磷酸化協同超聲波處理對玉米淀粉改性的研究

張立娟，李昕，楊深怡*，鄭琳琳，佟永薇

（1.天津市食品研究所有限公司，天津 301609；2.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

淀粉是一種天然植物多糖，由葡萄糖分子經過聚合作用而形成，淀粉除直接食用外還廣泛應用于造紙、食品和醫藥工業中[1]。為了滿足工業應用的要求和開辟淀粉的新用途，需要對天然淀粉進行改性，使其成為性能更好、應用范圍更廣的改性淀粉[2]。為改變淀粉的透明性、凝膠力、熱黏度、成膜性、穩定性以及糊化溫度等固有特性，可以在天然淀粉的基礎上，利用酶法、物理或化學處理改變淀粉顆粒性質和淀粉分子大小或在分子結構上引入所需要的官能團[3]。

交聯淀粉屬于改性淀粉中的一種，通過交聯使淀粉分子間形成網狀結構，常用的交聯劑有三聚磷酸鈉、三氯氧磷、三偏磷酸鈉、甲酸等[4]。交聯淀粉分子具有高凝膠強度、耐水、耐酸、黏度大、溶解性低、流動性低、膜強度較高等優點[5]。在食品工業中，交聯淀粉可作為結構改良劑、增稠劑、穩定劑等，應用于冷凍食品、乳制品、肉制品等食品中[6-7]。

超聲波是一種特殊的能量形式，超聲處理能造成局部高溫、高壓及起到空化作用，可以提高化學反應的發生速度[8]。對淀粉溶液進行超聲波處理，產生的空穴效應和機械振蕩效應使淀粉分子鏈發生斷裂，并對連接淀粉分子之間的氫鍵進行破壞，改變分子結構，最后促進淀粉分子與化學試劑的反應，提高反應效率和速率。具有耗能低、環境污染少以及操作簡單方便等特性的超聲波處理技術，是一種淀粉改性的新型處理方法[9]。

本研究選用玉米淀粉為試驗原料，以三聚磷酸鈉為交聯劑，采用超聲波處理，對淀粉進行交聯，研究三聚磷酸鈉濃度、超聲功率、超聲時間、溫度對玉米淀粉的交聯度、透明度、凝膠強度和糊化特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

三聚磷酸鈉、氫氧化鈉（分析純）：天津市天力化學試劑有限公司；玉米淀粉：吉林省杞參食品有限公司。

1.2 儀器與設備

超聲波萃取儀（XH-2008D）：北京祥鵠科技發展有限公司；電熱鼓風干燥箱（101型）：北京市永光明醫療儀器廠；快速黏度分析儀（RVA-Ezi）：Newport公司；紫外可見分光光度計（TU-1950）：北京普析通用儀器有限責任公司；電子分析天平（ME204）：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；色差儀（ZE-6000）：日本電色儀器株式會社；酸度計（PB25）：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；質構分析儀（TA-XT plus）：英國SMS公司；臺式高速離心機（TG16-WS）：湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司。

1.3 玉米淀粉改性處理

參考吳興剛等[10]的方法并作改動，稱取玉米淀粉50.0 g，加入75 mL蒸餾水配制成40%的淀粉乳，使用10%的氫氧化鈉溶液調節體系pH值為10.0，分別加入不同量的三聚磷酸鈉（干淀粉質量的1%、2%、3%、4%、5%），在不同溫度（20、30、40、50、60℃）和不同超聲時間（10、20、30、40、50、60 min）下進行超聲波處理（超聲功率 900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400 W）。處理后的樣品經3次水洗、抽濾后，在60℃恒溫干燥箱中烘干過夜，并將干燥的淀粉磨碎過60目篩后密封，置于干燥器中備用。

1.4 方法

1.4.1 交聯度測定

參考潘遠鳳[11]的檢測方法并略作改動。稱取0.3 g淀粉于試管，加入15mL去離子水配制成2%的淀粉乳，85℃水浴加熱2 min。取10 mL淀粉乳以6 000 r/min離心3 min，測定上清液體積，對同一樣品重復3次完整測定過程，取平均值。按式（1）計算沉降積，以此表征玉米淀粉的交聯度。

式中：V為上清液的體積，mL。

1.4.2 透明度測定

參考Vatanasuchart等[12]的檢測方法并略作改動。制備質量濃度為0.2%的玉米淀粉乳，于85℃加熱糊化并保溫20 min，冷卻至室溫（25℃）后用紫外可見分光光度計測定650 nm下的透明度，每個樣品測定3次，并取平均值，蒸餾水為空白。

1.4.3 淀粉凝膠強度測定

參照廖盧艷等[13]的方法略作修改。制備質量分數為14%的淀粉溶液，攪拌加熱至淀粉糊化，室溫（25℃）冷卻過夜后進行測試。質構儀設定參數：測試速率0.50 mm/s，壓縮行程10.000 mm，測定凝膠強度。

1.4.4 淀粉糊化特性測定

參照GB/T 24853—2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測定快速粘度儀法》進行測定[14]。稱取玉米淀粉3.5 g置于配套鋁盒內，加入25 mL蒸餾水，最終得到糊化溫度、保持強度、最終黏度、峰值黏度、衰減度及回生值等。

2 結果與分析

2.1 磷酸化協同超聲波處理對玉米淀粉交聯度的影響

淀粉在發生交聯反應時分子之間會形成更多的氫鍵，增大淀粉分子并穩定分子結構從而抑制淀粉溶脹，最終導致其沉降積減小，即淀粉的沉降積與交聯度呈現線性負相關，測定沉降積可以反映淀粉的交聯度[15]。磷酸化協同超聲處理對玉米淀粉交聯度的影響見圖1。

圖1 磷酸化協同超聲處理對玉米淀粉交聯度的影響Fig.1 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on the crosslinking degree of corn starch

由圖1a可知，隨著三聚磷酸鈉濃度的增加，玉米淀粉的沉降積呈現先降低后迅速增加的趨勢，在三聚磷酸鈉濃度為2%時淀粉的沉降積最低，其交聯程度最大。這是由于交聯劑使得淀粉分子之間形成更多的磷酸酯鍵，提高平均分子量，加強了淀粉分子顆粒結構之間的相互作用抑制淀粉溶脹，最終導致沉降積下降[16]。隨著三聚磷酸鈉濃度的進一步增大，沉降積不斷增加，可能是因為沒有反應的三聚磷酸鈉含量越來越多，分散在水溶液中，促使淀粉的溶脹[16]。由圖1b可知，隨著超聲功率的增加，玉米淀粉的沉降積整體上呈現先增加再降低的趨勢，在超聲波功率為1 300 W時沉降積最低，其交聯程度最大。超聲功率900 W～1 200 W時，隨著超聲功率的提高淀粉的沉降積呈升高的趨勢，超聲波破壞了在交聯反應中形成的淀粉磷酸酯鍵，淀粉顆粒之間的相互作用力被削弱，最終沉降積相對上升，即交聯度下降[17]。隨著超聲波功率的進一步加強，使得淀粉顆粒分子發生機械振蕩，造成淀粉分子鏈斷裂改變結晶結構，提高交聯劑與淀粉分子的反應速率，增加交聯度，最終沉降積下降[18-19]。由圖1c可知，隨著超聲時間延長，沉降積逐步降低。長時間的超聲波處理促使更多的淀粉與三聚磷酸鈉發生交聯反應，反應時間越長反應越充分，最后淀粉顆粒之間的相互作用增強，沉降積持續下降，所以交聯度逐漸增大。由圖1d可知，隨著溫度的升高，沉降積整體呈現降低的趨勢，在溫度為60℃時沉降積為最低。隨著溫度逐漸升高，加快了玉米淀粉與三聚磷酸鈉交聯反應速率，快速形成較多的磷酸酯鍵，穩定了淀粉的分子結構，抑制淀粉溶脹，使得淀粉沉降積減小，交聯度逐漸增大。

2.2 磷酸化協同超聲波處理對玉米淀粉透明度的影響

淀粉糊透明度反映了淀粉與水結合能力，與分子鏈長短及淀粉的分子結構有很大關系[20]。玉米淀粉在磷酸化協同超聲波處理后，改性淀粉糊的透明度都比原玉米淀粉糊大。超聲波破壞了淀粉分子的結構，淀粉分子內部的結構緊密性降低，更方便游離水滲入其中，從而提高淀粉顆粒在水中的溶解度，降低了光線的反射率和折射率，且由于在淀粉分子中引入磷酸酯鍵，淀粉的親水性增強，最后導致淀粉糊的透光度升高[21]。磷酸化協同超聲波處理對玉米淀粉透明度的影響見圖2。

圖2 磷酸化協同超聲波處理對玉米淀粉透明度的影響Fig.2 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on the transparency of corn starch

由圖2a可知，透明度隨著三聚磷酸鈉濃度的增加出現先增加后減小的趨勢，在三聚磷酸鈉濃度為4%時淀粉的透明度最高。三聚磷酸鈉的增溶作用使淀粉磷酸酯更好地溶解在水中，故透明度上升[22]。由圖2b可知，隨著超聲功率的升高，透明度呈現先增加后平緩減小的趨勢，在超聲波功率為1 100 W時，透明度最高。由圖2c可知，隨著超聲時間的增加，透明度呈現先增加后減小再增加的趨勢，在超聲40 min時透明度最高。透明度增加的原因是超聲促進磷酸酯鍵的生成，引入的官能團帶同種電荷，促使淀粉分子之間相互排斥，增大了分子間距離，提高淀粉糊透明度[23]。淀粉糊透明度下降是由于淀粉交聯度變大抑制淀粉的膨脹，這些較大的顆粒導致體系的散射增強，表現為透明度降低。由圖2d可知，隨著溫度的升高，透明度呈先增加后減小再增加的趨勢，在溫度為20℃時淀粉的透明度最低。

2.3 磷酸化協同超聲波處理對玉米淀粉凝膠強度的影響

在糊化過程中，淀粉分子之間通過雙螺旋的形式彼此纏繞，糊化后的淀粉冷卻后形成的凝膠呈現三維網狀結構[24]。凝膠強度與淀粉分子的雙螺旋結構有關，網狀結構的致密性與凝膠強度呈正相關，10個單元以上的長鏈利于形成雙螺旋結構，有助于提高凝膠強度，而6個～9個單元的短鏈則會抑制雙螺旋結構的形成[25]。與原淀粉相比，改性后的淀粉凝膠強度都增大，可能是改性生成的磷酸酯淀粉親水性增強且帶同種電荷，易于形成三維網狀結構且提高三維網狀結構的穩定性，交聯產生的磷酸酯鍵越多，淀粉糊化后仍能保持良好的完整性，使得淀粉凝膠強度變大[26]。磷酸化協同超聲波處理對改性玉米淀粉凝強硬度的影響見圖3。

圖3 磷酸化協同超聲波處理對改性玉米淀粉凝膠強度的影響Fig.3 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on strength of modified corn starch gel

由圖3a可知，隨著三聚磷酸鈉濃度（1%～5%）的增加，凝膠強度呈現先減小后增加的趨勢，并且在三聚磷酸鈉濃度為3%時凝膠強度最小。隨著三聚磷酸鈉的濃度的增加，參與磷酸化反應而生成的短鏈淀粉含量先減少后增加，使得凝膠強度發生變化[27]。由圖3b可知，隨著超聲功率的增加，凝膠強度呈現先增加后減小的趨勢，并且在功率為1 200 W時有最大值出現。過大的超聲功率會破壞更多直鏈淀粉的雙螺旋結構，導致凝膠強度下降[28]。由圖3c可知，隨著超聲時間的增加，凝膠強度呈先增加再減小的趨勢，并且在20 min時有最大值出現。超聲波作用時間過長，超聲波能破壞支鏈淀粉的結構，導致凝膠強度下降。由圖3d可知，隨著溫度的增加，凝膠強度先增加后減小，30℃反應獲得的磷酸酯淀粉凝膠強度最大。

2.4 磷酸化協同超聲波處理對玉米淀粉糊化特性的影響

糊化是淀粉的重要性質，快速黏度分析儀可以測量淀粉的指標包括峰值黏度、糊化溫度、衰減度和回升值，用以表征淀粉的糊化特性，進而反映淀粉分子中直鏈淀粉含量的情況[29-30]。與原淀粉相比，經過磷酸化協同超聲波處理后的磷酸酯淀粉的糊化溫度都相應降低，而峰值黏度、衰減度和回升值升高。淀粉顆粒受到超聲波的機械振蕩作用，表面及內部結晶結構被破壞，最后導致糊化溫度下降[31]。淀粉的峰值黏度取決于直鏈淀粉含量，兩者呈負相關關系。在發生交聯反應的淀粉中，引入新的官能團，破壞氫鍵、氧鍵，降低直鏈淀粉的含量。改性使得淀粉交聯，使得淀粉的平均分子質量增大，表現為淀粉糊峰值黏度增加[32]。衰減度高表明淀粉的熱穩定性較差，回升值高表明淀粉易老化，抗老化能力變差[33]。磷酸化協同超聲波處理對玉米淀粉糊化特性的影響見圖4。

圖4 磷酸化協同超聲波處理對玉米淀粉糊化特性的影響Fig.4 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on gelatinization properties of corn starch

由圖4a和圖4b可知，隨著三聚磷酸鈉濃度的增加，經過磷酸化協同超聲波處理后的淀粉的糊化溫度逐步降低，生成的磷酸酯使得改性淀粉的結構松散。峰值黏度隨三聚磷酸鈉濃度的增大而增加，表明生成的磷酸酯使得淀粉鏈之間的相互作用加強。隨著三聚磷酸鈉濃度的增加，經過磷酸化協同超聲波處理后的改性淀粉的衰減度呈現先增大后波動增大的趨勢，回生值呈現先快速增高后波動下降的趨勢。與原淀粉相比，磷酸化協同超聲改性得到的含有較多磷酸酯基團的改性淀粉熱穩定性較差且更易老化。

由圖4c和圖4d可知，隨著超聲功率的增加，經過磷酸化協同超聲波處理后的淀粉的糊化溫度逐步降低，峰值黏度隨超聲功率的增加呈先增加后減小的趨勢，在功率為1 100 W時峰值黏度達到最大值。經過磷酸化協同超聲波處理后的改性淀粉的衰減度先增加后減小，在功率為1 100 W時出現最大值，回生值整體上呈現逐步增加的趨勢。較大功率的超聲處理使得淀粉的熱穩定性變差且更易老化。

由圖4e和圖4f可知，隨著超聲時間的增加，經過磷酸化協同超聲波處理后的磷酸酯淀粉的糊化溫度整體上呈現先減小再增加的趨勢，處理30 min的改性磷酸酯淀粉的糊化溫度最低。峰值黏度隨超聲時間的增加而先增加后減小，在30 min時出現最大值。衰減度呈現先增加后降低的趨勢，在30 min時出現最大值。回生值整體上呈現增加的趨勢，在60 min時出現最大值。超聲時間過長對淀粉的糊化特性有負面影響，應選擇較短的超聲時間。

由圖4g和圖4h可知，隨著溫度的增加，經過磷酸化協同超聲波處理后的改性淀粉的糊化溫度呈現先下降后增加的趨勢，在30℃處理獲得改性淀粉的糊化溫度最低。改性淀粉的峰值黏度隨溫度的增加呈現先增加再下降的趨勢，在30℃處理獲得改性淀粉的峰值黏度最高。衰減度隨溫度的增加呈現先增加再下降的趨勢，回生值隨溫度的增加呈現增大的趨勢。溫度過高對改性淀粉的糊化特性有負面影響，應選擇較低的溫度進行改性。

3 結論

磷酸化協同超聲波處理能夠有效改變玉米淀粉的物理特性，改性玉米淀粉的交聯度、透明度、凝膠強度及其糊化特性具有較大的改變。在進行磷酸化協同超聲處理對玉米淀粉進行改性過程中應根據產品的目標特性選擇特定改性的條件。