氣流超微粉碎對玉米淀粉微觀結構及 老化特性影響

王立東，侯 越，劉詩琳，郎雙靜，肖志剛

（1.黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江八一農墾大學 國家雜糧工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319；3.沈陽師范大學糧食學院，遼寧 沈陽 110034）

淀粉為天然高分子多晶聚合物，由直鏈淀粉和支鏈淀粉分子形成特定三維空間結構，組成淀粉顆粒結晶區和無定形區。受制于其多晶體系結構，天然淀粉存在不溶于冷水，成膜性、加工性及貯存性能差、凝膠易凝沉等缺陷，不適用于現代新技術、新工藝、新產品的開發應用[1-5]。淀粉顆粒中直鏈淀粉和支鏈淀粉的分子結構特征和特性不同，如淀粉顆粒中支鏈淀粉有助于提高淀粉溶脹能力，直鏈淀粉則起抑制作用；淀粉糊化過程中，支鏈淀粉主要存在于溶脹顆粒中，而部分直鏈淀粉游離到顆粒外部形成連續膠體相[6]。同種淀粉中直鏈淀粉含量不同使淀粉分子結構和組成發生變化，產生個體差異[7]。玉米淀粉具有較優的化學成分和較廣的應用領域，純度達99.5%，依據其組成中直鏈淀粉和支鏈淀粉含量差異，可分為蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉3 種常見類型。蠟質玉米淀粉中幾乎不含直鏈淀粉，普通玉米淀粉中含有22%～28%直鏈淀粉，而高直鏈玉米淀粉中直鏈淀粉含量達到55%以上。因直鏈淀粉與支鏈淀粉結構及性質差異，使得不同鏈/支比玉米淀粉具有不同的結構和理化性質。

淀粉可通過物理、化學方法修飾獲得多種變性淀粉，作為原料廣泛應用于食品、醫藥等工業[8-9]。氣流粉碎技術是淀粉物理改性的有效方法，是將干燥、凈化后的壓縮氣體通過設定噴嘴產生高速氣流，在粉碎設備腔內帶動粉體顆粒高速運動，使顆粒受到沖擊碰撞、摩擦、剪切等作用而被粉碎，粉碎顆粒隨氣流被分級并收集[10-11]。氣流粉碎是制備超微粉體的有效手段之一，產品平均粒徑為0.1～10 μm，粉碎過程中產生機械力化學現象，使粉碎物料理化性質發生變化[12]。氣流粉碎技術具有產品粒度細、分布窄、精度高、均勻性與分散性好及生產能力和自動化程度高等特點，在食品、醫藥等領域應用廣泛[13]。Protonotariou[14]和Angelidis[15]等利用氣流粉碎小麥粉，處理后粉體顆粒減小，持水量增大，糊化溫度降低，微細化小麥粉更適于烘焙面包應用。Araki[16]和Ashida[17]等利用氣流粉碎獲得微細化大米粉和米糠，并制作大米粉面包和米糠面包，所得產品質地柔軟、色澤好、口感細膩、體積大。Antonios等[18]利用氣流粉碎大麥粉和黑麥粉，獲得的微細化大麥粉和黑麥粉粒度明顯減小，損傷淀粉含量增加，粉體密度增大；Syahrizal等[19]利用氣流粉碎處理脫脂大豆，處理后粉體溶解性、持水性和持油性增加，苦澀味降低；Xia Wen等[20]利用氣流粉碎木薯淀粉，處理后淀粉晶體結構受到破壞，分子鏈降解，淀粉糊黏度降低并存在剪切稀化行為；吳俊[21]利用沖擊板式機氣流粉碎機粉碎玉米淀粉，處理后粉體晶體結構受到破壞，支鏈淀粉發生斷裂，分子質量降低。

本課題組前期已利用流化床氣流粉碎機對普通玉米淀粉、高直鏈玉米淀粉和蠟質玉米淀粉進行微細化處理，對處理后淀粉顆粒大小、形貌、溶解度、膨脹度、凍融穩定性等結構及理化性質進行了研究[6,22-23]。但缺少對3 種淀粉分子基團、分子質量大小及分布、淀粉老化特性等結構和性質進行表征和分析，以及氣流粉碎對不同鏈/支比淀粉作用效果的差異分析。因此，為進一步探究氣流超微粉碎對蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉結構及性質的影響，以及分析不同鏈/支比淀粉作用效果差異，本實驗利用流化床氣流粉碎機制備超微粉，研究微細化處理對淀粉顆粒形貌、晶體結構、分子基團結構、分子質量等微觀結構及老化特性，為拓展淀粉資源的理論研究及深度開發利用提供理論與實踐指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蠟質玉米淀粉（水分質量分數6.86%、支鏈淀粉質量分數99.49%，食品級）、高直鏈玉米淀粉（水分質量分數10.48%、直鏈淀粉質量分數82.51%，食品級） 河南秀倉化工產品有限公司；普通玉米淀粉（水分質量分數13.5%、直鏈淀粉質量分數26.73%，食品級） 黑龍江龍鳳玉米開發有限公司；乙醇、甘油等（均為分析純） 天津市大茂化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

LHL型流化床式氣流粉碎機 山東濰坊正遠粉體工程設備有限公司；NP-800TRF顯微鏡 寧波永新光化學股份有限公司；S-3400N掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM） 日本HITACHI公司；Bettersize 2000激光粒度分析（laser particle size analyzer，LPA）儀 丹東市百特儀器有限公司；Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）儀 美國Thermo Fisher Scientific公司；DAWN HELEOS十八角度激光光散射儀、OPTILABrEx示差檢測器 美國Wyatt公司；1515凝膠滲透色譜（gel permeation chromatography，GPC） 美國Waters公司；X’Pert PRO X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀 荷蘭帕納科公司；DSC1差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀 瑞士梅特勒-托利多儀器 有限公司；DGG-9053A鼓風干燥箱 上海三星實驗儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 超微玉米粉的制備

以含不同直鏈淀粉和支鏈淀粉比例的蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉為原料，利用流化床氣流粉碎機制備超微粉。將不同水分質量分數的3 種淀粉在55 ℃條件下干燥至水分質量分數為6%左右，備用。

流化床氣流粉碎系統設有3 個噴嘴，噴嘴間平面角度為120°，以潔凈壓縮空氣為粉碎工質，空氣溫度不高于45 ℃。粉碎操作參數：持料量1.0 kg；進料頻率3 Hz；粉碎工質壓力0.8 MPa，分級機轉速3 600 r/min；引風機流速15 m3/min；粉碎時間90 min。

1.3.2 淀粉顆粒粒度大小及分布測定

參照王立東等[6,23]的方法，采用LPA儀測定，以去離子水作為分散溶劑。

1.3.3 淀粉顆粒微觀形態觀察

參照王立東等[6,23]的方法，采用SEM觀察淀粉顆粒微觀形貌及表面結構。加速電壓為10 kV。

1.3.4 淀粉晶體結構測定

參照王立東[6,23]和劉天一[24]等的方法，采用XRD儀對淀粉晶體結構進行分析。衍射角（2θ）掃描范圍4°～37°，電壓40 kV，電流30 mA。淀粉相對結晶度計算參照Nara等[25]的方法，使用MDI Jade軟件進行分析。

1.3.5 FT-IR分析

參照劉天一[24]和Fang[26]等的方法，對淀粉結構進行FT-IR分析，以獲得淀粉短程有序結構信息。掃描范圍為400～4 000 cm－1。

1.3.6 淀粉分子質量大小及分布測定

參照韓忠[27]的方法，采用GPC結合多角度激光光散射儀對淀粉分子質量大小及分布進行測定。稱取一定量淀粉樣品溶于二甲亞砜溶液中，5 0 ℃水浴溶解3 h，將溶解的淀粉樣品過0.2 μm聚四氟乙烯膜后測定。色譜條件：色譜柱為HMW 6E脂溶性凝膠色譜柱（300 mmh 7.8 mm，20 μm），分離范圍5h 105～5h 108g/mol；柱溫60 ℃；檢測波長658 nm；流動相為0.02 mol/L KH2PO4緩沖溶液；流速0.4 mL/min；進樣量100 μL；dn/dc＝0.074 mL/g。

1.3.7 熱力學性質測定

參照王立東等[6,23]的方法，采用DSC儀對淀粉熱力學性質進行測定。

1.3.8 淀粉老化特性測定

參照郭澤鑌[28]的方法建立淀粉老化動力學模型，將糊化后的淀粉樣品于4 ℃冰箱中貯藏，分別在貯藏第1、3、5、7、14天取樣，利用DSC儀測定淀粉老化所形成結晶在發生熔融作用時的老化焓，老化度按式（1）計算。用Avrami方程描述高聚物在等溫條件下結晶速率變化的動力學，方程如式（2）所示。

式中：R（t）為貯藏t時刻淀粉的老化度；ΔHt為貯藏t時刻淀粉的老化焓/（J/g）；ΔH∞為貯藏14 d時淀粉的老化焓/（J/g）；k為淀粉重結晶速率常數，為對l nt所 作 曲 線 的 截 距；n為Avrami指數，與成核機理及晶核生長方式有關。

1.4 數據處理與分析

采用Graphpad Prism 6.0軟件對數據進行統計分析，組間顯著性差異分析采用兩兩比較q檢驗，P＜0.05表示差異顯著；采用Origin、Excel軟件作圖。每個實驗均做 3 次平行，結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 微細化處理對3 種玉米淀粉顆粒粒徑及分布的影響

表 1 不同玉米淀粉超微粉碎前后顆粒粒徑和比表面積Table 1 Particle size and specific surface area of maize starch treated by superfine grinding

由表1可知，原玉米淀粉顆粒粒徑相對較大，氣流粉碎處理后淀粉粒徑顯著減?。≒＜0.05），其中微細化蠟質玉米淀粉D50減小至6.05 μm，90%的微細化蠟質玉米淀粉粒徑小于14.58 μm，10%的微細化蠟質玉米淀粉粒徑小于1.86 μm；微細化普通玉米淀粉D50減小至5.22 μm，其D90、D10分別為9.81、1.51 μm；微細化高直鏈玉米淀粉D50減小至5.53 μm，其D90、D10分別為10.99、1.58 μm。3 種微細化玉米淀粉的Sw較原玉米淀粉顯著提高 （P＜0.05），說明微細化處理能夠使玉米淀粉顆粒粒徑減小和Sw增大。劉智勇[29]利用扁平式氣流粉碎機粉碎普通玉米淀粉，獲得微細化粉體D50為7.7 μm，大于本實驗結果；劉天一[24]利用球磨研磨玉米淀粉，獲得微細化粉體D50為18.87 μm，粒徑較原淀粉增大，其原因可能是淀粉顆粒發生團聚現象。

圖 1 不同玉米淀粉超微粉碎前后粒度分布Fig. 1 Particle distribution of maize starch treated by superfine grinding

由圖1可知，3 種原玉米淀粉粒度分布呈雙峰分布，存在大粒度峰和小粒度峰，其中大粒度峰峰值位置對應的頻率分布較大，氣流粉碎后小粒度峰逐漸消失，形成一個分布較寬的大粒度峰，其峰值位置對應的頻率分布明顯降低，且峰值位置對應的顆粒粒徑減小。

2.2 微細化處理對3 種玉米淀粉顆粒形態的影響

圖 2 不同玉米淀粉超微粉碎前后顆粒形貌Fig. 2 Scanning electron micrographs (SEM) of maize starch treated by superfine grinding

由圖2可知，原蠟質玉米淀粉顆粒表面光滑致密，多呈橢圓形，顆粒帶有許多乳狀突起，部分顆粒表面有凹陷孔洞，粒形相對較大；原普通玉米淀粉顆粒表面光滑致密，主要呈多邊形，顆粒表面嵌有小微孔，該微孔與玉米淀粉孔道結構有關；原高直鏈玉米淀粉顆粒主要呈多面體，顆粒表面光滑致密，部分顆粒嵌有微孔。氣流粉碎后，3 種玉米淀粉顆粒形態均明顯減小，形狀變得無規則，顆粒表面粗糙且出現棱角和裂紋；其中微細化蠟質玉米淀粉顆粒較大，顆粒形態相對規則且表面粗糙程度較低，乳狀突起脫落，部分顆粒被破壞而露出臍點；微細化普通玉米淀粉顆粒形態相對均勻，微細化高直鏈玉米淀粉部分顆粒被破壞露出輪紋結構。說明氣流粉碎作用使玉米淀粉顆粒形態發生改變，淀粉顆粒表面及內部結構發生變化，此結果與Liu Tianyi等[30]利用球磨研磨和Niu Meng等[31]利用高速離心磨研磨獲得的微細化粉體顆粒形貌變化現象一致。

2.3 微細化處理對3 種玉米淀粉晶體結構的影響

由圖3可知，蠟質玉米淀粉和普通玉米淀粉均在15°、17°、18°和23°附近出現較強特征衍射峰，為A型結晶結構，高直鏈玉米淀粉在5°、18°和23°附近出現較強特征衍射峰，為B型結晶結構。微細化處理后，3 種玉米淀粉均沒有新的衍射峰產生，說明粉碎未改變淀粉本身的結晶形態。

圖 3 不同玉米淀粉超微粉碎前后的XRD譜圖Fig. 3 X-ray diffraction patterns of maize starch treated by superfine grinding

表 2 不同玉米淀粉超微粉碎前后相對結晶度Table 2 Relative crystallinity of maize starch treated by superfine grinding

由表2可知，經計算，原蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉的相對結晶度分別為39.42%、37.56%、28.63%，其中蠟質玉米淀粉相對結晶度較高。微細化處理后，3 種淀粉的相對結晶度顯著降低 （P＜0.05），其中微細化蠟質玉米淀粉相對結晶度降低13.97%，降低幅度最大，其次是微細化普通玉米淀粉降低13.31%，微細化高直鏈玉米淀粉降低9.44%。其原因是淀粉顆粒在粉碎過程中受到不斷地撞擊、摩擦和剪切等機械外力作用，使得淀粉顆粒晶體結構中層間質點結合力相對減弱且易受到破壞，產生晶格缺陷，導致結晶度降低。其中支鏈含量高的蠟質玉米淀粉更易受到破壞而結晶度降低。此結果與吳俊等[32]利用沖擊板式氣流粉碎對玉米淀粉晶體結構的影響一致，玉米淀粉結晶度由原淀粉的38.37%降低至25.33%。He Shenghua[33]和Zhang Zhengmao[34]等利用球磨研磨玉米淀粉和大米淀粉，使得淀粉顆粒晶體結構受到破壞，結晶度降低，說明氣流粉碎與球磨研磨一樣能夠破壞淀粉顆粒晶體結構，使淀粉晶體結構由多晶態向非晶態轉變。

2.4 FT-IR分析結果

由圖4可知，3 種原玉米淀粉特征峰出峰位置基本一致，說明直鏈與支鏈含量差異對淀粉紅外光譜特征吸收影響不大。氣流粉碎處理后，微細化蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉的特征峰位置基本沒有發生變化，無新峰出現，說明沒有新的基團產生。僅在1 200～800 cm－1指紋區域出現部分特征峰強度和峰寬的變化。此結果與Liu Tianyi[30]、He Shenghua[33]和Huang Zuqiang[35]等利用球磨研磨玉米淀粉對淀粉分子基團影響結果一致，得到的微細化淀粉無新的基團產生，但同樣存在指紋區域特征峰強度和峰寬變化，這些變化說明淀粉顆粒有序結構發生改變。

圖 4 不同玉米淀粉超微粉碎前后FT-IR譜圖Fig. 4 FT-IR spectrum of maize starch treated by superfine grinding

2.5 微細化處理對3 種玉米淀粉分子質量大小及分布的影響

表 3 不同玉米淀粉超微粉碎前后的分子質量分布Table 3 Molecular mass distribution of maize starch treated by superfine grinding

GPC結合MALS技術是測定淀粉分子質量大小及其分布的精確技術手段[36]。由表3可知，原蠟質玉米淀粉分子質量分布范圍為107～＞109g/mol，其中65.36%分布在107～108g/mol范圍內，微細化處理后，分布范圍變為106～＞109g/mol，其中56.14%分布在106～107g/mol 范圍內；原普通玉米淀粉分子質量分布范圍為 106～109g/mol，其中60.14%分布在106～107g/mol范圍內，微細化處理后，分布范圍變為105～109g/mol，其中55.47%分布在105～106g/mol范圍內；原高直鏈玉米淀粉分子質量分布范圍為＜105～108g/mol，其中71.76%分布在106～107g/mol范圍內，微細化處理后，主要分布范圍發生變化，其中67.8%分布在105～106g/mol范圍內，小于105g/mol范圍內增加到20.32%。3 種微細化玉米淀粉分子質量分布變寬，說明氣流超微粉碎處理使淀粉的分子鏈發生斷裂，此結果與吳俊等[32]利用沖擊板式氣流粉碎對玉米淀粉分子鏈的影響結果一致，粉碎處理使玉米淀粉分子鏈發生斷裂，其中直鏈淀粉和支鏈淀粉重均分子質量分別降低8.98%和23.66%。

表 4 不同玉米淀粉超微粉碎前后分子質量特征值Table 4 Molecular characteristics of maize starch treated by superfine grinding

聚合物的分子質量通常需要計算樣品中所有聚合物鏈分子質量的平均值來描述，Mw為重均分子質量，Mn為數均分子質量，Mw/Mn為多分散性指數，其表征高聚物分子質量分布寬度，Mw/Mn越接近1，樣品組分越單一，Mw/Mn越大則分子質量分布越寬[37]。由表4可知，經過微細化處理，蠟質玉米淀粉Mw由152.20h 106g/mol降低至38.41h 106g/mol；普通玉米淀粉Mw由30.14h 106g/mol 降低至7.1 2 h 1 06g/m o l；高直鏈玉米淀粉Mw由 4.11h 106g/mol降低至0.69h 106g/mol，3 種微細化玉米淀粉Mw均明顯降低，說明氣流超微粉碎通過碰撞、摩擦、剪切等方式使玉米淀粉顆粒粒徑減小，淀粉分子鏈發生斷裂；粉碎后3 種微細化玉米淀粉Mw/Mn較原玉米淀粉增大，進一步說明淀粉分子質量分布變寬。

2.6 微細化處理對3 種玉米淀粉熱力學性質的影響

表 5 不同玉米淀粉超微粉碎前后熱力學特征參數Table 5 Thermodynamic characteristics of maize starch treated by superfine grinding

由表5可知，3 種原玉米淀粉To、Tp和Tc較高，具有較大熱吸收焓；氣流超微粉碎處理后，3 種微細化玉米淀粉糊化溫度和ΔH顯著降低（P＜0.05），微細化蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉ΔH分別降低了47.98%、41.44%和51.53%。淀粉ΔH變化在一定程度上能夠反映淀粉晶體結構的變化，即ΔH隨結晶度的減小而降低，同時ΔH也代表淀粉分子鏈中雙螺旋結構的數量[24,38]。氣流超微粉碎后3 種玉米淀粉ΔH降低，表明淀粉結晶度下降，同時淀粉分子鏈中的雙螺旋結構數量減少，此結果與劉天一[24]采用球磨研磨玉米淀粉后的熱力學特性變化現象一致，研磨后玉米淀粉ΔH降低91.83%，大于氣流粉碎作用效果，說明球磨研磨對淀粉顆粒晶體結構破壞效果大于氣流粉碎[24]。

2.7 微細化處理對3 種玉米淀粉老化特性的影響

表 6 4 ℃條件下不同玉米淀粉超微粉碎前后老化焓的變化Table 6 Aging enthalpy of maize starch treated by superfine grinding at 4 ℃

由表6可知，4 ℃貯藏期內，氣流粉碎后3 種玉米淀粉老化焓較原淀粉顯著降低（P＜0.05），且蠟質玉米淀粉老化焓變化小于普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉，說明粉碎處理延緩了淀粉老化回生；同時隨著貯存時間延長，所有淀粉樣品的老化焓均逐漸增大，說明貯存時間越長淀粉老化越嚴重，但當貯存時間超過5 d后，老化焓增加不顯著，說明淀粉老化主要發生在低溫貯藏的前5 d內。

表 7 4 ℃條件下不同玉米淀粉超微粉碎前后重結晶動力參數Table 7 Avrami parameters for recrystallization of maize starch treated by superfine grinding at 4 ℃

通過對3 種玉米淀粉在低溫（4 ℃）貯存條件下的老化焓變和重結晶動力學參數進行表征，研究淀粉老化特性。老化動力學通過Avrami方程進行描述，Avrami方程參數包含成核指數（n）、重結晶速率常數（k）和線性回歸方程擬合系數（r2）[28]。由表7可知，氣流粉碎后3 種微細化玉米淀粉n顯著增大（P＜0.05），k顯著減小（P＜0.05），說明粉碎處理改變了玉米淀粉重結晶成核方式。k越低，表明淀粉回生速率越慢[38]，因此氣流超微粉碎處理有利于延緩淀粉在低溫貯藏環境下老化速率，有益于淀粉質食品貯存和性質穩定。同時，蠟質玉米淀粉k低于普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉，說明支鏈含量高的蠟質玉米淀粉不易回生。

3 結 論

將氣流超微粉碎技術用于蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉的微細化處理，獲得3 種微細化玉米淀粉的D50分別為6.05、5.22 μm和5.53 μm，淀粉顆粒粒度明顯減小，Sw增大，粒度分布呈較寬單峰分布。氣流超微粉碎處理改變了蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉顆粒原有的光滑致密完整外形，形態變得無規則，顆粒表面變得粗糙且有裂紋；氣流超微粉碎后3 種微細化玉米淀粉沒有產生新的基團，但淀粉顆粒晶體結構受到破壞，相對結晶度下降；同時淀粉分子鏈發生斷裂，分子質量減小及分布變寬。說明微細化處理改變了蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉的微觀結構，降低了糊化溫度和ΔH，改變了淀粉的重結晶成核方式，降低低溫貯藏環境玉米淀粉老化速率，延緩淀粉回生，利于淀粉質食品貯存和性質穩定。氣流超微粉碎處理對蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉的粉碎效果、微觀結構及性質影響存在差異，說明淀粉顆粒結構中不同直鏈淀粉與支鏈淀粉比例差異影響淀粉的結構與性質。