高壓微射流處理對(duì)馬鈴薯淀粉結(jié)構(gòu)和糊特性的影響

陳璐璐，玄晨宇，代養(yǎng)勇*，侯漢學(xué) ，王文濤，丁秀臻，張慧

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省糧食加工技術(shù)工程技術(shù)研究中心，山東 泰安 271018）

淀粉作為高等植物的主要能源儲(chǔ)備，廣泛存在于植物根、莖、作物種子和主要農(nóng)作物如水稻、玉米、小麥、木薯、馬鈴薯中[1]。淀粉分子是由多個(gè)無(wú)水葡萄糖單元以獨(dú)特和獨(dú)立的形式組合而成的聚合物，呈白色固體狀。不同淀粉顆粒大小不同，其中馬鈴薯淀粉顆粒最大，其粒徑可達(dá)到100 μm，因此馬鈴薯淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，較易受到外力作用，易于糊化[2]。馬鈴薯淀粉含有磷酸基團(tuán)，其互相排斥作用使淀粉能夠更好地水合，形成透明度較高的淀粉糊。馬鈴薯淀粉具有很好的加工性能，如色澤潔白、黏糊度大、透明度高等，應(yīng)用于食品、紡織、化工等多個(gè)領(lǐng)域[3]。但馬鈴薯淀粉在理化性質(zhì)方面具有難以克服的局限性，例如低剪切性以及馬鈴薯淀粉的粒徑大，大顆粒的馬鈴薯淀粉易膨脹而導(dǎo)致高黏度，使得質(zhì)地粗糙[4]。為改善馬鈴薯淀粉的物理化學(xué)方面的天然局限性，可以使用物理、化學(xué)或者生物的方法進(jìn)行改性，相比較而言，物理的方法更為綠色安全，不需添加任何物質(zhì)。

淀粉的物理處理方法包括高靜壓、超聲、輻射、球磨等方法，使淀粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生改變。高壓微射流技術(shù)是一種新興的短時(shí)、快速、高效的動(dòng)態(tài)高壓處理技術(shù)[5]。該技術(shù)是以流體力學(xué)及超高壓理論為基礎(chǔ)的特殊處理過(guò)程，瞬間就可產(chǎn)生高達(dá)200 MPa的壓力，處理時(shí)間短、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性操作[6]。該技術(shù)不僅克服了分批處理的缺陷，還通過(guò)迫使加壓的流體流過(guò)微小的間隙而被均質(zhì)，使得樣品在處理過(guò)程中更加均勻、穩(wěn)定。據(jù)研究表明，高壓微射流在處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生剪切、撞擊、振蕩等強(qiáng)烈機(jī)械力作用，使得淀粉的結(jié)構(gòu)被破壞、流變、熱力學(xué)等性質(zhì)也發(fā)生改變[6-8]。

本文通過(guò)研究不同壓力條件下高壓微射流處理對(duì)馬鈴薯淀粉結(jié)構(gòu)和糊特性的影響，分析高壓微射流處理后的淀粉結(jié)構(gòu)與其糊特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為淀粉綠色改性技術(shù)提供理論支持，從而拓寬?cǎi)R鈴薯淀粉在高端產(chǎn)品中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉：甘肅省成林三豪有限公司；碘（分析純）、碘化鉀（分析純）、氫氧化鈉（分析純）、無(wú)水乙醇（分析純）：天津凱通化學(xué)試劑有限公司；直鏈淀粉（分析純）：上海源葉生物科技有限公司；氰基硼氫化鈉（分析純）、8-氨基芘基-1，3，6三磺酸三鈉鹽（APTS）（熒光級(jí)）：美國(guó)sigma-aldrich公司。

AMH-3高壓微射流儀器：中國(guó)ATS工業(yè)系統(tǒng)有限公司；LSM 510 META激光共聚焦顯微鏡：德國(guó)卡爾蔡司公司；RVA-Eritm黏度分析儀：瑞典波通儀器有限公司；UV-2100型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：上海元析儀器有限公司；mastersizer 2000激光粒度儀：英國(guó)馬爾文儀器有限公司；DXR2xi激光共聚焦拉曼光譜儀：美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司；WSB-Ⅵ型智能白度分析儀：杭州大吉電光儀器有限公司。

1.1.2 馬鈴薯樣品的制備

稱取馬鈴薯淀粉（100.00 g，干基），加入蒸餾水制備12%的淀粉懸浮液。淀粉懸浮液在高壓微射流儀器中分別進(jìn)行40、80、120、160 MPa處理。該儀器配有直徑75 μm的均質(zhì)腔室和與均質(zhì)腔連接的冷卻水循環(huán)泵，防止樣品受到嚴(yán)重的熱損傷，并保證最小的溫度沖擊。高壓微射流處理后的淀粉樣品在45℃恒溫烘箱中干燥，研磨后通過(guò)200目篩。所有樣品保存在自密封袋中。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水溶指數(shù)和膨脹度的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取9.00 g馬鈴薯淀粉于燒杯中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的淀粉乳450 mL，85℃水浴糊化30 min，3000 r/min離心30 min。將上清液傾出于已恒定質(zhì)量的燒杯中，稱量并記錄，然后于105℃烘干至恒質(zhì)量，稱其質(zhì)量為溶解的淀粉質(zhì)量A，稱取離心后沉淀物質(zhì)量為膨脹淀粉質(zhì)量P，計(jì)算水溶指數(shù)和膨脹度。公式如下[9]。

式中：S為水溶指數(shù)，%；B為膨脹度，g/g；A為上清液烘干恒量后的質(zhì)量，g；W為絕干樣品質(zhì)量，g；P為離心后沉淀物質(zhì)量，g。

1.2.2 黏度特性測(cè)定

使用快速黏度分析儀（rapid viscosity analyzer，RVA）分析淀粉的黏度特性。根據(jù)淀粉含水量配制一定濃度樣品懸浮液，將懸浮液在50℃下穩(wěn)定2 min，然后加熱到95℃、10 min，在該溫度下保持5 min，然后在10 min內(nèi)冷卻到50℃，并在50℃下保持5 min[10]。

1.2.3 粒徑分布

將淀粉樣品懸浮于去離子水中，配制成0.05 mg/mL的懸浮液，將待測(cè)液攪拌均勻后倒入激光粒度儀的樣品池中，測(cè)定淀粉顆粒的粒徑大小[11]。

1.2.4 外觀白度的測(cè)定

根據(jù)GB/T 22427.6—2008《淀粉白度測(cè)定》中規(guī)定方法，使用智能白度測(cè)定儀進(jìn)行淀粉樣品白度測(cè)定。

1.2.5 直鏈淀粉的表觀含量（apparent amylose content，AAC）測(cè)定

根據(jù)GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量測(cè)定》中的測(cè)定方法，對(duì)淀粉中的直鏈淀粉表觀含量進(jìn)行測(cè)定。

1.2.6 拉曼光譜分析

測(cè)試條件如下：533 nm綠色二極管激發(fā)光源，掃描波數(shù)范圍3 400 cm-1～50 cm-1，分辨率4 cm-1。使用軟件PeakFit v4.12擬合處理拉曼圖譜，并計(jì)算特征峰值和480 cm-1處特征峰的半峰寬。每個(gè)樣品測(cè)量3次。

1.2.7 激光共聚焦顯微鏡（confocal laser scanning microscope，CLSM）

準(zhǔn)確稱取原淀粉樣品（10.00 mg）與10 mmol/L的8-氨基芘基-1，3，6 三磺酸三鈉鹽醋酸溶液（15 μL）和1 mol/L氰基硼氫化鈉（15 μL）混合均勻，30℃下反應(yīng)15 h，再用1 mL去離子水將染色后的淀粉樣品清洗5次，然后懸浮于100 μL 50%的甘油與水的混合液中，取一滴懸浮液于CLSM觀察，并記錄下淀粉顆粒的微觀結(jié)構(gòu)[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)樣品均進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。采用Origin 8.5、Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高壓微射流對(duì)馬鈴薯淀粉內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響

高壓微射流對(duì)馬鈴薯淀粉內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響見(jiàn)圖1。

APTS染色機(jī)理主要是通過(guò)染色劑與淀粉分子的還原段末端發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生熒光現(xiàn)象[13]。但在相同分子量下，直鏈淀粉比支鏈淀粉的還原末端多，更容易染色產(chǎn)生熒光[14]。圖1中很明顯可看出淀粉顆粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部包含半結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)兩部分交替組成同心環(huán)狀殼層（生長(zhǎng)環(huán)）空間結(jié)構(gòu)，其中殼層厚度120 nm～400 nm，還有孔道結(jié)構(gòu)[15]。40 MPa處理后淀粉的生長(zhǎng)環(huán)結(jié)構(gòu)變模糊，可見(jiàn)高壓微射流的機(jī)械力對(duì)淀粉顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。在80MPa處理后，淀粉顆粒內(nèi)部孔道和生長(zhǎng)環(huán)結(jié)構(gòu)又變得清晰。在120 MPa～160 MPa處理后淀粉顆粒明顯發(fā)生破損，熒光現(xiàn)象散布在顆粒周圍，可推測(cè)較高壓力下的高壓微射流作用破壞了淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，分子鏈發(fā)生降解，內(nèi)部直鏈淀粉溶出且分布在顆粒周圍。

圖1 不同壓力下馬鈴薯淀粉的CLSM圖（×1 600）Fig.1 CLSM of potato starch by different pressures（×1 600）

2.2 高壓微射流對(duì)馬鈴薯淀粉粒徑和白度的影響

高壓微射流對(duì)馬鈴薯淀粉粒徑和白度的影響見(jiàn)表1。

表1 不同壓力下馬鈴薯淀粉的粒徑和白度Table 1 The particle size and whiteness of potato starch by different pressures

D10、D50和D90代表顆粒數(shù)目小于10%，50%和90%所占的粒徑。馬鈴薯淀粉的白度與其顆粒形狀大小以及內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)[16]。由表1可知，經(jīng)高壓微射流處理的馬鈴薯淀粉顆粒的破壞程度與白度成正相關(guān)[17]。當(dāng)處理壓力為40 MPa時(shí)，馬鈴薯淀粉顆粒粒徑減小，比表面積變大，其表面所含有的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等雜質(zhì)成分比顆粒大的淀粉多，所以淀粉白度降低。80 MPa時(shí)，D10、D50、D90均增大，一方面是由于部分淀粉顆粒隨壓力的增大而破壞，小顆粒數(shù)量的增多加劇了顆粒表面的范德華力和靜電引力，即二次顆粒；另一方面是高壓處理環(huán)境使淀粉發(fā)生糊化，導(dǎo)致顆粒聚集成團(tuán)使粒徑變大[18]。當(dāng)壓力增大至120 MPa時(shí)，淀粉顆粒進(jìn)一步破壞，淀粉晶體破損，粒徑進(jìn)一步減小。160 MPa時(shí)，部分淀粉顆粒被破碎成較小尺寸的碎片（圖1），甚至喪失了晶體結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒之間團(tuán)聚到一起，導(dǎo)致顆粒粒徑增大。由于該淀粉顆粒表面產(chǎn)生裂紋與凹陷，導(dǎo)致淀粉白度下降至80.30[19]。

2.3 高壓微射流對(duì)馬鈴薯淀粉的AAC、水溶指數(shù)和膨脹度的影響

高壓微射流對(duì)馬鈴薯淀粉的AAC、水溶指數(shù)和膨脹度的影響見(jiàn)圖2。

圖2 不同壓力下馬鈴薯淀粉的AAC、水溶指數(shù)和膨脹度Fig.2 Potato starch AAC，water melt index and swelling degree by different pressures

淀粉溶解度和膨脹度與其顆粒粒度、晶體結(jié)構(gòu)的破壞以及短程有序結(jié)構(gòu)有關(guān)[20]。結(jié)合粒徑分布可得知淀粉的直鏈淀粉含量與粒徑大小成正比。水溶指數(shù)變化趨勢(shì)為隨著處理壓力的增大而逐漸上升，壓力的增大會(huì)造成淀粉小顆粒數(shù)目的增多。較小的顆粒具有較大的比表面積和較短的水分子擴(kuò)散路徑[21]。此外，直鏈淀粉/支鏈淀粉比率也會(huì)改變淀粉顆粒吸水和膨脹的能力[22]。

受力開(kāi)始時(shí)（40 MPa），淀粉中部分雙螺旋結(jié)構(gòu)解開(kāi)，導(dǎo)致淀粉顆粒結(jié)構(gòu)變疏松，直鏈淀粉易于溶解。當(dāng)壓力升高至80 MPa時(shí)，AAC降低，水溶指數(shù)降低至10.67%，膨脹度下降至32.42 g/g?？梢酝茰y(cè)此階段淀粉顆粒內(nèi)部發(fā)生聚集，支鏈淀粉與水的結(jié)合能力減弱。當(dāng)120 MPa時(shí)，高壓微射流處理導(dǎo)致淀粉結(jié)晶區(qū)的分子排列改變以及淀粉顆粒破損，導(dǎo)致直鏈淀粉易溶出，水溶指數(shù)顯著增大。

當(dāng)160 MPa時(shí)，可能是由于高壓微射流導(dǎo)致部分支鏈淀粉分子斷裂，溶出直鏈淀粉增多[23]；該階段淀粉顆粒微晶結(jié)構(gòu)遭到破壞，水分子與淀粉聚合物鏈上的游離羥基間的氫鍵會(huì)變?nèi)鮗24-25]，所以水溶指數(shù)顯著增大。但是該階段馬鈴薯淀粉顆粒完全破碎，大量淀粉分子溶出，會(huì)導(dǎo)致膨脹度進(jìn)一步降低[26]。

2.4 高壓微射流對(duì)馬鈴薯淀粉拉曼光譜的影響

高壓微射流處理前后的馬鈴薯淀粉的拉曼光譜和峰強(qiáng)度分析見(jiàn)圖3和表2所示。

表2 不同壓力下馬鈴薯淀粉拉曼光譜分析Table 2 Raman spectrum analysis of potato starch by different pressures

如圖3所示，馬鈴薯淀粉經(jīng)不同壓力的高壓微射流處理，具有基本相同的拉曼光譜峰，且特征峰的位置一致，但是衍射峰的強(qiáng)度產(chǎn)生了變化。根據(jù)Wiercigroch等[27]研究，可以確定拉曼光譜中特征峰與淀粉結(jié)構(gòu)的關(guān)系。在476 cm-1處顯示了一個(gè)較高強(qiáng)度的衍射峰，該峰歸因于C-O-C的彎曲振動(dòng)和C-C-O的骨架模式振動(dòng)，代表了淀粉中多糖成分的特征衍射峰[28]。高壓微射流處理后該波段強(qiáng)度發(fā)生改變，表明聚合物鏈的位置發(fā)生了變化。939 cm-1附近的峰主要由直鏈淀粉α-1，4-糖苷鍵的彎曲振動(dòng)產(chǎn)生。1 125 cm-1區(qū)間主要包括C-OH彎曲，C-O伸縮以及C-OH的彎曲振動(dòng)。1 340 cm-1附近的峰主要是由CH2振動(dòng)耦合和CO-H振動(dòng)組成[29]。2 910 cm-1區(qū)域與C-H的對(duì)稱和不對(duì)稱的拉伸有關(guān)。強(qiáng)度變化和位移可主要?dú)w因于樣品中直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的變化[30]。結(jié)合圖表可知。在480 cm-1骨架模式區(qū)域和2 910 cm-1C-H拉伸模式區(qū)域中的譜帶對(duì)高壓微射流的處理過(guò)程敏感，變化顯著。

圖3 不同壓力下馬鈴薯淀粉的拉曼光譜圖Fig.3 Raman spectra of potato starch by different pressures

研究表明，拉曼光譜特征峰的強(qiáng)度與淀粉結(jié)晶度有關(guān)[31]。拉曼圖譜480 cm-1的半峰寬可用于表征淀粉分子的有序化，二者關(guān)系呈負(fù)相關(guān)[32]。如表2所示，經(jīng)40 MPa處理后，馬鈴薯淀粉的拉曼光譜的峰值強(qiáng)度普遍降低，半峰寬增大，這表明高壓微射流處理導(dǎo)致淀粉的結(jié)晶度降低，淀粉分子無(wú)序化程度加深。由于80 MPa處理后淀粉顆粒內(nèi)部出現(xiàn)聚集，所以峰值強(qiáng)度提高；并且半峰寬減小，說(shuō)明此階段淀粉顆粒內(nèi)部分子有序化程度提高。120 MPa～160 MPa處理后，衍射峰強(qiáng)度顯著降低，而半峰寬增大，表明淀粉顆粒的結(jié)晶度降低，顆粒無(wú)序化程度增加。這可歸因于高壓微射流產(chǎn)生的機(jī)械力導(dǎo)致淀粉顆粒破損，分子內(nèi)部的氫鍵遭到破壞，淀粉分子鏈斷裂。

2.5 高壓微射流對(duì)馬鈴薯淀粉糊特性的影響

高壓微射流對(duì)馬鈴薯淀粉糊特性的影響見(jiàn)表3。

表3 不同壓力下馬鈴薯淀粉的糊特性Table 3 Paste characteristics of potato starch by different pressures

馬鈴薯淀粉含有帶負(fù)電的磷酸酯，淀粉鏈之間相互排斥，促進(jìn)了淀粉顆粒溶脹[33]。因此馬鈴薯原淀粉的各項(xiàng)黏度值很高，尤其峰值黏度超過(guò)了測(cè)量范圍（≤8 000 mPa·s）。當(dāng)壓力為 0～120 MPa時(shí)，隨著壓力的增大，馬鈴薯淀粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值以及終值黏度的數(shù)值均減小，回生值則相反。當(dāng)壓力增大至160 MPa時(shí)，馬鈴薯的各項(xiàng)黏度特征值均驟降?？赡苁怯捎诟邏何⑸淞魈幚韺?dǎo)致馬鈴薯淀粉顆粒內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)破壞（圖1），淀粉顆粒無(wú)序化程度的提高，導(dǎo)致直鏈淀粉易溶出且支鏈淀粉易分散[34]。

崩解值代表糊化后淀粉顆粒的破損程度，并且是淀粉顆粒抵抗剪切和高溫的穩(wěn)定性的量度[35]。高壓微射流處理破壞了淀粉顆粒，淀粉分子的無(wú)序化程度提高，糊化過(guò)程中淀粉分子吸水性降低，導(dǎo)致淀粉顆粒糊化過(guò)程有限膨脹，所以崩解值降低。冷卻至50℃后淀粉糊的黏度增加值定義為回生值。在該階段，淀粉分子發(fā)生重排或回生。隨著處理壓力升高至120 MPa，馬鈴薯淀粉回生值顯著增加而崩解值顯著降低。這表明，隨著處理壓力的升高，長(zhǎng)鏈支鏈淀粉的降解和解聚，增加了聚合物鏈的線性部分，從而促進(jìn)了淀粉分子鏈的重新結(jié)合或重新排列，抗剪切強(qiáng)度提高，而凝膠的回生速度變快，并且形成穩(wěn)定的冷淀粉糊[36]。

結(jié)合圖1和表3可看出，160 MPa處理后馬鈴薯淀粉顆粒結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，RVA的各項(xiàng)黏度數(shù)值急劇降低，說(shuō)明破損的淀粉顆粒片段以及分散的淀粉分子，在糊化過(guò)程中難以形成凝膠形態(tài)，只能形成具有黏性的糊狀溶液，其抗剪切能力大大減弱[37]?？梢?jiàn)，高壓微射流處理產(chǎn)生的機(jī)械力作用可深入到淀粉顆粒內(nèi)部，使得淀粉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，尤其是在更高的壓力下影響更加顯著。

3 結(jié)論

高壓微射流處理后淀粉分子的微觀結(jié)構(gòu)、直鏈淀粉的表觀含量、結(jié)晶度等發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響了淀粉糊的溶解度、膨脹度、黏度等性質(zhì)。馬鈴薯淀粉的黏度隨著高壓微射流壓力的增大而顯著降低，穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，有助于馬鈴薯淀粉在高端產(chǎn)品中的應(yīng)用。研究結(jié)果還表明高壓微射流對(duì)淀粉具有機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)，其作用機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。