高壓均質(zhì)處理對豌豆淀粉流變特性及多尺度結(jié)構(gòu)的影響

胡 榮，汪 楠，張甫生,2,*，鄭 炯,2,*

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.川渝共建特色食品重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715）

豌豆作為世界第二大食用豆類，也是我國重要的食用豆類作物之一[1]，富含淀粉、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，其中淀粉作為其主要成分，約占45%～55%。相較于谷物淀粉與薯類淀粉，豌豆淀粉（pea starch，PS）提取簡便易得，價(jià)格低廉，且直鏈淀粉含量較高[2]，具有熱黏度高、凝膠強(qiáng)度高、凝沉性、成膜性好等優(yōu)良特性，目前在食品工業(yè)中主要應(yīng)用于生產(chǎn)加工粉絲、粉皮、制備淀粉基薄膜[3]。但天然PS易老化回生、凝膠熱穩(wěn)定性差、抗剪切性能差等特點(diǎn)限制了其應(yīng)用范圍。流變特性作為淀粉凝膠重要的理化特性之一，與淀粉加工性能及淀粉基食品品質(zhì)密切相關(guān)。因此，研究PS的流變特性對于PS的品質(zhì)調(diào)控及開發(fā)利用具有重要意義。

淀粉流變特性的研究是基于淀粉糊化和凝膠形成兩個(gè)過程，糊化伴隨著淀粉顆粒吸水膨脹、水分子大量進(jìn)入使分子間氫鍵斷裂及內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)崩解、直鏈淀粉大量溶出的過程；凝膠形成則與直鏈淀粉凝膠化、支鏈淀粉重結(jié)晶有關(guān)[4]。淀粉的流變特性會(huì)受到多個(gè)因素的影響，如淀粉的種類[5]、結(jié)構(gòu)[6]、加工技術(shù)[7]等。高壓均質(zhì)（high-pressure homogenization，HPH）處理通過在均質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)形成壓力差，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，對淀粉產(chǎn)生剪切、撞擊、高頻振蕩、渦旋和氣穴等作用，引發(fā)淀粉顆粒粒徑減小，支鏈淀粉結(jié)構(gòu)破壞，短程有序分子結(jié)構(gòu)減少等一系列結(jié)構(gòu)改變，從而影響其流變特性[8]。雖然目前有一些利用HPH調(diào)控玉米淀粉（A型結(jié)晶）、馬鈴薯淀粉（B型結(jié)晶）等[9]理化性質(zhì)方面的研究，但關(guān)于HPH處理對PS（C型結(jié)晶）理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)影響的研究較少，且HPH加工過程中其多尺度結(jié)構(gòu)的變化與淀粉凝膠流變特性之間的影響機(jī)制尚不清楚。因此，本實(shí)驗(yàn)以PS為研究對象，探究HPH對PS流變特性的影響，并對其顆粒形貌、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、短程有序結(jié)構(gòu)等多尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，探討HPH作用、淀粉多尺度結(jié)構(gòu)、流變特性之間的相互影響機(jī)制，以期為HPH在淀粉性能改善及品質(zhì)調(diào)控中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

食品級(jí)PS（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.0%、直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)33.8%、支鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)45.3%） 上海楓未實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2104型高精數(shù)顯電子天平 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；Scientz-207A型高壓均質(zhì)機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司；RVA-TecMaster快速黏度分析儀 瑞典波通儀器有限公司；DHR-1流變儀美國TA公司；Phenom Pro10102掃描電子顯微鏡荷蘭Phenom World公司；Mastersizer 3000激光粒度分析儀英國馬爾文儀器有限公司；7000X射線衍射分析儀日本島津公司；Spectrum100傅里葉變換紅外光譜儀美國PerkinElmer公司；MSL-300核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）波譜儀 德國Bruker公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

取200 g PS（干基），配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的淀粉乳，攪拌均勻，利用高壓均質(zhì)機(jī)分別經(jīng)20、40、60、80、100 MPa壓力處理3 次，每次30 min，真空冷凍干燥48 h，裝袋密封備用。以未作處理的原淀粉作為對照組（CK）。

1.3.2 靜態(tài)流變特性測定

準(zhǔn)確稱取3 g樣品，放入快速黏度分析儀專用鋁盒中，加水?dāng)嚢杈鶆?。然后將鋁盒放入快速黏度測定儀中，采用儀器標(biāo)準(zhǔn)1程序進(jìn)行糊化。取糊化后的樣品立刻轉(zhuǎn)移至流變儀測定平臺(tái)上測定，選擇直徑為40 mm的平板，設(shè)置平板間隙為1 000 μm，上樣平衡時(shí)間為30 s，測試溫度為50 ℃。

黏度測定：以5 s-1為梯度，記錄剪切速率由0.1 s-1增加至300 s-1過程中樣品黏度的變化。

觸變性測定：采用兩步程序測試樣品的觸變性，測試程序：以5 s-1為梯度，剪切速率從0.1 s-1增加至300 s-1，再以相同梯度下降至0.1 s-1。記錄樣品黏度隨剪切速率的變化，分析不同樣品的觸變性，積分計(jì)算滯后環(huán)的面積。

流變模型擬合分析：依據(jù)剪切應(yīng)力（δ）與剪切速率（γ）的關(guān)系，按照式（1）運(yùn)用冪定律（Power-Law模型）對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

式中：δ為剪切應(yīng)力/Pa；K為稠度系數(shù)/（Pa·sn）；γ為剪切速率/s-1；n為流體指數(shù)。

剪切結(jié)構(gòu)恢復(fù)力測定：采用三步程序測試樣品的恢復(fù)力：低速剪切：1 s-1、120 s；高速剪切：300 s-1、60 s；低速剪切1 s-1、180 s。剪切結(jié)構(gòu)恢復(fù)力為第3階段前30 s表觀黏度平均值相對于第1階段表觀黏度平均值的比例。

1.3.3 動(dòng)態(tài)黏彈性測定

將1.3.2節(jié)經(jīng)快速黏度測定儀糊化后的樣品立刻轉(zhuǎn)移至流變儀測定平臺(tái)上測定，選擇直徑為40 mm的平板，設(shè)置平板間隙為1 000 μm，上樣平衡時(shí)間為30 s，測試溫度為50 ℃。

溫度掃描：在樣品的線性黏彈區(qū)內(nèi)，以5 ℃/min的速率升溫，測定樣品在50～95 ℃儲(chǔ)能模量G＇、損耗模量G″的變化。

頻率掃描：測定溫度50 ℃，測定G＇、G″及損耗角正切值（tanδ＝G″/G＇）在0.1～20 Hz的變化。

1.3.4 淀粉顆粒微觀形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡對待測樣品進(jìn)行顆粒形貌觀察。測試前，將待測粉末樣品置于40 ℃烘箱內(nèi)干燥12 h，取適量樣品分散于貼有導(dǎo)電雙面膠的載物臺(tái)上，利用真空離子濺射儀噴金，加速電壓20.0 kV，放大倍數(shù)3 000 倍。

1.3.5 淀粉顆粒粒徑分布

取HPH處理前后的PS配制質(zhì)量濃度0.01 g/100 mL溶液，采用激光粒度分析儀在25 ℃下測定樣品的粒徑分布及體積平均粒徑。分散劑和樣品的折射率分別為1.33和1.53，遮光參數(shù)為1%～2%。

1.3.6 X射線衍射分析

采用X射線衍射分析儀對樣品晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，特征射線Cu靶-石墨單色器，管壓40 kV，電流30 mA，測量角度范圍2θ＝4°～40°，發(fā)射及防反射狹縫1°，接收狹縫為0.3 mm，掃描速率為2（°）/min，步寬0.02°。采用Jade 6.5軟件處理衍射圖譜，分別按照式（2）～（4）計(jì)算微晶區(qū)、亞微晶區(qū)、非結(jié)晶區(qū)比例[10]。

式中：IC1為微晶區(qū)面積；IC2為亞晶區(qū)面積；Iα為非晶區(qū)面積。

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜分析

稱?。?.00±0.05）mg樣品與預(yù)先研磨過的KBr粉末混合至總質(zhì)量為（300.0±0.1）mg，以空氣為背景進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜分析，掃描64 次，分辨率為4 cm-1。使用Omnic軟件分析作圖，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉去卷積處理。

1.3.8 核磁共振氫譜分析

根據(jù)Wang Nan等[11]的方法，利用1H NMR譜圖分析淀粉樣品的糖苷鍵比。將80 mg樣品溶解在1 mL二甲基亞砜中。在25 ℃測定樣品1H NMR譜。α-1,4和α-1,6糖苷鍵所對應(yīng)化學(xué)位移分別在δ5.11、4.90處。采用軟件MestReNova 14軟件處理圖譜，按照式（5）計(jì)算分支度。

式中：Iα-1,4和Iα-1,6分別是α-1,4和α-1,6糖苷鍵的1H NMR峰面積積分。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)均重復(fù)測定3 次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。使用Origin 2019軟件作圖，通過SPSS 25.0軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，利用鄧肯多重比較進(jìn)行顯著性分析，P＜0.05表示有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 HPH對PS靜態(tài)流變特性的影響

2.1.1 表觀黏度

HPH處理前后PS黏度與剪切速率關(guān)系如圖1所示，HPH處理前后PS黏度均隨著剪切速率的增加而減小，表現(xiàn)出剪切稀化現(xiàn)象，是淀粉凝膠的典型特征。隨著剪切速率的增加，黏度急劇下降，這是由于剪切作用力使纏繞分子鏈伸展或使顆粒沿流動(dòng)方向呈直線排列，層間剪切應(yīng)力減小，導(dǎo)致黏度降低。當(dāng)剪切速率增大到一定值時(shí)，淀粉分子重新定向至剪切方向，其黏度逐漸趨于恒定[12]。不同均質(zhì)壓力處理后PS的黏度均大于原淀粉，表明HPH處理可以使PS更黏稠，抗剪切變稀能力增強(qiáng)。當(dāng)處理壓力小于40 MPa時(shí)，PS黏度隨均質(zhì)壓力的增加而增加，而當(dāng)處理壓力大于40 MPa時(shí)，PS黏度隨均質(zhì)壓力的增加而減小，這可能是由于當(dāng)均質(zhì)壓力較小時(shí)，HPH過程中剪切、空化、碰撞作用使淀粉顆粒動(dòng)能增加，分子鏈的擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)加劇，促進(jìn)分子鏈之間的纏結(jié)作用，導(dǎo)致淀粉黏度增加[13]；當(dāng)均質(zhì)壓力進(jìn)一步增大，較高均質(zhì)壓力使淀粉分子鏈斷裂，直鏈淀粉溶出增加，結(jié)構(gòu)變得疏松，導(dǎo)致其流動(dòng)黏性阻力降低[14]。

圖1 HPH處理后PS黏度隨剪切速率的變化Fig.1 Changes in viscosity of HPH treated PS with shear rate

2.1.2 觸變性

HPH處理前后PS剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線如圖2所示，剪切應(yīng)力均隨剪切速率的增加而大幅提高，這是由于剪切初期淀粉分子纏繞作用較強(qiáng)，淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抗剪切性好，而后隨著剪切速率的增加，淀粉凝膠結(jié)構(gòu)破壞程度增大，越來越多的淀粉分子從開始的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為定向流動(dòng)，曲線則趨于平緩[15]。經(jīng)過不同均質(zhì)壓力處理后，剪切應(yīng)力的增加幅度呈先上升后下降的趨勢。同時(shí)發(fā)現(xiàn)所有樣品剪切應(yīng)力的上行曲線和下行曲線均不能完全重合，形成滯后環(huán)，說明其均具有觸變性。如表1所示，所有樣品中原淀粉滯后環(huán)面積最小，表明HPH處理使其觸變性增強(qiáng)。滯后環(huán)面積隨著均質(zhì)壓力的升高呈先增加后減小的趨勢，40 MPa處理后滯后環(huán)面積最大，為16 844.08 Pa/s，隨后滯后環(huán)面積逐漸減小。研究報(bào)道淀粉觸變性與直鏈淀粉含量和支鏈淀粉鏈長分布有關(guān)，一定的均質(zhì)壓力可促進(jìn)直鏈淀粉、支鏈淀粉自身及相互之間的纏繞作用，淀粉分子鏈取向重排，導(dǎo)致觸變性增大[16]。當(dāng)均質(zhì)壓力超過40 MPa時(shí)，強(qiáng)剪切力作用使直鏈淀粉含量增加，淀粉凝膠結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度減弱；支鏈淀粉分子斷裂，短鏈比例增加，體系抗觸變性增強(qiáng)[17]。

圖2 HPH處理后PS剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化Fig.2 Changes in shear stress of HPH treated PS with shear rate

表1 HPH處理后PS流變曲線滯后環(huán)的面積Table 1 Hysteresis loop areas of rheological curves of HPH treated PS

2.1.3 流變模型擬合

采用Power law模型對HPH處理前后PS的流變曲線進(jìn)行擬合，由表2可知，決定系數(shù)R2均介于0.975～0.997，表明該模型能較好地?cái)M合所有樣品的流變曲線。所有樣品的n值在0.432～0.555，且上行線K值均大于下行線，表明其均屬于假塑性流體，與圖1結(jié)果一致。與原PS相比，HPH處理后PS的K值增大，n值減小，說明其黏度、假塑性增強(qiáng)。K值隨著均質(zhì)壓力的增大均表現(xiàn)為先增大后減小，n值則反之，40 MPa處理時(shí)PS的K值為57.467 Pa·sn，n值為0.448；當(dāng)壓力達(dá)到100 MPa時(shí)，黏度與假塑性明顯低于40 MPa處理組。這一結(jié)果表明均質(zhì)壓力較大會(huì)使淀粉顆粒發(fā)生崩解，纏繞的淀粉分子鏈伸展，導(dǎo)致其黏度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)[18]。而陳璐璐[19]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉經(jīng)HPH處理后，K值減小，n值則增大，其黏度降低。

表2 HPH處理后PS流變曲線的擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of rheological curves of HPH treated PS

2.1.4 剪切結(jié)構(gòu)恢復(fù)力

HPH處理前后PS在剪切過程中黏度隨時(shí)間的變化如圖3所示。由圖3A可知，在相同的剪切速率條件下，原PS及HPH處理后的PS在第3階段的黏度均明顯低于其在第1階段的黏度，表明經(jīng)過低速-高速-低速的剪切過程，剪切力作用破壞了PS的凝膠結(jié)構(gòu)，難以完全恢復(fù)到剪切前的狀態(tài)。一般用第3階段前的表觀黏度與第1階段表觀黏度的比值來表示剪切結(jié)構(gòu)恢復(fù)力，圖3B為計(jì)算得到原淀粉以及經(jīng)過不同均質(zhì)壓力處理后PS的剪切結(jié)構(gòu)恢復(fù)力。40 MPa HPH處理后，原淀粉剪切結(jié)構(gòu)恢復(fù)力從73.57%下降至51.76%，隨著均質(zhì)壓力的增加剪切結(jié)構(gòu)恢復(fù)力呈先降低后增加的趨勢。這可能是由于0～40 MPa HPH處理破壞分子間氫鍵等弱力相互作用，體系結(jié)構(gòu)破壞，經(jīng)過剪切過程后難以恢復(fù)至原有凝膠結(jié)構(gòu)，體系剪切結(jié)構(gòu)恢復(fù)力隨之減小[20]。而40～100 MPa的HPH處理促進(jìn)了直鏈淀粉溶出，有利于淀粉分子鏈重排形成更穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)，剪切結(jié)構(gòu)恢復(fù)力增強(qiáng)。

圖3 HPH處理后PS在剪切過程中黏度隨時(shí)間的變化Fig.3 Changes in viscosity of HPH treated PS with shear time

2.2 HPH處理對PS動(dòng)態(tài)黏彈特性的影響

2.2.1 頻率掃描

在一定頻率條件下將恒定的力作用于淀粉糊，其在不同溫度下的動(dòng)態(tài)黏彈性可用G＇、G″、損耗角正切tanδ進(jìn)行描述。由圖4A、B可知，HPH處理前后PS凝膠G＇、G″隨著頻率的增大而增加，所有樣品G＇顯著大于G″，表明淀粉凝膠彈性特征高于黏性特征，體系表現(xiàn)出類似于固體的特征。PS體系的G＇、G″表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律：相較于原PS，經(jīng)過HPH處理后，G＇、G″均增加，說明HPH處理可以增強(qiáng)PS凝膠的彈性和黏性。0～40 MPa處理后，兩者隨著均質(zhì)壓力的升高而增加；而后兩者隨著均質(zhì)壓力的升高而減小。淀粉凝膠是由膨脹顆粒及顆粒碎片嵌入淀粉分子三維網(wǎng)絡(luò)中形成的，均質(zhì)壓力較低時(shí)有利于糊化后膨脹顆粒與直鏈淀粉之間的相互作用或交聯(lián)，G＇、G″增加。大于40 MPa的均質(zhì)壓力阻礙了淀粉分子鏈的排列和凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，淀粉凝膠黏彈性降低[21]。有研究采用HPH處理板栗淀粉，其G＇、G″則均降低，凝膠抗崩解能力下降[22]。

由圖4C可知，所有樣品在0.1～20 Hz的頻率范圍內(nèi)的tanδ均小于1，表明其具有弱凝膠結(jié)構(gòu)且主要以彈性性質(zhì)為主；tanδ表現(xiàn)出與G＇、G″相反的變化趨勢，所有樣品中原PS的tanδ最大，表明HPH處理對PS體系的彈性影響高于對黏性的影響，使其更趨向于固體。綜上，HPH處理增強(qiáng)了凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了其在機(jī)械加工中的穩(wěn)定性，且其凝膠強(qiáng)度可通過均質(zhì)壓力來調(diào)控，且HPH對不同來源淀粉凝膠的黏彈性影響不同。

圖4 HPH處理后PS儲(chǔ)能模量（A）、損耗模量（B）、損耗角正切（C）隨頻率的變化Fig.4 Changes in G＇ (A), G″ (B) and tan δ (C) of HPH treated PS with frequency

2.2.2 溫度掃描

G＇越大，淀粉凝膠的抗崩解能力和凝膠硬度越強(qiáng)；G″越大，凝膠體系黏彈性越好。由圖5可知，HPH處理后PS的G＇、G″均高于原PS，這與頻率掃描結(jié)果一致。在溫度接近PS糊化溫度前，G＇迅速增加，在70 ℃左右達(dá)到最大值。這可能是因?yàn)樵谏郎爻跗冢矸垲w粒開始吸水膨脹，并與溶解的直鏈淀粉相互作用，形成特殊的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[23]，G＇升高。當(dāng)溫度超過70 ℃后，淀粉顆粒在升溫過程中不斷膨脹破裂，凝膠體系開始坍塌，G＇降低。G″則在升溫過程中表現(xiàn)為先減小后增大，在75 ℃左右達(dá)到最小值。兩者曲線均在70～75 ℃的溫度段內(nèi)出現(xiàn)拐點(diǎn)，推測該P(yáng)S的糊化溫度應(yīng)在此區(qū)間內(nèi)。在同一溫度條件下，G＇、G″均隨著均質(zhì)壓力的增大呈先增加后減小的變化規(guī)律，均質(zhì)壓力超過40 MPa后，PS的G＇、G″減小，可能是部分長直鏈淀粉和支鏈淀粉分子斷裂，顆粒內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致淀粉顆粒的抗崩解性、凝膠硬度和黏度降低，G＇、G″逐漸降低。不同于其他樣品，40 MPa處理后G＇在65 ℃達(dá)到峰值，推測其糊化溫度降低。Chen Lulu等[24]在甘薯淀粉動(dòng)態(tài)流變曲線中發(fā)現(xiàn)同樣變化規(guī)律，80 MPa處理后其G＇、G″在85 ℃達(dá)到峰值。

圖5 HPH處理后PS儲(chǔ)能模量（A）、損耗模量（B）隨溫度的變化Fig.5 Changes in G＇ (A) and G″ (B) of HPH treated PS with temperature

2.3 HPH處理對PS微觀結(jié)構(gòu)及粒徑分布的影響

HPH處理前后PS的微觀結(jié)構(gòu)及粒徑分布如圖6所示。由圖6A可知，原PS顆粒呈橢圓形、腎形或較小球形顆粒，表面光滑，在一些顆粒表面可以看到一些較淺的溝槽，其體積平均粒徑為33.3 μm。由圖6B～D可知，與原淀粉顆粒相比，20、40 MPa處理后PS顆粒表面出現(xiàn)輕微裂縫、凹陷，60 MPa處理組的部分PS顆粒出現(xiàn)破裂；粒徑分布圖顯示PS顆粒粒徑分布較窄且集中，絕大部分粒徑位于50 μm范圍內(nèi)。當(dāng)均質(zhì)壓力超過80 MPa后（圖6E、F），淀粉顆粒出現(xiàn)破裂瓦解，表面粗糙，凹陷成坑洞，100 MPa時(shí)部分顆粒完全破裂，顆粒碎片部分發(fā)生聚集和黏附；相較于對照組，其粒徑分布曲線的體積密度峰值降低，粒徑分布變寬。這是因?yàn)榫|(zhì)壓力的升高，高壓引起的剪切和空穴作用增強(qiáng)[25]，這使得PS顆粒更易破裂。此外，體積較小的淀粉顆粒直鏈淀粉含量高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，HPH處理對其作用不明顯。HPH處理使淀粉顆粒破裂，造成直鏈淀粉部分溶出，促進(jìn)淀粉糊化[26]；同時(shí)淀粉顆粒粒徑改變，從而影響其流變特性及凝膠性能[27]。

圖6 HPH處理對PS微觀結(jié)構(gòu)及粒徑分布的影響Fig.6 Effect of HPH treatment on microstructure and particle size distribution of PS

2.4 HPH處理對PS結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響

如圖7A所示，原淀粉在5.6°、15.1°、17.1°、23.1°處出現(xiàn)了較強(qiáng)的衍射峰，符合C型結(jié)晶特征，具有A型和B型兩種結(jié)晶結(jié)構(gòu)[28]。HPH處理后未出現(xiàn)其他位置的衍射峰，說明在HPH過程中并未生成新的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。與原PS相比，HPH處理后其5.6°處衍射峰消失，而該處屬于B型結(jié)晶的較強(qiáng)衍射峰位之一，表明HPH處理對其B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞。隨著均質(zhì)壓力的增大，15.1°、17.1°兩處峰值降低，晶體有序結(jié)構(gòu)被破壞。相似地，李貴蕭等[29]對綠豆淀粉進(jìn)行HPH處理后發(fā)現(xiàn)，樣品的部分衍射峰峰值降低，甚至消失。淀粉顆粒中存在著微晶結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)及介于之間的亞微晶結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算X射線衍射圖譜中峰面積得到上述3 種結(jié)構(gòu)的占比[9]。從圖7B中可知，HPH處理后PS亞微晶區(qū)結(jié)晶度隨均質(zhì)壓力升高先增大后減小，其結(jié)晶區(qū)破壞，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)增多，表明HPH過程中支鏈淀粉鏈長分布改變，影響分子間纏結(jié)作用，改變PS黏度[30]。

圖7 HPH處理后PS的結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化Fig.7 Changes in crystal structure of PS after HPH treatment

2.5 HPH處理對PS短層有序結(jié)構(gòu)的影響

HPH處理前后PS的紅外光譜圖如圖8A所示，HPH處理后未出現(xiàn)新的吸收峰，各吸收峰位置也未改變，說明均質(zhì)處理只影響了淀粉的物理結(jié)構(gòu)，其化學(xué)結(jié)構(gòu)并未被破壞。譜圖中出現(xiàn)以下主要特征峰：2 900～3 000 cm-1處的吸收峰歸屬于C—H伸縮振動(dòng)；在1 400 cm-1處附近的吸收峰與C—H的剪式振動(dòng)吸收有關(guān)；而1 150～9 00 cm-1處附近出現(xiàn)的吸收峰主要是由淀粉中C—O、C—C的伸縮振動(dòng)及C—OH伸縮、彎曲振動(dòng)引起。其中1 047、1 022 cm-1為典型的振動(dòng)吸收峰區(qū)域，1 047 cm-1處附近的吸收峰與淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān)，1 022 cm-1處附近的吸收峰與非結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此兩處吸收峰峰面積的比值（R1047/1022）可以表征淀粉短程有序結(jié)構(gòu)，該比值越大，表示有序度越高[31]。如圖8B所示，與原淀粉相比，HPH處理后PS的R1047/1022均升高，表明不同均質(zhì)壓力處理使其有序結(jié)構(gòu)增多。R1047/1022隨著均質(zhì)壓力的增大而先增大后減小，在40 MPa達(dá)到最大值，這可能是由于壓力使淀粉分子鏈斷裂成短鏈，短鏈重結(jié)晶形成有序結(jié)構(gòu)，使得有序結(jié)構(gòu)數(shù)量增多；當(dāng)均質(zhì)壓力進(jìn)一步增大，R1047/1022減小，推測較高壓力破壞了PS的晶體結(jié)構(gòu)，支鏈淀粉單元鏈中短B鏈比例增加，促進(jìn)淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)向無序化轉(zhuǎn)變，從而使R1047/1022減小。這與X射線衍射分析結(jié)果相印證。有研究報(bào)道支鏈淀粉較長內(nèi)部B鏈與淀粉糊化特性密切相關(guān)，而淀粉凝膠的彈性與較短B鏈含量呈負(fù)相關(guān)[32]。

圖8 HPH處理后PS的短程有序結(jié)構(gòu)變化Fig.8 Changes in short-range ordered structure of PS after HPH treatment

2.6 HPH處理對PS核磁共振氫譜的影響

從圖9中可以看出，α-1,4糖苷鍵的化學(xué)位移為δ5.11，而α-1,6糖苷鍵的化學(xué)位移為δ4.90[33]。40、60 MPa處理后α-1,6糖苷鍵吸收峰強(qiáng)度明顯減弱。根據(jù)譜圖計(jì)算得到樣品分支度如圖9B所示。0～40 MPa范圍內(nèi)隨均質(zhì)壓力增加，分支度持續(xù)降低，表明高壓均質(zhì)產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力對PS的α-1,6糖苷鍵有較大破壞作用，使支鏈淀粉側(cè)鏈斷裂，直鏈淀粉含量增加。當(dāng)均質(zhì)壓力超過60 MPa后，分支度有所增加。在HPH過程中，α-1,6糖苷鍵較α-1,4糖苷鍵更易被破壞。原因是α-1,4糖苷鍵的空間位阻比α-1,6糖苷鍵的空間位阻更穩(wěn)定[34]。有研究報(bào)道直鏈淀粉含量與藜麥淀粉的動(dòng)態(tài)流變特性呈顯著正相關(guān)[35]，這是由于直鏈淀粉可以通過重新排列形成三維網(wǎng)絡(luò)，增加了淀粉凝膠的彈性。

圖9 HPH處理后PS的1H NMR譜圖及分支度Fig.9 1H NMR spectra and branching degree of HPH treated PS

2.7 HPH處理對PS多尺度結(jié)構(gòu)及流變特性的影響機(jī)制探討

淀粉的流變特性主要受到淀粉分子鏈的纏繞解鏈行為、分子鏈的有序或無序排列方式、凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱等因素影響，而上述因素與其自身多尺度結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)。上述研究表明，HPH處理會(huì)引起PS多尺度結(jié)構(gòu)（淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、短程有序結(jié)構(gòu)等）變化，其流變特性也隨之改變。圖10為HPH調(diào)控PS多尺度結(jié)構(gòu)與流變特性機(jī)制示意圖。在HPH處理過程中，剪切力作用破壞淀粉分子中α-1,6糖苷鍵，支鏈淀粉側(cè)鏈斷裂，分支度降低（圖9B）；分子鏈伸展，短鏈含量增加，結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，非結(jié)晶區(qū)比例增加（圖7B）。同時(shí)PS中一部分自由度較高的分子鏈在剪切力作用下發(fā)生取向重排，結(jié)構(gòu)有序化程度增加（圖8B）。HPH也可通過改變PS的多尺度結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對其流變特性的調(diào)控。PS糊化過程中淀粉顆粒吸水膨脹，水分子大量進(jìn)入使分子間氫鍵斷裂，內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)崩解，直鏈淀粉及部分支鏈淀粉溶出，分子鏈解聚、相互纏結(jié)形成凝膠體系。當(dāng)均質(zhì)壓力較小時(shí)，HPH過程中剪切、空化、機(jī)械碰撞作用促進(jìn)分子鏈之間的纏結(jié)作用，黏度增加，觸變性增大（圖1、圖2、表1）；分子間氫鍵等弱力相互作用減弱，凝膠結(jié)構(gòu)破壞，體系剪切結(jié)構(gòu)恢復(fù)力降低（圖3B）；促進(jìn)糊化后膨脹顆粒與直鏈淀粉之間的相互作用或交聯(lián)，G＇、G″、tanδ增加（圖4、5）。當(dāng)均質(zhì)壓力過大時(shí)，分子鏈發(fā)生斷裂，短鏈比例增加，分子鏈相互纏繞程度減弱，淀粉糊黏度、觸變性、黏彈性均降低。綜上，不同的均質(zhì)壓力誘導(dǎo)PS多尺度結(jié)構(gòu)的變化程度不盡相同，伴隨相應(yīng)的淀粉糊流變特性變化情況也不同。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以選擇適合的均質(zhì)壓力從淀粉多尺度結(jié)構(gòu)層面上調(diào)控PS的流變特性使其滿足生產(chǎn)要求。

圖10 高壓均質(zhì)調(diào)控PS多尺度結(jié)構(gòu)與流變特性機(jī)制示意圖Fig.10 Mechanism by which HPH treatment regulates multiscale structure and rheological properties of PS

3 結(jié) 論

HPH處理對PS的流變特性及多尺度結(jié)構(gòu)有較大的影響。隨均質(zhì)壓力的增大，PS黏度、觸變性呈先增加后減小趨勢，HPH處理后其假塑性增強(qiáng)，剪切結(jié)構(gòu)恢復(fù)力減弱；40 MPa處理使PS凝膠黏性、彈性明顯提高，表明HPH處理可提升其凝膠性能。HPH處理過程中產(chǎn)生剪切、空化效應(yīng)、碰撞等機(jī)械力作用使PS顆粒完整性遭到破壞，表面出現(xiàn)裂縫、塌陷；促進(jìn)結(jié)晶結(jié)構(gòu)向無定形區(qū)轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)有序性減弱；α-1,6糖苷鍵斷裂，PS分支度降低。本研究有助于分析PS多尺度結(jié)構(gòu)對其流變性能的影響機(jī)制，并驗(yàn)證了HPH技術(shù)調(diào)控PS及其產(chǎn)品品質(zhì)的可行性。