超聲場中馬鈴薯淀粉糊的特性粘度變化及其機理

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(1.廣西大學輕工與食品工程學院,廣西南寧 530004;2.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,廣西南寧 530004)

超聲波是一種獨特的能源形式,媒質(zhì)分子在不同的超聲時間、超聲聲強中獲取的能量完全不同于傳統(tǒng)的熱能、光能和離子輻射能。一般小振幅超聲波在媒質(zhì)中傳播時,聲波與媒質(zhì)的相互作用可導致聲波的相位與振幅等發(fā)生變化,而媒質(zhì)本身并不發(fā)生任何明顯的改變,或者說聲波不會對媒質(zhì)產(chǎn)生任何明顯效應;但當超聲波作為功率超聲使用時,超聲波聲強增大,聲波傳播將會對媒質(zhì)產(chǎn)生一定的影響和效應,引起媒質(zhì)的狀態(tài)、組分、功能或結構等發(fā)生變化[1]。

超聲技術已經(jīng)在食品工業(yè)中開發(fā)并廣泛應用于提取、干燥、過濾和分離[2-5]。Kang等[6]觀察到在超聲處理后,玉米淀粉糊的粘度和流體動力學半徑顯著降低。Renata等[7]研究了360 kHz超聲波對殼聚糖和淀粉分子的影響,用特性粘度表征了高頻超聲場下淀粉分子的分子量變化規(guī)律。Lipatova等[8]研究超聲場中濃度為1%～8%的淀粉凝膠物性的變化規(guī)律,研究結果表明,超聲波的振動效應使淀粉凝膠的粘度、透明度和相組成發(fā)生明顯變化。Isono等[9]研究40、50、60 ℃超聲場中蠟玉米淀粉粘度曲線變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)40、50 ℃超聲場作用后,淀粉的粘度曲線與原淀粉的粘度曲線趨勢相似,但超聲場作用后淀粉的粘度值降低,60 ℃超聲場作用后淀粉的粘度幾乎為0 Pa·s。但并未有充分的實驗數(shù)據(jù)證明其變化規(guī)律,超聲場中粘度變化規(guī)律的研究比較零散,其中粘度下降的內(nèi)在原因和機理尚未弄清楚。因此,要探明超聲場中食品體系的粘度變化規(guī)律和引起粘度變化的機理,還需要做大量基礎性的研究工作。

本文通過研究超聲場中馬鈴薯淀粉糊單體結構和直鏈淀粉含量的變化,從分子結構水平,探討超聲波與淀粉分子之間的作用機理。通過烏氏粘度計測定淀粉糊特性粘度,研究超聲場中馬鈴薯淀粉糊特性粘度的變化規(guī)律,探討超聲場中馬鈴薯淀粉糊粘度變化的機理。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉 美國國民淀粉(化學)有限公司;二甲基亞砜 廣州化學試劑廠;碘化鉀 天津市化學試劑一廠；除淀粉純度為99.5%外,以上試劑均為AR級。

UP400S超聲波設備 德國Dr.hielscher公司;UV-2102 PC紫外-可見分光光度計 尤尼科(上海)儀器有限公司;Spectrum 2000傅立葉紅外光譜分析儀 美國PE公司;DZF-6050X真空干燥箱 上海博訊實業(yè)有限公司;FW80高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;1835烏氏粘度計 上海暉創(chuàng)化學儀器有限公司;HH-2數(shù)顯超級恒溫水浴鍋 江蘇金壇市富華電器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬鈴薯淀粉糊的制備 稱取馬鈴薯淀粉2.000、4.000、8.000、16.000、24.000、32.000 g,用蒸餾水配成質(zhì)量濃度為0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%的溶液400 mL,攪拌使之充分分散,沸水浴中加熱糊化30 min,隨后冷卻至室溫。

1.2.2 超聲場中馬鈴薯淀粉糊的靜態(tài)實驗 實驗所用到的超聲設備(圖1)的超聲探頭直徑為7 mm,將超聲探頭浸入液面2 cm,超聲占空比為0.5,實際超聲聲強占最大超聲聲強的百分比可在0～100%之間調(diào)節(jié),以此來調(diào)節(jié)超聲聲強的大小。在實驗過程采用冰水浴的方法,調(diào)節(jié)反應體系溫度(25.0±1.0) ℃。所用到的馬鈴薯的稀淀粉糊都經(jīng)過糊化,且每次取樣體積為100 mL。

圖1 馬鈴薯淀粉糊超聲場處理裝置圖Fig.1 Apparatus scheme sketch of ultrasonic treatment for potato starch paste注:1:超聲波發(fā)生器;2:超聲波換能器;3:變幅桿;4:隔音箱; 5:鐵架臺;6:鐵夾;7:反應器;8:冷卻系統(tǒng);9:托板。

1.2.2.1 超聲場作用時間對馬鈴薯淀粉糊特性粘度的影響 控制溫度、超聲聲強以及馬鈴薯淀粉糊濃度不變,研究25.0 ℃下,超聲聲強為300 W/cm2,馬鈴薯淀粉糊濃度為0.5%,超聲時間分別為:0、0.5、1.0、5.0、10.0、30.0、60.0 min時,馬鈴薯淀粉糊特性粘度的變化情況。

1.2.2.2 超聲場聲強對馬鈴薯淀粉糊特性粘度的影響 控制溫度、超聲時間和馬鈴薯淀粉糊濃度不變,研究25.0 ℃下,超聲60 min,馬鈴薯淀粉糊濃度為0.5%,超聲聲強分別為:75、150、225、300 W/cm2時,馬鈴薯淀粉糊特性粘度的變化情況。

1.2.2.3 超聲場中濃度對馬鈴薯淀粉糊特性粘度的影響 控制溫度、超聲時間和超聲聲強不變,研究25.0 ℃下,超聲聲強為300 W/cm2,超聲時間為60.0 min,馬鈴薯淀粉糊的濃度分別為0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%時,馬鈴薯淀粉糊特性粘度的變化情況。

1.2.3 馬鈴薯淀粉糊的干燥和磨碎 將超聲場作用前后的馬鈴薯淀粉液放在平底容器中,隨后放入真空干燥箱,50.0 ℃干燥24 h后取出,用高速萬能粉碎機將其磨碎,過100目篩,收集篩下物裝入塑料瓶,放入真空干燥器中備用。

1.2.4 馬鈴薯淀粉糊的特性粘度測定 在25.0 ℃下用烏氏粘度計(毛細管內(nèi)徑0.57 mm)測定蒸餾水的流出時間為24.44 s,同時采用恒溫水浴一套,選直徑100 mm,高約250 mm的玻璃缸,配置電動機攪拌器和恒溫裝置,將水浴溫度控制在±0.05 ℃之間。

稱取按1.2.3中方法篩后的馬鈴薯淀粉,加入0.3 mL 4 mol/L氫氧化鉀溶液,使馬鈴薯淀粉充分溶解,加入4 mL水,用2 mol/L鹽酸中和,將pH調(diào)至6.5～7.0,用水定容至10 mL,馬鈴薯淀粉溶液置于離心機中,4000 r/min離心20 min,取上層清液5 mL,用蒸餾水配制成50 mL(濃度定為C1),取該溶液10 mL,移入烏氏粘度計,在恒溫水浴中保溫10 min,測定溶液流出時間T1。然后量取5 mL蒸餾水,加入到粘度計中,將粘度計中的溶液稀釋成C2,混勻后取出部分液體,使粘度計內(nèi)液體總體積為10 mL,測定溶液流出時間T2。按同樣的方法,再依次量取蒸餾水5、10 mL,使粘度計中的溶液濃度分別為C3、C4,并分別測定溶液流出時間T3、T4。稀釋后溶液濃度存在以下關系:C1=1.5C2=2C3=3C4,可按下式計算比濃粘度[10]:

式中,ηsp:增比粘度;C:被測溶液濃度;ηsp/C:比濃粘度;T:被測溶液在烏氏粘度計中的流出時間;T0:純?nèi)軇┰跒跏秸扯扔嬛械牧鞒鰰r間。

式中,ηsp:增比粘度;C:被測溶液濃度;ηsp/C:比濃粘度;[η]:特性粘度。

1.2.5 紅外光譜分析 稱取約2 mg按1.2.3中方法過篩后樣品,在紅外燈的照射下,置于瑪瑙研缽中研磨4～10 min,再和150 mg干燥的溴化鉀粉末充分混合,繼續(xù)研磨2～5 min。將研磨好的混合物倒在硫酸紙上,灌注于壓模中,抽真空2 min。緩慢加壓至1×104kg,保持5 min,切斷真空,緩慢除去壓力,取出樣品薄片,放入樣品架上,置于紅外光譜儀內(nèi)在500～4000 cm-1波段掃描,繪出紅外光譜圖。

1.2.6 直鏈淀粉含量的測定 測定直鏈淀粉含量最常用的方法是淀粉與碘復合物比色法,實驗選用二甲基亞砜作為分散劑,測定淀粉中直鏈淀粉的含量。稱取50 mg按1.2.3中方法過篩后的淀粉,溶于90%二甲基亞砜10 mL中,于60.0 ℃水浴中加熱10 min,迅速冷卻,用蒸餾水在容量瓶中定容50 mL,取1 mL與0.5 mL碘液作用(每mL碘液含有0.2 mg碘和2 mg碘化鉀),于50 mL容量瓶定容,顯色10 min,用紫外分光光度計于400～800 nm波長范圍進行掃描[11]。

為了進一步驗證超聲場中馬鈴薯淀粉分子鏈變化情況,以蠟玉米淀粉糊中的直鏈淀粉含量變化為對照,對超聲場中馬鈴薯淀粉糊的直鏈淀粉含量變化進行了測定,方法與上述步驟相同,在620 nm處測定吸光值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析。

2 結果與分析

2.1 超聲場中馬鈴薯淀粉糊的靜態(tài)實驗

2.1.1 超聲場作用時間對馬鈴薯淀粉糊特性粘度的影響 超聲場作用時間是影響馬鈴薯淀粉糊特性粘度的重要因素,其對馬鈴薯淀粉糊特性粘度的影響結果如圖2所示。

圖2 超聲時間對馬鈴薯淀粉糊特性粘度的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on intrinsic viscosity of potato starch paste

由圖2可知,馬鈴薯淀粉糊的特性粘度與作用時間有明顯的依賴關系。超聲場作用使馬鈴薯淀粉糊中大分子變成小分子,發(fā)生了降解反應,特性粘度變小[10],Azhar等[12]解釋可能原因是,超聲場所提供的振動動能和空穴作用能致使化學鍵的斷裂。總的來看,馬鈴薯淀粉糊的特性粘度隨超聲作用時間的規(guī)律是先快速下降后變平緩最后趨于極限值。在超聲場作用初期(0～10.0 min),馬鈴薯淀粉糊的特性粘度大幅度下降,其值從56.302 mL/g迅速降至25.046 mL/g。在超聲場作用中期(10.0～30.0 min),馬鈴薯淀粉糊的特性粘度略有下降,表明在此階段仍有斷鏈反應發(fā)生。在超聲場作用后期(30～60.0 min),馬鈴薯淀粉糊的特性粘度幾乎不再發(fā)生變化,并趨于一個極限值。流體粘度是液體流動時不同速度層分子間的動量傳遞及分子間引力作用所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦的表現(xiàn),與流體內(nèi)部的微觀分子作用有關。超聲場作用時間的增長即意味著輸入能量的累積,輸入能量對淀粉大分子產(chǎn)生高頻剪切振動和射流的力場作用[13],使大分子變成小分子;輸入能量越大,大分子數(shù)目越少,小分子數(shù)目越多,對淀粉糊流動產(chǎn)生的粘性阻力減小[14]。所以馬鈴薯淀粉糊的特性粘度與作用時間有明顯的依賴關系。

2.1.2 超聲場聲強對馬鈴薯淀粉糊特性粘度的影響 超聲場聲強的大小對馬鈴薯淀粉糊特性粘度的影響如圖3所示。

圖3 超聲聲強對馬鈴薯淀粉糊特性粘度的影響Fig.3 Effect of ultrasonic intensity on intrinsic viscosity of potato starch paste

由圖3可知,固定超聲場作用時間為60.0 min時,特性粘度變化規(guī)律為:馬鈴薯淀粉糊在超聲強度分別為75、150、225、300 W/cm2超聲場中,超聲作用后馬鈴薯淀粉糊的粘度依次減小。因此,超聲場作用使得馬鈴薯淀粉糊的特性粘度下降,特性粘度下降程度隨超聲聲強的增大而增大。

對聲強為I的超聲源,超聲波傳播到距聲源X時的聲強I為[12]:

I=I0e-2ax(α為聲吸收系數(shù))

式(1)

超聲聲強度越小,所受聲壓幅值越小,馬鈴薯淀粉糊發(fā)生降解的程度自然就較小;反之,超聲場作用的聲強越大,發(fā)生降解的區(qū)域范圍也越大,馬鈴薯淀粉糊發(fā)生降解的程度越大。超聲聲強的增大與時間的增長具有等同效應,都意味著輸入能量的累積[15]。因此,特性粘度下降程度隨超聲場作用聲強的增大而增大。

2.1.3 濃度對馬鈴薯淀粉糊特性粘度的影響 除了超聲場作用時間與超聲聲強對馬鈴薯特性粘度有影響,馬鈴薯淀粉糊本身的濃度對其特性粘度的變化也有一定的影響,其影響結果如圖4示。

圖4 濃度對馬鈴薯淀粉糊特性粘度的影響Fig.4 Effect of concentration on intrinsic viscosity of potato starch paste

由圖4可知,超聲場中馬鈴薯淀粉糊的特性粘度與淀粉糊的濃度有關。馬鈴薯淀粉糊的濃度越小,超聲場作用后淀粉糊的特性粘度越低。0.5%與1.0%的馬鈴薯淀粉糊在超聲場作用10.0 min,特性粘度變化很大,分別為8.778、25.389 mL/g,而2.0%、4.0%、6.0%、8.0%的馬鈴薯淀粉糊特性粘度變化很小。在流體媒質(zhì)中,由于內(nèi)摩擦而引起的吸收系數(shù)αη可表示為[16]:

式(2)

式中,ω為聲波的角頻率,c為聲速,η和ρ分別為媒質(zhì)的切變粘滯系數(shù)和密度。

由式(2)可見,超聲波在媒質(zhì)中的衰減程度與媒質(zhì)的結構及物理狀態(tài)緊密相關。馬鈴薯淀粉糊的濃度越小,η和ρ越小,超聲波在馬鈴薯淀粉糊中的衰減程度越小,超聲場作用于馬鈴薯淀粉糊的能量越高,所以馬鈴薯淀粉糊的濃度越小,特性粘度下降程度越大,超聲場作用后馬鈴薯淀粉糊的特性粘度越小。因此,在超聲場中稀溶液或溶膠的降解作用較大。在實驗過程中,25.0 ℃下4.0%、6.0%、8.0%馬鈴薯淀粉糊體系的粘度與密度大,超聲波衰減程度大,難以實現(xiàn)空化效應,初始作用的一段時間內(nèi)沒有聲音。考慮到超聲場作用過程中體系粘度與密度的不斷變化、分子的擴散以及輸入的能量在鏈間的重新分配,定量描述超聲場作用在馬鈴薯淀粉糊體系中的強度分布是十分困難的。

2.2 超聲場中馬鈴薯淀粉糊的IR譜圖變化

物質(zhì)的紅外光譜是分子結構的反映,組成分子的各種基團由于產(chǎn)生伸縮振動和變形振動,都有特定的紅外吸收區(qū)域,其它部分對其吸收位置影響較小,因此,紅外光譜分析譜圖中的特征吸收峰,與分子中基團的振動形式相對應[17]。通過對比超聲場作用前后的馬鈴薯淀粉糊的傅立葉紅外光譜(FT-IR)圖,分析超聲場中馬鈴薯淀粉糊組成單體結構的變化規(guī)律。

由圖5知,在紅外譜圖上,波數(shù)在3400 cm-1處有一寬而強的吸收峰，是典型的O-H的伸縮振動[18-20];1642 cm-1處有一中強峰是-CH2中的C-H的彎曲振動[18-20],表明分子中含有吡喃糖苷鍵構型[21];1414 cm-1處有較強的吸收峰是基團-CH2中C-H的彎曲振動;淀粉的紅外光譜中,1300～900 cm-1主要體現(xiàn)了高度耦合的C-O、C-C等鍵的振動,是淀粉的構型敏感帶;常用1047、980 cm-1處來反映淀粉中結晶區(qū)的相關信息[22]。對比未經(jīng)超聲處理的馬鈴薯淀粉糊的FT-IR的特征吸收峰,超聲30 min處理后,3400 cm-1處的O-H吸收峰出現(xiàn)變窄的現(xiàn)象,這可能是由于,馬鈴薯淀粉糊分子間或者分子內(nèi)的氫鍵出現(xiàn)了斷裂或再生[20]。紅外光譜沒有產(chǎn)生新的吸收峰,說明超聲場中馬鈴薯淀粉糊的分子降解僅僅限于對分子主鏈的作用,而對馬鈴薯淀粉糊的單體α-D-吡喃葡萄糖沒有明顯影響。

圖5 超聲前后馬鈴薯淀粉糊的紅外光譜分析譜圖 Fig.5 FT-IR spectra of potato starch paste before and after ultrasonic注:1:馬鈴薯淀粉糊;2:超聲30 min的馬鈴薯淀粉糊。

2.3 超聲場中馬鈴薯淀粉糊與碘絡合物的吸收光譜變化

通過測定淀粉和碘絡合物的吸收光譜,可判斷淀粉中鏈淀粉的含量大小,測定結果如圖6所示。由圖6可知,直鏈淀粉-碘絡合物的λmax=622 nm,馬鈴薯淀粉糊和超聲場中的馬鈴薯淀粉糊與碘絡合物的紫外吸收光譜圖的形狀基本一致,但是最大吸收波長不同。馬鈴薯淀粉糊的λmax=599 nm,超聲場作用30.0 min馬鈴薯淀粉糊的λmax=608 nm,超聲場作用后馬鈴薯淀粉糊的最大吸收波長向長波方向移動。這是因為,在超聲場中,馬鈴薯淀粉分子發(fā)生降解,部分支鏈淀粉的枝杈點發(fā)生斷裂,或長鏈的直鏈淀粉發(fā)生斷裂變成短鏈的直鏈淀粉,超聲場作用后形成了較多的直鏈淀粉。

圖6 馬鈴薯淀粉糊與碘絡合的紫外吸收譜圖Fig.6 UV spectra of combination of iodine and potato starch paste注:1:直鏈淀粉;2:未經(jīng)超聲的馬鈴薯淀粉糊; 3:超聲30 min的馬鈴薯淀粉糊。

由圖7可知,兩種淀粉糊的直鏈淀粉含量隨超聲場作用時間延長而增加。表明在超聲場作用下,馬鈴薯淀粉的1,6-糖苷鍵位置發(fā)生斷裂,或者是直鏈淀粉分子鏈中的1,4-糖苷鍵發(fā)生斷裂。在淀粉主鏈中,α-D-吡喃葡萄糖環(huán)狀結構,由于環(huán)內(nèi)原子之間的相互影響,引起電子云密度平均化,已形成穩(wěn)定結構[17],環(huán)狀結構不容易被超聲波破壞而斷裂,紅外光譜譜圖分析也證明了這一結論。除吡喃葡萄糖環(huán)以外C-O、C-C鍵是整個分子主鏈的薄弱環(huán)節(jié),其平均鍵能分別為351.0、347.6 kJ/mol[17]。從鍵能大小可知,C-O、C-C鍵的鍵能比C-H的鍵能(415.3 kJ/mol)低,分子鏈易在此處斷鏈。因此,超聲場作用導致主鏈的斷裂可能有三種情況,即1,4-糖苷鍵的斷裂、1,6-糖苷鍵的斷裂和1,6-糖苷鍵相連的C-C鍵的斷裂。即C1、C4、C6位置的C-O鍵和C5、C6位置的C-C鍵是超聲場作用最可能斷裂的化學鍵。按鍵能大小推斷,理論上C-C鍵比C-O鍵容易斷裂。但是C-C、C-O鍵的鍵能基本相同,因此均有可能斷裂。從圖5的紅外光譜吸收峰的形狀變化也證明了超聲場作用過程中糖苷鍵發(fā)生了斷裂。在糖苷鍵的特征吸收峰中,1023 cm-1處強峰是-CH2-OH的伸縮振動[13],超聲場作用后峰形由圓滑而鈍變得尖銳。這說明糖苷鍵締合羥基變?yōu)橛坞x(無締合)羥基,峰形因此變尖銳了。由此可以確定,馬鈴薯淀粉糊在超聲場作用過程中,斷裂鍵位置可能發(fā)生在糖苷鍵C-O上。Renata等[7]和Ulanski等[23-25]分別研究了超聲場作用降解殼聚糖,研究結果表明1,4-糖苷鍵是主鏈斷裂的位置。

圖7 超聲場中作用時間與淀粉糊直鏈淀粉含量關系圖Fig.7 The relationship between ultrasonic time and quantity of amylose of potato starch paste注:右邊縱坐標為蠟玉米淀粉糊的吸光度值; 左邊縱坐標為馬鈴薯淀粉糊的吸光度值。

3 結論

馬鈴薯淀粉糊特性粘度隨作用時間的延長而降低,隨超聲聲強的增大而減少;超聲場對稀淀粉糊的影響更大,馬鈴薯淀粉糊的濃度越小,特性粘度下降程度越大,超聲場作用后馬鈴薯淀粉糊的特性粘度越小。傅立葉紅外光譜分析表明,組成淀粉分子的單體α-D-吡喃葡萄糖在超聲場中下沒有明顯改變。超聲場作用后馬鈴薯淀粉糊的直鏈淀粉含量增大,結合鍵能大小分析,推斷出超聲場作用馬鈴薯淀粉糊的斷鏈位置可能發(fā)生在糖苷鍵C-O上。這表明,超聲作用使得馬鈴薯淀粉分子鏈斷裂,馬鈴薯淀粉分子發(fā)生降解,產(chǎn)生較多的直鏈淀粉分子,鏈的纏結程度降低,鏈段的活動性增強,分子間的作用力減弱,馬鈴薯淀粉糊的特性粘度降低。