超聲處理對(duì)橡子淀粉理化性質(zhì)的影響

鮑春銘，王攀峰

（河南省計(jì)量測(cè)試科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000）

橡子是殼斗科（Fagaceae）植物籽實(shí)的統(tǒng)稱，呈蠶繭狀，外有棕紅色硬殼，橡子仁的淀粉含量高達(dá)50%～70%[1]。我國(guó)橡子資源豐富，年產(chǎn)量600 萬(wàn)～700 萬(wàn)t。橡子食用歷史悠久，其應(yīng)用主要集中在地方特色飲食上，如橡子醬、橡子豆腐、橡子粉條等[2-3]。由于其糊化后具有良好的凝膠特性，在工業(yè)上橡子淀粉有望替代糧食淀粉用于制作工業(yè)乙醇，充當(dāng)造紙和印染用上漿劑[4]。目前橡子淀粉的理化性質(zhì)較多。牛鵬飛等[5]發(fā)現(xiàn)橡子淀粉具有一般淀粉的基本特性，并含有鞣花酸和槲皮素等多酚類物質(zhì)。程荷芳等[6]發(fā)現(xiàn)橡子淀粉為橢圓形，粒徑較玉米淀粉小，但糊化特性與玉米淀粉接近。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于橡子淀粉的修飾研究較少。

淀粉的修飾方法包括物理法、化學(xué)法和酶法[7-8]。隨著食品綠色加工技術(shù)的發(fā)展，淀粉物理修飾的研究迅速發(fā)展。目前，淀粉的物理修飾方法包括超聲、微波、超微粉碎等[9]。超聲是淀粉修飾的一種新型物理方法，具有安全性高、無(wú)環(huán)境污染、高效率和低能耗的優(yōu)點(diǎn)，其可調(diào)控淀粉的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，生產(chǎn)功能各異的變性淀粉[10]。聶卉等[11]研究了超聲作用下馬鈴薯淀粉糊的流體性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)增加超聲時(shí)間和強(qiáng)度可降低該淀粉糊的表觀黏度。Karwasra 等[12]發(fā)現(xiàn)超聲處理可提升小麥淀粉的吸油能力、直鏈淀粉含量和膨脹能力。張明月等[13]采用超聲輔助預(yù)處理法改善了小麥淀粉-單甘酯復(fù)合物的制備。

目前采用超聲法修飾橡子淀粉鮮有研究。鑒于此，本研究分析超聲處理對(duì)橡子淀粉理化性質(zhì)的影響，以期為橡子淀粉的深度開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

橡子淀粉：信陽(yáng)市越豐農(nóng)產(chǎn)品有限公司；葡萄糖、苯酚、硫酸（均為分析純）：上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JY99-IIDN 型超聲細(xì)胞破碎儀：寧波新芝生物科技股份有限公司；TA-XT Plus 型質(zhì)構(gòu)儀：英國(guó)Stable Micro System 公司；TU-1810 型紫外分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；ME104E/02 型電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；Quanta 200型掃描電子顯微鏡：美國(guó)FEI 公司；BT-9300H 型激光粒度分布儀：丹東市百特儀器有限公司；RVA4500 型快速黏度分析儀：波通瑞華科學(xué)儀器（北京）有限公司。Smartlab SE 型X 射線衍射儀：日本理學(xué)公司；BH200P 型偏光顯微鏡：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 橡子淀粉的超聲處理

將200 mL 20% 的橡子淀粉乳置于超聲細(xì)胞破碎儀中，反應(yīng)容器外設(shè)冰浴，在600 W 下分別處理0、10、20 min。每次超聲作用2 s，間隔2 s，超聲完成后用蒸餾水洗滌淀粉，經(jīng)抽濾后于40 ℃烘干備用。

1.3.2 淀粉水解率的測(cè)定

橡子淀粉超聲處理完畢后，立即抽濾，濾液適當(dāng)稀釋后采用硫酸-苯酚法測(cè)其吸光度，通過(guò)與葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Y=0.008 4x+0.058（R2=0.999 2）的對(duì)比，確定淀粉水解率[14]。

1.3.3 淀粉顆粒形態(tài)的觀察

取適量淀粉樣品均勻涂布于黏在載物臺(tái)的導(dǎo)電膠上，真空噴金后送入掃描電子顯微鏡樣品室，放大1 000 倍進(jìn)行觀察。同時(shí)將適量的淀粉懸濁液滴于載玻片上，蓋上蓋玻片，置于載物臺(tái)上，采用偏光顯微鏡，放大200 倍觀察淀粉的偏光特性[15]。

1.3.4 淀粉顆粒粒徑的測(cè)定

采用激光粒度分布儀測(cè)定樣品的粒度分布[16]。

1.3.5 淀粉功能特性的測(cè)定

淀粉樣品的透明度、沉降體積、凍融穩(wěn)定性、老化值、溶解度和膨脹度測(cè)定按照Lv 等[17]的研究進(jìn)行。

1.3.5.1 透明度

透光率的大小反映了淀粉糊透明度的好壞，透光率越高，淀粉糊的透明度越好；反之則越差。將20 mL 1% 的淀粉懸濁液在沸水浴中加熱15 min。以水為對(duì)照，通過(guò)紫外分光光度計(jì)測(cè)定冷卻后淀粉糊在620 nm 下的透明度。

1.3.5.2 沉降體積

將1%的淀粉懸濁液在沸水浴中加熱15 min。取50 mL 淀粉糊于量筒中，沉降24 h 后，通過(guò)量筒讀取下層凝沉糊液的體積（mL）。

1.3.5.3 凍融穩(wěn)定性

凍融穩(wěn)定性是指淀粉在凍結(jié)和溶解交替過(guò)程中抵抗變化的性能，表現(xiàn)為析水率的大小。將6%的淀粉懸濁液在沸水浴中加熱15 min。取30 mL 淀粉糊于離心管中，-18 ℃保存，24 h 后取出，室溫解凍，4 000 r/min 離心15 min，析水率計(jì)算公式如下，析水率越低，凍融穩(wěn)定性越好。

式中：W為析水率，%；M為糊重，g；m為沉淀物重，g。

1.3.5.4 老化值

淀粉老化是糊化的淀粉分子在冷卻過(guò)程中氫鍵重新形成所致，淀粉糊中水分析出時(shí)空間阻礙越小，越容易析出說(shuō)明其易老化；將4% 的淀粉懸濁液在沸水浴中加熱20 min。取5 mL 淀粉糊于離心管中，4 ℃保存，24 h 后取出，4 000 r/min 離心15 min，計(jì)算析水率（同上），其可反映老化值。

1.3.5.5 溶解度和膨脹度

取5 mL 5% 的淀粉懸濁液在55、65、75、85、95 ℃水浴加熱30 min。冷卻后4 000 r/min 離心15 min。上清液在105 ℃下烘干至恒重，記錄被溶解的淀粉質(zhì)量（W1，g）。離心管中沉淀質(zhì)量，記為W2（g），W為淀粉質(zhì)量（g）。樣品的溶解度（SO，%）和膨脹度（SC，%）按下列公式計(jì)算。

1.3.6 淀粉糊化性質(zhì)測(cè)定

淀粉糊化性質(zhì)的測(cè)定按照Wang 等[18]的方法進(jìn)行測(cè)定。將3.0 g 淀粉樣品與25 mL 蒸餾水混合，置于快速黏度分析儀中。樣品在50 ℃保持l min，3.5 min 內(nèi)升溫到95 ℃，并保持3 min，然后在3.5 min 內(nèi)降至50 ℃，并保持2 min，記錄此過(guò)程中樣品的黏度變化。

1.3.7 淀粉凝膠強(qiáng)度的測(cè)定

淀粉凝膠強(qiáng)度的測(cè)定參照Z(yǔ)hang 等[19]的方法。取3.2 g 淀粉于50 mL 的燒杯中，加蒸餾水至總質(zhì)量為40.0 g，將其放入95 ℃的水浴鍋中加熱攪拌30 min，直至淀粉完全糊化，取出后冷卻至室溫，在4 ℃的冰箱中靜置16 h，形成穩(wěn)定的淀粉凝膠。采用配有P0.5 探頭的質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定淀粉凝膠強(qiáng)度。測(cè)定參數(shù)為觸發(fā)力2 g；壓縮距離為10 mm，探頭的下降速度、測(cè)中速度和上升速度分別為1.5、1.0、1.0 mm/s。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Origin 2018 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉水解率分析

超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉水解率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉水解率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic treatment time on hydrolysis rate of acorn starch

由圖1 可知，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，橡子淀粉的水解率逐漸增大，表明超聲處理會(huì)使淀粉發(fā)生分解，破壞程度與超聲時(shí)間密切相關(guān)。超聲波作用于液體介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，其會(huì)導(dǎo)致液體介質(zhì)中生物大分子的降解。Isono 等[20]發(fā)現(xiàn)超聲波可降低水中玉米淀粉的分子量，使其趨于某一特定范圍。Czechowska-Biskup 等[21]也發(fā)現(xiàn)360 kHz 超聲波可導(dǎo)致淀粉分子鏈的斷裂，淀粉水解率提高，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2 淀粉顆粒形貌分析

超聲處理對(duì)橡子淀粉顆粒形貌的影響見(jiàn)圖2。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉的偏光十字顯微圖和掃描電鏡顯微圖的影響Fig.2 Effect of ultrasonic treatment time on polarizing cross microscope and scanning electron microscope images of acorn starch

由圖2 可知，偏振光經(jīng)過(guò)淀粉顆粒時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的偏光十字現(xiàn)象，這是由于淀粉的球狀微晶結(jié)構(gòu)[22]。不同超聲時(shí)間的橡子淀粉均表現(xiàn)出了明顯的偏光十字，這說(shuō)明超聲處理基本沒(méi)有對(duì)淀粉的球晶結(jié)構(gòu)造成破壞，淀粉基本保持原有的分子排布和組織結(jié)構(gòu)。超聲處理通常會(huì)改變淀粉顆粒形貌，如顆粒出現(xiàn)凹塌、裂縫等[23]。天然橡子淀粉顆粒呈現(xiàn)球形和橢圓形，表面及邊緣比較光滑，顆粒完整。經(jīng)過(guò)超聲處理后淀粉顆粒形狀未發(fā)生明顯改變，但表面出現(xiàn)了少量較淺的損傷，這歸因于超聲波引起的高頻微射流和高剪切力作用于顆粒表面，并且隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉顆粒表面的破損更加突出，且出現(xiàn)了明顯的顆粒聚集現(xiàn)象。

2.3 淀粉顆粒粒徑分析

淀粉的功能特性、糊化特性、凝膠特性、酶解特性等理化性質(zhì)與其粒徑密切關(guān)聯(lián)，而谷物的淀粉粒徑不僅取決于其來(lái)源，還與其加工方式相關(guān)[24]。表1 是超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉粒徑的影響。

表1 超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉粒徑的影響Table 1 Effect of ultrasonic treatment time on particle size of acorn starch

由表1 可知，原橡子淀粉體積平均粒徑為（8.048±0.030）μm，且呈單峰分布。超聲處理后，淀粉顆粒的粒徑均略有增長(zhǎng)，這是由于超聲導(dǎo)致淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，水分易于通過(guò)孔隙和裂縫進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部，淀粉顆粒更易吸水膨脹。此外顆粒表面的光滑結(jié)構(gòu)被破壞，顆粒易于聚集，從而粒徑變大。這與電鏡分析時(shí)發(fā)現(xiàn)的超聲處理后淀粉顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚的結(jié)論相印證。

2.4 淀粉功能特性分析

淀粉的功能特性決定了以其為基質(zhì)構(gòu)建的產(chǎn)品的性狀、營(yíng)養(yǎng)與感官品質(zhì)[25]。超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉的功能特性的影響見(jiàn)表2。

表2 超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉功能特性的影響Table 2 Effect of ultrasound time on the functional properties of acorn starch

由表2 可知，經(jīng)過(guò)超聲處理后，橡子淀粉透明度隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)顯著降低。這可能是因?yàn)槌曁幚韺?dǎo)致淀粉顆粒表面被破壞后更加粗糙，顆粒更易膨脹吸水，從而溶解度增大，且長(zhǎng)時(shí)間的處理會(huì)產(chǎn)生更多短鏈淀粉分子，其更容易聚集，導(dǎo)致淀粉凝沉，故表現(xiàn)出更低的透明度[26]。橡子淀粉經(jīng)過(guò)超聲處理后其沉降體積有所增加且隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后降低。由于析水率越低，顯示其凍融穩(wěn)定性越好，可以得出，淀粉凝膠凍融時(shí)，淀粉鏈之間的分子發(fā)生聚集出現(xiàn)脫水收縮的現(xiàn)象，導(dǎo)致水從凝膠結(jié)構(gòu)中析出，析水率的大小反映了淀粉凝膠在凍融過(guò)程中的穩(wěn)定性和低溫條件下淀粉老化速率的快慢程度。析水率越小，說(shuō)明淀粉糊的凍融穩(wěn)定性越好；反之，則越差。因此，可以利用析出的水量來(lái)作為評(píng)價(jià)淀粉凍融性的指標(biāo)，橡子淀粉經(jīng)過(guò)超聲處理后凍融穩(wěn)定性有顯著提升，且隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步提高。橡子淀粉經(jīng)過(guò)超聲處理之后的老化值有顯著降低，且隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小。

淀粉的溶解與膨脹可直接反映淀粉無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)比例和分子間氫鍵的結(jié)合程度，其與淀粉顆粒結(jié)構(gòu)、直鏈淀粉/支鏈淀粉比率、分子量、鏈之間的結(jié)合程度等密切相關(guān)[27]。超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉的溶解度和膨脹度見(jiàn)圖3 和圖4。

圖3 超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉溶解度的影響Fig.3 Effect of ultrasonic treatment time on solubility of acorn starch

圖4 超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉膨脹度的影響Fig.4 Effect of ultrasonic treatment time on swelling power of acorn starch

由圖3、圖4 可知，超聲處理后橡子淀粉在溫度大于75 ℃時(shí)的溶解度與膨脹度均有了顯著提高，表明超聲處理對(duì)淀粉有序結(jié)構(gòu)的破壞，加強(qiáng)了淀粉分子與水分子間的互作，提高了淀粉的親水性。

2.5 淀粉糊化特性分析

淀粉糊化過(guò)程包括顆粒吸水膨脹、晶體結(jié)構(gòu)分解、雙折射消失和淀粉溶解等，糊化過(guò)程對(duì)淀粉顆粒有序結(jié)構(gòu)的破壞是不可逆的[28]。超聲處理對(duì)橡子淀粉糊化特性的影響見(jiàn)表3。

表3 不同超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉糊化性質(zhì)的影響Table 3 Effect of different ultrasound times on the paste properties of acorn starch

從表3 可以看出，橡子淀粉的峰值黏度、最低黏度、終值黏度分別為3 424.00、2 392.00、3 883.00 cP，超聲處理20 min 后橡子淀粉的峰值黏度、最低黏度、終值黏度分別為3 174.00、2 249.00、3 677.00 cP，糊化溫度無(wú)顯著變化。超聲處理會(huì)導(dǎo)致淀粉部分大分子鏈斷裂，流動(dòng)阻力減小，因此呈現(xiàn)出更低的黏度。羅志剛等[29]采用超聲波對(duì)高鏈玉米淀粉含量為30%的淀粉乳進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)隨超聲波功率增大，糊化溫度沒(méi)有變化，峰值黏度降低，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.6 淀粉凝膠強(qiáng)度分析

淀粉的冷卻回生形成淀粉凝膠，完全糊化的直鏈淀粉分子、支鏈淀粉分子重新排序而形成凝膠。Guo等[30]研究發(fā)現(xiàn)，淀粉的來(lái)源及淀粉的加入量對(duì)淀粉凝膠的強(qiáng)度有重要影響。圖5 為超聲時(shí)間對(duì)橡子淀粉凝膠強(qiáng)度的影響。

由圖5 可知，淀粉凝膠強(qiáng)度隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后降低。這可能是由于在超聲作用下產(chǎn)生的短鏈淀粉分子更易互作結(jié)合，從而增強(qiáng)了淀粉的凝膠強(qiáng)度。當(dāng)超聲時(shí)間延長(zhǎng)至20 min 時(shí)，由于淀粉分子鏈的過(guò)度降解，淀粉的凝膠強(qiáng)度開(kāi)始下降。

3 結(jié)論

超聲處理對(duì)橡子淀粉的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)有顯著影響。由于超聲引起的水解效應(yīng)，淀粉顆粒的偏光十字現(xiàn)象雖然保留，但其表面出現(xiàn)了破損，顆粒傾向于聚集，顆粒粒徑增加。隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉糊的透明度雖然下降，但其凍融穩(wěn)定性、溫度大于75 ℃時(shí)的溶解度和膨脹度顯著增加，老化值降低。淀粉糊的峰值黏度、最低黏度、終值黏度均隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，但糊化溫度保持穩(wěn)定，且適當(dāng)?shù)某曁幚砜商岣叩矸勰z強(qiáng)度。