高靜壓處理對紅薯淀粉顆粒結構的影響

李紅云，徐曉萍，陳厚榮，陶曉奇，張甫生

（西南大學食品科學學院，重慶 400715）

紅薯（Ipomoea batatas (L.) Lam.）又稱甘薯、地瓜，是一種重要的經濟作物。我國紅薯種類達2 000余種，種植面積和年產量居世界首位[1]。紅薯淀粉（sweet potato starch，SPS）是一種天然可再生的工業原輔料，廣泛應用于食品、造紙、制藥等行業[2]。近年來，紅薯原生淀粉顯現出加工性差、黏度范圍窄、成品質量差等缺陷，淀粉改性逐漸成為研究熱點[3-6]。

淀粉顆粒由結晶區和非結晶區構成。顆粒結構研究能夠從根本上改良淀粉特性，如溶解度、透明度、糊化度等，以拓寬其加工適應性[7]。淀粉改性的方法主要有化學、物理及生物改性3 類：化學改性可增強淀粉糊化穩定性等特性，但安全隱患高、加工流程多[8-9]；生物改性可提高淀粉透明度等特性，但耗時長且成本高[10-11]；而物理改性技術因其具有環保、安全、快捷等優點，逐漸成為淀粉改性研究的主要方向，其中高靜壓（hydrostatic high pressure，HHP）改性技術是近年來淀粉科學研究的焦點。HHP處理可以改變淀粉顆粒的形狀和相對結晶度，降低木薯、大米、馬鈴薯等淀粉的糊化焓，增強其保水性、溶脹性和糊化穩定性；還可以影響顆粒的形狀、尺寸及結晶結構，降低蓮子淀粉和綠豆淀粉的透明度[12-13]。近年來，HHP處理食品的經濟效益顯著，逐漸應用于商業化生產。

SPS顆粒為圓形或多邊形，結晶類型為C型，與A、B型的淀粉相比，C型淀粉轉化自由度高，加工適應性強。與木薯淀粉、綠豆淀粉等其他C型淀粉相比，SPS的產量高、價格低，工業上常用作其他淀粉的替代品，如代替豆類淀粉作為面條配料等。系統地研究HHP處理對淀粉顆粒結構的影響有利于改良SPS性質，降低工業成本[14-17]。因此，本實驗以SPS作為研究對象，通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察、X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）分析和傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）分析，系統研究200～600 MPa HHP處理對SPS顆粒結構的影響，在此基礎上通過差示掃描量熱（differential scanning calorimeter，DSC）分析、快速黏度分析（rapid visco analysis，RVA）儀測定改性后淀粉熱力學特性和糊化特性的變化，以期為HHP改性SPS技術的應用提供理論依據與參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SPS 河北邢臺縣四季紅農副產品專業合作社；溴化鉀（光譜純） 天津光復精細化工研究所；鋁盒重慶拉曼科技有限公司。

1.2 儀器與設備

HHP-750型HHP設備 內蒙古包頭科發高壓科技有限公司；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司；FA2104型高精數顯電子天平上海舜宇恒平科學儀器有限公司；5810型臺式高速離心機德國Eppendorf公司；RVA儀 澳大利亞Perten公司；BX43型顯微鏡 日本奧林巴斯公司；Spectrum 100型FTIR儀 美國Perkin Elmer公司；S-3000N型SEM日本日立精密儀器公司；D8 ADVANCE型XRD儀 德國布魯克公司；Q2000型DSC儀 美國TA儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 原材料的預處理

配制質量分數20%的SPS懸浮液，裝入耐高壓袋真空封口后充分搖勻，分別在0、200、300、400、500、600 MPa HHP處理20 min。樣品取出抽濾后置于40 ℃烘箱中烘干，放入自封袋內，在常溫干燥條件下密封貯存待用。

1.3.2 淀粉顆粒偏光十字結構的觀察

配制質量分數0.1%的SPS懸浮液滴于載玻片上，用偏光顯微鏡觀察淀粉顆粒偏光十字結構的變化。

1.3.3 淀粉顆粒形貌的觀察

采用SEM觀察SPS的顆粒形貌。將干燥的淀粉樣品均勻涂抹于SEM載樣器的雙面膠上，除去多余淀粉，離子濺射噴金20 min后，將載樣器置于SEM中，加速電壓15 kV，觀察樣品的顆粒形貌并拍照。

1.3.4 XRD分析

采用XRD儀測定SPS顆粒的晶型結構。參數設置：采用Cu靶、石墨單色器，管壓40 kV，電流30 mA，掃描范圍衍射角2θ為4°～70°，步寬0.02°，掃描速率4（°）/min。

1.3.5 FTIR分析

采用FTIR儀對淀粉顆粒的晶型結構進行分析。將SPS和KBr在105 ℃分別干燥2 h，按質量比1∶40混勻，研磨均勻并壓片后置于FTIR儀上測定。測定參數為：掃描波數范圍4 000～400 cm－1，分辨率4 cm－1[17]。

1.3.6 熱力學特性測定

取3 mg干燥的淀粉樣品及9 μL蒸餾水，依次置于鋁盒內，于壓模器下壓片密封，在室溫下平衡l h后，使用DSC儀測定淀粉的熱力學性質。操作參數：加熱范圍30～120 ℃，加熱速率10 ℃/min，高純氮氣流量30 mL/min。以密封空白鋁盒作為對照，記錄淀粉的起始糊化溫度To、糊化峰值Tp、糊化終止溫度Tc和糊化焓ΔH。

1.3.7 淀粉糊化過程的測定

采用RVA儀測定SPS黏度曲線。配制質量分數6%的SPS懸浮液，參數設置：1 min內轉速由960 r/min降低到160 r/min并保持穩定，從50 ℃開始升溫，經過7.5 min升至95 ℃并保溫5 min，再經過7.5 min降溫到50 ℃，保溫2 min。

1.4 數據分析

各實驗均重復進行3 次。實驗數據用SPSS Statistics 17.0與Origin 7.5軟件進行統計處理與作圖分析，實驗數據表示為，采用Duncan’s法進行差異顯著分析，以P＜0.05表示差異顯著，使用Jade 5.0軟件計算XRD圖譜中淀粉的結晶度。

2 結果與分析

2.1 HHP處理對SPS顆粒偏光十字結構的影響

圖1 HHP處理對SPS偏光十字結構的影響（400×）Fig. 1 Effect of HHP on polarizing structure of SPS (400 ×)

偏光十字法是表征淀粉顆粒內分子排列有序性的常用方法[18]。由圖1可知，偏光十字結構清晰地顯現于紅薯原淀粉顆粒中，交叉點位于顆粒中心（圖1a）。經200～500 MPa HHP處理后，少量淀粉顆粒的偏光十字結構開始模糊（圖1b～e），表明此范圍壓力影響了SPS顆粒的結晶結構和分子排列順序，這是因為淀粉顆粒內的長鏈淀粉在HHP作用下更容易伸展，水合作用增強，導致淀粉顆粒溶脹[19]。600 MPa HHP處理時，淀粉顆粒開始塌陷并與周圍顆粒凝聚，部分淀粉顆粒失去雙折射現象（圖1f），與600 MPa HHP改性的木薯和玉米淀粉失去偏光十字結構的現象相似[20]。此時，結晶區內某些高聚合度的支鏈淀粉分子吸收了HHP產生的能量，有序性降低，與水分子締合形成氫鍵的可能性增大，進一步導致結晶結構塌陷，偏光十字結構消失[21]。結果表明，600 MPa HHP處理可以誘導SPS糊化，但不能完全導致其糊化。

2.2 HHP處理對SPS顆粒形貌的影響

SEM觀察結果能夠直觀反映淀粉顆粒受到外界作用時的變化。由紅薯原淀粉與經HHP處理的SPS顆粒形貌放大圖可以看出，紅薯原淀粉顆粒完整且間隙分明，但大小不均一，形狀多為圓形、橢圓形、多邊形，顆粒表面光滑，無孔洞和裂紋（圖2a）。200～500 MPa HHP作用下，SPS顆粒完整，無明顯變化（圖2b～e）；當壓力增加到600 MPa時，多數顆粒表面出現明顯凹陷和裂紋，部分淀粉顆粒發生形變，與周圍顆粒凝聚到一起（圖2f）。此結果與偏光十字結構的變化趨勢相近，這可能與SPS顆粒的結晶區比無定形區更耐高壓有關，也可能是HHP處理促進顆粒形成了耐高壓的致密結構引起的[21]。結果表明：600 MPa HHP處理能引起部分SPS顆粒塌陷，溶出的淀粉分子相互黏連進而引起顆粒凝聚；若繼續加壓，凝聚的顆粒可能形成膠體。HHP改性大米淀粉的SEM觀察結果[22]與此相似。

圖2 HHP處理對SPS 顆粒形貌的影響（1 500×）Fig. 2 Effect of HHP on micro morphology of SPS (1 500 ×)

2.3 HHP處理對SPS顆粒結晶結構的影響

圖3 HHP處理對SPS結晶結構的影響Fig. 3 Effect of HHP on crystal structure of SPS

淀粉顆粒的結晶區和無定形區中長程序列（分子鏈堆砌次序）常通過XRD法測定[23]。圖3中紅薯原淀粉特征衍射峰在2θ為5.571°、15.209°、17.064°、22.934°處出現，符合C型結晶衍射特征[24]。與SPS相比，經HHP改性后淀粉的特征衍射峰位置不變，但衍射強度和結晶度降低，表明HHP處理加快了淀粉分子和水分子的運動，降低了分子間氫鍵和范德華力的穩定性，但SPS為高支鏈淀粉，600 MPa HHP處理不足以改變淀粉整體的直鏈與支鏈淀粉比，所以淀粉的衍射特征峰位置不變[21]。這與600 MPa HHP處理改變甘薯淀粉結晶結構的結論略有不同，原因在于不同品種、產地的SPS XRD圖譜類型不同，直鏈與支鏈淀粉比不同，改變晶體類型所需的壓力也就不同[19,25]。200 MPa和300 MPa HHP改性淀粉的結晶度分別比原SPS下降11.21%和9.18%，這可能是由于在較低壓力的HHP處理下顆粒內部淀粉分子間及分子內結合緊密，或發生重排形成了新的致密結構。600 MPa HHP改性的SPS結晶度下降了24.83%，表明HHP處理能促進淀粉顆粒結晶結構的改變，降低晶體有序化程度，但不足以改變SPS晶體類型。此結果與顆粒形貌和偏光十字結構的變化一致。

2.4 HHP處理對SPS顆粒基團的影響

圖4 HHP處理對SPS基團結構的影響Fig. 4 Effect of HHP on group structure of SPS

淀粉分子的官能團類型、構型及其與水分子的相互作用等屬于短程分子作用力，也是改變淀粉顆粒結構的基礎作用力，常用FTIR測定[23]。由圖4可知，與未處理的SPS相比，經200～500 MPa HHP處理后的SPS未出現新的吸收峰，也沒有某個特征峰消失，吸收強度變化不明顯。這表明HHP處理不能使SPS形成新基團，即200～500 MPa HHP處理不能改變SPS顆粒的晶體結構。600 MPa HHP處理時，C—H不對稱伸縮振動吸收峰（2 928.55 cm－1）和C—H面外彎曲振動吸收峰（608.22～709.68 cm－1）的吸收強度均減弱，表明600 MPa HHP處理降低了上述官能團的有序程度，這是淀粉顆粒晶體結構改變的基礎[26]。O—H伸縮振動（3 367.02 cm－1附近）吸收峰寬度變窄，表明600 MPa HHP處理減弱了羥基的吸收強度，原因可能是其改變了原淀粉分子間或分子內氫鍵的排列方式，也可能是其加快了直鏈淀粉分子的運動速率，增加了O—H脫水縮合機率，使游離羥基減少[27]。郭澤鑌等[14]發現500 MPa HHP處理降低了蓮藕淀粉分子羥基吸收強度，與本研究的結果基本一致。

2.5 HHP處理對SPS熱力學特性的影響

表1 HHP處理SPS的熱力學特性參數Table1 DSC thermal parameters of HHP-treated SPS

圖 5 HHP處理SPS的DSC圖譜Fig. 5 Effect of HHP on DSC thermogram of SPS

淀粉顆粒的晶體相轉變常用DSC圖譜分析[28]。由表1和圖5可知，HHP由200 MPa升到500 MPa過程中，淀粉的To、Tc先升高后降低，但均高于原淀粉，表明淀粉結晶區開始熔融為非結晶區時的溫度（To）升高，這可能是因為200～300 MPa HHP處理促進了淀粉顆粒無定形區和結晶區分子的重排，使晶體結構更致密。隨著壓力的升高，DSC圖譜的糊化溫度范圍（To～Tp）段呈階梯型變化，表明顆粒內晶體出現多級熔融變化現象，這與原淀粉結構不均衡有關，也可能是在有的限水分條件下無定形區緩慢增塑造成的結果[29]。400～500 MPa HHP處理下To、Tc的降低可能歸因于重排后結構的承壓能力減弱。壓力升高促進了淀粉結晶區結構的的瓦解，使結晶相更容易轉變為非結晶相，因此DSC測得的600 MPa HHP處理的SPS To比500 MPa HHP處理明顯降低。600 MPa壓力下，HHP降低了分子內和分子間氫鍵作用力，使結晶區熔融（即雙螺旋結構被破壞）所需熱量減少，糊化焓顯著降低46.18%，這與苦蕎淀粉經HHP改性后糊化焓降低的結果一致[30]。結果表明，600 MPa HHP處理能破壞SPS的晶體結構，降低紅薯原淀粉的糊化焓。因此，HHP改性的SPS更易糊化，能夠降低工業成本。

2.6 HHP處理對SPS糊化特性的影響

表2 HHP處理SPS的糊化特征參數Table2 Pasting characteristics of HHP-treated SPS

圖 6 HHP處理SPS的RVA曲線Fig. 6 RVA profiles of native and HHP-treated SPS

淀粉的糊化特性反映了淀粉顆粒結構的變化，常用RVA法測定。淀粉顆粒內直鏈淀粉的溶出和支鏈淀粉的長度、分布決定了顆粒的膨脹程度，可以通過峰值黏度（peak viscosity，PV）測定。而糊化溫度反映了淀粉的易糊化程度，最終黏度（final viscosity，FV）體現了糊化后淀粉的穩定性[15]。由表2和圖6可知，與未處理的SPS相比，經200～500 MPa HHP處理后，SPS的PV、谷值黏度（trough viscosity，TV）和FV呈上升趨勢，表明在結晶區完全熔融為非結晶區前淀粉顆粒的膨脹能力不斷增強。600 MPa HHP處理后，淀粉的PV、TV和FV較原淀粉分別顯著升高9.15%、27.18%和20.21%，表明HHP處理加快了顆粒內直鏈淀粉分子的溶出，增強了顆粒的水合作用和膨脹能力。600 MPa HHP處理時：SPS的峰值時間延長1.16 min，糊化溫度高于原淀粉1.9 ℃，這是因為HHP處理促進了淀粉分子間的締合，使顆粒結構更致密，淀粉分子需要延長時間吸收更多熱量以破壞這一結構；崩解值顯著下降66.46%，表明HHP改性后紅薯淀粉糊的熱穩定性增強，可以用作增稠劑和穩定劑。郭澤鑌[14]、Hoover[31]等也發現HHP處理增加了大米、木薯、玉米及蓮藕淀粉糊的熱穩定性。

3 結 論

與紅薯原淀粉相比，經200～500 MPa HHP處理的SPS顆粒完整，淀粉分子未形成新基團。經600 MPa HHP處理后，部分SPS顆粒塌陷并與周圍顆粒凝聚，失去雙折射現象，PV、TV和FV分別顯著升高9.15%、27.18%和20.21%。淀粉分子內、分子間的自由O—H與C—H基團的吸收強度降低，結晶結構開始改變；糊化溫度、糊化峰值顯著升高，峰值時間延長，但糊化焓、崩解值分別顯著降低46.18%和66.46%。結果表明，HHP處理能改變部分SPS顆粒的晶體結構，降低晶體有序化程度，但不足以改變SPS的晶體類型。根據DSC數據及參考文獻[29]，推測HHP改性淀粉易糊化可能與水分含量有關，今后可以探究不同水分含量對HHP改性SPS的影響，拓寬其應用范圍。