電場(chǎng)處理對(duì)大米淀粉理化性質(zhì)的影響

王詩(shī)雁 韓 忠 劉忠義 岳書(shū)杭 劉紅艷

(廣西高校北部灣特色海產(chǎn)品資源開(kāi)發(fā)與高值化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(欽州學(xué)院)1，欽州 535000) (湘潭大學(xué)化工學(xué)院2，湘潭 411105) (華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院3，廣州 510641)

大米淀粉的潛在用途非常廣泛，如造紙、照相用紙、化妝品添加劑和藥品賦形劑，湯羹、沙司的增稠劑、烘焙食品的抗老化劑和擠壓食品的膨化劑[1]。商用大米淀粉是一種細(xì)白粉末，顆粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)緊密，和所有原淀粉一樣糊化后容易老化[1,2]，這些特性限制了它的應(yīng)用。采用化學(xué)修飾方法對(duì)大米淀粉進(jìn)行改性，例如羥乙基化[3]、磷酸酯化[4]以及羧甲基化[5,6]，可以改善其理化特性，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

除了使用化學(xué)法外，淀粉的改性還可以通過(guò)生物酶法[7]和物理法[8,9]完成。相較于化學(xué)法和酶法改性，物理法改性不引進(jìn)新的化學(xué)基團(tuán)，不改變淀粉的化學(xué)組成，只破壞生物大分制之間的分子間作用力，改變淀粉顆粒的物理結(jié)構(gòu)。物理改性法中的脈沖電場(chǎng)技術(shù)是一種新型的非熱加工技術(shù)，近年來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注[10]。電場(chǎng)處理能明顯破壞蛋白質(zhì)、淀粉等大分子物質(zhì)的分子間作用力，能改變蛋白質(zhì)[11]和淀粉[8,12]的高級(jí)結(jié)構(gòu)，但不破壞共價(jià)鍵。通過(guò)高壓脈沖電場(chǎng)處理普通玉米淀粉的結(jié)果顯示[8]，淀粉的相對(duì)結(jié)晶度下降，顆粒表面遭到破壞，冷熱糊穩(wěn)定性提高。

本研究利用脈沖電場(chǎng)處理大米淀粉乳，結(jié)合掃描電子顯微鏡、紅外光譜儀和X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行表征分析，研究脈沖電場(chǎng)處理前后淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的改變，測(cè)定淀粉糊的透明度、凝沉性、凍融穩(wěn)定性和溶解度，研究電場(chǎng)處理是否會(huì)對(duì)淀粉糊理化性質(zhì)產(chǎn)生影響。旨在探討一種新的處理方法，制備以大米淀粉為原料的改性淀粉，以期滿(mǎn)足淀粉的市場(chǎng)需求。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米淀粉：食品級(jí)；氯化鈉：AR。

1.2 儀器與設(shè)備

SY-20脈沖電場(chǎng)設(shè)備； DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀； DZF-6050真空干燥箱；SHA-C恒溫振蕩儀；UV-1800紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)；XL-30掃描電鏡；Nexus Por Euro傅里葉紅外光譜儀；Empyrean X射線衍射儀。

1.3 方法

1.3.1 脈沖電場(chǎng)預(yù)處理大米淀粉

1.3.1.1 大米淀粉的電場(chǎng)處理過(guò)程

稱(chēng)取一定質(zhì)量的大米淀粉，加入蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%淀粉乳。不斷攪拌淀粉乳并逐滴加入氯化鈉溶液，將乳濁液的電導(dǎo)率調(diào)至150 μs/cm。用蠕動(dòng)泵將淀粉乳泵入處理室進(jìn)行電場(chǎng)處理。設(shè)定樣品流速為120 mL/min，電場(chǎng)強(qiáng)度分別為2、4、6、8、10、12 kV/cm，處理時(shí)間分別為400、800、1 200、1 600、2 000 μs。經(jīng)脈沖電場(chǎng)處理后的淀粉乳，洗滌、抽濾后放入45℃烘箱中干燥24 h，烘干后粉碎過(guò)200目篩，收樣備用。

1.3.1.2 電場(chǎng)處理時(shí)間計(jì)算

單次處理脈沖個(gè)數(shù)n以及總處理時(shí)間t的計(jì)算如下[12]：

(1)

t=nτ

(2)

式中：V為處理室體積/mL；f為脈沖頻率/Hz；u為流速/mL/min;τ為有效脈寬/μs。

總處理時(shí)間：

T=N·t

(3)

(4)

式中：N為樣品經(jīng)過(guò)處理室的輪數(shù)；V樣為樣品的總體積。

1.3.2 大米淀粉顆粒掃描電鏡觀察

將粉碎過(guò)篩的樣品干燥，取極少量試樣用導(dǎo)電雙面膠均勻地固定在載物臺(tái)上，并標(biāo)記樣品號(hào)，經(jīng)真空鍍金后放入樣品室中進(jìn)行觀察，通過(guò)電壓為15 kV的電鏡掃描，拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌照片[3, 12]。

1.3.3 大米淀粉顆粒紅外結(jié)構(gòu)表征

采用KBr壓片法，將干燥過(guò)的少許樣品與溴化鉀混合均勻后經(jīng)壓片機(jī)壓片后用紅外分析儀進(jìn)行檢測(cè)，掃描范圍為400～4 000 cm-1，掃描后得出紅外譜圖[13]。

1.3.4 大米淀粉的X射線衍射

將干燥的樣品在X射線衍射儀上采用連續(xù)掃描法掃描測(cè)定完成[12,13]，將步長(zhǎng)設(shè)為0.08，掃描速率設(shè)為6(°)/min，掃描角度2θ=4°～60°，管流30 mA，管壓30 kV。

1.3.5 大米淀粉的透明度測(cè)定

參照文獻(xiàn)介紹的方法[14]，稍加改進(jìn)。稱(chēng)取一定質(zhì)量的大米淀粉樣品和蒸餾水，精確到0.000 1 g，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉乳，在沸水中不斷攪拌，加熱20 min至淀粉乳完全糊化，自然冷卻至室溫，然后定容到100 mL。設(shè)定紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)波長(zhǎng)為620 nm，空白為蒸餾水的透光率100%。

1.3.6 大米淀粉的凝沉性測(cè)定

依據(jù)文獻(xiàn)所介紹的方法[12,13]，稍作調(diào)整。依1.3.5所述精確配成100 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% 的淀粉乳。放入沸水浴中攪拌加熱20 min至完全糊化，自然冷卻至室溫，然后倒入100 mL的量筒中，加蒸餾水調(diào)至100 mL，混勻后靜置。每隔12 h記錄下上清液體積，用上清液的體積分?jǐn)?shù)變化來(lái)表示樣品的凝沉性。

1.3.7 大米淀粉的溶解度測(cè)定

依照文獻(xiàn)所介紹的方法[15]，稍加改進(jìn)。依1.3.5所述精確配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% 的淀粉乳。在95 ℃的水浴中攪拌加熱30 min后自然冷卻，將冷卻的淀粉糊在3 500 r/min條件下離心20 min，上清液移至鋁盒，在105 ℃烘箱中烘干15 h，然后稱(chēng)重。

(5)

1.3.8 大米淀粉的凍融穩(wěn)定性測(cè)定

依照文獻(xiàn)所介紹的方法[16]。稱(chēng)取一定質(zhì)量的大米淀粉樣品，精確到0.01 g，用蒸餾水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的淀粉乳。沸水浴中攪拌加熱20 min至淀粉乳糊化完全，自然冷卻至室溫。放入-18 ℃冰箱中密封冷凍保存24 h后取出自然解凍至室溫，3 500 r/min條件下離心20 min，將離心管中上清液倒掉，稱(chēng)取剩余沉淀質(zhì)量，計(jì)算析水率，用析水率表示凍融穩(wěn)定性。

(6)

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。用SPSS statistix 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)值以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，P<0.05即表示差異顯著，作圖采用Origin 8.5。

2 結(jié)果與討論

2.1 大米淀粉的形貌分析

圖1為原大米淀粉和經(jīng)不同電場(chǎng)強(qiáng)度、處理時(shí)間處理后的淀粉顆粒形態(tài)。由圖1a可知，原大米淀粉顆粒表面光滑；由圖1b、圖1d和圖1f可知，在處理時(shí)間同為1 200 μs時(shí)，淀粉顆粒隨著場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)表面開(kāi)始出現(xiàn)凹槽，不再光滑，且在6 kV/cm處理的時(shí)候凹槽最深，表面最粗糙。由圖1c至圖1f可以看出，在場(chǎng)強(qiáng)相同時(shí)，淀粉顆粒的外貌形態(tài)也會(huì)受處理時(shí)間的影響。

低分子量結(jié)構(gòu)排列方式是密集的，高分子量結(jié)構(gòu)排列方式則相對(duì)緊密。淀粉顆粒的外層結(jié)構(gòu)只含有少量的高分子量結(jié)構(gòu)，大部分則是由低分子量結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，這使得外界壓力改變對(duì)它的結(jié)構(gòu)影響較大[17]。在電場(chǎng)的作用下，大米淀粉的表層遭到破壞，失去致密結(jié)構(gòu)，顆粒發(fā)生崩解，使得表面變得粗糙。電場(chǎng)處理會(huì)使部分淀粉顆粒出現(xiàn)凹陷而改變?cè)瓉?lái)的外形，也有部分會(huì)形成交聯(lián)聚集在一起[18]。在羥乙基化[3]、磷酸酯化[4]以及羧甲基化[5,6]后的改性大米淀粉里，觀察到相似的大米淀粉顆粒形貌變化。用電場(chǎng)處理過(guò)的玉米淀粉顆粒[8]及馬鈴薯淀粉[19]表面也出現(xiàn)凹槽，表面變粗糙，且隨場(chǎng)強(qiáng)大小和處理時(shí)間的變化而變化。酶法改性的大米淀粉[7]，其淀粉顆粒外觀形貌變化更加明顯，且隨酶用量及作用溫度和時(shí)間的不同而出現(xiàn)明顯的變化。

圖1 大米淀粉顆粒形態(tài)

2.2 大米淀粉的紅外光譜分析

圖2是原大米淀粉和經(jīng)電場(chǎng)處理后淀粉的紅外譜圖。曲線A為原大米淀粉的紅外譜圖，在3 600～3 100 cm-1處，出現(xiàn)了大米淀粉中的O—H鍵伸縮振動(dòng)和羥基中的氫鍵締合后所產(chǎn)生的特征峰；而出現(xiàn)在1 155、1 080、1 021 cm-1處的特征峰則是葡萄糖基團(tuán)中C—O鍵的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的[20]；在577、762、860 cm-1處檢測(cè)出的特征峰，則是葡萄糖環(huán)中—CH2鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰[21]。

由圖2可以看出，大米淀粉乳經(jīng)電場(chǎng)處理后并無(wú)明顯差異，沒(méi)有出現(xiàn)其他新的特征峰，原來(lái)官能團(tuán)的特征峰也沒(méi)有因電場(chǎng)處理而消失。用脈沖電場(chǎng)分別處理普通玉米淀粉[8]、馬鈴薯淀粉乳和木薯淀粉乳[19]等不同晶型的淀粉，處理后，這些淀粉的紅外譜圖中都沒(méi)有出現(xiàn)新化學(xué)物質(zhì)的吸收峰。相反，在化學(xué)改性的淀粉的紅外光譜里，都發(fā)現(xiàn)了所引入基團(tuán)的特征峰[3-6]。綜合這些研究結(jié)果，可以推論脈沖電場(chǎng)處理淀粉乳只是一個(gè)物理改性的過(guò)程，沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化。

注：A為原大米淀粉0 kV/cm，1 200 μs；B為2 kV/cm，1 200 μs；C為6 kV/cm，1 200 μs；D為10 kV/cm，1 200 μs。圖2 大米淀粉的紅外譜圖

2.3 大米淀粉的晶型結(jié)構(gòu)分析

在X射線衍射圖譜中，樣品結(jié)晶的含量和大小決定了衍射峰的高度和寬度，峰越高、越窄表明結(jié)晶含量越多，結(jié)晶區(qū)就越完整。如果衍射峰的強(qiáng)度和峰寬改變了，則可以說(shuō)明顆粒結(jié)晶度的大小、晶型改變和無(wú)定型化程度的變化情況。根據(jù)淀粉特征峰在X衍射圖譜中出現(xiàn)的角度，將淀粉分為A、B、C和V幾大類(lèi)型[1,22]。

圖3是原大米淀粉和經(jīng)電場(chǎng)處理后淀粉的X射線衍射圖譜。可以看出，原大米淀粉在15°，17°，18°，23°四個(gè)角度都有顯著的特征峰尖峰衍射現(xiàn)象，說(shuō)明大米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)是A型[1,2]，且結(jié)晶區(qū)晶型完整。經(jīng)電場(chǎng)處理后，峰型沒(méi)有發(fā)生明顯變化，說(shuō)明電場(chǎng)處理并沒(méi)有改變淀粉的晶體結(jié)構(gòu)。錢(qián)建亞等[22]對(duì)甘薯淀粉脈沖電場(chǎng)處理前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，觀察其變化，結(jié)果表明甘薯淀粉的晶型沒(méi)有因電場(chǎng)處理而發(fā)生改變，依舊保持其C型結(jié)構(gòu)。

圖3 大米淀粉的X射線衍射圖

2.4 大米淀粉的透明度分析

透明度在某種程度上反映了該淀粉與水結(jié)合能力的大小[20]，如果淀粉吸水力好，經(jīng)加熱后膨脹完全，光線就不會(huì)折射，透明度增加。通常用透光率來(lái)表示淀粉糊透明度的大小。測(cè)得原大米淀粉的透光率只有6.2%。

圖4是經(jīng)過(guò)電場(chǎng)處理的大米淀粉透光率。由圖4可知，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)處理的大米淀粉透明度有了明顯的提高，在場(chǎng)強(qiáng)為6 kV/cm時(shí)處理1 600 μs的淀粉透明度達(dá)到32.4%。在場(chǎng)強(qiáng)相同時(shí)，透明度會(huì)隨處理時(shí)間的增長(zhǎng)先提高后減小。在2 kV/cm場(chǎng)強(qiáng)下，處理時(shí)間達(dá)到1 200 μs后，透光率開(kāi)始下降，而在10 kV/cm場(chǎng)強(qiáng)下，處理時(shí)間在800 μs后就開(kāi)始下降了。6 kV/cm的場(chǎng)強(qiáng)處理的淀粉在1 600 μs后才開(kāi)始下降，且該場(chǎng)強(qiáng)處理的淀粉透光率整體高于另外兩個(gè)場(chǎng)強(qiáng)。淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)受到電場(chǎng)的破壞[8,19]，且破壞程度隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加先增大后減小，也會(huì)受處理時(shí)間的影響。顆粒被破壞后，大米淀粉分子與水分子的結(jié)合能力提高了，電場(chǎng)處理使得更多的氫鍵暴露在淀粉顆粒的表面。在糊化過(guò)程中，未完全糊化的淀粉顆粒減少了，所以提高了透明度。有研究表明電場(chǎng)處理馬鈴薯淀粉[19]和甘薯淀粉[23]也有相似的結(jié)果。

圖4 大米淀粉糊的透明度

2.5 大米淀粉的凝沉性分析

淀粉因羥基的分子間氫鍵相互作用形成不溶于水的非結(jié)晶狀 “凝膠”，也可以進(jìn)行締合和重排，產(chǎn)生凝沉現(xiàn)象[24]，導(dǎo)致淀粉糊隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)而變得渾濁，析出沉淀物。通常采用上清液體積分?jǐn)?shù)來(lái)表示凝沉性，體積分?jǐn)?shù)越大，凝沉性越強(qiáng)，抗凝沉性也就越弱。

由圖5可知，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)處理后的大米淀粉，抗凝沉性明顯增強(qiáng)，抗凝沉性隨著場(chǎng)強(qiáng)增大而增強(qiáng)，但是增強(qiáng)幅度減小，換言之，在場(chǎng)強(qiáng)較低時(shí)，大米淀粉抗凝沉性隨場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)變化明顯，場(chǎng)強(qiáng)較高時(shí)，變化不大。電場(chǎng)處理會(huì)破壞淀粉表面結(jié)構(gòu)，使更多氫鍵浮現(xiàn)出來(lái)，促進(jìn)了水分子與淀粉顆粒的結(jié)合，加劇淀粉膠體的產(chǎn)生，沉淀物難以析出，從而提高了抗凝沉性，這也與2.4.1的結(jié)論相印證。在同一場(chǎng)強(qiáng)下，上清液體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，抗凝沉性減弱。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，更多的淀粉分子因?yàn)闅滏I作用聯(lián)結(jié)起來(lái)，聚合成沉淀物沉降[9,25]。

圖5 大米淀粉糊的凝沉性

2.6 大米淀粉的溶解度分析

溶解度可以體現(xiàn)淀粉顆粒與水分子的相互作用力的大小情況，是淀粉的重要理化性質(zhì)之一。溶解度與淀粉分子的親水力有關(guān)，淀粉分子的結(jié)晶區(qū)越少，非定型區(qū)越大且越松散，親水力越強(qiáng)。測(cè)得普通大米淀粉顆粒的溶解度為4.5%。

由圖6可知，經(jīng)脈沖電場(chǎng)處理后的淀粉顆粒溶解度有了明顯提高，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，溶解度先增大后減小，場(chǎng)強(qiáng)為6 kV/cm處理后的淀粉顆粒溶解度最高；在場(chǎng)強(qiáng)相同情況下，溶解度隨處理時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。淀粉乳經(jīng)電場(chǎng)處理后，淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到輕微破壞，導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)分子間的作用力減弱，使直鏈淀粉更容易析出，從而導(dǎo)致溶解度提高。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，處理過(guò)程中的溫度隨之升高，使得淀粉膨脹，析出更多支鏈淀粉，支鏈淀粉與直鏈淀粉形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致處理后期，溶解度呈下降趨勢(shì)。文獻(xiàn)記載蓮子淀粉經(jīng)超高壓處理后，溶解度也有隨處理時(shí)間延長(zhǎng)先增加而后降低的趨勢(shì)[25]。

圖6 大米淀粉的溶解度

2.7 大米淀粉的凍融穩(wěn)定性分析

通常用析水率來(lái)表示淀粉的凍融穩(wěn)定性，析水率越大，則凍融穩(wěn)定性越差。凍融穩(wěn)定性和分子結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，反映的是淀粉糊在冷凍解凍過(guò)程中保持膠狀結(jié)構(gòu)的能力。當(dāng)?shù)矸鄯肿娱g的作用力較弱時(shí)，在經(jīng)過(guò)冷凍解凍的過(guò)程后，水分子就從凝膠中擠出，也就是“析水”現(xiàn)象，膠狀結(jié)構(gòu)逐漸消失[19]。

圖7表明，場(chǎng)強(qiáng)相同時(shí)，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，析水率逐漸降低，凍融穩(wěn)定性提高；處理時(shí)間相同時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)越高，析水率越低，凍融穩(wěn)定性越好。經(jīng)過(guò)超高壓處理后的淀粉糊的凍融穩(wěn)定性因氫鍵作用力的增強(qiáng)而改善[25]。經(jīng)電場(chǎng)處理后，淀粉顆粒形態(tài)發(fā)生改變，表面積比例增大，結(jié)合水分子的能力也相應(yīng)提高，分子間鍵能增大，析水率減小，凍融穩(wěn)定性提高。

圖7 大米淀粉的凍融穩(wěn)定性

3 結(jié)論

SEM結(jié)果表明，脈沖電場(chǎng)處理會(huì)改變淀粉顆粒的外貌形態(tài)，經(jīng)場(chǎng)強(qiáng)為6 kV/cm時(shí)處理1 200 μs后的淀粉顆粒變化最為明顯。FTIR和XRD的結(jié)果表明，脈沖電場(chǎng)處理大米淀粉，不會(huì)改變淀粉顆粒的化學(xué)結(jié)構(gòu)，也不會(huì)改變淀粉顆粒的晶型結(jié)構(gòu)，脈沖電場(chǎng)處理大米淀粉只是一個(gè)物理改性的過(guò)程。淀粉的透明度隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加先增大后減小，也會(huì)受處理時(shí)間的影響；抗凝沉性在場(chǎng)強(qiáng)較低時(shí)隨場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)變化明顯，在場(chǎng)強(qiáng)較高時(shí)變化不大；溶解度隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)度的增加增大后減小，經(jīng)場(chǎng)強(qiáng)6 kV/cm處理后的淀粉顆粒溶解度最高；隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)和處理場(chǎng)強(qiáng)的提高，凍融析水率逐漸降低，電場(chǎng)處理后，凍融穩(wěn)定性提高。脈沖電場(chǎng)處理使大米淀粉的理化性質(zhì)得以改善。