干熱處理對蕎麥淀粉物化和結構特征的影響

何 萌， 張 倩， 楊 瑩， 李衛華， 湯尚文， 豁銀強

(湖北文理學院1，襄陽 441053) (襄陽市農業科學院2，襄陽 441057) (襄陽市公共檢驗檢測中心3，襄陽 441001)

蕎麥為蓼科一年生雙子葉擬谷物，在中國已有幾千年種植與消費蕎麥的歷史。由于富含黃酮類等生物活性成分，蕎麥具有較高的促健康作用。淀粉是蕎麥中質量分數最多的營養組分，占干基的70%～91%[1,2]，直鏈淀粉質量分數達20%～38%[3,4]，支鏈淀粉中有12%～13%的分支比較長[5]，相較于其他谷物淀粉，蕎麥淀粉易回生、水化力低，因而不易消化并有助于降低血糖指數。天然蕎麥淀粉常作為增稠劑、黏結劑、成膜劑及穩定劑廣泛應用于食品和非食品領域。不過，由于存在冷水中溶解度低、抗剪切和pH耐性差等問題，天然蕎麥淀粉在現代工業中應用受到一定的限制。目前主要采用物理、化學、酶法、生物方法修飾來改善天然淀粉的特性[6]，擴大其在食品及非食品領域中的應用。各種修飾方法中，物理修飾法由于不涉及化學試劑及相對容易操作而越來越受到人們的重視。

干熱處理是一種重要的淀粉物理改性方式。干熱處理表現出與化學交聯改性相似的效果[7]，其能有效改變淀粉的熱特性、表觀黏度、糊化行為、膨脹力等物化特性，而對淀粉顆粒形貌影響不大[8,9]。相對于化學改性來說，干熱處理是一種簡單、安全和環境友好型淀粉改性方式，不會引起任何污染。由于具有無毒無害等特性，淀粉干熱改性成為研究的熱點。一些研究報道了干熱處理對淀粉物化特性的影響，干熱處理降低了淀粉的分子大小、結晶度、凝膠化溫度，而增加了其油結合力[10,11]。淀粉的種類和來源對干熱處理效果有較大的影響，目前有關干熱處理對蕎麥淀粉結構和特性的影響還鮮見報道。

本實驗研究干熱處理對蕎麥淀粉物化特性的影響，并從淀粉結構角度闡述其特性改變的可能機制，為干熱處理修飾蕎麥淀粉提供借鑒，以期為擴大蕎麥淀粉在工業中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：苦蕎麥產于2019年，江蘇省宿遷市；溴化鉀，光譜純；其他試劑為分析純。

主要儀器：闊誠800A多功能粉碎機，TA-2000差示掃描量熱儀，TechMaster快速黏度儀；Mastersizer 3000 激光粒度儀，DM2700P 偏光顯微鏡，Nexus 470 傅里葉變換紅外光譜儀，D8 Advance X-射線衍射儀，SU8010掃描電子顯微鏡，LXJ-IIB離心機，KWS2046ALQ-S1C電烤箱。

1.2 方法

1.2.1 蕎麥淀粉制備

蕎麥經粉碎機粉碎，過80目篩。精確稱取500 g，加入2 500 mL 0.2%的NaOH溶液，室溫攪拌2 h，靜置30 min，3 200 g離心15 min，去上清，去除表層黃色膠狀物，向淀粉殘渣中加入2 500 mL蒸餾水室溫攪拌1 h，重復1次離心。向淀粉殘渣中加1 000 mL蒸餾水使其分散，調節pH至中性，過180目篩除去雜質，3 200 g離心15 min，去上清，所得蕎麥淀粉于40 ℃烘箱過夜干燥，粉碎，經石油醚浸泡脫脂，過濾除去石油醚，所得淀粉置于通風櫥中揮干殘留石油醚，所得淀粉(含水量7.0%，干基蛋白質質量分數1.2%)裝入密封袋中于干燥器中室溫保存備用。

1.2.2 干熱處理

稱取一定量的蕎麥淀粉均勻平鋪在有錫箔紙的托盤上，置于預熱至所設溫度(120、130、140、150、160、170 ℃)的烤箱中進行干熱處理30 min，處理結束后迅速移入干燥器中冷卻至室溫，用密封袋包裝后于干燥器中室溫保存備用。

1.2.3 糊化特性分析

利用快速黏度分析儀分析測試淀粉的糊化特性。分別稱取2.5 g蕎麥淀粉和25 g蒸餾水，置于測量罐中，用攪拌器上下來回攪拌使淀粉分散均勻，將測量罐置于快速黏度分析儀上進行分析測試。測試程序為：50 ℃保持90 s，以0.2 ℃/s勻速升溫至95 ℃，在95 ℃下保持150 s，再以0.2 ℃/s勻速降溫到50 ℃，在此溫度保持90 s。起始10 s內攪拌子轉速為960 r/min，隨后維持160 r/min。利用儀器自帶軟件分析得到峰值黏度、谷值黏度、崩解值、回生值、最終黏度、峰值時間、起糊溫度等糊化特性參數。

1.2.4 熱特性分析

每份樣品準確稱取干基5.0 mg置于差示掃描量熱儀專用鋁盒中，用微量移液器加蒸餾水使干基淀粉與水的比為1∶2(g∶mL)，密封，置于4 ℃過夜促進水化。以空鋁盒作參照，進行DSC測試。溫度掃描范圍為25～120 ℃，升溫速率為2 ℃/min，利用TA Universal Analysis 2000軟件分析獲得樣品凝膠化起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)和焓值(ΔH)。

1.2.5 顆粒形貌分析

取適量樣品均勻涂布于黏附在載物架的雙面膠上，經離子濺射儀噴金3 min，利用掃描電子顯微鏡觀察樣品的表觀形貌并拍照。

采用偏光顯微鏡分析樣品的顯微特征。樣品經適量蒸餾水分散后涂布于載玻片上，蓋上蓋玻片進行顯微觀察并采集圖像。

1.2.6 粒徑分析

利用激光粒度儀分析樣品的粒徑特征，測量前對樣品超聲處理1 min使其分散均勻。按照儀器說明進行分析測試，利用儀器自帶軟件獲得樣品的Dv10、Dv50和Dv90等特征值，通過式(1)計算獲得跨度(Span)值。

Span=(Dv90-Dv10)/Dv50

(1)

式中：Dv10和Dv90分別為樣品中粒徑小于該值的顆粒體積占樣品總體積的10%和90%；Dv50為中位徑，即有50%的顆粒粒徑低于此值。

1.2.7 結晶特特征

利用X-射線衍射儀分析樣品的結晶特征。操作電壓40 kV，電流30 mA，以Cu作靶。將樣品置于樣品架上，掃描速率10(°)/min，收集衍射角2θ在5°～60°的衍射數據。

1.2.8 FTIR光譜測定

分別取適量樣品于瑪瑙研缽中，加入100倍樣品質量的溴化鉀，于紅外燈下研磨15 min，使溴化鉀與淀粉樣品混合均勻，壓片。以空氣為參比背景，記錄4 000～400 cm-1范圍的光譜數據，分辨率為2 cm-1，掃描次數為64。

1.2.9 數據分析

除電鏡和顯微結構分析外，所有指標均獨立進行3組重復實驗，用SAS 8.0軟件中Duncan方法進行顯著性分析，比較樣品間的差異性(P<0.05)，利用Microsoft Excel 2010處理其他數據，結果用平均數與標準差表示，利用Origin 8.5繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 干熱處理對蕎麥淀粉糊化特性的影響

圖1為不同溫度干熱處理和對照蕎麥淀粉的RVA圖。溫度低于170 ℃干熱處理和對照蕎麥淀粉的RVA曲線總體變化趨勢相似。測試初期，蕎麥淀粉的黏度均非常低(趨于0)且變化不明顯，當溫度升高至55～60 ℃時，淀粉顆粒無定形區吸水溶脹，體系黏度增加。隨著溫度進一步升高，淀粉顆粒結晶區開始吸水溶脹，大多數直鏈淀粉及少量支鏈淀粉從淀粉顆粒中運動到溶液中形成乳液，溶出的淀粉分子使體系黏度迅速增加。當淀粉顆粒膨脹與剪切達到平衡時呈現峰值黏度。在高溫保持一段時間，膨脹過度的淀粉顆粒發生崩解，黏度又下降。隨著溫度降低，淀粉分子熱運動減弱，淀粉顆粒和凝膠網絡收縮，黏度又增加。170 ℃干熱處理淀粉的RVA曲線與其他樣品明顯不同，隨著溫度升高，黏度起初增加的幅度非常小，達到最高值后趨于恒定，其整體黏度曲線顯著低于其他樣品，表明170 ℃干熱處理對淀粉結構的影響比較大，可能該溫度干熱處理使淀粉分子發生了較大程度的降解，實驗過程中發現該溫度干熱處理樣品顏色明顯變暗。

圖1 不同溫度干熱處理苦蕎麥淀粉的RVA圖

表1為干熱處理和對照蕎麥淀粉的糊化特征參數。干熱處理引起蕎麥淀粉的峰值黏度、低谷黏度、崩解值、最終黏度、回生值均降低，降低幅度隨處理溫度升高而加劇。起糊溫度是淀粉顆粒膨脹引起懸液黏度開始增加時的溫度，溫度低于130 ℃時，干熱處理對蕎麥淀粉的起糊溫度影響不顯著，進一步提高溫度，樣品的起糊溫度降低，當處理溫度達到170 ℃時，樣品開始糊化時的黏度增加比較小，需要通過人工處理獲得起糊溫度數值。干熱處理降低了糊化測試過程中淀粉分子內或分子間氫鍵的作用力，水分子更容易滲入淀粉顆粒內部而引起膨脹，導致起糊溫度降低[12,13]。干熱處理引起直鏈淀粉和支鏈淀粉分子降解及結晶結構破壞，導致RVA測試過程中不能形成黏度較高的體系[14]，體系的峰值黏度、低谷黏度等RVA相關特征黏度參數均降低。干熱處理對淀粉糊化特性的影響受淀粉來源的影響，170 ℃以上干熱處理降低了玉米淀粉的峰值黏度、低谷黏度、最終黏度、崩解值，而使回生值增加，190 ℃以上干熱處理才引起玉米淀粉起糊溫度降低[8]。

表1 不同溫度干熱處理苦蕎麥淀粉的RVA參數

2.2 干熱處理對蕎麥淀粉熱特性的影響

圖2為蕎麥淀粉的DSC曲線。對照樣品及溫度低于160 ℃干熱處理淀粉均出現2個連在一起的吸熱峰，其分別稱為吸熱峰G和吸熱峰M1，而經170 ℃干熱處理蕎麥淀粉僅出現一個明顯的吸熱峰G，該結果可能是干熱處理導致吸熱峰M1消失，更可能是吸熱峰M1向低溫方向偏移而與峰G重疊。在一定條件下DSC圖譜上會出現多個吸熱峰，目前對不同峰產生的機制還沒有一個被廣泛接受的觀點。有研究指出峰G和峰M1分別在雙折射消失后由淀粉顆粒膨脹和雙螺旋結構解旋產生的吸熱峰[15]；也有學者提出峰G和峰M1是無定形區溶脹和晶體結構解體的吸熱峰[16]；也有研究指出峰G和峰M1分別由短程有序機構的雙螺旋解旋和長程有序晶體結構無序化吸熱形成的[17]；或峰G和峰M1分別由晶體由近晶相轉變為向列相及雙螺旋結構解旋產生的吸熱峰[18]。淀粉是一種典型的多晶結構，DSC測試過程中，短程結晶的雙螺旋結構解旋、晶體結構崩解、淀粉顆粒溶脹及直鏈淀粉分子從淀粉顆粒中滲出，伴隨著不同程度的吸熱。不定形區對凝膠化溫度可能有一定的影響，而峰值溫度主要受淀粉顆粒結晶致密程度的影響[13]，淀粉分子間的相互作用力及淀粉分子間的化學鍵均會影響DSC測定過程中的凝膠化溫度[19]。干熱處理改變了淀粉分子間相互作用力，進而影響蕎麥淀粉的凝膠化溫度和焓變等熱特性。

圖2 不同溫度干熱處理苦淀粉的DSC曲線

由于吸熱峰G和M1連在一起，本研究將2個峰放在一起進行分析，所得熱特性參數如表2所示。干熱處理引起苦蕎麥淀粉的To、Tp及ΔH均降低，降低幅度隨干熱處理溫度升高而加劇。干熱處理馬鈴薯淀粉相關參數表現出類似的變化趨勢，隨著干熱處理時間延長，馬鈴薯淀粉的To、Tp及ΔH均減小。ΔH主要與淀粉的晶體結構崩解和雙螺旋結構解旋有關[20]，有序程度越大的ΔH越高。高溫干熱處理對淀粉顆粒結晶區晶束的有序排列及雙螺旋結構產生了一定程度的破壞，使相轉變溫度及焓值均降低。

表2 不同干熱處理溫度苦蕎淀粉的DSC參數(峰G+峰M1或峰G)

2.3 表觀形貌

肉眼觀察溫度低于140 ℃干熱處理對蕎麥淀粉的色澤影響不明顯；樣品均呈現潔白色，150 ℃和160 ℃干熱處理樣品顏色略有變暗；與其他樣品相比，170 ℃干熱處理樣品明顯加深，呈現灰白色，干熱處理結束時有微小的焦糊味。所研究條件干熱處理對蕎麥淀粉顆粒宏觀上的形態并沒有顯著的影響，所有樣品均呈現均一的粉體。

圖3為干熱處理和對照蕎麥淀粉的掃描電鏡圖。大多數蕎麥淀粉顆粒為多面體形，具有一些明顯的棱和角，顆粒表面不均勻分布一些通向內部的孔或腔。干熱處理并沒有引起淀粉顆粒形貌發生顯著的變化，當干熱處理溫度升高至150 ℃以上時，淀粉顆粒表面的孔逐漸變得模糊，可能是淀粉分子發生降解導致顆粒出現熔融。該結果與此前報道的結果相一致[8]，但干熱處理并未引起淀粉顆粒黏結成團，其可能與本實驗中蕎麥淀粉顆粒表面蛋白質去除比較徹底有關。干熱處理引起黍稷粉中淀粉顆粒與表面的蛋白質等其他組分發生交聯，而純淀粉并未出現明顯的團聚現象[9]。與板栗、紅薯和山藥淀粉發生膨化破裂不同[21-23]，干熱處理并未引起蕎麥淀粉顆粒塌陷或破裂，可能與不同來源淀粉的結構和特性不同有關，蕎麥和黍稷等谷物淀粉顆粒相對較小，干熱處理不易引起其膨化塌陷。

圖3 不同溫度干熱處理苦淀粉的SEM圖

雙折射是淀粉顆粒結晶區內的雙螺旋結構徑向分布呈現出的特征，即馬耳他十字與淀粉的片層結構和晶體的結晶度有關。當淀粉發生凝膠化時，淀粉結晶被破壞，雙折射現象消失。采用偏光顯微鏡對不同溫度干熱處理和對照蕎麥淀粉進行觀察。對照樣品展現出明顯的典型馬耳他十字，隨著干熱處理溫度升高，馬耳他十字清晰度逐漸降低。該結果與干熱處理紅薯淀粉的結果相類似[23]。結果表明，干熱處理對淀粉顆粒結晶結構產生了一定的破壞作用，本研究的XRD結果也證實了這一影響。

不同溫度干熱處理和對照蕎麥淀粉粒徑分布如圖4所示。不同溫度干熱處理和對照蕎麥淀粉的粒徑均為單峰分布，在10 μm附近呈現一個大峰，不同溫度干熱處理對蕎麥淀粉粒徑的影響不顯著，僅170 ℃干熱處理的蕎麥淀粉粒徑分布峰值向大粒徑方向偏移。淀粉顆粒的大小與淀粉的結晶度和直鏈/支鏈淀粉含量比密切相關，其對淀粉的熱動力學和凝膠化及流變等物化特性有重要的影響[24]。170 ℃干熱處理時，可能嚴重破壞了蕎麥淀粉顆粒的結晶結構并引起淀粉分子發生嚴重的降解，顆粒發生膨脹而使粒徑增大。

圖4 不同干熱處理溫度苦蕎淀粉的粒徑分布圖

由表3可知，溫度低于160 ℃干熱處理30 min，苦蕎麥淀粉的Dv10、Dv50、Dv90的值變化不顯著，而170 ℃干熱處理30 min使表征蕎麥淀粉粒徑指標的相應值均增大，可能是由于淀粉顆粒在該溫度下發生了一定程度的膨化，170 ℃干熱處理引起Span值降低，即樣品顆粒大小更均勻，干熱處理引起小粒徑顆粒增加的更多。

表3 不同溫度干熱處理苦蕎淀粉的粒徑參數

2.4 結晶特征

淀粉的結晶區和非結晶區在X射線衍射圖上表現為不同的特征：結晶區為尖峰型，非結晶區為彌散型。由于淀粉顆粒內晶束排列不同，淀粉可分為A、B、C三種晶型。圖5為不同溫度干熱處理蕎麥淀粉的X射線衍射圖。2θ在15°、23°附近出現單峰，17°和18°處出現連在一起的雙峰，所有樣品均表現為A型結晶特征。20°附近出現一個微小的峰，表明樣品存在V型結晶結構，通常認為其是球形單甘脂與直鏈淀粉螺旋間相互作用形成的復合體[25]，也可能是由于直鏈淀粉左手單螺旋結構產生的衍射峰[26]。干熱處理并未引起蕎麥淀粉衍射模式出現顯著變化，說明所研究干熱處理并沒有改變蕎麥淀粉的結晶類型。

圖5 不同溫度干熱處理苦蕎麥淀粉的XRD圖

由表4可以看出，120 ℃干熱處理對蕎麥淀粉結晶度沒有顯著影響，當處理溫度高于140 ℃時，蕎麥淀粉的結晶度顯著降低，170 ℃處理樣品的結晶度最低。該結果與干熱處理大米淀粉及粟米淀粉的結果相似[9.10]，干熱處理對淀粉微晶結構產生了一定的破壞作用，改變了微晶的取向。但也有研究顯示，干熱處理使糯米淀粉的結晶度增加[27]。干熱處理對淀粉結晶度影響的差異可能與不同來源淀粉的結構不同及其與非淀粉組分的相互作用有關。

表4 不同溫度干熱處理苦蕎麥淀粉的結晶度和紅外指數

2.5 FTIR特征

FTIR能夠反映淀粉對干熱處理的敏感程度及分子結構的變化。對照和不同溫度干熱處理蕎麥淀粉的FTIR譜圖如圖6所示。所有樣品在35 000～3 400 cm-1波段的強吸收產生于O—H的伸縮振動，2 900 cm-1明顯的吸收峰為C—H伸縮振動的光吸收，1 647 cm-1較強的光吸收表明淀粉中存在緊密結合的水分子。在1 019 cm-1波段出現脫水葡萄糖殘基C—O振動的典型峰。干熱處理并沒有引起樣品產生新的峰，表明所研究干熱處理并未破壞或引起蕎麥淀粉產生新的化學鍵或基團。

圖6 不同處理溫度苦蕎淀粉的紅外光譜圖

淀粉的結晶區是由支鏈淀粉的分支堆積成的半結晶片層組成的，短程有序結構主要反映樣品的雙螺旋結構含量，其包含結晶區和無定形區中的雙螺旋結構，可利用FTIR進行分析檢測短程有序機構變化。FTIR圖譜中，1 045、1 022cm-1和995 cm-1波數處的紅外吸收對淀粉分子構象的變化較為敏感。1 045/1 022 cm-1與淀粉分子短程有序度有關，其有序度包括結晶區及非結晶區的雙螺旋和單螺旋結構；1 022/995cm-1常用來分析淀粉結構中的無定形及有序結構相對含量。120 ℃干熱處理對蕎麥淀粉1 045/1 022 cm-1的影響不顯著，當溫度高于130 ℃時，干熱處理使該比值出現輕微的增加，且增加幅度隨干熱處理溫度升高而加劇，表明干熱處理使蕎麥淀粉分子短程有序結構含量增加，其可能是高溫處理使淀粉分子鏈間相互作用增強，部分無規則卷曲結構轉化成雙螺旋結構，干熱處理也引起紅薯淀粉分子短程有序度增加[22]。其他溫度干熱處理對蕎麥淀粉1 022/995 cm-1的影響不顯著，而170 ℃處理使其顯著升高，表明干熱處理對結晶結構產生了一定程度的破壞。

3 結論

干熱處理能夠用來修飾蕎麥淀粉的糊化、凝膠化及結構特征。作為一種物理改性方式，該過程相對安全，且不會產生有害副產物。干熱處理對蕎麥淀粉顆粒中結晶產生了一定的破壞作用，而使部分線性或無定形結構轉變為雙螺旋結構。干熱處理淀粉能夠應用于需要低黏度和低起糊溫度的產品。干熱處理蕎麥淀粉的溫度需要控制在170 ℃以下，以免溫度過高淀粉發生焦糊化。為了深入探究干熱處理對蕎麥淀粉特性影響的機理，未來需要進一步研究干熱處理如何改變淀粉分子大小及分子的精細結構。