水分子相態轉變對花橋板栗淀粉凝膠結構的影響

陳帥，周文化，潘照，晏殊

（特醫食品加工湖南省重點實驗室，糧油深加工與品質控制湖南省協同創新中心，中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南長沙 410004）

水分子參與了淀粉形成凝膠的過程，作為凝膠中的重要組成部分，其會對淀粉凝膠的質構、微觀結構等造成一定影響[1]。同時，淀粉凝膠體系中水分子的相態轉變也會導致淀粉凝膠特性的改變。淀粉凝膠為不穩定體系，水分子相態轉變對淀粉凝膠的結構特性的影響與水分子相態轉變次數、水分子相態轉變速率等密切相關[2]。水分子相態間反復轉變會加劇淀粉凝膠相分離和冰晶的增長，導致淀粉凝膠（糊）粗糙結構的形成，促進淀粉凝膠富集相中淀粉分子回生，水分子相態多次轉變最終引起淀粉凝膠結構的破壞[3]。

研究發現，增加水分子相態轉變次數會加劇糯性玉米淀粉凝膠相分離，并終會引起淀粉凝膠微觀結構的改變和破裂[2]。淀粉凝膠的海綿狀結構形成由直鏈淀粉和支鏈淀粉回生所致，而冷凍過程中冰晶增長會促進海綿狀結構的形成。淀粉種類不同，水分子相態反復轉變對淀粉凝膠結構影響有差異，糯性玉米淀粉凝膠凍融處理后成海綿狀網絡結構，而大米淀粉、荸薺及馬鈴薯淀粉凝膠中水分相態7次反復轉變致凝膠形成蜂巢狀結構，但銀杏淀粉凝膠則成薄層狀結構，超過7次則會破壞菱角淀粉凝膠的蜂巢狀結構和改變大米、土豆及銀杏淀粉凝膠的致密結構。淀粉凝膠微觀結構特性的變化與凍融過程中水分子相態轉變次數之間存在相關性，水分子相態多次轉變最終導致淀粉凝膠微觀結構破裂和塌陷，控制水分子相態轉變次數有利于淀粉凝膠形成多孔結構。同時水分子相態轉變對淀粉凝膠物理化學性質有重要影響。菱角淀粉結晶類型為B型，水分子相態多次轉變可增加菱角淀粉凝膠的結晶性和回生焓變，而水分子相態多次轉變則可降低銀杏淀粉和馬鈴薯淀粉凝膠的轉變溫度和焓變[4～6]。

花橋板栗是近年來湖南省新培育的地方性良種板栗，其開發利用尚處于起步階段。而以其為原料加工而成的花橋板栗淀粉基制品中淀粉和水是最主要的成分。淀粉糊化后所形成的淀粉凝膠對低溫的耐受能力將直接影響產品品質。低溫保藏對淀粉基制品而言是存在一定弊端的，但其仍是貯藏食品的主要方式之一。目前，國內外在水分子相態轉變對板栗淀粉凝膠特性影響機制方面的研究較少，在一定程度上限制了板栗淀粉基制品及其板栗淀粉凝膠類功能性產品的開發與利用。本文以花橋板栗淀粉為研究對象，采用SEM、XRD、FT-IR研究水分子相態轉變處理次數對花橋板栗淀粉凝膠微觀結構、晶體特性等方面的影響。以期為花橋板栗淀粉基制品開發及其品質劣變提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

花橋板栗：于2016年9月采收于湘潭市雨湖區云湖橋鎮金湖良種板栗示范推廣基地，要求外觀品質均一、成熟度適中、無病蟲害。

溴化鉀，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

FD5-4型真空冷凍干燥機，美國西盟國際集團；JSM-IT300LA型掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社；D8 discover型X-射線衍射儀，德國Bruker公司；IRTracer-100型傅立葉紅外光譜儀，日本SHIMADZU公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 花橋板栗淀粉的提取

參考 Correia[7]和周玉杰[8]方法，稍有修改。取新鮮飽滿、無病蟲害的板栗，將其脫殼去衣后，切成小塊，置于 40 ℃烘箱內干燥。用萬能粉碎機機將干燥后的板栗粉碎，得板栗粉。將板栗粉與質量分數為0.1%的NaOH溶液按1：10的比例混合，攪拌均勻后靜置24 h，去除上層清液，下層沉淀加入一定量蒸餾水，用膠體磨磨漿2～3次后過200目篩，將過篩后的溶液以5000 r/min的速率離心20 min。離心后去除上層清液，并將底物沉淀表層的褐色物質刮除，再往沉淀物中加入一定量蒸餾水，搖勻后離心沉淀，重復上述步驟直至上清液pH值至中性、沉淀物為白色后，將沉淀物置于40 ℃烘箱內干燥24 h后，粉碎，過100目篩，即得花橋板栗淀粉。

1.3.2 花橋板栗淀粉凝膠樣品處理

學校給孩子減負，家長主動加壓增負，一場“拉鋸戰”正在上演。8月30日，教育部、國家衛生健康委員會等8部門聯合印發《綜合防控兒童青少年近視實施方案》，提出減輕學生課業負擔，小學一二年級不布置書面家庭作業。在這之前，也有很多城市出臺相關規定，減輕小學生課業負擔。但是，減負的舉措，在現實中卻屢屢受阻，其背后是家長們的焦慮。

將方法 1.3.1所提取到的花橋板栗淀粉配置成質量分數為10%的淀粉懸濁液，置于90 ℃熱水中加熱糊化30 min后，分別移裝于平皿（90×15 mm）中并在室溫條件下冷卻，即得相態轉變次數0次的淀粉凝膠樣品。再將剩余淀粉凝膠依次移裝密封置于-18 ℃的冰箱中進行冷凍處理，冷凍 22 h之后，將其放入30 ℃溫水中進行融化，融化時間為2 h。至此獲得水分子相態轉變1次后的花橋板栗淀粉凝膠。按此方法依次制備相態轉變次數為1、2、3、4、5、6、7次的淀粉凝膠樣品，備用。

1.3.3 微觀結構觀察

取1.3.2所制備的花橋板栗淀粉凝膠樣品，取一小塊樣品使其均勻分布在貼有雙面膠的掃描電鏡專用鋁載物臺臺上，并在上覆蓋一層厚度約為20 nm的導電帶。將鋁載物臺放置于離子濺射鍍膜儀中，對樣品進行噴金處理，120 s后將鋁載物臺取出放入掃描電子顯微鏡中觀察，電子槍加速電壓為10 kV。

1.3.4 X-射線衍射圖譜分析

參照黃倩[10]、高金梅[11]的方法，略有修改。將不同相態轉變后的淀粉凝膠樣品置于真空冷凍干燥機中進行真空干燥，48 h后將淀粉凝膠樣品取出，粉碎過100目篩。采用步進掃描法，特征射線為Cu靶，管壓為40 kV，電流為250 mA，測量角度為2θ=4°～60°，步長為0.02°，掃描速率為8°/min。

參照滿建民、蔡金文[12]等人的方法，采用 MDI Jade 6.0軟件，先對圖譜進行平滑處理，然后對整個圖進行擬合，此時只擬合出非晶峰的強度。最后選擇衍射峰，進行手動擬合，直至全部擬合完成。軟件自動得出結晶度數據。計算不同相態轉變次數花橋板栗淀粉凝膠結晶度。計算公式如下：

1.3.5 傅立葉紅外光譜分析

取不同相態轉變次數的花橋板栗淀粉凝膠樣品與KBr以 1：20～1：100 充分混合，采用 13 mm 磨具用壓片機，壓力為7 MPa，置于傅里葉紅外光譜儀中進行測量，繪制紅外光譜圖。掃描范圍是400～4000 cm-1，光譜分辨率為0.01 cm-1。

1.3.6 數據分析

采用MDI Jade 6.0軟件和SPSS 18.0對數據進行處理，并通過Origin 2017進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 水分子相態轉變對花橋板栗淀粉凝膠微觀結構的影響

對圖1觀察后可知，花橋板栗淀粉凝膠呈現復雜的空間網絡結構，凝膠結構完整性隨著水分子相態轉變處理次數的增加而逐漸被破壞、同時凝膠結構中空洞的均勻性逐漸減小。凝膠由轉變0次增加到轉變4次過程中，凝膠網絡結構中孔洞數量逐漸增加，同時凝膠表面粗糙程度也隨之增大，但孔洞的分布較為均勻，且孔徑較小。但花橋板栗淀粉凝膠在經歷5次轉變處理后，凝膠結構中的孔徑明顯增大，且孔洞的均勻性大大下降，凝膠表面受破壞的變粗糙的程度明顯加深。試驗結果與Vernon-Carter E J等人[13]的研究結果一致。

花橋板栗淀粉凝膠在經歷水分子相態轉變處理的過程中，凝膠中的淀粉顆粒發生聚集形成了具有一定密度的淀粉顆粒聚集區[14]。該區域內淀粉顆粒的密度越高對于淀粉分子鏈發生交聯締合的機會也就越大，由此便形成了厚絲結構[6]。凝膠在解凍后，凍結所形成的冰晶發生融化轉化為液態水，水分子間隔增大，臨近水分子間發生聚合并從凝膠的網絡結構中溢出，從而使得凝膠結構因失水而發生收縮現象，該過程稱為凝膠的失水收縮現象[15]。水分子相態間反復轉變會加劇淀粉凝膠相分離和冰晶的增長，導致淀粉凝膠粗糙結構的形成，促進淀粉凝膠富集相中淀粉分子回生，水分子相態多次轉變最終引起淀粉凝膠結構的破壞[3]。同時，水分子在冷凍過程時在凝膠結構內外形成冰晶，其結構內外形成的冰晶在多次冷凍過程中刺傷凝膠網絡結構，且隨著相態轉變次數的增加，冰晶的形成和融解次數增加，形成了一定的微機械力，擴大了凝膠結構內部中的通道，從而使得凝膠結構中出現了較多的損傷和孔洞[16]。同時花橋板栗淀粉凝膠的結構是十分有序的，在一定程度上說明花橋板栗淀粉在經過轉變的過程中其分子發生了有規律性的重排[17]。花橋板栗淀粉凝膠呈復雜空間層狀網絡結構，這主要是由于花橋板栗淀粉中支鏈淀粉占據絕大部分的原因，其支/直比值為2.748。而玉米、馬鈴薯的支/直比值分別為2.857、2.978，三者差距較小[2]。支鏈淀粉在淀粉凝膠形成過程中對于凝膠的層狀結構有很大的影響，而直鏈淀粉則在層狀結構的基礎上形成鏈橋。兩者共同促進花橋板栗淀粉凝膠復雜空間網絡結構的形成，使其結構更為穩定。

圖1 不同相態轉變次數的花橋板栗淀粉凝膠掃描電鏡圖Fig.1 SEM photos of different phase transition of Huaqiao chestnut starch gels

2.2 水分子相態轉變對花橋板栗淀粉凝膠 X-射線衍射光譜的影響

研究發現水分子相態轉變對淀粉凝膠物理化學性質有重要影響。通過控制水分子相態轉變次數和速率可有效控制淀粉凝膠的結晶性、回生性質等性質，進而掌握淀粉基制品物化性質變化特點及規律[2]。

圖2為質量分數為10%的花橋板栗淀粉凝膠經過水分子相態轉變處理0、1、2、3、4、5、6、7次后所得到的XRD圖譜。花橋板栗淀粉經過糊化后形成凝膠，該凝膠經過凍結、解凍處理后，部分淀粉會發生老化，同時淀粉分子還會在該過程中發生部分的分子重排，從而形成一些新的淀粉結晶區域[18]。因此，從理論上分析可知，若淀粉分子在相態轉變處理后，分子重排形成新的結晶區，在XRD圖譜上應該表現為出現新的結晶峰[19]。實際上，從圖2中可看到其中總出現了許多較為微小的微晶峰。花橋板栗淀粉凝膠經過相態轉變處理后所得到的XRD整體上相差不大，說明相態轉變處理對其形成新的晶體結構貢獻不大，但相態轉變處理能利于花橋板栗淀粉凝膠的空間網絡結構逐漸變得更為有序和規整。由于花橋板栗淀粉凝膠中還存在一定含量的水分，水分在凍結過程中所形成的冰晶體，對淀粉分子重結晶過程會有一定的阻礙作用。該結論與尹志華[20]的研究結論一致。因此，水分子相變處理一方面會破壞淀粉原有的晶體結構，增加支鏈淀粉游離溢出以及削弱雙螺旋結構堆積能力，而另一方面可促進淀粉老化重結晶以及無定型區結構轉化，從而增加新晶體，兩者呈現競爭機制[21]。

圖2 不同相態轉變次數的花橋板栗淀粉凝膠X-射線衍射圖譜Fig.2 X-ray of different phase transition of Huaqiao chestnut starch gels

表1 不同相態轉變次數花橋板栗淀粉凝膠的XRD特征參數Table 1 The characteristic spectrum of XRD pattern of different phase transition of Huaqiao chestnut starch gels

由圖2和表1可知，經歷不同相態轉變處理以后的花橋板栗淀粉凝膠同時具有A型和B型晶體的部分特征，在 2θ=15°、17°、22°和 23°附近存在一系列不同強度的衍射峰，特別是在 17°附近有明顯的衍射峰[22]。在2θ=5.6°附近存在一個很微弱的衍射峰，這是B型晶體結構的存在的一個特征標志峰。說明其花橋板栗淀粉凝膠在經歷不同相態轉變處理后其晶體結構仍然為C型，但是在2θ=22°～24°附近存在一個雙肩峰，而其中B型晶體含量較多。說明經歷相態轉變處理后，在一定程度上能使花橋板栗淀粉凝膠中的部分晶體的轉變為B型晶體。從結晶度角度分析，隨著相態轉變處理次數的增加，花橋板栗淀粉凝膠的結晶度從2.97%增加到了12.78%，但是在相態轉變處理6次后，結晶度又開始下降，相態轉變處理7次后，結晶度下降為5.712%。這表明花橋板栗淀粉凝膠在經歷適當的相態轉變處理以后，在一定程度上能使凝膠中的淀粉分子發生部分的老化作用，從而導致其結晶度升高[23]。但是當相態轉變次數增加到一定程度以后，處理會削弱花橋板栗淀粉分子雙螺旋結構的穩定性，導致結晶區比例減小，并使其結晶度下降[24]。同時，花橋板栗原淀粉的結晶度為28.20%，形成凝膠后其結晶度大大下降，表明花橋板栗淀粉形成凝膠后其淀粉晶體被破壞，水分含量對花橋板栗淀粉凝膠的結晶性能有較為顯著的影響。這可能是由于水分子與淀粉分子結合后使其結構發生崩解，且隨著水分含量的升高，淀粉分子的崩解程度越高、晶體結構破壞越嚴重[25]。

2.3 水分子相態轉變對花橋板栗淀粉凝膠傅里葉紅外光譜的影響

圖3為經過不同相態轉變次數后的花橋板栗淀粉凝膠傅里葉紅外光譜圖。由圖看出，水分子相態轉變0～7次的花橋板栗淀粉凝膠傅里葉紅外光譜圖中均存在三個特征吸收峰，分別在3450 cm-1、1150 cm-1和1020 cm-1附近。

表2 特征吸收峰的頻率Table 2 The frequency of the characteristic absorption peak

表2為花橋板栗淀粉及其凝膠的傅里葉紅外光譜圖特征峰的吸收波長。由表可知：基頻區中，在波長為3399.85 cm-1附近有一個較寬的吸收峰存在，其代表淀粉分子中的羥基（-OH）發生伸縮振動所產生。指紋區中：在波長為1020.94 cm-1附近有較小的吸收峰存在，其代表淀粉分子中C-O-C的C-O振動。在1153.64 cm-1處代表醇羥基中的C-O伸縮振動[26～29]。隨著相態轉變次數的增加，花橋板栗淀粉凝膠的羥基（-OH）的吸收峰的頻率顯著增大，明顯向高頻方向偏移，即發生紅移。而醇羥基中的、C-O-C中的C-O吸收峰的頻率逐漸減小，明顯向低頻方向偏移，即發生藍移。這說明花橋板栗淀粉在糊化過程中，水分子與淀粉分子之間形成了氫鍵，同時破壞了淀粉分子內部所存在的部分氫鍵[30]。當轉變次數增加到一定程度后，醇羥基中的和C-O-C中的C-O的吸收峰波長分別在轉變3次后和轉變4次后不再發生改變，即其峰位不發生偏移。但兩者的峰高呈現隨轉變次數的增加而增加的趨勢，這能表明花橋板栗淀粉在糊化過程中，其分子內部的氫鍵被破壞，在相態轉變處理過程中，淀粉分子內部的氫鍵再次發生結晶作用，同時使淀粉分子內部的氫鍵數量隨著轉變次數的增加而增加[31]。

3 結論

本試驗以花橋板栗淀粉為研究對象，采用掃描電子顯微鏡、X-射線衍射儀、傅里葉紅外光譜儀研究轉變處理次數對花橋板栗淀粉凝膠微觀結構、晶體特性等方面的影響。實驗結果表明：花橋板栗淀粉凝膠的結構是十分有序的，相態轉變處理使得花橋板栗淀粉凝膠結構因失水而發生失水收縮現象。隨著相態轉變處理次數由0次增加到7次過程中，花橋板栗淀粉凝膠空間網絡結構中的孔徑變大，同時發生了有規律性的重排。支鏈淀粉在淀粉凝膠形成過程中對于凝膠的層狀結構有很大的影響，而直鏈淀粉則在層狀結構的基礎上形成鏈橋。兩者共同促進花橋板栗淀粉凝膠復雜空間網絡結構的形成，使其結構更為穩定。花橋板栗淀粉凝膠經過相態轉變處理后所得到的XRD整體上相差不大，說明相態轉變處理對其形成新的晶體結構貢獻不大，花橋板栗淀粉凝膠在經歷不同相態轉變處理后其晶體結構仍然為C型，在2θ=22°～24°附近存在一個雙肩峰，而其中B型晶體含量較多，晶體結構變味 CB型晶體。隨著相態轉變處理次數的增加，花橋板栗淀粉凝膠的結晶度從2.97%增加到了12.78%，但是在相態轉變處理6次后，結晶度又開始下降，相態轉變處理7次后，結晶度下降為5.71%。花橋板栗淀粉形成凝膠后其淀粉晶體被破壞，水分含量對花橋板栗淀粉凝膠的結晶性能有較為顯著的影響。隨著轉變次數的增加，花橋板栗淀粉凝膠的羥基（-OH）的吸收峰發生紅移；而醇羥基中的、C-O-C中的C-O吸收峰發生藍移，說明花橋板栗淀粉在糊化過程中，水分子與淀粉分子之間形成了氫鍵，同時破壞了淀粉分子內部所存在的部分氫鍵。當轉變次數增加到一定程度以后，醇羥基中的和C-O-C中的C-O的吸收峰波長分別在轉變3次以后和轉變4次以后不再發生改變，即其峰位不發生偏移。但兩者的峰高呈現隨轉變次數的增加而增加的趨勢，這能表明花橋板栗淀粉在糊化的過程中，其分子內部的氫鍵被破壞，在相態轉變處理過程中，淀粉分子內部的氫鍵再次發生結晶作用，同時并使淀粉分子內部的氫鍵數量隨著轉變次數的增加而增加。