超聲波處理對糙米淀粉結構與理化性質(zhì)的影響

梁云浩，王周利，蔡瑞，岳田利，袁亞宏，崔璐

（西北農(nóng)林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100）

糙米是脫殼后的稻谷沒有經(jīng)過加工處理而直接獲得的全谷物米粒，由胚芽、胚乳和米糠層組成。與精米相比，糙米極大地保留了稻米的營養(yǎng)物質(zhì)。除蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和無機鹽以外，糙米還含有很多精米中不具備的功能因子，如膳食纖維、谷胱甘肽、γ-氨基丁酸、二十八烷醇和肌醇等，其具有調(diào)節(jié)血糖血脂、提高免疫力與抗氧化等作用，具有預防胃腸與心腦血管疾病的功能[1-2]。

淀粉是高等植物的主要成分，也是人體能量的重要來源。其具有膠凝性、增稠性以及改善食品質(zhì)構等多種功能，在食品工業(yè)中被廣泛用作填充劑、交聯(lián)劑和穩(wěn)定劑等[3]。隨著主糧工業(yè)化的發(fā)展和消費者對健康問題的日益關注，近年來糙米淀粉的需求量也逐漸增大。改性是淀粉得以廣泛使用的關鍵步驟，其中物理改性以其副產(chǎn)物少、無化學殘留、環(huán)境友好的特點備受關注。目前常用的物理改性方法有高壓、球磨、輻照、微波、超聲波、濕熱處理等[4]，其中超聲波技術具有綠色高效、安全易控和成本低的特點，近年來被廣泛地應用于淀粉的物理改性領域。目前，國內(nèi)外有許多關于超聲波處理淀粉并影響其理化性質(zhì)與結構特征的研究，Zhu等[5]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理會在馬鈴薯淀粉顆粒表面形成凹陷，并對淀粉結晶區(qū)造成影響，但不會改變晶體構型。羅志剛等[6]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理可以降低玉米淀粉的糊化焓值和糊化溫度范圍。Hu等[7]研究了不同頻率超聲波處理對玉米淀粉結構與理化性質(zhì)的影響，結果發(fā)現(xiàn)，超聲波能顯著改變淀粉的熱穩(wěn)定性、回生性和凝膠性，并降低其峰值黏度。王宏偉等[8]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可以破壞小麥淀粉的顆粒結構和結晶結構，并且隨著超聲時間延長，淀粉聚集態(tài)的無序化程度更加明顯。

超聲波產(chǎn)生的空化效應是引起聚合物材料性質(zhì)改變的主要原因。聲波空化導致液體中氣泡快速生成并破裂，在短時間內(nèi)產(chǎn)生局部的高溫高壓，氣泡破裂產(chǎn)生的剪切力可能會破壞材料分子的共價鍵，影響不同鏈間相互作用并破壞淀粉顆粒的晶體結構，從而影響糊化性能，達到改性目的[9-10]。研究表明，關于超聲效果的大多數(shù)討論都是在淀粉溶液中進行的，超聲波處理會根據(jù)作用時間、溫度、功率、頻率的差異，以不同方式影響淀粉的理化性質(zhì)[11]。超聲波方法為糙米淀粉的加工提供了一種新的思路。本研究主要是以超聲波物理改性方式為核心，通過研究不同超聲波處理時間對糙米淀粉的表觀與晶體結構特征，以及對淀粉糊的流變學特性、透光率、析水率和凝沉性等理化性質(zhì)的影響，揭示超聲波處理糙米淀粉分子機制，旨在為促進糙米及其淀粉加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

有機糙米：北京和雅堂食品有限公司；無水乙醇（分析純）：四川西隴科學有限公司。

1.2 儀器與設備

FW-400AD高速萬能粉碎機：天津鑫博得儀器有限公司；SBL-30DTY超聲波恒溫清洗機：寧波新芝生物科技股份有限公司；HC-3018R高速冷凍離心機：安徽中科中佳科學儀器有限公司；S-3400N掃描電子顯微鏡：日本日立公司；DHR-1旋轉(zhuǎn)流變儀、Q2000差示掃描量熱儀：美國Waters公司；D8 ADVANCE A25 X射線衍射儀：德國布魯克公司。

1.3 方法

1.3.1 糙米淀粉的制備與超聲處理

采用Park等[11]糙米淀粉制備方法并加以修改。用粉碎機將糙米粒磨粉，用3倍質(zhì)量的去離子水浸泡24 h，振蕩提取4 h，在4 000 r/min下離心20 min，去除上清液并刮掉沉淀表層黃色雜質(zhì)。加入去離子水清洗，渦旋振蕩，在4 000 r/min下離心5 min并取沉淀，重復清洗步驟3次。然后使用無水乙醇清洗1次，操作同上。最后收集沉淀于40℃下干燥12h得到糙米淀粉。

參考李楊[12]的方法進行超聲處理。準確稱取20 g糙米淀粉于燒杯中，加入一定量的去離子水制備濃度為10%的淀粉乳，攪拌均勻，靜置12 h使其充分溶脹。之后將淀粉乳置于槽式超聲波反應器（25℃，33 kHz）中處理 10、20、30、40、50 min，以未經(jīng)超聲處理的糙米淀粉作為對照。超聲處理結束后離心并取沉淀于40℃下干燥12 h，粉碎研磨裝入自封袋內(nèi)保存待測。

1.3.2 淀粉顆粒表觀結構

參照趙佳[13]的方法。待測樣品經(jīng)過干燥后，均勻分布在粘有導電雙面膠的樣品臺上，噴金固定。在放大倍數(shù)3 000倍，加速電壓5.00 kV條件下，使用掃描電子顯微鏡下拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌。

1.3.3 結晶性質(zhì)測定

參考劉星等[14]方法，采用X射線衍射儀進行測試。測試條件為管壓40 kV，管流40 mA，衍射角2θ為5°～50°，掃描速率 6°/min，步長為 0.02°。采用 Jade6.0 軟件對數(shù)據(jù)進行分析，圖譜經(jīng)平滑后，計算結晶區(qū)的面積占比，得到糙米淀粉的相對結晶度[15]。

相對結晶度/%=衍射峰面積/總面積×100

1.3.4 動態(tài)流變學性質(zhì)測定

稱取一定量的淀粉置于燒杯中，加入蒸餾水配成6%的淀粉乳，95℃水浴30 min，不斷攪拌使其充分糊化，糊化完成后冷卻至25℃。采用平板-平板測量系統(tǒng)，平板直徑40 mm，設置間隙1 mm，測定溫度25℃，掃描應變值為1%，測定振蕩頻率為0.1 Hz～10 Hz內(nèi)儲能模量（G′）、損耗模量（G″）、損耗角正切值（tanδ）隨角頻率變化的情況，以此反映糙米淀粉樣品的黏彈性[16-17]。

1.3.5 淀粉糊的熱力學性質(zhì)測定

準確稱取糙米淀粉0.3 mg（以干基計）于鋁坩堝中，按1∶3（g/mL）加入蒸餾水并壓片，平衡過夜，以空坩堝為對照進行測定。設定程序：起始溫度20℃，升溫速率10℃/min，終止溫度120℃。使用TA60軟件對所得結果進行分析，獲得糙米淀粉的起始糊化溫度To、峰值溫度Tp、終止溫度Tc和糊化焓值ΔHg[12]。

1.3.6 透光率、析水率與凝沉性測定

1）透光率：準確稱取一定質(zhì)量的淀粉樣品，加入蒸餾水配制成濃度為1%的懸浮液，于95℃水浴30 min，不斷攪拌使其充分糊化。糊化結束后取出冷卻，以蒸餾水作為空白，在640 nm波長下測定淀粉糊的透光率[18]。

2）析水率：準確稱取一定質(zhì)量的淀粉樣品，加入蒸餾水配制成濃度為6%的懸浮液。于95℃下水浴30 min，然后稱取一定質(zhì)量冷卻后的樣品裝入離心管。在-18℃下冷凍24 h，常溫下解凍和平衡，于6 000 r/min下離心15 min，棄去上清液后稱取沉淀物的質(zhì)量。反復凍融5次并測定析水率[19]。

3）凝沉性：準確稱取一定質(zhì)量的淀粉樣品，加入蒸餾水配制成濃度為1%的懸浮液，置于90℃水浴中糊化30min。糊化結束后取出冷卻至室溫25℃，倒入15mL試管中常溫（25℃）下靜置，每隔12 h記錄1次淀粉糊上清液體積（前12 h每隔2 h記錄1次），以上清液體積占總體積的百分比隨時間的變化情況來反映淀粉的凝沉性質(zhì)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每個樣品平行測定3次，使用Excel 2016、Origin 2017和SPSS20軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與討論

2.1 糙米淀粉的表觀結構

不同超聲時間處理下糙米淀粉的掃描電鏡圖見圖1。

圖1 不同超聲時間處理下糙米淀粉的掃描電鏡圖（×3 000）Fig.1 Scanning electron microscopy of brown rice starch treated with different ultrasonic time(×3 000)

由圖1a可知，未經(jīng)超聲處理的糙米淀粉顆粒表面較為光滑，呈現(xiàn)不規(guī)則多面體結構，大小不一，側(cè)面有凹坑[20]。與對照組相比，超聲處理30 min后，糙米淀粉表面出現(xiàn)小孔與凹陷，隨著超聲時間進一步延長，糙米淀粉的多面體結構破壞程度更加明顯，顆粒表面出現(xiàn)缺口（圖1f）。這是因為當超聲波作用于淀粉溶液時，其空化產(chǎn)生的氣泡快速生成和破裂，產(chǎn)生高剪切力從而導致糙米淀粉顆粒受損[15]。并且隨著超聲時間的梯度延長，這種機械損傷的程度增加，但顆粒形狀與大小未發(fā)生明顯變化。

2.2 糙米淀粉的結晶性質(zhì)

淀粉是天然結晶高聚物，當分子規(guī)律性排列時形成結晶區(qū)，而排列雜亂的分子則形成非晶區(qū)。在對結果進行分析時，X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）譜圖中出現(xiàn)尖峰，則說明有結晶結構，出現(xiàn)鈍峰則是非晶結構[21]。因此，一般通過對比XRD譜圖中的結晶區(qū)和非晶區(qū)特征的強度、比例及變化趨勢來表征淀粉顆粒的晶體性質(zhì)。

圖2為不同超聲時間處理下的糙米淀粉樣品的XRD譜圖。

圖2 不同超聲時間處理下糙米淀粉的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of brown rice starch treated with different ultrasonic time

糙米淀粉在 15°、17°、18°、23°處的衍射特征明顯，其中在15°和23°明顯出峰，在 17°和18°附近出現(xiàn)相距較近的雙峰，可以判斷糙米淀粉為A型晶體結構[11]。A型晶體結構比較緊密，在食品加工過程中水分子不易進入結晶區(qū)，因此具有較高的穩(wěn)定性[8]。

XRD結果顯示衍射峰越強，說明其結晶性越強[22]。經(jīng)過處理后衍射峰變得光滑，說明晶體結構遭到了破壞，結晶區(qū)發(fā)生改變。從XRD譜圖來看，超聲處理并沒有改變糙米淀粉的晶體類型，即超聲處理前后均為A型，這與Hu等[3]采用超聲處理馬鈴薯淀粉和小米淀粉的研究結果一致。然而經(jīng)超聲處理后結晶度發(fā)生了明顯改變。據(jù)研究，淀粉中的直鏈分子通過氫鍵作用可以形成雙螺旋結構，這一點反映在淀粉的結晶度上[23]。不同超聲時間處理下糙米淀粉的相對結晶度與透光率見表1。

表1 不同超聲時間處理下糙米淀粉的相對結晶度與透光率Table 1 Relative crystallinity and light transmittance of brown rice starch treated with different ultrasonic time

如表1所示，經(jīng)過超聲處理的糙米淀粉相對結晶度在11%左右，與對照組相比，經(jīng)過超聲處理后的淀粉相對結晶度有所增加，這可能是由于超聲作用使得短鏈分子相互作用，晶體間距縮小，使得晶體結構更加緊密。隨著超聲時間進一步增加到40 min時，淀粉相對結晶度呈現(xiàn)出減小的趨勢，這可能是因為長時間的聲波空化作用，淀粉晶體受到一定程度的破壞，淀粉的無定形結構有所增加，分子自由度增加，從而導致相對結晶度降低[24-25]。本研究結果與楊夢恬等[26]和張奎亮等[27]研究超聲處理對糯米和馬鈴薯淀粉結晶度影響結果一致。

2.3 糙米淀粉的透光率

光線通過淀粉糊時會發(fā)生透射、折射等一系列光學現(xiàn)象，而當對淀粉施加不同的理化處理后，淀粉糊中的淀粉顆粒和分子狀態(tài)會發(fā)生改變，導致在光線照射下的光學反應不同[32]。淀粉糊的光學反應特征通常以透光率來表示，膨脹顆粒尺寸越大，直鏈淀粉含量越多，透光率越高。合理控制淀粉糊的透光率可以賦予淀粉基食品特殊的感官品質(zhì)，以滿足消費者對產(chǎn)品的需求。

超聲波處理影響淀粉的透光率主要是由于淀粉的結晶區(qū)受到破壞，溶解度增大，淀粉分子更多地選擇與水分子結合，而非淀粉分子之間相互作用。在這種情況下淀粉顆粒吸水膨脹，從而減弱光反射與折射，透光率提高。但是延長超聲時間可能會使得淀粉顆粒團聚、透光率下降[25]。由表1可知，經(jīng)過超聲處理后，糙米淀粉的透光率由（0.52±0.04）%降低至（0.23±0.02）%（40 min），繼續(xù)延長超聲時間，透光率上升至（0.46±0.02）%（50 min），分析其降低的原因可能是超聲導致淀粉顆粒發(fā)生聚合，淀粉分子之間在溶液中交聯(lián)結合，不易展開。而隨著超聲時間進一步延長，超聲空化作用使得分子斷裂，從而更容易在水中分散，相應地透光率隨之上升[27]。

2.4 糙米淀粉的動態(tài)流變學特性

研究常用儲能模量G′和損耗模量G″來評估淀粉樣品的動態(tài)流變學特性，G′可以用來衡量淀粉糊的彈性大小，G″用來表示淀粉糊的黏性大小[28]。圖3反映了不同超聲處理對糙米淀粉的動態(tài)流變學特性影響。

圖3 不同超聲處理下糙米淀粉的動態(tài)流變學特性Fig.3 Dynamic rheological properties of brown rice starch treated with different ultrasonic treatment

由圖 3可知，G′、G″和 tanδ基本呈現(xiàn)隨頻率增加而增加的趨勢，且G′高于G″，說明凝膠網(wǎng)絡形成，結構較為穩(wěn)固，凝膠特性以彈性為主[29]。由圖3a、圖3b可知，與對照組相比，經(jīng)過超聲處理后的淀粉糊G′與G″均有所降低，這可能是由于超聲處理使得淀粉結構變得松散，從而降低了其黏彈性。由圖3c可知，tanδ隨著頻率升高而升高，說明淀粉在高頻范圍下黏性比例增加，彈性比例降低，即在高頻范圍下糙米淀粉結構不穩(wěn)定[17]。

2.5 糙米淀粉的熱力學性質(zhì)

表2反映了經(jīng)過不同超聲時間處理后糙米淀粉的熱力學性質(zhì)。

表2 不同超聲時間處理下糙米淀粉的熱力學特性Table 2 Thermodynamic properties of brown rice starch treated with different ultrasonic time

表2結果顯示，經(jīng)過超聲處理后，糙米淀粉的To、Tp和Tc無顯著變化，ΔHg隨超聲時間的延長整體上先降低后升高。這種變化趨勢與Park等[11]采用超聲波處理糙米淀粉的熱力學結果一致。雙螺旋的破壞被認為是影響ΔHg的主要原因[30]，超聲處理40 min后ΔHg降低，說明存在于結晶區(qū)的一些雙螺旋被破壞，在淀粉糊化的過程中不需要較多的熱量裂解雙螺旋結構，因此糊化焓ΔHg減小[19]，而50 min后焓值升高，可能是由于更大的鏈運動性導致了淀粉中的分子重排[31]。

2.6 糙米淀粉的析水率與凝沉性

受加工和運輸條件限制，冷凍類食品常常應具備良好的凍融穩(wěn)定性來抵抗凍融循環(huán)中所產(chǎn)生的析水問題，較低的凍融穩(wěn)定性會導致食品失水嚴重，口感變差，營養(yǎng)損失。凍融穩(wěn)定性反映了冷凍食品解凍后的脫水程度，可以用析水率來衡量，析水率越低，凍融穩(wěn)定性越好[33]。不同超聲時間處理下糙米淀粉的析水率和凝沉性見圖4。

圖4 不同超聲時間處理下糙米淀粉的析水率和凝沉性Fig.4 Water setting rate and coagulability of brown rice starch treated with different ultrasonic time

由圖4可知，凍融對淀粉糊具有脫水收縮的作用，不同超聲時間處理后的糙米淀粉的析水率均隨次數(shù)增加而增加，超聲處理30 min后糙米淀粉的凍融析水率最低（43.51%±3.06%），穩(wěn)定性最好，隨著超聲時間進一步延長至50 min，析水率升高至（54.40±1.73）%，穩(wěn)定性減弱，可能是由于超聲波的空化作用使得大分子基團被破壞，共價鍵斷開進而減小分子聚合度，導致直鏈淀粉的含量相對增加，而淀粉的凍融穩(wěn)定性與直鏈淀粉含量成負相關[21]。因此，超聲作用會使淀粉的凍融穩(wěn)定性下降，這與張志華[25]的研究結果一致，此外本研究發(fā)現(xiàn)，適度的超聲處理可以降低糙米淀粉的析水率，增強其凍融穩(wěn)定性。

淀粉糊經(jīng)過靜置會發(fā)生凝沉現(xiàn)象，宏觀上表現(xiàn)為出現(xiàn)渾濁和分層，在分子角度上解釋為葡萄糖單元上的羥基之間形成氫鍵，淀粉分子重新聚集，分子鏈由無序回到有序狀態(tài)[32]。如圖4所示，不同時間處理組下，超聲30 min凝沉穩(wěn)定性最好，沉淀占比（56.00±1.89）%，隨超聲時間的延長，沉淀占比降低至（47.78±1.57）%（50 min），凝沉穩(wěn)定性相應降低。

3 結論

本試驗以糙米淀粉為原料，研究了不同超聲時間處理對糙米淀粉的結構特征與理化性質(zhì)的影響。在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可以對糙米淀粉表觀結構造成損傷，在其表面形成凹陷，并且隨著超聲時間延長，對其破壞程度更加明顯。通過X-射線衍射結果分析發(fā)現(xiàn)，超聲處理不會改變糙米淀粉的晶型，但隨著超聲時間延長，相對結晶度先升高后降低，處理30 min時相對結晶度達到最大（12.60±0.08）%，隨后降低至與對照組無顯著差異，這說明超聲對淀粉結晶性質(zhì)影響顯著（p＜0.05）。研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可以降低糙米淀粉糊的儲能模量（G′）與損耗模量（G″）從而降低其黏彈性，延長超聲時間可以破壞淀粉結晶區(qū)的雙螺旋結構使得淀粉糊化焓降低，因此超聲處理影響了糙米淀粉的流變學與熱力學性質(zhì)。此外，適度的超聲處理可以降低糙米淀粉糊的透光率和析水率，提高其凍融和凝沉穩(wěn)定性。因此，合理使用超聲波物理改性技術，可以有效影響糙米淀粉的結構與理化性質(zhì)，為其在食品工業(yè)中的應用和普及提供新的思路與方法。