高靜水壓處理對玉米淀粉/阿魏酸復(fù)合體系理化及結(jié)構(gòu)特性的影響

鄭啟航，苗振弛，宋 斌，王天池，王新智，衣 寧，許秀穎，鄭明珠，趙城彬，劉景圣

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，小麥和玉米深加工國家工程研究中心，吉林 長春 130118）

玉米淀粉（corn starch，CS）是來源廣泛、價格低廉的淀粉之一，除作為食品的主要成分之外，它還可以作為食品的穩(wěn)定劑、乳化劑、增稠劑等[1]。然而，天然CS在應(yīng)用中存在黏度低、熱穩(wěn)定性差、脫水率高、易回生等缺陷，限制了其應(yīng)用范圍[2]。為了改善CS的理化性質(zhì)，可以利用化學(xué)手段、物理手段和酶法等，使得淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化，從而改善天然淀粉在工業(yè)應(yīng)用中的不足，滿足現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求[3]。

高靜水壓（high hydrostatic pressure，HHP）技術(shù)屬于非熱物理改性技術(shù)，因其綠色、高效、環(huán)保、作用溫度低、作用均勻，且對食物中的營養(yǎng)成分和熱敏性物質(zhì)干擾較弱，進而在食品加工領(lǐng)域得到了廣泛的使用[4-5]。其主要通過作用于非共價鍵[6]，從而破壞高分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，引起大分子物質(zhì)變性；而對小分子物質(zhì)如多酚、維生素、氨基酸、風(fēng)味組成物質(zhì)影響較小[7]。

酚酸是谷物中分布最廣泛的酚類物質(zhì)，阿魏酸（ferulic acid，F(xiàn)A）則是谷物中羥基肉桂酸含量最高的酚酸類物質(zhì)，也是玉米粒中的主要酚類物質(zhì)[8]。在玉米精深加工過程中，F(xiàn)A會與CS發(fā)生一定相互作用從而影響玉米食品的加工特性和品質(zhì)特性，關(guān)于淀粉與多酚的研究受到眾多學(xué)者的關(guān)注。許檸[9]發(fā)現(xiàn)FA會與淀粉競爭水分子從而引起糊化特性的變化，F(xiàn)A還會與支鏈淀粉和直鏈淀粉分別形成絡(luò)合物和包合物。謝亞敏等[10]發(fā)現(xiàn)FA使淀粉分子間作用減弱，降低板栗淀粉的重結(jié)晶能力從而抑制淀粉老化。韓雪琴[11]發(fā)現(xiàn)隨著FA濃度的增大，F(xiàn)A-大米淀粉復(fù)合物的有序程度降低，同時二者復(fù)合后并沒有出現(xiàn)新的結(jié)晶峰，未形成有序的長程結(jié)晶結(jié)構(gòu)。目前的研究中多采用單一的HHP或多酚調(diào)控CS的相關(guān)理化特性，而HHP對CS/FA復(fù)合體系的相關(guān)研究卻鮮見報道。

因此，本實驗采用差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry，DSC）、流變儀、傅里葉變換紅外光譜儀、X射線衍射儀等技術(shù)手段，研究HHP處理對CS/FA二元體系理化特性和結(jié)構(gòu)特性的影響，以期為改善CS基產(chǎn)品的加工特性和食用品質(zhì)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

CS、FA（98%）上海源葉生物科技有限公司；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AlPhal-4LDPlus冷凍干燥機 德國Christ公司；Q-2000型DSC 美國TA公司；3JK-1型快速黏度分析儀澳大利亞Perten公司；MCR-302型流變儀 奧地利Anton Paar公司；紫外-可見分光光度計 珀金埃爾默儀器（上海）有限公司；VERTEX70傅里葉變換紅外光譜儀德國Bruker公司；D/MAX2500 X射線衍射儀 日本理學(xué)公司。

1.3 方法

1.3.1 復(fù)合體系的制備與處理

參考Du Jingjing等[12]的方法并稍作修改。稱取15 g CS溶解于100 mL蒸餾水中，添加10 mL質(zhì)量濃度分別為0、2 g/100 mL的FA溶液（95%乙醇溶液溶解）并置于燒杯中，50 ℃條件下磁力攪拌2 h后轉(zhuǎn)移至聚乙烯袋中，保證真空包裝無氣泡。500 MPa HHP處理15 min，處理后3 000 r/min離心15 min，冷凍干燥并過100 目篩，得到經(jīng)過HHP處理后的CS（記作H-CS）和CS/FA復(fù)合體系（記作H-CS/FA）。將未經(jīng)HHP處理的樣品分別記作CS和CS/FA。

1.3.2 溶脹特性測定

參考孫穎等[13]的方法并稍作修改。將1.3.1節(jié)制備的樣品配制成質(zhì)量濃度為2 g/100 mL淀粉乳，于65、75、85、95 ℃的恒溫水浴中糊化30 min，在3 000/min條件下離心20 min，將上清液在105 ℃下干燥至恒質(zhì)量。溶解度（S）與膨脹度分別按公式（1）、（2）計算。

式中：m1為上清液烘干后質(zhì)量/g；m2為離心管中剩余物質(zhì)量/g；m為淀粉樣品干基質(zhì)量/g。

1.3.3 熱特性測定

參考曾木花等[14]的方法稍加修改。準(zhǔn)確稱?。?.00±0.02）mg樣品，與9 μL蒸餾水混合，密封后置于4 ℃過夜平衡。在DSC中用空坩堝作為參照，測定范圍30～120 ℃，升溫速率10 ℃/min。通過DSC曲線得到初始溫度To、峰值溫度TP、終值溫度TC、糊化焓值ΔH。

1.3.4 糊化特性測定

參考李妍等[15]的方法。準(zhǔn)確稱量3 g樣品配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)12 g/100 mL的懸浮液，采用快速黏度分析儀測定CS/FA復(fù)合體系的糊化特性。

1.3.5 流變特性測定

參考Xu Fen等[16]的方法稍加修改。取1.3.4節(jié)中制備的淀粉糊，在溫度25 ℃、應(yīng)變和角頻率范圍分別為1%和1～100 rad/s條件下，并在線性黏彈區(qū)范圍內(nèi)進行頻率掃描。

1.3.6 碘結(jié)合力測定

參考Zhou Xiaoli等[5]的方法并稍加修改。精確稱取0.5 g樣品并加入4.5 mL蒸餾水于離心管中制備懸浮液，然后置于沸水中加熱10 min，直至淀粉完全凝結(jié)，取出冷卻至室溫。加入25 mL蒸餾水并漩渦30 s，以3 000 r/min離心15 min。最后，取500 μL上清液添加到配制好的2 mL碘溶液中（0.002 g/mL I2＋0.02 g/mL KI），并添加15 mL蒸餾水稀釋。使用紫外-可見分光光度計進行檢測，檢測范圍為500～800 nm。

1.3.7 粒度分布測定

參考郝宗圍等[17]的方法稍加修改。將HHP處理前后的淀粉溶液質(zhì)量濃度調(diào)整為0.01 g/100 mL，采用激光粒度分析儀測定其粒度分布，分散劑和樣品的折射率分別為1.33和1.59。

1.3.8 傅里葉變換紅外光譜測定

參考Zou Jian等[18]的方法稍加修改。使用傅里葉變換紅外光譜儀測定樣品的結(jié)構(gòu)。取2 mg樣品和0.2 g溴化鉀，置于紅外燈下研磨混勻，放于模具中并真空壓片60 s。以KBr為背景，使用傅里葉紅外光譜儀在4 000～400 cm-1范圍內(nèi)進行掃描。

1.3.9 X射線衍射分析

參考Zhang Jie 等[19]的方法稍加修改。使用D/MAX2500 X射線衍射儀測定樣品晶體結(jié)構(gòu)。將樣品平整放入玻璃凹槽內(nèi)并用壓片壓緊，分析條件：銅靶Cu Kα、電壓40 kV、電流40 mA掃描范圍2θ為5°～40°、掃描速率2（°）/min。

1.4 數(shù)據(jù)分析

實驗均重復(fù)3 次，使用Origin 2018軟件繪圖，采用SPSS Statistics 23.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理，利用ANOVA進行差異顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 HHP處理對CS/FA復(fù)合體系溶脹特性的影響

淀粉的溶解度和膨脹度是直觀判斷淀粉與水之間相互作用力的物理指標(biāo)之一[20]。如圖1所示，所有樣品溶解度和膨脹度均隨著溫度升高而增加，與CS樣品相比，且添加FA后，CS/FA樣品溶解度和膨脹度均增加，可能是由于添加FA后，其酚羥基與淀粉的羥基結(jié)構(gòu)相互作用，進而提高了淀粉的溶脹特性[21]。

圖1 HHP處理對CS/FA復(fù)合體系溶解度（A）和膨脹度（B）的影響Fig.1 Effect of HHP treatment on solubility (A) and degree of expansion (B) of CS/FA composite system

經(jīng)HHP處理后的淀粉溶解度和膨脹度與溫度有關(guān)。在較低溫度下（65 ℃），HHP處理后的H-CS和H-CS/FA的溶解度和膨脹度較CS和CS/FA有所提高；在較高溫度下（75～95 ℃）則相反。當(dāng)溫度從75 ℃上升到95 ℃時，水分子開始進入淀粉顆粒的非結(jié)晶區(qū)和部分結(jié)晶區(qū)，HHP處理使直鏈淀粉的溶出受到抑制，淀粉分子內(nèi)直鏈淀粉與支鏈淀粉形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而淀粉分子的膨脹作用大多是支鏈淀粉主導(dǎo)，因此，HHP處理后淀粉溶脹特性下降，這與Liu Hang[22]和Li Wenhao[23]等研究結(jié)果一致。

2.2 HHP處理對CS/FA復(fù)合體系熱特性的影響

如圖2所示，到HHP處理后H-CS和H-CS/FA吸熱峰向更高的溫度移動，且經(jīng)HHP處理后的H-CS/FA體系吸熱峰變窄變?nèi)?，表明HHP處理后提高了H-CS和H-CS/FA的熱穩(wěn)定性[11]。

圖2 HHP處理前后CS/FA復(fù)合體系的DSC曲線Fig.2 DSC curves of CS/FA composite system before and after HHP treatment

如表1所示，與CS相比CS/FA的峰值溫度與糊化焓降低，可能是溶解在水中的FA通過其自身的羧基和酚羥基與糊化過程中溶出的淀粉鏈發(fā)生基于氫鍵或者范德華力的相互作用，從而對淀粉溶液體系產(chǎn)生影響[20]；此外，F(xiàn)A可能會與CS競爭水分子，使水分子的流動性受到限制，延緩了淀粉糊化的進程，降低了淀粉的糊化焓，導(dǎo)致體系的熱穩(wěn)定性發(fā)生變化，這與韓雪琴[11]、Karunaratne[21]等的研究結(jié)果一致。而經(jīng)HHP處理后，H-CS以及H-CS/FA峰值溫度顯著提高、糊化焓值顯著下降，表示HHP處理能夠提高體系的熱穩(wěn)定性以及抑制體系的回生性。HHP處理可以破壞淀粉的結(jié)晶區(qū)域和非晶態(tài)區(qū)域，使得原本的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，而FA在糊化過程中與淀粉鏈通過氫鍵、疏水作用等發(fā)生非共價結(jié)合[11]，使淀粉鏈之間重新排序受阻，改變了結(jié)晶淀粉和無定形淀粉之間的耦合力，降低了CS和CS/FA體系的糊化焓，干擾了淀粉的重結(jié)晶從而降低了淀粉的有序度，進而抑制了體系的回生，這與Guo Zebin等[24]的研究結(jié)果相似。

表1 HHP處理前后CS/FA復(fù)合體系的DSC參數(shù)Table 1 DSC parameters of CS/FA composite system before and after HHP treatment

2.3 HHP處理對CS/FA復(fù)合體系糊化特性的影響

由圖3可知，添加FA后，CS/FA的糊化曲線與CS相比整體下移。由表2可知，與CS相比，復(fù)合體系CS/FA的峰值黏度、谷值黏度和終值黏度顯著降低，下降幅度分別為8.4%、31.8%和20.0%%。峰值黏度和谷值黏度的下降可能是由于FA具有多元結(jié)構(gòu)，抑制了CS的水合作用和淀粉顆粒中直鏈淀粉的浸出[25]。FA的酚羥基與支鏈淀粉的側(cè)鏈發(fā)生反應(yīng)，并且與淀粉顆粒的無定型區(qū)發(fā)生不同程度的結(jié)合，從而改變晶質(zhì)和無定型質(zhì)之間的耦合力，促使淀粉顆粒之間發(fā)生簡單水合，使糊化熱能減少，從而使峰值黏度、谷值黏度和終值黏度降低，這與Karunaratne[21]和趙蓓蓓[26]等的研究結(jié)果一致。

表2 HHP處理前后CS/FA復(fù)合體系糊化特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of gelatinization of CS/FA composite system before and after HHP treatment

圖3 HHP處理前后CS/FA復(fù)合體系糊化曲線Fig.3 Gelatinization curves of CS/FA composite system before and after HHP treatment

由表2可知，經(jīng)過HHP處理后，CS和CS/FA峰值黏度、谷值黏度和終值黏度顯著提高。說明500 MPa壓力使CS對熱效應(yīng)和剪切效應(yīng)的抵抗能力顯著增強，使得CS和CS/FA的穩(wěn)定性增強[27]。HHP對淀粉分子的擠壓作用，可使淀粉分子發(fā)生重排并在一定程度下重新聚合，導(dǎo)致峰值黏度、谷值黏度和終值黏度增大，這與Zhang Dali等[28]研究結(jié)果一致。回生值可作為判斷淀粉短期老化的指標(biāo)，也常用于表征淀粉糊在降溫過程中的穩(wěn)定性[29]。添加FA后，CS/FA回生值顯著降低，可能是由于FA與CS之間形成淀粉-多酚復(fù)合物，從而影響了老化過程中直鏈淀粉分子的聚集，導(dǎo)致回生值下降[30]。HHP處理后，CS/FA回生值也降低，可能是由于在高壓環(huán)境下FA進入淀粉顆粒內(nèi)部和更多長鏈淀粉斷裂成短鏈淀粉，改變了CS的內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)，進一步減弱了大米淀粉分子鏈的纏結(jié)[31]。

2.4 HHP處理對CS/FA復(fù)合體系流變特性的影響

圖4為HHP處理前后CS和CS/FA的動態(tài)流變曲線，其中G’和G”分別反映了淀粉糊變形后恢復(fù)復(fù)形狀的能力和淀粉糊抵抗流動的能力[32]。在整個掃描頻率范圍內(nèi)，所有樣品的彈性模量G’均大于黏性模量G”，二者在頻率掃描范圍內(nèi)曲線也沒發(fā)生交叉現(xiàn)象，表明所有樣品屬于典型弱凝膠體系。與FA相比，CS/FA的G’和G”均降低，表明添加FA后淀粉凝膠體系的穩(wěn)定性變差。可能歸因于FA與淀粉分子形成氫鍵，延緩了淀粉鏈之間的相互交聯(lián)，使淀粉凝膠體系內(nèi)分子鏈的纏結(jié)點減少，進而削弱了淀粉凝膠體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制體系凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，降低了淀粉體系的黏彈性，這與韓雪琴等[11,33]研究結(jié)果一致。田金木等[34]研究發(fā)現(xiàn)添加紅茶水提取物后，淀粉凝膠形成過程中淀粉分子重排受到紅茶水提物中茶多酚等成分的影響，從而削弱了淀粉凝膠的強度。經(jīng)HHP處理后，CS和CS/FA的儲G’和G”均顯著增加，即彈性和黏性均增加，表明其體系內(nèi)部形成了強度較高的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？赡苁菈毫Φ淖饔孟翪S顆粒晶體結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致更多的直鏈淀粉溶出，加強了淀粉分子之間的相互作用，從而提高了淀粉凝膠柔韌性[35]。

圖4 HHP處理對CS/FA復(fù)合體系的動態(tài)流變曲線Fig.4 Dynamic rheological curves of CS/FA composite system treated with HHP

2.5 HHP處理對CS/FA復(fù)合體系碘結(jié)合力的影響

當(dāng)直鏈淀粉與碘結(jié)合時，由于直鏈淀粉螺旋內(nèi)部的疏水空腔與碘離子相互作用，使其顏色變?yōu)樗{色，從而形成包合物，導(dǎo)致500～800 nm波段處吸光度升高。多酚類化合物通過類似的機制與淀粉結(jié)合，因此可以根據(jù)多酚類化合物-淀粉復(fù)合物對碘結(jié)合的抑制作用來確定多酚和淀粉的相互作用程度[36]。

由圖5可知，添加FA會抑制淀粉與碘的相互作用，導(dǎo)致吸光度下降，表明FA并沒有結(jié)合在兩條直鏈淀粉的螺旋鏈分子之間，而是嵌入淀粉螺旋鏈的疏水內(nèi)腔中發(fā)生疏水作用或者多酚與淀粉分子形成弱的氫鍵，占據(jù)了直鏈淀粉與碘的結(jié)合位點進而抑制直鏈淀粉-碘復(fù)合物的形成，這與任順成等[37]結(jié)果一致。經(jīng)HHP處理后，H-CS吸光度較CS明顯提高，說明HHP處理使CS直鏈淀粉含量增多，與碘結(jié)合位點變多[38]，證實了經(jīng)HHP處理之后FA與CS的結(jié)合程度增加。

圖5 HHP處理前后CS/FA復(fù)合體系與碘結(jié)合的紫外吸收光譜Fig.5 Ultraviolet absorption spectra of CS/FA composite system combined with iodine before and after HHP treatment

2.6 HHP處理對CS/FA復(fù)合體系粒度分布的影響

如表3所示，淀粉的體積平均徑（D[3,2]）與面積平均徑（D[4,3]）的差值可反映淀粉粒徑的均一情況，差值越小表示淀粉顆粒大小越均一[39]。由表3可得出，CS、CS/FA、H-CS和H-CS/FA的體積平均徑與面積平均徑的差值分別為2.0、1.3、5.0、2.6 μm，說明添加FA后淀粉顆粒大小更為均一，而且CS/FA和H-CS/FA的平均粒徑相較于CS和H-CS均顯著減小，可能是由于FA嵌入淀粉內(nèi)部與直鏈淀粉形成復(fù)合物或吸附在淀粉顆粒表面，阻礙了淀粉分子鏈間的相互靠近以及直鏈淀粉重新回到淀粉顆粒中從而降低了淀粉顆粒粒徑[40]。HHP處理后的樣品體積平均徑與面積平均徑的差值增大，H-CS和H-CS/FA平均粒徑相較于CS和CS/FA均顯著增加，說明HHP處理使淀粉發(fā)生不均一的團聚。表明壓力使淀粉結(jié)構(gòu)被破壞，促進淀粉分子之間的相互聚集，淀粉顆粒發(fā)生部分糊化導(dǎo)致顆粒膨脹導(dǎo)致粒徑增大，這與丑述睿[41]研究結(jié)果相似。張玲[42]發(fā)現(xiàn)了瑪咖淀粉經(jīng)HHP處理后出現(xiàn)粒徑增大的現(xiàn)象，主要原因為淀粉分子之間的相互聚集。

表3 HHP處理前后CS/FA復(fù)合體系粒度分布特征參數(shù)Table 3 Characteristic particle size distribution parameters of CS/FA composite system before and after HHP treatment

2.7 CS/FA復(fù)合體系紅外光譜分析

如圖6A所示，在CS中添加FA，或者CS、CS/FA經(jīng)HHP處理后，吸收峰沒有出現(xiàn)明顯的偏移，也沒有新的吸收峰出現(xiàn)或某個特征吸收峰的消失，表明HHP處理或在淀粉中添加FA均沒有引起官能團的產(chǎn)生與消失，可能是由于FA與淀粉分子間的作用是通過氫鍵等非共價相互作用，互相沒有形成共價鍵結(jié)構(gòu)，這與Zhang Jing[43]和王晨[44]等的研究結(jié)果一致。

圖6 HHP處理前后CS/FA復(fù)合體系的紅外光譜Fig.6 Infrared spectra of CS/FA composite system before and after HHP treatment

在FTIR光譜中，R1055/1022值可用于表征淀粉的短程有序結(jié)構(gòu)[4]，R990/1022值與雙螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)[45]。由表4可知，添加FA或HHP處理后，淀粉的R1055/1022和R990/1022值顯著降低，且經(jīng)HHP處理后的H-CS/FA體系的R1055/1022和R990/1022值進一步降低，表明HHP處理使短程有序和雙螺旋結(jié)構(gòu)的破壞程度加劇，是因為HHP處理能夠破壞CS和CS/FA體系中淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，水分子在壓力作用下進入淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)域，并與淀粉分子游離出來的—OH游離結(jié)合，抑制了體系的回生，這與回生值結(jié)果相符。

表4 HHP處理前后CS/FA復(fù)合體系的紅外光譜參數(shù)Table 4 Infrared spectral parameters of CS/FA composite system before and after HHP treatment

2.8 CS/FA復(fù)合體系X射線衍射分析

如圖7所示，CS在15.1°、17.2°、18.1°、23.2°處呈明顯的尖峰衍射，屬于典型的A型晶體結(jié)構(gòu)。添加FA后，衍射峰位置不變說明FA與CS相互作用較弱，可能是FA與淀粉鏈之間的分子相互作用大部分為氫鍵等非共價結(jié)合而未形成特殊的晶體結(jié)構(gòu)，仍保留其A型晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)果與紅外光譜結(jié)果一致，也與文獻[21]的研究結(jié)果相符。經(jīng)HHP處理后，可明顯看出CS和CS/FA樣品在15.2°、17.1°、18.1°、22.9°處衍射峰強度降低，并伴隨著20°處的衍射峰強度增加，表明H-CS和H-CS/FA仍為A型晶體結(jié)構(gòu)。由圖7可知，與未經(jīng)HHP處理的天然淀粉CS相比，H-CS相對結(jié)晶度由29.19%降為22.88%。H-CS/FA相對結(jié)晶度與CS/FA相比由27.23%降為21.62%。HHP處理導(dǎo)致相對結(jié)晶度降低可能是由于HHP處理會加劇大量直鏈淀粉和支鏈淀粉的降解以及位于結(jié)晶區(qū)域的眾多螺旋的解離，這與Zhang Xinyu等[46]研究結(jié)果相似。H-CS吸收強度降低，峰沒有消失進一步證實了其改變了內(nèi)部的有序結(jié)構(gòu)。

圖7 HHP處理前后CS/FA復(fù)合體系的X射線衍射圖譜Fig.7 X-diffraction patterns of CS/FA composite system before and after HHP treatment

3 結(jié)論

本實驗探究了HHP處理對CS和CS/FA復(fù)合體系理化和結(jié)構(gòu)特性的影響，結(jié)果表明，HHP處理增強了CS/FA復(fù)合體系的峰值黏度、彈性模量G′和黏性模量G"，降低了復(fù)合體系的溶解度和膨脹度（75～95 ℃）、糊化焓及回生值；此外，HHP處理提高了CS/FA復(fù)合體系的平均粒徑，傅里葉紅外光譜和X射線衍射光譜分析表明，HHP處理后，CS/FA復(fù)合體系短程有序結(jié)構(gòu)和雙螺旋結(jié)構(gòu)減少，淀粉顆粒仍為A型結(jié)構(gòu)，但相對結(jié)晶度下降。綜上所述，HHP處理增強了CS/FA復(fù)合體系的相互作用，改善了復(fù)合體系的理化特性，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的改變。