臭氧處理對食品淀粉結構及加工特性影響研究進展

夏 銳 劉栗君 - 曹夢玲 - 趙國華,2 -,2 葉發銀,2,3 -,2,3

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715；2. 重慶市甘薯工程技術研究中心，重慶 400715；3. 西南大學食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，重慶 400715)

臭氧作為一種安全、高效的消毒劑，能有效滅活各類病原菌，在食品工業中得到廣泛應用。此外，臭氧處理對果蔬[1]、水產[2]、禽蛋等生鮮食品原料的生化代謝有調節作用，從而有助于提高貯藏品質。除了食品安全控制及貯藏保鮮方面的應用，臭氧能顯著影響食品材料的結構組成及加工特性，從而達到提升食品品質的目的[3]。Uzun等[4]報道乳清分離蛋白和卵白蛋白經臭氧處理后，起泡性能及泡沫穩定性得到明顯提升。Obadi等[5]發現全谷物粉經臭氧處理后，內源脂肪酶活性降低，酚類物質含量從6.09 mg GAE/g增加到9.53～19.77 mg GAE/g，油脂抗氧化性顯著高于未處理組。Zhu等[6]和Violleau等[7]也證實了臭氧對原料組分的物性修飾作用可顯著改善食品的質構、感官及貯藏品質。

淀粉是常見食品的主要組成成分，同時是重要的食品配料。為了拓展淀粉的使用范圍，常常對天然淀粉進行物理的[8]、化學的[9]、生物的或復合改性處理。氧化淀粉是改性淀粉的主要品種，具有糊化溫度低、糊透明性高、糊黏度低、成膜性好等優點，在工業上的應用十分廣泛。目前工業制備氧化淀粉主要采用次氯酸鈉、H2O2、高錳酸鉀等氧化劑[10]。相比于上述氧化劑，臭氧具有氧化能力強、制取容易且無生產殘留等特點。臭氧處理作為一項綠色、節能、高效的淀粉改性技術近年來逐漸受到重視。研究[11]表明臭氧(5 mg/L)能有效鈍化糯米粉中內源性淀粉酶活性，作用于淀粉組分，引起糯米熱糊黏度變化；同時臭氧對小麥、玉米、馬鈴薯、木薯、山藥、糯米等來源淀粉處理結果顯示，臭氧對淀粉的氧化降解機制極其復雜，當前研究水平未達實用。文章就臭氧處理淀粉研究成果進行綜述，為進一步利用臭氧拓展淀粉應用特性的研究提供參考。

1 臭氧化學原理及處理淀粉的方式

1.1 臭氧基本特性

臭氧(O3)分子質量47.998 g/mol，熔點-192.7 ℃，沸點-111.9 ℃，常溫下是一種有特殊臭味的淡藍色氣體[12]。大氣中天然臭氧對人體無害，但吸入過量對人體有害，國際臭氧協會頒布的工作場所限值為4.46×10-9mol/L(接觸10 h)，在食品工業中使用臭氧一般認為是安全的[13]。臭氧具有極強的氧化能力(E0=+2.075 V)，僅次于氟氣，但穩定性較差，在水溶液中可自行分解為氧氣，20 ℃時純水中臭氧的半衰期為20～30 min[14]。

1.2 臭氧發生及作用淀粉的方式

工業臭氧的發生方式主要為光化學法和電暈放電法[13]。光化學法采用臭氧燈(λ=185 nm)輻射氧氣使其分解為氧自由基，隨后與氧分子結合并轉化為臭氧；電暈放電是在不均勻電場中電擊氧氣，將其轉變為臭氧。目前電暈放電法在食品工業中被廣泛采用，對高純氧氣進行電暈放電，可獲得16%的最大臭氧轉化率[15]。

根據處理腔中的物料形態，可將臭氧處理淀粉方式分為濕法[16-17]和干法[18-19]兩種。所謂濕法，臭氧以鼓泡方式與水相中懸浮的淀粉顆粒接觸，改性過程在溶液中進行[圖1(a)]；所謂干法，是將干淀粉裝填在柱形容器中，臭氧氣流從底部濾板向容器內持續擴散，與淀粉顆粒充分接觸，殘余氣體從容器頂部送出[圖1(b)]。從臭氧復雜的作用機理來看，兩種方式改性淀粉的機制和程度是不同的。在干法中氣態的臭氧分子利用自身的偶極結構以“加成反應”方式直接作用淀粉，反應具有一定的選擇性，且干法條件下臭氧熱分解半衰期(20 ℃，3 d)遠大于相同溫度的水相(20 ℃，20 min)[20]。在濕法中臭氧引發的氧化反應非常復雜，僅一部分臭氧直接作用淀粉，大多數臭氧以間接方式作用于淀粉，即降解為·OH等二級氧化產物后再與淀粉作用，氧化速率甚至高于臭氧分子直接氧化反應[21]。目前關于臭氧處理淀粉的兩種方式的系統研究尚未報道，但從工藝角度，干法處理作為一種節水、節能、綠色的方式對工業生產意義重大。

2 臭氧處理對淀粉結構的影響

2.1 對淀粉分子結構的影響

臭氧處理可導致淀粉分子發生氧化、解聚甚至交聯。

表1總結了淀粉經臭氧作用后淀粉分子結構變化的情況。首先臭氧作用造成淀粉分子中羥基氧化，生成羰基和羧基。羧基含量是衡量淀粉氧化程度的重要指標，羧基含量越高，淀粉氧化程度越大。Chan等[18]報道玉米、西米和木薯的淀粉經臭氧處理后，產物的羰基和羧基含量達0.025%～0.250%和0.002%～0.063%。Klein等[22]報道木薯淀粉經臭氧處理后羰基和羧基含量分別達到0.011%和0.028%。雖然該含量遠低于采用次氯酸鈉或雙氧水處理組，但是臭氧處理更加綠色、省時[28]。其次，隨著處理時間增加，淀粉分子鏈的α-1,4-糖苷鍵斷裂，淀粉分子解聚[29-30]。Castanha等[16]發現臭氧處理造成馬鈴薯淀粉中直鏈淀粉含量降低，直鏈淀粉和無定型區的支鏈淀粉分子水解。同時有研究發現高pH值下氧化降解的淀粉分子之間會發生交聯作用，其原因尚不清楚[22]。Chan等[23]也發現這種交聯作用存在于臭氧改性木薯淀粉中，改性使木薯淀粉Mw和Mn分別增加22.5%和145.3%。Wang等[32]在pH 11條件下采用次氯酸鈉氧化玉米淀粉，觀測到淀粉氧化降解片段之間的交聯現象是由于高pH條件促進了羰基和羥基之間半縮醛鍵的形成。臭氧處理過程中分子的交聯現象及其產生的原因是否與其他氧化試劑機理相同，仍需進一步研究。

圖1 臭氧處理淀粉的裝置示意圖

2.2 對淀粉顆粒形態的影響

臭氧對淀粉顆粒完整性的影響程度，因淀粉來源而異，同時與臭氧處理強度有關。有些淀粉經臭氧處理后無顯著變化，如臭氧處理幾乎不影響大米淀粉[27]、小麥粉及從中分離的小麥淀粉[19]顆粒的表面結構。但是有些淀粉顆粒卻容易被臭氧破壞，?atal等[30]發現玉米及馬鈴薯的淀粉懸液(10 g/100 g)采用臭氧處理后顆粒表面變得粗糙。Castanha等[16]研究發現隨著臭氧處理時間延長，馬鈴薯淀粉顆粒表面侵蝕程度逐漸加大，處理30 min時顆粒表面已形成溝槽和孔道。后續研究[31]報道馬鈴薯淀粉經臭氧處理后，顆粒表面產生碎裂和裂隙，顆粒尺寸隨處理時間增加逐漸減小，且大顆粒馬鈴薯淀粉粒度降低程度大于小顆粒，這種差異主要與臭氧分子滲入作用部位的難易程度有關。

表1 臭氧處理對各淀粉分子結構的影響

2.3 對淀粉結晶性的影響

臭氧處理一般不引起淀粉晶型發生改變，有時會影響衍射峰強度變化，從而影響淀粉的相對結晶度[16,22,31]。但Castanha等[16]采用濕法處理馬鈴薯淀粉時，結晶區所受影響甚微，馬鈴薯淀粉的相對結晶度未受影響；結晶度的變化可能與淀粉種類、臭氧處理的方式有一定的關系。臭氧對淀粉結晶區的作用有限，其作用主要發生在淀粉顆粒的無定型區，偏光十字仍然清晰[30]。Klein等[29]進一步研究發現木薯淀粉經臭氧處理后，相對結晶度從處理前的32.1%降至處理后的28.0%，說明臭氧不僅作用于木薯淀粉的無定型區，而且造成其半結晶區的支鏈淀粉發生解聚。臭氧對淀粉結構影響機制以及影響的最大限度仍需進深入研究。

3 臭氧處理對淀粉加工特性的影響

3.1 對水合性質的影響

因淀粉來源及臭氧處理方式不同，處理后淀粉顆粒的膨脹性有的增加，有的下降。Chan等[18]在相同處理條件下臭氧處理不同淀粉，其中西米淀粉和木薯淀粉的膨脹力下降，玉米淀粉的膨脹力上升。Sandhu等[19]也發現小麥淀粉經臭氧處理后，膨脹力從7.5%上升至8.5%。在一定條件和范圍內，淀粉水合性質的變化與臭氧處理時間呈正相關。An等[33]發現采用臭氧處理大米淀粉30 min，可使其膨脹力呈現最大值；Obadi等[34]研究發現小麥粉經臭氧處理45 min后，吸水性提升1.70～1.95 g/g，水溶性指數從處理前2.59 g/g增加到處理后的3.39 g/g，且膨脹力隨著臭氧處理時間延長而增加，從原淀粉5.32 g/100 g 增加到7.08 g/100 g，研究認為生成的羧基導致了膨脹力上升。但Simsek等[35]發現豆類淀粉在50～90 ℃范圍內逐漸升溫進行臭氧處理，其膨脹性較原淀粉降低，原因在于溫度上升后淀粉形成了更加緊密結合的微晶膠束結構，從而抑制顆粒膨脹。除淀粉品種、臭氧處理時間以及溫度，仍需系統探索臭氧處理時其他外界因素對淀粉水合性質的影響。

3.2 對糊化特性的影響

淀粉的糊化特性常采用快速黏度分析儀(RVA)進行表征。通過RVA可獲得熱糊黏度、冷糊黏度、崩解值、回生值等參數，而這些參數與淀粉在成糊過程中連續相黏度、顆粒與顆粒間相互作用、顆粒尺寸分布等的變化有關。秦先魁等[36]用臭氧(濃度5 mg/L)對鄭麥9023處理0.5 h后小麥粉的熱糊黏度增加，但增加處理時間則導致熱糊黏度降低，原因可能在于長時間臭氧處理破壞了淀粉分子的結構。Castanha等[16]也發現隨著處理時間增加，馬鈴薯淀粉的峰值黏度逐漸降低，表明淀粉羥基被氧化為羰基和羧基后，淀粉顆粒受熱時更易水合，保持完整性的能力降低。Oladebeye等[25]和Klein等[22]同樣觀測到隨著臭氧劑量和處理時間增加，淀粉的峰值黏度逐漸下降。但Chan等[18]對西米淀粉和木薯淀粉進行臭氧處理后觀測到兩種淀粉的峰值黏度上升，認為這與羧基生成以及淀粉分子間發生交聯作用有關，使淀粉顆粒在破裂前能吸收更多水分。Oladebeye等[25]和Catal等[17]觀察到隨著臭氧導致淀粉氧化程度加大，淀粉糊的回生值下降，說明氧化生成的羰基和羧基阻抑了淀粉分子鏈互相締合的傾向。因此，臭氧作用改變淀粉糊化特性的程度與產物羰基和羧基含量、是否發生解聚或交聯作用有關。通過優化設計臭氧處理淀粉的方式及強度，有望制備出優良糊化特性的改性淀粉。

3.3 對老化特性的影響

臭氧處理對淀粉老化影響的程度可通過測定淀粉糊透明性、凍融穩定性和析水率等進行考察。Castanha等[16]通過測量650 nm透光率表征馬鈴薯淀粉糊透明度，隨著臭氧處理時間延長，淀粉糊透明度由原來的93.4%逐漸提高到99.0%。臭氧改性使馬鈴薯淀粉分子鏈帶上羧基，因靜電互斥使淀粉分子水合更充分，不易老化，故透明度提高。Chan等[23]研究發現經臭氧處理的玉米淀粉糊于4 ℃、7 d老化后的熱焓值(ΔHr)增加到原來的3倍(3.9 J/g)，而臭氧處理的西米淀粉及木薯淀粉糊老化后的ΔHr無顯著變化。Simsek等[35]將5 g/100 g淀粉樣品充分糊化后密封，在冰箱中存放5 d，結果顯示臭氧處理未引起析水率顯著變化。淀粉老化對淀粉食品的質地、感官和貨架期有重要影響。臭氧處理使淀粉分子的Mw/Mn、取代基、直/支比等發生不同程度的變化，最終對淀粉的老化產生影響，但目前相關研究非常有限，需要深入。

3.4 對凝膠特性的影響

臭氧處理對淀粉凝膠強度的影響程度，因淀粉來源和臭氧處理方式而異。不同品種的淀粉經臭氧處理后凝膠存在差異。Chan等[23]報道西米淀粉及玉米淀粉處理不同時間后，制備的凝膠(貯藏1 d)的楊氏模量呈現不同的變化，其中西米淀粉凝膠僅在臭氧處理3 min和10 min 的樣品中顯著提升，而玉米淀粉凝膠的楊氏模量在全部處理組中都顯著提升了。處理后凝膠強度增大主要與淀粉降解有關，降解產物在貯藏過程中具有更強的締合形成網絡結構的能力[37]。臭氧處理時間對淀粉凝膠也有一定影響。有研究[16]發現馬鈴薯淀粉凝膠的強度隨著臭氧處理時間的延長(15～45 min)而增加，但處理60 min樣品的強度則介于15 min和30 min樣品之間，其原因在于，淀粉分子適度降解增加了直鏈淀粉組分的移動性，從而更容易締合形成凝膠結構；但是長時間處理(60 min)加劇淀粉降解，淀粉分子解聚以及生成羧基的靜電排斥作用妨礙了淀粉鏈段間的締合，最終減弱了凝膠強度。Castanha等[31]發現馬鈴薯淀粉凝膠臭氧處理45 min及60 min后因降解嚴重而無法形成凝膠。Zhou等[38]采用次氯酸鈉氧化馬鈴薯淀粉時也觀測到相同規律，即低劑量次氯酸鈉處理可使淀粉凝膠強度增加，但高劑量處理組凝膠強度降低，因此適度氧化降解淀粉可使其具有最大凝膠強度。

4 臭氧處理對淀粉消化性質的影響

臭氧處理能導致淀粉消化性質發生改變。馬鈴薯淀粉經臭氧處理60 min后，將其糊化，測定其RDS含量較原樣增加15%，可能是臭氧處理降低了馬鈴薯淀粉分子鏈長以及羧酸根之間的靜電排斥作用，使水分更容易滲透其中，導致淀粉分子對酶敏感性增加[31]。熊金娟等[46]采用臭氧處理糯米不同時間(0.5，1.0，2.0 h)后，糯米粉的羧基含量較未處理組增加了43.3%～87.7%，且顆粒表面出現破損。糯米粉經臭氧處理2 h后糊化，測得慢消化淀粉(SDS)和快消化淀粉(RDS)含量分別減少了34.6%和15.3%，而抗性淀粉(RS)含量增加了115.1%。臭氧處理后的糯米粉未經糊化直接測定消化性，生糯米粉中RS的含量降低，而SDS和RDS含量則增加，原因在于經臭氧處理后，生糯米粉的水合性質及對淀粉酶的親和性均較未處理組增強，故容易酶解，從而呈現與糯米粉糊相反的趨勢。Simsek等[35]則發現臭氧處理使黑豆及菜豆淀粉的RS含量顯著增加，但未顯著改變兩種淀粉的水解率(HI)和血糖生成指數(eGI)。由此可見，臭氧處理可作為調控淀粉消化性質的潛在方式，但臭氧改性淀粉作為食品配料時可能帶來的安全問題有待研究。

5 影響臭氧改性淀粉的因素

5.1 介質

在干法條件下，淀粉物料為較低含水量(約10%)的粉末，淀粉氧化降解的程度主要受臭氧濃度、氣體流速及作用時間的影響[19,23]。在濕法條件下，除了臭氧濃度、氣體流速及作用時間的影響外，反應體系中水分及其他共存溶劑同樣是重要的影響因素。Szymanski[30]的研究表明，向玉米淀粉乳中以鼓泡方式輸入臭氧時，淀粉氧化程度受水分含量的影響較大：水分含量低于65%時，淀粉氧化程度很低(羰基含量0.028～0.030 mol/mol脫水葡萄糖)，水分含量在65%～73%時，氧化程度迅速提升，但繼續增加水分含量(從73%到82%)，氧化程度提升緩慢。Szymanski[30]的研究還發現，在23 ℃下反應，以氯仿或以乙酸—水為反應介質比用水為介質可制備較高氧化程度的改性淀粉，產物的羰基含量較以水為介質時分別提升11.6%和56.2%。因此，濕法條件下對反應溶劑的選擇極為重要。

5.2 溫度

以往報道系統研究溫度影響臭氧作用的文獻鮮見。有研究[30]表明，0 ℃和50 ℃比23 ℃的反應溫度條件下，臭氧處理玉米淀粉具有較低的羰基含量，其原因可能在于，較高溫度容易造成臭氧在介質中的溶解度降低，臭氧的分解速度加快，而較低溫度則減緩氧化反應的進行。控制合適的反應溫度可優化臭氧處理的效果。

5.3 pH

目前關于介質pH對臭氧改性淀粉影響的文獻報道甚少，Klein等[22]研究發現隨著pH的增加，淀粉的羰基和羧基的含量呈上升趨勢，氧化程度增加。pH 3.5時，臭氧處理未引起木薯淀粉中羰基含量變化，且無羧基生成；pH 6.5時，羰基含量變化不顯著，但有羧基產生，含量為0.021%；pH 9.5時，木薯淀粉經臭氧處理后生成的羰基和羧基含量顯著上升(分別為0.011%和0.028%)。該研究[22]還發現，不同pH下處理得到的改性淀粉的糊化行為差異顯著。在pH 3.5制備的改性淀粉在RVA分析中具有最小的峰值黏度、熱糊黏度、崩解值、回生值和冷糊黏度；在pH 6.5和9.5條件下處理得到的改性淀粉的熱糊黏度和冷糊黏度較pH 3.5處理組和未處理組的高，其原因可能是在pH 6.5或9.5時，氧化降解的淀粉分子之間發生了交聯作用，在一定程度上提升了熱糊穩定性和冷糊的回生性。有研究[10,21]表明，在水溶液中H+能減緩臭氧分子的降解，使其與淀粉進行直接作用，而OH-加速臭氧降解，產生高活性氧化產物，從而增大淀粉改性程度。因此pH對淀粉臭氧改性的影響需要進行系統研究。

5.4 共存成分

目前，大多數研究報道物料中的共存成分對臭氧作用淀粉起抑制作用。Gozé等[39]研究指出，小麥粉中的淀粉對臭氧的反應活性顯著低于提取出來的小麥淀粉。Kurdziel等[40]也發現淀粉中共存成分對淀粉氧化具有抑制作用，大麥淀粉較燕麥淀粉具有較低的內源性脂質和蛋白質含量，因而在相同條件下氧化試劑對大麥淀粉的降解程度更高。Chan等[41]進一步研究發現脫除蛋白質組分有利于淀粉的臭氧改性。添加外源性物質一定程度上也可以改善臭氧對淀粉的改性效果。An等[40]研究了在臭氧處理大米淀粉過程中添加氨基酸對改性效果的影響，其中賴氨酸添加使得臭氧處理的大米淀粉更易烹煮，不易老化。因此，內外源性物質有望作為工業生產中調控臭氧作用淀粉的重要手段，值得深入研究。

6 結論

臭氧處理是一項正在興起的拓展淀粉功能特性或提升淀粉制品品質特性的綠色改性技術。由于臭氧化學機制十分復雜[10, 21]，其對淀粉物料的處理效果受臭氧劑量、作用方式(干法或濕法)、介質、溫度、pH、物料共存成分等的影響顯著。因作用程度不同，臭氧既能漂白淀粉，又可將淀粉羥基(C—OH)依次氧化為羰基(C—O)或羧基(COOH)，引起淀粉分子解聚甚至交聯，但相關研究還不深入[42]。基于當前研究狀況，后續研究可從以下方面加強或深入：① 臭氧與淀粉相互作用機制，以及內外源因素對臭氧改性的影響需要系統研究；② 在工業生產水平，臭氧能在多大程度上改變淀粉的分子結構和組成，以及臭氧改性淀粉的應用性能和安全性需要研究；③ 探討臭氧處理與其他方法(如超聲波、冷等離子體、濕熱處理)聯用對淀粉加工特性的影響，為開展其工業應用和豐富改性淀粉品類鋪平道路。