酸性電位水對淀粉物理和流變性質(zhì)的影響

馮志強(qiáng)，趙源，吳子健

（1.三全食品股份有限公司，河南鄭州450000；2.天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津300134）

酸性電位水對淀粉物理和流變性質(zhì)的影響

馮志強(qiáng)1，趙源1，吳子健2，*

（1.三全食品股份有限公司，河南鄭州450000；2.天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津300134）

研究酸性電位水處理對馬鈴薯淀粉、紅薯淀粉、玉米淀粉的物理、熱力學(xué)及流變學(xué)等性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：（1）馬鈴薯淀粉、紅薯淀粉和玉米淀粉的溶解度分別增加107%、139.7%和73%，膨潤力分別增加11.65%、7.81%和8.72%，馬鈴薯淀粉與紅薯淀粉的凝沉值分別增加35.2%、9.8%、而玉米淀粉的凝沉值降低6.07%，馬鈴薯與紅薯淀粉的黏度分別降低74.2%、11.9%，而玉米淀粉的黏度增加2.01%；（2）差示掃描量熱儀（DSC）測定結(jié)果表明馬鈴薯、紅薯、玉米淀粉的起始糊化溫度分別提高了17.8%、27.7%、42.8%，而熱焓分別降低了31.7%、83.7%、42.8%；（3）酸性電位水處理影響淀粉的流變學(xué)性質(zhì)，馬鈴薯、紅薯淀粉的黏彈性模量增大；而玉米淀粉減小。

淀粉；理化性質(zhì)；流變性；酸性電位水

天然淀粉具有不溶于冷水、易老化脫水、不耐剪切力等固有性質(zhì)，使得其在食品工業(yè)中的應(yīng)用受到很大限制。物理、化學(xué)、酶作用等技術(shù)手段可改善天然淀粉的理化、流變等性質(zhì)，因而提高其黏度、凝膠性等加工性能，進(jìn)而擴(kuò)大其在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用范圍[1]。

酸性電位水（即酸性氧化電位水，Electrolyzedoxidizing Water）具有殺菌消毒的作用，這是因?yàn)棰倬哂休^低的pH值，可達(dá)到2.7，能影響細(xì)胞代謝酶的活力，進(jìn)而使代謝混亂，且大部分的微生物在如此低pH下無法生存；②其具有較高的氧化還原電位（Oxidation-Reduction Potential，ORP），ORP 值可達(dá)到+1 100 mv以上，可使微生物的細(xì)胞膜電位發(fā)生改變，膜通透性增強(qiáng)，從而達(dá)到殺菌的目的；③電位水含有一定濃度的氯離子，其濃度為25 mg/L～60 mg/L，這些有效氯離子更能有效地殺菌消毒，且酸性電位水對人皮膚黏膜等組織幾乎無刺激，因此還可作為美白護(hù)膚水，具有較高的安全性[2]。

酸性電位水的本質(zhì)還是水，當(dāng)長期與光和空氣或者有機(jī)物接觸時，其有效成分放電分解，氧化還原電位逐步下降，最終還原成普通水，對環(huán)境沒有任何的污染。正是因?yàn)樗鼫缇鬅o毒、無殘留，使得酸性電位水廣泛的應(yīng)用于食品加工、醫(yī)療衛(wèi)生、果蔬保藏保鮮等領(lǐng)域。世界各地已開始慢慢將酸性電位水添加至食品生產(chǎn)中。2001年，酸性電位水在日本已正式成為食品加工中的一種添加劑[3]。

本文主要研究酸性電位水處理對于3種淀粉物理化學(xué)性質(zhì)以及流變性能等方面的影響，探討其對天然淀粉的改性作用，擴(kuò)大其在食品工業(yè)等方面的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

馬鈴薯淀粉：內(nèi)蒙古力仁淀粉制品有限公司；玉米淀粉：北京德眾嘉欣經(jīng)貿(mào)有限公司；紅薯淀粉：國誠粉業(yè)有限責(zé)任公司。

1.1.2 儀器

酸性氧化電位水生成器：廣州市康百源水處理技術(shù)有限公司；FA/JA系列電子天平：上海諾科儀器儀表有限公司；DHG-9140A型電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科技有限公司；LGJ-10型真空冷凍干燥機(jī)：河南兄弟儀器設(shè)備有限公司；DK-98-ⅡA型恒溫水浴鍋：天津市泰斯特儀器有限公司；TG16-WS型高速離心機(jī)：湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器有限公司；Discovery流變儀、Q100差示掃描量熱儀：美國TA公司；Viscograph-E布拉本德粘度計(jì)：德國布拉本德公司。

1.2 內(nèi)容與方法

1.2.1 淀粉的處理

室溫下用等體積的酸性電位水和去離子水遮光浸泡等量淀粉2 h，真空冷凍干燥后，研缽磨碎，用100目篩子過篩，裝入自封袋備用。

1.2.2 測定方法

1.2.2.1 溶解度和膨潤力的測定

取25 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的淀粉乳，在25℃下攪拌30 min后，用離心機(jī)在3 000 r/min速度下離心20 min；將上層清液傾入烘干至恒重的鋁盒中，然后置于90℃水浴上蒸干。移入干燥箱，在105℃下烘干至恒重，稱重，得被溶解淀粉質(zhì)量A。稱離心管離心后沉淀物質(zhì)量P，M為樣品干基質(zhì)量[4]。溶解度和膨潤力按式（1）和式（2）計(jì)算：

式中：A為被溶解淀粉質(zhì)量；M為淀粉樣品干基質(zhì)量。

式中：P為離心后沉淀物質(zhì)量；M為淀粉樣品干基質(zhì)量；S為溶解度。

1.2.2.2 淀粉凝沉性的測定

稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%淀粉乳（馬鈴薯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%）25 mL于沸水浴中均勻攪拌并加熱20 min，冷卻至室溫，調(diào)糊質(zhì)量到原來重量，稱取一定量的糊置于 2℃冰箱中，24 h后取出，離心（3 000 r/min，15 min，溫度：18℃）。以離心后離心出水的質(zhì)量和稱取的淀粉糊的總質(zhì)量之比作為凝沉值[5]。

1.2.2.3 黏度的測定

參考 AACC Method76-21：1999和 GB/T 24853-2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定快速粘度儀法》，采用布拉本德粘度儀測定。

1.2.2.4 熱力學(xué)特性的測定

配制約20 mg的淀粉乳（淀粉含量40%，馬鈴薯淀粉含量為33.3%）于不銹鋼坩堝中，用密封圈密封，平衡6 h。以空坩堝作對照，用差示掃描儀進(jìn)行測定，掃描溫度范圍為25℃～130℃，掃描速率為5℃/min[6]。讀出 DSC 曲線上有起始溫度（T0）、峰值溫度（TP）和終止溫度（Tc）3個特征參數(shù)。

1.2.2.5 動態(tài)流變性測定

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的淀粉懸浮液置于動態(tài)流變儀的測試平臺，采用平板-平板測量系統(tǒng)，該平面模具直徑為40 mm，平板之間的間隙為1.0 mm，選用振蕩測量程序，應(yīng)變?yōu)?%和角頻率為5 rad/s。刮去平板外側(cè)的樣品，將樣品的外側(cè)覆蓋一層薄薄的硅油，以防止水分流失。在25℃、變化范圍為0.1 Hz～10 Hz頻率下，測定樣品的黏彈性[7-8]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均用Excel和Origin8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及作圖，試驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 酸性電位水處理對淀粉理化性質(zhì)的影響

2.1.1 淀粉溶解度和膨潤力的變化

淀粉溶解度和膨潤力的變化結(jié)果見表1，表2。

表1 酸性電位水處理對淀粉溶解度的影響Table 1 The impact of AOW treatment on starch solubility

表2 酸性電位水處理對淀粉膨潤力的影響Table 2 The influence of AOW treatment on starch swelling power

由表1、表2知，馬鈴薯淀粉經(jīng)過酸性電位水處理后，溶解度從0.87%增加到1.8%，增加了107%，膨潤力增加了11.65%。紅薯與玉米淀粉溶解度分別增加了139.7%、73%；膨潤力分別增加了7.81%，8.72%。這可能是因?yàn)榈矸垲w粒表面的直鏈淀粉含量比內(nèi)部要多得多，而淀粉內(nèi)部則有較多的支鏈淀粉[9-10]。酸性電位水處理破壞了淀粉表面的直鏈淀粉結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致溶解度和膨潤力的增加[11]。

2.1.2 淀粉凝沉性的變化

酸性電位水處理對淀粉凝沉值的影響見表3。

表3 酸性電位水處理對淀粉凝沉值的影響Table 3 The effect of AOW treatment on starch retrogradation

由表3可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的馬鈴薯淀粉凝沉值變化最為顯著，水處理后的淀粉離心不出水分，而酸性電位水處理后，其凝沉值增加到35.2%。紅薯淀粉增加了9.8%。而玉米淀粉的凝沉值從59.3%減小到55.7%，減小了6.07%。由此可知，酸性電位水處理后馬鈴薯、紅薯淀粉形成凝膠的能力下降了，即不易形成凝膠；但玉米淀粉的凝沉值減小了，說明易形成凝膠。這可能是因?yàn)樗嵝噪娢凰幚砗?，淀粉的直支鏈比被破壞了。含直鏈淀粉多的淀粉不易糊化，易老化；含支鏈淀粉多的淀粉易糊化不易老化[12]。

2.1.3 淀粉黏度的變化

酸性電位水處理對淀粉黏度的影響見表4。

表4 酸性電位水處理對淀粉黏度的影響Table 4 The influence of AOW treatment on starch viscosity

由表4可知，酸性電位水處理后，馬鈴薯的峰值黏度從1 171減小到302，降低了74.2%；紅薯的黏度從210減小到185，降低了11.9%；而玉米淀粉的峰值黏度增加了2.01%。3種淀粉中馬鈴薯的黏度比其余兩種大的多，因?yàn)轳R鈴薯粒徑大，結(jié)構(gòu)松散，分子間的結(jié)合力較弱，馬鈴薯淀粉在較低的糊化溫度下具有最大的膨脹能力。酸性電位水處理可能破壞了淀粉的直鏈淀粉分子大小和支鏈淀粉分支鏈的長度，導(dǎo)致淀粉的粘度降低。

馬鈴薯的B-D值從731.5減小到59，降低了92%，E-D降低了22.2%，C-D降低了91%。紅薯的B-D、C-D值增加了50%，E-D值降低。玉米E-D值增加了35.3%，B-D、C-D值增加。馬鈴薯的B-D增加即淀粉糊的熱黏穩(wěn)定性增加，回升值降低，而玉米的增加說明酸性電位水處理后玉米的凝膠性有所增強(qiáng)，這與對淀粉凝沉性做的研究得到的數(shù)據(jù)分析一致。

2.1.4 淀粉熱力學(xué)特性的變化

酸性電位水處理對淀粉熱力學(xué)特性的影響見表5。

淀粉顆粒結(jié)構(gòu)分為結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)。淀粉分子鏈之間在氫鍵作用下形成微晶束，大量微晶束構(gòu)成了結(jié)晶區(qū)。由于微晶束結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度，故淀粉顆粒能保持其結(jié)構(gòu)完整。在微晶束間的區(qū)域內(nèi)，呈雜亂排列的區(qū)域稱為無定形區(qū)。淀粉顆粒中結(jié)晶區(qū)約占到淀粉顆粒體積的25%～50%，其余為無定形區(qū)[14]。一般認(rèn)為，熱焓值受淀粉顆粒的影響，淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的致密度越高，糊化溫度越高[14]。由表5可知，酸性電位水處理后起始溫度均增加，馬鈴薯增加了17.8%，紅薯增加了27.7%，玉米增加了42.8%。馬鈴薯與玉米的熱焓分別降低了31.7%，42.8%，而紅薯增加了83.7%。熱焓值降低說明淀粉內(nèi)雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，相變時用于解開雙螺旋所需的能量低，因而較易糊化[15]。酸性電位水可能破壞了馬鈴薯與玉米的直鏈淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其熱焓值降低；而熱焓值的升高，說明淀粉無定形區(qū)被破壞，剩余的雙螺旋結(jié)構(gòu)所需熱量增大，糊化較困難。酸性電位水可能破壞了紅薯的無定形區(qū)，導(dǎo)致熱焓增大。熱焓的增加也可能是因?yàn)榈矸劢到夂笊缮倭亢?，影響淀粉的吸水膨脹，?dǎo)致淀粉糊化困難[16]。馬鈴薯淀粉的熱焓值較小，這可能是由于馬鈴薯淀粉顆粒較大，結(jié)構(gòu)疏松，吸水時膨脹力也較大，所以在較低的溫度下就容易發(fā)生糊化，同時糊化所需要的熱量也較少[17]。

表5 酸性電位水處理對淀粉熱力學(xué)特性的影響Table 5 The impact of AOW treatment on starch thermodynamic parameters

終點(diǎn)溫度與起始溫度間的差值變化反映了淀粉顆粒內(nèi)結(jié)晶體差異程度[18]。淀粉顆粒內(nèi)結(jié)晶差異程度大該差值較大，反之則小。由表5可以看出，淀粉的起始溫度、峰值溫度、終點(diǎn)溫度均增加，馬鈴薯、紅薯、玉米的終點(diǎn)溫度與起始溫度差值減小，說明酸性電位水影響了淀粉顆粒內(nèi)結(jié)晶體差異程度。馬鈴薯淀粉顆粒較其他淀粉顆粒要大，所含支鏈約為75%，大量支鏈?zhǔn)沟民R鈴薯淀粉很容易就糊化，熱焓較低，同時馬鈴薯淀粉含有一定量的磷酸酯基團(tuán)。磷酸酯基團(tuán)因負(fù)電荷之間的作用可使馬鈴薯淀粉迅速水化、膨脹吸水，從而使馬鈴薯淀粉更易糊化[19]。磷酸酯基使淀粉具有很強(qiáng)的鹽/電介質(zhì)敏感性。

2.1.5 酸性電位水處理對淀粉流變特性的影響

酸性電位水處理對淀粉流變特性的影響見圖1、圖 2、圖 3。

圖1 水處理與酸性電位水處理后馬鈴薯淀粉的動態(tài)流變曲線Fig.1 Potato starch dynamic flow curve of water and AOW treatment

圖2 水處理與酸性電位水處理后紅薯淀粉的動態(tài)流變曲線Fig.2 Sweet potato starch dynamic flow curve of water and AOW treatment

圖3 水處理與酸性電位水處理后玉米淀粉的動態(tài)流變曲線Fig.3 Corn starch dynamic flow curve of water and AOW treatment

淀粉在流變學(xué)性質(zhì)方面的差異主要是由于顆粒大小、結(jié)晶度以及直鏈淀粉含量等不同引起的。有研究表明，在淀粉中支鏈淀粉對黏性模量（G″）的貢獻(xiàn)更重要，同時推斷直鏈淀粉對彈性模量（G'）的貢獻(xiàn)更重要[20]。淀粉糊化時，淀粉顆粒外圍的支鏈淀粉顆粒開始膨脹破裂，形成高黏度的凝膠，內(nèi)部直鏈分子在糊液中形成溶膠，凝膠的黏度比溶膠大得多[21]。

由圖1至3可知，酸性電位水處理后，馬鈴薯和紅薯的黏性模量和彈性模量均降低，玉米淀粉的黏性模量和彈性模量提高了。且3種淀粉的黏性模量均大于彈性模量，說明淀粉糊主要表現(xiàn)為黏性，這與淀粉中含有較多的支鏈有關(guān)。酸性電位水可能對淀粉中的直鏈、結(jié)晶度、顆粒大小產(chǎn)生了影響，進(jìn)而使黏彈性發(fā)生變化。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

1）酸性電位水處理后，3種淀粉的溶解度和膨潤力均增大。

2）電位水處理對3種淀粉的凝沉性影響不一樣，只有玉米淀粉的凝沉值變小，即凝膠能力增強(qiáng)了，不易發(fā)生老化。而馬鈴薯的凝沉性變化最大，從無法離心出水分增大到凝沉值為35.2%，變化最為明顯。

3）酸性電位水處理后，馬鈴薯的峰值黏度大幅度降低，熱黏穩(wěn)定性、冷黏穩(wěn)定性也明顯增加，但其凝膠能力減弱。

4）經(jīng)酸性電位水處理后，馬鈴薯及紅薯淀粉的黏性模量與彈性模量減小，而玉米淀粉的黏彈性模量增加，且3種淀粉的黏性模量均大于彈性模量。

3.2 展望

酸性電位水處理淀粉，對其理化流變等性質(zhì)均有不同程度的改變，特別是對馬鈴薯淀粉有較直觀的影響，但還需深入的研究其影響機(jī)理，如對其凍融穩(wěn)定性的影響，質(zhì)構(gòu)，X-射線，電鏡掃描，結(jié)晶度等的影響，這對擴(kuò)大淀粉在食品中的應(yīng)用有重要意義。

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Effects of Electrolyzed-oxidizing Water on Physical&Rheological Properties of Starch

FENG Zhi-qiang1，ZHAO Yuan1，WU Zi-jian2，*
（1.SANQUAN Food Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000，Henan，China；2.Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology，College of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China）

Effects of electrolyzed-oxidizing water （EOW）on physical thermodynamic and rheological properties of potato starch（PS），sweet potato starch（SPS）and corn starch（CS）were evluated.Results showed that：（1）solubility of PS，SPS，CS increased 107%，139.7%and 73%respectively；swelling power of PS，SPS，CS increased 11.65%，7.81%and 8.72%respectively；retrogradation value of PS and SPS increased 35.2%and 9.8%respectively，and retrogradation value of CS decreased 6.07%；viscosity of PS and SPS decreased 74.2%and 11.9%respectively，and viscosity of CS increased 2.01%.（2）Measured results of Differential ScanningCalorimetry（DSC）showedthat：initialgelatinizationtemperatureofPS，SPSandCSincreased17.8%，27.7%and 42.8%respectively，and enthalpy of PS，SPS and CS decreased 31.7%，83.7%and 42.8%respectively；（3）EOW can affect rheological properties of strarch，that is viscoelastic modulus of PS and SPS increased，while that of CS decreased.

starch；physical property；rheological property；electrolyzed-oxidizing water

2017-07-26

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.18.004

河南省重大科技專項(xiàng)（141100110400）

馮志強(qiáng)（1978—），男（漢），工程師，碩士，研究方向：速凍食品，食品添加劑。

*通信作者：吳子?。?973—），男（漢），副教授，博士，研究方向：食品生物技術(shù)。