微波對(duì)玉米淀粉結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響

鄭玉玉，楊 曄,2,3,4,*，尹登科,3，候曉慧，莊緒鎮(zhèn)

（1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，安徽 合肥 230012；2.藥物制劑技術(shù)與應(yīng)用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230012；3.現(xiàn)代藥物制劑安徽省工程技術(shù)中心，安徽 合肥 230012；4.安徽山河藥用輔料股份有限公司，安徽 淮南 232008）

淀粉是天然的高分子聚合物，具有無(wú)毒、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，在食品與醫(yī)藥工業(yè)界具有悠久的使用歷史。但是天然淀粉的易吸濕成塊、流動(dòng)性差和黏合力弱的性質(zhì)限制了其應(yīng)用范圍，科研人員為了改善其性能以擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域而對(duì)其開展了大量的改性研究。目前，改性方法主要包括化學(xué)改性、物理改性及酶改性。其中，物理改性方法不涉及化學(xué)試劑，具有安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。傳統(tǒng)物理改性方法包括濕熱處理、高壓處理和擠壓處理等，但是存在能耗高、工藝復(fù)雜和處理時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。近年來(lái)，一些新型物理場(chǎng)處理方法（超聲波場(chǎng)、微波場(chǎng)和電場(chǎng)）逐漸成為淀粉改性研究的熱點(diǎn)。

在各種物理改性方法中，微波法具有高效、節(jié)能、安全等優(yōu)點(diǎn)，其能量對(duì)氫鍵、范德華力、疏水鍵、鹽鍵等具有較強(qiáng)的破壞作用。微波處理會(huì)對(duì)淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)造成一定程度的改變，其理化性質(zhì)也會(huì)發(fā)生不同程度的改變。影響淀粉對(duì)微波的吸收主要因素是微波的功率、微波時(shí)間以及淀粉的含水量，其中水分對(duì)其影響最為顯著。因此，本實(shí)驗(yàn)以相同功率的微波對(duì)不同水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的淀粉乳進(jìn)行處理，并考察該處理對(duì)淀粉顆粒結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響。研究結(jié)果對(duì)了解微波改性玉米淀粉的性能及指導(dǎo)淀粉的進(jìn)一步應(yīng)用有一定的理論參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉 山東六佳藥用輔料股份有限公司；超純水為實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 儀器與設(shè)備

FA1604型電子分析天平 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；HHS-6S型電子恒溫不銹鋼水浴鍋 上海虞龍儀器設(shè)備有限公司；D2F-6050型真空冷凍干燥箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；XP-330C偏光顯微鏡 上海蔡康光學(xué)儀器有限公司；微波爐 廣東美的廚房電器制造有限公司；FiveEasy pH計(jì) 梅特勒-托利多（上海）國(guó)際貿(mào)易有限公司；DHR流變儀 上海銳翱貿(mào)易有限公司；SPECORD600紫外-可見分光光度計(jì) 德國(guó)耶拿分析儀器股份公司；DM2000型熒光顯微鏡 德國(guó)Leica公司；G500肖特基場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 德國(guó)ZEISS公司；Millipore Advantage A10 elementQ-POD超純水制備系統(tǒng)美國(guó)密理博公司。

1.3 方法

1.3.1 微波處理

稱取適量玉米淀粉過(guò)100 目篩，分別以料液比7∶3、1∶1和1∶4加入超純水，平衡水分10 min，攪拌均勻后用保鮮膜封口避免水分損失，然后置于微波爐中進(jìn)行微波輻照，以1.4 W/g玉米淀粉處理20 min，即累積能量值為1 680 J/g。為避免玉米淀粉顆粒沉降及微波加熱不均勻，采用間歇加熱方式（先加熱30 s，停止加熱，取出并攪拌5 s，然后于微波爐中再加熱10 s，反復(fù)操作，直至加熱結(jié)束）。所得樣品經(jīng)過(guò)真空冷凍干燥后，碾磨、過(guò)100 目篩，獲得成品后備用，分別記為MT、MT和MT。以未經(jīng)處理的玉米淀粉為對(duì)照（記為MS）。

1.3.2 pH值和水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

取1.3.1節(jié)制得的樣品分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉乳，用pH計(jì)測(cè)定pH值。

取潔凈的稱量瓶置于130 ℃烘箱中烘至恒質(zhì)量，即前后兩次質(zhì)量差不超過(guò)0.005 0 g，記錄稱量瓶空瓶質(zhì)量/g。將1 g 1.3.1節(jié)制得的淀粉樣品平鋪于稱量瓶中，測(cè)定總質(zhì)量為/g。將裝有淀粉樣品的稱量瓶放入130 ℃烘箱中，烘干后（約2.5 h），取出稱量瓶放入已烘干的干燥器中冷卻至室溫，測(cè)定總質(zhì)量為/g，按式（1）計(jì)算水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。每組樣品設(shè)置3個(gè)平行。

1.3.3 形態(tài)觀察

將1.3.1節(jié)制得的樣品制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的淀粉乳，平衡10 min后滴加于載玻片上，然后蓋上蓋玻片，分別置于普通光學(xué)顯微鏡下觀察，同時(shí)觀察凍干后MT淀粉樣品的顯微形態(tài)。將1.3.1節(jié)制得的樣品制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的淀粉乳，立即滴加于載玻片上，分別置于偏光顯微鏡下觀察。取適量1.3.1節(jié)凍干后的MS、MT、MT和MT樣品分別黏著于樣品臺(tái)上，置于離子濺射儀上鍍一層導(dǎo)電金膜后，采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，加速電壓5 kV。

1.3.4 凝沉特性測(cè)定

分別稱取1.00 g 1.3.1節(jié)制得的樣品配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉乳，30 ℃下靜置20 min，移入50 mL具塞量筒中，搖勻后靜置，記錄沉降物的體積/mL，并用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定靜置后上清液在620 nm波長(zhǎng)處的透光率/%，以表征淀粉的透明度。

1.3.5 持水性測(cè)定

稱取1 g 1.3.1節(jié)制得的樣品，加入15 mL蒸餾水中。將上述懸浮液攪拌1 h，然后在4 000 r/min下離心20 min。傾出上清物，記錄濕淀粉的質(zhì)量/g，初始淀粉樣品的質(zhì)量為/g。按式（2）計(jì)算持水性。

1.3.6 吸水率測(cè)定

稱取0.5 g 1.3.1節(jié)制得的樣品置于燒杯中，加入10 mL超純水，初始淀粉樣品質(zhì)量為/g，渦旋10 min后，4 000 r/min離心20 min，棄去上清液，所得濕淀粉質(zhì)量記為/g。按式（3）計(jì)算吸水率。

1.3.7 X射線衍射分析

1.3.1 節(jié)制得淀粉樣品的X射線衍射分析采用連續(xù)掃描法，掃描范圍2為3°～40°，掃描速率為1.2（°）/min，步長(zhǎng)為0.02°，管壓、管流分別為40 kV和200 mA。

1.3.8 流變學(xué)特性分析

靜態(tài)流變學(xué)的測(cè)定：采用平板系統(tǒng)測(cè)試，探頭直徑40 mm，間距1 mm。分別稱取1.3.1節(jié)制得的樣品配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、6%、8%、10%的淀粉乳，充分渦旋混勻后放在平板模具上，并在樣品空隙處涂抹硅油用以防止測(cè)定過(guò)程中水分蒸發(fā)?？疾齑郎y(cè)樣品在25 ℃恒溫下，表觀黏度和剪切應(yīng)力隨著剪切速率（0.01～500 s）的變化。

動(dòng)態(tài)流變學(xué)的測(cè)定：將溫度恒定在25 ℃條件下，在應(yīng)變1%下進(jìn)行0.1～100 rad/s的角頻率掃描并記錄得到彈性模量（’）和黏性模量（”）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行。結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan多重比較檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析，＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同淀粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其淀粉乳的pH值

由表1可知，不同淀粉乳的pH值范圍為5.97～6.51，不同淀粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.90%～6.75%，微波處理后樣品的pH值和水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于MS。

表1 MS和MT的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其淀粉乳的pH值Table 1 Moisture content of MS and MS treated with microwave (MT)and pH value of starch emulsion

2.2 微波處理對(duì)玉米淀粉顆粒形態(tài)的影響

MS和MT淀粉的形態(tài)見圖1所示，MS顆粒呈現(xiàn)大小不一的多面體狀。與MS相比，平衡水分后樣品淀粉顆粒形態(tài)未發(fā)生明顯改變，但是發(fā)生了不同程度的吸水膨脹（圖1A）。MT淀粉的形貌圖顯示，經(jīng)過(guò)微波處理樣品顆粒膨脹更加明顯，淀粉顆粒間發(fā)生團(tuán)聚，最終發(fā)生破裂顆粒形態(tài)消失（圖1B）。造成此現(xiàn)象的原因可能是微波處理使水分子振動(dòng)發(fā)熱并汽化使淀粉顆粒劇烈膨脹，同時(shí)高溫使淀粉發(fā)生糊化，冷卻過(guò)程中多個(gè)淀粉顆粒或破碎物發(fā)生融合。偏光性觀察結(jié)果顯示，MS顆粒偏光十字清晰，隨著體系中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，MT淀粉樣品的偏光十字逐漸減弱，但仍舊有偏光性存在（圖1C），說(shuō)明微波處理時(shí)淀粉分子鏈發(fā)生遷移和重組，淀粉的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌發(fā)現(xiàn)，MT淀粉樣品的顆粒形態(tài)發(fā)生明顯變化，各MT淀粉顆粒均顯示明顯的膨脹變形，中/高水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MT淀粉樣品（MT和MT）發(fā)生顆粒的破裂、崩解，以及由于冷卻回生出現(xiàn)的重結(jié)晶層紋（圖1D）。

圖1 MS和MT淀粉的形態(tài)圖Fig.1 Morphology of MS and MT starch

2.3 微波處理對(duì)玉米淀粉凝沉特性的影響

淀粉凝沉特性通過(guò)淀粉乳上清液透光率以及沉降物體積體現(xiàn)。由圖2A可知，初始時(shí)MS樣品淀粉乳上清液透光率明顯低于各MT樣品淀粉乳上清液；所有實(shí)驗(yàn)組淀粉乳上清透光率均隨時(shí)間的延長(zhǎng)有不同程度增加，但MS淀粉乳和MT淀粉乳上清液透光率增加速率更快。淀粉乳上清液透光率受淀粉分子結(jié)構(gòu)影響。微波處理淀粉-水體系時(shí)，高頻振動(dòng)產(chǎn)生的熱量使一方面使顆粒膨脹形成多孔結(jié)構(gòu)；另一方面使淀粉分子鏈內(nèi)與鏈間氫鍵斷裂，形成更多的自由直鏈片斷。微波處理結(jié)束后的冷凍干燥過(guò)程中，MT淀粉顆粒的疏松多孔結(jié)構(gòu)既有利于自由直鏈片斷的移動(dòng)發(fā)生重結(jié)晶，又有利于其暴露氫鍵與水分子締合，兩者共同決定了相應(yīng)的淀粉乳上清透光率。

各淀粉樣品乳液中沉降物體積隨時(shí)間的變化曲線如圖2B所示，MS淀粉乳沉降物體積較穩(wěn)定，MT淀粉乳的沉降物體積明顯高于MS。這是由于MS淀粉顆粒比較致密，吸水率最小，膨脹的體積最小。MT淀粉在微波處理時(shí)破壞了淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)，一方面MT淀粉表面出現(xiàn)的孔洞結(jié)構(gòu)和爆裂孔會(huì)增加吸水能力；另一方面暴露的更多羥基增加了與水分子間的締合能力，使顆粒的膨脹更加明顯。淀粉乳的透明度、沉降物體積影響其作為增稠劑、填充劑和穩(wěn)定劑在食品領(lǐng)域的應(yīng)用。MT淀粉乳透明度的增加直接影響飲料、果凍、粉絲、水晶皮、醬料等對(duì)透明度要求較高的一類食品的品質(zhì)。MT淀粉乳的沉降物體積增加，可以明顯改善其作為增稠劑、穩(wěn)定劑的性能，例如改善凝固性飲料和果醬的穩(wěn)定性和質(zhì)構(gòu)特性，長(zhǎng)時(shí)間存放不分層，使其口感細(xì)膩。

圖2 淀粉乳透明度和沉降物體積變化曲線Fig.2 Variations over time in transparency and sediment volume of starch emulsion

2.4 微波處理對(duì)玉米淀粉持水性和吸水率的影響

由表2可知，MT淀粉的持水性和吸水率顯著高于MS（＜0.05），且隨微波處理前體系中水分含量的升高而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。這主要是因?yàn)槲⒉ㄌ幚頃r(shí)，體系中水分子劇烈振動(dòng)，破壞了淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)，暴露了更多的羥基，易于與水分子締合，使淀粉的吸水率和持水性明顯升高 。同時(shí)，微波處理淀粉顆粒在水熱作用下發(fā)生劇烈膨脹，并且表面出現(xiàn)了孔洞結(jié)構(gòu)和爆裂孔，膨脹和孔洞的增加使得淀粉顆粒的吸水能力與持水性更強(qiáng)。MT淀粉良好的吸水率和持水性，不僅使其在食品加工過(guò)程中易于成型也可能使其在胃腸道內(nèi)更易吸水變軟，并促進(jìn)腸道的蠕動(dòng)，有助于消化吸收。但是，當(dāng)其作為食品填充劑時(shí)，速凍食品容易發(fā)生凍裂，降低速凍食品的質(zhì)量，面包類食品具有較高的持水性和吸水率會(huì)使內(nèi)部組織變軟，支撐力下降，出現(xiàn)塌架、收縮等其他品質(zhì)問(wèn)題，并對(duì)食品的穩(wěn)定性、長(zhǎng)期儲(chǔ)存和運(yùn)輸會(huì)造成負(fù)面影響。

表2 MS和MT淀粉的持水性和吸水率Table 2 Water-holding capacity and water absorption capacity of MS and MT starch

2.5 微波處理對(duì)玉米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響

從圖3可以看出，MS在衍射峰15°、17°、18°和23°處有尖峰，是典型的A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，且在20°處出現(xiàn)較明顯的衍射峰, 是直鏈淀粉和脂質(zhì)形成的單螺旋峰。與MS相比，MT淀粉衍射圖在15°、17°、18°、23°處仍然有不同強(qiáng)度的衍射峰，說(shuō)明微波處理沒有改變淀粉的晶型。從圖3中還可以看出，微波處理沒有改變玉米淀粉的晶型，但會(huì)降低其相對(duì)結(jié)晶度。經(jīng)計(jì)算,MS、MT、MT、MT的相對(duì)結(jié)晶度分別為35.3%、19.82%、15.07%和13.04%。MT淀粉相對(duì)結(jié)晶度的降低表明微波處理破壞了玉米淀粉的有序結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使分子鏈趨于無(wú)序化。

圖3 MS和MT淀粉的X射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of MS and MT starch

2.6 微波處理對(duì)玉米淀粉流變性的影響

圖4是MS和MT淀粉的靜態(tài)流變曲線，發(fā)現(xiàn)MS和MT淀粉乳的表觀黏度隨剪切速率的增大而減小，最終趨于平緩，表明體系為假塑性流體，說(shuō)明微波處理沒有改變淀粉乳流體類型。淀粉乳剪切稀化實(shí)質(zhì)是相互纏繞的淀粉分子鏈段在剪切力的作用下重新取向、排列，使淀粉乳更易流動(dòng)，導(dǎo)致表觀黏度下降。在剪切速率范圍100～500 s，相同剪切速率時(shí)MS和MT淀粉乳的表觀黏度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。這是由于隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，淀粉分子鏈之間發(fā)生更多的重疊與交叉，通過(guò)氫鍵形成纏結(jié)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，對(duì)水的滲透和淀粉乳的流動(dòng)性的抑制作用更強(qiáng)。MS和MT淀粉乳的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的變化不成線性關(guān)系，也說(shuō)明該淀粉乳為非牛頓流體。在剪切速率范圍100～500 s，在相同剪切速率時(shí)MS和MT淀粉乳的剪切應(yīng)力隨著濃度的增大而增大。這是由于在外部剪切力的作用下，隨著體系濃度的提高微波處理的淀粉分子間作用力增強(qiáng)，相互纏繞成緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分子的流動(dòng)性降低。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MS、MT淀粉乳的靜態(tài)流變曲線圖Fig.4 Static rheological curves for different concentrations of MS and MT starch emulsion

圖5是MS和MT淀粉的動(dòng)態(tài)流變曲線，主要體現(xiàn)是物質(zhì)在變化的角頻率條件下黏彈性的變化。MS和MT淀粉乳的彈性模量和黏性模量均隨著角頻率的增加而增加，在相同的角頻率下彈性模量均大于黏性模量。這說(shuō)明MS和MT淀粉乳具有彈性和黏性性質(zhì)，并以彈性性質(zhì)為主。與MS相比，MT淀粉體系的黏彈性均增加，說(shuō)明微波處理的淀粉具有應(yīng)用于粉絲、肉糜、香腸類產(chǎn)品的潛力。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MS、MT淀粉乳的動(dòng)態(tài)流變曲線Fig.5 Dynamic rheological curves for different concentrations of MS and MT starch emulsion

食品流變學(xué)以流體力學(xué)和黏彈性理論為基礎(chǔ)研究食品在外力作用下的流動(dòng)性能和凝膠特性，并探究這兩者間的關(guān)系，從而分析微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能間的相關(guān)性。食品的流變特性影響其品質(zhì)，而淀粉的分子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了流變性能。通過(guò)流變性的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與MS相比，MT淀粉體系的表觀黏度、黏彈性均增加，說(shuō)明微波處理增強(qiáng)了淀粉分子鏈之間的相互作用。這將為微波處理淀粉應(yīng)用于粉絲、肉糜、香腸類等對(duì)黏彈性有一定要求的食品提供參考和依據(jù)。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微波處理對(duì)玉米淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)有顯著影響。微波處理后玉米淀粉顆粒表面出現(xiàn)裂紋、發(fā)生團(tuán)聚以及顆粒結(jié)構(gòu)的消失。隨著體系中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，微波處理后的淀粉顆粒破壞程度增加，淀粉分子與水分子的相互作用增強(qiáng)，體現(xiàn)為吸水率和持水性增加。這些性質(zhì)直接或間接影響到淀粉類產(chǎn)品的感官特性、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和加工特性，對(duì)于微波處理淀粉在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其對(duì)老人和嬰幼兒食品領(lǐng)域開發(fā)有重要意義。微波處理后的玉米淀粉的晶型結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變但是相對(duì)結(jié)晶度下降，淀粉顆粒偏光十字逐漸減少甚至消失，表明微波處理破壞了玉米淀粉的結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)。而流變性的研究發(fā)現(xiàn)微波處理后玉米淀粉的表觀黏度、彈性得到改善，這對(duì)于冷加工食品的研究開發(fā)具有重要意義。