殼聚糖添加量對大米淀粉老化的影響

王昊翊 張昆明 唐湘毅 黃永春

摘 要：為探究殼聚糖添加量對大米淀粉老化性質的影響，采用差示掃描量熱儀、紅外光譜（FTIR）和X射線衍射儀對添加不同添加量殼聚糖的老化大米淀粉進行測試，以老化大米淀粉的回生焓值、R值以及相對結晶度等3項指標來評價殼聚糖添加量對大米淀粉老化的影響。結果表明：添加殼聚糖使老化大米淀粉回生焓值增大；FTIR分析結果證實了添加殼聚糖使老化大米淀粉的短程有序性降低；殼聚糖添加量為0.5 g（占淀粉干重3.3%）時，淀粉短期回生階段的短程有序性最低，添加量為0.4 g（占淀粉干重2.7%）時，淀粉長期回生階段的短程有序性最低；老化大米淀粉結構的長程有序性同殼聚糖添加量有關：殼聚糖添加量為0.1 g（占淀粉干重0.7%）時，殼聚糖能降低淀粉的相對結晶度，添加量增加到0.5 g（占淀粉干重3.3%）后，殼聚糖增大淀粉的相對結晶度，且老化時間越長，使淀粉相對結晶度增大所需的殼聚糖添加量越大。研究結果有助于拓寬殼聚糖的應用范圍，也為淀粉老化的調控提供了新思路。

關鍵詞：大米淀粉；殼聚糖；老化；短程有序性；長程有序性

中圖分類號：TS235.1 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.03.017

0 引言

淀粉是現代食品工業的重要原料，但是天然淀粉固有的老化特性限制了其更好的應用。淀粉經過加工制成的產品在儲藏過程中會發生老化，使得產品變硬，口感失去彈性變得松散粗糙，造成食品感官指標劣化。另外老化后的淀粉在消化道更難被消化酶降解，不利于人體消化，其營養價值也會降低。因此有關淀粉老化的研究一直是相關研究者重點關注的方向。通過各種方式對天然淀粉老化進行調控，可以使淀粉得到更好的應用。目前已有一些將多糖與淀粉共混以期影響淀粉老化性能的報導。趙啟竹[1]研究了可溶性大豆多糖（SSPS）對淀粉老化的抑制作用，通過快速黏度分析、激光共聚焦、全質構分析、X射線衍射及低場核磁共振等手段對淀粉的糊化、老化及質構特性進行了表征，認為SSPS對淀粉老化抑制的機制是影響糊化過程，主要通過控制水分和與淀粉分子相互作用實現。Raguzzoni等[2]通過熱分析，流變學測試研究了酸性條件下殼聚糖對玉米淀粉糊化、老化性質的影響，結論是殼聚糖提高了淀粉的糊化溫度，抑制淀粉的短期回生，但對長期回生有輕微的促進作用。Tian等[3]向大米淀粉中加入羥丙基β-環糊精（HPβ-CD），通過對尺寸排阻高效液相色譜、差示掃描量熱及X射線衍射的結果進行分析，得出了HPβ-CD與直鏈淀粉形成潛在的復合物延遲了淀粉老化的結論。相比生物法、化學法，淀粉同多糖共混具有成本低、條件簡單、不產生二次污染等優勢。但是相關研究大都是在淀粉尚未糊化前加入多糖，認為添加多糖抑制了淀粉的糊化。因此這些研究中各實驗組淀粉老化的起點不一，有關多糖對淀粉老化過程的影響無法得到確定的結論。迄今為止，尚未見有多糖對淀粉老化過程影響的單獨研究。本實驗中在淀粉完全糊化后再加入相應的多糖，保證了各實驗組淀粉老化的起點相同。

甲殼素是一種在自然界中蘊藏量極大的天然高分子，經過N-脫乙酰基可以得到其衍生產物殼聚糖。殼聚糖分子鏈上具有豐富的氨基[4]，為與淀粉相互作用提供了可能，因為來源廣泛且可再生，殼聚糖被廣泛應用于食品、紡織、醫藥、日化和環保等多種行業[5]。水稻是最重要的淀粉來源之一，因此本文選擇了大米淀粉作為研究對象，探究不同分子量與添加量的殼聚糖對大米淀粉老化的影響。

1 實驗材料與儀器

1.1 實驗材料

殼聚糖（脫乙酰度90%，分子量5、10、20、30、50萬），深圳市中發源生物科技有限公司；冰醋酸（AR），廣東光華科技股份有限公司；大米淀粉（直鏈淀粉含量16%），江西金農生物科技有限公司。

1.2 實驗儀器

Phenom ProX掃描電子顯微鏡（荷蘭Phenom-World公司）；D8 Advance X射線衍射儀（美國Bruker公司）；Bruker Invenio R傅里葉變換紅外光譜儀（BRUKER OPTIK GMBH）；NETZSCH DSC 3500 Sirius差示掃描量熱儀（NETZSCH-Ger?tebau GmbH）；Alpha 1-4 LDplus冷凍干燥機（德國CHRIST）；UPT-Ⅱ-20T超純水機（四川優普超純科技有限公司）；AR4201CN電子天平（上海奧豪斯）；BSM-220.4電子天平（上海卓精電子科技有限公司）；BCD-219WD12D冰箱（海信容聲（廣東）冰箱有限公司）；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（河南予華儀器有限公司）；100目（150 μm）標準檢驗篩（紹興市上虞張興紗篩廠）。

2 實驗方法

2.1 添加殼聚糖的淀粉老化樣品的制備

配制15 mL體積分數為1%的乙酸溶液若干份，分別加入分子量為5萬的殼聚糖0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g，磁力攪拌4 h至完全溶解。另制一份空白乙酸溶液作為對照。取15 g淀粉與25 mL去離子水裝入燒杯，在90 ℃的水浴鍋內加熱30 min使得淀粉糊化。將制備好的殼聚糖溶液及作空白對照的乙酸溶液分別與糊化好的淀粉混合，攪拌均勻，封上保鮮膜，放入4 ℃的冰箱保存。在1、7、14 d后取樣，經冷凍干燥后研磨，過100目（150 μm）篩待測。

2.2 淀粉試樣的表面形貌觀察

將淀粉樣品用導電膠貼在釘形樣品臺上，用氮氣吹去未貼牢的碎屑，用離子濺射儀在真空環境下表面噴金。然后把制好的樣品裝到樣品杯上，調整樣品位置到合適高度，移入掃描電子顯微鏡。在15 kV加速電壓下觀察老化淀粉的形貌。

2.3 老化淀粉的回生焓值測試

稱取淀粉試樣3 mg移入標配的Concavus鋁坩堝中，用微量進樣針向坩堝內加6 μL去離子水，加蓋用壓機壓緊密封，放置過夜以平衡水分。測試條件：以空坩堝作參比，開啟STC，測試溫度從20 ℃升至95 ℃，升溫速率為10 ℃/min。得到升溫過程中樣品的吸熱焓，作為老化淀粉樣品的回生焓值。

2.4 淀粉試樣的中紅外光譜測試

采用KBr壓片法對淀粉在中紅外區的吸收進行測試。預先將KBr在120 ℃的烘箱中干燥4 h，在紅外烤燈下制樣。分別稱取淀粉樣品0.01 g和溴化鉀1.00 g，用瑪瑙研缽混合研細后用壓機制成透明薄片。測試條件：以純KBr窗片作為背景，測試范圍4 000 ～ 400 cm-1，掃描累加32次，分辨率4 cm-1。

2.5 淀粉試樣的X射線衍射測試

XRD測試參考欒惠宇[6]方法并對測試條件做了一些調整，測試前將待測淀粉放在裝有飽和NaCl溶液的密封容器內放置7 d以平衡水分。制樣時，將適量待測樣品裝入石英樣品槽內，刮去多余樣品以玻片壓平。測試條件：銅靶Kα（λ = 0.154 06 nm），管壓40 kV，管流30 mA，測試范圍5°～35°，步長0.02°，掃描速度0.24 （°）/min。

2.6 數據處理

紅外光譜測試結果通過OMNIC 8軟件進行基線校正，參照欒惠宇[6]的參數設置：半峰寬19 cm-1，增強因子1.9，對1 200～800 cm-1范圍內的譜圖進行傅里葉自去卷積處理。XRD測試結果以JADE 6軟件畫出晶區與非晶區分界線后導入Origin軟件中，計算相對結晶度。

3 結果與討論

3.1 淀粉形貌觀察

圖1為經過冷凍干燥的淀粉放大400倍的電鏡照片，可以發現，經過凍干后的淀粉結構呈現片層狀。董慧娜等[7]對經過凍干的老化板栗淀粉拍攝了掃描電鏡照片，也觀察到了片狀結構，認為是淀粉在短期回生的過程中發生了脫水縮合所導致的。片層表面凹凸起皺，層間有立體的短棒狀突起相互交叉。相比空白對照，添加殼聚糖使淀粉層間的棒狀突起密度降低，推測此條件下殼聚糖通過與淀粉分子鏈相互作用，限制了淀粉分子鏈的運動能力，造成淀粉糊的凝膠化受阻。

3.2 DSC測試對老化淀粉雙螺旋結構的表征

DSC測得的熱焓可以反映淀粉老化過程中形成雙螺旋的多少[8]。圖2為大米淀粉DSC測試結果。從測試結果來看，一定添加量的殼聚糖對大米淀粉回生過程中形成雙螺旋具有促進作用。隨著時間推移，這種作用將會先增大再減小，最終添加殼聚糖的淀粉與空白淀粉的焓值趨同。推測殼聚糖上質子化的氨基更易與淀粉鏈上所帶羥基形成氫鍵。通過氫鍵的作用，殼聚糖使得淀粉分子鏈更加舒展，有利于之后的重排，從而導致老化過程中形成了更多雙螺旋結構。在老化時間足夠長的情況下，整個體系向著熱力學平衡的方向移動，因此最終添加殼聚糖的實驗組焓值與空白對照趨同。

殼聚糖添加量對淀粉在老化過程中形成雙螺旋結構的促進作用，在一天內的短期回生過程中規律不明顯，這可能是因為在短期回生中，起主導的是直鏈淀粉，在淀粉體系中所占比例較少。在數天的長期回生過程中，促進作用隨添加量的增加先增強后減弱，可能是由于過量的殼聚糖分子自身也發生相互作用。微觀上，分子鏈相互纏結，分子間阻力過大，不易展開同淀粉鏈接觸；宏觀上，殼聚糖溶液黏度增加，攪拌操作不易將殼聚糖溶液完全均勻分散到整個體系中。

3.3 FTIR測試對大米淀粉短程有序性的表征

中紅外光譜主要來自分子吸收能量后振動能級的躍遷，是分子振動的基頻吸收區[9]。圖3反映了添加殼聚糖和未添加殼聚糖的老化大米淀粉紅外光譜主要的吸收峰位置。3 500～3 300 cm-1處的吸收峰對應羥基伸縮振動，在淀粉體系中，有來自淀粉本身的羥基，也可能有來自水分子的羥基在此處出峰。1 417 cm-1和2 928 cm-1分別對應C—H鍵的彎曲振動和伸縮振動[10]。960～920 cm-1對應α-1，4-糖苷鍵的振動，761、849、1 081 cm-1處分別對應C—C鍵伸縮振動、—CH2—鍵變形振動、C—O—H鍵的彎曲振動等[11]。向大米淀粉中添加殼聚糖后，紅外光譜的吸收峰位置沒有出現明顯的變化，說明添加的殼聚糖沒有同大米淀粉分子發生化學變化，沒有造成淀粉基團改變，殼聚糖是通過分子間作用力對大米淀粉的老化產生影響的。

將1 200 ～800 cm-1范圍內的譜圖去卷積后標峰得到1 052 cm-1和1 020 cm-1兩處的吸收峰，分別對應了淀粉結晶區域與非結晶區域的特征振動，以1 052 cm-1與1 020 cm-1兩處吸收峰強度的比值R來代表樣品中短程有序的程度[12]，R值越大，樣品中短程有序的程度越高。

添加殼聚糖的樣品與空白相比，1 052 cm-1處峰有輕微紅移現象，1 020 cm-1處吸收峰則出現輕微藍移。1 020 cm-1處為O—H的彎曲振動[13]。由圖4可以看出，添加殼聚糖后，1 052 cm-1/1 020 cm-1波數處的紅外吸收強度比值下降，表明殼聚糖的添加導致了淀粉的內部結構的短程有序性降低。推測是因為殼聚糖在淀粉分子發生重排的過程當中通過與淀粉分子鏈形成氫鍵增強了淀粉鏈的剛性，增大了淀粉分子鏈的空間位阻，限制了淀粉鏈的運動，阻礙了雙螺旋結構的進一步有序堆積。短程有序性的變化規律為：短期回生中，隨著添加量的增加而減弱；長期回生中，隨著添加量增加先降低再增強。測試結果大致同DSC測試結果相互印證，殼聚糖對淀粉作用越強，淀粉分子的短程有序性就越差。

3.4 老化淀粉的相對結晶度分析

圖5是各組樣品的XRD譜圖，XRD圖譜在衍射角度7.5°、13.0°、17.0°、20.0°左右出峰，這是V型（7.3°、13.0°、20.0°）和B型（17.0°單峰）晶型的典型位置[14]。

計算5°～30°晶區與總面積之比，得到淀粉的相對結晶度[15]。發現淀粉的相對結晶度隨著時間推移而增大，與已有報導相同[16]。同空白淀粉對比，少量殼聚糖降低淀粉的相對結晶度。當淀粉分子活動能力受限制時，淀粉的結晶能力將會降低[17]。如圖6所示，隨著添加量增多，大米淀粉的相對結晶度逐漸升高，超過空白對照的結晶度，且時間越長，使相對結晶度增大所需的殼聚糖越多。老化1、7、14 d后，大米淀粉相對結晶度分別在殼聚糖添加量達0.2、0.4、0.5 g時超過未添加殼聚糖的空白淀粉。其原因如前所述，過量的殼聚糖自身相互纏結，不易同淀粉分子鏈接觸，對淀粉老化的抑制作用減弱，反而可能因為在局部吸水提高淀粉濃度而促進淀粉老化[18]。

4 結論

向糊化后的大米淀粉中添加殼聚糖導致淀粉的凝膠化受阻，證實殼聚糖可以在淀粉老化過程中產生影響。添加殼聚糖導致大米淀粉在老化過程中形成更多雙螺旋結構，但是降低了其短程有序性。推測其原因是殼聚糖通過自身的游離氨基同淀粉分子鏈形成了氫鍵，使得淀粉鏈的構象發生改變而形成了更多雙螺旋結構，但是殼聚糖同淀粉分子的締合增大了淀粉分子的空間位阻，限制了淀粉分子的運動能力，因此阻礙了淀粉雙螺旋結構進一步的排列堆砌，導致老化淀粉的短程有序性降低。殼聚糖對老化大米淀粉的長程有序性的影響與其添加量有關，少量的殼聚糖能抑制淀粉老化，降低淀粉的相對結晶度，當添加量過多時，殼聚糖自身可能相互纏結，限制其與淀粉發生作用，并且殼聚糖可能因為自身的吸水作用在局部提高了淀粉濃度而促進老化，增大淀粉的相對結晶度。

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Effects of addition amount of chitosan on the retrogradation of

rice starch

WANG Haoyi1，2，3， ZHANG Kunming1，2，3， TANG Xiangyi1，2，3， HUANG Yongchun*1，2，3

（1. School of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2. Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources （Guangxi University of

Science and Technology）， Liuzhou 545006， China; 3. Key Laboratory of Sugar Resources Processing of Guangxi Higher Education Institutions （Guangxi University of Science and Technology）， Liuzhou 545006， China）

Abstract： This paper studies the effect of addition amount of chitosan on the retrogradation of rice starch. First， the retrograded rice starch added with different amount of chitosan was tested by DSC， FTIR and XRD. Then， the effect of chitosan addition on the retrogradation of rice starch were evaluated by three indicators： the enthalpy of retrogradation， R value， and relative crystallinity. The results show that adding chitosan increased the enthalpy of retrogradation of the aged rice starch; The result of FTIR analysis confirmed that the addition of chitosan reduced the short range ordering of the aged rice starch; When the addition amount of chitosan was 0.5 g （3.3% of the dry weight of starch）， the short range ordering of starch in the short-term retrogradation was the lowest， and when the addition amount was 0.4 g （2.7% of the dry weight of starch）， the short range ordering of starch in the long-term retrogradation was the lowest; The long range ordering of rice starch structure was related to the addition amount of chitosan： when the addition amount of chitosan was 0.1 g （0.7% of the dry weight of starch）， chitosan reduced the relative crystallinity of starch; When the addition amount of chitosan was increased to 0.5 g （3.3% of the dry weight of starch）， chitosan increased the relative crystallinity of starch and the longer the retrogradation time， the larger addition amount of chitosan needed to increase the relative crystallinity of starch. The research results help to broaden the range of application of chitosan and provide new ideas for the regulation of starch retrogradation.

Keywords： rice starch; chitosan; retrogradation; short range ordering; long range ordering

（責任編輯：于艷霞）

收稿日期：2023-03-24；修回日期：2023-05-01

基金項目：廣西重點研發計劃項目（桂科AB22035061）資助

第一作者：王昊翊，在讀碩士研究生

*通信作者：黃永春，博士，教授，研究方向：生物資源加工及過程強化，E-mail：huangyc@yeah.net