高壓微射流處理對馬鈴薯淀粉結構和糊特性的影響

陳璐璐，玄晨宇，代養勇*，侯漢學 ，王文濤，丁秀臻，張慧

（1.山東農業大學食品科學與工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省糧食加工技術工程技術研究中心，山東 泰安 271018）

淀粉作為高等植物的主要能源儲備，廣泛存在于植物根、莖、作物種子和主要農作物如水稻、玉米、小麥、木薯、馬鈴薯中[1]。淀粉分子是由多個無水葡萄糖單元以獨特和獨立的形式組合而成的聚合物，呈白色固體狀。不同淀粉顆粒大小不同，其中馬鈴薯淀粉顆粒最大，其粒徑可達到100 μm，因此馬鈴薯淀粉顆粒內部結構較為疏松，較易受到外力作用，易于糊化[2]。馬鈴薯淀粉含有磷酸基團，其互相排斥作用使淀粉能夠更好地水合，形成透明度較高的淀粉糊。馬鈴薯淀粉具有很好的加工性能，如色澤潔白、黏糊度大、透明度高等，應用于食品、紡織、化工等多個領域[3]。但馬鈴薯淀粉在理化性質方面具有難以克服的局限性，例如低剪切性以及馬鈴薯淀粉的粒徑大，大顆粒的馬鈴薯淀粉易膨脹而導致高黏度，使得質地粗糙[4]。為改善馬鈴薯淀粉的物理化學方面的天然局限性，可以使用物理、化學或者生物的方法進行改性，相比較而言，物理的方法更為綠色安全，不需添加任何物質。

淀粉的物理處理方法包括高靜壓、超聲、輻射、球磨等方法，使淀粉的結構和性質發生改變。高壓微射流技術是一種新興的短時、快速、高效的動態高壓處理技術[5]。該技術是以流體力學及超高壓理論為基礎的特殊處理過程，瞬間就可產生高達200 MPa的壓力，處理時間短、可實現連續性操作[6]。該技術不僅克服了分批處理的缺陷，還通過迫使加壓的流體流過微小的間隙而被均質，使得樣品在處理過程中更加均勻、穩定。據研究表明，高壓微射流在處理過程中會產生剪切、撞擊、振蕩等強烈機械力作用，使得淀粉的結構被破壞、流變、熱力學等性質也發生改變[6-8]。

本文通過研究不同壓力條件下高壓微射流處理對馬鈴薯淀粉結構和糊特性的影響，分析高壓微射流處理后的淀粉結構與其糊特性之間的內在聯系，為淀粉綠色改性技術提供理論支持，從而拓寬馬鈴薯淀粉在高端產品中的應用。

1 材料與方法

1.1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉：甘肅省成林三豪有限公司；碘（分析純）、碘化鉀（分析純）、氫氧化鈉（分析純）、無水乙醇（分析純）：天津凱通化學試劑有限公司；直鏈淀粉（分析純）：上海源葉生物科技有限公司；氰基硼氫化鈉（分析純）、8-氨基芘基-1，3，6三磺酸三鈉鹽（APTS）（熒光級）：美國sigma-aldrich公司。

AMH-3高壓微射流儀器：中國ATS工業系統有限公司；LSM 510 META激光共聚焦顯微鏡：德國卡爾蔡司公司；RVA-Eritm黏度分析儀：瑞典波通儀器有限公司；UV-2100型紫外可見分光光度計：上海元析儀器有限公司；mastersizer 2000激光粒度儀：英國馬爾文儀器有限公司；DXR2xi激光共聚焦拉曼光譜儀：美國賽默飛世爾科技有限公司；WSB-Ⅵ型智能白度分析儀：杭州大吉電光儀器有限公司。

1.1.2 馬鈴薯樣品的制備

稱取馬鈴薯淀粉（100.00 g，干基），加入蒸餾水制備12%的淀粉懸浮液。淀粉懸浮液在高壓微射流儀器中分別進行40、80、120、160 MPa處理。該儀器配有直徑75 μm的均質腔室和與均質腔連接的冷卻水循環泵，防止樣品受到嚴重的熱損傷，并保證最小的溫度沖擊。高壓微射流處理后的淀粉樣品在45℃恒溫烘箱中干燥，研磨后通過200目篩。所有樣品保存在自密封袋中。

1.2 試驗方法

1.2.1 水溶指數和膨脹度的測定

準確稱取9.00 g馬鈴薯淀粉于燒杯中，配成質量分數為2.0%的淀粉乳450 mL，85℃水浴糊化30 min，3000 r/min離心30 min。將上清液傾出于已恒定質量的燒杯中，稱量并記錄，然后于105℃烘干至恒質量，稱其質量為溶解的淀粉質量A，稱取離心后沉淀物質量為膨脹淀粉質量P，計算水溶指數和膨脹度。公式如下[9]。

式中：S為水溶指數，%；B為膨脹度，g/g；A為上清液烘干恒量后的質量，g；W為絕干樣品質量，g；P為離心后沉淀物質量，g。

1.2.2 黏度特性測定

使用快速黏度分析儀（rapid viscosity analyzer，RVA）分析淀粉的黏度特性。根據淀粉含水量配制一定濃度樣品懸浮液，將懸浮液在50℃下穩定2 min，然后加熱到95℃、10 min，在該溫度下保持5 min，然后在10 min內冷卻到50℃，并在50℃下保持5 min[10]。

1.2.3 粒徑分布

將淀粉樣品懸浮于去離子水中，配制成0.05 mg/mL的懸浮液，將待測液攪拌均勻后倒入激光粒度儀的樣品池中，測定淀粉顆粒的粒徑大小[11]。

1.2.4 外觀白度的測定

根據GB/T 22427.6—2008《淀粉白度測定》中規定方法，使用智能白度測定儀進行淀粉樣品白度測定。

1.2.5 直鏈淀粉的表觀含量（apparent amylose content，AAC）測定

根據GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量測定》中的測定方法，對淀粉中的直鏈淀粉表觀含量進行測定。

1.2.6 拉曼光譜分析

測試條件如下：533 nm綠色二極管激發光源，掃描波數范圍3 400 cm-1～50 cm-1，分辨率4 cm-1。使用軟件PeakFit v4.12擬合處理拉曼圖譜，并計算特征峰值和480 cm-1處特征峰的半峰寬。每個樣品測量3次。

1.2.7 激光共聚焦顯微鏡（confocal laser scanning microscope，CLSM）

準確稱取原淀粉樣品（10.00 mg）與10 mmol/L的8-氨基芘基-1，3，6 三磺酸三鈉鹽醋酸溶液（15 μL）和1 mol/L氰基硼氫化鈉（15 μL）混合均勻，30℃下反應15 h，再用1 mL去離子水將染色后的淀粉樣品清洗5次，然后懸浮于100 μL 50%的甘油與水的混合液中，取一滴懸浮液于CLSM觀察，并記錄下淀粉顆粒的微觀結構[12]。

1.3 數據處理

每個樣品均進行3次平行試驗。采用Origin 8.5、Excel進行數據處理。采用SPSS 19.0統計軟件對試驗數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 高壓微射流對馬鈴薯淀粉內部微觀結構的影響

高壓微射流對馬鈴薯淀粉內部微觀結構的影響見圖1。

APTS染色機理主要是通過染色劑與淀粉分子的還原段末端發生反應，產生熒光現象[13]。但在相同分子量下，直鏈淀粉比支鏈淀粉的還原末端多，更容易染色產生熒光[14]。圖1中很明顯可看出淀粉顆粒結構內部包含半結晶區和無定形區兩部分交替組成同心環狀殼層（生長環）空間結構，其中殼層厚度120 nm～400 nm，還有孔道結構[15]。40 MPa處理后淀粉的生長環結構變模糊，可見高壓微射流的機械力對淀粉顆粒的內部結構產生了影響。在80MPa處理后，淀粉顆粒內部孔道和生長環結構又變得清晰。在120 MPa～160 MPa處理后淀粉顆粒明顯發生破損，熒光現象散布在顆粒周圍，可推測較高壓力下的高壓微射流作用破壞了淀粉顆粒結構，分子鏈發生降解，內部直鏈淀粉溶出且分布在顆粒周圍。

圖1 不同壓力下馬鈴薯淀粉的CLSM圖（×1 600）Fig.1 CLSM of potato starch by different pressures（×1 600）

2.2 高壓微射流對馬鈴薯淀粉粒徑和白度的影響

高壓微射流對馬鈴薯淀粉粒徑和白度的影響見表1。

表1 不同壓力下馬鈴薯淀粉的粒徑和白度Table 1 The particle size and whiteness of potato starch by different pressures

D10、D50和D90代表顆粒數目小于10%，50%和90%所占的粒徑。馬鈴薯淀粉的白度與其顆粒形狀大小以及內部晶體結構有關[16]。由表1可知，經高壓微射流處理的馬鈴薯淀粉顆粒的破壞程度與白度成正相關[17]。當處理壓力為40 MPa時，馬鈴薯淀粉顆粒粒徑減小，比表面積變大，其表面所含有的蛋白質和脂質等雜質成分比顆粒大的淀粉多，所以淀粉白度降低。80 MPa時，D10、D50、D90均增大，一方面是由于部分淀粉顆粒隨壓力的增大而破壞，小顆粒數量的增多加劇了顆粒表面的范德華力和靜電引力，即二次顆粒；另一方面是高壓處理環境使淀粉發生糊化，導致顆粒聚集成團使粒徑變大[18]。當壓力增大至120 MPa時，淀粉顆粒進一步破壞，淀粉晶體破損，粒徑進一步減小。160 MPa時，部分淀粉顆粒被破碎成較小尺寸的碎片（圖1），甚至喪失了晶體結構，淀粉顆粒之間團聚到一起，導致顆粒粒徑增大。由于該淀粉顆粒表面產生裂紋與凹陷，導致淀粉白度下降至80.30[19]。

2.3 高壓微射流對馬鈴薯淀粉的AAC、水溶指數和膨脹度的影響

高壓微射流對馬鈴薯淀粉的AAC、水溶指數和膨脹度的影響見圖2。

圖2 不同壓力下馬鈴薯淀粉的AAC、水溶指數和膨脹度Fig.2 Potato starch AAC，water melt index and swelling degree by different pressures

淀粉溶解度和膨脹度與其顆粒粒度、晶體結構的破壞以及短程有序結構有關[20]。結合粒徑分布可得知淀粉的直鏈淀粉含量與粒徑大小成正比。水溶指數變化趨勢為隨著處理壓力的增大而逐漸上升，壓力的增大會造成淀粉小顆粒數目的增多。較小的顆粒具有較大的比表面積和較短的水分子擴散路徑[21]。此外，直鏈淀粉/支鏈淀粉比率也會改變淀粉顆粒吸水和膨脹的能力[22]。

受力開始時（40 MPa），淀粉中部分雙螺旋結構解開，導致淀粉顆粒結構變疏松，直鏈淀粉易于溶解。當壓力升高至80 MPa時，AAC降低，水溶指數降低至10.67%，膨脹度下降至32.42 g/g。可以推測此階段淀粉顆粒內部發生聚集，支鏈淀粉與水的結合能力減弱。當120 MPa時，高壓微射流處理導致淀粉結晶區的分子排列改變以及淀粉顆粒破損，導致直鏈淀粉易溶出，水溶指數顯著增大。

當160 MPa時，可能是由于高壓微射流導致部分支鏈淀粉分子斷裂，溶出直鏈淀粉增多[23]；該階段淀粉顆粒微晶結構遭到破壞，水分子與淀粉聚合物鏈上的游離羥基間的氫鍵會變弱[24-25]，所以水溶指數顯著增大。但是該階段馬鈴薯淀粉顆粒完全破碎，大量淀粉分子溶出，會導致膨脹度進一步降低[26]。

2.4 高壓微射流對馬鈴薯淀粉拉曼光譜的影響

高壓微射流處理前后的馬鈴薯淀粉的拉曼光譜和峰強度分析見圖3和表2所示。

表2 不同壓力下馬鈴薯淀粉拉曼光譜分析Table 2 Raman spectrum analysis of potato starch by different pressures

如圖3所示，馬鈴薯淀粉經不同壓力的高壓微射流處理，具有基本相同的拉曼光譜峰，且特征峰的位置一致，但是衍射峰的強度產生了變化。根據Wiercigroch等[27]研究，可以確定拉曼光譜中特征峰與淀粉結構的關系。在476 cm-1處顯示了一個較高強度的衍射峰，該峰歸因于C-O-C的彎曲振動和C-C-O的骨架模式振動，代表了淀粉中多糖成分的特征衍射峰[28]。高壓微射流處理后該波段強度發生改變，表明聚合物鏈的位置發生了變化。939 cm-1附近的峰主要由直鏈淀粉α-1，4-糖苷鍵的彎曲振動產生。1 125 cm-1區間主要包括C-OH彎曲，C-O伸縮以及C-OH的彎曲振動。1 340 cm-1附近的峰主要是由CH2振動耦合和CO-H振動組成[29]。2 910 cm-1區域與C-H的對稱和不對稱的拉伸有關。強度變化和位移可主要歸因于樣品中直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的變化[30]。結合圖表可知。在480 cm-1骨架模式區域和2 910 cm-1C-H拉伸模式區域中的譜帶對高壓微射流的處理過程敏感，變化顯著。

圖3 不同壓力下馬鈴薯淀粉的拉曼光譜圖Fig.3 Raman spectra of potato starch by different pressures

研究表明，拉曼光譜特征峰的強度與淀粉結晶度有關[31]。拉曼圖譜480 cm-1的半峰寬可用于表征淀粉分子的有序化，二者關系呈負相關[32]。如表2所示，經40 MPa處理后，馬鈴薯淀粉的拉曼光譜的峰值強度普遍降低，半峰寬增大，這表明高壓微射流處理導致淀粉的結晶度降低，淀粉分子無序化程度加深。由于80 MPa處理后淀粉顆粒內部出現聚集，所以峰值強度提高；并且半峰寬減小，說明此階段淀粉顆粒內部分子有序化程度提高。120 MPa～160 MPa處理后，衍射峰強度顯著降低，而半峰寬增大，表明淀粉顆粒的結晶度降低，顆粒無序化程度增加。這可歸因于高壓微射流產生的機械力導致淀粉顆粒破損，分子內部的氫鍵遭到破壞，淀粉分子鏈斷裂。

2.5 高壓微射流對馬鈴薯淀粉糊特性的影響

高壓微射流對馬鈴薯淀粉糊特性的影響見表3。

表3 不同壓力下馬鈴薯淀粉的糊特性Table 3 Paste characteristics of potato starch by different pressures

馬鈴薯淀粉含有帶負電的磷酸酯，淀粉鏈之間相互排斥，促進了淀粉顆粒溶脹[33]。因此馬鈴薯原淀粉的各項黏度值很高，尤其峰值黏度超過了測量范圍（≤8 000 mPa·s）。當壓力為 0～120 MPa時，隨著壓力的增大，馬鈴薯淀粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值以及終值黏度的數值均減小，回生值則相反。當壓力增大至160 MPa時，馬鈴薯的各項黏度特征值均驟降。可能是由于高壓微射流處理導致馬鈴薯淀粉顆粒內部微觀結構破壞（圖1），淀粉顆粒無序化程度的提高，導致直鏈淀粉易溶出且支鏈淀粉易分散[34]。

崩解值代表糊化后淀粉顆粒的破損程度，并且是淀粉顆粒抵抗剪切和高溫的穩定性的量度[35]。高壓微射流處理破壞了淀粉顆粒，淀粉分子的無序化程度提高，糊化過程中淀粉分子吸水性降低，導致淀粉顆粒糊化過程有限膨脹，所以崩解值降低。冷卻至50℃后淀粉糊的黏度增加值定義為回生值。在該階段，淀粉分子發生重排或回生。隨著處理壓力升高至120 MPa，馬鈴薯淀粉回生值顯著增加而崩解值顯著降低。這表明，隨著處理壓力的升高，長鏈支鏈淀粉的降解和解聚，增加了聚合物鏈的線性部分，從而促進了淀粉分子鏈的重新結合或重新排列，抗剪切強度提高，而凝膠的回生速度變快，并且形成穩定的冷淀粉糊[36]。

結合圖1和表3可看出，160 MPa處理后馬鈴薯淀粉顆粒結構破壞嚴重，RVA的各項黏度數值急劇降低，說明破損的淀粉顆粒片段以及分散的淀粉分子，在糊化過程中難以形成凝膠形態，只能形成具有黏性的糊狀溶液，其抗剪切能力大大減弱[37]。可見，高壓微射流處理產生的機械力作用可深入到淀粉顆粒內部，使得淀粉的內部結構產生破壞，尤其是在更高的壓力下影響更加顯著。

3 結論

高壓微射流處理后淀粉分子的微觀結構、直鏈淀粉的表觀含量、結晶度等發生顯著變化，進而影響了淀粉糊的溶解度、膨脹度、黏度等性質。馬鈴薯淀粉的黏度隨著高壓微射流壓力的增大而顯著降低，穩定性顯著增強，有助于馬鈴薯淀粉在高端產品中的應用。研究結果還表明高壓微射流對淀粉具有機械力化學效應，其作用機理有待于進一步研究。