超聲處理對糙米淀粉的結構與理化特性的影響

王 琦， 王周利， 蔡 瑞， 岳田利， 袁亞宏， 崔 璐

(西北農林科技大學食品科學與工程學院，楊凌 712100)

糙米是由稻谷脫去谷殼后的全谷物米粒，含有豐富的生物活性物質，能夠通過減少氧化損傷以及降低各種慢性病的風險來促進人類健康[1]。糙米去除了糠皮和糊粉層即精米。糙米與精米相比，前者的營養價值更高[2]。由于淀粉約占最終胚乳質量的70%，是糙米的主要成分，可極大地影響糙米的理化特性[3]。淀粉由于其多種多樣的功能特性，在食品工業廣泛應用。但是，很少有天然淀粉能滿足食品和工業生產所需的特定物理化學性質。因此，淀粉廣泛使用的關鍵在于改性[4]。通常，生物、化學和物理法被認為是主要的淀粉改性技術[5]。近年來，在探索用于淀粉改性的替代技術方面已經進行了廣泛的科學工作。在物理改性方法中，超聲處理被認為是淀粉改性的新方法之一[6]。

超聲法是一種環保、安全和高效的非熱能食品加工方法，具有處理淀粉有處理時間短、淀粉降解的非隨機性、對環境友好、易控制和操作簡單等優點[7]。當前超聲波在食品加工中的結晶、干燥、滅菌等過程中獲得了良好的應用效果[8]。超聲法對淀粉產生影響是基于超聲波產生時的熱效應、機械效應以及空化效應[9]。已有研究已經評估了超聲波對各種植物來源的淀粉(如甘薯、小麥、大麥、大米和玉米)的影響[10-12]。這些結果表明，超聲預處理會影響淀粉的結構、理化、功能以及流變性。據報道，與天然淀粉相比，經超聲處理的玉米淀粉的顆粒表面受到損傷，其物理性能也發生了顯著變化。特別是，超聲處理過的淀粉的溶解度和膨脹度均增加[13]。超聲處理還可導致顆粒表面出現氣孔和裂紋[11]。除此之外，超聲波對淀粉的作用效果因淀粉的類型和結構的不同而不同。例如，在相同的超聲處理條件下，馬鈴薯和小麥淀粉的顆粒表面上的裂紋和凹陷比大米和玉米淀粉更深[14]。介于此，研究建立以超聲波方法為核心的糙米淀粉加工技術，將超聲波處理應用于糙米淀粉糊化處理，并對其淀粉結構變化進行解析，對于促進糙米淀粉的快速處理有重要的意義。本實驗從淀粉粒徑、短程有序結構、糊化特性、凝膠特性、溶解度以及膨脹度等方面研究了超聲法對糙米淀粉的影響，以期為拓寬糙米淀粉在食品工業中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糙米；無水乙醇、溴化鉀，分析純。

1.2 儀器與設備

SBL-30DTY超聲波恒溫清洗機；FW-400AD高速萬能粉碎機；LS13320激光衍射粒度儀；Vertex70傅里葉變換紅外光譜儀；RVA-Tec Master快速黏度測定儀；TA.XT PLUS/50物性測定儀。

1.3 方法

1.3.1 糙米淀粉的提取及超聲處理

糙米粉溶于水溶液(3倍質量)研磨。室溫下，振蕩提取4 h，之后4 000 r/min離心20 min。去除上清液和上層帶麩皮軟層黃淀粉，將下層淀粉用去離子水清洗3次，并重復4 000 r/min離心5 min和除去上清刮除軟層黃淀粉操作得較為干凈的淀粉。用3倍質量乙醇洗滌，最后收集的淀粉在40 ℃下干燥過夜[15]。

準確稱取20 g糙米淀粉(含水量7.9%)置于500 mL燒杯中，加入一定量的蒸餾水制備質量濃度為10%的淀粉乳，使用玻璃棒攪拌均勻后靜置12 h使其充分水化。之后將淀粉乳置于槽式超聲波反應器(25 ℃、33 kHz)中分別反應10、20、30、40、50 min，離心后在40℃下干燥12 h，置于干燥器中保存[16]。

1.3.2 糙米淀粉結構特性測定

1.3.2.1 粒徑分布測定

將烘干后的糙米淀粉粉末倒在樣品杯中，使用激光粒度儀測定淀粉粒徑，得到中粒徑。

1.3.2.2 淀粉顆粒表面分子及短程有序結構的 FTIR分析

將KBr充分研磨并加入預先平衡水分的待測樣品混合均勻后壓片，并置于紅外光譜儀中進行掃描。設置波長掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1。利用OPUS 6.5軟件對譜圖進行基線校正和歸一化。

1.3.3 糊化特性測定

參照魏毛毛[17]的方法。準確稱取淀粉1.8 g(以干基計)于RVA專用測量杯中，再加入蒸餾水至30 g，配制成質量分數為6.0%的淀粉懸浮液。之后按照特定程序對樣品進行測定。每個樣品平行測定3次。

1.3.4 淀粉糊凝膠特性測定

準確稱取一定質量的淀粉樣品，加入蒸餾水配制成一定濃度的懸浮液，經過不同處理后，在沸水浴中加熱并攪拌30 min，使淀粉充分糊化。糊化完畢后取出冷卻，置于4 ℃條件下儲藏后用于質構測定。測定前將樣品在室溫下平衡，在質構儀上進行測試，采用質構儀自帶軟件進行全質構(膠黏性、硬度、凝聚性、彈性、咀嚼性)分析，測試形變量為50%，實驗平行測定3次。

1.3.5 溶解度和膨脹度測定

準確稱取一定質量的糙米淀粉，加入蒸餾水，配成質量分數為2%的淀粉乳，在90 ℃下充分糊化，迅速冷卻至室溫。在4 500 r/min離心15 min，仔細傾倒出上層清液于培養皿，于110 ℃烘箱烘至恒重。

1.4 不同超聲時間處理糙米淀粉的結構與理化特性相關性分析

利用SPSS統計軟件在不同超聲時間處理糙米淀粉的粒徑、短程有序結構等結構參數與其糊化、凝膠質構、理化性能等進行相關性分析，得到Pearson相關參數(檢驗的顯著水平：*表示P<0.05，**表示P<0.01)。

1.5 數據處理與分析

平行實驗3次，用Excel 2016和Origin 2020b軟件作圖，采用SPSS 23.0軟件的Duncan法進行顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 粒徑分布

粒徑分布表示不同粒徑的淀粉顆粒在粉體總量中占的比例，由圖1可知，在對糙米淀粉進行超聲處理后，淀粉顆粒的中粒徑都較原淀粉顯著降低，超聲處理10 min后粒徑相比原淀粉降低了43.18%。這可能是因為超聲處理對淀粉顆粒產生很強的破壞作用，它導致淀粉顆粒內部發生聚集，使得淀粉結構變得更加緊密。Hu等[4]發現超聲波處理后，馬鈴薯淀粉的平均粒徑降低了30.1%，而小米僅降低了7.93%。曹美芳[18]通過研究超聲對馬鈴薯淀粉的影響，同樣發現低功率的超聲處理會使淀粉的分子鏈降低，結構緊密，粒徑降低。但是進一步超聲處理會嚴重破壞了顆粒形貌，使其表面處于激活狀態，顆粒表面較高的活化能使顆粒相互之間更易發生團聚，導致顆粒的粒徑整體增大[19]。

圖1 原淀粉和不同超聲時間處理的糙米淀粉的粒徑分布

2.2 表面分子短程有序結構分析

圖2所示為不同超聲處理條件下的糙米淀粉的傅里葉變換紅外譜圖。1 047、1 022 cm-1處分別表示淀粉結晶區結構特征和無定形片層結構特征，前者對應淀粉聚集態結構中的短程有序結構，后者則對應了淀粉的大分子無規則線團結構。1 047與1 022 cm-1峰強度比值反映淀粉分子有序度，其值越高則短程范圍結晶度越高[20]。由圖2可知，淀粉經過超聲處理后既沒有出現新的吸收峰，也沒有某個特征峰消失。這說明超聲處理糙米淀粉前后并沒有產生新的基團，其是一種物理改性過程。這與Zhang等[21]先前的研究結果一致。

圖2 原淀粉和原淀粉和不同超聲時間處理的糙米淀粉的FTIR結果

對紅外譜圖進行去卷積化處理，計算1 022、1 047 cm-1峰強度并得1 047/1 022 cm-1，如表1所示。由表1可知，經過不同超聲時間處理后的糙米淀粉顆粒表面有序程度，較對照組有所降低。1 047 cm-1/1 022 cm-1下降，淀粉結構由有序變無序，這是由于超聲波的高剪切、空化和機械作用破壞了分子鏈間或內部的氫鍵，導致淀粉顆粒內螺旋結構不規則排列或解旋，從而其短程有序化程度下降[22]。

表1 原淀粉和不同超聲時間處理的糙米淀粉顆粒表面結構的影響

2.3 糊化特性測定

由表2可知，不同超聲波處理時間對糙米淀粉黏度有不同的影響，且隨著超聲波處理時間的增大，糙米淀粉黏度先減小后趨于平緩，同時可以看出超聲波作用后的淀粉黏度比原淀粉黏度顯著降低。這可能是因為淀粉經超聲波處理后，超聲的空化和機械振蕩導致淀粉分子鏈斷開，然而當分子鏈長降低到一定程度就不再發生變化，所以淀粉黏度不再降低[8]。Iida等[23]研究表明:超聲波可以有效地降低糊化后糯玉米淀粉，木薯淀粉和甘薯淀粉的黏度。

表2 原淀粉和不同超聲時間處理的糙米淀粉的糊化特性參數

不同超聲時間處理對糙米淀粉的峰值黏度、崩解值、最終黏度和回生值較未處理的糙米淀粉都有顯著下降(P<0.05)，這表明超聲處理淀粉與水分子的結合能力減小，熱穩定性增強，老化能力減弱，具有較強的抗剪切和抗氧化能力。當淀粉結晶區所占比重越大，淀粉顆粒就越容易膨脹，在剪切力的作用下而造成其崩解值變大[24]。所以超聲處理使淀粉的結晶結構受到破壞，從而支鏈淀粉減少[25]，導致糙米淀粉的崩解值降低，熱穩定性增強[26]。

2.4 凝膠特性測定

考察了超聲時間對凝膠強度和膠黏性的影響，結果如表3所示。超聲時間對糙米淀粉糊化凝膠強度影響顯著，糙米淀粉經超聲處理后，凝膠強度顯著降低，而超聲10 min時，淀粉糊的膠黏性顯著降低；之后，隨著超聲時間的增加，淀粉糊膠黏性與原淀粉相比變化不大。有研究表明，淀粉分子的雙螺旋結構和淀粉的凝膠強度有關，淀粉分子的雙螺旋結構形成的網絡結構越致密，淀粉的凝膠強度就越大[27]。所以，糙米淀粉的凝膠強度降低是由于超聲破壞了糙米淀粉凝膠的內部網絡結構，使得淀粉分子間難以發生交聯聚合作用。李薇等[28]對超聲處理后的豌豆淀粉質構參數進行分析，得出一致結論。

表3 原淀粉和不同超聲時間處理的糙米淀粉的凝膠特性、溶解度和膨脹度

2.5 溶解度和膨脹度

淀粉的溶解與膨脹直接反映淀粉無定形區和結晶區結構比例和分子間氫鍵的結合程度，歸因于淀粉顆粒結構、溫度、直鏈淀粉/支鏈淀粉比率、分子量、鏈之間的結合程度和磷含量[29]。原淀粉和不同超聲時間處理的糙米淀粉的溶解度和膨脹度如表3所示。超聲處理后的糙米淀粉與糙米原淀粉相比，溶解度有較為明顯的升高趨勢，超聲處理時間為10 min時，溶解度升高至最大，膨脹度也有一定的升高，但與原淀粉相比無顯著差異(P>0.05)。因此，超聲處理破壞了糙米淀粉的結晶結構、顆粒結構以及短程有序化結構，使得淀粉分子由有序變得混亂無序，提高了糙米淀粉顆粒的親水性，并加強了淀粉分子與水分子間的相互作用，最終導致糙米淀粉的溶解度有所增加。王宏偉等[22]也得出一致結果。

2.6 糙米淀粉結構與理化特性相關性分析

淀粉的結構和理化特性對淀粉基食品的加工特別重要，這兩種特性間存在著某種相關性，能夠影響淀粉基食品的生產過程及最終品質。將淀粉結構與理化特性進行相關性分析，得到的結果見表4。

表4 糙米淀粉結構與理化特性相關性分析

糙米淀粉的粒徑與峰值黏度(0.959)呈極顯著正相關，也與崩解值(0.834)呈顯著正相關，1 047/1 022 cm-1與膠黏性(0.827)呈顯著正相關。這說明粒徑越大的糙米淀粉擁有越大的峰值黏度和崩解值。糙米淀粉的膠黏性隨著短程有序結構的有序程度的增加而增加。García等[30]對不同粒徑的淀粉顆粒進行超聲處理，同樣發現粒徑較大的淀粉比粒徑較小的淀粉具有更高的峰值黏度。

3 結論

超聲處理10 min對糙米淀粉的官能團和化學鍵無影響，但降低了糙米淀粉的粒徑和短程有序化結構的有序程度；對糙米淀粉的糊化特性有顯著影響，使得糙米淀粉的峰值黏度、崩解值都顯著降低。這表明超聲處理淀粉與水分子的結合能力減小，老化能力減弱，具有較強的抗剪切和抗氧化能力；使得糙米淀粉的凝膠強度顯著降低，溶解度顯著增加，主要是通過破壞了糙米淀粉凝膠的內部網絡結構、結晶結構、顆粒結構以及短程有序化結構。粒徑越大的糙米淀粉擁有越大的峰值黏度和崩解值。糙米淀粉的短程有序化結構的有序程度越高，其膠黏性越高。