濕熱處理對紅薯淀粉特性的影響

高雪麗，張夢迪，王夢赟，李光輝，王永輝，何勝華，黃繼紅，孫溪烽，郭衛蕓,*

（1.許昌學院食品與藥學院，河南許昌 461000；2.功能食品綠色制造河南省協同創新中心，河南許昌 461000；3.河南省盛田農業有限公司，河南許昌 461000）

紅薯又稱甘薯、地瓜，是一種重要的經濟作物，在我國的種植面積和年產量居世界首位。紅薯中含有多種營養成分和微量元素，具有很高的營養價值和藥用價值[1-2]，其中淀粉質量分數高達30%左右，是天然淀粉的重要來源。紅薯淀粉具有吸水能力強、價格低廉等優點，在食品加工中應用廣泛。濕熱處理是一種在較低水分含量（通常＜40%）條件下進行高溫處理，從而誘導淀粉分子重排的物理改性方式[3-4]。因其僅涉及水分和熱能，處理過程中不加入任何化學或生物試劑，無殘留，花費少，是一種環境友好型的淀粉改性技術[5-6]。

目前，濕熱處理被廣泛應用在植物源淀粉改性方面。例如，Maior 等[7]研究了濕熱處理對玉米淀粉的影響，發現經濕熱處理后玉米抗性淀粉含量增加；唐瑋澤等[8]研究了經過多次濕熱處理后大米淀粉結構和性質的變化規律，發現隨著濕熱處理次數的增加，大米淀粉的含水量、溶解度和膨脹力都呈下降趨勢；Mathobo 等[9]綜述了濕熱處理對谷物、豆類、塊莖淀粉性質的影響，表明所有受試淀粉的熱特性和功能特性均發生了明顯變化；Brahma 等[10]采用濕熱處理馬鈴薯淀粉，發現淀粉的溶脹性、溶解性和凍融穩定性均低于天然淀粉，且濕熱處理直接導致馬鈴薯抗性淀粉的占比增加；Siwatch 等[11]研究表明，濕熱處理后莧菜淀粉的熱穩定性提高，從而提高了其在食品工業中利用率。以上研究表明，濕熱處理是一種能夠有效改善谷物及薯類淀粉理化性質及功能特性的方法。盡管廖盧艷等[12]以淀粉回生值為主要指標，采用響應面法優化得到了濕熱處理的關鍵性參數，并得到了較采用原紅薯淀粉生產具有更優蒸煮品質、質構品質和感官品質的紅薯粉條產品；Oliveira 等[13]研究了濕熱處理對紅薯淀粉的影響，發現經處理后紅薯淀粉的顆粒發生凝集，平均尺寸減小，粗糙度增加，結晶度下降。但尚未見濕熱處理對不同品種紅薯淀粉改性影響規律以及經濕熱處理后紅薯淀粉吸水特性變化規律的相關研究報道。

淀粉的吸水特性會影響加工品質，而淀粉在實際加工利用過程中，往往會涉及到浸泡吸水過程，濕熱處理后淀粉的理化性質會發生較大的改變，其吸水特性也會不同[14-15]。為了全面研究濕熱處理對紅薯淀粉理化和結構等特性的影響，本研究以五個品種的紅薯淀粉為實驗對象，研究濕熱處理對其溶解度、膨潤力、持水力、透光率、凝沉性的影響，進而探明濕熱處理對紅薯淀粉晶體結構及吸水特性的影響規律，以期為紅薯淀粉加工產業的發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅薯（品種分別為濟薯26 號、郭香、煙薯25號、秦薯5 號、龍薯9 號）由河南省盛田農業有限公司提供；紅薯淀粉（二級）購于山東圣琪生物有限公司；去離子水 實驗室自制。

DHG-924385-III 電熱恒溫鼓風干燥箱 上海新苗醫療器械制造有限公司；XMTD-204 電熱恒溫水浴鍋 常州普天儀器制造有限公司；JW-2019HR 臺式冷凍離心機 安徽嘉文儀器裝備有限公司；UV-7504 紫外可見分光光度計 上海欣茂儀器有限公司；LT3002E 電子天平 常熟市天量儀器有限責任公司；Novanano 掃描電子顯微鏡 美國FEI 公司；D8-Adrance X-射線能譜儀 德國Bruker 公司；JY046 質構儀 北京盈盛恒泰科技有限責任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紅薯淀粉的提取及凈化 將紅薯清洗之后去皮、切塊，放入打漿機中打漿，用紗布包住在水里進行揉搓沖洗，過100 目篩，棄去殘渣后將淀粉液靜置，待淀粉沉淀完全后棄去上清液，重復清洗3 遍，最后置于55 ℃電熱恒溫鼓風干燥箱烘干，磨成粉末備用。

1.2.2 紅薯淀粉的濕熱處理 分別稱取適量五個品種紅薯淀粉放入燒杯中，用去離子水調整淀粉含水量為20%，密封于容器內靜置24 h 平衡水分，將紅薯淀粉置于電熱恒溫鼓風干燥箱中（110 ℃）處理2 h，后將樣品于45 ℃烘箱中干燥24 h，研磨粉碎并過100目篩，即得到濕熱處理（HMT）紅薯淀粉樣品，用于溶解度、膨潤力、持水力、透光率、凝沉性指標的測定。

稱取一定量紅薯淀粉，清洗，45 ℃烘箱中干燥12 h，研磨，過100 目篩后備用。為探明紅薯淀粉初始水分含量對經濕熱處理紅薯淀粉吸水特性的影響，定量稱取五份經干燥處理的紅薯淀粉，分別調節水分含量為0%、20%、25%、30%、35%、40%，按照上述平衡水分、熱處理和粉碎方法處理，即得HMT 紅薯淀粉樣品，分別記為HMT-0、HMT-20、HMT-25、HMT-30、HMT-35、HMT-40，用于吸水特性及結構特征分析[15-16]。

1.2.3 指標測定

1.2.3.1 溶解度及膨潤力 準確稱取五份各0.5 g 紅薯淀粉，置于50 mL 離心管中，加蒸餾水至刻度線處，混勻制備成淀粉乳，分別置于50、60、70、80、90 ℃恒溫水浴鍋中加熱糊化15 min，注意加熱時需要不斷振動。將淀粉乳冷卻到常溫后，以4000 r/min離心20 min，將上清液倒入干燥至恒重的稱量皿中，105 ℃烘干至恒重，同時稱重離心管中沉淀質量。按公式（1）和（2）分別計算淀粉樣品的溶解度與膨潤力。

式中：S 為溶解度（%）；P 為膨潤力（g/g）；A 為上清液恒重（g）；W 為樣品質量（g）；B 為沉淀物濕重（g）。

1.2.3.2 持水力測定 準確稱取2.0 g 紅薯淀粉樣品，置于50 mL 離心管中，加入30 mL 蒸餾水，振蕩1 h 后，4000 r/min 冷凍離心10 min，倒出上清液并將離心管內的沉淀物倒置10 min，稱取沉淀物的質量。按公式（3）計算淀粉樣品的持水力。

式中：C 為持水力（%）；M1為沉淀物質量（g）；M0為樣品質量。

1.2.3.3 透明度測定 將樣品配成1%的淀粉乳，取50 mL 于100 mL 燒杯中，置沸水中加熱30 min，冷卻至室溫后，在650 nm 波長下測定透光率。透明度用分光光度所測透光率（T，%）計，以蒸餾水做參比。

1.2.3.4 凝沉性測定 準確稱取1.0 g 紅薯淀粉樣品，配制成10 g/L 淀粉乳，放入沸水浴中加熱糊化15 min，冷卻至室溫后，取25 mL 淀粉糊移入25 mL量筒中，靜置觀察上清液體積的變化，每隔一定時間（1、2、4、8、12、24、48 h）記錄上層清液體積。按公式（4）計算紅薯淀粉的凝沉性。

式中：N 為凝沉性（%）；V0為淀粉糊總體積（mL）；V1為上層清液體積（mL）。

1.2.3.5 吸水特性測定 參照劉子禎等[17]方法并做修改，稱取一定量HMT-0、HMT-20、HMT-25、HMT-30、HMT-35、HMT-40 樣品，在不同條件下浸泡吸水，浸泡溫度40 ℃，浸泡時間分別設定為20、30、40、50、60、120、180、240、300 min。浸泡結束后，按GB 5009.3-2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》所述方法測定所得淀粉樣品中的水分含量。

采用Peleg 模型模擬紅薯淀粉樣品的吸水過程，根據直線的斜率和截距計算出K1和K2，把K1和K2分別帶入Peleg 方程，即可得到紅薯淀粉的浸泡吸水模型。Peleg 模型如公式（5）：

式中：K1，K2：吸水動力學系數；Mt：t 時間下的水分含量（%）；M0：初始水分含量（%）；t：時間（min）。

1.2.3.6 X 射線衍射分析 參考喬昂等[18]的研究方法并稍加修改，采用X射線衍射儀進行結晶特性測定，參數設置：采用Cu 靶，石墨單色器，管壓40 kV，電流30 mA，掃描范圍衍射角2θ為10°～60°，步寬0.02°，掃描速率4°/min。應用MDL Jade6.5 軟件進行數據分析。

1.3 數據處理

除特別說明，本文所涉及的數據類測定實驗均進行3 次平行，結果取平均值，數據均運用Excel、SPSS20 和Origin8 軟件進行整理分析并作圖。

2 結果與分析

2.1 濕熱處理對紅薯淀粉溶解度的影響

溶解度反映的是淀粉在糊化后，淀粉中可溶于水的部分所占全部淀粉干重的比值。濕熱處理后五種紅薯淀粉溶解度變化趨勢見圖1。

溶解度對紅薯淀粉在食品生產加工上影響較大，會直接影響淀粉制品在實際生活中的應用[19]。圖1 為濕熱改性前后五種紅薯淀粉在50～90 ℃條件下溶解度的變化情況。由圖可知，濕熱處理前后紅薯淀粉的溶解度均隨溫度的升高而升高。原因是經過濕熱處理后，紅薯淀粉中的部分直鏈淀粉與水分子結合度增加，使得淀粉顆粒迅速膨脹和破裂，而且，各類淀粉分子之間作用力發生了斷裂重排，從而促使紅薯淀粉的溶解度增加[20-21]。除龍薯9 號外，其他四個品種的紅薯淀粉在濕熱處理后溶解度均較原淀粉顯著降低（P＜0.05）。對于大部分紅薯品種，由于濕熱處理使紅薯淀粉中部分支鏈淀粉水解，導致直鏈淀粉比例增大；而且，直鏈淀粉和支鏈淀粉、直鏈淀粉和直鏈淀粉分子之間的結合發生了斷裂重排，使顆粒內部的淀粉分子不易溶出，導致其中可利用的水合羥基也隨之減少，故濕熱處理使紅薯淀粉溶解度降低[22]。

2.2 濕熱處理對紅薯淀粉膨潤力的影響

濕熱處理后五種紅薯淀粉膨潤力變化趨勢見圖2。

圖2 濕熱處理對紅薯淀粉膨潤力的影響Fig.2 Effect of heat-moisture treatment on the swelling power of sweet potato starch

膨潤力能夠代表紅薯淀粉的持水能力以及顆粒內部分子與水的結合能力[23]，與溶解度等指標共同反映紅薯淀粉的水合能力。圖2 為濕熱改性前后五種紅薯淀粉在50～90 ℃ 條件下膨潤力的變化情況。由圖可知，濕熱處理后紅薯淀粉膨潤力較原淀粉明顯降低，在90 ℃ 條件下膨潤力變化最大，且五種紅薯淀粉均呈現相同趨勢。可能是因為濕熱處理引起淀粉內部結構重新排列，直鏈淀粉與直鏈淀粉、支鏈淀粉間相互作用，從而形成更有序的淀粉簇，使得淀粉分子內部鍵能變強，雙螺旋結構變得更加緊密，使淀粉的致密化程度提高，降低淀粉顆粒膨脹能力[24]。喬昂等[18]、劉慶慶等[19]在糜子淀粉、天麻淀粉的濕熱處理研究中也獲得了類似的結果。盡管五種紅薯淀粉鵬潤力隨溫度變化的趨勢相同，但變化幅度不同品種之間仍存在差異，其中龍薯9 號和濟薯26 號兩個品種紅薯淀粉經濕熱處理后膨潤力的下降幅度較其他三個品種更為明顯。

2.3 濕熱處理對紅薯淀粉持水力的影響

持水能力反映了淀粉與水的結合程度。淀粉與水混合后，水分子進入淀粉結晶區，與暴露出的羥基形成氫鍵，淀粉的結構及組成成分對水結合能力有較大影響[25]。從圖3 中可以看出，五種紅薯淀粉經濕熱處理后持水力較原淀粉升高，這主要是由于濕熱處理使紅薯淀粉顆粒中暴露的羥基增多所致[26]。經濕熱處理后，濟薯26 號、煙薯25 號紅薯淀粉持水力最高，而郭香紅薯淀粉持水力最低。不同品種紅薯淀粉經濕熱處理后持水力增加程度有顯著區別，其中濟薯26 號和煙薯25 號品種紅薯淀粉持水力增加程度較大，而郭香品種紅薯淀粉持水力對濕熱處理的敏感度相對較低。提示在進行濕熱處理改性紅薯淀粉操作前對紅薯品種進行適當篩選非常必要。

圖3 濕熱處理對紅薯淀粉持水力的影響Fig.3 Effect of heat-moisture treatment on the water holding capacity of sweet potato starch

2.4 濕熱處理對紅薯淀粉透光率的影響

淀粉透光率受淀粉種類影響，一般來說，淀粉中直鏈淀粉含量越高，對光的透射能力越弱，透光率越低，反映淀粉的透明度越低[27]。由圖4 可以看出，濕熱處理前后五種紅薯淀粉透光率差異顯著（P＜0.05），其中煙薯25 號品種紅薯淀粉透光率最高，而秦薯5 號紅薯淀粉透光率最低。這主要是因為不同紅薯淀粉中直鏈淀粉含量不同，且淀粉顆粒大小也有差異，導致其透光率不同。濕熱處理使紅薯淀粉透光率顯著降低（P＜0.05），且五種紅薯淀粉均呈現相同趨勢，其中濟薯26 號、郭香、煙薯25 號三個品種紅薯淀粉經濕熱處理后透光率呈極顯著差異（P＜0.01）。原因可能是濕熱處理會使紅薯淀粉內部的支鏈淀粉發生分解，直鏈淀粉增多，且在濕熱處理時可能產生直鏈淀粉-脂復合物，導致直鏈淀粉的聚合度升高，透光率降低[28]。

圖4 濕熱處理對紅薯淀粉透光率的影響Fig.4 Effect of heat-moisture treatment on the light transmittance of sweet potato starch

2.5 濕熱處理對紅薯淀粉凝沉性的影響

凝沉性是淀粉分子發生重新排列的過程，淀粉種類是影響淀粉凝沉因素之一[18]。淀粉發生凝沉會導致其相關產品的品質下降，如饅頭、面包或加有淀粉的湯類液體放置一段時間后，淀粉凝沉，導致老化，口感變差。由圖5 可以看出，濕熱處理前五種紅薯淀粉凝沉性存在顯著差異（P＜0.05），其中秦薯5 號凝沉性值最高，而煙薯25 號最低。經濕熱處理后，與原淀粉相比五種紅薯淀粉凝沉性均顯著下降（P＜0.05）。可能的原因是濕熱處理后影響紅薯淀粉分子間的氫鍵締合，使得淀粉顆粒不易凝聚，導致凝沉性降低[25]。其中龍薯9 號、秦薯5 號、濟薯26 號、煙薯25 號紅薯淀粉均下降幅度較大，濕熱處理前后凝沉性差異極顯著（P＜0.01）。

圖5 濕熱處理對紅薯淀粉凝沉性的影響Fig.5 Effect of heat-moisture treatment on the sedimentation property of sweet potato starch

以上研究表明，經濕熱處理后紅薯淀粉的溶解度、膨潤力、凝沉性與透光率均較原淀粉降低，持水力均增強，且五種紅薯淀粉的理化性質變化總體趨勢相同，說明紅薯品種與濕熱處理對淀粉性質的影響規律無顯著相關性。淀粉在實際加工利用過程中，往往會涉及到浸泡吸水過程，濕熱處理后淀粉的理化性質會發生較大的改變，其吸水特性也會不同，因此后續濕熱處理對紅薯淀粉吸水特性、顆粒形態及晶體結構的影響規律研究以同種紅薯淀粉作為研究材料進行。

2.6 濕熱處理對淀粉吸水特性的影響

圖6 表示不同浸泡時間下紅薯淀粉的吸水情況。所有濕熱處理淀粉與原紅薯淀粉吸水過程均為0～60 min 快速吸水，60～300 min 吸水速率大幅度減小，趨近水平，這是由于浸泡介質和顆粒之間存在的高水分活度差異，干物質會迅速吸收水分并且發生軟化和溶脹[27]。原淀粉吸水達到平衡所需要時間約為180 min，與原淀粉相比，濕熱處理淀粉吸水達到平衡所需要時間約為120 min，吸水達到平衡所需要的時間較原淀粉短，且濕熱處理淀粉飽和吸水量較原淀粉有減小的趨勢。在相同浸泡時間下，濕熱處理水分含量越高，所得HMT 紅薯淀粉中的水分含量越高，如在吸水60 和300 min 時，HMT-20、HMT-25、HMT-30、HMT-35、HMT-40 淀粉的含水量分別為49.9%和52.32%、50.64%和52.52%、51.12%和52.92%、51.23%和53.55%、51.87%和53.63%。可能是因為濕熱處理對能夠促使淀粉結構坍塌、晶體破壞，淀粉分子吸水增多[28]。因此，為防止淀粉中顆粒膨脹過度而影響淀粉加工品質，應根據實際要求選擇合適的濕熱處理條件，以免影響淀粉深加工產品的質量。

圖6 不同浸泡時間下濕熱處理紅薯淀粉的含水量Fig.6 Water content of sweet potato starch by heat-moisture treatment under different immersion time

2.7 浸泡吸水動力學參數及浸泡方程

浸泡方程可以用來描述浸泡過程中紅薯淀粉的水分含量與溫度和時間的關系，通過此方程可求出相應溫度和時間下紅薯淀粉的近似含水量[17]。有研究表明，濕熱處理后紅薯淀粉的吸水動力學參數與浸泡溫度具有一定的線型相關[29]。不同初始水分含量下經濕熱處理所制得紅薯淀粉的吸水動力學參數K1和K2見表1，其中K1和K2分別表示吸水動力學方程直線的斜率和截距。從數值變化情況來看，盡管吸水動力學參數K1和K2與紅薯淀粉的初始水分含量不存在明顯線性相關性，但初始水分含量從20%～40%所制紅薯淀粉的吸水動力學參數K1均低于HMT-0，而吸水動力學參數K2數值變化很小。把K1和K2分別代入Peleg 方程，可得具體方程（見表1 末列），用此方程可計算和準確預測不同浸泡時間下紅薯淀粉的含水量[14]。

表1 濕熱處理紅薯淀粉的K1、K2 和浸泡方程式Table 1 K1,K2 and soaking equation of sweet potato starch soaked by heat-moisture treatment

2.8 濕熱處理對紅薯淀粉顆粒結晶結構的影響

圖7 為濕熱處理前后紅薯淀粉的X-射線衍射圖譜。淀粉顆粒的結晶區和無定形區中長程序列（分子鏈 堆砌次序）常通過X-射線衍射法測定。紅薯淀粉的特征衍射峰出現在2θ為15.027°、17.094°、22.899°處，仍是C 型結晶衍射特征[30]。濕熱處理后并沒有改變紅薯淀粉的晶體類型，依然是C 型結構。但經濕熱處理后，紅薯淀粉的結晶度隨著含水量的增加而減小，HMT-0、HMT-20、HMT-25、HMT-30、HMT-35、HMT-40 的結晶度分別為56.09%、54.13%、54.58%、42.59%、40.43%、30.82%，表明濕熱處理促使了淀粉鏈和螺旋結構的移動，這導致了無定形區和結晶區結構的改變。衍射峰強度逐漸降低，表明晶體有序化的程度有所減小，但仍不足以改變紅薯淀粉的晶體類型。

圖7 濕熱處理對不同初始水分含量紅薯淀粉結晶結構的影響Fig.7 Effect of heat-moisture treatment on the crystal structure of sweet potato starch with different initial moisture content

3 結論

本研究探討了濕熱處理對紅薯淀粉理化和結構等特性的影響。結果表明，濕熱處理后紅薯淀粉溶解度、膨潤力、凝沉性與透光率均降低，持水力均增強，且五種紅薯淀粉均呈現相同趨勢，說明紅薯品種與濕熱處理對淀粉性質的影響規律無顯著相關性；濕熱處理后并沒有改變紅薯淀粉的晶體類型，依然是C 型結構，但經濕熱處理后，紅薯淀粉的結晶度隨著含水量的增加而減小，表明濕熱處理是紅薯淀粉改性的有效方法。濕熱處理淀粉吸水達到平衡所需要時間較原淀粉短，且飽和吸水量較原淀粉有減小的趨勢，利用Peleg 模型方程模擬濕熱處理后紅薯淀粉的吸水規律，并計算出浸泡動力學吸水常數K1和K2，確定了淀粉的吸水動力學方程，可實現濕熱處理后紅薯淀粉在浸泡過程中的水分含量的預測。