融穩(wěn)定性和溶解度，研究電場處理是否會對淀粉糊理化性質產生影響。旨在探討一種新的處理方法，制備以大米淀粉為原料的改性淀粉，以期滿足淀粉的市場需求。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米淀粉：食品級；氯化鈉：AR。

1.2 儀器與設備

SY-20脈沖電場設備； DDS-11A數顯電導率儀； DZF-6050真空干燥箱；SHA-C恒溫振蕩儀；UV-1800紫外-可見分光光度計；XL-30掃描電鏡；Nexus Por Euro傅里葉紅外光譜儀；Empyrean X射線衍射儀。

1.3 方法

1.3.1 脈沖電場預處理大米淀粉

1.3.1.1 大米淀粉的電場處理過程

稱取一定質量的大米淀粉，加入蒸餾水配制成質量分數為8%淀粉乳。不斷攪拌淀粉乳并逐滴加入氯化鈉溶液，將乳濁液的電導率調至150 μs/cm。用蠕動泵將淀粉乳泵入處理室進行電場處理。設定樣品流速為120 mL/min，電場強度分別為2、4、6、8、10、12 kV/cm，處理時間分別為400、800、1 200、1 600、2 000 μs。經脈沖電場處理后的淀粉乳，洗滌、抽濾后放入45℃烘箱中干燥24 h，烘干后粉碎過200目篩，收樣備用。

1.3.1.2 電場處理時間計算

單次處理脈沖個數n以及總處理時間t的計算如下[12]：

(1)

t=nτ

(2)

式中：V為處理室體積/mL；f為脈沖頻率/Hz；u為流速/mL/min;τ為有效脈寬/μs。

總處理時間：

T=N·t

(3)

(4)

式中：N為樣品經過處理室的輪數；V樣為樣品的總體積。

1.3.2 大米淀粉顆粒掃描電鏡觀察

將粉碎過篩的樣品干燥，取極少量試樣用導電雙面膠均勻地固定在載物臺上，并標記樣品號，經真空鍍金后放入樣品室中進行觀察，通過電壓為15 kV的電鏡掃描，拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌照片[3, 12]。

1.3.3 大米淀粉顆粒紅外結構表征

采用KBr壓片法，將干燥過的少許樣品與溴化鉀混合均勻后經壓片機壓片后用紅外分析儀進行檢測，掃描范圍為400～4 000 cm-1，掃描后得出紅外譜圖[13]。

1.3.4 大米淀粉的X射線衍射

將干燥的樣品在X射線衍射儀上采用連續(xù)掃描法掃描測定完成[12,13]，將步長設為0.08，掃描速率設為6(°)/min，掃描角度2θ=4°～60°，管流30 mA，管壓30 kV。

1.3.5 大米淀粉的透明度測定

參照文獻介紹的方法[14]，稍加改進。稱取一定質量的大米淀粉樣品和蒸餾水，精確到0.000 1 g，配成質量分數為1%的淀粉乳，在沸水中不斷攪拌，加熱20 min至淀粉乳完全糊化，自然冷卻至室溫，然后定容到100 mL。設定紫外-可見分光光度計波長為620 nm，空白為蒸餾水的透光率100%。

1.3.6 大米淀粉的凝沉性測定

依據文獻所介紹的方法[12,13]，稍作調整。依1.3.5所述精確配成100 mL質量分數為1% 的淀粉乳。放入沸水浴中攪拌加熱20 min至完全糊化，自然冷卻至室溫，然后倒入100 mL的量筒中，加蒸餾水調至100 mL，混勻后靜置。每隔12 h記錄下上清液體積，用上清液的體積分數變化來表示樣品的凝沉性。

1.3.7 大米淀粉的溶解度測定

依照文獻所介紹的方法[15]，稍加改進。依1.3.5所述精確配成質量分數為2% 的淀粉乳。在95 ℃的水浴中攪拌加熱30 min后自然冷卻，將冷卻的淀粉糊在3 500 r/min條件下離心20 min，上清液移至鋁盒，在105 ℃烘箱中烘干15 h，然后稱重。

(5)

1.3.8 大米淀粉的凍融穩(wěn)定性測定

依照文獻所介紹的方法[16]。稱取一定質量的大米淀粉樣品，精確到0.01 g，用蒸餾水配成質量分數為6%的淀粉乳。沸水浴中攪拌加熱20 min至淀粉乳糊化完全，自然冷卻至室溫。放入-18 ℃冰箱中密封冷凍保存24 h后取出自然解凍至室溫，3 500 r/min條件下離心20 min，將離心管中上清液倒掉，稱取剩余沉淀質量，計算析水率，用析水率表示凍融穩(wěn)定性。

(6)

1.4 數據處理

所有實驗重復3次。用SPSS statistix 16.0統(tǒng)計分析軟件進行數據分析，數值以均值±標準差表示，P<0.05即表示差異顯著，作圖采用Origin 8.5。

2 結果與討論

2.1 大米淀粉的形貌分析

圖1為原大米淀粉和經不同電場強度、處理時間處理后的淀粉顆粒形態(tài)。由圖1a可知，原大米淀粉顆粒表面光滑；由圖1b、圖1d和圖1f可知，在處理時間同為1 200 μs時，淀粉顆粒隨著場強的增強表面開始出現凹槽，不再光滑，且在6 kV/cm處理的時候凹槽最深，表面最粗糙。由圖1c至圖1f可以看出，在場強相同時，淀粉顆粒的外貌形態(tài)也會受處理時間的影響。

低分子量結構排列方式是密集的，高分子量結構排列方式則相對緊密。淀粉顆粒的外層結構只含有少量的高分子量結構，大部分則是由低分子量結構構成的，這使得外界壓力改變對它的結構影響較大[17]。在電場的作用下，大米淀粉的表層遭到破壞，失去致密結構，顆粒發(fā)生崩解，使得表面變得粗糙。電場處理會使部分淀粉顆粒出現凹陷而改變原來的外形，也有部分會形成交聯聚集在一起[18]。在羥乙基化[3]、磷酸酯化[4]以及羧甲基化[5,6]后的改性大米淀粉里，觀察到相似的大米淀粉顆粒形貌變化。用電場處理過的玉米淀粉顆粒[8]及馬鈴薯淀粉[19]表面也出現凹槽，表面變粗糙，且隨場強大小和處理時間的變化而變化。酶法改性的大米淀粉[7]，其淀粉顆粒外觀形貌變化更加明顯，且隨酶用量及作用溫度和時間的不同而出現明顯的變化。

圖1 大米淀粉顆粒形態(tài)

2.2 大米淀粉的紅外光譜分析

圖2是原大米淀粉和經電場處理后淀粉的紅外譜圖。曲線A為原大米淀粉的紅外譜圖，在3 600～3 100 cm-1處，出現了大米淀粉中的O—H鍵伸縮振動和羥基中的氫鍵締合后所產生的特征峰；而出現在1 155、1 080、1 021 cm-1處的特征峰則是葡萄糖基團中C—O鍵的伸縮振動產生的[20]；在577、762、860 cm-1處檢測出的特征峰，則是葡萄糖環(huán)中—CH2鍵的伸縮振動吸收峰[21]。

由圖2可以看出，大米淀粉乳經電場處理后并無明顯差異，沒有出現其他新的特征峰，原來官能團的特征峰也沒有因電場處理而消失。用脈沖電場分別處理普通玉米淀粉[8]、馬鈴薯淀粉乳和木薯淀粉乳[19]等不同晶型的淀粉，處理后，這些淀粉的紅外譜圖中都沒有出現新化學物質的吸收峰。相反，在化學改性的淀粉的紅外光譜里，都發(fā)現了所引入基團的特征峰[3-6]。綜合這些研究結果，可以推論脈沖電場處理淀粉乳只是一個物理改性的過程，沒有發(fā)生化學變化。

注：A為原大米淀粉0 kV/cm，1 200 μs；B為2 kV/cm，1 200 μs；C為6 kV/cm，1 200 μs；D為10 kV/cm，1 200 μs。圖2 大米淀粉的紅外譜圖

2.3 大米淀粉的晶型結構分析

在X射線衍射圖譜中，樣品結晶的含量和大小決定了衍射峰的高度和寬度，峰越高、越窄表明結晶含量越多，結晶區(qū)就越完整。如果衍射峰的強度和峰寬改變了，則可以說明顆粒結晶度的大小、晶型改變和無定型化程度的變化情況。根據淀粉特征峰在X衍射圖譜中出現的角度，將淀粉分為A、B、C和V幾大類型[1,22]。

圖3是原大米淀粉和經電場處理后淀粉的X射線衍射圖譜?？梢钥闯?，原大米淀粉在15°，17°，18°，23°四個角度都有顯著的特征峰尖峰衍射現象，說明大米淀粉的晶體結構是A型[1,2]，且結晶區(qū)晶型完整。經電場處理后，峰型沒有發(fā)生明顯變化，說明電場處理并沒有改變淀粉的晶體結構。錢建亞等[22]對甘薯淀粉脈沖電場處理前后的結構進行表征，觀察其變化，結果表明甘薯淀粉的晶型沒有因電場處理而發(fā)生改變，依舊保持其C型結構。

圖3 大米淀粉的X射線衍射圖

2.4 大米淀粉的透明度分析

透明度在某種程度上反映了該淀粉與水結合能力的大小[20]，如果淀粉吸水力好，經加熱后膨脹完全，光線就不會折射，透明度增加。通常用透光率來表示淀粉糊透明度的大小。測得原大米淀粉的透光率只有6.2%。

圖4是經過電場處理的大米淀粉透光率。由圖4可知，經過電場處理的大米淀粉透明度有了明顯的提高，在場強為6 kV/cm時處理1 600 μs的淀粉透明度達到32.4%。在場強相同時，透明度會隨處理時間的增長先提高后減小。在2 kV/cm場強下，處理時間達到1 200 μs后，透光率開始下降，而在10 kV/cm場強下，處理時間在800 μs后就開始下降了。6 kV/cm的場強處理的淀粉在1 600 μs后才開始下降，且該場強處理的淀粉透光率整體高于另外兩個場強。淀粉顆粒的結構受到電場的破壞[8,19]，且破壞程度隨電場強度的增加先增大后減小，也會受處理時間的影響。顆粒被破壞后，大米淀粉分子與水分子的結合能力提高了，電場處理使得更多的氫鍵暴露在淀粉顆粒的表面。在糊化過程中，未完全糊化的淀粉顆粒減少了，所以提高了透明度。有研究表明電場處理馬鈴薯淀粉[19]和甘薯淀粉[23]也有相似的結果。

圖4 大米淀粉糊的透明度

2.5 大米淀粉的凝沉性分析

淀粉因羥基的分子間氫鍵相互作用形成不溶于水的非結晶狀 “凝膠”，也可以進行締合和重排，產生凝沉現象[24]，導致淀粉糊隨著靜置時間的延長而變得渾濁，析出沉淀物。通常采用上清液體積分數來表示凝沉性，體積分數越大，凝沉性越強，抗凝沉性也就越弱。

由圖5可知，經過電場處理后的大米淀粉，抗凝沉性明顯增強，抗凝沉性隨著場強增大而增強，但是增強幅度減小，換言之，在場強較低時，大米淀粉抗凝沉性隨場強增強變化明顯，場強較高時，變化不大。電場處理會破壞淀粉表面結構，使更多氫鍵浮現出來，促進了水分子與淀粉顆粒的結合，加劇淀粉膠體的產生，沉淀物難以析出，從而提高了抗凝沉性，這也與2.4.1的結論相印證。在同一場強下，上清液體積分數隨時間的延長而增大，抗凝沉性減弱。隨著時間延長，更多的淀粉分子因為氫鍵作用聯結起來，聚合成沉淀物沉降[9,25]。

圖5 大米淀粉糊的凝沉性

2.6 大米淀粉的溶解度分析

溶解度可以體現淀粉顆粒與水分子的相互作用力的大小情況，是淀粉的重要理化性質之一。溶解度與淀粉分子的親水力有關，淀粉分子的結晶區(qū)越少，非定型區(qū)越大且越松散，親水力越強。測得普通大米淀粉顆粒的溶解度為4.5%。

由圖6可知，經脈沖電場處理后的淀粉顆粒溶解度有了明顯提高，隨著電場強度的增加，溶解度先增大后減小，場強為6 kV/cm處理后的淀粉顆粒溶解度最高；在場強相同情況下，溶解度隨處理時間的增加呈現先增加后減少的趨勢。淀粉乳經電場處理后，淀粉顆粒的結晶結構遭到輕微破壞，導致結晶區(qū)分子間的作用力減弱，使直鏈淀粉更容易析出，從而導致溶解度提高。隨著電場強度的增加，處理過程中的溫度隨之升高，使得淀粉膨脹，析出更多支鏈淀粉，支鏈淀粉與直鏈淀粉形成穩(wěn)定結構，這就導致處理后期，溶解度呈下降趨勢。文獻記載蓮子淀粉經超高壓處理后，溶解度也有隨處理時間延長先增加而后降低的趨勢[25]。

圖6 大米淀粉的溶解度

2.7 大米淀粉的凍融穩(wěn)定性分析

通常用析水率來表示淀粉的凍融穩(wěn)定性，析水率越大，則凍融穩(wěn)定性越差。凍融穩(wěn)定性和分子結構關系密切，反映的是淀粉糊在冷凍解凍過程中保持膠狀結構的能力。當淀粉分子間的作用力較弱時，在經過冷凍解凍的過程后，水分子就從凝膠中擠出，也就是“析水”現象，膠狀結構逐漸消失[19]。

圖7表明，場強相同時，隨著處理時間的延長，析水率逐漸降低，凍融穩(wěn)定性提高；處理時間相同時，場強越高，析水率越低，凍融穩(wěn)定性越好。經過超高壓處理后的淀粉糊的凍融穩(wěn)定性因氫鍵作用力的增強而改善[25]。經電場處理后，淀粉顆粒形態(tài)發(fā)生改變，表面積比例增大，結合水分子的能力也相應提高，分子間鍵能增大，析水率減小，凍融穩(wěn)定性提高。

圖7 大米淀粉的凍融穩(wěn)定性

3 結論

SEM結果表明，脈沖電場處理會改變淀粉顆粒的外貌形態(tài)，經場強為6 kV/cm時處理1 200 μs后的淀粉顆粒變化最為明顯。FTIR和XRD的結果表明，脈沖電場處理大米淀粉，不會改變淀粉顆粒的化學結構，也不會改變淀粉顆粒的晶型結構，脈沖電場處理大米淀粉只是一個物理改性的過程。淀粉的透明度隨電場強度的增加先增大后減小，也會受處理時間的影響；抗凝沉性在場強較低時隨場強增強變化明顯，在場強較高時變化不大；溶解度隨著電場強度的強度的增加增大后減小，經場強6 kV/cm處理后的淀粉顆粒溶解度最高；隨著處理時間的延長和處理場強的提高，凍融析水率逐漸降低，電場處理后，凍融穩(wěn)定性提高。脈沖電場處理使大米淀粉的理化性質得以改善。