高壓均質對綠豆淀粉機械力化學效應的影響

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

綠豆淀粉：山東諸城興貿綠豆開發有限公司；8-氨基芘基-1,3,6三磺酸三鈉鹽(8-Aminopyrene-1,3,6-trisulfonic acid, trisodium salt, APTS)：美國sigma-aldrich公司。

Nicolet is5傅立葉變換紅外光譜儀，美國熱電尼高力公司；RVA-Eritm黏度分析儀，瑞典波通儀器公司；D8 ADVANCE型X射線衍射儀，德國BRUKER-AXS有限公司；T6新世紀紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；ZKY-303S型高壓均質機，北京中科浩宇科技發展有限公司；B-383POL熱臺偏光顯微鏡，意大利康帕斯公司；QUANTA FEG250掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 高壓均質淀粉的制備

取200 g綠豆淀粉(干基)，配成20%的淀粉乳，攪拌均勻，于100 MPa下分別均質1、3、5、7次，干燥，研磨至粉狀，密封備用。

1.2.2 水溶指數和膨脹度的測定

稱取9 g綠豆淀粉于燒杯中，配成質量分數為2.0%的淀粉乳，85 ℃水浴糊化30 min，離心。將上清液傾出于已恒重燒杯中，稱量并記錄，然后烘干至恒重，稱其質量為溶解的淀粉質量A，稱取離心后沉淀物質量為膨脹淀粉質量P，計算水溶指數和膨脹度。公式如下[7-8]

(1)

(2)

式中：A—上清液烘干恒重后的質量/g；W—絕干樣品質量/g；P—離心后沉淀物質量/g。

1.2.3 透光率的測定

稱取0.5 g綠豆淀粉，配成質量分數為1%的淀粉乳，沸水浴糊化30 min。每水浴5 min磁力攪拌1～2 min。冷卻至室溫，650 nm波長下測定吸光度，平行3次，計算淀粉糊的透光率[9]。

透光率/%=102-吸光度

(3)

1.2.4 糊化特性的測定

按照GB/T 24853-2010的方法，利用快速黏度分析儀(RVA)測定綠豆淀粉的糊化特性[10]。根據樣品的水分含量，得所需淀粉樣品質量和去離子水量[11, 12]。

1.2.5 差示量熱掃描(DSC)分析

稱取5 mg淀粉樣品于鋁制密封坩堝中，加入15 μL去離子水，室溫下平衡均濕。升溫速率為5 ℃/min，升溫溫度為10～99 ℃，記錄升溫過程的DSC曲線。保護氣為氮氣，流速為 60 mL/min。同時記錄起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)和膠凝焓變(ΔH)。

1.2.6 X-射線衍射分析

采用X-衍射儀測定結晶特性。測試條件：特征射線CuKα，管壓為40 kV，電流100 mA，掃描速率為4°/min，測量角度2θ=0°～40°，步長為0.02°，發散狹峰為1°，防發散狹峰為1°，接收狹峰為0.16 mm[7, 13]。

1.2.7 掃描電鏡觀察

試樣經40 ℃干燥12 h，均勻涂在模具上，離子濺射噴涂鉑金后，采用掃描電鏡進行觀察。

1.2.8 偏光顯微鏡觀察

將樣品配成1%淀粉乳置于載玻片上，蓋上蓋玻片后于光學顯微鏡下觀察，記錄淀粉在偏振光源下的形貌特征。

1.2.9 激光共聚焦顯微鏡(CLSM)分析

取10 mg樣品與新鮮配制的15 μL 10 mmol/L APTS(醋酸為溶劑)及15 μL 1 mol/L氰基硼氫化鈉混合，于30 ℃反應15 h，用1 mL去離子水清洗5次，將淀粉顆粒懸浮于100 μL 50%甘油、水混合液中，取一滴懸浮液于CLSM觀察，得到CLSM和DIC圖[14]。

1.2.10 淀粉顆粒粒徑分析

采用 LS-POF激光粒度分析儀測定淀粉的粒徑分布。將綠豆淀粉懸浮于去離子水中，將待測液倒入樣品池中超聲波分散20 s后測定。根據激光衍射法進行自動分析，得粒徑分布圖和平均粒徑數據，每個樣品重復4次。

1.2.11 熱穩定性(thermogravimetric analyzer, TGA)分析

采用TA-60熱重分析儀測定樣品的熱穩定性，測試條件：試樣質量5 mg，升溫速率25 ℃/min，溫度范圍30～500 ℃，N2為保護氣。

1.2.12 紅外光譜掃描

稱取1 mg樣品于瑪瑙研缽中，加入150 mg溴化鉀粉末，于紅外燈下研磨均勻，裝入壓片模具中抽真空壓制成簿片。采用傅立葉紅外光譜儀對淀粉樣品進行掃描和測定，波長范圍為400～4 000 cm-1，掃描次數為32，分辨率為4 cm-1。

1.2.13 數據處理

試驗數據重復3次，采用Excel、Origin8.5軟件進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 高壓均質對綠豆淀粉顆粒形貌學影響

采用掃描電子顯微鏡對綠豆淀粉顆粒形態觀察結果見圖1a～圖1e。由圖1a～圖1e可知，綠豆淀粉顆粒大小差異明顯，較大顆粒多為橢圓形或腎形，小顆粒成圓球形，且表面完整光滑但垂直于長軸方向有折痕結構[15]。由圖1b～圖1c可看出，均質1～3次處理后，淀粉表面出現破損，并產生碎屑，可見高壓均質對綠豆淀粉產生很強機械力作用。由圖1d可知，當均質5次時顆粒表面球狀凸起數量顯著增多，可見部分淀粉顆粒內部發生了聚集。而均質7次處理時部分淀粉顆粒呈現明顯破裂瓦解(見圖1e)，可見部分淀粉顆粒剛性結構已受到破壞。

a，f，F，k為綠豆原淀粉；b，g，G，l為100 MPa均質1次處理；c，h，H，m為100 MPa均質3次處理；d，i，I，n為100 MPa均質5次處理；e，j，J，o為100 MPa均質7次處理。a、b、c、d、e為SEM；f、g、h、i、j為CLSM染色圖；F，G，H，I，J為激光共聚焦DIC圖；k、l、m、n、o為PLM圖1 高壓均質后綠豆淀粉顆粒SEM(×1 000)、CLSM(×1 600)、PLM(×400)Fig.1 SEM (×1 000), CLSM (×1 600) and PLM (×400) of mung bean starch modified by different homogenization conditions

2.2 高壓均質對綠豆淀粉顆粒內部微觀結構的影響

淀粉顆粒是由結晶區和無定形區交替組成的多晶體系。結晶區主要由支鏈淀粉構成，形成淀粉顆粒的緊密區；無定形區主要由直鏈淀粉構成，形成淀粉顆粒的稀疏層[7]。APTS染色劑與淀粉還原基末端反應使其呈現熒光特征，相同分子量條件下，直鏈淀粉具有更多還原末端，所以熒光強度較強[14]。

CLSM可觀察淀粉顆粒內部微觀結構，其結果見圖1f～圖1j (F～J)。由圖1f～圖1j (F～J)可看到綠豆淀粉“elongated hilum region”、輪紋和孔道結構，其中“elongated hilum region”結構主要由無定形區構成，而輪紋為結晶層與無定形區交替形成的生長環結構[16]。從圖1f可看出，綠豆原淀粉部分顆粒“elongated hilum region”熒光強度較大，而孔道亮度較低。從圖1g～圖1h可看出，均質1～3次時“elongated hilum region”和空腔面積減小且熒光強度減弱，可見高壓均質處理首先破壞了“elongated hilum region”處無定形區，且結合DIC圖可推斷機械力作用下無定形結構將空腔填充。由圖1I可知，均質5次時部分淀粉顆粒生長環已破壞，且顆粒內部出現一些微粒狀結構，結合圖1d可進一步證實該階段淀粉顆粒內部發生了聚集形成一些類似球狀“aggregation”結構，導致淀粉顆粒表面球狀凸起數量顯著增多；同時由于“aggregation”結構排列不緊密顆粒內部又出現新的空腔結構。而均質7次時輪紋結構破壞顯著，部分顆粒熒光區域分布于整個淀粉顆粒(見圖1j)，同時由圖1J(DIC圖)可看出部分淀粉顆粒直鏈淀粉穿插于顆粒內部，且內部結構分布更均勻。

2.3 高壓均質對綠豆淀粉顆粒偏光十字的影響

淀粉由結晶區和非結晶區組成，結晶區淀粉分子鏈呈有序排列，而非結晶區淀粉分子鏈呈無序排列，因兩者密度和折射率存在差別而產生各向異性現象，從而形成偏光十字，該雙折射現象的強度取決于顆粒的大小以及結晶度和微晶取向，結晶結構發生變化時偏光十字將受到影響[17]。

由圖1k～圖1o可看出，綠豆原淀粉顆粒偏光十字較為明顯，大部分顆粒呈X狀，且存在假復粒現象，只有少數小顆粒淀粉偏光十字位于中心部位[16, 18]。隨著均質次數的增加，十字交叉點清晰度明顯下降。當均質5次時大顆粒結構已存在破壞現象，偏光十字交叉點明顯增大，說明該階段晶體結構開始破壞，從而導致淀粉顆粒生長環破壞(見圖1I)。均質7次時多數淀粉顆粒破裂，十字交叉點已基本消失，說明該階段機械均質作用下晶體有序結構破壞顯著。

2.4 高壓均質對綠豆淀粉晶體結構的影響

圖2為綠豆淀粉X-射線衍射圖。由圖2可知，綠豆原淀粉在5.73°、15.3°、17.3°和23.5°出現較強衍射峰，在18.3°處略呈現衍射峰，為典型的C型晶體結構[19]。經均質1～5次后，5.73°處衍射峰變為彌散峰，17.3°處峰高減小，且18.3°處衍射峰消失，結晶度由原淀粉26.4%下降為20.9%，可見高壓均質對部分雙螺旋結構有顯著破壞作用[20]。當均質7次時，結晶度又增大至22.8%，結合圖1j (J)部分輪紋結構顯著破壞，內部趨于均勻可說明，該階段淀粉顆粒內部破壞的晶體結構與無定形區發生相互作用，使淀粉顆粒內部發生重排團聚導致結晶度增大[7]。

圖2 高壓均質處理綠豆淀粉顆粒的X射線衍射圖Fig.2 XRD of mung bean starch modified by different homogenization conditions

2.5 高壓均質對綠豆淀粉顆粒粒徑分布的影響

由圖3可知，均質3～5次后峰高增大，表明均質后淀粉顆粒先呈現為部分稍大顆粒比例增多，可見有序結構的破壞可導致淀粉顆粒疏松，粒徑增大[21]。均質7次后粒徑分布曲線顯著右移，說明顆粒粒徑整體增大，可見該階段淀粉顆粒結晶度雖增大(見圖2)，但結構較疏松。

圖3 高壓均質對綠豆淀粉粒徑分布的影響Fig.3 Effect of homogenization on particle size distribution of mung bean starch

2.6 高壓均質對綠豆淀粉糊化特性影響

RVA測定淀粉從吸水溶脹到顆粒結構受剪切力作用破壞，淀粉分子浸出的過程。淀粉吸水糊化后，膨脹的淀粉顆粒容易在熱或攪拌作用下崩解成更小的不規則顆粒結構，該結構被稱為“ghost”結構[22]。經不同均質條件處理后糊化特性結果見圖4。由圖4可知，黏度特征值均呈下降趨勢，當均質次數增加至7次時變化最顯著，峰值黏度和谷值黏度分別由原淀粉的3 108 mPa·s，2 077 mPa·s下降為2 756 mPa·s，1 847 mPa·s，說明均質后淀粉顆粒結構破壞，無定形區穩定性下降，分子間及分子內結合變得疏松，導致峰值黏度呈下降趨勢[18, 23]。此外淀粉聚集導致形成的“ghost”結構體積較小，所以谷值黏度、終值黏度均呈現下降趨勢(見圖4)[22]。

圖4 高壓均質對綠豆淀粉糊化特性的影響Fig.4 Effect of homogenization on pasting properties of mung bean starch

2.7 高壓均質對綠豆淀粉熱力學特性的影響

淀粉顆粒受熱吸水膨脹，分子間及分子內氫鍵斷裂，淀粉發生從多晶態變為非晶態及由顆粒變為糊化態的雙重物態轉化，因此呈現吸熱峰[13]。熱焓值為糊化過程雙螺旋解開所需吸收的能量，其反應淀粉顆粒結構的緊密程度[24]。由圖5可知，綠豆原淀粉的糊化峰值溫度為67.2 ℃，熱焓為9.021 J/g，均質1～3次時糊化焓降低為6.471 J/g；當均質5次時糊化峰左移，峰值溫度降低至66.1 ℃，與均質1～3次相比，峰面積顯著增大，說明該階段熱焓增大，即熔解淀粉內部雙螺旋結構需要的能量增多，可見該階段淀粉顆粒無定形區破壞嚴重，但淀粉顆粒內部結構聚集(見圖1d，1I)導致雙螺旋結構更緊密[24]。而均質7次后糊化溫度又有所增大，同時糊化焓顯著減小至6.017 J/g，可見與5次相比，該階段無定形區相對穩定，而雙螺旋結構變得疏松，結合圖1o可說明此階段晶體結構破壞最顯著，且破壞的晶體結構轉化為無定形區。

圖5 高壓均質對綠豆淀粉熱力學特性的影響Fig.5 Effect of homogenization on thermal characteristics of mung bean starch

2.8 高壓均質對綠豆淀粉水溶指數和膨脹度的影響

水溶指數和膨脹度反映淀粉顆粒內部結晶區與非結晶區之間的相互作用、結晶區氫鍵的強弱以及非結晶區淀粉分子之間的相互作用[18]。

由圖6可知，均質1～3次處理，膨脹度增大，為10.30 g/g，說明該階段主要是無定形區破壞，使淀粉易吸水膨脹[8]；均質5次時，淀粉顆粒內部開始聚集(見圖1d，1I)，無定形區結構變得相對松散，而淀粉顆粒糊化反應是從中心“elongated hilum region”區域開始向外圍擴散的過程[14]，故直鏈淀粉溶出量增大，膨脹度減小至3.41 g/g[18]；均質7次時，水溶指數下降為18.01%，膨脹度又顯著上升至10.44 g/g，結合圖1j (J)，圖2可進一步說明該階段部分直鏈淀粉與破壞的結晶區支鏈淀粉發生相互作用，抑制了直鏈淀粉的溶出。

圖6 高壓均質對綠豆淀粉水溶指數和膨脹度的影響Fig.6 Effect of homogenization on solubility and expansion of mung bean starch

2.9 高壓均質對綠豆淀粉透光率影響

由圖7可知，均質處理后透光率整體呈現下降的趨勢，均質7次時，達9.45%，這主要與綠豆淀粉無定形區、結晶區分子雙螺旋結構依次破壞有關[25]。當均質5次時，淀粉顆粒發生聚集(見圖1d，圖1I，圖5)，促進了淀粉無定形區與水分子結合，使淀粉乳對光的投射變大，從而導致透光率略有上升，達12.01%[25]；而均質7次時，透光率又下降至9.45%，其為顆粒內部分子發生重排的結果[26]。

圖7 高壓均質對綠豆淀粉透光率的影響Fig.7 Effect of homogenization on transparency of mung bean starch

2.10 高壓均質對綠豆淀粉熱穩定性的影響

由圖8可看出，綠豆淀粉的TGA曲線主要有兩個失重階段，分別為60～150 ℃和280～350 ℃。前者與吸附水及揮發性組分的散失有關[27]；而后者與淀粉熱解逸散有關[28-29]。在280～350 ℃，與原淀粉相比，均質7次失重溫度范圍明顯縮小，失重溫度降低(見圖8)，可見均質7次處理顯著加速了淀粉熱降解；由熱失重速率(derivative thermogravimetric analyzer, DTG)曲線圖還可知，最大失重速率峰位置雖未改變，但失重速率明顯增大，尤其均質7次處理，說明該階段結晶結構明顯受到破壞[29]，其與CLSM、PLM結果一致。

圖8 均質處理綠豆淀粉的TGA和DTG曲線圖Fig.8 TGA and DTG diagrams of mung bean starch modified by different homogenization conditions

2.11 高壓均質對綠豆淀粉紅外吸收光譜的影響

由圖9可知，淀粉在3 400、2 930、1 660、1 160、930 cm-1處具有較強的吸收譜帶，其中2 930 cm-1是氫鍵締合伸縮振動吸收峰。文獻認為1 162 cm-1處紅外吸收與淀粉結晶結構有關，而1 000 cm-1處吸收與淀粉無定形區結構有關[30]。由圖9可知，均質處理后未出現新的吸收峰，各特征基團的吸收峰位置未發生變化，說明均質處理后淀粉主體結構未發生化學變化，只是影響了無定形區、結晶區等物理結構。

圖9 高壓均質對紅外光譜圖的影響Fig.9 Effect of homogenization on FT-IR of mung bean starch

3 結論

研究結果表明，高壓均質對綠豆淀粉產生了顯著機械力化學效應：綠豆淀粉顆粒剛性很強，但由于綠豆淀粉顆粒內部“elongated hilum region”結構疏松且存在孔道結構，經高壓均質處理1～3次后淀粉顆粒首先表現為孔道模糊(受力階段)；當均質5次時無定形區和部分結晶區破壞，同時淀粉顆粒內部破壞的無定形區和結晶區聚集成一些小的類似球狀“aggregation”剛性結構，使顆粒表面球狀凸起增多(聚集階段)；而高壓均質7次時，由于淀粉結晶結構剛性破壞導致“aggregation”結構破壞，同時結晶區支鏈淀粉與部分直鏈淀粉團聚導致顆粒內部結構變得均勻，生長環破壞(團聚階段)。由于高壓均質處理破壞了綠豆淀粉顆粒結構，所以該機械力作用對淀粉理化性質產生顯著影響。

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High pressure homogenization on the effect of mung bean starch mechanochemistry properties

LI Gui-xiao, NIU Kai, HOU Han-xue, ZHANG Hui, DAI Yang-yong*, DONG Hai-zhou*

(College of Food Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’ an 271018, China)

Mung bean was homogenized by 100MPa for once, three, five and seven times respectively. The microstructure and physicochemical properties of starch were then examined by scanning electron microscope (SEM), confocal laser scanning microscopy (CLSM), polarizing microscope (PLM), X-ray diffraction (XRD), rapid visco analyser (RVA) and differential scanning calorimetry (DSC). The results showed that high pressure homogenization had significant mechano-chemical effects on the starch amorphous and crystalline regions, and starch granules were under aggregation and agglomeration stages.

mung bean starch; mechanochemical effects; physicochemical properties; structure

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201705017

碩士研究生(代養勇副教授和董海洲教授為共同通訊作者，E-mail：dyy.ww@163.com,hzhdong@sdau.edu.cn)。

國家自然科學基金項目 (31471619 )；山東省自然科學基金項目(ZR2014JL020)

2016-09-20，改回日期：2016-10-26