超高壓處理對燕麥淀粉顆粒特性、熱特性及流變學特性的影響

張 晶，張美莉*

（內蒙古農業大學食品科學與工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

燕麥營養豐富，主要含有淀粉、膳食纖維、蛋白質和脂肪等，具有降低膽固醇、調節血糖、改善腸道菌群、降低血壓等功能[1-2]。燕麥淀粉質量分數在50%～65%，顆粒較小，其中直鏈淀粉占總淀粉質量的10.6%～24.5%，比其他淀粉更易糊化[3]。燕麥不含面筋蛋白，主要是球蛋白和小分子谷蛋白，加水不能形成面筋網絡結構，不易形成面團，在面團揉混過程中，需要用熱水燙面使淀粉糊化，通過淀粉顆粒間的黏結性形成面團[4-5]。燕麥淀粉除了在燕麥面團形成過程中發揮重要的作用外，燕麥淀粉的質構、流變等性質直接影響面包、淀粉原料食品的外觀品質、食用品質、保鮮期以及燕麥淀粉的商業應用[6]。近年來燕麥淀粉以其特殊的理化性質引起越來越廣泛的重視。原淀粉由于不溶于冷水、易老化、抗剪切能力差等不足，極大地限制了淀粉的應用范圍，為了改善淀粉的加工性能，需要對淀粉進行改性處理[7]。

超高壓或高靜水壓技術是在100～1 000 MPa的壓力下處理食品物料，通過改變氫鍵、疏水鍵、離子鍵等非共價鍵，從而破壞高分子物質的結構，引起大分子物質如蛋白質、淀粉、酶等改性、變性、失活，并殺死食品中的細菌等微生物[8]。超高壓技術在糧食加工中主要用于淀粉和蛋白質的改性、功能成分的提取、致敏性的降低及滅菌等。

淀粉的質構特性、熱特性、流變特性等直接影響食品的品質，進而會影響淀粉的應用范圍、食品加工過程中原料的運輸、能量損耗等[9]。超高壓處理可以改變淀粉的顆粒形貌，使得淀粉顆粒表面變粗糙，顆粒形貌的變化與淀粉種類、壓力和時間等有關。利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）可以觀察淀粉顆粒的形狀、大小。研究發現小麥淀粉和馬鈴薯淀粉在高壓處理后顆粒形狀及表面變化較玉米淀粉更明顯[10]；在690 MPa處理5 min后，蠟質玉米淀粉部分失去顆粒完整性，而普通玉米淀粉顆粒仍保持完整性[11]。差示掃描量熱儀（differential scanning calorimeter，DSC）可以檢測淀粉糊化過程中的熱焓值、玻璃化轉變溫度等參數，研究發現，隨著超高壓處理壓力的增加，玉米淀粉、大米淀粉的糊化溫度及糊化焓降低[12]。經超高壓處理后，淀粉的流變學特性發生了變化，大麥淀粉、抗性玉米淀粉等儲能模量、損耗模量隨著壓力水平的增加而增加[13-14]。目前，對燕麥淀粉的研究主要集中在燕麥淀粉的提取純化，不同品種來源燕麥淀粉理化特性的比較，酶處理、交聯、乙酰化處理及不同熱處理對燕麥淀粉理化性質、糊化特性、熱特性等的影響[15-22]。超高壓處理對燕麥淀粉影響的研究較少，本研究通過在不同的壓力水平下處理燕麥淀粉，利用SEM、激光粒度分析儀、質構儀、DSC、流變儀探討不同壓力處理對燕麥淀粉顆粒形貌、質構特性、熱特性及流變學特性的影響，為燕麥淀粉在食品加工中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

燕麥淀粉由蒙古農業大學食品科學與工程學院糧油及植物蛋白加工研究室自制。

1.2 儀器與設備

HHP-600超高壓設備 包頭科發高壓科技有限責任公司；RS6000哈克流變儀 美國賽默飛公司；TM4000 SEM 日本日立株式會社；TA-XT2i質構儀 英國SMS公司；Discovery 25 DSC 美國TA儀器公司；BT-2002激光粒度分析儀 丹東百特科技有限公司；UPW-N系列純水機 上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品超高壓處理

燕麥淀粉加蒸餾水配制成15 g/100 mL的淀粉溶液，攪拌至淀粉完全分散，將樣品置于聚乙烯袋內，真空密封。隨后將樣品放入超高壓設備器中，分別在100、200、300、400、500 MPa和600 MPa的壓力下處理30 min，處理完成后，將樣品冷凍干燥，備用。

1.3.2 顆粒形貌的觀察

將導電膠粘于掃描電子顯微鏡的載物臺上，粘取少量樣品，鍍金后，放入SEM中觀察，加速電壓為15 kV。

1.3.3 粒徑分布的測定

將0.1 g燕麥淀粉溶于5 mL蒸餾水中，并將淀粉懸浮液滴入激光粒度分析儀的樣品池中，以蒸餾水做分散劑，開啟超聲波振蕩3 min，使淀粉顆粒均勻分散，測定淀粉顆粒粒徑范圍，平行3 次，結果取平均值。淀粉顆粒折射率為1.53，分散劑折射率為1.33。

1.3.4 凝膠質構特性的測定

稱取一定量的燕麥淀粉樣品，加蒸餾水配制成12 g/100 mL的淀粉懸浮液，置于沸水浴中加熱20 min，期間不斷攪拌使之充分糊化。糊化結束后取出冷卻至室溫，在4 ℃條件下貯藏24 h后用于質構特性測定。質構特性測定采用TPA模式，P6探頭，壓縮比為50%，探頭測前下降速率1.0 mm/s，測試速率1.0 mm/s，測后的上升速率1.0 mm/s，測定高度5 mm，觸發力5.0 g，兩次測定時間間隔為3 s。

1.3.5 熱特性的測定

稱取3.0 mg樣品置于鋁質坩堝內，加入9 μL去離子水，密封壓蓋。空鋁質坩堝為對照，DSC掃描溫度范圍40～200 ℃，溫度上升速率為10 ℃/min。

1.3.6 流變學特性的測定

動態流變學：稱取淀粉樣品，配成8 g/100 mL的淀粉懸浮液，用滴管將淀粉懸浮液放入流變儀測定臺，測定選用1°錐板，間隙0.05 mm。流變儀從25 ℃升溫到95 ℃，使淀粉糊化，隨后降溫到25 ℃，測定糊化及冷卻過程中淀粉凝膠儲能模量、損耗模量隨溫度的變化。將糊化后的淀粉凝膠放于測定臺上，采用振蕩模式，頻率掃描范圍為1～10 Hz，測定淀粉凝膠儲能模量、損耗模量隨頻率的變化，固定應力為0.1%，流變儀溫度25 ℃。

靜態流變學：將糊化后的淀粉凝膠放于測定臺上，采用穩態模式，測定淀粉凝膠剪切應力隨剪切速率從0 s-1增加到300 s-1，再從300 s-1降低到0 s-1過程中的變化，流變儀溫度25 ℃。

1.4 數據統計與分析

使用Excel軟件對數據進行整理，利用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析，利用Origin 2017軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 超高壓處理對燕麥淀粉顆粒形貌的影響

圖1 不同壓力處理后燕麥淀粉SEM圖Fig.1 Scanning electron micrographs of native and HHP treated oat starch

從圖1中可以看出，燕麥淀粉顆粒形狀不規則，有球形、多面體，粒徑約為20 mm，屬于小顆粒淀粉（圖1A）。一些淀粉顆粒表面上有凹陷，燕麥籽粒中淀粉和蛋白質結合非常緊密，這種凹陷可能是在生長過程中蛋白質擠壓造成的。另一方面，在提取淀粉的過程中，淀粉從蛋白質網絡結構中釋放時，淀粉顆粒可能被破壞，造成淀粉顆粒表面凹陷。

由于燕麥淀粉顆粒形狀不規則，在100～300 MPa的壓力處理后，淀粉顆粒形狀、尺寸和表面的變化不明顯（圖1B～D）。Li Wenhao等報道大米淀粉經120～480 MPa超高壓處理后也有類似的現象[23]。400 MPa以上處理后，燕麥淀粉顆粒形狀和表面發生明顯的變化（圖1E～G），淀粉顆粒表面變得粗糙，一些顆粒坍塌、黏結并變成“甜甜圈形”，雖然大多數顆粒出現膨脹和變形，但仍有顆粒保持一定程度的完整性，這是淀粉壓力凝膠化的典型顆粒結構[24]。超高壓處理蕎麥淀粉、高粱淀粉和普通大米淀粉的顆粒形貌也呈相似變化[25-27]。

2.2 超高壓處理對燕麥淀粉粒徑分布的影響

表1 不同壓力處理后燕麥淀粉顆粒的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of native and HHP treated oat starch

由表1可見，未經超高壓處理的原燕麥淀粉顆粒平均粒徑為10.70 μm，粒徑范圍為1.46～26.68 μm，粒徑小于10.09 μm的顆粒占總顆粒的50%，粒徑小于17.17 μm的顆粒占比達到90%，其顆粒體積分布圖為單峰曲線，峰值出現在10 μm附近。

與原燕麥淀粉相比，100～300 MPa處理后，淀粉顆粒的平均粒徑減小，粒徑小于9.5 μm左右的淀粉顆粒達到總顆粒的50%，體積分布圖的峰型較窄，小顆粒淀粉所占的比例增加。粒徑的減少可能是在超高壓處理下，高分子的立體結構中發生氫鍵結合、離子結合、疏水結合，這是壓力對淀粉的壓縮“韌化”作用[28]。500、600 MPa處理后，粒徑顯著增加（P＜0.05），此時淀粉顆粒的平均粒徑分別為14.74、21.15 μm，分別為原淀粉的1.38 倍和1.98 倍，大顆粒淀粉數量明顯增加，粒徑最大分別達到56.52 μm和253.62 μm；且400～600 MPa處理后，峰向右移動，峰型變寬，峰值出現在14 μm附近，說明高壓力處理使得淀粉顆粒聚集在一起，導致顆粒粒徑分布發生變化[29]。此外，壓力處理可能使淀粉發生糊化，顆粒體積膨脹，使得粒徑顯著增加。

2.3 超高壓處理對燕麥淀粉質構特性的影響

表2 不同壓力處理后燕麥淀粉顆粒的質構特性Table 2 Texture properties of native and HHP treated starch

從表2可以看出，超高壓處理可以顯著降低淀粉凝膠的硬度、膠著度和咀嚼度，并增加彈性、回復性和黏聚性，但黏聚性沒有發生顯著變化。與原淀粉相比，600 MPa壓力處理后，淀粉凝膠的彈性顯著增加，從0.90上升至1.89。淀粉糊凝膠硬度與水分的收縮和支鏈淀粉的結晶有關，具有較高的直鏈淀粉含量和較長的支鏈淀粉鏈的淀粉凝膠硬度較高，回生過程由于淀粉重結晶，會導致硬度增加[30-31]。在凝膠化過程中，超高壓改性淀粉由于直鏈淀粉含量較高，其膨脹程度小于原淀粉，水-淀粉、淀粉-淀粉分子之間相互作用較弱，導致超高壓改性淀粉凝膠硬度較低[32]。一般來說，硬度與咀嚼度與淀粉類食品品質呈負相關，即硬度與咀嚼度越大，淀粉類食品品質越差；黏聚性和回復性與淀粉類食品品質呈正相關，值越大，食物越柔軟，品質越好。因此，超高壓處理可顯著改變燕麥淀粉凝膠的特性。

2.4 超高壓處理對燕麥淀粉熱特性的影響

糊化溫度范圍反映淀粉分子內部的微晶結構及結晶程度，值越大，表示結晶程度越大，晶體結構越完整。糊化焓反映在淀粉糊化過程中，破壞雙螺旋結構所需要的能量。不同壓力處理后，燕麥淀粉的熱力學變化規律見圖2。

圖2 不同壓力處理后燕麥淀粉的DSC圖Fig.2 DSC spectra of native and HHP treated oat starch

從圖2可以看出，HHP處理后，燕麥淀粉的熱力學性質發生明顯變化。100～300 MPa處理后，淀粉的吸熱峰比原淀粉窄而尖，糊化溫度升高、糊化區間變窄、糊化焓升高，說明100～300 MPa壓力處理使淀粉熱穩定性提高，這是超高壓處理對淀粉的韌化作用，這與超高壓處理對淀粉粒度分布的研究結果一致。400 MPa處理后，吸熱峰變寬，說明淀粉結晶結構受到破壞，分布不均勻。500、600 MPa處理后，典型的吸熱峰幾乎消失，糊化焓降低，說明加壓過程中，水分子通過通道浸入淀粉顆粒，淀粉的結晶結構受破壞程度較大，淀粉顆粒發生糊化[23]。Stolt等研究發現，經過550 MPa處理5 min后，大麥淀粉完全糊化[13]。與500 MPa相比，600 MPa處理后，糊化焓升高，有可能是600 MPa使淀粉結晶結構發生融化，壓力處理完成后，淀粉發生重結晶，形成完整結晶，該熱焓值是重結晶再次融化的值。600 MPa處理糯玉米淀粉也出現相似的現象[28]。

2.5 超高壓處理對燕麥淀粉動態流變學特性的影響

食品在受到外力作用以后發生形變，具有彈性，作用力消失后，主要為黏性，表現為流動狀態。儲能模量（G’）是存儲在材料中并從每個循環中回收的能量的量度，為彈性應力和應變的比值；損耗模量（G’）是每個正弦變形周期消耗或損失的能量的量度，為黏性應力和應變的比值[11]。損耗角正切值tanδ為G’與G’的比值，tanδ值越大，表明體系的黏性比例越大，可流動性越強，體系表現出流體的特征；tanδ值越小，則體系中的彈性成分就越多，體系進而呈現出固體的特征[33]。不同壓力處理后燕麥淀粉的G’、G’隨溫度的變化見圖3。

圖3 不同壓力下燕麥淀粉糊的儲能模量、損耗模量隨溫度變化曲線Fig.3 Dynamic modulus versus temperature curves of HHP treated oat starch

由圖3A1、A2可知，在升溫掃描過程中，不同壓力處理后的燕麥淀粉糊的G’、G’變化趨勢相似。在25～65 ℃范圍內G’和G’基本穩定，當溫度達到75 ℃附近時，G’和G’急劇上升達到最大值，之后隨著溫度上升呈下降趨勢。

在溫度增加的過程中，淀粉顆粒吸水膨脹，體積增大，直鏈淀粉從淀粉顆粒中溶出，進而與淀粉顆粒相互纏繞形成網絡結構，使得G’和G”增加[34]；隨著溫度的進一步升高，G’和G”開始下降，表明凝膠結構在長時間加熱過程中被破壞，可能是進一步加熱使膨脹的淀粉顆粒中殘留的結晶區域熔化，淀粉顆粒變形、破裂、崩解，分子流動性增加，導致鏈間相互作用減弱[35]。不同壓力處理后燕麥淀粉的G’達到最高值的溫度范圍為73～87 ℃，500 MPa和600 MPa處理后的燕麥淀粉在整個升溫過程中G’和G”沒有出現峰值。不同壓力處理后淀粉的最高G’差異較大，原淀粉的最高G’最大，為128 Pa，100～400 MPa處理后，淀粉的最高G’均下降。

由圖3B1、B2可知，溫度從95 ℃降到25 ℃的整個過程中，G’、G”表現出波浪形上升的趨勢。G’和G’分別代表樣品的彈性特征和黏性特征，一般來說，糊化后的樣品在降溫冷卻期間淀粉糊的黏彈性增加[36]。隨著溫度的降低，糊化的淀粉開始凝膠化，淀粉顆粒通過相互作用而形成的網絡結構逐漸增強，導致G’和G”增加。

圖4 不同壓力下燕麥淀粉糊的G’、G’（A）及tan δ（B）隨頻率的變化曲線Fig.4 G’, G” (A) and tan δ (B) versus frequency curves of HHP treated starch

由圖4可知，隨著頻率的增大，原淀粉與不同壓力處理后淀粉的G’與G”均逐漸增大，且G’始終大于G”，即所有處理的淀粉糊以彈性性質為主。隨著掃描頻率的增加，tanδ略微上升隨后趨于平穩，tanδ小于1，說明原淀粉和超高壓處理的淀粉糊表現出一種典型的弱凝膠動態流變學特性[37]。

不同壓力處理后，燕麥淀粉糊G’與G”均高于原淀粉，說明超高壓處理使淀粉糊黏性和彈性增強。可能是壓力使燕麥淀粉顆粒晶體結構被破壞，導致淀粉顆粒在水溶液中加熱剪切作用下也不易破裂，淀粉凝膠柔韌性提高[28]。100 MPa處理后，燕麥淀粉黏彈性最好。超高壓處理后，燕麥淀粉的tanδ高于原淀粉，說明超高壓處理后的淀粉顯示出更高的黏性，G”增加速率比G’快，可流動性增強。Jiang Bin等對超高壓處理大米淀粉的結果[38]與本結果相似。

2.6 超高壓處理對燕麥淀粉靜態流變學特性的影響

不同壓力處理后燕麥淀粉糊剪切應力、黏度與剪切速率關系見圖5，流變方程擬合參數見表3。

淀粉糊對抗流動性的能力稱為黏性，其大小以黏度度量，淀粉糊的黏度因受到機械剪切作用而降低。從圖5可以看出，隨著剪切速率的增加，淀粉糊黏度快速下降，隨后趨于平緩，剪切速率越快，黏度降低的程度越大。這是由于具有網絡結構的淀粉凝膠在剪切作用下受到破壞，越來越多的淀粉分子開始流動而不是維持網絡結構，導致黏度降低。在同樣的剪切速率下，原淀粉的黏度最大，超高壓處理后淀粉黏度減小。淀粉顆粒結構在超高壓處理后發生變化，淀粉分子發生重排，在剪切力作用下，淀粉分子未來得及取向，導致黏度降低[39]。當剪切速率逐漸增加到100 s-1附近時，體系黏度趨于穩定，并且在穩定階段，隨著剪切速率的增大，體系黏度下降很少。

圖5 不同壓力下燕麥淀粉糊的靜態流變曲線Fig.5 Static rheological curves of HHP treated oat starch

淀粉糊在流動過程中隨著剪切速率的增加，剪切應力先相應增加，隨后趨于平緩。剪切初期，需要大的剪切應力來破壞淀粉凝膠的網絡結構，隨后越來越多的淀粉分子從開始的網絡結構轉為定向流動，表現出“液體狀”的行為，導致剪切應力趨于平緩[40]。

觸變性是高分子溶液重要流變學特性之一，在食品中表現為爽口柔和。淀粉在外部剪切力的作用下，內部網絡結構會有一定的破壞，當剪切速率逐漸降低時，其網狀結構在相對短的一段時間內不能達到結構破壞的速率；因此其黏度變化的曲線就無法恢復到原來的曲線形狀，繼而構成一個閉合的觸變環[41]。觸變環面積可以表示淀粉糊網絡結構被破壞所需要的能量，如果淀粉黏性維持得比較好，則觸變環的面積相對較小[42]。從圖5可以看出，當剪切速率從0～300 s-1之間先增加再下降時，原始淀粉及不同HHP處理淀粉的觸變曲線均出現順時針滯后環，說明所有淀粉糊體系均屬于觸變體系。500、600 MPa壓力處理后，淀粉觸變環面積減少，大大提高了體系的剪切穩定性，表明500 MPa和600 MPa處理可以提高淀粉的凝膠強度。超高壓處理后，淀粉顆粒受到破壞，加熱糊化過程中，顆粒膨脹受到限制，通過氫鍵結合的水合作用減弱，在剪切作用下，凝膠強度高于原淀粉[28]。

剪切應力與剪切速率曲線可用冪次定律方程進行回歸擬合。該模型方程為τ＝K·γn，式中：τ為剪切應力/Pa；γ為剪切速率/s-1；K為黏稠系數/（Pa·sn）。K值和增稠能力有關，K值越大，表明增稠能力越強；n為流動性特征指數，表征非牛頓流體與牛頓流體之間的差異程度，0＜n＜1，n越小偏離牛頓型越遠，則說明液體越容易剪切變稀，假塑性越大。

表3 不同壓力處理后燕麥淀粉糊流變方程擬合參數Table 3 Herschel-Bulkley parameters for HHP treated oat starch

采用冪次定律方程對剪切應力與剪切速率曲線進行回歸擬合，擬合參數見表3。從表中可以看出，R2較高，說明擬合具有較高精密度，不同壓力處理淀粉糊的n值都小于1，說明所有樣品都是假塑性流體。與原淀粉相比，超高壓處理后，淀粉糊上行線稠度系數K、流體指數n的變化無規律性，但下行線稠度系數K有增大趨勢，流體指數n呈減小趨勢，說明超高壓處理可以使淀粉糊變黏稠，剪切變稀性增強。剪切變稀行為在食品加工過程中至關重要，剪切速率較低時，高黏度能防止樣品在罐內沉降或下沉；剪切速率較高時，低黏度能使樣品形成膜并易于清洗。

3 結 論

燕麥淀粉顆粒為多面體且形狀不規則，屬于小顆粒淀粉；100～300 MPa處理后，淀粉顆粒形狀、尺寸及表面變化不明顯，400～600 MPa處理后，顆粒的表面變得粗糙，顆粒發生坍塌、黏結；燕麥淀粉顆粒體積平均粒徑為10.70 μm，體積分布圖為單峰曲線，100～300 MPa處理后，粒徑減小，峰型較窄，400～600 MPa處理后，顆粒粒徑增加，峰型變寬。

超高壓處理可以改變燕麥淀粉的凝膠特性，100～600 MPa處理后，淀粉凝膠的硬度、膠著度和咀嚼度顯著降低，600 MPa處理后，彈性顯著增加。

超高壓處理能夠改變淀粉的熱力學性質，100～300 MPa壓力的處理使淀粉熱穩定性提高，500、600 MPa處理后，淀粉顆粒發生糊化。

動態流變學結果表明原淀粉和超高壓處理淀粉糊均為典型的弱凝膠，且淀粉糊以彈性性質為主；超高壓處理后，燕麥淀粉糊G’、G’、tanδ值明顯提高，說明超高壓處理使淀粉糊黏性和彈性增強，可流動性增強，100 MPa處理后，黏彈性最好。靜態流變學結果表明原淀粉和超高壓處理淀粉均為假塑性流體，超高壓處理后，剪切變稀性增強；500 MPa和600 MPa處理后，淀粉糊觸變環面積減少，剪切穩定性、凝膠強度提高。