脉冲电场对西米淀粉物化性质的影响*

张本山 李芬芬 陈福泉，2

(1.华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640;2.华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东广州510640)

淀粉作为一种可再生的资源，已广泛应用于食品、造纸、纺织、化工等行业［1］.在所有淀粉中，西米淀粉是食物中一种很有价值的成分，它是从西谷椰子中分离获得的;在马来西亚每年生产约30万吨西米淀粉，是当地居民的主要食物来源，他们用其粗粉制汤、糕饼、布丁和酱汁增稠剂［2］.西米淀粉在食品工业上已有很长的应用历史，特别是在东南亚地区，但目前国内对它的研究却很少.高凌云、陈翠兰等［3-4］对西米原淀粉的组成、颗粒形貌、颗粒结晶结构及热特性、糊化性质、透明度、老化性等性质进行研究;刘淑丽［5］对西米原淀粉基本的物理性能和流变性能进行论述.但总体上说，国内对其研究还不深入，因此，对西米淀粉的研究具有重要的现实意义.

不同的处理方法对淀粉的物化性质有不同的影响.Lewandowicz等［6］报道，马铃薯淀粉经过微波加热处理后，其晶型和结构均发生变化;Blaszczak等［7］报道，淀粉经过高静压处理后，淀粉的结晶度降低;Wang等［8］研究发现，玉米淀粉经过高压均质后，其结晶结构破坏、糊化温度和糊化焓显著下降;罗志刚等［9］对超声处理后高链玉米淀粉糊的性质进行了研究，发现超声处理使得淀粉糊的冷稳定性增强、凝沉性减弱.高压脉冲电场技术是近年来发展起来的一项新兴的非热加工技术，它已成功应用于处理低黏度和低电导率的液体食品，如牛奶、酸奶、豆奶、果汁等［10］.到目前为止，关于脉冲电场对西米淀粉物化性质影响的相关研究鲜见报道.文中在不同强度脉冲电场下处理西米淀粉，系统研究了脉冲电场处理后的西米淀粉的物化性质，并与西米原淀粉性质进行比较，一方面丰富了淀粉前处理的方法，另一方面为脉冲电场在淀粉领域的应用提供理论参考依据.

1 实验材料与设备

西米淀粉，购于马来西亚，水分含量为14.21%(质量分数);所用化学药品均为分析纯化学试剂，天津市富宇精细化工有限公司生产;高压脉冲电场设备，广州云星科学仪器有限公司生产;S3700型扫描电子显微镜，日本日立有限公司生产;Malvern Mastersizer2000激光粒度分析仪，英国莫尔文仪器有限责任公司生产;D/max 2200 VPC粉末X射线衍射仪，日本理学公司生产;Perkin-Elmer DSC-7型差示扫描量热仪，美国Perkin-Elmer公司生产;Viscograph-E型 Brabender黏度仪，德国 Brabender公司生产.

2 实验方法

2.1 脉冲电场系统

脉冲电场系统主要由脉冲电场发生装置、数据采集控制系统和处理室组成.脉冲电场发生器与处理室相连，用所期望的频率、电压峰值，产生连续不断的高压脉冲，使淀粉与脉冲电场作用，发生组织结构等变化［11］.文中，西米原淀粉在连续的高压脉冲电场系统中处理.处理室由两个平行铜电极和一个管状的聚四氟乙烯绝缘体组成.西米原淀粉泵入处理室后，接受高压脉冲电场处理.淀粉乳的流速由转子流量计控制，输入电压和脉冲波形由示波器监控.此外，利用插在进出口的探针来监测样品的温度.处理前样品的温度为室温，处理后样品的温度不超过40℃.利用调节至室温的水浴锅来及时冷却处理后的样品.

2.2 脉冲电场处理淀粉

用蒸馏水配制8%(质量分数，下同)的淀粉乳，加适量KCl调节电导率为200μs/cm.用磁力搅拌器搅拌淀粉乳，同时泵入处理室分别接受强度为30、40、50kV/cm的高压脉冲电场处理，循环处理3次.淀粉乳流速控制为60mL/min，样品温度控制在40℃以下以防糊化.处理后的样品过滤，然后在40℃烘箱中干燥24h.

2.3 淀粉颗粒形貌分析

采用S3700型扫描电镜观察淀粉颗粒形貌，电子枪加速电压为10.0kV，放大倍数为2000倍.

2.4 淀粉颗粒粒径测定

采用Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定淀粉颗粒粒径，经计算机软件处理分析结果，可得出各淀粉样品的粒径分布图和平均粒径数据，平行测定3次.

2.5 结晶性测试

采用D/max 2200 VPC型X射线衍射仪测定结晶特性，Cu-Kα辐射，管压40kV，管流30mA，扫描速度10°/min，扫描范围 3°～60°，步宽 0.04°，Ni片滤波，波长为154.06 pm，发射及防反射狭缝1°，接受狭缝0.2mm，平行测定3次.

2.6 热特性测试

采用Perkin-Elmer DSC-7型差示扫描量热仪测定淀粉的热特性.称取淀粉样品2.5mg(干基)于铝盘中并加入5.0 μL的去离子水，密封后置于冰箱(4℃)中过夜，测试前室温下平衡1 h.以空白的铝盘用作参比，加热范围是20～90℃，加热速率10℃ /min［12］，平行测定 3 次.

2.7 淀粉糊黏度特性测试

准确称取一定量样品，在600 mL烧杯中加入适量的蒸馏水配制6%的淀粉乳，将搅匀后的淀粉乳样品倒入黏度仪的测量杯中，开动仪器，以1.5℃/min的速率从 30℃加热到 95℃，保温 30 min，再以1.5℃/min的速率冷却到50℃，保温30min，自动获得黏度曲线［13］，平行测定3次.

3 结果与分析

3.1 淀粉颗粒的形貌分析

经不同强度脉冲电场处理后的西米淀粉及西米原淀粉的扫描电镜分析结果如图1所示.

图1 不同强度脉冲电场处理后西米淀粉的扫描电镜图Fig.1 SEM micrographs of sago starch treated at different electric field strength

由图1可以看出，西米原淀粉颗粒完整，表面光滑，呈现椭球体;经过强度为30 kV/cm的脉冲电场处理后，西米淀粉仍保持颗粒状，但是表面不再光滑，出现一些小的凹坑;经过强度为40 kV/cm的脉冲电场处理后，西米淀粉颗粒表面出现很大的凹坑;经过强度为50kV/cm的脉冲电场处理后，西米淀粉的一些颗粒破碎变形.

3.2 淀粉颗粒粒径分析

西米原淀粉及经不同强度脉冲电场处理后西米淀粉颗粒粒径的特征值如表1所示.由表1可知，当脉冲电场强度为30kV/cm时，脉冲电场对西米淀粉颗粒的作用还不明显，淀粉颗粒的体积平均粒径和表面积平均粒径略有减小，这种粒径的减少与西米淀粉颗粒表面已经出现了一些小的凹坑有直接关系;当脉冲电场强度增加到40kV/cm时，脉冲电场对西米淀粉颗粒的作用表现出来，淀粉颗粒的体积平均粒径和表面积平均粒径分别从原淀粉的34.274 μm 和 31.559 μm 减 小 到 34.003 μm 和31.250μm;特别是d(0.9)，从原淀粉的 47.374 μm 减小到45.807μm，这与图1(c)中颗粒表面的凹坑进一步加大并导致颗粒明显变小相对应;当脉冲电场强度进一步增加到50kV/cm时，脉冲电场对西米淀粉颗粒的作用更加明显，淀粉颗粒体积平均粒径和表面积平均粒径分别减小到33.877μm和30.928 μm，同时，d(0.9)显著减小到43.301μm，与西米原淀粉颗粒相比，下降了4.073μm，此时导致颗粒粒径变小的原因不仅是颗粒表面出现的凹坑，同时还有少量颗粒破碎现象发生，这种现象与图1(d)中可以明显看到颗粒破碎相一致.在脉冲电磁场的作用下，西米淀粉颗粒表面出现凹坑甚至碎裂的现象，这可能与淀粉分子中存在极性化学键有关.这种极性化学键在脉冲电场和脉冲磁场的交替作用下发生了化学键的断裂并直接导致颗粒强度减弱，出现颗粒表面局部脱落形成凹坑，甚至颗粒破碎，颗粒平均直径变小.

表1 不同强度脉冲电场处理后西米淀粉颗粒的粒径1)Table 1 Diameters of sago starch granules treated at different electric field strength

此外，由表1可见，当电场强度由0增到30、40、50kV/cm时，比表面积逐渐增大.由于颗粒粒径越小，比表面积越大，从比表面积的增大说明西米原淀粉经过脉冲电场处理后颗粒粒径减小，而且随着电场强度的增加，颗粒粒径越来越小.最后通过单因素方差分析可知，脉冲电场在0～50kV/cm之间，对于d4，3和d3，2各测值点处P值均大于 0.05，表明脉冲电场对淀粉颗粒的体积平均粒径和表面积平均粒径影响不显著;对于d(0.9)各测值点处P值均小于0.05，表明脉冲电场对累计分布百分数达到90%时对应的粒径值影响显著.

3.3 淀粉颗粒结晶性分析

不同强度脉冲电场处理后西米淀粉的X射线衍射图谱如图2所示.由图2可见，西米淀粉经过脉冲电场处理后，其峰形未发生变化，其晶型为A型，与Fasihuddin［2］报道西米淀粉为C型不同，这是由于在测试前先对样品进行干燥，在5.6°处的峰在干燥或部分干燥的情况下减弱或消失了.采用MDI Jade软件可以测出西米原淀粉相对结晶度为25.7%;当西米淀粉经强度较低的电场(30 kV/cm)作用后，其相对结晶度稍有降低，为24.6%;当电场强度增加到40和50 kV/cm时，淀粉的结晶结构破坏较大，相对结晶度分别降低到23.7%和20.8%.这是由于西米淀粉经过脉冲电场处理后，颗粒破碎，从而导致结晶区破坏，使得相对结晶度降低.

图2 不同强度脉冲电场处理后西米淀粉的X射线衍射图Fig.2 XRD patterns of sago starch treated at different electric field strength

3.4 热特性分析

不同强度脉冲电场处理后西米淀粉的热力学特征值如表2所示.由表2可见，与西米原淀粉的to和tp相比，经过30 kV/cm脉冲电场处理后的西米淀粉，其to和tp稍有下降;当电场强度增加到40kV/cm时，to和tp进一步下降，但是下降幅度仍旧不大;当电场强度进一步增加到50kV/cm时，脉冲电场对西米淀粉的热特性影响明显，to下降约1℃;不同强度脉冲电场处理后的西米淀粉的tp下降的幅度小于to下降的幅度，这导致糊化温度范围的扩大.此外通过单因素方差分析可知，脉冲电场在0～50kV/cm之间，对于to和tp各测值点处P值均小于0.05，表明脉冲电场对西米淀粉的to和tp影响显著.同时由表2看出，随着电场强度的增大，糊化焓减小;且随着电场强度的增大，糊化焓下降的幅度越来越大，脉冲电场对西米淀粉的热特性影响越来越明显.根据Wang等［8］的报道，淀粉糊化焓与淀粉的结晶区有关.从上述X射线衍射图谱分析，高强度的脉冲电场破坏西米淀粉的结构，使得结晶区破坏;因此在加热过程中，水分子与结晶区分子作用更容易，从而使得糊化焓下降.

表2 不同强度脉冲电场处理后西米淀粉的热力学性质1)Table 2 Thermal properties of sago starch treated at different electric field strength

3.5 淀粉糊黏度分析

不同强度脉冲电场处理后西米淀粉的Brabender黏度曲线如图3所示，其特征值如表3所示.

图3 不同强度电场处理后西米淀粉的Brabender黏度曲线Fig.3 Brabender viscosity curves of sago starch treated at different electric field strength

表3 不同强度脉冲电场处理后西米淀粉糊黏度的特征值1)Table 3 Characteristic viscosity values of sago starch treated at different electric field strength

由表3可知，西米淀粉经过不同强度脉冲电场处理后，起糊温度下降，这是由于脉冲电场破坏西米淀粉的结晶结构，使得淀粉糊化变得容易，因此糊化温度降低.与西米原淀粉的起糊温度相比，经过强度为30kV/cm的脉冲电场处理后的西米淀粉，起糊温度下降较明显，当电场强度进一步增加到40和50kV/cm时，起糊温度下降的幅度不大，这说明脉冲电场刚开始作用于西米淀粉时，它对淀粉起糊温度作用明显，当继续增大电场强度时，效果不再明显.同时，随着电场强度的增强，峰值黏度增加，在电场强度为50kV/cm时达到最大;此外，随着电场强度的增强，BD、ED和BE值增加;与西米原淀粉的BD、ED和BE相比，经过30和40 kV/cm的脉冲电场处理后西米淀粉的BD、ED和BE稍有增加，直到电场强度为50kV/cm时达到最大.由此可知西米淀粉经过脉冲电场处理后，其糊热稳定性下降，凝胶性和凝沉性增强，而且，随着电场强度的增强，这些现象变得更加显著.

4 结论

(1)经过脉冲电场处理后的西米淀粉，其淀粉颗粒形貌遭到不同程度的破坏，而且随着脉冲电场强度的增大，这种破坏作用更加明显，当电场强度为50kV/cm时，西米淀粉的一些颗粒已经变形;

(2)随着脉冲电场强度的增加，淀粉颗粒体积平均粒径和表面积平均粒径降低;

(3)西米淀粉经脉冲电场处理后结晶结构破坏，相对结晶度减小，且随着电场强度的增强，相对结晶度减小的幅度增大;

(4)随着脉冲电场强度的增大，起糊温度、峰值温度和糊化焓均下降;

(5)西米淀粉经过不同强度脉冲电场处理后，其起糊温度和糊热稳定性下降，凝胶性和凝沉性增强，而且，随着电场强度的增强，这些现象变得更加显著;

(6)西米淀粉经过脉冲电场处理后，其物化性质都发生了不同程度的变化，因此利用高压脉冲电场制备变性淀粉将是一项新技术，对于脉冲电场在淀粉领域的应用还亟待更进一步的研究.

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