凍融循環次數對超聲改性玉米淀粉凝膠特性和結構的影響

韓 蕊，許秀穎，侯景瑤，齊佳偉，吳天昊，許志凌云，吳玉柱，劉景圣

（吉林農業大學食品科學與工程學院，小麥和玉米深加工國家工程研究中心，吉林 長春 130118）

速凍谷物制品因其烹飪方便受到消費者的青睞。淀粉是谷物制品的重要組分，直接決定其品質的優劣。玉米淀粉作為世界第一大糧食作物——玉米的重要組分，因存在加工性能差、貯藏時易發生老化等現象，使其制品失水變硬、彈性降低，嚴重影響產品性能和質量[1]。在冷凍-解凍的過程中，天然淀粉凝膠內部形成冰晶，受到物理壓力，發生相分離，使水分溢出。凍融穩定性是表征速凍制品物理變化的重要指標，而評估凍融穩定性的指標為析水率[2]。為降低凍融循環對產品的傷害，可通過添加外源物質提高凍融穩定性。Zhang Yifu等[3]的研究發現以天然大米淀粉作對照，加入了大米蛋白的大米淀粉凝膠中水流動性顯著減弱，橫向弛豫時間（T2）明顯減少，持水力提高。Chen Long等[4]通過研究普魯蘭多糖的加入，使大米淀粉凝膠的硬度降低，T2值減小，限制了水的流動，改善了淀粉凝膠結構。此外，還可通過對淀粉進行改性，提高其凍融穩定性。張穎[5]在不同壓力下，對白果淀粉進行超高壓處理，發現壓力為200 MPa時淀粉凝膠不易失水，凍融穩定性最好。周偉[6]研究了微波輔助制備羥丙基玉米淀粉，發現隨著取代度的增加，凝膠保水能力增強，凍融穩定性提高。

超聲處理作為綠色、高效的物理方法，被廣泛應用于淀粉、蛋白質等食品重要組分改性研究中。超聲波產生的空化效應使淀粉顆粒在介質中受到氣泡的作用，分子降解形成自由基[7]；其產生的機械效應使淀粉分子受到剪切、分散等作用力，導致淀粉分子共價鍵的斷裂[8]。Chan等[9]研究發現，超聲處理馬鈴薯淀粉、玉米淀粉、綠豆淀粉及西米淀粉，會使淀粉鏈發生斷裂，直鏈淀粉含量升高。Okonkwo等[10]研究發現，超聲處理大米淀粉凍融循環后，隨著超聲處理次數增加，析水率逐漸降低。而對超聲改性玉米淀粉凍融循環過程中其凝膠特性和結構變化的研究卻鮮見報道。

本研究采用流變儀、物性分析儀、低場強核磁共振儀、傅里葉變換紅外光譜儀及X射線衍射儀等技術，以天然玉米淀粉作對照，研究凍融循環1～5 次超聲改性玉米淀粉凝膠特性和結構的變化，這可為速凍谷物食品加工和食用品質提升提供一定理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉（分析純，≥98%） 上海瑞永生物科技有限公司；溴化鉀、二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）、碘、碘化鉀 國藥集團化學試劑有限公司；直支鏈淀粉試劑盒（K-TSTA） 愛爾蘭Megazyme公司；化學試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

JY92-2D超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；MesoMR23-040V-I低場強核磁共振儀上海紐邁電子科技有限公司；LAMBDA 850紫外分光光度計 珀金埃爾默儀器（上海）有限公司；MCR-302流變儀 奧地利Anton Paar公司；TA-XT Plus物性測定儀英國Stable Micro Systems公司；VERTEX 70傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker公司；D/MAX2500 X射線衍射儀 日本理學株式會社；Alpha1-4 LD plus真空冷凍干燥機 德國Christ有限公司。

1.3 方法

1.3.1 超聲改性玉米淀粉的制備

在前期預實驗的基礎上，選擇用去離子水配制質量分數為6%的玉米淀粉乳，將淀粉乳通過磁力攪拌充分混合均勻，在超聲功率120 W、超聲時間20 min（探針作用4 s，間歇1 s）條件下，獲得超聲改性玉米淀粉，將超聲改性玉米淀粉（記為UCS）和普通玉米淀粉（記為CS）作為凍融循環樣品的對照。

1.3.2 不同凍融循環次數玉米淀粉凝膠的制備

按照Ye Jiangping等[11]的方法并稍作修改。將普通玉米淀粉和超聲改性玉米淀粉放入95 ℃恒溫水浴鍋中，糊化25 min，冷卻至室溫。將約20 mL淀粉糊轉移至50 mL圓柱形離心管中，置于-20 ℃冰箱中冷凍22 h，取出后放入30 ℃恒溫水浴鍋中解凍2 h，為一個凍融循環過程（記為FT）。同樣條件下，凍融循環5 次。凍融循環1～5 次的超聲改性玉米淀粉凝膠分別記為FT1-UCS、FT2-UCS、FT3-UCS、FT4-UCS及FT5-UCS。凍融循環1～5 次的普通玉米淀粉凝膠分別記為FT1-CS、FT2-CS、FT3-CS、FT4-CS及FT5-CS。

1.3.3 析水率的測定

根據寧吉英等[12]的方法并稍作修改。將1.3.2節的不同凍融循環次數玉米淀粉凝膠分別裝入帶有濾紙和孔洞的20 mL注射器中，再放置于50 mL離心管中，4000 r/min離心20 min，取出帶有凝膠的注射器，稱量水和離心管的質量。實驗重復3 次，按照下式計算析水率：式中：m1為注射器質量；m2為離心管質量；m3為注射器和離心管的總質量；m4為離心管和水的質量。

1.3.4 動態流變學的測定

根據Yamazaki等[13]的方法進行修改，使用流變儀測定凝膠的流變學性質。將1.3.2節的不同凍融循環次數玉米淀粉凝膠分別直接放到流變儀實驗操作臺上。使用直徑為25 mm的平板流變儀，設置平板間的間隙1 mm，測量溫度25 ℃，掃描應變1%，角頻率范圍為0.1～100 rad/s，探究樣品的儲能模量（G’）、損耗模量（G”）及損耗角正切值（tanδ）隨角頻率的變化。

1.3.5 質構特性的測定

根據Zhang Chen等[14]的方法并稍作修改，使用物性測定儀測定凝膠的質構特性。按1.3.1節和1.3.2節方法將糊化后的淀粉糊混合均勻后倒入鋁盒，室溫冷卻。采用TPA模式，參數設置為：使用P/0.5探頭，測試速率5 mm/s，下壓10 mm，停留時間2 s，觸發力5 g。

1.3.6 直鏈淀粉含量的測定

利用直/支鏈淀粉試劑盒，按照說明書測定不同凍融循環次數玉米淀粉凝膠的直鏈淀粉含量。

1.3.7 碘結合力的測定

根據Miao Ming等[15]的方法并稍作修改，使用紫外分光光度計測定淀粉凝膠與碘結合能力。將不同凍融循環次數凝膠進行真空冷凍干燥，得到凍干樣品。準確稱量100 mg凍干樣品溶于10 mL的體積分數90% DMSO溶液中，然后用去離子水稀釋至50 mL。取5 mL樣品，加入用0.2% I2和2% KI溶液配制成的碘溶液1 mL，定容至50 mL，渦旋充分混勻，室溫靜置15 min。在450～800 nm波長范圍內進行全波段掃描，在635 nm波長處測定樣品的吸光度（A635nm），記為碘藍值，在520 nm波長處測定其吸光度（A520nm），計算A635nm/A520nm值，記為碘結合力值。

1.3.8 水分分布的測定

根據Yu Wenjie等[16]的方法并稍作修改，使用低場強核磁共振儀測定凝膠的水分分布。用移液槍將糊化淀粉糊注入核磁管中，放入-20 ℃冰箱冷凍22 h，30 ℃恒溫水浴2 h。將不同凍融循環次數的樣品利用多脈沖回波序列測量樣品的T2。設置參數：采樣點數為1000054，重復掃描4 次，回波數為10000，回波時間為0.5 ms，弛豫衰減時間為7500 ms。

1.3.9 短程有序結構的測定

根據Ye Jiangping等[17]的方法并稍作修改，使用傅里葉變換紅外光譜儀測定凝膠的短程有序結構。將不同凍融循環處理后的玉米淀粉凝膠樣品凍干粉碎，稱量2 mg樣品，與0.2 g溴化鉀充分研磨壓片，溴化鉀薄片為對照，掃描范圍為4000～500 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數為64 次。采用OMNIC 8.0軟件對1200～800 cm-1譜圖進行反卷積處理。

1.3.10 結晶結構的測定

根據Zhang Chen等[18]的方法并稍作修改，使用X射線衍射儀測定凝膠的結晶結構。將不同凍融循環次數冷凍干燥后的樣品，在40 kV和40 mA條件下，利用CuKα射線進行掃描，范圍為5°～40°，掃描速率為2°/min，掃描步幅為0.02°。

1.4 數據處理

每個實驗重復3 次。使用Origin 2018軟件繪圖。使用SPSS 25軟件進行方差分析和差異顯著性分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同凍融循環次數玉米淀粉凝膠的析水率分析

如圖1所示，未凍融時，UCS的析水率比CS顯著提高了5.17%（P＜0.05），原因在于超聲處理使玉米淀粉分子受到機械斷鍵作用，分子聚合度降低，提高了直鏈淀粉含量，造成析水率升高，與Okonkwo等[10]的研究結果一致。同一凍融循環次數下，超聲改性玉米淀粉凝膠的析水率均低于天然淀粉凝膠，而且FT4-UCS的析水率比FT4-CS顯著降低了5.19%（P＜0.05），差異最顯著。原因可能是在冷凍過程中形成冰晶，對凝膠結構產生物理破壞，羥基被暴露出來。而超聲的空穴效應使淀粉分子鏈變短，產生自由基，氫鍵減少，淀粉分子間相互作用力減弱，直鏈淀粉間距離增大，并且反復凍融形成的海綿狀結構也可以吸收更多的水，使留在凝膠內部的水分增多，造成析水率降低。這與吳立夏等[19]和王冠青[20]的研究結果一致。因此，超聲可以改善玉米淀粉凝膠的凍融穩定性，并在凍融循環第4次時效果最顯著。

圖1 凍融循環過程中超聲改性玉米淀粉凝膠的析水率變化Fig.1 Changes in water separation of ultrasonically modified corn starch gels during freeze-thaw cycles

2.2 不同凍融循環次數玉米淀粉凝膠的動態流變學分析

由圖2可知，超聲改性玉米淀粉凝膠和天然玉米淀粉凝膠的G’值均高于G”值，凝膠網絡結構穩定，tanδ均小于1，表現為淀粉凝膠是典型的弱凝膠，類似固體的特征。CS的G’值大于UCS的G’值，表明其流變學行為更弱，與梁云浩等[21]研究結果一致。由于超聲的空化作用使淀粉結構松散，有序性降低，降低凝膠的黏彈性，與Kaur等[22]的解釋一致。隨著凍融次數的增加，玉米淀粉凝膠的G’值和G”值整體呈逐漸增加趨勢，tanδ呈現相反趨勢。同一凍融循環次數下，超聲改性玉米淀粉凝膠的G’值和G”值低于天然玉米淀粉凝膠。由圖2C可知，FT4-UCS和FT5-UCS的tanδ值高于FT4-CS和FT5-CS的tanδ值，表明反復凍融處理使水與淀粉分子相互作用，冷凍-解凍過程中抑制直鏈淀粉和水分的滲出，使凝膠留住更多的水分，并且能保持穩定的流變學行為，這與寧吉英等[12]和董貝貝[23]的研究結果一致，也與本實驗析水率結果一致。

圖2 凍融循環過程中超聲改性玉米淀粉凝膠流變學變化Fig.2 Rheological changes in ultrasonically modified corn starch gels during freeze-thaw cycles

2.3 不同凍融循環次數玉米淀粉凝膠的質構特性分析

由表1可知，未凍融時，UCS的硬度、彈性和膠黏性均低于CS，原因可能是超聲的機械作用使相互纏繞的淀粉鏈結構打開，降解分子鏈，雙螺旋結構形成被抑制，導致凝膠強度降低，與Mojarrad等[24]的解釋一致。凍融后淀粉凝膠的硬度、彈性及膠黏性均大于未凍融，原因可能是凍融使凝膠結構更穩定，呈現“類固體”，與汪蘭等[25]的研究結果一致。同一凍融循環次數下，超聲改性玉米淀粉凝膠的硬度、彈性、內聚性及膠黏性均低于天然玉米淀粉凝膠，而FT4-UCS的硬度值比FT4-CS顯著降低了10.83%（P＜0.05），變化最顯著。原因可能是冷凍-解凍過程中，淀粉鏈之間或淀粉與水分子之間通過氫鍵相互結合[14,26]，直鏈淀粉含量與硬度密切相關，造成超聲改性玉米淀粉凝膠的硬度值低于天然玉米淀粉凝膠，與本研究流變學結果一致。

表1 凍融循環過程中超聲改性玉米淀粉凝膠質構參數Table 1 Textural parameters of ultrasonically modified corn starch gels during freeze-thaw cycles

2.4 不同凍融循環次數玉米淀粉凝膠的碘結合力分析

碘藍值是一種表征淀粉與碘結合能力強弱的重要指標，反映了直鏈淀粉的相對濃度水平[20]。由表2可知，未凍融時，UCS中的碘藍值、碘結合力和直鏈淀粉含量都高于CS，其原因主要為超聲破壞了淀粉的結構，引起淀粉的快速降解，直鏈淀粉含量升高，提升了淀粉分子與碘結合能力，與Chen Bingyan等[27]的研究結果一致。同一凍融循環次數下，淀粉凝膠的碘藍值、碘結合力值及直鏈淀粉含量均不低于未凍融，原因可能是玉米淀粉在糊化過程中雙螺旋結構被打開，凍融處理導致直鏈淀粉分子溢出，發生了定向遷移并重新排列。冷凍-解凍的過程中，FT3-UCS和FT4-UCS的直鏈淀粉含量均比FT3-CS和FT4-CS降低了0.15%，原因可能是凝膠水分析出，短直鏈淀粉分子重新結合形成了雙螺旋結構，使游離的淀粉分子減少與碘離子結合，造成了超聲改性玉米淀粉凝膠的碘藍值和直鏈淀粉含量低于天然玉米淀粉凝膠，并且碘結合能力也下降。

表2 凍融循環過程中超聲改性玉米淀粉凝膠碘藍值、碘結合力及直鏈淀粉含量參數Table 2 Iodine blue value,iodine binding capacity and amylose content of ultrasonically modified corn starch gels during freeze-thaw cycles

2.5 不同凍融循環次數玉米淀粉凝膠的水分分布分析

T2的特征峰代表不同的水分子，其峰面積代表水分子含量。強結合水的T2范圍為0.1～10 ms，弱結合水的T2范圍為10～100 ms，自由水的T2大于100 ms[3]。由圖3A可知，相比于天然玉米淀粉凝膠，超聲改性玉米淀粉凝膠的T2曲線整體左移，自由水含量下降。原因可能是強結合水和弱結合水的流動性降低，凍融使分子間交聯結合緊密，水分遷移被抑制，與高焌茹[28]的解釋一致。由圖3B可知，凍融循環過程中，淀粉凝膠的結合水比例呈整體降低趨勢，自由水比例呈整體升高趨勢，表明凍融處理使淀粉分子排列成有序結構，減少結合水位點，與Gong Yvyuan等[29]的解釋一致。同一凍融循環次數下，超聲改性玉米淀粉凝膠的自由水比例低于天然玉米淀粉凝膠，且FT4-UCS的自由水比例比FT4-CS顯著降低了2.57%（P＜0.05）。原因可能是超聲產生的短直鏈淀粉更易重排，與水分子結合后，降低水分子的流動性，造成析水率降低，這與梁云浩等[21]的解釋一致。

圖3 凍融循環過程中超聲改性玉米淀粉凝膠水分分布變化Fig.3 Changes in moisture distribution of ultrasonically modified corn starch gels during freeze-thaw cycles

2.6 不同凍融循環次數玉米淀粉凝膠的短程有序結構分析

由圖4A可知，在4000～500 cm-1范圍內，所有樣品的紅外圖譜吸收峰位置及形狀大致相同，無新的吸收峰出現或特征峰消失，沒有產生新的基團。在3500～3200 cm-1范圍內觀察到一個寬的—OH伸縮振動吸收峰，可與氫鍵相連[20]。由圖4B可知，在1200～800 cm-1范圍內，1054 cm-1和1022 cm-1處反卷積比值（R1054/1022）代表短程有序性，而1022 cm-1和991 cm-1處反卷積比值（R1022/991）代表雙螺旋結構組織狀態[30]。由表3可知，UCS的R1054/1022和R1022/991低于CS，表明超聲處理使淀粉結晶區的有序性降低，雙螺旋結構變弱。凍融循環后淀粉凝膠的R1054/1022高于CS和UCS，R1022/991低于CS和UCS，說明凍融使淀粉的短程結構有序性增強。同一凍融循環次數下，超聲改性玉米淀粉凝膠的R1054/1022低于天然玉米淀粉凝膠，原因可能是超聲處理使淀粉分子之間的交聯程度降低，抑制有序結構的形成；超聲改性玉米淀粉凝膠的R1022/991高于天然玉米淀粉凝膠（除FT3-UCS外），表明淀粉分子之間或者淀粉分子與水分子之間形成的氫鍵減少，凍融促使淀粉鏈重新排列，雙螺旋結構的形成被抑制[31]。此外，FT4-UCS的R1054/1022比FT4-CS顯著減小0.056（P＜0.05），FT4-UCS的R1022/991比FT4-CS顯著增大0.191（P＜0.05）；相比于其他凍融次數，第4次凍融時數值變化最顯著。

圖4 凍融循環過程中超聲改性玉米淀粉凝膠短程有序結構變化Fig.4 Short-range ordered structure changes of ultrasonic modified corn starch gel during freeze-thaw cycles

表3 凍融循環過程中超聲改性玉米淀粉凝膠短程有序結構參數Table 3 Short-range ordered structural parameters of ultrasonically modified corn starch gels during freeze-thaw cycles

2.7 不同凍融循環次數玉米淀粉凝膠的結晶結構分析

如圖5所示，出現衍射峰的位置大致相同，超聲和凍融循環處理沒有改變玉米淀粉的晶型。未凍融時，CS和UCS的相對結晶度分別為10.33%和10.21%，原因可能為超聲的機械和空化作用造成其結晶區結構被破壞，晶體間距發生變化，導致相對結晶度改變[8]。凍融循環后超聲改性玉米淀粉凝膠的相對結晶度均高于未凍融，原因可能是冷凍過程中，凝膠內部淀粉形成富集區，雙螺旋結構更加緊密，造成相對結晶度增加。同一凍融循環次數下，超聲改性玉米淀粉凝膠的相對結晶度均低于天然玉米淀粉凝膠。第4次凍融時，FT4-UCS的相對結晶度為15.38%，超聲處理后的玉米淀粉凝膠中相對結晶度最大，與本研究紅外光譜的結果一致。原因可能是超聲使淀粉無定形區結構增加，抑制了超聲改性淀粉凝膠在反復冷凍-解凍過程中的水分析出，增大了水與淀粉之間的結合，降低了水分的遷移，阻礙了淀粉分子間交聯，抑制其重結晶，這與周大年[32]的研究結果一致。

圖5 凍融循環過程中超聲改性玉米淀粉凝膠結晶結構變化Fig.5 Changes in the crystalline structure of ultrasonically modified corn starch gels during freeze-thaw cycles

3 結論

探討了凍融循環次數對超聲改性玉米淀粉凝膠特性和結構的影響。結果表明，不同凍融循環次數下，以天然玉米淀粉凝膠作對照，超聲改性玉米淀粉凝膠的析水率下降，G’和G”降低，凝膠強度變弱，硬度降低；且FT4-UCS的析水率比FT4-CS析水率顯著降低了5.19%（P＜0.05），硬度顯著降低了10.83%（P＜0.05）。此外，與天然玉米淀粉凝膠相比，凍融循環后超聲改性玉米淀粉凝膠中直鏈淀粉含量下降，淀粉與碘結合能力減弱，T2曲線整體左移，且反卷積紅外光譜中R1054/1022降低，R1022/991升高（除FT3-UCS外），短程有序結構減弱，相對結晶度下降。表明超聲改性降低了淀粉分子間的交聯，抑制了水分遷移。綜上，超聲處理通過改變玉米淀粉凝膠的分子結構，明顯改善其凍融穩定性，為速凍谷物食品的實際生產提供了可靠的基礎數據和理論參考。