多次濕熱處理對大米淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響

唐瑋澤 肖華西 唐 倩 林親錄 韓文芳 張 琳 孫術(shù)國 歐陽倩藍

(中南林業(yè)科技大學食品科學與工程學院，長沙 410004)

水稻中的主要成分為淀粉，約占總成分的80%以上，是良好的淀粉來源[1]。大米淀粉作為世界型可再生資源，對很多傳統(tǒng)的非可再生資源起到了很好的代替作用[2]，具有很好的市場前景。在國外，大米淀粉已被用于替代小麥淀粉生產(chǎn)適用于乳糜瀉患者的無麩質(zhì)食品[3]。但大米淀粉易發(fā)生老化回生，使產(chǎn)品的黏彈性降低，質(zhì)構(gòu)與消化性變差，因此需要對其進行改性。一般采用化學修飾方法對大米淀粉進行改性，例如羥乙基化[4]、磷酸酯化[5]。除了使用化學法外，淀粉的改性還可以通過生物酶法和物理法完成。其中濕熱處理作為一種物理改性方法，越來越受到關(guān)注。濕熱處理(Heat-moisture treatment, HMT)是指在少量水存在的狀況下(含水量小于35%)，在一定溫度范圍內(nèi)(高于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，低于糊化溫度)處理淀粉的一種物理方法[6]，常用于淀粉改性，處理過程中僅涉及到熱和水的作用，過程簡單，效果顯著。例如濕熱處理可以提高淀粉的糊化溫度及熱穩(wěn)定性，降低淀粉糊的黏度及顆粒膨脹度[7]。相較于未處理粉，濕熱處理后淀粉晶型不變，結(jié)晶度增加；淀粉溶解率和膨潤力顯著下降，直鏈淀粉含量顯著增加，糊化黏度降低[8]。在濕熱改性過程中淀粉X-射線結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化、直鏈淀粉脂質(zhì)復合物的形成、結(jié)晶度的損壞程度等會因其來源和濕熱改性條件的不同而有所差異[9]。

從濕熱處理次數(shù)的角度出發(fā)，采用不同的濕熱處理次數(shù)，研究其對大米淀粉理化性質(zhì)的影響，以期為多次濕熱處理對大米淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響的研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

大米粉，氫氧化鈉(分析純)。

1.2 儀器與設備

101C-2AB型電熱恒溫鼓風干燥箱，RVA Super4 型RVA快速黏度分析儀，L530型臺式低速離心機，DSC Q2000型差示掃描量熱儀，IRTracer-100型傅里葉紅海外光譜儀，DZKW-4型電子恒溫水浴鍋，D-Max-2500X-衍射儀，6380LV掃描電鏡。

1.3 方法

1.3.1 大米淀粉的提取

將大米粉以一定的料液比(固液比1∶4)加水，再加入一定量的0.3% NaOH溶液、浸泡時間4 h。利用恒溫水浴振蕩器以一定的振蕩時間、轉(zhuǎn)速、溫度進行振蕩使之充分反應。反應后的乳液過篩200目，3 000 r/min下離心20 min，棄去上清液，再用蒸餾水清洗3遍，最后放置烘箱40 ℃干燥過夜，將制備好的大米淀粉密封好置于陰涼處以備用。

1.3.2 多次濕熱處理樣品的制備

準確稱取一定量的大米淀粉放入燒杯中，通過加入定量的蒸餾水將含水量調(diào)節(jié)到20%，立刻用保鮮膜進行密封處理，然后放入冰箱，4 ℃下放置24 h使含水量達到平衡狀態(tài)，再放入110 ℃烘箱中處理2 h，最后將其在40 ℃干燥24 h至含水量10%左右，粉碎并過80目篩，得到1次濕熱處理大米淀粉樣品。準確稱取一定量經(jīng)過1次濕熱處理大米淀粉樣品，調(diào)節(jié)含水量至20%后，立刻進行密封處理，平衡含水量，最后將該樣品干燥，粉碎并過80目篩，得到2次濕熱處理大米淀粉樣品。重復步驟進行濕熱處理，最終采用0、1、3、5、7次濕熱處理的大米淀粉作為研究對象。

1.3.3 大米淀粉含水量測定

先后對干燥過的金屬碟和大米淀粉樣品稱重，置于130℃烘箱中干燥90 min后，再冷卻稱重，精確至0.001 g。水分以樣品損失質(zhì)量與對樣品原質(zhì)量之比表示，結(jié)果取算術(shù)平均值。

式中：X為樣品含水量/%；m0為干燥后空碟和蓋的質(zhì)量/g；m1為干燥前帶有樣品的碟和蓋的質(zhì)量/g；m2為干燥后帶有樣品的碟和蓋的質(zhì)量/g。

1.3.4 大米淀粉膨脹力和溶解度測定

稱取0.8 g干基淀粉(W0)和25 mL蒸餾水在預先稱重的50 mL離心管中混勻制備淀粉懸浮液。先將裝有樣品的離心管置于25 ℃水浴鍋內(nèi)平衡 5 min，之后置于95 ℃水浴鍋中振蕩保溫30 min，取出冰浴冷卻1 min，再在25℃下平衡5 min，最后4 000 r/min 離心20 min。離心后，上清液轉(zhuǎn)至培養(yǎng)皿，在105 ℃烘箱中烘至恒重(W1)，離心管中沉淀物稱重(W2)，淀粉膨脹力和溶解度的計算公式見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中:S為樣品的溶解率/%；SP為樣品的膨脹力/g/g；W0為粉料的初始干基質(zhì)量/g；W1為上清液烘干至恒重時的質(zhì)量/g；W2為沉淀物的濕重/g。

1.3.5 大米淀粉糊化性質(zhì)測定

淀粉的糊性質(zhì)利用快速黏度分析儀(RVA)進行測定分析。根據(jù)所測得的樣品含水量進行計算得出所需稱取的樣品量和加入的蒸餾水的量，混勻配成淀粉乳，進行RVA測定。設定程序運行參數(shù)為:50 ℃平衡1 min后，以12 ℃/min的速度升溫至95 ℃，并在95 ℃下保溫2.5 min，然后同樣以12 ℃/min的速度降溫至50 ℃，并在該溫度下保持2 min。實驗過程中，螺旋槳的轉(zhuǎn)速前10 s是960 r/min，10 s后轉(zhuǎn)速降為160 r/min。

1.3.6 大米淀粉熱力學性質(zhì)測定

大米淀粉的熱力學性質(zhì)采用差示掃描量熱法測定。在鋁坩堝中準確稱取3 mg大米淀粉，加入6 mg超純水。然后將鋁坩堝密封并在室溫下平衡24 h。將DSC程序設置為在30～110 ℃范圍內(nèi)加熱，掃描速率設定為10 ℃/min，重復測量三次。

1.3.7 大米淀粉紅外光譜測定

淀粉的紅外光譜性質(zhì)利用傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)進行測定，可反映淀粉顆粒表面淀粉鏈的結(jié)構(gòu)排列，紅外光束滲透深度為2 μm。紅外掃描圖譜采用KBr壓片法，先后稱取0.008 g樣品與0.8 g KBr并研磨均勻、充分混合，將研磨好的混合物粉末倒入壓片機模具上壓片，然后置于紅外譜儀內(nèi)全波段掃描，繪出紅外光譜圖。

1.3.8 大米淀粉結(jié)晶度測定

對制備好的樣品進行X-射線衍射分析。測定參數(shù)為：管壓40 kV，管流30 mA，掃描范圍3°～50°(2θ)，掃描速率5°/min。

1.3.9 大米淀粉微觀結(jié)構(gòu)測定

取適量制備好的樣品，均勻地置于貼有雙面導電膠的鋁制樣品臺上，樣品經(jīng)離子濺射鍍膜儀鍍金后，放入掃描電鏡樣品室中觀察，工作電壓20 kV。

1.3.10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

樣品平行測定3次，結(jié)果用平均值±標準差表示，數(shù)據(jù)通過SPSS 22.0.0.0軟件進行方差分析，并利用Duncan方法進行多重比較。實驗結(jié)果采用Excel 2016、Origin2018等軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 多次濕熱處理對大米淀粉含水量的影響

原大米淀粉和多次濕熱處理淀粉樣品的含水量結(jié)果見表1。淀粉樣品的含水量隨濕熱處理的次數(shù)增加而減少。這可能是由于誤差引起的差異，也可能是因為淀粉顆粒內(nèi)部分子鏈排列發(fā)生變化，分子間氫鍵變強，結(jié)構(gòu)更加緊密，結(jié)合水的能力下降，從而使得樣品中含水量減少。

表1 濕熱處理次數(shù)對大米淀粉含水量的影響

2.2 多次濕熱處理對大米淀粉膨脹力和溶解度的影響

原大米淀粉和多次濕熱處理淀粉樣品的膨脹力和溶解度數(shù)值見表2。

表2 濕熱處理次數(shù)對大米淀粉膨脹力和溶解度的影響

原淀粉的膨脹力和溶解度比多次濕熱處理淀粉樣品的要高，并且隨著濕熱處理次數(shù)的增加，淀粉樣品的膨脹力和溶解度逐漸降低。Zavareze等[10]和 Hoover等[11]認為，溶解度和膨脹力的降低歸因于淀粉顆粒內(nèi)部的重排，引起淀粉官能團之間的進一步相互作用，使其支鏈淀粉側(cè)鏈形成更加有序的雙螺旋結(jié)構(gòu)。高群玉等[12]和趙佳[13]認為膨脹力和溶解度降低主要原因：1)膨脹性質(zhì)主要取決于淀粉中的支鏈淀粉的性質(zhì),由支鏈淀粉的含量和結(jié)構(gòu)所決定。支鏈淀粉多雙螺旋結(jié)構(gòu)就多，相應的膨脹度就大。濕熱處理使支鏈淀粉降解，產(chǎn)生了比原淀粉更多的直鏈淀粉，雙螺旋結(jié)構(gòu)減少，故膨脹度降低；2)淀粉顆粒內(nèi)直鏈淀粉與直鏈淀粉之間、直鏈淀粉與支鏈淀粉之間在濕熱處理時發(fā)生交互作用，形成了新的結(jié)構(gòu)，顆粒內(nèi)部的鍵變強，雙螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)合得更加緊密，不利于淀粉分子從顆粒內(nèi)部溶出。隨著濕熱處理次數(shù)的增加，其交互作用增多，因而膨脹力逐漸下降。并且隨著濕熱處理次數(shù)的增加，可利用的水合羥基[14]和直鏈淀粉和支鏈淀粉分子的析出進一步減少，因此多次濕熱處理的淀粉樣品的溶解度進一步降低。

2.3 多次濕熱處理對大米淀粉糊化性質(zhì)的影響

原大米淀粉和多次濕熱處理淀粉樣品的糊化性質(zhì)如圖1和表3所示。

圖1 RHMT淀粉樣品的快速黏度分析儀掃描圖譜

表3 濕熱處理次數(shù)對大米淀粉RVA特征值的影響

峰值黏度是淀粉糊化所能達到的最大黏度，是發(fā)生在黏度增加和黏度降低之間的平衡點，反映了淀粉的膨脹力[15]；最終黏度表明了物料在糊化冷卻后所形成凝膠的強度；糊化溫度是淀粉黏度開始上升的溫度，能反映淀粉糊化的難易度。衰減值表示淀粉糊的熱穩(wěn)定性，衰減值越小，淀粉糊熱穩(wěn)定性越好[16]。回升值表示淀粉冷糊黏度的穩(wěn)定性，回升值越大，冷糊穩(wěn)定性越差，反映了淀粉冷卻過程中淀粉分子的重新締合結(jié)晶，是淀粉老化性質(zhì)的體現(xiàn)[17]。

由圖1和表3可見，多次濕熱處理淀粉樣品的糊化溫度增加，峰值黏度、最終黏度都有所降低。分析其原因，一是濕熱處理使淀粉分子鏈降解，一部分分子鏈變小，部分支鏈淀粉降解形成更多直鏈淀粉，直鏈淀粉含量增加，在加熱糊化時黏度變??；二是，熱和水分使淀粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，無定型區(qū)內(nèi)淀粉鏈相互作用，分子內(nèi)和分子間氫鍵增強，大部分淀粉形成了耐熱成分，淀粉顆粒變得不易膨脹[18]，糊化溫度升高。峰值黏度和最終黏度下降，說明淀粉結(jié)合水的能力下降，糊化冷卻后形成凝膠的能力也有所降低，衰減值和回生值降低表明淀粉熱穩(wěn)定性上升，回生性下降?？梢?，濕熱處理后冷糊穩(wěn)定性有所提高。隨著濕熱處理次數(shù)進一步的增加，淀粉分子鏈之間的連接也隨之增加，因此導致糊化溫度進一步增加，淀粉糊的黏度進一步降低以及淀粉糊的穩(wěn)定性進一步增加。

2.4 多次濕熱處理對大米淀粉熱力學性質(zhì)的影響

原大米淀粉和多次濕熱處理的淀粉樣品的熱力學性質(zhì)如表4所示。隨著濕熱處理次數(shù)增加，樣品的起始溫度、峰值溫度和最終溫度都有一定程度的上升，而糊化焓卻有所降低，這是可能是因為濕熱處理使淀粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，分子間氫鍵增強，淀粉形成了耐熱成分，從而使起始溫度、峰值溫度和最終溫度上升。同時，濕熱處理使支鏈淀粉降解，產(chǎn)生了更多的直鏈淀粉，雙螺旋結(jié)構(gòu)減少，而淀粉顆粒內(nèi)部形成了新的結(jié)構(gòu)，雙螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)合得更加緊密，不利于淀粉分子從內(nèi)部溶出，淀粉結(jié)合水的能力下降，所以導致糊化焓逐漸降低。

表4 濕熱處理次數(shù)對大米淀粉熱力學性質(zhì)的影響

2.5 多次濕熱處理對大米淀粉紅外光譜的影響

天然大米淀粉和多次濕熱處理的淀粉樣品的紅外光譜圖如圖2所示。1 047 cm-1處吸光度與1 022 cm-1處吸光度的比值如表5所示。紅外光譜主要反映淀粉分子的短程有序性，并且反映了淀粉顆粒表面的淀粉鏈結(jié)構(gòu)，這是由于紅外光譜的探測距離很小，僅2 μm[19]。由于淀粉是一種多晶高聚物,在紅外光譜圖上具有特定的結(jié)晶敏感吸收帶，其強度與結(jié)晶度有關(guān)，結(jié)晶度增加，結(jié)晶區(qū)強度增大,結(jié)晶度下降，無定形區(qū)強度增大[20]，因此利用晶帶可以測定結(jié)晶聚合物的結(jié)晶度。van Soest等[21]研究指出1 047 cm-1和1 022 cm-1處吸收峰的峰高比值可以確定淀粉顆粒在短程范圍內(nèi)的結(jié)晶程度和淀粉老化程度的強弱，表明淀粉無定型態(tài)的降低或是有序結(jié)構(gòu)的增加。

由圖2可知，與原大米淀粉樣品相比，不同次數(shù)濕熱處理后淀粉樣品的紅外光譜基本沒有發(fā)生變化，各特征基團的吸收峰位置、形狀與原淀粉相差不大，沒有新的吸收峰產(chǎn)生，說明大米淀粉經(jīng)多次濕熱處理后沒有新的化合物產(chǎn)生。由表5可知，濕熱處理的大米淀粉的1 047 cm-1/1 022 cm-1吸光度比值較原大米淀粉降低，在濕熱處理次數(shù)為5時，1 047 cm-1/1 022 cm-1吸光度比值增加，之后隨著處理次數(shù)增加，比值也逐漸增加。濕熱處理后大米淀粉1 047 cm-1/1 022 cm-1吸光度比值降低主要是因為結(jié)晶區(qū)雙螺旋結(jié)構(gòu)的破壞造成的。濕熱處理淀粉樣品1 047 cm-1/1 022 cm-1吸光度比值增加是由于淀粉顆粒內(nèi)部支鏈淀粉的無序末端更緊密的糾纏到一起，加強了淀粉顆粒內(nèi)部無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)淀粉分子鏈之間的相互作用，使無定形區(qū)的有序性增加[22]。并且隨著濕熱處理次數(shù)增多，造成淀粉之間的連接達到一定程度從而彌補了處理過程中造成的雙螺旋的破壞。

表5 濕熱處理次數(shù)對大米淀粉在1 047 cm-1/1 022 cm-1處吸光度及比值的影響

圖2 RHMT淀粉樣品的紅外光譜圖

2.6 多次濕熱處理對大米淀粉結(jié)晶度的影響

原大米淀粉和多次濕熱處理的淀粉樣品的X-射線衍射圖譜及相對結(jié)晶度如圖3所示。原大米淀粉樣品在15°、17°、18°、23°左右呈現(xiàn)出明顯的衍射峰，表明大米淀粉的微粒的結(jié)晶型是A型結(jié)構(gòu)[23]，而經(jīng)過多次濕熱處理后，樣品的衍射峰仍然很明顯，并且與原大米淀粉的衍射峰相似。通過計算其相對結(jié)晶度，發(fā)現(xiàn)原大米淀粉的相對結(jié)晶度最低，隨著濕熱處理次數(shù)的增加，樣品的相對結(jié)晶度在逐漸增加。這樣的結(jié)果可能是由于濕熱處理使得支鏈淀粉發(fā)生降解，產(chǎn)生了更多的直鏈淀粉，一方面，直鏈淀粉與直鏈淀粉之間、直鏈淀粉與支鏈淀粉之間在濕熱處理的過程中產(chǎn)生新的聚合體，使雙螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)合得更緊密，另一方面，更多的直鏈淀粉會導致更多的晶核形成，從而促進支鏈淀粉的重結(jié)晶，使得樣品結(jié)晶度上升。隨著處理次數(shù)增加，結(jié)晶度也隨之增大[24]。

圖3 RHMT淀粉樣品的x-射線衍射圖譜

2.7 多次濕熱處理對大米淀粉顆粒形貌的影響

原大米淀粉和多次濕熱處理的淀粉樣品的電鏡掃描圖像如圖4所示。原大米淀粉的顆粒分散均勻，單個顆粒呈無規(guī)則的多角結(jié)構(gòu)，并且顆粒表面較為光滑，而濕熱處理會使大米淀粉顆粒相互靠近，粘結(jié)在一起，顆粒表面喪失一定的光滑度，出現(xiàn)不規(guī)則的孔洞甚至凹槽。隨著濕熱處理次數(shù)的增加，互相粘連的淀粉顆粒也逐漸增多，顆粒表面的光滑程度進一步下降，無規(guī)則的多角結(jié)構(gòu)逐漸減少甚至消失。因此，多次濕熱處理會使淀粉顆粒不再呈現(xiàn)均勻分散的狀態(tài)，單個顆粒的特征逐漸消失，從而形成新的團狀結(jié)構(gòu)。

圖4 RHMT淀粉樣品的掃描電鏡圖

3 結(jié)論

研究多次濕熱處理對大米淀粉的結(jié)構(gòu)以及各項理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，濕熱處理對大米淀粉的結(jié)構(gòu)及其各項理化性質(zhì)有顯著影響，且隨著濕熱處理次數(shù)的增加，呈現(xiàn)出較為規(guī)律的變化趨勢：淀粉樣品的含水量、膨脹力和溶解度逐漸降低，糊化溫度升高，峰值黏度、最終黏度、衰減值和回生值減少，在濕熱處理過程中沒有產(chǎn)生新的化學成分，相對結(jié)晶度隨處理次數(shù)逐漸上升，淀粉顆粒逐漸喪失單體特征，形成新的團狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)多次濕熱處理后的大米淀粉熱穩(wěn)定性更高，且不易于糊化，有利于控制餐后血糖水平的上升，可以在實際應用中提高大米產(chǎn)品的品質(zhì)。