超聲處理時(shí)間對(duì)蓮藕淀粉理化和結(jié)構(gòu)特性的影響

廖雪勤，汪 楠，胡 榮，薛冰潔，張甫生,3，鄭 炯,3,*

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（西南大學(xué)），重慶 400715；3.川渝共建特色食品重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715）

蓮藕屬于睡蓮科多年生植物，目前在中國(guó)有3 000多年的栽培歷史，種植范圍廣泛。蓮藕的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，富含蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素、脂肪、維生素、礦物質(zhì)等多種對(duì)人體有益的成分[1]。蓮藕淀粉（lotus root starch，LS）是蓮藕的主要成分之一，其中直鏈淀粉含量為22%～51%，支鏈淀粉含量為35%～45%[2]。雖然LS已作為增稠劑、穩(wěn)定劑和膠凝劑等廣泛應(yīng)用于食品加工，但天然的LS仍存在對(duì)加工條件耐受性差、易回生、透明度低等問題[3]。這是由于緊密排列的直鏈淀粉分子導(dǎo)致淀粉粒硬度增大、不溶于水，從而降低了LS的糊化和凝膠形成能力[4]。此外，浸出的直鏈淀粉分子和解聚的支鏈淀粉糊化后再結(jié)晶進(jìn)一步導(dǎo)致了LS易回生[5]，這些問題限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。因此，需要采用有效的技術(shù)手段對(duì)天然LS進(jìn)行改性以提高其品質(zhì)。

淀粉改性常采用物理、化學(xué)、生物方法，其中物理方法中的超聲技術(shù)具有改性效果優(yōu)良、環(huán)境友好、能耗較低等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前景的技術(shù)[6]。研究表明，高超聲功率能有效改變淀粉的糊化溫度和焓值，改善淀粉的糊化回生性能[7]，使淀粉顆粒表面出現(xiàn)孔洞和凹槽[8]，并破壞淀粉的結(jié)晶區(qū)域，使短程有序結(jié)構(gòu)增多，而較低的超聲功率對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)和理化特性影響較小[9]。目前，超聲波技術(shù)在淀粉改性中的研究大多數(shù)集中于不同超聲處理功率對(duì)淀粉的影響方面，關(guān)于不同超聲處理時(shí)間對(duì)淀粉理化性質(zhì)及多尺度結(jié)構(gòu)影響的報(bào)道較少。因此，本研究通過測(cè)定不同超聲處理時(shí)間（0、10、20、30、40、50 min）對(duì)LS的糊化、流變特性以及多尺度結(jié)構(gòu)的影響，并采用掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）等對(duì)其顆粒形貌、短程有序結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，以期為超聲技術(shù)在LS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 材料與試劑

LS（淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于93%）湖北愛荷食品有限公司；氯化鈉、尿素、溴化鉀（化學(xué)純）成都市科隆化工試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

JA2003電子分析天平 上海良平儀器儀表有限公司；JY99-IIDN超聲波細(xì)胞粉碎儀 寧波新芝生物科技股份有限公司；TecMaster快速黏度分析儀 澳大利亞Perten公司；DHR-1流變儀、New Castle DE差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry，DSC）美國(guó)TA公司；JSM-6490LV掃描電鏡 日本電子公司；NanoSTAR小角X射線散射儀（small angle X-ray scattering，SAXS）、AXS XRD儀 德國(guó)Bruker公司；Frontier MIR紅外光譜分析儀 英國(guó)Perkin Elmer公司；AVANCE核磁共振（nuclear magnetic resonance spectra，NMR）儀 瑞士Brooke Beurspine公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品超聲處理

將24 g LS和120 mL蒸餾水均勻混合于200 mL燒杯中，置于超聲波細(xì)胞粉碎儀，設(shè)置超聲強(qiáng)度為73.3 W/cm2，超聲時(shí)使用1∶1的占空比（脈沖時(shí)間5 s、間歇時(shí)間5 s）分別處理0、10、20、30、40、50 min。超聲作用時(shí)，利用冰水浴控制反應(yīng)體系溫度不超過25 ℃，處理后的樣品冷凍干燥后用于后續(xù)指標(biāo)測(cè)定。以超聲處理時(shí)間為0 min的樣品為對(duì)照組（CK）。

1.3.2 糊化特性測(cè)定

將3 g超聲處理后的LS分散于25 mL蒸餾水中，充分混合均勻，得到的懸浮樣品于快速黏度分析儀的專用測(cè)試鋁盒中檢測(cè)糊化性能。測(cè)試程序參照文獻(xiàn)[10]。在50 ℃保溫1 min，以12 ℃/min的速率升溫到95 ℃，并在95 ℃保溫2.5 min，然后以12 ℃/min的速率降溫至50 ℃，并在50 ℃保溫2 min。

1.3.3 流變特性測(cè)定

取糊化后的樣品立刻轉(zhuǎn)移至流變儀測(cè)定平臺(tái)上測(cè)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(cè)試溫度為25 ℃。

1.3.3.1 靜態(tài)流變特性測(cè)定

采用兩步程序測(cè)試樣品的觸變性，測(cè)試程序：剪切速率從0 s-1增加至300 s-1（上行），再?gòu)?00 s-1下降至0 s-1（下行）。

流變模型擬合分析：依據(jù)剪切應(yīng)力（τ）與剪切速率（γ）的關(guān)系，運(yùn)用冪律定理（Power-Law模型）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，方程如式（1）所示：

式中：τ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)。

1.3.3.2 動(dòng)態(tài)黏彈特性測(cè)定

在0.1～10 Hz頻率范圍內(nèi)，在1%應(yīng)變條件下，測(cè)量線性黏彈性區(qū)域內(nèi)的儲(chǔ)能模量（G′）、損耗模量（G″）和損耗角正切值tanδ＝G″/G′。

1.3.4 熱力學(xué)特性測(cè)定

通過DSC分析樣品的熱力學(xué)特性，參照Ding Yongbo等[11]的方法，將5 mg超聲LS懸浮液和10 μL蒸餾水置于鋁坩堝中，4 ℃平衡12 h，測(cè)定熱穩(wěn)定性，測(cè)量過程中的溫度以10 ℃/min的速率從30 ℃上升到160 ℃。

1.3.5 淀粉顆粒形貌觀察

采用掃描電鏡對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行顆粒形貌觀察。測(cè)試前，將待測(cè)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后，20.0 kV加速電壓條件下拍攝圖像，×4 000觀察樣品顆粒形貌。

1.3.6 層狀結(jié)構(gòu)測(cè)定

淀粉顆粒內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)通過SAXS測(cè)定。將樣品配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%的淀粉乳，采用SAXS，在X射線波長(zhǎng)為0.154 nm、電壓50 kV、電流0.6 mA條件下測(cè)定樣品的層狀結(jié)構(gòu)，使用Vantec-2000二維探測(cè)器[12]。參照Z(yǔ)hu Jie等[13]的方法獲得分形和層狀結(jié)構(gòu)參數(shù)。散射強(qiáng)度I和散射角度q遵循Power-Law模型I～q-α，在低q范圍內(nèi)，一般采用I～q-α量化SAXS強(qiáng)度與分形結(jié)構(gòu)的關(guān)系。α可由SAXS曲線在低q范圍內(nèi)的雙對(duì)數(shù)標(biāo)度斜率得到。

1.3.7 XRD測(cè)定

采用XRD分析儀對(duì)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(cè)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，掃描速度為2°/min，步寬0.02°。采用Jade 6.5軟件處理衍射圖譜，并將其分為微晶區(qū)、亞微晶區(qū)、非結(jié)晶區(qū)[14]，根據(jù)其計(jì)算樣品的相對(duì)結(jié)晶度。三者比例以及相對(duì)結(jié)晶度分別按式（2）～（5）計(jì)算：

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。

1.3.8 傅里葉變換紅外光譜分析

稱取樣品（3.00±0.05）mg與預(yù)先研磨過的KBr粉末混合至總質(zhì)量為（300.0±0.1）mg，以空氣為背景采集紅外光譜圖，掃描64 次，分辨率為4 cm-1，波數(shù)范圍為4 000～600 cm-1，并計(jì)算出R1047/1022值。

1.3.91H NMR測(cè)定

根據(jù)Wang Nan等[15]的方法，利用1H NMR分析淀粉樣品的糖苷鍵比。將80 mg樣品溶解在1 mL二甲亞砜中。在25 ℃測(cè)定得到樣品的1H NMR。α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵分別在δ＝5.11和δ＝4.90處測(cè)定。采用軟件MestReNova 14處理圖譜，分支度（degree of branching，DB）按式（6）計(jì)算：

式中：Iα-1,4和Iα-1,6分別為α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵的1H NMR積分。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲處理時(shí)間對(duì)LS糊化特性的影響

峰值黏度反映了淀粉的最大溶脹力[16]。如表1所示，與CK相比，超聲處理后的峰值黏度顯著增加，這是因?yàn)槌晻?huì)影響淀粉的非結(jié)晶區(qū)域，促使水分子進(jìn)入，從而增強(qiáng)淀粉的溶脹能力[17]。超聲處理10～30 min，峰值黏度和谷值黏度均隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，并在30 min時(shí)分別達(dá)到最大值（6 059±31）mPa·s和（3 716±17）mPa·s，隨后開始降低。這一結(jié)果表明過長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理可能會(huì)破壞淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)，從而減少淀粉分子的溶脹和纏結(jié)[18]。Yang Wenhan等[19]研究發(fā)現(xiàn)，超聲處理中強(qiáng)烈的剪切力、微射流和空化效應(yīng)會(huì)誘導(dǎo)淀粉大分子長(zhǎng)鏈斷裂成許多短鏈，降低淀粉顆粒的完整性，從而導(dǎo)致終止黏度降低。崩解值可以表征淀粉糊的穩(wěn)定性[19]，超聲處理后樣品的崩解值都增加，說明淀粉糊的穩(wěn)定性下降。超聲處理50 min時(shí)淀粉糊的穩(wěn)定性相較于10～40 min有所增加，但仍小于CK。

表1 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS糊化特性的影響Table 1 Effect of different ultrasound treatment time on the pasting properties of LS

由表1可知，LS的終止黏度隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，30 min時(shí)達(dá)到最大值（（4 580±15）mPa·s），這是因?yàn)槎虝r(shí)間超聲處理促進(jìn)了淀粉的糊化，因此在回生過程中，淀粉鏈重結(jié)晶程度增大，淀粉的抗剪切能力增大。但長(zhǎng)時(shí)間超聲處理（40～50 min）對(duì)淀粉糊化的促進(jìn)弱于短時(shí)間超聲處理，導(dǎo)致終止黏度降低，但仍高于CK。LS的回復(fù)值隨超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小，說明淀粉的短期回生程度先升高后降低，且高于CK。長(zhǎng)時(shí)間超聲處理使回復(fù)值降低，這是因?yàn)榻龅闹辨湹矸酆烷L(zhǎng)鏈支鏈淀粉斷裂，淀粉聚合度降低[19]。這與Harpreet等[20]對(duì)小麥粉糊化特性的研究結(jié)論相似。超聲處理后淀粉的糊化溫度高于CK，這說明超聲處理增強(qiáng)了淀粉顆粒對(duì)熱的抵抗能力。而長(zhǎng)時(shí)間超聲處理后淀粉的糊化溫度開始下降，這可能是由于支鏈淀粉被降解，促進(jìn)了LS的糊化[20]。

2.2 超聲處理時(shí)間對(duì)LS流變特性的影響

2.2.1 靜態(tài)流變特性

由圖1可知，所有樣品黏度均隨剪切速率增大而減小，表現(xiàn)出典型的剪切變稀現(xiàn)象，說明超聲處理并未改變LS的假塑性流體特征。不同超聲時(shí)間處理后LS的表觀黏度和應(yīng)力均增大，說明超聲處理增強(qiáng)了淀粉凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和流動(dòng)阻力，這是因?yàn)槌暤臋C(jī)械作用和空化效應(yīng)使淀粉分子間作用力增強(qiáng)[21]。在超聲處理10～30 min內(nèi)，淀粉糊的表觀黏度和剪切應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大，繼續(xù)延長(zhǎng)處理時(shí)間，黏度和應(yīng)力反而下降，這與糊化特性的分析結(jié)果相印證。長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理破壞了淀粉鏈之間的氫鍵，降低了糊化程度，從而使黏度和剪切應(yīng)力減小[22]。

圖1 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS靜態(tài)流變特性的影響Fig.1 Effect of different ultrasound treatment times on the steady rheological properties of LS

采用Power-Law模型對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如表2所示，R2均大于0.99，說明Power-Law模型對(duì)該樣品靜態(tài)流變數(shù)據(jù)具有較好的擬合度。與CK相比，超聲處理后LS的K值增加，在30 min達(dá)到最大值115.03，說明其黏度增加，這是因?yàn)槌曁幚泶龠M(jìn)了淀粉鏈的纏結(jié)。但在超聲處理30 min后，支鏈淀粉隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而被破壞，導(dǎo)致K值降低。超聲處理后n值降低表明淀粉糊假塑性增強(qiáng)，劇烈的剪切力導(dǎo)致淀粉降解，增強(qiáng)了假塑性[23]。超聲處理后下行曲線K值與上行曲線K值變化趨勢(shì)相似，且下行曲線K值的變化小于上行曲線K值的變化。這一現(xiàn)象表明，淀粉凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞后難以隨著剪切力的減小而恢復(fù)。上行曲線和下行曲線圍成的面積S即為淀粉糊的滯后環(huán)，反映了淀粉糊體系的觸變性。S值隨超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，在30 min時(shí)達(dá)到最大值29 540.29，隨后開始降低，但均高于CK，說明超聲處理使LS觸變性增強(qiáng)。40～50 min的S值降低可能是由于超聲時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致淀粉分子鏈斷裂，不利于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形成。雖然該結(jié)構(gòu)的抗剪切能力較強(qiáng)，但在破壞后難以恢復(fù)[23]。

表2 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS流變曲線擬合參數(shù)的影響Table 2 Effect of different ultrasound treatment times on fitting parameters of rheological curves of LS

2.2.2 動(dòng)態(tài)流變特性

超聲處理后LS的動(dòng)態(tài)流變特性如圖2所示。所有樣品的G′值均大于G″，說明LS的彈性強(qiáng)于黏性。這與超聲處理玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和豌豆淀粉的結(jié)果[24]一致。超聲處理后淀粉的G′和G″均高于CK，這是由于超聲處理破壞了淀粉分子無定型區(qū)的結(jié)構(gòu)，更多水分子進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)，促進(jìn)糊化，導(dǎo)致黏度升高，另外淀粉分子間的相互作用增大，纏結(jié)得更加穩(wěn)固，形成了黏彈性更強(qiáng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[24]。G′和G″均隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，但G′在處理時(shí)間到達(dá)30 min后隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低，這與靜態(tài)流變特性的結(jié)果相似。淀粉分子尤其是直鏈淀粉在超聲的作用下會(huì)重新排列形成雙螺旋，從而增加淀粉凝膠的強(qiáng)度[25]，而在長(zhǎng)時(shí)間的超聲作用下，空化效應(yīng)會(huì)使直鏈淀粉斷裂，分子間纏結(jié)程度低，因此黏彈性降低。

圖2 不同超聲時(shí)間對(duì)LS動(dòng)態(tài)流變特性的影響Fig.2 Effect of different ultrasound treatment times on the dynamic rheological properties of LS

2.3 超聲處理時(shí)間對(duì)LS熱學(xué)特性的影響

30～160 ℃內(nèi)的兩個(gè)糊化峰分別表示LS兩種結(jié)構(gòu)的熔解。第1個(gè)峰出現(xiàn)在30～80 ℃之間，表示單螺旋結(jié)構(gòu)和無定形區(qū)的熔解，80～160 ℃內(nèi)的第2個(gè)峰對(duì)應(yīng)雙螺旋結(jié)構(gòu)和結(jié)晶區(qū)的熔解[11]。由表3可知，超聲處理后兩個(gè)峰的起始溫度T0和峰值溫度Tp幾乎都先隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，在處理30 min時(shí)分別達(dá)到最大值（35.88±0.32）℃和（55.45±0.97）℃，80～160 ℃內(nèi)，超聲處理30 minTp較對(duì)照組增大了11.09%，40～50 min時(shí)開始降低，最后低于CK。T0主要與淀粉粒的無定形區(qū)有關(guān)，而結(jié)晶區(qū)是影響Tp的主要因素，淀粉顆粒的致密化程度也對(duì)Tp有一定影響[26]。這說明一定時(shí)間的超聲處理使淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定致密，而T0和Tp的降低可能是由于淀粉顆粒破碎與雙螺旋結(jié)構(gòu)松動(dòng)[27]。ΔH可用來表示淀粉相變過程中雙螺旋解聚及熔融所需要的能量，超聲處理后ΔH增大，這是因?yàn)槌曌饔迷鰪?qiáng)了淀粉鏈中的氫鍵，增加了雙螺旋的穩(wěn)定性[27]。同時(shí)，淀粉結(jié)構(gòu)的破壞促進(jìn)了水分子在淀粉顆粒中的滲透，從而使淀粉更容易糊化，ΔH增大[28]。由表3可知，80～160 ℃內(nèi)，超聲處理30 min ΔH較對(duì)照組增大了89.21%，超聲處理40、50 min時(shí)的ΔH均低于處理30 min的ΔH（972.01±4.46）J/g和（2 309.37±7.31）J/g，ΔH的降低可能是由于空化氣泡坍塌釋放的大量能量破壞了部分結(jié)晶區(qū)，還導(dǎo)致雙螺旋解聚[29]。Hu Aijun等[27]在研究雙頻超聲處理大米淀粉時(shí)也得到類似結(jié)果，但在處理馬鈴薯淀粉時(shí)結(jié)果相反。

表3 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS熱學(xué)特性的影響Table 3 Effect of different ultrasound treatment times on thermal properties of LS

2.4 超聲處理時(shí)間對(duì)LS微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖3可知，CK中淀粉顆粒以橢圓形和球形為主，表面光滑，超聲處理后的LS表面出現(xiàn)孔洞，促進(jìn)水向內(nèi)滲透，使其具有較高的糊化黏度。隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉顆粒表面變得更加粗糙，并出現(xiàn)額外的裂縫和凹陷。在處理40、50 min組中有部分淀粉顆粒表面在長(zhǎng)時(shí)間的超聲作用下由于空化氣泡的快速形成和坍塌產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力完全被破壞（圖中圈畫部分），淀粉顆粒的破壞削弱了淀粉分子間的相互作用，從而導(dǎo)致了淀粉糊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的減弱[30]。此外，超聲處理后部分破碎的淀粉顆粒可能為水的向內(nèi)擴(kuò)散提供額外的通道，從而改變LS的顆粒結(jié)構(gòu)，因此淀粉的溶脹能力增強(qiáng)，這與在糊化性能測(cè)定中觀察到的結(jié)果一致。

圖3 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effect of different ultrasound treatment times on the microstructure of LS

2.5 超聲處理時(shí)間對(duì)LS層狀結(jié)構(gòu)的影響

由圖4A可知，LS在q＝0.626 nm-1處有一個(gè)明顯的散射峰，根據(jù)Woolf-Bragg公式dBragg＝2π/q，可以計(jì)算淀粉顆粒半結(jié)晶片層的厚度[31]，結(jié)果如圖4B所示。從圖中可以看出，超聲處理后LS的半結(jié)晶層厚度增大，且隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)先增大（10、20 min）后減小（30、40、50 min），最大值為10.508 nm。這可能是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)某曁幚頃r(shí)間促進(jìn)非結(jié)晶區(qū)的膨脹，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲處理時(shí)產(chǎn)生的空化效應(yīng)破壞了LS的部分無定形層和結(jié)晶片層，層狀厚度隨之減小。

圖4 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS層狀結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 Effect of different ultrasound treatment times on the lamellar structure of LS

根據(jù)Power-Law模型I～q-α，當(dāng)1＜α＜3，質(zhì)量分形維數(shù)Dm＝α，Dm值越接近1，表明淀粉聚集體結(jié)構(gòu)越疏松，越接近3表明越致密；當(dāng)3＜α＜4，表面分形維數(shù)Ds＝6-α，Ds值越大表明散射體表面越粗糙[30]。從圖4C可以看出，所有樣品的α值都在2.22～2.80的范圍內(nèi)，說明都為質(zhì)量分形結(jié)構(gòu)。超聲處理后，LS的Dm值均降低，表明超聲處理使淀粉的結(jié)構(gòu)變得疏松。這可能是由于超聲處理過程中振蕩和產(chǎn)生的剪切力影響了層狀晶體層的有序度，從而降低了淀粉結(jié)構(gòu)的致密性[13]。與超聲處理20 min后的樣品相比，處理30 min樣品的α值增大，表明超聲處理使得淀粉結(jié)構(gòu)變得疏松，但是隨著時(shí)間延長(zhǎng)，在一定程度上又可以促進(jìn)一些緊密結(jié)構(gòu)的形成。但是當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到40 min和50 min后，淀粉的結(jié)構(gòu)被破壞從而又變得疏松。

2.6 超聲處理時(shí)間對(duì)LS結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響

如圖5A所示，CK在5.6°、15.0°、17.1°、23.0°、26.6°處出現(xiàn)特征衍射峰，說明LS符合B型結(jié)晶特征[5]，超聲處理后未出現(xiàn)其他位置的衍射峰，說明在超聲過程中并未生成新的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。超聲處理后5.6°處衍射峰消失，而該處屬于B型結(jié)晶的較強(qiáng)衍射峰之一，表明超聲處理對(duì)其B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞。17.1°處衍射峰減弱，表明超聲破壞了淀粉無定形區(qū)中雙螺旋的部分排列。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，23.0°處的衍射峰強(qiáng)度減弱，可能是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的超聲進(jìn)一步影響了淀粉簇在結(jié)晶區(qū)域的排列[32]。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XRD圖譜中峰面積得到上述3 種結(jié)構(gòu)的占比。由圖5B可知，超聲處理后LS亞微晶區(qū)結(jié)晶度增大，微晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)結(jié)晶度減小，表明淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于均勻，晶體崩解重組為亞微晶。超聲過程中，雙螺旋結(jié)構(gòu)由于空泡坍塌產(chǎn)生的振蕩而出現(xiàn)松動(dòng)，但不離開原有位置[33]，因此，微晶區(qū)域減少，而亞微晶區(qū)域增加，這可能導(dǎo)致ΔH升高。LS的相對(duì)結(jié)晶度隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，這可能歸因于超聲產(chǎn)生的空化作用破壞了支鏈淀粉的結(jié)晶層，導(dǎo)致相對(duì)結(jié)晶度下降[33]。

圖5 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Effect of different ultrasound treatment times on the crystalline structure of LS

2.7 超聲處理時(shí)間對(duì)LS短程有序結(jié)構(gòu)的影響

如圖6所示，超聲處理后未出現(xiàn)新的吸收峰，各吸收峰位置也未改變，說明超聲只影響了LS的物理結(jié)構(gòu)，并未破壞其化學(xué)結(jié)構(gòu)。研究表明，1 047、1 022 cm-1為典型的振動(dòng)吸收峰區(qū)域，波數(shù)1 047 cm-1附近的吸收峰與淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān)，1 022 cm-1附近的吸收峰與無定形結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此兩處吸收峰的比值可以表征淀粉短程有序結(jié)構(gòu)，1 047 cm-1/1 022 cm-1處吸收峰比值越大，表明有序度越高[34]。如圖6所示，超聲處理后R1047/1022值增大，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，在30 min時(shí)達(dá)到最大值，隨后略有下降，但仍高于原淀粉，這是由于超聲處理后無定形區(qū)和支鏈淀粉分子鏈被破壞，同時(shí)生成的短鏈分子鏈通過氫鍵形成新的有序結(jié)構(gòu)，使R1047/1022值增加了3.20%，但處理時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致雙螺旋結(jié)構(gòu)和直鏈淀粉分子鏈斷裂，從而使R1047/1022值降低。結(jié)合XRD的結(jié)果可知，超聲處理能夠促進(jìn)淀粉分子排列成更有序的雙螺旋結(jié)構(gòu)，但會(huì)使雙螺旋結(jié)構(gòu)松動(dòng)，降低致密性[34]。

圖6 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS短程有序結(jié)構(gòu)的影響Fig.6 Effect of different ultrasound treatment times on the short-range ordered structure of LS

2.8 超聲處理時(shí)間對(duì)LS糖苷鍵的影響

圖7A為不同時(shí)間超聲處理前后LS的1H NMR圖。圖中δ＝5.11和δ＝4.89處的化學(xué)位移分別代表了α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵結(jié)構(gòu)，超聲處理后，α-1,6-糖苷鍵吸收峰強(qiáng)度明顯減弱，說明在超聲處理過程中α-1,6-糖苷鍵被破壞。Yang Qingyu等[35]采用超聲處理糯玉米淀粉也得到了相似的結(jié)果。根據(jù)譜圖計(jì)算得到的DB如圖7B所示，超聲處理后LS的DB均減小，超聲處理40 min時(shí)達(dá)到最小值9.55%，說明超聲產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力破壞了α-1,6-糖苷鍵[36]。超聲處理50 min后淀粉的DB有所增加，這可能是因?yàn)殡S著時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲開始破壞α-1,4-糖苷鍵，DB增大[37]。超聲處理過程中，α-1,6-糖苷鍵較α-1,4-糖苷鍵更易被破壞，這是因?yàn)棣?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[35]。

圖7 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS糖苷鍵的影響Fig.7 Effect of different ultrasound treatment times on the glycosidic bonds of LS

2.9 超聲處理對(duì)LS理化和結(jié)構(gòu)特性的影響機(jī)制探討

圖8為超聲處理對(duì)LS理化和結(jié)構(gòu)特性的影響機(jī)制示意圖。在超聲處理過程中，α-1,6-糖苷鍵被破壞（圖7），機(jī)械作用產(chǎn)生的剪切力使LS的部分支鏈斷裂，形成一些淀粉短鏈，這些分散在無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)域的短鏈取向重排，形成有序結(jié)構(gòu)，淀粉分子有序化程度增加（圖6B）。結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，崩解重組為亞微晶結(jié)構(gòu)，亞微晶區(qū)比例增加（圖5B）。由于淀粉分子間相互作用的增強(qiáng)，淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)變得有序和緊密，淀粉內(nèi)部的纏結(jié)加劇。在無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)域熔化這種緊湊的雙螺旋結(jié)構(gòu)需要額外的能量，因此，Tp和ΔH增加。此外，淀粉表面出現(xiàn)的一些孔洞和凹陷促進(jìn)了水分子進(jìn)入無定形區(qū)，增加了淀粉的糊化黏度。當(dāng)超聲處理時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，淀粉顆粒會(huì)被破壞，淀粉分子的溶脹和纏結(jié)減少，從而導(dǎo)致糊化黏度降低。在強(qiáng)烈的剪切力作用下，雙螺旋結(jié)構(gòu)松動(dòng)，有序的單螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，Tp、ΔH降低。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以選擇適合的超聲時(shí)間從淀粉多尺度結(jié)構(gòu)層面上調(diào)控LS的性能以提高其品質(zhì)。

圖8 超聲處理對(duì)LS理化和結(jié)構(gòu)特性的影響機(jī)制示意圖Fig.8 Schematic diagram of the mechanism underlying the effect of ultrasound treatment on physicochemical and structural properties of LS

3 結(jié)論

超聲處理時(shí)間對(duì)LS理化和結(jié)構(gòu)特性有較大的影響。超聲處理破壞了α-1,6-糖苷鍵，使部分支鏈淀粉斷裂，形成淀粉短鏈，并在超聲作用下重新排列形成有序的結(jié)構(gòu)。較短時(shí)間的超聲處理增強(qiáng)了淀粉間的相互作用，雙螺旋結(jié)構(gòu)變得有序和緊密，淀粉內(nèi)部的纏結(jié)增強(qiáng)，從而提高了LS的黏彈性。在無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)熔化緊湊的雙螺旋結(jié)構(gòu)需要額外的能量，Tp和ΔH分別增大了11.09%和89.21%。此外，超聲處理后的淀粉表面出現(xiàn)孔洞和裂縫，促進(jìn)了水分子向無定形區(qū)的注入，從而增加了淀粉的糊化黏度。但長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理（40～50 min）不利于這種有序結(jié)構(gòu)的形成。本研究結(jié)果驗(yàn)證了超聲技術(shù)調(diào)控和改善LS性能的可行性，并為超聲技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)不同品質(zhì)的淀粉提供了理論參考。