濕熱處理對薏米淀粉聚集態結構及糊化特性的影響

王宏偉，丁江濤，張艷艷，劉興麗，張 華

（鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，河南省食品生產與安全協同創新中心，河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室，河南 鄭州 450002）

薏米（Coix lacryma-jobiL.）又稱薏仁米、苡仁等，是禾本科植物薏苡的種子，不僅富含淀粉、蛋白質、脂肪、維生素等營養物質，而且還含有多糖、脂肪酸、酯類化合物、酚類化合物、茚類化合物等多種活性成分[1]，具有抗炎、抗腫瘤、抗過敏、降血糖、調節免疫功能等生理活性[2-4]。近年來，隨著人們保健意識的增強，再加上薏米的藥食同源特性，相關產品的研究和開發逐漸受到關注。目前，薏米產品經過科學加工、合理調配，已制成多種風味獨特的保健飲品，如薏米餅干、膨化食品、薏米粥等，深受消費者的青睞。淀粉作為薏米的主要組成部分（質量分數55%），其理化特性對于薏米或薏米類產品的加工、貯藏穩定性及品質都有重要的影響，特別地，市場上的薏米產品主要通過蒸煮等加熱手段加工制成，這與薏米淀粉的糊化特性密不可分。糊化是淀粉轉化成其可用形式（糊、凝膠）的一個重要過程，其糊化行為與產品的加工工藝和品質密切相關，能夠顯著影響最終產品的質構、營養、口感、風味等性能。然而，薏米原淀粉在加工性能上具有眾多不穩定性，如受熱易分解，蒸煮時容易形成黏度高、質地差、橡膠態的淀粉糊，機械性能差，加工后儲藏穩定性差、易回生等，從而限制了其應用范圍。因此，選用合適的物理、化學或酶法手段改變薏米原淀粉的聚集態結構，如顆粒完整性、結晶結構、有序化結構等，進而獲得不同的功能特性，滿足現代食品加工對淀粉品質的需求，受到廣大學者的關注。

盡管化學改性淀粉如交聯淀粉可以用于食品中改善加工性能，但是由于物理改性具有節能環保、快速高效、安全性高等一系列優勢，人們更傾向于用物理方法改善原淀粉的糊化特性。濕熱處理（heat-moisture treatment，HMT）是一種物理改性技術，其將淀粉在高溫（90～120 ℃）和低水分質量分數（10%～35%）體系下加熱一段時間（15 min～16 h），即通過水和熱的作用改變淀粉結構，調控淀粉的糊化特性[5-6]。濕熱處理具有工藝簡單、清潔生產、環境友好等優點，在淀粉改性領域具有非常重要的地位，已成為食品綠色加工與創制的重要手段之一[7-9]。研究表明，濕熱處理能夠提高淀粉糊化溫度與熱穩定性、降低淀粉糊黏度和膨脹度[10-11]，其中有關濕熱處理薏米淀粉的研究較少，Liu Xing等[12]研究3 種不同來源薏米粒經濕熱處理后其淀粉微觀結構的變化，但目前將濕熱處理技術應用于薏米淀粉改性的研究還缺乏系統性，缺乏濕熱處理對薏米淀粉結構及糊化性能影響的健全理論體系，以至于限制了利用濕熱處理手段從聚集態結構（顆粒結構、結晶結構、短程有序化結構、螺旋結構）水平調控淀粉的理化性能。本實驗主要研究不同水分質量分數條件下濕熱處理對薏米淀粉聚集態結構和糊化特性的影響，以期闡明濕熱處理改善其糊化特性的機理，明晰濕熱處理改性淀粉聚集態結構與其糊化特性之間的內在聯系，為薏米制品的品質改善提供基礎數據和理論參考，提高薏米產品的附加值，促進薏米產業的發展。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

薏米為市售；氫氧化鈉為國產分析純。

1.2 儀器與設備

250 mL高壓反應釜 上海秋佐科學儀器有限公司；TG16-WS臺式高速離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發公司；RVA4500快速黏度測定儀 澳大利亞波通儀器有限公司；Vertex 70傅里葉變換紅外光譜儀、D8 advance X射線衍射儀 德國Bruker公司；DSC Q2000示差掃描量熱儀 美國TA公司；BWS465-785S便攜式拉曼光譜儀美國Bwtek公司；S3500激光粒度分析儀 美國Microtrac有限公司；JSM-6490LV掃描電子顯微鏡 日本Jeol公司。

1.3 方法

1.3.1 薏米淀粉的提取

參考Sair等[8]的方法，稍加改動。將500 g清洗后的薏米粒與1 000 mL質量分數0.02%的NaOH溶液混合均勻，在4 ℃下浸泡24 h。隨之打漿過160 目篩，復在4 ℃下浸泡24 h。繼而用HCl溶液調至中性，然后在3 000×g條件下離心15 min，并將沉淀物上層的黃色蛋白質層除去，然后將沉淀物的白色淀粉層重新分散于去離子水中并離心，重復該過程直至黃色層不可見。最后，將塊狀濕淀粉置于45 ℃的烘箱干燥24 h，過100 目篩封存備用。分別采用GB/T 5009.5——2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》、GB/T 5009.6——2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》、GB/T 5009.4——2016《食品安全國家標準 食品中灰分的測定》、GB/T 5009.3——2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》測定所提取淀粉的蛋白質、脂質、灰分及水分質量分數，結果分別為0.36%、0.12%、0.17%和7.13%。

1.3.2 濕熱薏米淀粉樣品制備

準確稱取20 g淀粉（干基），加入適量去離子水分別調節至所需水分質量分數（20%、25%和30%），混合均勻，并在4 ℃下平衡水分24 h。繼而將樣品置于高壓反應釜中，110 ℃條件下反應4 h，然后取出反應釜，冷卻至室溫，研磨樣品并過160 目篩，獲得濕熱處理薏米淀粉樣品。濕熱處理后的薏米淀粉樣品分別被命名為HMT-20、HMT-25和HMT-30，其中20、25、30分別代表濕熱處理時相應的水分質量分數。

1.3.3 薏米淀粉顆粒的觀察

將待測樣品均勻分散于貼有導電雙面膠的樣品臺上，吹去松散的樣品顆粒，在離子濺射鍍膜儀中鍍金處理后，取出放入掃描電子顯微鏡樣品室中并觀察樣品顆粒形貌。工作電壓為3 kV。

1.3.4 粒徑分布的測定

采用激光粒度儀測定濕熱處理前后薏米淀粉的粒徑大小，測量范圍為0.02～2 000 μm；激光光源為780 nm激光固體光源，散射強度為3 mW，掃描區域0.02°～163°。稱取一定量樣品置于離心管中，加去離子水配制成質量分數為1%的淀粉乳液，混勻后進行淀粉粒徑分布的測定[10]。

一位女生說她五年前喜歡畫畫，就慢慢地嘗試鋼筆畫、水彩畫等，每月畫幾幅，后來又喜歡上了攝影、滑雪、縫紉等，都去嘗試了，但沒有堅持下來。

1.3.5 X射線衍射分析

稱取適量樣品置于正方形托盤的圓形螺紋中（圓形螺紋直徑約為10 cm，厚度約為115 mm），使用光滑的玻片壓平，用X射線衍射儀測定，所用波長為0.154 2 nm的單色Cu-Kα射線。測試條件為：管壓40 kV，管流30 mA，掃描區域4°～60°，采樣步寬0.02°，掃描方式為連續，使用Peakfit v4.12軟件計算相對結晶度。

1.3.6 傅里葉變換紅外光譜分析

稱取1 mg樣品和100 mg KBr粉末于瑪瑙研缽中，混合均勻并研細、壓片，壓片厚度約為0.5 mm，用傅里葉變換紅外光譜儀對樣品進行分析測試。測試條件為：掃描波數范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，采用DTGS檢測器，以空氣為背景，掃描32 次后得到樣品的紅外光譜圖。將傅里葉變換紅外光譜圖進行歸一化、去卷積處理，增強因子為1.9，半峰寬為19 cm-1，利用Peakfit v4.12軟件分析計算R1045cm-1/1022cm-1比值大小。

1.3.7 拉曼光譜分析

采用拉曼光譜儀（配有光纖探頭）；檢測器為2048像素的熱電冷卻電荷耦合器，測量光譜范圍為175～4 000 cm-1。將樣品置于1 cm的鋁杯中進行拉曼光譜分析，測試條件為：光譜分辨率3 cm-1，激發功率100 mW，掃描次數6 次，曝光時間10 s。

1.3.8 薏米淀粉熱穩定性的測定

1.3.9 糊化特性測試

通過快速黏度儀分析濕熱處理前后淀粉糊化特性的差異，準確稱取1.5 g淀粉（干基），配制質量分數為6%的淀粉乳液，混合均勻，在35 ℃條件下以960 r/min保持1 min；然后以5 ℃/min的升溫速率升至95 ℃，并在95 ℃下保溫10 min；最后以5 ℃/min的降溫速率降至50 ℃，保溫10 min，獲得淀粉的黏度曲線。其中，程序升溫至結束轉速均保持160 r/min。

1.4 數據統計與分析

所有實驗均平行3 次以上（特別說明除外），數據采用平均值±標準差表示，用Excel 2013軟件構建數據庫，通過Origin 9.0軟件作圖，統計分析采用SPSS 22.0軟件，方差分析采用Duncan多重比較法進行顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 濕熱處理對薏米淀粉顆粒結構的影響

由圖1可知，薏米原淀粉呈球形、多邊形和不規則形狀的顆粒形態，顆粒表面光滑，但存在少量的凹陷，這可能是由于薏米淀粉提取過程中堿液的破壞[13]。濕熱處理后，顆粒規整性變差，淀粉顆粒表面出現明顯的凹陷和孔洞，且在高水分體系下（水分質量分數30%），孔洞和凹陷的增加更為明顯。此外，HMT-30樣品還出現顆粒破碎及黏附聚集，由此可知，在較高水分質量分數下，濕熱處理對淀粉的顆粒形態具有明顯的破壞作用。濕熱處理過中淀粉顆粒態結構的變化可能源于其反應體系中的高熱能和水蒸氣壓力，容易作用淀粉顆粒表面或導致相對松散的淀粉顆粒受到破壞，致使顆粒結構剛性提高[14]。

由表1可知，濕熱處理前后薏米淀粉的粒徑參數d0.1、d0.5和d0.9，d0.1從8.84 μm增大到9.32 μm；d0.5從12.48 μm增大到27.67 μm；d0.9從16.06 μm增大到107.90 μm，表明薏米淀粉經濕熱處理后，其顆粒粒徑呈增大趨勢，并且隨著水分質量分數的提升，粒徑的分布范圍不斷增大。這可能是由于濕熱處理過程中的水分子進入到淀粉顆粒內部，致使顆粒表面呈現膨脹或局部糊化等現象，粒徑增大，與Molavi等[15]的研究結果一致。

圖 1 濕熱處理前后薏米淀粉的掃描電子顯微鏡圖像（3 000×）Fig. 1 SEM images of native and HMT treated adlay seed starches (3 000 ×)

表 1 濕熱處理前后薏米淀粉的粒徑大小分布Table 1 Particle size distribution of native and HMT treated adlay seed starches

2.2 濕熱處理對薏米淀粉結晶結構的影響

淀粉顆粒由結晶區和無定形區組成，其結晶結構可通過X射線衍射圖譜表征。其中，晶粒尺寸大、晶型完整及長程有序的區域在X衍射曲線上表現出明顯的尖峰衍射特征，稱為結晶區；處于短程有序、長程無序狀態的區域在X衍射曲線上表現出明顯的彌散衍射特征，稱為無定形區[16]。不同淀粉結晶度的不同可能源于結晶大小、受淀粉支鏈含量及鏈長影響的結晶區域的數量、結晶區內雙螺旋的取向和雙螺旋之間相互作用的程度[17-18]。如圖2所示，薏米原淀粉和濕熱處理薏米淀粉表現為A型結晶結構，即在2θ約為15°、17°、18°和23°處有強烈的衍射峰出現，表明濕熱處理并沒有導致薏米淀粉的結晶構型發生轉變，但其衍射峰強度降低，而且隨著水分質量分數的增加而更為明顯。表2列出了濕熱處理前后薏米淀粉相對結晶度的變化情況，可知HMT-20、HMT-25和HMT-30的相對結晶度下降比例分別為9.2%、14.7%和22.7%，表明濕熱處理過程中的高熱能以及水分子的遷移和運動促進了淀粉顆粒內部氫鍵的斷裂，改變淀粉分子鏈雙螺旋的取向、有序化排列和緊密程度，甚至導致雙螺旋結構的解旋[19]，進而導致薏米淀粉結晶結構遭受破壞。Ziegler等[20]的研究同樣表明，濕熱處理能夠破壞淀粉鏈內部或淀粉鏈間的氫鍵，導致相鄰雙螺旋結構的位移和不完全平行排列的取向重排，最終影響淀粉的結晶結構。

圖 2 濕熱處理前后薏米淀粉的X射線衍射圖譜Fig. 2 X-ray-diffraction patterns of native and HMT treated adlay seed starches

表 2 濕熱處理前后薏米淀粉的相對結晶度、短程有序化程度及半峰寬大小Table 2 Relative crystallinity, full width at half height and R1 045 cm-1/1 022 cm-1values of native and HMT treated adlay seed starches

2.3 濕熱處理對薏米淀粉短程有序化結構的影響

圖 3 濕熱處理前后薏米淀粉的傅里葉變換紅外光譜（A）和去卷積圖（B）Fig. 3 FTIR (A) and deconvoluted FITR (B) spectra of native and HMT treated adlay seed starches

圖3為濕熱處理不同水分質量分數薏米淀粉的傅里葉變換紅外光譜圖，傅里葉變換紅外光譜對淀粉分子短程有序結構變化敏感，其1 045 cm-1和1 022 cm-1處吸收峰的強度比可以表示淀粉短程有序化結構的有序程度[21]，結果如表2所示。經過濕熱處理的淀粉與薏米原淀粉相比，R1045cm-1/1022cm-1比值有所下降，同時，隨著濕熱處理水分質量分數的增加，淀粉的R1045cm-1/1022cm-1比值越來越小，即薏米淀粉顆粒的短程有序化程度逐漸下降，這與前人的研究結果[22]一致。這可能是因為濕熱處理破壞了淀粉分子鏈間或內部原有的氫鍵，導致淀粉分子中雙螺旋結構的不規則排列或解旋，且高水分質量分數的處理體系更容易導致水分子與淀粉分子結合形成新的氫鍵，破壞淀粉結晶及無定型區域的螺旋結構。因此，隨著水分質量分數的增強，短程有序化程度下降更加明顯。

圖 4 濕熱處理前后薏米淀粉的拉曼光譜Fig. 4 Raman spectra of native and HMT treated adlay seed starches

拉曼光譜可以用來分析淀粉分子基團和化學鍵（如C—C）的彎曲振動、伸縮振動與短程有序化結構的變化情況。480 cm-1處的峰是由C—O—C骨架振動引起的，是淀粉特征峰；865 cm-1處的峰是C—O—C伸縮振動引起的；936 cm-1處是α-1,4-糖苷鍵的C—O—C振動峰，2 900 cm-1處的峰歸因于C—H的伸縮振動[23-24]。由圖4可知，濕熱處理前后薏米淀粉的特征基團振動峰出現的位置基本無變化，表明濕熱處理并沒有改變淀粉的分子基團或化學組成。前人研究表明，淀粉在480 cm-1處半峰寬的大小與其短程有序化結構顯著相關，半峰寬越大，短程有序化結構的有序度越低[18,25]。由表2可知，濕熱處理能夠提高其480 cm-1處的半峰寬值，且隨著水分質量分數的增加，濕熱處理淀粉的半峰寬呈現上升的趨勢，表明淀粉分子的短程有序化程度降低，顆粒無序化程度增加，其主要是因為當淀粉經過濕熱處理后，其分子內部的氫鍵遭到破壞，淀粉分子的有序化結構變得混亂無序，與紅外光譜的研究結果一致。

2.4 熱濕熱處理對薏米淀粉分子有序化結構的影響

圖5和表3分別給出了濕熱處理前后薏米淀粉的熱流圖和相關測定結果。濕熱處理可提高薏米淀粉的糊化溫度，表明濕熱處理可在破壞薏米淀粉結晶結構的同時，使分子間作用相互加強后重排形成熱穩定性更高的有序化結構（螺旋或者結晶結構），即分子有序化結構發生重排和取向，雙螺旋結構及結晶變得更加完美。隨水分質量分數上升，這一現象變得更加明顯，這主要是由于水分質量分數的升高有利于增強濕熱處理過程中薏米淀粉分子鏈的活動能力從而使分子更容易發生相互作用，進而生成熱穩定性更高的有序化結構[26]。ΔH反映的是淀粉顆粒內部雙螺旋結構的變化[25]。濕熱處理導致薏米淀粉ΔH降低，表明濕熱處理破壞淀粉顆粒內部的雙螺旋結構，從而引起淀粉結晶結構的破壞，且隨著水分質量分數的增加，淀粉螺旋結構破壞呈明顯增加的趨勢，與上述X射線衍射實驗結果一致。

圖 5 濕熱處理前后薏米淀粉的差示掃描量熱圖譜Fig. 5 DSC thermograms of native and HMT treated adlay seed starches

表 3 濕熱處理前后薏米淀粉的熱特性參數Table 3 Thermal behavior parameters of native and HMT treated adlay seed starches

2.5 濕熱處理對薏米淀粉糊化特性的影響

淀粉是一種多羥基的生物聚合物，其分子內及分子間存在的大量氫鍵使淀粉能夠形成緊密排列的有序化結構，水分子難以滲入其內部，但依然能夠與部分游離的親水基結合使淀粉顆粒發生溶脹。在淀粉或含淀粉類食品的生產中，大部分都需要在水溶液中經過糊化加工。因此，當淀粉基食品加工體系的溫度升至糊化溫度時，在高活度水分子的驅動下，與淀粉顆粒發生水合，導致淀粉顆粒不斷膨脹最終破碎，形成分散且連續的溶膠體系，體系黏度大幅上升[12,27]。由表4可知，薏米淀粉經濕熱處理后，其起糊溫度升高，由74.2 ℃升高至81.8 ℃，但濕熱處理會降低薏米淀粉的峰值黏度、最終黏度、崩解值和回生值，且隨著水分質量分數的增加，這種趨勢更加明顯。研究表明，濕熱處理后淀粉的糊化性質與其直鏈淀粉含量、直鏈淀粉溶出、支鏈淀粉鏈長以及淀粉鏈間相互作用顯著相關[28]。然而，淀粉糊化性質的變化不僅與淀粉分子鏈結構的變化有關，還與其聚集態結構的形態密切相關。因此，為揭示濕熱處理后淀粉聚集態結構與其糊化特性之間的關系，本實驗將從聚集態結構變化的視角分析其糊化特性變化的機制。

表 4 濕熱處理前后薏米淀粉的糊化特性Table 4 Pasting properties of native and HMT treated adlay seed starches

2.6 濕熱處理淀粉聚集態結構的變化與其糊化特性之間的關系

薏米淀粉的糊化特性可以調節薏米產品的很多特性，如加工過程和最終產品的黏度、口感、組織等蒸煮品質，和食用品質密切相關。圖6為濕熱處理調控薏米淀粉微觀結構和糊化性能的物理模型圖，上述研究表明，由于濕熱處理過程中的高能量輸入（即高溫），水分子的活性提高，容易作用淀粉結晶和無定型區域的氫鍵，繼而引起薏米淀粉顆粒形態、大小及其分布、結晶結構、短程有序化結構合螺旋結構等聚集態結構的轉變，隨之導致薏米淀粉糊化特性發生變化。淀粉的起糊溫度反映的是其在熱水溶液中的膨脹能力和受破壞的難易程度，與薏米原淀粉相比，濕熱處理可導致薏米淀粉顆粒剛性增強（圖1）、顆粒間聚集（表1）以及分子鏈間重排形成更穩定的有序化結構（圖5和表3），這些結構的轉變能夠增強淀粉對熱誘導的膨脹和水中破裂的抵抗，從而引起了濕熱淀粉起糊溫度的升高（表4）。

當溫度升至糊化溫度后，水分子不斷進入淀粉顆粒內部并破壞其聚集態結構，而這些緊密堆積的結構在受破壞時會表現出很強的抗剪切性，從而使糊化黏度增加[29-30]。濕熱處理薏米淀粉顆粒表面的凹陷和孔洞（圖1），以及相對低的結晶度（表2）、短程有序化程度（表2）和雙螺旋結構含量（表3）可弱化淀粉的抗剪切作用及膨脹體積，即表現為糊化峰值黏度的降低。此外，淀粉分子間強的相互作用（表3）也會抑制淀粉顆粒及糊化后淀粉分子在水體系中的溶脹程度，引起峰值黏度的降低，且隨著水分質量分數的增加，下降更為明顯。隨著糊化過程的繼續，膨脹的淀粉顆粒從峰值黏度點開始逐漸破裂，轉變為淀粉片段和分散的淀粉分子，形成具有黏性的糊狀溶液，最終影響淀粉膠體的黏度。濕熱處理后淀粉糊黏度下降，表明濕熱處理在誘導薏米淀粉結構向無序化轉變的同時可增強淀粉分子鏈間的相互作用。特別地，鏈與鏈之間相互作用的增強可以通過降低淀粉-水溶液中分散的分子濃度及形成強的不伸展的網狀分子鏈。因此，這些結構的變化減輕了淀粉糊的崩解，提高其熱糊穩定性能力。

淀粉糊冷卻后，分子鏈（主要為直鏈淀粉）重新排列，導致糊黏度的明顯提高。但由于濕熱處理促進淀粉分子鏈間的相互作用，抑制顆粒的膨脹和破壞，溶脹程度較低的淀粉分子在降溫過程中參與分子重排的比例較低，減弱了其重排的趨勢。因此，與原淀粉相比，回生值降低，即淀粉糊的冷糊穩定性升高。

圖 6 濕熱處理調控薏米淀粉微觀結構和糊化性能的物理模型示意圖Fig. 6 Schematic representation of the relationship between microstructural changes and pasting properties of adlay seed starch subjected to HMT

3 結 論

本實驗探討不同水分質量分數條件下濕熱處理對薏米淀粉顆粒結構、結晶結構、短程有序化結構、螺旋結構及糊化特性的影響規律，明晰濕熱處理薏米淀粉聚集態結構與理化性能之間的關系。結果表明，濕熱處理通過高熱能和水分子的作用能夠改變薏米淀粉的聚集態結構，不僅使其顆粒表明出現凹陷和孔洞，形態變得不規則，出現相互聚集現象，顆粒粒徑大幅度增大，分布范圍變寬，還會降低其結晶度、短程有序度、雙螺旋結構含量以及增強淀粉分子鏈間的相互作用。這些結構的轉變能夠提高濕熱薏米淀粉的起糊溫度，降低其峰值黏度、崩解值和回生值，提高其熱糊和冷糊穩定性。因此，本實驗的開展有助于進一步了解淀粉糊化特性的變化機制，以期為今后薏米制品的加工、開發和應用提供理論依據。