高靜壓對木薯淀粉理化特性及結構的影響

莫 芳，徐曉萍，陶曉奇，陳厚榮，張甫生*

木薯淀粉是木薯最主要的加工產品，其支鏈淀粉含量高于直鏈淀粉，晶體結構屬于A型，但也有部分木薯淀粉呈B型晶體結構[1]；目前木薯淀粉在食品、化工、生物等領域應用廣泛[2]。天然木薯淀粉因存在不溶于冷水、成膜性差、易老化、抗剪切能力差等諸多性質上的不足，極大地限制了其在食品、藥品等領域的應用。因此，為優化木薯淀粉性能，擴大其應用范圍，食品研究領域人員在不斷地探索其改性方法。近年來興起的高靜壓等非熱加工技術為木薯淀粉的改性提供了一種新思路。

高靜壓技術是在室溫條件下對食品原料施以100～1 000 MPa的壓力，來改善食品的質地結構、延長食品保質期及開發新型食品的一項新型非熱加工技術[3-4]。高靜壓處理可使淀粉顆粒的非結晶區發生膨脹及結晶區變形，導致淀粉顆粒結構被破壞[5]，從而使淀粉的晶體結構、糊化性質等發生改變[6-7]。目前高靜壓對木薯淀粉的改性研究大多集中在基本糊化性質和表觀結構等方面[8-10]；而系統研究高靜壓處理對木薯淀粉透明度、糊化和老化特性、凍融穩定性等宏觀性質及對其熱力學、流變學特性、晶體結構等方面的影響還較少。

為此，本實驗采用高靜壓對木薯淀粉進行處理，結合儀器分析，系統研究高靜壓技術對木薯淀粉的透光率、溶解性和膨潤力、老化值、糊化特性、熱力學特性等宏觀性質及對其淀粉顆粒結構、結晶結構等性質的影響，以期為高靜壓可控處理其他薯類淀粉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木薯淀粉 上海禾煜貿易有限公司；溴化鉀（色譜純） 天津市光復精細化工研究所。

1.2 儀器與設備

HHP-750高靜壓設備 包頭科發高靜壓科技有限責任公司；DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋 常州奧華儀器有限公司；FA2104高精數顯電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；SHA-B型振蕩水浴鍋 常州國華電器有限公司；5810臺式高速離心機 德國Eppendorf公司；UV-2450紫外-可見分光光度計 日本Shimadzu公司；快速黏度分析儀 澳大利亞Perten公司；S-3000N型掃描電子顯微鏡 日本日立精密儀器公司；BX43型顯微鏡 日本奧林巴斯公司；Spectrum100型傅里葉變換紅外光譜儀、DSC4000差示掃描量熱儀 美國PerkinElmer公司；XRD D8 ADVANCE型X射線衍射儀德國布魯克公司；DHR-1動態流變儀 美國TA公司。

1.3 方法

1.3.1 原材料的預處理

配制質量分數30%的木薯淀粉懸浮液，裝入耐高壓袋中真空封口并充分搖勻，分別在壓力梯度0、200、300、400、500、600 MPa下處理20 min，樣品取出后抽濾，置于烘箱中40 ℃烘干，后置于自封袋內，常溫、干燥條件下密閉貯存備用。

1.3.2 透光率的測定

將質量分數1%木薯淀粉懸浮液放入沸水浴中加熱30 min，并不停攪拌，使其充分糊化；取出快速冷卻至25 ℃后，在650 nm波長處測定淀粉糊的透光率。純水作為空白對照。

1.3.3 溶解性和膨潤力的測定

稱取0.5 g木薯淀粉置于50 mL離心管中，加入30 mL蒸餾水混勻，并在90 ℃水浴下振蕩30 min，之后以4 500 r/min的轉速離心30 min；將上清液倒入恒質量鋁盒內，105 ℃干燥至恒質量，此質量為水溶淀粉的質量，離心后沉淀物質量為膨脹淀粉質量（不烘干），分別按式（1）、（2）計算溶解度及膨潤力。

式中：m1為水溶淀粉干燥至恒質量后的質量/g；m為絕干樣品的質量/g；m2為離心后膨脹淀粉的質量/g；S為溶解度。

1.3.4 淀粉老化值的測定

配制質量分數4%木薯淀粉懸浮液，沸水浴20 min，冷卻至室溫，后置于（4±1）℃下放置24 h，取出后于5 000 r/min下離心15 min，稱取分離出的水的質量，老化值以離心分離出水的質量來表示。

1.3.5 糊化特性的測定

配制質量分數6%（以干基計）的木薯淀粉懸浮液，采用快速黏度分析儀測定糊化黏度，測定條件為：1 min內轉速由960 r/min降到160 r/min并保持穩定，從50 ℃開始升溫，經過7.5 min升至95 ℃，保溫5 min，再經過7.5 min降溫到50 ℃，保溫2 min。

1.3.6 熱力學特性測定

稱取3 mg木薯淀粉樣品置于鋁樣品坩堝內，加9 μL水并壓片密封，4 ℃下平衡24 h后，用差示掃描量熱儀對其熱力學性質進行分析。操作參數條件：加熱范圍20～120 ℃，加熱速率10 ℃/min，高純氮氣流量20 mL/min。用空白坩堝作對照，記錄如下數據：起始糊化溫度（To）、糊化峰值（Tp）、糊化結束溫度（Tc）和糊化焓（ΔH）。

1.3.7 流變特性的測定

取適量的木薯淀粉糊于測定平臺上，刮去多余淀粉糊，并加入少量硅油防止水分蒸發。選取40 mm錐板，溫度設定25 ℃，剪切速率（γ）0～500 s－1，測定樣品的表觀黏度（η）。

1.3.8 淀粉偏光十字結構的測定

配制質量分數0.1%的木薯淀粉懸浮液，取少量滴于載玻片上，用偏光顯微鏡來觀察淀粉顆粒的偏光十字的變化。

1.3.9 淀粉顆粒形貌的測定

用掃描電子顯微鏡研究木薯淀粉顆粒形態。取少量淀粉樣品，均勻涂在載樣器的雙面膠上，吹去周圍多余淀粉，噴金20 min后，置于掃描電子顯微鏡中，加速電壓15 kV，放大不同倍數進行觀察拍照。

1.3.10 X射線衍射分析

用X射線衍射儀對木薯淀粉晶體進行X射線衍射分析。分析條件為：采用Cu靶、石墨單色器，管壓40 kV，電流30 mA，衍射角2θ＝4°～70°，步寬0.02°，掃描速率4（°）/min。

1.3.11 傅里葉變換紅外光譜測定

將木薯淀粉與溴化鉀按1∶40（m/m）比例混勻，研磨壓片后進行傅里葉變換紅外光譜測定，制樣前將淀粉和KBr于105 ℃干燥2 h，測定參數：掃描范圍4 000～400 cm－1，分辨率4 cm－1。

1.4 數據處理與分析

實驗數據用SPSS Statistics與Origin 7.5軟件處理分析，結果以 ±s表示，采用單因素方差分析，各實驗均重復3 次。

2 結果與分析

2.1 高靜壓處理對木薯淀粉透明度的影響

圖1 高靜壓處理對木薯淀粉透光率的影響Fig. 1 Effect of high hydrostatic pressure on the light transmittance of cassava starch paste

淀粉的透明度是淀粉糊的一個重要性質，會對淀粉類產品的外觀及用途產生直接影響。由圖1可知，經200～600 MPa高靜壓處理后的木薯淀粉糊，其透光率與木薯原淀粉糊相比顯著降低，且隨著壓力增加，透光率降低更明顯；200～400 MPa處理的木薯淀粉糊透光率下降54.7%，500～600 MPa處理壓力時透光率下降66.5%。這可能因為經高靜壓處理后，淀粉顆粒吸水膨潤，水分在高靜壓作用下破壞結晶區淀粉分子雙螺旋結構，或使不同分子間發生重排，糊化后直鏈淀粉分子更易溶出，直鏈淀粉含量越高越易老化，透明度下降[11]。隨著壓力的增大，從500 MPa壓力開始，木薯淀粉被破壞的淀粉顆粒的數目增加，木薯淀粉分子的分散程度增大，分子重排且晶體結構受到較大破壞，導致光投射量減少，因而透光率下降越來越明顯[10]。郭澤鑌等[12]研究發現500 MPa高靜壓同樣使蓮子淀粉的透光率下降，且貯藏時間越長，透光率下降越明顯。

2.2 高靜壓處理對淀粉顆粒溶解度和膨潤力的影響

淀粉溶解性能的優劣會影響淀粉相容性、消化性能等，淀粉膨潤力直接關系到淀粉糊的黏度和流變學性能[9]。淀粉的溶解度和膨潤力反映了淀粉顆粒內部結晶區與非結晶區之間的相互聯系，這主要取決于淀粉分子與水分子通過氫鍵相互結合的能力。而淀粉顆粒大小及形態、直鏈淀粉含量和顆粒內部脂類含量等因素都會對結晶區氫鍵的強弱及非結晶區淀粉分子之間的相互作用產生影響[10]。由圖2可知，與木薯原淀粉相比，經200～600 MPa高靜壓處理過后的木薯淀粉的溶解度與膨潤力均有不同程度的下降，這與任瑞林等[9]的研究結論一致。這是因為高靜壓下，壓力能使木薯淀粉支鏈淀粉降解為更短的支鏈或直鏈淀粉[13]，減少雙螺旋結構，進而降低膨潤力；也能使直、支鏈淀粉之間發生相互作用結合成雙螺旋結構，增強顆粒剛性結構，減少內部物質溶出，從而降低溶解度[14-15]。且當壓力達到600 MPa時，木薯淀粉的溶解度和膨潤力下降尤為明顯，分別下降29.6%和69.4%，這是因為隨著壓力的增大，木薯淀粉受破壞程度逐漸增加，此時木薯淀粉顆粒受破壞最嚴重，分子發生重排，與水相互作用程度降低[16]，溶解度和膨潤力下降。

圖2 高靜壓處理對淀粉顆粒溶解度和膨潤力的影響Fig. 2 Effect of high hydrostatic pressure on solubility and swelling power of cassava starch

2.3 高靜壓處理對木薯淀粉老化值的影響

圖3 高靜壓處理對木薯淀粉老化值的影響Fig. 3 Effect of high hydrostatic pressure on retrogradation property of cassava starch

淀粉老化的實質是其分子排列從無序至有序[17-18]。由圖3可知，經高靜壓處理后的木薯淀粉老化值較木薯原淀粉老化值均升高，且隨著壓力的增加逐漸增加。在200～400 MPa壓力范圍內老化值增加量較小，壓力增至500 MPa時老化值迅速增大，當壓力達600 MPa時，老化值增至最大，約為原淀粉的350 倍，析水量也最大。這是因為木薯淀粉在高靜壓作用下，支鏈淀粉和直鏈淀粉分子的排列受到影響，顆粒結構受到破壞，從而使淀粉分子與水分子通過氫鍵相結合的趨勢受到抑制，淀粉分子與水分結合的能力較低，因此導致淀粉顆粒中的水分較易析出[19]。200～400 MPa壓力對淀粉分子影響較小，即淀粉分子和水分子相互結合的作用能力下降較小，因此析水量上升相對較小。當壓力逐漸增大到500 MPa時，木薯淀粉分子受破壞程度增加，吸水量急劇上升，特別是在600 MPa壓力下，木薯淀粉結構破壞最嚴重，相互黏連聚集，所以在冷卻過程中有較多水分析出，老化值顯著增大。

2.4 高靜壓處理對淀粉糊化特性的影響

表1 高靜壓處理木薯淀粉的糊化特征參數Table 1 Pasting characteristic parameters of high hydrostatic pressure-treated cassava starch

淀粉黏度的變化是用來評價糊化的一個重要特性[14]。由表1可知，與木薯原淀粉相比，經高靜壓處理的淀粉起始糊化溫度升高，且在600 MPa時達到最大；峰值黏度在200～400 MPa范圍內逐漸升高，500 MPa時開始下降但仍高于木薯原淀粉，600 MPa時顯著低于木薯原淀粉，峰值黏度反映淀粉糊化過程中顆粒晶體結構徹底破裂前的最大膨脹程度，為淀粉糊化過程中的膨脹與破裂的臨界點，當在200～400 MPa內淀粉結構尚未遭到完全的破壞，淀粉在壓力作用下內部淀粉分子間及分子內結合緊密，峰值黏度逐漸增大，500 MPa的壓力加劇了對淀粉分子的破壞，淀粉分子內部結構逐漸松散，因而峰值黏度有所下降，而600 MPa高靜壓處理使淀粉分子淀粉顆粒顯著破壞，變為無序狀態，經過加熱黏度下降[15]；孫沛然等[20]研究也發現200 MPa高靜壓處理會顯著降低兩種大米淀粉的峰值黏度，400 MPa處理后的糯米淀粉峰值黏度開始降低，而秈米淀粉經500 MPa處理后峰值黏度才開始降低；550 MPa壓力下，糯米淀粉峰值黏度有大幅度下降，與本研究的結論基本吻合。另外，600 MPa高靜壓處理后的木薯淀粉的谷值黏度及最終黏度也明顯低于木薯原淀粉；崩解值與回生值都呈下降趨勢，600 MPa時也最低，這是因為木薯淀粉顆粒在此壓力下相互黏連形成塊狀且分子重排，糊化過程中顆粒失去吸水膨脹的能力，故其成糊溫度升高，谷值黏度及最終黏度都顯著下降[21-22]。

2.5 高靜壓處理對木薯淀粉熱力學特性的影響

表2 高靜壓處理木薯淀粉的熱力學特性參數Table 2 DSC thermal parameters of high hydrostatic pressure-treated cassava starch

熱力學分析探究的是淀粉糊化過程中顆粒從有序至無序的相轉變。由表2可知，與木薯原淀粉相比，經200～600 MPa處理后的木薯淀粉，其起始糊化溫度升高，表明木薯淀粉經高靜壓處理后，糊化時與木薯原淀粉相比需要更多能量[15]。高靜壓處理后的木薯淀粉糊化焓均減小，200～500 MPa時減小范圍較小，因為此壓力范圍能夠離解淀粉螺旋結構，但不能完全破壞雙螺旋結構，這種作用使糊化焓降低，這也解釋了木薯起始溫度和最高溫度上升而糊化焓下降的原因[23]。壓力為600 MPa時木薯淀粉糊化焓顯著減小，而糊化焓下降說明木薯淀粉的結晶區受到破壞，糊化程度增加[13]，即高靜壓破壞了木薯淀粉顆粒內經支鏈淀粉分子互相作用而成的雙螺旋結構，特別在600 MPa時破壞程度十分明顯。Molina-García等[24]研究發現高靜壓處后淀粉分子的糊化焓降低；Kawai等[25]證實淀粉的糊化焓隨著淀粉濃度的降低而降低，隨著高靜壓處理溫度的增加而減小；Liu Peiling等[26]對木薯和玉米淀粉進行高靜壓處理，也發現類似結論，且處理后淀粉的成糊溫度和黏度減小，均與本研究結論一致。

2.6 高靜壓處理對木薯淀粉流變特性的影響

圖4 高靜壓對木薯淀粉靜態流變學曲線的影響Fig. 4 Effect of high hydrostatic pressure on static rheological curve of cassava starch

淀粉的流變性能夠決定其加工過程中的應用性能，能解釋和預測各種淀粉基食品的質地變化情況[27]。由圖4可知，木薯淀粉糊化后，隨著剪切速率的增加，表觀黏度呈先劇烈下降后趨于平緩的趨勢，存在剪切稀化現象，為假塑性流體[28]。與木薯原淀粉相比，200～600 MPa高靜壓處理后的木薯淀粉，都存在剪切稀化現象。壓力為200～500 MPa時，木薯淀粉表觀黏度與原淀粉相差不大，當壓力達到600 MPa時，表觀黏度明顯低于木薯原淀粉，與熱力學性質的研究結論一致，并且此壓力下的木薯淀粉表觀黏度的下降速率更加劇烈。這表明600 MPa壓力對木薯淀粉的影響較200～500 MPa時大，因為高靜壓使木薯淀粉顆粒間相互黏連形成塊狀，糊化過程中顆粒失去吸水膨脹的能力，導致淀粉表觀黏度在加熱剪切作用條件下較木薯原淀粉小且下降速率加快。

2.7 高靜壓處理對木薯淀粉偏光十字結構的影響

圖5 高靜壓處理對木薯淀粉偏光十字結構的影響（400×）Fig. 5 Effect of high hydrostatic pressure on the polarizing structure of cassava starch（400 ×）

淀粉顆粒在偏光顯微鏡下具有雙折射性，在淀粉顆粒上可以看到偏光十字，這是因為淀粉顆粒內部存在著分子鏈有序排列的結晶區和無序排列的無定型區，兩種結構的密度和折射率有差別，從而在偏振光通過淀粉顆粒時形成了偏光十字。淀粉顆粒的偏光十字消失與否可表征淀粉是否糊化。由圖5可知，木薯原淀粉顆粒偏光十字較清晰，十字交叉點位基本處于顆粒中心（圖5a），與Wei Cunxu等[29]的研究結論相似。經200～500 MPa高靜壓處理后，部分顆粒的偏光十字變模糊（圖5b～e），表明其結晶結構已有所破壞。而在600 MPa壓力下，大部分顆粒已觀察不到其偏光十字，且互相黏連失去顆粒形態（圖5f），此時淀粉顆粒吸水溶脹，顆粒間已基本無界限。這主要因為高靜壓處理會造成淀粉顆粒的結晶結構受到破壞，顆粒的雙折射消失，偏光十字也就隨之消失。另外，周海宇等[10]發現高靜壓酯化后的木薯淀粉顆粒也有偏光十字消失現象，與本研究的相關結論一致。

2.8 高靜壓處理對木薯淀粉顆粒形貌的影響

圖6 高靜壓處理對木薯淀粉顆粒形貌的影響（1 500×）Fig. 6 Effect of high hydrostatic pressure on morphology of cassava starch (1 500 ×)

由圖6可知，木薯原淀粉顆粒大小不一，表面較為光滑，形狀有球形、橢球形及球缺形（圖6a）。木薯淀粉經200～300 MPa壓力處理后表面變化不明顯，400～500 MPa開始有明顯變化，出現一些破損，處理前后均呈現不規則形狀（圖6b～e）。在600 MPa壓力下，木薯淀粉顆粒充分膨脹并完全崩潰，形態發生較大變化，失去了木薯原淀粉的較光滑的形狀結構，相互黏連并聚合形成膠狀結構[30]（圖6f）。淀粉顆粒內部膠狀結構的形成這主要是因為600 MPa處理會使木薯淀粉發生糊化，淀粉顆粒分子非結晶區與水分子發生水合作用，導致淀粉分子的晶體結構遭到破壞并相互聚集[1]。B?aszczak[31]、Liu Yeting[32]等也證實紅薯、土豆、小麥等不同種類的淀粉在高壓處理下顆粒結構會產生不同程度的變化。

2.9 高靜壓處理對木薯淀粉結晶結構的影響

圖7 高靜壓處理對木薯淀粉結晶結構的影響Fig. 7 Effect of high hydrostatic pressure on X-ray diffraction pattern of cassava starch

淀粉顆粒是由有序的結晶區和非結晶區兩部分組成，其晶體結構的變化可用X射線衍射圖譜來分析。由圖7可知，2θ為15.088°、17.102°、18.062°、23.220°處木薯原淀粉均有衍射特征峰出現，呈現典型A型淀粉結晶形態[1]，這與Kasemwong等[33]對木薯淀粉的X射線衍射研究結果大體一致。經200～400 MPa處理后，2θ在15°、17°、18°、23°處衍射強度均增加，表明其晶體結構變得更加致密，但晶體類型沒有發生改變，仍為A型。500 MPa時，2θ為18°處衍射峰消失，2θ為15°、17°、23°衍射強度增加，木薯淀粉晶型開始變化，但結晶強度仍提高，結構更加致密。當達到600 MPa時，2θ為18°處衍射峰消失，2θ為15°、17°、23°處衍射強度均減小，晶型變化顯著，結晶結構遭到破壞。這主要由于A型淀粉分子短支鏈形成較松散的雙螺旋結構易被高靜壓破壞，從而導致淀粉晶體結構發生一定變化[34]。

2.10 高靜壓處理對木薯淀粉基團結構的影響

圖8 高靜壓處理對木薯淀粉基團結構的影響Fig. 8 Effect of high hydrostatic pressure on group structure of cassava starch

傅里葉變換紅外光譜分析可用來研究淀粉顆粒基團結構變化，能對淀粉基團變化進行定性分析。由圖8可知，高靜壓對木薯淀粉的紅外吸收峰形狀及位置無明顯影響，也無新的吸收峰出現或特征峰消失，說明高靜壓處理沒有使木薯淀粉產生新的基團。但某些吸收峰強度因處理壓力不同有顯著差異，與木薯原淀粉相比，壓力為200～500 MPa時，吸收峰強度變化不顯著；壓力達到600 MPa時，在2 930.25 cm－1處—CH3的C—H不對稱伸縮振動峰、1 369.25～1 419.16 cm－1處C—H面內彎曲振動吸收峰、852.04～929.24 cm－1處C—H面外彎曲振動吸收峰的強度減小[35]，說明高靜壓能對木薯淀粉中上述鍵產生一定影響；且3 000～3 700 cm－1處寬峰變窄，說明淀粉分子的羥基吸收強度受高靜壓影響而降低，這是因為淀粉吸收峰強度的改變通常是由于淀粉遠程結構如結晶結構的有序排列的變化引起的，在600 MPa壓力下，水分子和木薯淀粉分子的非結晶區相結合，令淀粉分子的長鏈斷裂[36]，擾亂了淀粉分子內部通過氫鍵相互連接和排列的方式，故自由羥基由其他方式連接更加精密，從而進一步限制了加熱剪切作用下木薯淀粉顆粒膨脹，吸收強度明顯下降[37]。

3 結 論

高靜壓處理使木薯淀粉宏觀和微觀性質發生了一定的變化，如使透光率、溶解度和膨潤力均下降，老化值顯著增大；淀粉表觀黏度降低，有剪切稀化現象。特別是在600 MPa的高靜壓下，木薯淀粉完全糊化，并形成“凝膠狀”，失去偏光十字，雙折射現象消失，其谷值黏度、最終黏度、崩解值及回生值顯著低于木薯原淀粉，糊化焓明顯降低；木薯淀粉的晶型受到了高靜壓改變，但沒有形成新的基團。相對木薯原淀粉，經高靜壓處理后的木薯淀粉老化值增加，抗老化性變差，今后可以更加深入研究其他條件，如淀粉濃度等對高靜壓處理后的木薯淀粉老化值的影響，從而改善木薯淀粉類產品加工性質，并將其作為有高附加值的新型食品穩定劑等進行開發，其將在改善面制品、肉制品等產品的特性方面有較好的應用前景。