循環熱處理對油莎豆淀粉流變特性以及促回生特性的影響

盛福楠，劉晗，賈夢，汪軒羽，李秀荷，王慧芳，王志偉，戴福宏，高鐵成，周中凱*，李寧*

（1.天津科技大學食品科學與工程學院，天津 300457；2.新疆三禮糧油有限公司，新疆圖木舒克 843900；3.廣州焙樂道食品有限公司，廣東廣州 511400）

油莎豆（CyperusesculentusL.）又名虎堅果，是莎草科一年生植物，原產于非洲和地中海沿岸國家，是一種優質、高產、綜合利用價值高的新型油料和糧食作物[1]。油莎豆中富含淀粉和脂肪，分別占干重的26%～30% 和21%～25%，同時還含有蛋白質（8%）和微量元素（1.7%），具有較高的營養價值和食用價值，可以被加工為飲料和零食，也用于牛軋糖、果漿、啤酒和冰激凌的調味劑[2-3]。

油莎豆應用廣泛，是一種有效的淀粉來源，但目前在我國油莎豆主要用于油料作物，關于淀粉的理化特性并不完善[4]。油莎豆淀粉是一種無味，外觀呈白色的粉末，先前研究表明，油莎豆淀粉中直鏈和支鏈的比例是1∶3，具有良好的耐酸性、凍融穩定性和凝膠強度，與玉米淀粉和馬鈴薯淀粉相似，較優于這兩種淀粉，因此在工業應用中具有巨大的潛力，可用于復合材料、食品、紡織和制藥行業[5-7]。淀粉的流變特性是其應用的重要質量指標，了解流體的流動類型可以進一步明確食品的組分、內部結構和分子形態等性能，有助于更好地利用淀粉資源[8]。淀粉回生是熱加工淀粉食品在儲藏過程中不可避免的現象，指淀粉在糊化后，淀粉分子從無序到有序重結晶的過程，在一定程度上會影響食品的品質及貨架期[9]。大量研究者通過回生制備抗消化淀粉，且先前研究表明小麥淀粉經3 次循環回生后可顯著改變其結構特征，并提高了抗性淀粉的含量[10]。因此，作為一種新型的淀粉資源，對油莎豆淀粉的回生特性研究對其加工利用尤其重要。

目前，對于油莎豆淀粉的研究我國仍處于初期階段，且先前研究多集中于基本結構及糊化特性，對其流變特性和回生特性鮮見報道。本研究通過提取油莎豆中淀粉，并以玉米淀粉為對照，探究不同濃度的淀粉溶液對其流變特性的影響，以及循環熱處理對油莎豆淀粉結構及理化特性的影響，以期為油莎豆淀粉的開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油莎豆豆粕：新疆三禮糧油有限公司；玉米淀粉（corn starch，CN）：天津文星淀粉有限公司；唾液淀粉酶（500 U/g）、胃蛋白酶（15 000 U/g）、中溫α-淀粉酶（2 000 U/mL）、糖化酶（100 000 U/mL）：阿拉丁試劑（上海）有限公司；鹽酸、無水乙酸鈉（均為分析純）：天津江天化工技術有限公司；葡萄糖試劑盒：長春匯利生物科技有限公司；

1.2 儀器與設備

快速黏度分析儀（Techmaster）：Newport Scientific公司；動態流變儀（HAAKE，MARS60）、傅里葉變換紅外光譜儀（IS50）：德國賽默飛世爾科技公司；差示掃描量熱儀（Mettler-Toledo，DSC3）：瑞士梅特勒-托利多集團；低場核磁（Micro MR-25）：上海紐邁電子科技有限公司；偏光顯微鏡（59XC-PC）：上海光學儀器一廠；水浴搖床（TS-110XS）：上海科辰試驗設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 油莎豆淀粉的提取

油莎豆淀粉的提取參照Yu 等[11]的方法并略作修改，將油莎豆豆粕反復水洗多次，用紗布過濾，除去雜質后4 000 r/min 離心15 min，將離心后的沉淀物浸于pH10 的堿液中，常溫攪拌2～3 h，然后4 000 r/min 離心15 min 棄去上清液。沉淀物質反復水洗，以除去雜質。沉淀用無水乙醇清洗，將烘干后的樣品磨粉后過100 目篩備用，即油莎豆淀粉（Cyperusesculeutusstarch，YN）。

1.3.2 不同淀粉濃度的糊化特性測定

分別稱取玉米淀粉（CN）和油莎豆淀粉（YN）放于鋁筒中，加入25 mL 水，分別配制成質量分數為8%、12%的玉米和油莎豆淀粉溶液，記為CN-8%、YN-8%、CN-12%、YN-12%。參照GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性測定快速粘度儀法》，用快速黏度分析儀（rapid viscosity analyzer，RVA）測定，研究不同淀粉濃度對淀粉糊化特性的影響[12]。

1.3.3 淀粉的流變特性測定

將經RVA 糊化后的兩種不同濃度的玉米和油莎豆淀粉冷卻至室溫，測定其流變特性[13]。

動態流變特性測定：使用直徑35 mm 的平板，上下板間隙設定為0.1 mm，溫度為25 ℃，對樣品進行振幅掃描，測定頻率范圍為0.1～10 Hz，掃描應變為0.5%，得到樣品的儲能模量（G′）和損耗模量（G″）隨頻率的變化情況。

靜態流變特性測定：測試溫度25 ℃，剪切速率從0 s-1增加至300 s-1，再從300 s-1降低至0 s-1，測定剪切應力隨剪切速率的變化趨勢。

1.3.4 循環熱處理回生淀粉的制備

回生淀粉的制備參照Hu 等[10]的方法，將濃度為8%、12% 的油莎豆與玉米淀粉懸浮液，放于高壓鍋中使其徹底糊化，將糊化后的淀粉放至4 ℃冰箱回生24 h后，將樣品再次放入高壓鍋內進行第二次糊化后，放入4 ℃冰箱再次回生24 h，如此反復3 次，得到3 次回生樣品，將回生處理后的樣品凍干后碾磨，并過100 目篩，以備后用。回生后的玉米淀粉（retrograded corn starch，RCN）和回生后的油莎豆淀粉（retrogradedCyperusesculeutusstarch，RYN）分別記為RCN-8%、RYN-8%、RCN-12%、RYN-12%，8% 和12% 分別代表淀粉濃度。

1.3.5 熱力學特性測定

稱取4 mg 樣品放于鋁制坩堝內，然后加入10 μL的去離子水，攪拌均勻后壓片密封，室溫平衡6 h 進行測定，以空鋁制坩堝作為空白對照。測試溫度范圍為25～125 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.3.6 傅里葉變換紅外光譜分析

稱取1 mg 的樣品和150 mg 的溴化鉀于研缽中混合碾碎，放入模具中壓片1 min，對樣品進行掃描分析。掃描波數范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描累加16 次。

1.3.7 水分遷移變化規律測定

利用低場核磁測定糊化后的原淀粉和回生后的淀粉凝膠內部水分分布的情況[14]，測定參數：主頻SF=22 MHz，偏移頻率O1=388 981.83 Hz，90°脈沖射頻脈寬P1=5.00 μs，信號采樣點數TD=80 012，重復采樣等待時間TW=1 000.00 ms，重復采樣次數NS=8，回波時間TE=0.4 ms。

1.3.8 體外消化特性測定

淀粉的消化特性參照Xiao 等[12]的方法，并略作修改。準確稱取200 mg 樣品于錐形瓶中，加入300 μL的唾液淀粉酶溶液，37 ℃在水浴振蕩5 min，然后加入15 mL 的胃蛋白酶振蕩30 min，在反應液中依次加入15 mL NaOH、25 mL 醋酸鈉緩沖液和10 mL 復合酶溶液，于37 ℃水浴搖床中繼續反應。在反應期間，取0、20、120 min 的反應液于沸水中滅酶10 min后10 000 r/min 離心10 min，用葡萄糖試劑盒法測定樣品中葡萄糖釋放量。

1.3.9 淀粉顆粒的偏光顯微鏡分析

準確稱量0.1 g 樣品于離心管中，加入5 mL 的去離子水，搖勻。將溶液滴于載玻片中央，放于顯微鏡下，選擇合適的放大倍數，分別在普通光與偏振光下拍攝淀粉顆粒形貌。

1.4 數據處理

采用Origin Pro 9.0 以及SPSS 19 對試驗數據進行處理及顯著性統計分析，其顯著性差異水平為P＜0.05，且所有試驗均重復3 次。

2 結果與分析

2.1 不同淀粉濃度對油莎豆淀粉黏度特性的影響

RVA 反映淀粉的糊化、崩解、膨脹和凝膠特性，廣泛用于評價淀粉在食品基產品中的蒸煮特性和食用品質[15]。油莎豆淀粉和玉米淀粉的黏度曲線如圖1 所示。不同濃度油莎豆淀粉和玉米淀粉黏度特性參數如表1 所示。

表1 不同濃度油莎豆淀粉和玉米淀粉黏度特性參數Table 1 Viscosity parameters of Cyperus esculentus starch and corn starch

圖1 油莎豆淀粉和玉米淀粉的黏度曲線Fig.1 Viscosity curve of Cyperus esculentus starch and corn starch

由圖1 和表1 可得，油莎豆淀粉和玉米淀粉在濃度8%時其峰值黏度無顯著差異，而在濃度12%時油莎豆淀粉的峰值黏度（4 049.67 cP）顯著高于玉米淀粉（3 278.33 cP），但最終黏度無顯著差異。峰值黏度是指淀粉顆粒在加熱過程中吸水膨脹而相互摩擦產生的最高黏度，在本研究中，油莎豆淀粉較高的峰值黏度表明其具有較強的吸水溶脹能力，可能與淀粉顆粒大小有關，研究表明油莎豆淀粉的粒徑在2～15 μm，而玉米淀粉在15～25 μm[16]。濃度8% 時峰值黏度無顯著差異可能是淀粉分子在低濃度時產生空間位阻較大，阻礙了淀粉之間的聚集因而產生較低的黏度。相比于玉米淀粉，油莎豆淀粉呈現出較大的崩解值，表明其具有較弱的抗剪切能力，可能是淀粉內部結構較為松散，形成的凝膠結構不穩定[17]。回生值是最終黏度和谷值黏度的差值，反映了淀粉分子在冷卻過程中發生重排使黏度增加的過程，通常回生值不僅與直鏈淀粉含量有關，還與淀粉中直鏈淀粉的鏈長和支鏈淀粉的大小有關[8]。本研究中，油莎豆淀粉的回生值顯著高于玉米淀粉，且濃度越高回生值越高，表明油莎豆淀粉內部分子結構易退化和聚集，具有較強的回生特性，這可能與其較高的直鏈淀粉含量有關，已有研究表明，油莎豆淀粉中直鏈淀粉含量高于玉米淀粉[16]。

2.2 不同淀粉濃度對油莎豆淀粉流變特性的影響

動態流變特性是指儲能模量（G′）和損耗模量（G″）隨角頻率的變化趨勢，G′通常代表了淀粉糊在形變過程中由于彈性所引起的能量儲存，反映了凝膠網絡的剛性和彈性，G″代表了淀粉糊由于黏性變形過程中所損失的能量，反映凝膠網絡的黏性特征[12]。玉米淀粉和油莎豆淀粉的流變特性曲線如圖2 所示。

圖2 玉米淀粉和油莎豆淀粉的流變特性曲線Fig.2 Rheology curve of Cyperus esculentus starch and corn starch

由圖2 可知，兩種淀粉糊的G′和G″具有頻率依賴性，且G′均高于G″并無交叉，表明兩種淀粉所形成的凝膠網絡具有較強的彈性特征，呈現出弱凝膠行為[13]。相比于玉米淀粉，油莎豆淀粉形成的凝膠網絡呈現出較低的G′和G″，且油莎豆淀粉的G′隨頻率的增加而增加，表明油莎豆淀粉所形成的淀粉凝膠網絡在高頻率下呈現出較強的彈性，與玉米淀粉有所不同。此外，濃度12%的淀粉溶液所形成凝膠呈現出較強的黏彈性，這與糊化特性相一致，這主要是由于當淀粉濃度較高時，滲出的直鏈淀粉含量較高，淀粉分子間的氫鍵交聯度高，形成的凝膠網絡較強[18]。由圖2c 可知，損耗正切角均（tanα）小于1，表明這兩種淀粉所形成的凝膠更類似于固體，且tanα 隨著頻率的增加逐漸增加，表明樣品在高頻率下呈現出更黏的凝膠網絡特征[19]。此外，相比于玉米淀粉，油莎豆淀粉呈現出較高的tanα，表明G″的增長速率高于G′，且呈現出較強的流動性。

圖2d 測定了樣品的觸變特性，樣品在高速剪切作用下，內部的網絡結構受到破壞，當剪切速率降低時，在短時間內樣品不能恢復到原始的狀態，因而形成一個閉合的觸變環[20]。觸變環面積的大小代表了樣品受破壞的程度，面積越大表明受到破壞程度越大，越難以恢復到原來的狀態[8]。由圖2d 可得，油莎豆淀粉的剪切應力在低剪切速率下極速增加，淀粉分子間氫鍵斷裂，凝膠網絡結構遭到破壞，并在高頻率下逐漸穩定，表明淀粉分子從開始的網絡結構轉為定向流動，表現出剪切稀化行為[20]。此外，油莎豆淀粉的觸變環面積明顯大于玉米淀粉，且濃度越高面積越大，表明油莎豆淀粉所形成的凝膠網絡易被破壞，抗剪切力差，而玉米淀粉具有較強的抗剪切能力，這可能是由于油莎豆淀粉分子間相互作用較弱，分子間的氫鍵難以在短時間內恢復。

2.3 油莎豆淀粉的回生特性

2.3.1 循環熱處理對油莎豆淀粉熱力學特性的影響

利用差示掃描量熱儀（differential scanning calorimeter，DSC）測定油莎豆淀粉和以及經循環熱處理后淀粉的熱力學特性，包括糊化焓值（ΔH）和糊化溫度（起始溫度T0、峰值溫度TP、終值溫度TC）。原淀粉和回生后淀粉的DCS 曲線如圖3 所示，熱力學參數如表2 所示。

表2 原淀粉和回生后淀粉的熱力學參數Table 2 Thermal parameters of native and retrograded starch

圖3 原淀粉和回生后淀粉的DCS 曲線Fig.3 Differential scanning calorimeter（DSC）curve of native and retrograded starch

由圖3 和表2 可知，相比于玉米淀粉，油莎豆淀粉的ΔH略低，ΔH代表淀粉在加熱過程中破壞其結晶區和非結晶區雙螺旋結構時所需要的能量，因此油莎豆中較低的糊化焓值表明其淀粉的晶體結構略弱于玉米淀粉，可能與其較低的結晶度有關[9]。淀粉回生是指糊化后的淀粉分子由無序向有序狀態的轉變，通常與淀粉的種類、直鏈淀粉含量以及支鏈的鏈長有關[21]，由圖3 可知，經回生后淀粉的糊化溫度在40～60 ℃，糊化焓值在0.9～1.6 J/g 之間，表明這兩種淀粉在回生過程中形成了支鏈淀粉的重結晶結構[22]。此外，在本研究中，淀粉在低濃度下（8%）的ΔH值更大，表明其更易發生回生，這可能是在高水分含量下，淀粉分子鏈的遷移速度高，且水分子可參與淀粉分子間的重結晶，促進了氫鍵的結合，形成較為完整的晶體結構[22]。同時，由表2 可知，回生后的油莎豆的糊化溫度范圍（TC-T0）顯著低于玉米淀粉，這表明油莎豆淀粉在回生過程中可形成的較均一的支鏈淀粉晶體[10]。

2.3.2 循環熱處理對油莎豆淀粉短程有序結構的影響傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）是一種測量碳水化合物分子間相互作用和構象轉變的技術，是研究淀粉回生的一種簡單、快速的方法。原淀粉和回生淀粉的傅里葉紅外光譜與IR1047cm-1/1022cm-1比值如圖4 所示。

圖4 原淀粉和回生淀粉的傅里葉變換紅外光譜圖與IR1 047 cm-1/1 022 cm-1比值Fig.4 Fourier transform infrared spectroscopy and IR1 047 cm-1/1 022 cm-1 of native and retrograded starch

由圖4 可知，紅外圖譜中在3 700～3 000 cm-1范圍內有的較寬吸收峰，通常與淀粉間氫鍵的伸縮振動有關，而在淀粉回生過程中，氫鍵是淀粉鏈形成雙螺旋的主要作用力[18]。淀粉溶液濃度為8% 時，其氫鍵的羥基拉伸振動峰向較低的波數出移動，表明淀粉分子間的氫鍵作用力加強，具有較高的回生程度，這與DSC的結果一致[23]。此外，紅外光譜在1 200～800 cm-1范圍內主要與C—C 和C—O 鍵的拉伸有關，反映了淀粉的短程有序結構，其中1 047 cm-1和1 022 cm-1的吸收峰分別與淀粉的結晶區與無定形區有關，大量研究者用IR1047cm-1/1022cm-1的比值來評估淀粉在回生過程中的短程有序結構，其比值越大表明淀粉分子的回生程度越高，形成的晶體結構更加完美[18，24]。由圖4 可知，低濃度下的IR1047cm-1/1022cm-1較高，表明低濃度下的淀粉溶液可促進淀粉分子間氫鍵的結合，促進了淀粉的回生。經回生處理后，油莎豆淀粉的IR1047cm-1/1022cm-1值高于玉米淀粉，表明油莎豆淀粉在回生過程中的所形成的雙螺旋堆積密度較強，回生程度較高，這與RVA測定的回生值結果一致。

2.3.3 循環熱處理對油莎豆淀粉水分分布的影響

低場核磁測定樣品中的水分遷移規律，結果如圖5所示。

圖5 原淀粉與回生淀粉的水分遷移變化Fig.5 Water migration of native and retrograded starch

由圖5 可知，有3 種遷移率不同的水分分子，第一個峰的豫弛時間為0.1～1 ms，第2 個峰為1～100 ms，第3 個峰在100～1 000 ms，分別用T21、T22和T23表示，分別代表了凝膠體系中的緊密結合水、弱結合水和自由水[14]。淀粉在回生過程中其弛豫時間（T21、T22和T23）均向左移動。先前研究表明，回生時間的增加可降低樣品中的豫弛時間，這主要是由于淀粉分子聚集并重新排列，導致水分子的流動性受到限制[23]。此外，回生樣品中的自由水峰面積明顯增加，而結合水降低，表明了淀粉在回生過程中發生了水分遷移。淀粉回生過程中，淀粉鏈之間的氫鍵重新結合，導致水分子與淀粉之間的氫鍵斷裂，結合水轉化為游離水，從而使自由水含量增加[14]。此外，低濃度淀粉溶液（8%）經回生后所形成的凝膠中結合水的峰面積明顯降低，表明其回生程度較高，研究表明淀粉分子鏈的遷移速率會受到體系中的水分的影響，而較高的水分含量可加速淀粉分子鏈間的聚合[22]。

2.3.4 循環熱處理對油莎豆淀粉消化率的影響

淀粉是人類日常飲食中碳水化合物的主要來源。淀粉按消化率可分為3 類：快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS）、慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）和抗性淀粉（resistant starch，RS）[25]。RDS通常在口腔和小腸內快速消化吸收，SDS 是指在小腸中消化吸收較慢的淀粉，而RS 指小腸內無法消化吸收，需到達大腸內被微生物所降解的淀粉。SDS 和RS對消費者健康有積極作用，包括血糖控制、抑制結腸癌和肥胖發病率[26]。其中RS 分為5 個亞型（RS1～RS5），RS3 屬于回生淀粉，是通過直鏈淀粉回生或支鏈淀粉的重結晶/重排獲得的[27]。原淀粉和回生后淀粉的RDS、SDS 和RS 含量如表3 所示。

表3 原淀粉和回生后淀粉的RDS、SDS 和RS 含量Table 3 Content of rapidly digestible starch（RDS），slowly digestible starch（SDS），and resistant starch（RS）in native and retrograded starch%

由表3 可知，油莎豆淀粉和玉米淀粉的RDS、SDS和RS 無明顯變化，且原淀粉的RS 顯著高于回生淀粉，主要是由于回生淀粉在糊化過程中其晶體結構遭到嚴重破壞，促進了消化酶的作用。經回生后油莎豆淀粉的SDS 和RS 均高于玉米淀粉，表明回生后油莎豆淀粉具有較強的抗消化性能，這可能與其形成的較緊密的結晶結構有關。已有研究表明，回生過程中的淀粉分子可通過氫鍵形成晶體結構，致密的晶體結構可抑制消化酶進入顆粒內部，其中不完美的晶體結構與SDS 有關，而RS 主要與較完美的晶體有關[10]。此外，低濃度的淀粉溶液呈現出較高的RS，與高濃度的淀粉溶液相比分別增加6.39% 和6.52%，表明低濃度下的淀粉凝膠更易形成完美的晶體結構。

2.3.5 循環熱處理對油莎豆淀粉淀粉偏光十字特性的影響

偏光顯微鏡可觀察到淀粉顆粒的晶球結構，淀粉的晶體結構在偏振光照射下會出現偏光十字，偏光十字的變化在一定程度上可反映淀粉顆粒內部結晶結構及其比例的變化[28]。原淀粉和回生淀粉偏光顯微鏡圖如圖6 所示。

圖6 原淀粉和回生淀粉偏光顯微鏡圖Fig.6 Polarization micrographs of native and retrograded starch

由圖6 可知，原淀粉呈現出較強的偏光十字現象，且十字中心位于淀粉顆粒中心，表現出典型的淀粉球晶結構，玉米淀粉呈現出多邊結構，且顆粒較大，而油莎豆淀粉表面光滑、偏光十字較小且密集，表明油莎豆淀粉具有較小的粒徑。回生后淀粉的偏光十字消失，但偏振光下有不規則的片狀亮區，研究表明，在淀粉顆粒糊化后的重結晶過程中，較小的晶體會有序聚集，形成新的固態結晶產物，這可能是其產生亮區的原因[29-30]。此外，油莎豆形成的亮區更多，表明經回生處理的油莎豆淀粉更易形成晶體結構，這與DSC 和FTIR 所測定的結果一致。

3 結論

通過探究油莎豆淀粉的流變特性和回生特性。結果表明，相比于玉米淀粉，油莎豆淀粉顆粒表面光滑，粒徑較小；高濃度的油莎豆淀粉呈現出更高的峰值黏度、崩解值和回生值；流變特性顯示，油莎豆淀粉形成凝膠網絡的黏彈性較低，流動性較高，且油莎豆淀粉具有剪切稀化行為，觸變環面積較大，抗剪切能力較弱。經循環熱處理后的油莎豆淀粉在偏振光下呈現較大的亮區，具有較高的回生焓值和較小的糊化溫度范圍，且低濃度的淀粉溶液回生焓值越大；FTIR 結果顯示，循環熱處理后的油莎豆淀粉呈現出更高IR1047cm-1/1022cm-1比值，形成更緊密的短程有序結構；且油莎豆淀粉凝膠體系中的自由水比例明顯增加，弛豫時間降低，進一步表明該淀粉分子鏈間更易于結合，且較高的水分含量促使了分子鏈之間的纏結；消化特性表明，原油莎豆淀粉和玉米淀粉的RDS、SDS 和RS 無明顯變化，但循環熱處理后的油莎豆淀粉呈現出較高的SDS 和RS，且在低濃度下呈現出更強的抗消化特性。本研究為油莎豆淀粉產品的開發和利用提供了理論指導。