濕熱處理淀粉的糊化特性及糊化機(jī)制

邢俊杰 李 棟 郭曉娜 朱科學(xué)

(1.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214000；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；3.青島特種食品研究院，山東 青島 266000)

糊化特性是淀粉的基本性質(zhì)之一，淀粉的糊化過程對(duì)谷物淀粉質(zhì)食品的最終產(chǎn)品品質(zhì)起到?jīng)Q定作用。在淀粉糊化理論領(lǐng)域，國(guó)外關(guān)于淀粉糊化動(dòng)力學(xué)的研究較多[1-2]，但由于天然原淀粉結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得糊化過程中不同糊化階段之間無明顯界限，導(dǎo)致難以區(qū)分各糊化階段的細(xì)節(jié)變化[3-4]。通過研究改性淀粉的糊化特性，可以從一個(gè)新的角度來明晰天然淀粉的糊化過程，同時(shí)考慮恒溫或變溫糊化方式對(duì)淀粉糊化過程的影響[5-6]，對(duì)改性淀粉在不同糊化階段的時(shí)間和溫度的依賴特性進(jìn)行研究，對(duì)完善和驗(yàn)證淀粉糊化理論具有重要意義[7-8]。

差示掃描量熱儀(DSC)和流變儀或RVA是研究淀粉凝膠化或糊化特性的重要技術(shù)手段[9-10]。其中，在中等或限制水分條件時(shí)，DSC曲線上會(huì)呈現(xiàn)出多個(gè)吸熱峰的現(xiàn)象[11-13]，對(duì)其進(jìn)行解釋時(shí)有多種理論并存的情況，包括水合理論、晶體穩(wěn)定性理論、有序相變和三階段相變理論等[14-15]，但尚無相關(guān)理論對(duì)過量水分條件下的多吸熱峰進(jìn)行研究[4,15]。濕熱處理是一種重要的物理改性方法[16-18]，濕熱處理過程中淀粉顆粒和晶體結(jié)構(gòu)可能發(fā)生多種變化，如無定形區(qū)內(nèi)雙螺旋結(jié)構(gòu)解體，顆粒的晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞，淀粉鏈分子間與分子內(nèi)發(fā)生重組等[19]。濕熱處理后的淀粉在過量水分條件下有多吸熱峰現(xiàn)象，但對(duì)其解釋目前還存在爭(zhēng)議，仍需要進(jìn)一步研究[4,20]。試驗(yàn)擬以濕熱處理淀粉為樣品，在相同的升溫速率(10 ℃/min)與淀粉—水比例[m淀粉∶m水=1∶10 (g/g)，過量水]下，采用DSC和RHE對(duì)同一淀粉樣品的糊化過程進(jìn)行熱特性和流變學(xué)研究并進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，以期闡明淀粉的糊化機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米淀粉：河北張家口玉晶食品有限公司；

試驗(yàn)用水：去離子水；

所用試劑：分析純。

1.2 主要儀器

流變儀：AR2000ex型，美國(guó)TA儀器公司；

差示掃描量熱儀(DSC)：Q10型，美國(guó)TA儀器公司；

高速多功能粉碎機(jī)：Q250A3型，上海冰都電器有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：101-3型，上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 濕熱處理淀粉制備

首先測(cè)定天然原淀粉的含水量并記錄，計(jì)算所需加水量，將計(jì)算量的去離子水以噴灑的方式加入到原淀粉中，調(diào)節(jié)其含水率為30%。將樣品密封于杜蘭玻璃容器中，室溫平衡24 h，然后置于120 ℃的通風(fēng)烘箱中分別反應(yīng)30 min。反應(yīng)結(jié)束后，將樣品迅速冷卻至室溫，并在40 ℃ 下風(fēng)干，粉碎，過80目篩，用密封袋包裝并保存于干燥器中待用。

1.4 糊化特性研究

通過AR2000ex流變儀對(duì)淀粉樣品進(jìn)行黏度特性測(cè)試。將2 g淀粉樣品分散到20 mL的去離子水中以獲得與DSC測(cè)定相同的淀粉—水比例[m淀粉∶m水=1∶10 (g/g)]，震蕩搖勻30 min。將改性淀粉懸濁液轉(zhuǎn)載到流變儀Peltier上，分別進(jìn)行以下幾種溫度—黏度掃描測(cè)試。

1.4.1 恒速升溫糊化測(cè)定 測(cè)試時(shí)，選取不同的加熱速率5，10，15，20 ℃/min進(jìn)行黏度掃描。在溫度區(qū)間25～95 ℃對(duì)淀粉懸濁液體系進(jìn)行線性升溫掃描，并實(shí)時(shí)記錄懸濁液的表觀黏度，時(shí)間間隔1 s。

1.4.2 直接升溫糊化測(cè)定 首先將懸濁液在50 ℃下平衡1 min，然后以10 ℃/min的速度升溫至95 ℃，記錄黏度變化過程。整個(gè)處理過程中，剪切速率保持在300 s-1。數(shù)據(jù)采集間隔為1 s。

1.4.3 梯度升溫糊化測(cè)定 首先將淀粉懸濁液以10 ℃/min 的加熱速率從25 ℃加熱到預(yù)定溫度，保持特定時(shí)間(5，20，30 min)，再以相同的加熱速率將體系最終加熱到95 ℃，加熱過程中實(shí)時(shí)記錄懸濁液的表觀黏度，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔1 s。其中，在5 min較短時(shí)間恒溫平衡過程中，預(yù)定的溫度區(qū)間為64～95 ℃，具體為64，66，67，68，70，71，72，73，74，76，78，80，82，84，86，88，90，95 ℃，然后篩選特定溫度參數(shù)進(jìn)行20，30 min較長(zhǎng)時(shí)間溫度平衡程序。

1.4.4 時(shí)間和溫度依賴特性判定 通過對(duì)比分析淀粉在梯度升溫糊化過程中溫度平衡前后表觀黏度的差值(Δμ)來對(duì)時(shí)間和溫度依賴特性進(jìn)行判定。具體判定的依據(jù)如下：

(1) 溫度依賴特性：實(shí)際上，整個(gè)加熱糊化過程都可以被認(rèn)為是具有溫度依賴特性[21]。在一個(gè)糊化過程階段，假定在一個(gè)特定的溫度區(qū)間下即使淀粉被加熱無限長(zhǎng)的時(shí)間而沒有糊化完成，則認(rèn)為在此溫度區(qū)間糊化就具有溫度依賴特性。

(2) 時(shí)間依賴特性：在一個(gè)恒定的溫度條件下加熱淀粉，不需要提高溫度，如果淀粉能夠在此溫度下隨著時(shí)間延長(zhǎng)而完成糊化過程，則認(rèn)為此糊化階段是具有時(shí)間依賴特性的。

1.5 熱特性研究

通過差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)量原淀粉和濕熱處理淀粉樣品的熱特性。在40 μL鋁鍋內(nèi)稱取淀粉樣品(3～4 mg，干樣)，加入適量去離子水以獲得淀粉—水[m淀粉∶m水=1∶10(g/g)]的混合物。密封鋁鍋并室溫平衡24 h，以10 ℃/min的升溫速率從20 ℃加熱到150 ℃。空坩堝作為參比。

1.6 數(shù)據(jù)分析

所有測(cè)試重復(fù)3次，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。使用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，通過鄧肯多重檢驗(yàn)法對(duì)同組數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析，置信水平為0.95(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕熱處理淀粉的糊化特性

淀粉顆粒的多尺度結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通常需要采用多種技術(shù)手段對(duì)淀粉的糊化特性進(jìn)行研究[22]。同一個(gè)淀粉糊化過程可以用DSC曲線和黏度曲線共同表征，圖1中的DSC曲線和黏度曲線均是在過量水分下[m淀粉∶m水=1∶10 (g/g)]，以相同的加熱速率(10 ℃/min)測(cè)得。如圖1(a)所示，在過量水分條件下，原淀粉的黏度曲線在糊化開始前黏度較低且緩慢下降，糊化開始后，黏度逐漸增加直到出現(xiàn)黏度特征峰；原淀粉在糊化過程中逐漸形成吸熱峰，該峰的面積大小和糊化焓值相對(duì)應(yīng)，而糊化焓值與顆粒內(nèi)雙螺旋結(jié)構(gòu)斷裂所需的耗能有關(guān)[20]。濕熱處理淀粉樣品的黏度曲線和DSC曲線中分別出現(xiàn)雙吸熱峰(G，M1)與黏度特征峰(PV1，PV2)，其關(guān)系見圖1(b)。其中，DSC測(cè)得的G吸熱峰與由流變儀測(cè)得的第一黏度峰(PV1)代表了相同的熱轉(zhuǎn)變過程(或反應(yīng))；M1則對(duì)應(yīng)于PV2。基于溶脹溶解理論[11,23]，認(rèn)為G和M1峰分別代表濕熱處理淀粉的無定形溶脹和晶體結(jié)構(gòu)解體過程。Biliaderis[24]也認(rèn)為溶脹通常伴隨熱相變過程，反映在DSC曲線表現(xiàn)為吸熱峰，在黏度曲線上表現(xiàn)為黏度特征峰，還發(fā)現(xiàn)淀粉溶脹起始溫度接近于DSC檢測(cè)中的吸熱峰起始溫度。

圖1 原淀粉、濕熱處理淀粉糊化過程中吸熱峰與黏度峰的對(duì)比分析Figure 1 Comparing analysis of endotherms with viscosity peaks of native and HMT starch gelatinization

基于此，將濕熱處理淀粉的糊化過程分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個(gè)階段，其中，第Ⅰ階段，無定形區(qū)分子間較弱的氫鍵吸熱(G)發(fā)生斷裂，釋放自由羥基，這些羥基可通過氫鍵結(jié)合水分子，體系黏度增加[25]，產(chǎn)生第一個(gè)黏度特征峰PV1；第Ⅱ階段，晶體結(jié)構(gòu)吸熱(M1)解體釋放羥基的過程中，體系也在快速吸水，黏度持續(xù)增加形成PV2；第Ⅲ階段，結(jié)晶結(jié)構(gòu)完全解體后有序排列的支鏈淀粉已完全解開雙螺旋鍵，大量的羥基暴露在水中，淀粉—水相互作用增強(qiáng)，體系黏度呈指數(shù)性增加，體系在不需要額外吸熱時(shí)即可自吸水溶脹，黏度持續(xù)增加至峰值。通過對(duì)比同一個(gè)糊化過程中熱特性和糊化特性可以很好地解釋在DSC中出現(xiàn)的雙重?zé)嵯嘧兒宛ざ惹€的特征峰之間的關(guān)系。此外，此糊化理論也能夠?qū)ang等[11]在淀粉糊化過程中發(fā)現(xiàn)的3個(gè)明顯變化作出很好的解釋。

2.2 淀粉糊化的加熱速率依賴特性分析

由圖2可知，不同加熱速率下淀粉的溫度—黏度特性曲線呈現(xiàn)出了相同的趨勢(shì)。其中，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)體系下，不同加熱速率下的溫度—黏度特性曲線均呈現(xiàn)兩個(gè)黏度特征峰PV1和PV2。從圖2還可以看出，在第一個(gè)峰和第二個(gè)峰(Ⅰ和Ⅱ階段)之間有比較清晰的分界線，主要是由于濕熱處理可以增加淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性[15]。因此在加熱過程中會(huì)在溫度尺度上推遲糊化晶體結(jié)構(gòu)的解體過程[26]，這在溫度—黏度特性曲線就反映出第二個(gè)黏度特征峰逐漸與第一個(gè)黏度特征峰發(fā)生了分離。

圖2 加熱速率對(duì)濕熱處理淀粉黏度變化的影響Figure 2 Effect of heating rates on the viscosity variation of HMT starch

黏度特征峰的峰值溫度和加熱速率之間具有很大的相關(guān)性(表1)。當(dāng)加熱速率從5 ℃/min增加到20 ℃/min 時(shí)，黏度曲線上第一個(gè)特征峰的峰值溫度從70.9 ℃增加到72.9 ℃；而第二個(gè)特征峰的峰值溫度從77.8 ℃ 增加到了82.6 ℃。掃描速率對(duì)溫度—黏度特性曲線的影響與其對(duì)DSC熱譜圖的影響很相似[27]。淀粉糊化過程中，較慢的加熱速率會(huì)給淀粉顆粒施加類似于淀粉退火(Annealing)的效應(yīng)，此過程會(huì)使得淀粉結(jié)晶區(qū)內(nèi)的支鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生重組優(yōu)化，同時(shí)也會(huì)增加無定形區(qū)的堅(jiān)韌度[28]；而較快的加熱速率會(huì)使得淀粉糊化特征溫度值與實(shí)際值的測(cè)量之間產(chǎn)生滯后。實(shí)際上，加熱速率對(duì)淀粉糊化過程的影響本質(zhì)上反映的是淀粉糊化的時(shí)間和溫度依賴特性。在25～95 ℃加熱時(shí)，加熱速率越快，時(shí)間依賴性產(chǎn)生的影響越小；而較慢的加熱速率就意味著糊化過程的時(shí)間越長(zhǎng)。

表1 加熱速率對(duì)濕熱處理淀粉黏度特征峰溫度參數(shù)的影響?Table 1 Effect of heating rate on the characteristic temperatures of peaks viscosity

2.3 淀粉糊化的溫度依賴特性分析

在不同溫度下恒溫保溫5 min的時(shí)間—黏度梯度糊化特征曲線如圖3所示。圖3中最高的黏度曲線(95 ℃)展示的是典型的淀粉糊化過程，并且展示出濕熱處理淀粉所特有的三階段糊化過程(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段)。在不同的溫度下保持相同時(shí)間，即在不同的糊化階段恒溫平衡前后，濕熱處理淀粉的黏度變化從不明顯增加(64～66 ℃)到適度增加(71～74 ℃)，再到大幅度增加(80～95 ℃)。這些黏度值的變化規(guī)律表明淀粉的糊化過程是具有溫度依賴特性的，且溫度依賴特性在不同的糊化階段影響不同。

圖3 濕熱處理淀粉在不同溫度下平衡5 min的時(shí)間—黏度特性曲線Figure 3 Viscosity of HMT starch during the time-temperature gradient gelatinization (Samples were held for a short 5 min at predetermined heating temperatures)

2.4 淀粉糊化的溫度閾值分析

為了研究淀粉在不同階段的溫度依賴特性，對(duì)不同糊化階段的溫度閾值進(jìn)行了研究，并從圖4(a)的黏度差值(Δμ)在溫度尺度上進(jìn)行求導(dǎo)得到其一級(jí)導(dǎo)數(shù)曲線[圖4(b)]。該一階導(dǎo)數(shù)反映了黏度差值隨溫度變化的靈敏性，導(dǎo)數(shù)越高，黏度差值對(duì)溫度的敏感性越高，溫度依賴特性越強(qiáng)。其中，圖4(b)中兩個(gè)溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)或者臨界溫度值70 ℃和76 ℃分別被定義為Ⅰ、Ⅱ糊化階段溫度閾值，這兩個(gè)溫度閾值與不同糊化階段的啟動(dòng)密切相關(guān)。第一個(gè)溫度70 ℃(TTS1)被定義為淀粉無定形區(qū)發(fā)生溶脹的溫度閾值；第二個(gè)溫度76 ℃(TTS2)則被定義為結(jié)晶結(jié)構(gòu)解體的溫度閾值。這就意味著：① 只要溫度不超過第一個(gè)溫度閾值(T<70 ℃)，即使時(shí)間再長(zhǎng)，淀粉糊化也不會(huì)發(fā)生，表現(xiàn)出一定的溫度依賴特性，同時(shí)不具備時(shí)間依賴特性；② 只要溫度超過第二個(gè)溫度閾值(T>76 ℃)，同樣，即使不再繼續(xù)提高溫度(維持溫度不變)，只要足夠的時(shí)間淀粉糊化就會(huì)完成，表現(xiàn)出一定的時(shí)間依賴特性[2]。

2.5 淀粉糊化的時(shí)間依賴特性分析

在不同溫度下恒溫保持不同時(shí)間(5，20，30 min)的時(shí)間—黏度梯度糊化特征曲線如圖5所示。從圖5可以看出，濕熱處理樣品在不同溫度平衡過程隨時(shí)間從5 min增加到20，30 min時(shí)黏度增加的程度不同。其中，較長(zhǎng)時(shí)間(20 min和30 min)后的黏度變化幅度有顯著差異(P<0.05)。

在梯度溫度等于TTS1(70 ℃)但低于TTS2的條件下，第一個(gè)黏度特征峰形成于溫度平衡程序開始之前，表明第一個(gè)糊化階段(Ⅰ階段)剛好完成；而第二黏度特征峰是在溫度平衡程序之后才形成的，則表明第二個(gè)糊化階段(Ⅱ階段)在70 ℃還未開始；當(dāng)梯度溫度開始增加時(shí)(T≥72 ℃)，溫度平衡過程中的黏度差值(Δμ)逐漸開始變大。例如76 ℃ 保溫之前黏度值為14 mPa·s，在此溫度下平衡5，20，30 min之后，體系黏度分別增加了4，12，13倍(表2)。黏度的增加主要是由于在第二個(gè)糊化階段中晶體結(jié)構(gòu)解體，支鏈淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)打開，暴露出大量的羥基基團(tuán)，這些活躍的羥基基團(tuán)可以通過氫鍵結(jié)合水分，支鏈淀粉溶脹吸水之后導(dǎo)致體系黏度增加[24,29]。第二個(gè)糊化階段(Ⅱ階段)的終止溫度為78 ℃，但是當(dāng)溫度超過78 ℃達(dá)到80 ℃時(shí)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)解體完成后并不意味著體系不再吸收水分，相反，由于在80 ℃ 溫度平衡時(shí)處在第3個(gè)糊化階段(Ⅲ)，體系中淀粉顆粒仍在大量地吸收水分，并導(dǎo)致體系黏度呈指數(shù)性增加，從表2可以看出80 ℃溫度平衡30 min之后，體系黏度增加了364.8 mPa·s，是溫度平衡前的25倍以上。據(jù)此推測(cè)，如果溫度平衡時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，體系的黏度將能夠達(dá)到淀粉糊化的峰值黏度。因此，當(dāng)溫度超過第2個(gè)溫度閾值TTS2時(shí)，淀粉糊化的時(shí)間依賴特性影響會(huì)越來越顯著。

TTS1、TTS2分別為兩個(gè)糊化階段的溫度閾值70，76 ℃圖4 濕熱處理淀粉在不同溫度下平衡5 min前后的黏度和黏度差值(Δμ)及其一階導(dǎo)數(shù)變化圖Figure 4 The viscosity value,viscosity difference (Δμ) and the first-order derivative curve of Δμ values before and after isothermally holding the starch samples at different temperatures for 5 min

實(shí)線代表溫度圖5 濕熱處理淀粉在不同溫度下平衡5，20，30 min的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)時(shí)間—黏度特性曲線Figure 5 The semi-logarithmic plot of viscosity versus time at different isothermal holding temperatures for 5,20,and 30 min

表2 濕熱處理淀粉在不同溫度下平衡5，20，30 min前后的黏度差值(Δμ)?Table 2 The difference of viscosity values (Δμ values) before and after the isothermal holding periods of 5,20 and 30 minutes at different temperatures mPa·s

3 結(jié)論

通過流變儀和差示掃描量熱儀(DSC)對(duì)淀粉的糊化過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過比較分析流變學(xué)與熱特性提出了過量水分條件下濕熱處理淀粉的糊化機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)：濕熱處理淀粉的糊化黏度上呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯的特征峰PV1和PV2，分別對(duì)應(yīng)于DSC曲線的G和M1吸熱峰。濕熱處理淀粉的糊化過程分三階段進(jìn)行，糊化階段的溫度—時(shí)間依賴特性與各階段的溫度閾值密切相關(guān)，且糊化起始階段多表現(xiàn)為溫度依賴特性而非時(shí)間依賴特性，隨著溫度的升高，淀粉糊化的時(shí)間依賴特性越來越高；糊化階段后期，即使溫度不再升高，淀粉糊化在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)也能自發(fā)完成，此過程的時(shí)間依賴特性較為顯著。