微波輻射對大米淀粉理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響

袁 璐，胡婕倫，殷軍藝

(南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047)

微波是電磁頻譜的一部分，頻率介于300 MHz～300 GHz之間[1]，家用微波爐常用頻率為2450 MHz(波長12.24cm)，而工業(yè)用途的微波頻率一般為915 MHz(波長32.75 cm)[2-4]。微波輻射加熱主要取決于微波的介電加熱效應(yīng)。微波的介電加熱效應(yīng)是由于極性分子不能瞬間響應(yīng)磁場變化方向，只能通過相互摩擦、碰撞產(chǎn)生大量熱能，從而起到加熱作用[5-6]。

淀粉是一種廣泛存在于谷類、薯類、豆類等植物中的碳水化合物[7-10]，分子式為(C6H10O5)n。大米是中國的主要主食之一，淀粉是大米中的主要成分，約占75～85%。大米制品在市場上已經(jīng)得到了消費(fèi)者的普遍認(rèn)可，大米制品也被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化加工中。大米制品的品質(zhì)特性包括很多的特性，如蒸煮加工品質(zhì)、食用品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)特性。

在日常生活和工業(yè)化應(yīng)用中，微波處理大米制品的應(yīng)用非常廣泛，但是關(guān)于微波處理對大米淀粉理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性影響的國內(nèi)外研究報(bào)道較少，關(guān)于微波輻射對淀粉理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響至今還沒形成統(tǒng)一的結(jié)論。Anderson等[11]在270～1350 W的微波功率下對大米淀粉處理60 min，發(fā)現(xiàn)大米淀粉的顆粒形態(tài)沒有明顯變化，但是淀粉的糊化黏度參數(shù)增加。Zhong等[12]將大米淀粉樣品分別在微波功率為540 W下處理0、10、20和30 min后，發(fā)現(xiàn)微波處理對大米淀粉結(jié)構(gòu)特性沒有影響或影響很小。寧芯等[13]采用2450 MHz微波處理大米淀粉，觀察微波處理后淀粉顆粒破裂，直鏈淀粉含量增加，淀粉的膨脹度和溶解度下降，消化性能提高。

截止目前，大多數(shù)研究主要集中在低水分含量條件下微波處理對淀粉結(jié)構(gòu)和性能的影響，而日常生活和工業(yè)應(yīng)用中大部分大米制品的水分含量很高，因此，加強(qiáng)高水分條件下微波輻射對大米淀粉結(jié)構(gòu)特性影響的研究，有利于微波輻射技術(shù)在大米制品的應(yīng)用。本文從大米粉中提取制備大米淀粉(rice starch，RS)，在高水分含量、微波處理溫度和時(shí)間不同的情況下，利用直/支鏈淀粉試劑盒、掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy，SEM)、X-射線衍射儀(X-ray Diffraction，XRD)和差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry，DSC)等技術(shù)與方法，考察微波輻射對大米淀粉直鏈淀粉含量、顆粒形貌、結(jié)晶特性及DSC特性等指標(biāo)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

樣品：早秈米，產(chǎn)于江西省吉安市萬安縣枧頭鎮(zhèn)。

總淀粉試劑盒、直鏈/支鏈淀粉試劑盒(愛爾蘭Megazyme公司)；無水乙酸鈉、二水氯化鈣、四水氯化錳(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；氫氧化鈉、濃鹽酸、石油醚(沸程60 ℃～90 ℃)、硫酸銅、硫酸鉀、濃硫酸、冰醋酸、氫氧化鉀、氯化鈉、六水氯化鎂、二甲基亞砜、無水乙醇等均為國產(chǎn)分析純(廣州西隴科學(xué)股份有限公司)。

1.2 儀器與設(shè)備

微波合成儀 美國CEM公司；X-射線衍射儀 德國BRUKER D8 ADVANCE；場發(fā)射掃描電鏡帶能譜儀 日本電子JSM 6701F；差示量熱掃描儀 美國TA儀器Q2000；YB-1000A型高速多功能粉碎機(jī) 永康市速鋒工貿(mào)有限公司；XS205電子分析天平 上海梅特勒-托利多儀器公司；DL-5C臺式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；K9860凱氏定氮儀 山東海能科學(xué)儀器有限公司；精密pH計(jì) 上海梅特勒-托利多儀器公司等。

1.3 方法

1.3.1 大米淀粉的提取和理化性質(zhì)的測定

1.3.1.1 大米淀粉的提取

參考文獻(xiàn)方法[14]，將大米用粉碎機(jī)粉碎后過篩100目，干燥保存。稱取一定質(zhì)量的大米粉，采用0.2%氫氧化鈉按1:5(固液比)的比例磁力攪拌并浸泡12 h，更換兩次氫氧化鈉溶液，離心(4 000 r·min-1，10 min)，棄去上清液，刮去上層軟層和黃淀粉，繼續(xù)加蒸餾水分散重復(fù)離心直至沒有黃色的淀粉，使用0.5 mol·L-1鹽酸調(diào)節(jié)pH值為7.0，離心(5 000 r·min-1，10 min)，用蒸餾水重復(fù)洗滌離心3次，45 ℃烘箱干燥24 h，粉碎機(jī)粉碎，100目篩網(wǎng)過篩，得到大米淀粉。

1.3.1.2 基本理化性質(zhì)的測定

采用AOAC official Method 925.10測定水分含量；采用AOAC official Method 923.03測定灰分含量；采用GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測定》測定蛋白質(zhì)含量(凱氏定氮法)；采用GB/T 14772—2008《食品中粗脂肪的測定》測定脂肪含量(索氏抽提法)；采用Megazyme Starch試劑盒法測定總淀粉含量。

1.3.1.3 直鏈淀粉含量的測定

采用Megazyme Amylose/Amylopectin試劑盒，根據(jù)Concanavalin A(Con A)法測定直鏈淀粉含量。

直鏈淀粉(%，w/w)=ΔA1/ΔA2×66.8

其中，ΔA1為直鏈淀粉相當(dāng)于試劑空白讀取的吸光度值；ΔA2為總淀粉相當(dāng)于試劑空白讀取的吸光度值。

支鏈淀粉(%，w/w)=[1-直鏈淀粉]×100

1.3.1.4 顆粒形貌的測定

將待測淀粉樣品預(yù)先進(jìn)行噴金處理，采用場發(fā)射掃描電鏡帶能譜儀(SEM)對淀粉顆粒表面形態(tài)進(jìn)行觀察。

1.3.1.5 結(jié)晶特性的測定

將淀粉樣品用Bede X-射線衍射儀進(jìn)行測定。衍射條件：儀器電壓為40 kV，電流為40 mA，Cu耙(Kα射線)，λ=1.540 6 ?，衍射角范圍1.5°<2θ<60°，0.4 s/步，掃描步長0.02°。用曲線作圖法計(jì)算相對結(jié)晶度，分析軟件計(jì)算無定形面積(Aa)和結(jié)晶峰面積(Ac)面積，求出相對結(jié)晶度[Ac/(Ac+Aa)×100][15]。

1.3.1.6 熱特性的測定

稱取淀粉樣品3 mg放入坩堝內(nèi)，加6 μL蒸餾水，壓樣密封后在室溫放置平衡12 h后測定，以空坩堝為參照，設(shè)定測試溫度范圍為0℃～100℃，升溫速率為10℃/min。測定淀粉的糊化溫度以及糊化焓等熱特性指標(biāo)。

1.3.2 不同微波處理?xiàng)l件對淀粉理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響

在已知水分含量的大米淀粉中加入適量的水分，將大米淀粉調(diào)至需要的水分含量。制備好的淀粉-水懸浮液樣品置于石英容器中，放入微波合成儀的反應(yīng)腔中，程序控制設(shè)定微波處理的功率為10 W，設(shè)置微波的溫度，以及到達(dá)設(shè)置溫度后的處理時(shí)間，對樣品進(jìn)行微波處理。處理完畢后，儀器迅速冷卻處理的樣品，降溫至室溫，將樣品冷凍干燥后進(jìn)行理化特性的測定。

1.3.2.1 水分含量的影響

設(shè)定微波處理溫度為50℃，處理時(shí)間為1 s，考察淀粉水分含量(75%，80%，85%，90%，95%)對微波處理后淀粉理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響。分別測定微波處理后淀粉的直鏈淀粉含量(參考1.3.1.3)、顆粒形貌(參考1.3.1.4)、結(jié)晶特性(參考1.3.1.5)、DSC特性(參考1.3.1.6)。

1.3.2.2 溫度的影響

根據(jù)1.3.2.1中得到的結(jié)果選取合適的微波處理水分含量值，設(shè)定淀粉水分含量為95%，微波處理時(shí)間為1 s，改變處理溫度為50 ℃，60 ℃，70 ℃，80 ℃，90 ℃。分別測定微波處理后淀粉的直鏈淀粉含量(參考1.3.1.3)、顆粒形貌(參考1.3.1.4)、結(jié)晶特性(參考1.3.1.5)、DSC特性(參考1.3.1.6)。

1.3.2.3 處理時(shí)間的影響

從1.3.2.1和1.3.2.2中的結(jié)果選取合適的的微波處理水分含量值和處理溫度，設(shè)定淀粉水分含量為95%，微波處理溫度為70℃，改變處理時(shí)間為1 s和1，10，30，60 min。分別測定微波處理后淀粉的直鏈淀粉含量(參考1.3.1.3)、顆粒形貌(參考1.3.1.4)、結(jié)晶特性(參考1.3.1.5)、DSC特性(參考1.3.1.6)。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。采用IBM SPSS統(tǒng)計(jì)軟件(版本24.0)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：對不同微波處理方法的淀粉各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，并采用Tukey法進(jìn)行兩兩比較，P<0.05則認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 大米淀粉基本理化性質(zhì)的測定

從表1中可以看出，大米粉經(jīng)過堿提法提取的大米淀粉，其蛋白質(zhì)降低至0.48%，脂肪含量為0.03%，淀粉含量提高至96.61%，表明提取所得大米淀粉(RS)屬于高純度淀粉。

表1 大米粉及大米淀粉基本理化性質(zhì) n=3

2.2 不同水分含量微波處理對淀粉理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響

2.2.1 對直鏈淀粉含量的影響

從表2中可以看出，不同水分含量的微波處理對大米淀粉的直鏈淀粉含量并沒有顯著影響。這很有可能是因?yàn)樵谖⒉ㄌ幚磉^程中由于介電處理產(chǎn)生的能量優(yōu)先被水分子吸收，水分子有助于防止脫鏈[16-17]，而淀粉又處在高水分含量下，因此淀粉中的直鏈淀粉不容易受損，不同水分含量的微波處理的大米淀粉的直鏈淀粉含量并沒有明顯的變化。

2.2.2 對顆粒形貌的影響

圖1顯示的是由掃描電鏡觀察到的大米淀粉及不同水分含量微波處理對淀粉顆粒形貌的影響。從圖中可以看出，大米淀粉顆粒較小，粒徑約為3～8 μm，大多數(shù)的淀粉顆粒呈現(xiàn)出不規(guī)則多邊形，顆粒表面比較光滑，顆粒形狀較為規(guī)整[12]。從中選取5 000倍淀粉顆粒形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同水分含量微波處理淀粉的顆粒形狀并沒有明顯變化，但是顆粒表面出現(xiàn)了裂痕。

表2 不同微波處理?xiàng)l件的淀粉中直鏈淀粉含量 n=3

2.2.3 對結(jié)晶特性的影響

圖2(a)顯示的是大米淀粉及不同水分含量微波處理淀粉的X-射線衍射的圖譜，2θ在15°，17°，18°和23°附近都出現(xiàn)了強(qiáng)衍射峰，這是典型的A-型淀粉結(jié)晶特征[18]。在淀粉顆粒中，直鏈淀粉和支鏈淀粉相鄰羥基間經(jīng)氫鍵結(jié)合形成交替存在的結(jié)晶區(qū)與無定形區(qū)[19]。不同水分含量的微波處理后，大米淀粉的晶型并沒有發(fā)生改變，但是淀粉的相對結(jié)晶度降低；隨著大米淀粉的水分含量增加，淀粉的結(jié)晶度有輕微降低。這可能是因?yàn)槲⒉ㄝ椛淦茐牧说矸劢Y(jié)晶區(qū)的部分雙螺旋結(jié)構(gòu)，雙螺旋結(jié)構(gòu)解旋變成非晶區(qū)，導(dǎo)致結(jié)晶度降低[20-21]。不同水分含量的微波處理淀粉的結(jié)晶度相差不大，說明水分含量對淀粉的晶體結(jié)構(gòu)影響不大。

2.2.4 對熱特性的影響

由表3可知，不同水分含量微波處理前后的淀粉糊化溫度并沒有太大的變化，糊化初始溫度基本在64 ℃左右。不同水分含量的微波處理對淀粉的糊化起始溫度、峰值溫度、終止溫度影響較小，微波處理75%和80%水分含量的淀粉糊化焓基本保持不變，微波處理85%，90%，95%水分含量的淀粉的糊化焓輕微降低。微波處理后，糊化焓有所降低，說明微波處理破壞了大米淀粉中雙螺旋結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒結(jié)晶區(qū)的雙螺旋結(jié)構(gòu)解離，淀粉顆粒中的分子排列變得雜亂無序，淀粉更容易糊化，因此淀粉的糊化焓降低[22-23]。

2.3 不同溫度微波處理對淀粉理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響

從表2中可以看出不同溫度的微波處理對大米淀粉的直鏈淀粉含量影響并不顯著，但是對淀粉顆粒形貌的影響很大(圖1)。當(dāng)微波處理溫度達(dá)到50℃的時(shí)候，淀粉顆粒的形狀并沒有變化，只是顆粒表面出現(xiàn)了裂痕。隨著微波處理溫度的升高，淀粉顆粒破裂，部分淀粉發(fā)生糊化，直到溫度為90 ℃的時(shí)候，淀粉完全糊化，淀粉顆粒完全破裂形成片狀。

表3 不同微波處理?xiàng)l件淀粉的熱力學(xué)參數(shù) n=2

從圖2(b)中可以看出，不同溫度微波處理后淀粉的晶體構(gòu)型也沒有改變，但是淀粉的相對結(jié)晶度降低。隨著微波處理的溫度增加，結(jié)晶度逐漸降低；溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，結(jié)晶度顯著性降低，并且淀粉的衍射峰開始變?nèi)?，?0 ℃衍射峰完全消失，形成無定形結(jié)構(gòu)。淀粉結(jié)晶度的變化和淀粉的糊化溫度有關(guān)，在微波處理過程中樣品的溫度達(dá)到糊化溫度之前，淀粉的結(jié)晶度降低的程度并不大；在達(dá)到糊化溫度后變化最大，即淀粉受熱后，顆粒內(nèi)就發(fā)生結(jié)晶態(tài)向無定形態(tài)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，直至完全糊化，結(jié)晶度完全消失。不同溫度微波處理淀粉的熱力學(xué)參數(shù)見表3，從表中可以看出不同溫度微波處理對大米淀粉熱特性的影響較大。隨著微波處理溫度的升高，大米淀粉的糊化溫度也逐漸升高，糊化焓也逐漸降低，直到微波處理溫度為90 ℃時(shí)，淀粉完全糊化，幾乎看不到糊化峰，即糊化焓減小為零。這和不同溫度微波處理對大米淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果相對應(yīng)。

2.4 不同時(shí)間微波處理對淀粉理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響

由表2可知，隨著微波處理時(shí)間的增加，淀粉的直鏈淀粉含量變化不顯著，但是不同時(shí)間微波處理對淀粉顆粒形貌的影響比較顯著(圖1)。當(dāng)微波處理時(shí)間為1 s的時(shí)候，部分淀粉顆粒破裂；隨著微波處理時(shí)間增加至30 min時(shí)，淀粉完全糊化，淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)被完全破壞，小的淀粉顆粒破碎形成大的團(tuán)聚體。

從圖2(c)可以看出，大米淀粉在微波溫度為70 ℃時(shí)，隨著微波處理時(shí)間的增加，淀粉的特征衍射峰變得十分微弱，到30min的時(shí)候，特征衍射峰完全消失，形成了無定形區(qū)。隨著微波處理的時(shí)間增加，大米淀粉不斷受熱糊化，雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，含量不斷減少，導(dǎo)致淀粉的結(jié)晶度降低。不同時(shí)間微波處理淀粉的熱力學(xué)參數(shù)見表3，從表中可知，隨著微波處理時(shí)間越長，糊化溫度逐漸增加，糊化焓逐漸降低。在微波輻射下，破壞了淀粉顆粒中較脆弱的雙螺旋結(jié)構(gòu)，剩下穩(wěn)定性較高的雙螺旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致糊化溫度升高[24]。隨著微波處理時(shí)間越長，雙螺旋結(jié)構(gòu)數(shù)量逐漸減少，從而導(dǎo)致雙螺旋解旋所需的能量降低，糊化焓值降低。

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，微波處理對大米淀粉的直鏈淀粉含量并沒有明顯影響，但會破壞大米淀粉的顆粒形貌、結(jié)晶特性和糊化特性。水分含量對大米淀粉的顆粒形貌、結(jié)晶特性和糊化特性影響較小，但是微波處理的溫度和時(shí)間對大米淀粉的影響比較大。隨著微波處理的溫度越高和時(shí)間越長，淀粉顆粒破壞程度越大；淀粉的晶型沒有發(fā)生改變，但是淀粉的結(jié)晶度逐漸降低；淀粉的糊化溫度逐漸升高，糊化焓逐漸降低。微波處理后，淀粉結(jié)晶度的降低證明了淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)數(shù)量減少，淀粉糊化溫度的升高和糊化焓的降低也進(jìn)一步證實(shí)了微波處理破壞了淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)。綜上所述，微波溫度和時(shí)間對淀粉理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響比較大，這可能與淀粉本身的糊化特性有關(guān)，在微波加熱淀粉糊化過程中，淀粉顆粒在水中因受熱吸水膨脹，淀粉顆粒破裂，分子內(nèi)和分子間的氫鍵破裂，雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致淀粉的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性發(fā)生顯著變化。研究微波處理對大米淀粉理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的影響為微波技術(shù)在米制品的實(shí)際加工應(yīng)用提供了理論數(shù)據(jù)。