高靜水壓處理對玉米淀粉/阿魏酸復合體系理化及結構特性的影響

鄭啟航，苗振弛，宋 斌，王天池，王新智，衣 寧，許秀穎，鄭明珠，趙城彬，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）

玉米淀粉（corn starch，CS）是來源廣泛、價格低廉的淀粉之一，除作為食品的主要成分之外，它還可以作為食品的穩定劑、乳化劑、增稠劑等[1]。然而，天然CS在應用中存在黏度低、熱穩定性差、脫水率高、易回生等缺陷，限制了其應用范圍[2]。為了改善CS的理化性質，可以利用化學手段、物理手段和酶法等，使得淀粉結構和性質發生變化，從而改善天然淀粉在工業應用中的不足，滿足現代化產業發展的需求[3]。

高靜水壓（high hydrostatic pressure，HHP）技術屬于非熱物理改性技術，因其綠色、高效、環保、作用溫度低、作用均勻，且對食物中的營養成分和熱敏性物質干擾較弱，進而在食品加工領域得到了廣泛的使用[4-5]。其主要通過作用于非共價鍵[6]，從而破壞高分子物質的結構，引起大分子物質變性；而對小分子物質如多酚、維生素、氨基酸、風味組成物質影響較小[7]。

酚酸是谷物中分布最廣泛的酚類物質，阿魏酸（ferulic acid，FA）則是谷物中羥基肉桂酸含量最高的酚酸類物質，也是玉米粒中的主要酚類物質[8]。在玉米精深加工過程中，FA會與CS發生一定相互作用從而影響玉米食品的加工特性和品質特性，關于淀粉與多酚的研究受到眾多學者的關注。許檸[9]發現FA會與淀粉競爭水分子從而引起糊化特性的變化，FA還會與支鏈淀粉和直鏈淀粉分別形成絡合物和包合物。謝亞敏等[10]發現FA使淀粉分子間作用減弱，降低板栗淀粉的重結晶能力從而抑制淀粉老化。韓雪琴[11]發現隨著FA濃度的增大，FA-大米淀粉復合物的有序程度降低，同時二者復合后并沒有出現新的結晶峰，未形成有序的長程結晶結構。目前的研究中多采用單一的HHP或多酚調控CS的相關理化特性，而HHP對CS/FA復合體系的相關研究卻鮮見報道。

因此，本實驗采用差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry，DSC）、流變儀、傅里葉變換紅外光譜儀、X射線衍射儀等技術手段，研究HHP處理對CS/FA二元體系理化特性和結構特性的影響，以期為改善CS基產品的加工特性和食用品質提供一定的理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

CS、FA（98%）上海源葉生物科技有限公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

AlPhal-4LDPlus冷凍干燥機 德國Christ公司；Q-2000型DSC 美國TA公司；3JK-1型快速黏度分析儀澳大利亞Perten公司；MCR-302型流變儀 奧地利Anton Paar公司；紫外-可見分光光度計 珀金埃爾默儀器（上海）有限公司；VERTEX70傅里葉變換紅外光譜儀德國Bruker公司；D/MAX2500 X射線衍射儀 日本理學公司。

1.3 方法

1.3.1 復合體系的制備與處理

參考Du Jingjing等[12]的方法并稍作修改。稱取15 g CS溶解于100 mL蒸餾水中，添加10 mL質量濃度分別為0、2 g/100 mL的FA溶液（95%乙醇溶液溶解）并置于燒杯中，50 ℃條件下磁力攪拌2 h后轉移至聚乙烯袋中，保證真空包裝無氣泡。500 MPa HHP處理15 min，處理后3 000 r/min離心15 min，冷凍干燥并過100 目篩，得到經過HHP處理后的CS（記作H-CS）和CS/FA復合體系（記作H-CS/FA）。將未經HHP處理的樣品分別記作CS和CS/FA。

1.3.2 溶脹特性測定

參考孫穎等[13]的方法并稍作修改。將1.3.1節制備的樣品配制成質量濃度為2 g/100 mL淀粉乳，于65、75、85、95 ℃的恒溫水浴中糊化30 min，在3 000/min條件下離心20 min，將上清液在105 ℃下干燥至恒質量。溶解度（S）與膨脹度分別按公式（1）、（2）計算。

式中：m1為上清液烘干后質量/g；m2為離心管中剩余物質量/g；m為淀粉樣品干基質量/g。

1.3.3 熱特性測定

參考曾木花等[14]的方法稍加修改。準確稱取（3.00±0.02）mg樣品，與9 μL蒸餾水混合，密封后置于4 ℃過夜平衡。在DSC中用空坩堝作為參照，測定范圍30～120 ℃，升溫速率10 ℃/min。通過DSC曲線得到初始溫度To、峰值溫度TP、終值溫度TC、糊化焓值ΔH。

1.3.4 糊化特性測定

參考李妍等[15]的方法。準確稱量3 g樣品配制成質量分數12 g/100 mL的懸浮液，采用快速黏度分析儀測定CS/FA復合體系的糊化特性。

1.3.5 流變特性測定

參考Xu Fen等[16]的方法稍加修改。取1.3.4節中制備的淀粉糊，在溫度25 ℃、應變和角頻率范圍分別為1%和1～100 rad/s條件下，并在線性黏彈區范圍內進行頻率掃描。

1.3.6 碘結合力測定

參考Zhou Xiaoli等[5]的方法并稍加修改。精確稱取0.5 g樣品并加入4.5 mL蒸餾水于離心管中制備懸浮液，然后置于沸水中加熱10 min，直至淀粉完全凝結，取出冷卻至室溫。加入25 mL蒸餾水并漩渦30 s，以3 000 r/min離心15 min。最后，取500 μL上清液添加到配制好的2 mL碘溶液中（0.002 g/mL I2＋0.02 g/mL KI），并添加15 mL蒸餾水稀釋。使用紫外-可見分光光度計進行檢測，檢測范圍為500～800 nm。

1.3.7 粒度分布測定

參考郝宗圍等[17]的方法稍加修改。將HHP處理前后的淀粉溶液質量濃度調整為0.01 g/100 mL，采用激光粒度分析儀測定其粒度分布，分散劑和樣品的折射率分別為1.33和1.59。

1.3.8 傅里葉變換紅外光譜測定

參考Zou Jian等[18]的方法稍加修改。使用傅里葉變換紅外光譜儀測定樣品的結構。取2 mg樣品和0.2 g溴化鉀，置于紅外燈下研磨混勻，放于模具中并真空壓片60 s。以KBr為背景，使用傅里葉紅外光譜儀在4 000～400 cm-1范圍內進行掃描。

1.3.9 X射線衍射分析

參考Zhang Jie 等[19]的方法稍加修改。使用D/MAX2500 X射線衍射儀測定樣品晶體結構。將樣品平整放入玻璃凹槽內并用壓片壓緊，分析條件：銅靶Cu Kα、電壓40 kV、電流40 mA掃描范圍2θ為5°～40°、掃描速率2（°）/min。

1.4 數據分析

實驗均重復3 次，使用Origin 2018軟件繪圖，采用SPSS Statistics 23.0軟件對數據進行處理，利用ANOVA進行差異顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 HHP處理對CS/FA復合體系溶脹特性的影響

淀粉的溶解度和膨脹度是直觀判斷淀粉與水之間相互作用力的物理指標之一[20]。如圖1所示，所有樣品溶解度和膨脹度均隨著溫度升高而增加，與CS樣品相比，且添加FA后，CS/FA樣品溶解度和膨脹度均增加，可能是由于添加FA后，其酚羥基與淀粉的羥基結構相互作用，進而提高了淀粉的溶脹特性[21]。

圖1 HHP處理對CS/FA復合體系溶解度（A）和膨脹度（B）的影響Fig.1 Effect of HHP treatment on solubility (A) and degree of expansion (B) of CS/FA composite system

經HHP處理后的淀粉溶解度和膨脹度與溫度有關。在較低溫度下（65 ℃），HHP處理后的H-CS和H-CS/FA的溶解度和膨脹度較CS和CS/FA有所提高；在較高溫度下（75～95 ℃）則相反。當溫度從75 ℃上升到95 ℃時，水分子開始進入淀粉顆粒的非結晶區和部分結晶區，HHP處理使直鏈淀粉的溶出受到抑制，淀粉分子內直鏈淀粉與支鏈淀粉形成穩定結構，而淀粉分子的膨脹作用大多是支鏈淀粉主導，因此，HHP處理后淀粉溶脹特性下降，這與Liu Hang[22]和Li Wenhao[23]等研究結果一致。

2.2 HHP處理對CS/FA復合體系熱特性的影響

如圖2所示，到HHP處理后H-CS和H-CS/FA吸熱峰向更高的溫度移動，且經HHP處理后的H-CS/FA體系吸熱峰變窄變弱，表明HHP處理后提高了H-CS和H-CS/FA的熱穩定性[11]。

圖2 HHP處理前后CS/FA復合體系的DSC曲線Fig.2 DSC curves of CS/FA composite system before and after HHP treatment

如表1所示，與CS相比CS/FA的峰值溫度與糊化焓降低，可能是溶解在水中的FA通過其自身的羧基和酚羥基與糊化過程中溶出的淀粉鏈發生基于氫鍵或者范德華力的相互作用，從而對淀粉溶液體系產生影響[20]；此外，FA可能會與CS競爭水分子，使水分子的流動性受到限制，延緩了淀粉糊化的進程，降低了淀粉的糊化焓，導致體系的熱穩定性發生變化，這與韓雪琴[11]、Karunaratne[21]等的研究結果一致。而經HHP處理后，H-CS以及H-CS/FA峰值溫度顯著提高、糊化焓值顯著下降，表示HHP處理能夠提高體系的熱穩定性以及抑制體系的回生性。HHP處理可以破壞淀粉的結晶區域和非晶態區域，使得原本的分子結構遭到破壞，而FA在糊化過程中與淀粉鏈通過氫鍵、疏水作用等發生非共價結合[11]，使淀粉鏈之間重新排序受阻，改變了結晶淀粉和無定形淀粉之間的耦合力，降低了CS和CS/FA體系的糊化焓，干擾了淀粉的重結晶從而降低了淀粉的有序度，進而抑制了體系的回生，這與Guo Zebin等[24]的研究結果相似。

表1 HHP處理前后CS/FA復合體系的DSC參數Table 1 DSC parameters of CS/FA composite system before and after HHP treatment

2.3 HHP處理對CS/FA復合體系糊化特性的影響

由圖3可知，添加FA后，CS/FA的糊化曲線與CS相比整體下移。由表2可知，與CS相比，復合體系CS/FA的峰值黏度、谷值黏度和終值黏度顯著降低，下降幅度分別為8.4%、31.8%和20.0%%。峰值黏度和谷值黏度的下降可能是由于FA具有多元結構，抑制了CS的水合作用和淀粉顆粒中直鏈淀粉的浸出[25]。FA的酚羥基與支鏈淀粉的側鏈發生反應，并且與淀粉顆粒的無定型區發生不同程度的結合，從而改變晶質和無定型質之間的耦合力，促使淀粉顆粒之間發生簡單水合，使糊化熱能減少，從而使峰值黏度、谷值黏度和終值黏度降低，這與Karunaratne[21]和趙蓓蓓[26]等的研究結果一致。

表2 HHP處理前后CS/FA復合體系糊化特征參數Table 2 Characteristic parameters of gelatinization of CS/FA composite system before and after HHP treatment

圖3 HHP處理前后CS/FA復合體系糊化曲線Fig.3 Gelatinization curves of CS/FA composite system before and after HHP treatment

由表2可知，經過HHP處理后，CS和CS/FA峰值黏度、谷值黏度和終值黏度顯著提高。說明500 MPa壓力使CS對熱效應和剪切效應的抵抗能力顯著增強，使得CS和CS/FA的穩定性增強[27]。HHP對淀粉分子的擠壓作用，可使淀粉分子發生重排并在一定程度下重新聚合，導致峰值黏度、谷值黏度和終值黏度增大，這與Zhang Dali等[28]研究結果一致。回生值可作為判斷淀粉短期老化的指標，也常用于表征淀粉糊在降溫過程中的穩定性[29]。添加FA后，CS/FA回生值顯著降低，可能是由于FA與CS之間形成淀粉-多酚復合物，從而影響了老化過程中直鏈淀粉分子的聚集，導致回生值下降[30]。HHP處理后，CS/FA回生值也降低，可能是由于在高壓環境下FA進入淀粉顆粒內部和更多長鏈淀粉斷裂成短鏈淀粉，改變了CS的內部有序結構，進一步減弱了大米淀粉分子鏈的纏結[31]。

2.4 HHP處理對CS/FA復合體系流變特性的影響

圖4為HHP處理前后CS和CS/FA的動態流變曲線，其中G’和G”分別反映了淀粉糊變形后恢復復形狀的能力和淀粉糊抵抗流動的能力[32]。在整個掃描頻率范圍內，所有樣品的彈性模量G’均大于黏性模量G”，二者在頻率掃描范圍內曲線也沒發生交叉現象，表明所有樣品屬于典型弱凝膠體系。與FA相比，CS/FA的G’和G”均降低，表明添加FA后淀粉凝膠體系的穩定性變差。可能歸因于FA與淀粉分子形成氫鍵，延緩了淀粉鏈之間的相互交聯，使淀粉凝膠體系內分子鏈的纏結點減少，進而削弱了淀粉凝膠體系的網絡結構，抑制體系凝膠網絡的形成，降低了淀粉體系的黏彈性，這與韓雪琴等[11,33]研究結果一致。田金木等[34]研究發現添加紅茶水提取物后，淀粉凝膠形成過程中淀粉分子重排受到紅茶水提物中茶多酚等成分的影響，從而削弱了淀粉凝膠的強度。經HHP處理后，CS和CS/FA的儲G’和G”均顯著增加，即彈性和黏性均增加，表明其體系內部形成了強度較高的凝膠網絡結構。可能是壓力的作用下CS顆粒晶體結構被破壞，導致更多的直鏈淀粉溶出，加強了淀粉分子之間的相互作用，從而提高了淀粉凝膠柔韌性[35]。

圖4 HHP處理對CS/FA復合體系的動態流變曲線Fig.4 Dynamic rheological curves of CS/FA composite system treated with HHP

2.5 HHP處理對CS/FA復合體系碘結合力的影響

當直鏈淀粉與碘結合時，由于直鏈淀粉螺旋內部的疏水空腔與碘離子相互作用，使其顏色變為藍色，從而形成包合物，導致500～800 nm波段處吸光度升高。多酚類化合物通過類似的機制與淀粉結合，因此可以根據多酚類化合物-淀粉復合物對碘結合的抑制作用來確定多酚和淀粉的相互作用程度[36]。

由圖5可知，添加FA會抑制淀粉與碘的相互作用，導致吸光度下降，表明FA并沒有結合在兩條直鏈淀粉的螺旋鏈分子之間，而是嵌入淀粉螺旋鏈的疏水內腔中發生疏水作用或者多酚與淀粉分子形成弱的氫鍵，占據了直鏈淀粉與碘的結合位點進而抑制直鏈淀粉-碘復合物的形成，這與任順成等[37]結果一致。經HHP處理后，H-CS吸光度較CS明顯提高，說明HHP處理使CS直鏈淀粉含量增多，與碘結合位點變多[38]，證實了經HHP處理之后FA與CS的結合程度增加。

圖5 HHP處理前后CS/FA復合體系與碘結合的紫外吸收光譜Fig.5 Ultraviolet absorption spectra of CS/FA composite system combined with iodine before and after HHP treatment

2.6 HHP處理對CS/FA復合體系粒度分布的影響

如表3所示，淀粉的體積平均徑（D[3,2]）與面積平均徑（D[4,3]）的差值可反映淀粉粒徑的均一情況，差值越小表示淀粉顆粒大小越均一[39]。由表3可得出，CS、CS/FA、H-CS和H-CS/FA的體積平均徑與面積平均徑的差值分別為2.0、1.3、5.0、2.6 μm，說明添加FA后淀粉顆粒大小更為均一，而且CS/FA和H-CS/FA的平均粒徑相較于CS和H-CS均顯著減小，可能是由于FA嵌入淀粉內部與直鏈淀粉形成復合物或吸附在淀粉顆粒表面，阻礙了淀粉分子鏈間的相互靠近以及直鏈淀粉重新回到淀粉顆粒中從而降低了淀粉顆粒粒徑[40]。HHP處理后的樣品體積平均徑與面積平均徑的差值增大，H-CS和H-CS/FA平均粒徑相較于CS和CS/FA均顯著增加，說明HHP處理使淀粉發生不均一的團聚。表明壓力使淀粉結構被破壞，促進淀粉分子之間的相互聚集，淀粉顆粒發生部分糊化導致顆粒膨脹導致粒徑增大，這與丑述睿[41]研究結果相似。張玲[42]發現了瑪咖淀粉經HHP處理后出現粒徑增大的現象，主要原因為淀粉分子之間的相互聚集。

表3 HHP處理前后CS/FA復合體系粒度分布特征參數Table 3 Characteristic particle size distribution parameters of CS/FA composite system before and after HHP treatment

2.7 CS/FA復合體系紅外光譜分析

如圖6A所示，在CS中添加FA，或者CS、CS/FA經HHP處理后，吸收峰沒有出現明顯的偏移，也沒有新的吸收峰出現或某個特征吸收峰的消失，表明HHP處理或在淀粉中添加FA均沒有引起官能團的產生與消失，可能是由于FA與淀粉分子間的作用是通過氫鍵等非共價相互作用，互相沒有形成共價鍵結構，這與Zhang Jing[43]和王晨[44]等的研究結果一致。

圖6 HHP處理前后CS/FA復合體系的紅外光譜Fig.6 Infrared spectra of CS/FA composite system before and after HHP treatment

在FTIR光譜中，R1055/1022值可用于表征淀粉的短程有序結構[4]，R990/1022值與雙螺旋結構有關[45]。由表4可知，添加FA或HHP處理后，淀粉的R1055/1022和R990/1022值顯著降低，且經HHP處理后的H-CS/FA體系的R1055/1022和R990/1022值進一步降低，表明HHP處理使短程有序和雙螺旋結構的破壞程度加劇，是因為HHP處理能夠破壞CS和CS/FA體系中淀粉的結晶結構，水分子在壓力作用下進入淀粉顆粒的結晶區域，并與淀粉分子游離出來的—OH游離結合，抑制了體系的回生，這與回生值結果相符。

表4 HHP處理前后CS/FA復合體系的紅外光譜參數Table 4 Infrared spectral parameters of CS/FA composite system before and after HHP treatment

2.8 CS/FA復合體系X射線衍射分析

如圖7所示，CS在15.1°、17.2°、18.1°、23.2°處呈明顯的尖峰衍射，屬于典型的A型晶體結構。添加FA后，衍射峰位置不變說明FA與CS相互作用較弱，可能是FA與淀粉鏈之間的分子相互作用大部分為氫鍵等非共價結合而未形成特殊的晶體結構，仍保留其A型晶體結構，該結果與紅外光譜結果一致，也與文獻[21]的研究結果相符。經HHP處理后，可明顯看出CS和CS/FA樣品在15.2°、17.1°、18.1°、22.9°處衍射峰強度降低，并伴隨著20°處的衍射峰強度增加，表明H-CS和H-CS/FA仍為A型晶體結構。由圖7可知，與未經HHP處理的天然淀粉CS相比，H-CS相對結晶度由29.19%降為22.88%。H-CS/FA相對結晶度與CS/FA相比由27.23%降為21.62%。HHP處理導致相對結晶度降低可能是由于HHP處理會加劇大量直鏈淀粉和支鏈淀粉的降解以及位于結晶區域的眾多螺旋的解離，這與Zhang Xinyu等[46]研究結果相似。H-CS吸收強度降低，峰沒有消失進一步證實了其改變了內部的有序結構。

圖7 HHP處理前后CS/FA復合體系的X射線衍射圖譜Fig.7 X-diffraction patterns of CS/FA composite system before and after HHP treatment

3 結論

本實驗探究了HHP處理對CS和CS/FA復合體系理化和結構特性的影響，結果表明，HHP處理增強了CS/FA復合體系的峰值黏度、彈性模量G′和黏性模量G"，降低了復合體系的溶解度和膨脹度（75～95 ℃）、糊化焓及回生值；此外，HHP處理提高了CS/FA復合體系的平均粒徑，傅里葉紅外光譜和X射線衍射光譜分析表明，HHP處理后，CS/FA復合體系短程有序結構和雙螺旋結構減少，淀粉顆粒仍為A型結構，但相對結晶度下降。綜上所述，HHP處理增強了CS/FA復合體系的相互作用，改善了復合體系的理化特性，使其結構發生了一定的改變。