高壓均質對板栗淀粉糊化、流變及質構特性的影響

郭澤航，余子香，迪珂君，陳厚榮，張甫生*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(國家級食品科學與工程實驗教學示范中心(西南大學)，重慶，400715)

板栗(Castaneamollissima)為殼斗科栗屬經濟作物，營養豐富，味甘甜，具養胃健脾，補腎強筋等功效[1-2]。淀粉作為栗仁主要成分，含量高達380～800 g/kg，對板栗及其制品的品質影響極大[3]。但天然板栗淀粉存在水溶性差、黏度高、易凝結老化及易生成抗性淀粉等諸多缺陷[4-5]，使板栗果脯韌性低、口感差，板栗乳品飲料不穩定且不易消化。需對板栗淀粉改性，以期克服加工技術難題，提高其在食品工業中的應用價值。

高壓均質(high pressure homogenization，HPH)是近年興起的一種非熱加工技術[6]，因其高效性、穩定性和經濟性被廣泛應用于豆、乳制品及果蔬汁的加工制造[7]；并逐漸應用于淀粉等多糖大分子的改性研究中，如蓮子淀粉經60～180 MPa均質處理后，結晶度降低，組織結構松散，消化率顯著提高[8]；經HPH處理后蠟質玉米淀粉分子間氫鍵被破壞，支鏈淀粉降解[9]，能夠有效抑制淀粉老化回生；此外，經100 MPa多次處理后的綠豆淀粉結晶區結構被破壞，水溶指數和膨脹度提高，淀粉糊黏度顯著降低[10]。然而此類研究較單一，大多集中于不同壓力的研究，而對循環次數和處理濃度的單因素研究較少，且性能評價也主要集中在水溶指數、透光率等物性及熱力學特性等方面，較少涉及宏觀應用指標如靜態流變、黏彈特性和凝膠質構特性的研究。基于此，本研究系統探討不同壓力、均質次數和濃度對板栗淀粉糊化特性、流變特性(含靜態流變/動態黏彈)、凝膠質構特性及偏光微觀結構等方面的影響，以期解決板栗淀粉黏度高、稠度系數大、膠著性強、凝膠強度大等突出問題，為板栗制品的精深加工提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

板栗，河北省唐山市遷西縣金地甘栗食品有限公司。

1.2 試驗儀器與設備

380 W型板栗剝殼機，江蘇省新沂市同和機械設備廠；BO-1000S型高速萬能粉碎機，永康市鉑歐五金制品有限公司；Scientz-207A型超高壓均質機，寧波新芝生物科技股份有限公司；5810型臺式高速離心機，德國Eppendorf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；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司；HH-2型數顯恒溫水浴鍋，常州奧華儀器有限公司；RVA-TecMaster型快速黏度分析儀，瑞典波通儀器有限公司；DHR-1型旋轉流變儀，美國TA公司；CT3型物性測定儀，美國Brookfield公司；BX43型偏光顯微鏡，日本奧林巴斯公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 板栗淀粉的提取

板栗去殼、去澀皮，反復沖洗后加水勻漿破碎，200目紗布過濾，濾液于4 ℃靜置沉降12 h，棄濁液并除去上層灰褐色漿狀物，重復3次，所得淀粉于40 ℃下干燥48 h，粉碎過篩，密封保存備用。

1.3.2 板栗淀粉高壓均質處理

配制10%均勻懸浮液，于20、40、60、80、100 MPa(當壓力大于115 MPa后，淀粉已有部分糊化，且壓力波動范圍在20 MPa以上)壓力梯度下處理1次；100 MPa處理1、3、5、7次；另取淀粉，配制質量分數為1%、5%、15%的淀粉乳，100 MPa處理1次。均質處理后，6 000 r/min離心10 min，烘干后研磨過篩密封保存。

1.3.3 淀粉糊化特性測定

稱取3.00 g淀粉，加25 mL去離子水，混于鋁盒內，充分攪拌；采用快速黏度分析儀測定糊化特性。參數如下：50 ℃保溫2 min，以12 ℃/min速率加熱至95 ℃，保溫2.5 min，再以相同速率降至50 ℃。前10 s攪拌速率為960 r/min，后為160 r/min。

1.3.4 靜態流變特性測定

選用直徑25 mm平板，設置間隙1 000 μm，25 ℃，剪切速率0～300 s-1遞增，加入糊化好的樣品(6%淀粉乳沸水浴糊化30 min)，測定并記錄剪切應力變化情況；運用冪定律(Power law模型)回歸擬合分析數據。

1.3.5 動態黏彈特性測定

選用直徑25 mm平板，設置間隙1 000 μm，25 ℃，掃描應變值1%，振蕩頻率0.1～10 Hz，測定糊化好的樣品(6%淀粉乳沸水浴糊化30 min)儲能模量G′和損耗模量G″隨角頻率變化情況。

1.3.6 凝膠質構特性測定

糊化好的樣品(10%淀粉乳沸水浴糊化30 min)自然冷卻至室溫，密封后4 ℃放置24 h，用物性測定儀測定質構特性。測定條件：TPA模式，TA5探頭，測定速度1.0 mm/s；壓縮程度50%；觸發力5 g。

1.3.7 偏光顯微鏡觀察

1%淀粉乳制樣，滴香柏油于蓋玻片，偏光顯微鏡下放大100倍，觀察顆粒形狀和偏光十字結構。

1.4 數據處理

所有試驗均重復3次，試驗結果使用“平均值±標準差”表示。采用Origin 9.4軟件繪制圖表，并應用SPSS Statistics 17.0處理數據及方差分析，Duncun(D)法(P<0.05)比較平均值之間的差異性。

2 結果與分析

2.1 高壓均質處理對板栗淀粉糊化特性的影響

HPH處理后板栗淀粉糊化特征參數變化如表1所示。與原淀粉相比，經不同壓力處理后淀粉糊峰值黏度、最低黏度、最終黏度和糊化溫度均有不同程度減小，且減幅與均質壓力正相關。經20～40 MPa處理后，相較原淀粉，此4項分別下降2.36%～4.53%、4.33%～6.05%、2.32%～3.74%和2.88%～3.87%。繼續增壓，各黏度值下降更顯著，60～100 MPa處理后，降低6.59%～8.58%、10.68%～12.73%、7.86%～8.92%；但糊化溫度較低壓無明顯變化。此趨勢表明由HPH造成的剪切、空化、撞擊等機械力可通過斷裂共價鍵破壞直鏈分子結構，使無定形區疏松不穩定[11]。壓力升高，剪切效應增強，淀粉更易糊化[12]。糊化溫度隨壓力上升略有下降，可能是HPH破壞無定形區結構所致，這與綠豆淀粉[10]研究結果一致。

表1 高壓均質處理下板栗淀粉糊化特征參數Table 1 Characteristics of gelatinization of chestnut starch under high pressure homogenization

注：同列不同字母表示不同均質處理各數據間有顯著性差異(P<0.05)。5%、10%、15%為高壓均質處理時的板栗沉淀乳質量分數。

此外，不同壓力處理后崩解值和回生值無顯著變化，表明增壓對熱糊穩定性和冷糊穩定性無較大影響[6]。一次處理對顆粒的作用僅限于無定形區、改變直鏈淀粉聚合度，而影響淀粉析水老化的主要因素是直、支鏈淀粉比例，故回生值無較大改變。另外，在前期研究發現均質壓力升至115 MPa后，儀器波動范圍高達20 MPa，淀粉也已有糊化，相關指標測定紊亂，故僅探討100 MPa以下淀粉的均質改性研究。

1、3次處理后與原淀粉相比，峰值黏度、最低黏度、最終黏度、崩解值和糊化溫度均隨均質次數增加顯著降低，各黏度減小8.58%～10.64%、12.73%～13.59%和8.22%～8.92%，崩解值和糊化溫度降低3.03%～6.66%和3.90%～5.08%。增至5次，黏度減幅最大，分別減小14.33%、14.86%、8.63%。7次處理后峰值最低最終黏度較5次處理無顯著差異，但崩解值和糊化溫度降至最低，分別較原淀粉下降15.54%、7.42%。均質閥產生的能量是不完全均勻的，增加循環次數可使顆粒通過“高能區”的概率提高，加劇顆粒結構破壞程度[13]，無定形區穩定性進一步下降，甚至致密層結構受損。崩解值的降低表明多次處理能夠提高淀粉高溫抗剪切能力，熱糊穩定性增強。此外，多次處理可使纏繞在結晶區外層的支鏈淀粉斷裂，水分子更易與淀粉反應[14]，使糊化溫度降低7.42%。但HPH處理對回生值無影響[6]，表明直、支鏈淀粉含量未發生較大改變，HPH對結晶區的破壞可能僅局限于斷裂直、支鏈淀粉分子間氫鍵而不會使支鏈淀粉降解為直鏈。

質量分數1%～10%的板栗淀粉乳經處理后，各黏度較原淀粉降低4.59%～8.58%、11.24%～12.73%和7.35%～8.22%，增大濃度，顆粒受剪切、空化、振蕩等作用概率提升[15]，無定形區損傷增大。但糊化溫度受淀粉濃度影響不大，降低程度相當。此外，崩解值較原淀粉無明顯變化，僅15%時略有降低。10%、15%的黏度無顯著差異，這是因為雖然增大濃度可提高顆粒受機械力作用概率，但水分含量持續降低會加強內部分子鏈間締合作用[16]，使淀粉結構不易破壞。提高濃度對淀粉在均質閥內反應效率的增大程度是有限的，水分含量太高或太低都不利于糊化特性的改變[17]，這也證明100 MPa處理1次對顆粒結構的破壞僅停留在無定形區。

2.2 高壓均質處理對板栗淀粉糊靜態流變特性的影響

HPH處理后靜態流變特性如圖1所示。處理前后淀粉糊流變曲線差異顯著，但剪切應力均隨剪切速率增大，且前期上升迅速，后期趨于平緩，表現出假塑性流體特征[18]。增大壓力，分子間及分子內氫鍵受到破壞，使纏結點減少，結構松散，黏滯阻力變小，剪切稀化程度降低[19]。

a-均質壓力；b-均質次數；c-淀粉乳濃度圖1 高壓均質處理下板栗淀粉糊流變曲線圖Fig.1 Rheological curve of chestnut starch paste under high pressure homogenization

另外，由于處理時間較短，淀粉分子量較大，曲線達最大彎曲度時剪切應力仍較大。剪切速率為300 s-1時，20～100 MPa處理后淀粉糊剪切應力降低8.72%～23.28%。壓力越大，機械力效應越強烈，微細化程度越高[15]，流動阻力降低，剪切應力下降[20]。20～40 MPa變化程度最大，增壓至60 MPa，趨勢減弱，這表明壓力的影響并非呈線性增長。增大均質次數，剪切應力呈不同程度降低。速率為300 s-1，1～7次處理后的剪切應力較原淀粉降低20.95%～34.82%。可知，均質次數是影響靜態流變特性的重要因素，增大均質次數，顆粒受高剪切時間延長，結晶區致密結構受損，趨勢變化更明顯。1、3次處理差異不明顯，5、7次后變化較顯著。此外，1%、5%、10%濃度的流變曲線也有較大差異。提高濃度，曲線逐漸偏向剪切速率軸線，剪切應力減小，表明增大濃度可提高顆粒受機械力作用的概率[15]。濃度增至15%，剪切應力略有回升，但擬合后與10%無顯著差異[ 17]。

運用冪定律τ=KγN回歸擬合數據，稠度系數K、流動指數n、相關系數r2等參數如表2所示。r2為0.995～0.999，表明此方程可恰當地擬合流變曲線。K隨均質壓力增加而減小，這是瞬時壓力下降造成的剪切、振蕩、氣穴等綜合作用的影響[21]。n在0.44左右波動，證明處理前后淀粉糊均為假塑性流體，與圖1相印證。同時，增大均質次數可加強冷機械力作用，使分子鏈斷裂，小分子淀粉數量增加，糊化后流體的黏性阻力減小，相較原淀粉，K降低16.77%～32.34%。而經不同濃度處理后，1%、5%差異不大，增大至10%，K減小16.77%，繼續增大濃度無顯著變化。濃度增大，顆粒受機械力概率提高[15]，同時也提高了分子內部締合作用[17]，使淀粉結構不易破壞。10%為最佳處理濃度，此時均質效果顯著且不會造成原料浪費。

表2 高壓均質處理下板栗淀粉流變特性的擬合參數Table 2 Fitting parameters of rheological properties of chestnut starch under high pressure homogenization

注：同列不同字母表示各數據間有顯著性差異(P<0.05)，下同。

2.3 高壓均質處理對板栗淀粉糊動態黏彈特性的影響

淀粉糊的黏彈性指標通常可以用動態頻率掃描的儲能模量(G′)，損耗模量(G″)來表示，通過測定淀粉糊在低頻下的儲存模量、損耗模量以及二者是否存在交點，可判斷出有關分子量、鏈長等更精細的淀粉結構信息[22]。如圖2所示，所有處理條件下G′均大于G″，表明淀粉體系均以彈性為主。G′和G″未有交叉現象，表明處理前后板栗淀粉糊均呈弱凝膠狀態，符合流體特性。

20～100 MPa處理后，隨均質壓力增大，G′和G″都呈降低趨勢，說明HPH使板栗淀粉中彈性成分和黏性成分減少[23]。處理后板栗淀粉形變過程中彈性減弱，恢復原狀態能力降低，G′減小；淀粉糊黏性下降，流動能力增強，流體由剪切稀化向牛頓流體趨近，G″降低。這都與HPH對直鏈分子的氫鍵斷裂作用有關。經多次高壓循環后，均質強度隨均質次數增加而提高，顆粒受高壓剪切、空化、氣穴等機械力作用增強，分子量減小，結晶和螺旋結構被不斷破壞，分子內部及分子間相互作用減弱，凝膠網絡結構疏松不牢固[24]，黏彈性降低。對于不同濃度處理后的樣品，隨濃度增大，G′和G″下降，水分含量的降低使顆粒在均質閥內受剪切、空化效應的概率增加，均質效果提高，黏彈性下降。但15%G″相較10%，黏彈特性無顯著差異，表明水分含量對處理效果的影響呈兩面性[17]。

a-儲能模量；b-損耗模量圖2 高壓均質處理下板栗淀粉儲能模量與損耗模量隨角頻率變化曲線Fig.2 Curve of storage modulus/loss modulus of chestnut starch with angular frequency under high pressure homogenization

2.4 高壓均質處理對板栗淀粉凝膠質構特性的影響

凝膠是淀粉糊化后分子重新以氫鍵結合形成的三維網狀結構[25]。HPH處理后凝膠質構參數如表3所示。20～100 MPa下，凝膠硬度、黏性、彈性、膠著性均隨壓力增加而降低，相較原淀粉，各指標分別下降1.91%～10.59%、20.00%～60.00%、0.62%～6.50%、5.57%～12.17%。均質使分子間氫鍵因機械效應和空化效應被破壞，使分子纏結點減少，形成的凝膠強度減弱[2]。壓力增大，斷鍵作用和空化效應加強，分子結構破壞加劇。

表3 高壓均質處理下板栗淀粉凝膠質構特性參數Table 3 Texture parameters of chestnut starch gel under high pressure homogenization

凝膠硬度、彈性、膠著性隨均質次數增加而減小，分別較原淀粉降低10.95%～14.12%、6.50%～7.74%、12.17%～14.43%。次數積累會產生增強效應，壓力不足時可通過增加循環次數來補償[26]。但多次處理后黏性不發生顯著變化，次數的改變對內聚性和咀嚼性也沒有顯著影響。相較于提高壓力，多次處理對凝膠質構特性影響并不顯著，這可能是由于多次處理導致淀粉分子進入聚集階段，顆粒的比表面積和自由能均改變所致[10]。

此外，濃度不同，凝膠質構特性也不盡相同。隨濃度增大，硬度、彈性和膠著性產生差異，相比原淀粉降低10.00%～11.77%、3.40%～6.50%、6.40%～12.17%。水分含量越高，顆粒在均質閥中反應的可能性越低，均質效率越低；自由水比例越低，淀粉結構破壞越明顯[15]，濃度是影響淀粉改性的重要參數。但濃度持續增大，由于板栗淀粉良好的凝沉性，處理時均質腔內各區域濃度不同，均質效果降低[17]，故10%和15%各指標無顯著差異。凝膠的硬度和膠黏性與淀粉糊稠度系數成正比，稠度系數越高，凝膠硬度和膠黏性越強，這與靜態剪切結果一致。黏彈性的下降也與動態流變的結論相印證。HPH可對淀粉顆粒造成損傷程度不同，淀粉分子結構發生變化，水合能力降低[27]，使凝膠化程度降低，各指標數值下降。

2.5 高壓均質處理對板栗淀粉偏光十字的影響

a-未處理;b-20 MPa/1次-10%;c-40 MPa/1次-10%；d-60 MPa/1次-10%；e-80 MPa/1次-10%;f-100 MPa/1次-10%;g-100 MPa/3次-10%;h-100 MPa/5次-10%;i-100 MPa/7次-10%；j-100 MPa/1次-1%;k-100 MPa/1次-5%;l-100 MPa/1次-15%圖3 高壓均質處理下板栗淀粉的偏光顯微鏡圖Fig.3 Polarized microscope for chestnut starch under high pressure homogenization

偏光十字作為表征淀粉顆粒內部分子排列有序性的重要指標[28]，可直觀反映結晶區與無定型區結構。HPH處理下板栗淀粉偏光顯微結構如圖3所示。原淀粉顆粒形狀不規則且較復雜，偏光十字的臍點位于中央[29]，呈“X”形，明顯的雙折射現象表明原淀粉顆粒高度有序。20、40 MPa處理后，少量淀粉偏光十字略有模糊，但變化不明顯。60 MPa時，臍點略有偏移。對比60～100 MPa，隨壓力增大，偏光十字數量減少，雙折射現象稍有減弱，表明已對部分淀粉造成不同破壞[30]，但大部分顆粒形態仍完整，進一步說明處理一次主要影響無定形區和半結晶區結構[31]。均質3次，大部分顆粒偏光十字消失，僅有少量存在明顯偏光十字，此時結晶區結構已損傷，處理5～7次，結晶區破壞加劇，尤以7次效果最明顯，多數淀粉顆粒破裂，臍點消失，雙折射現象消失，已看不出完整顆粒結構，表明此階段對晶體有序結構破壞顯著，這與綠豆淀粉結果一致[10]。從濃度角度來看，1%相較原淀粉無明顯變化；5%處理后偏光十字減少，部分模糊；濃度增大至10%，破壞程度加劇，部分樣品十字交叉點消失，表明增大濃度可以提高淀粉分子受機械力作用的概率[15]。而繼續增大至15%，自由水含量減小使顆粒間隙減小[16]，削弱處理效果，相較于10%，此濃度處理的淀粉偏光十字較清晰明顯，淀粉顆粒形態破壞程度不大，但仍有部分偏光十字較為模糊，淀粉結構受到一定損傷，但其處理效果不如10%。

3 結論

高壓均質處理可破壞板栗淀粉的無定形區及結晶區結構，并導致其宏觀性質發生顯著變化。均質壓力、循環次數及濃度均是影響均質效果的重要因素。隨均質壓力、次數、濃度的增大，淀粉顆粒結構的破壞加劇，宏觀表現為表觀黏度減小，假塑性流體特性減弱，凝膠硬度、黏性、彈性等參數均呈降低趨勢；特別是經高濃度、高壓力、低次數處理后的板栗淀粉黏度、黏彈性、凝膠強度等下降最為明顯。高壓均質技術可作為改性板栗淀粉的有效途徑，改善其抗剪切、黏滯阻力大及易凝膠化等缺陷。可將改性處理的板栗淀粉添加在板栗乳及板栗飲料中，減少顆粒沉降，降低汁液黏稠度，提高穩定性，改善口感；同時還可減少烘焙板栗食品的黏盤性及改善板栗營養粉的食用口感與消化性。