微波處理對不同鏈支比玉米淀粉結構及理化性質的影響

蒲華寅， 陳旭艷， 郭思敏， 黃峻榕

(陜西科技大學 食品與生物工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

淀粉在自然界中來源廣泛，主要存在于植物的根莖葉和果實中，是人類膳食中碳水化合物的重要來源之一[1].淀粉的基本結構單元為葡萄糖，從分子結構來看，是由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成的[2].直鏈淀粉分子是由多數線性分支鏈和少數長分支鏈組成，約含有99%的α-(1→4)和1%的α-(1→6)糖苷鍵.支鏈淀粉分子是由大量短支鏈組成的高度分支化分子鏈，約含5%的α-(1→6)糖苷鍵[3].

玉米淀粉是常見的食品原輔料，一般高直鏈玉米淀粉中直鏈淀粉含量高于50%，普通玉米淀粉的直鏈淀粉含量介于20%～30% 之間，而蠟質玉米淀粉的直鏈淀粉含量一般低于5%[4].不同品種玉米淀粉可適用于不同食品加工需求.其中，高直鏈玉米淀粉(HS)可適用于特殊群體的食品加工，但直鏈淀粉含量較高會影響食品的口感，普通(NMS)和蠟質玉米淀粉(WS)常用于增稠劑、穩(wěn)定劑等，可改善食品的感官品質[5].

天然淀粉可通過各種改性方法使其更好地適用于工業(yè)應用的需要.目前淀粉改性方法主要包括物理、化學、酶法和復合改性[6].物理改性因其具有綠色環(huán)保、工藝簡單、無需后處理等優(yōu)點而受到了廣泛的關注[7].目前，物理改性方法主要包括預糊化、濕熱處理、微波處理、超聲波處理及超高壓處理等方法[8].

微波是一種高頻電磁波，頻率范圍一般為300 MHz～300 GHz，具有熱效應和非熱效應[9].一般用于干燥、殺菌、解凍、改性等[10].微波輻射對氫鍵、范德華力等具有一定的破壞作用，可使其松弛、 斷裂或重組[5].近年來，國內外的學者對輻照淀粉的結構及物理化學性質進行了研究，結果表明微波處理會導致淀粉形貌及結晶結構被破壞，進而影響淀粉理化性質[11-13].Oyeyinka等[12]研究發(fā)現微波處理能使花生淀粉結晶度下降，且糊化特性中峰值粘度、谷值粘度、最終粘度及糊化溫度降低.Lee等[13]研究了微波處理對不同水分含量玉米淀粉結構性質的影響，發(fā)現微波處理破壞了淀粉的晶體結構，導致糊化溫度升高，且含水量越高，效果越顯著.

目前，已有大量研究報道了微波輻照對高粱[14]、板栗[15]、馬鈴薯[16]、玉米[5]、木薯[17]等不同植物來源淀粉結構及性質的影響，但關于微波處理對同一植物來源淀粉的影響研究報道較少.

本文采用掃描電子顯微鏡、X-射線衍射、傅里葉變換紅外光譜、快速黏度分析等研究方法，分析了微波處理對高直鏈、普通和蠟質玉米淀粉結構性質的影響，比較了不同鏈支比玉米淀粉在微波處理過程中結構性質變化差異，以期為微波技術在淀粉食品的加工應用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 主要試劑

蠟質玉米淀粉，保齡寶生物股份有限公司；普通玉米淀粉，河南菱花湖生物科技有限公司；高直鏈玉米淀粉，美國Kang生物股份有限公司；溴化鉀，光譜純，天津市科密歐化學試劑有限公司.

1.1.2 主要儀器

HC-83203FB微波爐，廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司；FEI Verios 460型高分辨場發(fā)射掃描電鏡，美國FEI公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，孔義市予華儀器有限公司；XFH-50CA 電熱式壓力蒸汽滅菌器，浙江新豐醫(yī)療器械有限公司；D8AdvanceX-射線衍射儀，德國布魯克Bruker公司；STA449 F3傅里葉紅外光譜儀，德國布魯克Bruker公司；RVA-TM型快速粘度分析儀，瑞典波通儀器有限公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 微波處理淀粉的制備

樣品制備參考李世杰等[15]的方法并進行適當修改.以蠟質、普通、高直鏈三種玉米淀粉為原料，分別稱取10.0 g(干重計)放入絲口瓶，加水調節(jié)濃度為20%(m/m)并放入微波爐中.樣品在800 W功率下分別處理0、20 s、40 s、80 s、120 s后冷卻至室溫，40 ℃烘干至恒重，然后過100目篩即得微波處理淀粉.

1.2.2 淀粉的微觀形貌

取少許淀粉樣品均勻固定在導電膠上，用離子濺射儀真空鍍金后，置于高分辨場發(fā)射掃描電鏡樣品室中，電子槍加速電壓為15 kV，觀察樣品的微觀形貌.

1.2.3 淀粉的晶體結構分析

將待測的樣品預先平衡水分后進行分析.X-射線衍射儀分析條件為：Cu-Kα輻射，掃描速率為4 °/min，掃描范圍2θ為4 °～40 °，步長0.02 °，管壓和管流分別為40 kV和40 mA.各樣品的相對結晶度計算參考Adhiyamaan等[18]的方法.

RC(%)=B/A×100(%)

(1)

式(1)中：A-譜線與基線間的面積；B-譜線與分割線間的面積.

1.2.4 傅里葉變換紅外光譜分析

將適量淀粉樣品與干KBr(1∶150) 混合研磨后壓片，置于傅里葉變換紅外光譜儀中進行測試.掃描背景為空氣，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描32次.采用Huang等[19]的方法計算各樣品在1 047/1 022 cm-1處峰強度比.

1.2.5 淀粉的糊化特性

采用快速粘度分析儀(RVA)進行糊化特性分析.RVA測試程序設定為：初始溫度50 ℃，保持1 min，然后以12 ℃/min 速率上升到95 ℃(3.75 min)，并保持2.5 min；再以12 ℃/min速率降至50 ℃(3.75 min)，保持1.5 min結束.測試中前10 s攪拌速度為960 rpm，后保持160 r/min轉速完成測試.

1.2.6 淀粉的透明度

將淀粉配成1%(m/m)的淀粉懸浮液，在高壓滅菌鍋中121 ℃處理 30 min，糊化并保持其體積不變，冷卻至室溫，620 nm 波長下測定淀粉糊的透光率，以蒸餾水作為空白(透光率為100 %).

1.2.7 淀粉的凝沉特性

將淀粉配成1%(m/m)的淀粉懸浮液，在高壓滅菌鍋中121 ℃處理 20 min，冷卻至室溫后將淀粉糊轉入 100 mL 的具塞量筒內并在室溫下靜置24 h，記錄沉淀部分體積，用上清液的體積占總體積的百分比表示淀粉糊的凝沉性質.

1.2.8 統(tǒng)計分析方法

使用Origin 9.6進行繪圖，SPSS 26.0進行數據處理.方差分析采用Tukey法進行多重比較.

2 結果與討論

2.1 淀粉顆粒的形貌結構

圖1為微波處理前后不同鏈支比玉米淀粉的掃描電鏡圖.由圖1可知，高直鏈玉米淀粉多近似橢球形、少數呈細長條或無規(guī)則形，表面光滑；蠟質玉米淀粉呈多角形，形狀較高直鏈玉米淀粉更為規(guī)則；普通玉米淀粉則介于二者之間，總體上更接近于蠟質玉米淀粉，但棱角要更加圓滑.與高直鏈玉米淀粉相比，普通和蠟質玉米原淀粉表面微孔數量多，孔直徑大.

微波處理后，不同鏈支比玉米淀粉顆粒表面均出現裂紋，且隨著處理時間的增加，顆粒表面變得粗糙、塌陷，呈多孔狀，這表明微波處理使淀粉內部分子發(fā)生遷移，顆粒內部結構重新排列[20]；微波處理120 s 后，普通和蠟質玉米淀粉顆粒失去原有形狀，顆粒之間相互黏結.而高直鏈玉米淀粉只是在表面出現粗糙及細小裂紋，表明高直鏈玉米淀粉顆粒結構(較普通和蠟質玉米淀粉)對微波的耐受性更強[21].這可能是由于直鏈淀粉含量越少，分子間作用力越弱，淀粉結構更易被破壞[22].

(a)高直鏈玉米淀粉HS (a1)、(a2)、(a3)、(a4)分別為微波處理20 s、40 s、80 s、120 s的高直鏈玉米淀粉 (b)蠟質玉米淀粉WS (b1)、 (b2) 、(b3) 、(b4) 分別為微波處理20 s、40 s、80 s、120 s的蠟質玉米淀粉 (c)普通玉米淀粉NMS (c1) 、(c2)、(c3)、(c4)分別為微波處理20 s、40 s、80 s、120 s的普通玉米淀粉圖1 三種玉米淀粉微波處理前后掃描電鏡圖(× 5 000)

2.2 淀粉的長程有序結構

圖2為微波處理前后不同鏈支比玉米淀粉的XRD譜圖.高直鏈玉米淀粉呈現典型的B型結晶結構，在2θ為5.6 °、16 ° 、20 °、24 °處出現衍射峰；蠟質和普通玉米淀粉在2θ為15.1 °、17 °、18 °、23.5 °處出現衍射峰，呈現A型結晶[23].經微波處理后，三種淀粉的晶型沒有發(fā)生改變，這與劉佳男等[14]研究結論一致.

(a)高直鏈玉米淀粉

(b)普通玉米淀粉

(c)蠟質玉米淀粉圖2 微波處理前后三種玉米淀粉X-射線衍射圖

通常用相對結晶度RC來表示結晶區(qū)與無定形區(qū)的比例[16].高直鏈、普通和蠟質玉米淀粉的相對結晶度分別為16.1%、26.2%、40.8%(見表1).微波處理后，其RC值持續(xù)降低.這可能是由于微波的熱效應破壞了淀粉的晶體排列，加之水分子的流失使淀粉鏈破壞，分子向無序化轉變，進而導致淀粉顆粒的相對結晶度降低[24].微波處理120 s，與對應原淀粉相比，高直鏈、普通和蠟質玉米淀粉RC值分別降低了32.9%、51.9%和32.1%.普通玉米淀粉的下降幅度最大，這可能是因為普通玉米淀粉本身支鏈淀粉含量較蠟質玉米淀粉少，結構完整性相對較差，經長時間微波輻射，使支鏈更易降解進而產生更多的直鏈淀粉，并有利于淀粉解旋[25].

表1 微波處理前后三種玉米淀粉的相對結晶度(RC)和分子有序度(R(1047/1022))

2.3 淀粉的短程有序結構

如圖3所示，不同鏈支比玉米淀粉微波處理前后的紅外光譜具有相同的特征峰，表明微波不會影響淀粉樣品的官能團.而在指紋區(qū)，常用1 047 cm-1和1 022 cm-1的峰強度比值R(1047/1022)來表示淀粉晶體在短程范圍內的有序度[26].

(a)高直鏈玉米淀粉

(b)普通玉米淀粉

(c)蠟質玉米淀粉圖3 微波處理前后三種玉米淀粉紅外光譜圖

通過對所有樣品短程有序度的測定(表1)發(fā)現，高直鏈玉米原淀粉的R(1047/1022)值最大，為1.50，而普通和蠟質玉米原淀粉的R(1047/1022)分別為1.32和1.22.微波處理20 s 后三種淀粉的R(1047/1022)值與原淀粉相比均無顯著差異，當微波處理時間超過80 s后，R(1047/1022)值顯著降低(p<0.05)，表明長時間微波處理會使淀粉樣品的短程有序性變弱.

2.4 淀粉的糊化特性

微波處理前后淀粉樣品的糊化特性如表2所示.因高直鏈玉米淀粉的起始糊化溫度較高，無法利用快速黏度分析儀(RVA)對其糊化過程進行分析，故表中僅給出普通和蠟質玉米淀粉相關數據.

從表2可以得出，與原淀粉相比，隨著微波時間的延長，普通和蠟質玉米淀粉糊化溫度整體上呈現升高的趨勢，普通玉米淀粉在微波處理40 s時呈現顯著性差異(p<0.05)，而蠟質玉米淀粉在微波處理120 s時，其糊化溫度才顯著升高(p<0.05)，表明短時間微波對普通玉米淀粉影響更大.峰值黏度主要反映淀粉顆粒在破裂前吸水膨脹的最大膨脹能力[25]，與對照組相比，微波處理后普通玉米淀粉的峰值粘度呈現先上升后下降的趨勢，而蠟質玉米淀粉呈現下降趨勢.這可能是因為普通玉米淀粉由于存在直鏈和支鏈淀粉兩種組分，支鏈淀粉結晶完整性具體一定的提升空間，因而，在短時間微波處理過程中，可能導致普通玉米淀粉發(fā)生韌化作用，而長時間微波處理會使其發(fā)生晶體解體作用[27].

回生過程是淀粉分子糊化后其分子鏈重新定向排列，形成晶體結構的過程.普通和蠟質玉米淀粉的回生值整體呈先下降后上升的趨勢.這說明微波短時間處理增加了淀粉糊的流動性，可能是由于微波短時間處理抑制了淀粉回生.這與王雨生等[5]的研究結果相一致.經長時間微波處理使淀粉顆粒結構疏松，分子鏈中糖苷鍵被斷開，形成大量短直鏈淀粉，這些短直鏈淀粉由于分子量較小容易定向排列，形成微晶結構，從而導致了回生值的增加[28].

表2 微波處理前后對普通和蠟質玉米淀粉糊化特性

2.5 淀粉糊的透明度

通常淀粉的透明度取決于淀粉顆粒的大小、直鏈淀粉含量及其與支鏈淀粉的比例等[15].透明度可用透光率反映.由圖4可知，三種原淀粉透光率大小為：蠟質玉米淀粉>普通玉米淀粉>高直鏈玉米淀粉，說明鏈支比會影響淀粉的透光率.微波輻射后三種淀粉糊的透光率均低于原淀粉；隨著微波時間延長，普通和蠟質玉米淀粉糊透光率均呈下降趨勢，而高直鏈玉米淀粉短時間微波處理后其透過率先增大后隨時間延長而減小.

由于微波輻射會使淀粉支鏈發(fā)生降解，從而形成更多的直鏈淀粉，而直鏈淀粉分子量小，易于相互凝聚而使得淀粉發(fā)生回生，造成淀粉顆粒的持水能力下降，從而導致透光率下降.

2.6 淀粉糊的凝沉特性

凝沉是淀粉發(fā)生老化的現象，是直鏈淀粉分子和支鏈淀粉分子通過氫鍵重新相互結合，形成結晶的過程[29].一般用凝沉體積來反映淀粉的凝沉性，凝沉體積越小，表示越易凝沉.從圖5可以看出，三種淀粉凝沉體積大小依次是蠟質玉米淀粉>普通玉米淀粉>高直鏈玉米淀粉，表明高直鏈玉米淀粉抗凝沉性最弱，這主要與直鏈淀粉重結晶有關.微波處理后，淀粉凝沉體積較原淀粉均降低，說明微波處理進一步削弱了淀粉的凝沉性，這與RVA和透明度測定結果一致.三種淀粉中，普通玉米淀粉凝沉性變化幅度最大，這可能是由于其內部支鏈淀粉分子受長時間微波處理出現快速斷裂而引起的，而蠟質玉米淀粉下降幅度較普通玉米淀粉小，這可能是因為其本身含近100% 的支鏈淀粉分子，分子結合力強，空間阻礙大，微波處理不易使其發(fā)生快速降解[30].

HS：高直鏈玉米淀粉；NMS：普通玉米淀粉；WS：蠟質玉米淀粉圖4 微波處理不同鏈支比玉米淀粉的透明度

HS：高直鏈玉米淀粉；NMS：普通玉米淀粉；WS：蠟質玉米淀粉圖5 微波處理不同鏈支比玉米淀粉的凝沉特性

3 結論

天然高直鏈玉米淀粉呈B型結晶，而普通和蠟質玉米淀粉呈A型結晶.微波處理不會改變三種玉米淀粉的晶型，但會破壞淀粉的結晶結構及短程有序結構.與原淀粉相比，微波處理使高直鏈、普通和蠟質玉米淀粉的相對結晶度分別下降了32.9%、51.9%和32.1%.短程有序度R(1047/1022) 也呈現類似的變化趨勢.鏈支比會明顯影響淀粉糊的透明度和抗凝沉性，直鏈淀粉含量越高，透明度越小，越易老化.

微波處理會導致淀粉降解，形成的短鏈分子會加速淀粉老化過程.相比而言，蠟質玉米淀粉的糊化黏度呈下降趨勢，而普通玉米淀粉呈現先上升后下降的趨勢，這種差異可能與兩種淀粉內部結晶完整性有關.同時，普通玉米淀粉受內部直鏈淀粉影響，其內部結晶完整性低于蠟質玉米淀粉，在微波短時間處理時可能存在部分韌化現象.整體上，微波處理對普通玉米淀粉結構及理化性質的影響相對更大.