高能球磨對大米淀粉物化特性和結構的影響

豁銀強，王 堯，陳江平，劉松繼，劉傳菊，聶榮祖，湯尚文,*

（1.湖北文理學院食品科學技術學院·化學工程學院，湖北 襄陽 441053；2.湖北省食品配料工程技術研究中心，湖北 襄陽 441053）

大米是世界上一半以上人口的主食，我國是世界上最大的大米生產國和消費國，年產大米約2億 t[1]。淀粉是大米的主要組分，約占精白米干物質的90%[2]。大米淀粉具有顆粒小、清淡無味、易消化、消費者易接受等獨特的特性，廣泛應用于食品及非食品領域[3-4]。但是，由于存在易老化、黏度大、凍融穩定性差等缺陷，天然大米淀粉不能滿足一些特定產品加工的需要[5]。為了改善淀粉的物化特性、擴大其應用范圍，人們通常利用物理、化學及生物方法對淀粉進行改性。相對于酶法或化學方法改性，物理改性是一種安全的改性方式，其因不會引入化學試劑或生物試劑而受到人們越來越多的重視[6]。

球磨是一種物理修飾途徑，其利用摩擦、沖擊、剪切等聯合作用改變淀粉的結構和物化特性[7]。相對其他淀粉改性方法，球磨處理具有工藝簡單、成本低、對環境影響小等優點，是一種新型淀粉改性方法。據報道，球磨處理能夠顯著降低淀粉的結晶度、提高淀粉的溶解度和消化率[8]。學者們研究了球磨處理對玉米[8]、馬鈴薯[7]、木薯[9]、大米[10]等來源淀粉結構和物化特性的影響。這些研究結果表明，球磨處理對淀粉顆粒形貌及大小分布、相對結晶度、分子質量大小、直鏈/支鏈淀粉比及淀粉溶解性等結構和物化特性均產生不同程度的影響。球磨分為高能球磨和低能球磨兩大類，目前報道的研究主要利用低能球磨來增加比表面積、降低淀粉的結晶度及顆粒的尺寸大小[11]。高能球磨主要利用金屬或瑪瑙小球進行研磨，通過高速旋轉給研磨介質施加較高的能量，進而能夠在較短的時間內使處理物料微細化[12]。高能球磨主要應用于化學和材料領域來活化底物或促進反應[13]，少量研究將其應用于食品的加工及預處理[14-15]。高能球磨處理能降低不溶性膳食纖維粒徑尺寸、破壞不溶性膳食纖維內部的氫鍵及結晶結構，進而增加膳食纖維的溶解度和表觀黏度[16]。目前有關高能球磨對淀粉結構和特性的影響還鮮有報道，本實驗主要研究高能球磨對大米淀粉物化特性的影響規律，并從淀粉結構角度分析闡述其對淀粉特性影響的機理，以期開發具有新型結構和特性的改性淀粉產品，擴大大米淀粉的應用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

早秈稻大米（2018年收獲）購于南漳縣泉水堰米業有限責任公司。

KBr（光譜純） 天津市光復精細化工研究所；NaOH、鹽酸（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

Emax高能球磨儀 德國Retsch有限責任公司；TDL-5-A臺式離心機 上海安亭科學儀器廠；TechMaster快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA）瑞典Perten公司；Q20差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀 美國TA儀器公司；S-4800掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司；DM2700P偏光顯微鏡 德國Leica公司；UltraSan PRO色度儀 美國HunterLab公司；Mastersizer 3000激光粒度儀 英國Malvern公司；D8 Advance X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀 德國Bruker公司；Nexus470傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometer，FTIR）儀 美國Thermo Nicolet公司。

1.3 方法

1.3.1 大米淀粉的制備

使用堿法制備大米淀粉：將500 g大米置于小塑料桶內，加入1 L蒸餾水，室溫浸泡12 h，將蒸餾水瀝出，加入1 L 0.2g/100 mL的NaOH溶液，用膠體磨粉碎10 min。懸漿于室溫下電動攪拌2 h，室溫下3 200×g離心10 min，去除上清液。向淀粉沉淀中重新加入1 L 0.2 g/100 mL的NaOH溶液，按上述方式攪拌離心后得淀粉沉淀。向淀粉沉淀中加入1 L蒸餾水，用玻璃棒攪拌分散均勻，用0.1 mol/L的HCl溶液調pH值至中性，離心。離心所得淀粉沉淀經水洗、離心3 次。淀粉沉淀均勻鋪在托盤上，置于45 ℃烘箱中烘10 h（水分質量分數7%左右）。淀粉塊經粉碎后過80 目篩，用密封袋密封后置于干燥器中室溫保存備用。

1.3.2 大米淀粉的球磨處理

精確稱取5.00 g大米淀粉置于球磨罐中，加入150 g鋼珠和50 mL蒸餾水。球磨溫度控制在20～45 ℃，轉速為500 r/min，球磨時間分別設置為5、10、30、60、90、120 min。球磨完畢后，取部分樣品進行粒徑測定和偏光觀察，其余樣品于室溫下3 200×g離心15 min，所得淀粉沉淀平鋪于不銹鋼托盤中，于45 ℃烘箱中干燥10 h（水分質量分數7%左右）。干淀粉塊經粉碎機粉碎后過80目篩，所有樣品均用密封袋密封后置于干燥器中室溫保存備用。以未經球磨處理淀粉作為對照。

1.3.3 大米淀粉糊化特性分析

利用RVA分析淀粉樣品的糊化特性。根據AACCI（61-02.01）方法稍作修改，精確稱量淀粉3 g（水分質量分數14%），置于裝有蒸餾水的鋁盒內，加入蒸餾水至總質量28 g，用旋轉漿上下混勻幾次，置于RVA上進行測試。測試程序為：50 ℃保持90 s，0.2 ℃/s勻速升溫，在95 ℃保持150 s，然后以0.2 ℃/s勻速降溫，50 ℃保持90 s。測試前10 s轉速為960 r/min，然后維持在160 r/min。利用RVA自帶分析軟件得到峰值黏度、谷值黏度、崩解值、回生值、最終黏度、峰值時間、糊化溫度等參數。

1.3.4 大米淀粉熱特性分析

精確稱取含干質量5 mg左右的淀粉樣品于DSC儀專用鋁盒中，用移液器添加2 倍質量的蒸餾水，密封，置于冰箱內4 ℃過夜使其完全水化。以空鋁盒為參照，進行DSC測試。保護氣為氮氣，吹掃氣流40 mL/min，升溫速率5 ℃/min，溫度掃描范圍為30～100 ℃。

1.3.5 大米淀粉的粒徑分析

對照樣品用研缽粉碎后過100 目篩，將適量淀粉樣品分散于蒸餾水中，測前超聲處理10 min使淀粉分散均勻。球磨處理樣品在球磨結束后立即進行粒徑分析。根據儀器操作說明進行粒徑分析測定，得到D10/μm、D50/μm及D90/μm，通過下式計算粒徑分布跨度（span）。

式中：D10/μm和D90/μm分別代表小于等于該粒徑的顆粒體積占樣品總體積的10%和90%；D50/μm為中位粒徑，即有50%的顆粒粒徑低于此值。

1.3.6 大米淀粉的微觀結構觀察

取適量樣品均勻分散在雙面膠上，然后粘附于載物架上，用離子濺射儀噴金，置于掃描電子顯微鏡下觀察大米淀粉的表觀形貌。

1.3.7 大米淀粉的偏光特性分析

用蒸餾水分散均勻粉碎過100 目篩的對照樣品，球磨處理樣品球磨結束后直接進行偏光觀察。取適量樣品涂抹在載玻片上，蓋上蓋玻片，置于偏光顯微鏡下觀察，調整并固定光源，選擇合適的放大倍數，得到偏光顯微圖。

1.3.8 大米淀粉的XRD圖譜測定

利用XRD儀分析樣品的結晶特征。操作電壓40 kV，電流30 mA，以Cu作為靶。分別取不同球磨時間及對照樣品大米淀粉少許置于樣品架上，掃描速率10°/min，收集衍射角2θ在5°～45°范圍的衍射數據，得到XRD圖譜。

1.3.9 大米淀粉的FTIR光譜測定

分別取適量大米淀粉樣品于瑪瑙研缽中，將樣品與溴化鉀按質量比1∶100混合，在紅外燈下研磨15 min，使溴化鉀與淀粉樣品混合均勻后壓片。將壓片置于FTIR儀中進行測定，以空氣為參比背景，光譜掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1，掃描64 次。

1.4 數據處理與分析

所有指標均做3 次以上獨立重復實驗。利用Excel 2010軟件處理整理數據，結果用平均值±標準差表示，采用SAS 8.0軟件對數據進行方差分析以比較數據間的顯著性差異，P＜0.05表示差異顯著。利用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 球磨對大米淀粉糊化特性的影響

圖1 球磨對大米淀粉糊化曲線的影響Fig. 1 Effect of ball milling on pasting properties of rice starch

由圖1可見，所有樣品的RVA曲線總體變化趨勢相似，升溫初期，所有樣品的黏度接近零且變化不明顯，當溫度升高到一定程度時，淀粉顆粒無定形區受熱開始膨脹，引起淀粉乳黏度增加。隨著溫度進一步升高，淀粉顆粒結晶區開始吸水溶脹，直鏈淀粉分子從淀粉顆粒滲入到水中形成膠體溶液，引起體系的黏度迅速增加。當淀粉顆粒膨脹與剪切力達到平衡時，體系黏度達到峰值。在最高溫度保持一段時間，過度膨脹的淀粉顆粒崩解，體系黏度又降低。隨著溫度不斷下降，淀粉分子熱運動減弱，淀粉分子局部區域發生聚集形成三維網絡結構，流動阻力增大，表現為黏度又上升[17-18]。從圖1也可以清楚地看出球磨對大米淀粉RVA曲線產生了明顯的影響。

表1 球磨對大米淀粉糊化特性參數的影響Table 1 Effect of ball milling on pasting parameters of rice starch

表1為球磨處理及對照組大米淀粉糊化的特征參數。球磨5～30 min范圍內，隨著球磨時間延長，大米淀粉與糊化相關的黏度參數（峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回生值和糊化溫度）均呈急劇下降的趨勢，球磨30 min，這些參數分別從6.80、3.75、3.06、5.35、1.61 Pa·s和81.00 ℃降低至2.33、0.49、1.84、1.06、0.57 Pa·s和68.07 ℃，進一步延長球磨時間至60 min，相關參數的變化不顯著。球磨5 min和10 min對大米淀粉糊化峰值時間影響不顯著，與球磨20 min相比，球磨30 min的樣品糊化峰值時間顯著縮短，超過30 min以后，樣品的糊化峰值時間趨于穩定。球磨時間低于30 min時，大米淀粉的糊化溫度隨著球磨時間延長而降低，超過30 min后，糊化溫度的變化不顯著。

球磨處理引起大米淀粉糊化相關特征參數均降低，其可能是由于球磨處理破壞了淀粉顆粒結構和結晶區，受損的淀粉顆粒在充分水分存在條件下受熱膨脹時更容易崩解，淀粉顆粒在相應溫度下膨脹后的有效體積減小，進而表現出特征黏度降低。球磨處理引起大米淀粉的回生值降低，表明球磨處理能夠一定程度上減小糊化淀粉老化回生的傾向。球磨處理引起糊化溫度降低，其可能是球磨破壞了淀粉顆粒的結晶區，水分子更容易進入淀粉顆粒內部與淀粉分子發生氫鍵作用，進而引起大米淀粉顆粒在較低的溫度下發生膨脹及直鏈淀粉滲出。

2.2 球磨對大米淀粉熱特性的影響

圖2 球磨對大米淀粉DSC曲線的影響Fig. 2 Effect of ball milling on thermal properties of rice starch

天然淀粉顆粒是一種多晶體系，以束狀形式存在的支鏈淀粉側鏈構成淀粉顆粒結晶區，分支點及直鏈淀粉主要位于顆粒的無定形區。當溫度升高到一定程度時，分散于熱水中的淀粉顆粒無定形區首先吸水膨脹，隨著溫度進一步升高，淀粉顆粒晶束解體，該過程伴隨著能量變化，在DSC圖譜上呈現出吸熱峰。如圖2所示，對照組大米淀粉樣品出現兩個明顯的吸熱峰，5 min處理組樣品也表現出兩個吸熱峰，但峰的強度明顯減弱，球磨10 min樣品的吸熱峰極不明顯，球磨20 min以上樣品的吸熱峰均消失，表明隨著球磨時間延長，淀粉的熱焓值逐漸減小。小麥、馬鈴薯、玉米等不同植物來源的淀粉顆粒在一定條件下加熱均會產生兩個吸熱峰[19]，通常將其命名為峰G和峰M1。在含水量有限的體系中，峰G和峰M1可能分別是由淀粉晶體凝膠化和熔融吸熱產生的[20]；在水分充分的體系中，峰G和峰M1可能分別與淀粉晶體吸水溶脹和分散溶解有關[21-22]。

隨著球磨時間延長，大米淀粉的峰G和峰M1均逐漸減弱，并最終消失，表明球磨對淀粉的結晶區產生了顯著的破壞作用，進而引起相關結構發生相轉變的吸熱信號減弱或消失。隨著球磨時間延長，大米淀粉結晶區的有序結構被破壞，殘留的少量有序結構不能呈現出明顯的相轉變信號，因此，球磨30 min以上樣品的DSC圖譜中并未出現可見的峰。部分研究報道了類似的結果，由于破壞了淀粉的結晶結構及有序排列的雙螺旋結構，球磨處理降低了山藥豆和木薯淀粉的熱焓值[23]，隨著球磨強度增加，高粱粉的熱焓值也不斷降低[24]。

2.3 球磨對大米淀粉顆粒大小的影響

圖3 球磨對大米淀粉顆粒大小的影響Fig. 3 Effect of ball milling on particle size distribution of rice starch

圖3 為不同球磨時間和對照組大米淀粉顆粒的粒徑分布圖。所有樣品均表現出單峰分布模式，峰均出現在粒徑10 μm以下，球磨處理導致淀粉顆粒峰值向大粒徑方向偏移。

表2 球磨對大米淀粉顆粒大小的影響Table 2 Effect of ball milling on granule size of rice starch

D10、D50、D90和span表征大米淀粉粒徑大小分布特征的參數如表2所示。球磨處理引起大米淀粉的D10、D50和D90均顯著增加，且增加幅度隨球磨時間延長而加大，相對于對照樣品來說，球磨5 min樣品的D10、D50和D90分別增加了0.29、0.28 倍和0.31 倍，而球磨60 min樣品的D10、D50和D90分別增加了0.53、0.45 倍和0.45 倍。隨著球磨時間延長，span呈逐漸減小的趨勢，表明球磨處理使大米淀粉的粒徑大小更均一。

有研究表明，低能球磨通常引起淀粉粒徑減小[7,25]，其與本研究結果不一致。產生這種差異的可能原因是，低能球磨通常是干法處理，而本研究的高能球磨是在水介質中進行的。濕法球磨引起淀粉顆粒結晶區部分破壞，進而引起水分子更多地滲入淀粉顆粒內部與淀粉分子通過氫鍵結合，引起淀粉顆粒發生不可逆溶脹，表現為短時間球磨處理的淀粉顆粒粒徑略有增加。隨著球磨時間進一步延長，淀粉顆粒崩解為片狀結構，其在水溶液中光散射的有效粒徑比原淀粉顆粒大，也可能崩解形成的淀粉顆粒殘片相互聚集形成了粒徑較大的聚集體，進而表現為隨著球磨時間延長，樣品的粒徑不斷增大。干法介質中球磨處理，淀粉分子不會發生吸水溶脹及黏連聚集，進而表現為淀粉粒徑隨著球磨時間延長而逐漸減小。

2.4 球磨對大米淀粉顆粒形貌的影響

圖4 球磨不同時間下的大米淀粉掃描電子顯微鏡圖像Fig. 4 Effect of ball milling on scanning electron microscopic image of rice starch

圖4為球磨不同時間及對照組大米淀粉的掃描電子顯微鏡圖。對照組大米淀粉顆粒的棱角分明、表面光滑，為典型的多面體，該結果與大多大米淀粉表觀形貌的研究結果[26]一致。球磨5 min大米淀粉仍保留著完整的顆粒結構，但部分顆粒的棱角變得模糊，且淀粉顆粒的大小略有增加，可能是球磨導致淀粉顆粒發生了輕微的不可逆吸水膨脹。球磨10 min樣品的棱角變得模糊，部分淀粉顆粒崩解。球磨20 min以上樣品出現較多的破損淀粉顆粒片段，且部分片段聚集在一起。表明球磨處理引起淀粉顆粒發生崩解，溶脹的淀粉顆粒片段相互黏連在一起而聚集成具有較多孔隙的不規則團塊。

2.5 球磨對大米淀粉結晶特性的影響

圖5 球磨對大米淀粉XRD圖譜的影響Fig. 5 Effect of ball milling on XRD pattern of rice starch

大米淀粉主要以淀粉顆粒的形式存在，淀粉顆粒由結晶區和無定形區組成的一種半結晶體系。結晶結構和非結晶結構在XRD圖譜上表現為不同的衍射特征，非結晶區表現為彌散特征，結晶區呈現為尖峰特征[27]。根據支鏈淀粉側鏈組成雙螺旋結構的不同，淀粉可以分為A、B和C 3 種晶體類型[28]。圖5為不同球磨時間處理及對照組大米淀粉的X射線衍射圖譜。對照組大米淀粉的X射線衍射圖在2θ為15°、17°、18°、20°、23°處分別出現5 個明顯的衍射峰，且在17°和18°附近為相連的衍射雙峰，表明大米淀粉是A型晶體結構，衍射角在20°附近出現一個微弱的小峰，表明淀粉中含有與脂質結合的V型結晶結構，該結果與大多研究的結果[29-30]相同。短時間球磨樣品的X射線衍射圖譜與對照樣品相似，但其相應峰的強度明顯減弱，當球磨時間超過30 min時，淀粉樣品的衍射峰基本完全消失，表明短時間球磨處理對淀粉顆粒的結晶區破壞比較明顯，隨著球磨時間延長，淀粉顆粒的結晶區被完全破壞，該結果與低能球磨處理淀粉的結果[7,25]類似，但對淀粉結晶結構破壞的更為嚴重。

利用Peakfit軟件對數據進行擬合分析結果表明，對照樣品的結晶度達到33.09%，球磨5 min樣品的結晶度急劇降低至27%，球磨10 min樣品的衍射峰變得極為微弱，當球磨時間延長到30 min以上時，淀粉的結晶峰基本完全消失，表明淀粉的結晶結構基本被完全破壞。

2.6 球磨對大米淀粉偏光特性的影響

圖6為不同球磨時間及對照組大米淀粉的偏光顯微鏡圖。對照組大米淀粉呈微小的顆粒狀結構，淀粉顆粒的偏光十字非常清晰，表明對照樣品具有良好的顆粒結構和結晶結構。相比對照樣品，球磨5 min和10 min樣品的顆粒結構和偏光特征變化不明顯，說明10 min以內球磨處理對大米淀粉的顆粒結構和結晶結構破壞相對較小。球磨20 min樣品沒有明顯的淀粉顆粒結構，且偏光十字明顯減少，表明大部分淀粉顆粒的結晶結構受到不同程度的破壞。球磨30 min以上樣品沒有呈現出規則的顆粒結構，也沒有完美的偏光十字出現，僅有少量的顆粒呈現為微弱的亮點，表明大米淀粉的晶體結構受到了嚴重的破壞，該結果與XRD結果相符合。

圖6 球磨對大米淀粉偏光特性的影響Fig. 6 Effect of ball milling on polarized image of rice starch

2.7 球磨對大米淀粉FTIR的影響

圖7 球磨對大米淀粉FTIR的影響Fig. 7 Effect of ball milling on Fourier transform infrared spectrum of rice starch

圖7 為不同時間球磨及對照組大米淀粉的FTIR圖。對照和球磨處理大米淀粉FTIR圖總體特征相似。所有樣品在波數2 800～3 000 cm-1區間有一個明顯的吸收峰，其為—C—H的伸縮振動峰[31]；在波數1 600～1 700 cm-1范圍內出現一個尖銳的吸收峰，其為分子內氫鍵的伸縮振動峰；在波數990～1 030 cm-1范圍內出現脫水葡萄糖殘基C＝O振動的典型峰[32]。球磨后的大米淀粉FTIR圖中沒有新的特征峰出現，說明球磨處理沒有引起大米淀粉產生新的基團，即球磨處理并沒有引起大米淀粉發生顯著的化學變化，大米淀粉特性的改變主要是球磨改變了淀粉的結構和構象引起的。

表3 球磨對大米淀粉的影響Table 3 Effect of ball milling on of rice starch

表3 球磨對大米淀粉的影響Table 3 Effect of ball milling on of rice starch

樣品 對照 5 min 10 min 20 min 30 min 60 min 90 min 120 min A1 047 cm-1/A1 022 cm-1 0.81±0.01a0.83±0.00b0.85±0.00c0.89±0.01d0.90±0.01d0.90±0.01d0.89±0.01d0.93±0.00e

FTIR常用于分析淀粉分子結構的短程有序性，其短程有序結構包括淀粉結晶區以外的分子螺旋結構。波數900～1 300 cm-1區間的吸收帶是由高度耦合的C＝O和C—C振動產生的，該區域對淀粉分子鏈的有序性和無定形構型的改變非常敏感，可用于分析淀粉的短程有序結構特征。1 047 cm-1和1 022 cm-1處的紅外吸收分別顯示淀粉結晶區和無定形區的結構特征，其比值可表征淀粉顆粒中有序結構與無定形結構的比例[33]。如表3所示，對照組大米淀粉在1 047 cm-1與1 022 cm-1處吸收強度比值（）為0.81，其值比苦蕎麥淀粉的低[34]，表明大米淀粉的短程有序結構相對較低。球磨處理引起大米淀粉的顯著增加，且隨著球磨時間延長增加幅度不斷加大。其可能是球磨破壞了淀粉顆粒內部的結晶區和無定形區，被破壞區域淀粉分子部分區域相互排列形成新的短程有序結構，進而表現為長程有序結構含量減少而短程有序結構含量增加的結果。

3 結 論

高能球磨處理能夠顯著改變大米淀粉的糊化特性和熱特性，隨著球磨時間（5～30 min）延長，大米淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和崩解值、回生值等糊化相關黏度參數及糊化溫度和熱焓值均呈下降趨勢。球磨處理引起大米淀粉更容易糊化，受熱膨脹后的有效體積減小，且能改善大米淀粉糊的抗老化特性。糊化特性的改變主要原因是濕介質中短時間高能球磨處理引起淀粉結晶區部分發生無序化，導致淀粉顆粒更容易吸水膨脹，進而表現為糊化溫度降低，由于球磨處理引起淀粉顆粒被部分破壞，導致受熱膨脹的淀粉顆粒更容易破裂崩解而限制了其受熱膨脹的有效體積，表現為糊化相關黏度參數降低。長時間高能球磨處理時，淀粉顆粒發生嚴重破壞而崩解，部分淀粉分子從淀粉顆粒內部滲出，滲出的淀粉分子在較低溫度下即發生水合糊化，殘留的淀粉顆粒片段黏結聚集，進而使淀粉樣品粒徑增加，同時表現為偏光十字減弱而結晶度降低，由于滲出的淀粉分子部分區域重新有序排列，導致淀粉的短程有序結構含量增加。