湿热处理对玉米淀粉理化性质及消化性的影响*

扶雄 张明 朱思明，2 黄强†

(1.华南理工大学 轻工与食品学院，广东 广州510640;2.喀什师范学院 生物与地理科学系，新疆 喀什844006)

淀粉是人类膳食中的主要碳水化合物，也是人体能量的主要来源.根据淀粉在人体的消化速度，可将淀粉分为快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS).研究表明［1］，不同种类的淀粉表现出不同的餐后血糖生成指数(GI)，低GI 值的食物可以缓慢吸收、持续释放能量，有助于维持血糖的稳定，预防糖尿病等慢性疾病.体外消化试验结果表明［2］，淀粉的消化速率与GI 值有显著相关性，SDS和RS 含量高的食物具有较低的GI 值.

湿热处理是一种在较低水分和较高温度下的物理改性方法［3］，由于处理过程仅涉及水和热，没有化学变化和化学残留，其改性手段十分安全.此外，湿热处理可以有效改善淀粉的理化性质，在现代食品加工中有潜在的应用前景.目前，国内外已有许多关于淀粉湿热处理后的理化性质的研究报道.Varatharajan 等［4］研究了马铃薯淀粉和蜡质马铃薯淀粉湿热处理后的理化性质，发现淀粉的结晶结构从B型变成了A+B 型，低温处理样品更容易被猪胰α-淀粉酶酶解，而高温处理样品反之.Puncha-arnon等［5］研究了米粉和大米淀粉湿热处理后的糊化性质，发现米粉的糊化性质变化更大.Klein 等［6］对经过压热处理、压热与湿热协同处理后的大米淀粉、木薯淀粉进行了研究，发现温度对淀粉的性质影响更显著，在120 ℃下湿热处理的淀粉拥有膨胀度低、低黏度、耐热性好等特性，适于食品加工.但到目前为止，有关湿热处理淀粉的消化性的研究较少.文中研究了不同水分湿热处理对玉米淀粉的理化性质及其消化性的影响，为含有慢消化或抗性淀粉的食品的开发提供理论指导.

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

普通玉米淀粉(食用级，一级品，脂肪含量0.15%(质量分数))，辽宁金信生化有限公司益海嘉里集团生产;猪胰酶(Cat.No.P7545，活力8 ×USP/mg)、淀粉葡萄糖苷酶(Cat.No.A7095，活力300 U/mL)，美国Sigma-Aldrich 公司生产;GOPOD 葡萄糖测试盒，爱尔兰Megazyme 公司生产;其他试剂均为分析纯.

1.1.2 仪器与设备

721 型可见分光光度计，上海菁华科技公司生产;Viscograph-E 型连续黏度仪，德国美最时公司生产;DSC8000 型差示扫描量热仪，美国PE 公司生产;D8 ADVANCE XRD 测试仪器，德国Bruker 公司生产;1530 VP 场发射扫描电镜，德国LEO 公司生产;ZFD 5090 鼓风干燥箱，上海智城分析仪器制造有限公司生产.

1.2 试验方法

1.2.1 湿热处理淀粉的制备

用去离子水分别调节普通玉米淀粉水分含量(以质量分数计)分别为15%、20%、25%、30%、35%，置于密封袋室温平衡24 h，后转移至耐温、耐压玻璃瓶中(HXBL 和星蓝盖试剂瓶，500 mL)，密闭，置于恒温鼓风干燥箱，于120℃湿热处理12h，室温冷却，于烘箱中40 ℃干燥，粉碎，过80 目筛，得到湿热处理淀粉样品.分别记为NCS-15、NCS-20、NCS-25、NCS-30、NCS-35，玉米原淀粉记为NCS.

1.2.2 扫描电镜观察

对原淀粉和NCS-35 进行扫描电镜分析，在红外灯下用导电胶将淀粉样品固定在样品台上，接着进行喷金处理，电子枪加速电压为20 kV，置于扫描电子显微镜中观察并拍摄具有代表性的淀粉颗粒形貌.

1.2.3 偏光显微镜分析

以甘油和水体积比为1∶1 的混合液为分散剂，将淀粉配成淀粉质量分数为2%的分散液，用滴管取少量淀粉乳滴在载玻片上，盖上盖玻片，置于偏光显微镜载物台上，选择合适的放大倍数和亮度，观察并拍摄淀粉颗粒的形貌特征，以玉米原淀粉为对照样，比较湿热处理后淀粉颗粒形貌的变化.

1.2.4 Brabender 糊化曲线的测定

测定条件:测量盒扭矩700 cmg，转子转速为250 r/min，升(降)温速率为7.5 ℃/min.

测定步骤:以蒸馏水配制淀粉质量分数为6%的淀粉乳，取100 mL 混匀后移入Brabender 黏度仪测量杯中，从30 ℃开始升温，以7.5 ℃/min 的速率升温到95 ℃后保温5 min，再以7.5 ℃/min 的速率降温到50 ℃后保温5 min，得到Brabender 黏度曲线，黏度单位为BU.

1.2.5 热力学性质测定

称取3 mg 淀粉样品置于不锈钢坩埚中，用注射器加入7 μL 的水配成淀粉质量分数为30%的淀粉乳，立即将样品池压紧密封，放入样品盘，室温下平衡4 h.用空白的样品池作参比物，通氮气，开动差示扫描量热仪进行测定.扫描温度范围为30 ～153℃，扫描速率为10 ℃/min，通入氮气的速率为30 mL/min.用Pyris 软件分别计算出To(起始温度)、Tp(峰值温度)、Tc(终止温度)及焓值(ΔH)的变化情况.

1.2.6 X 射线衍射分析

样品在100%相对湿度下平衡24h 后进行X 射线衍射分析.衍射条件为铜靶，电压44 kV，电流27 mA，CuKα 辐射.测量角度4° ～35°，步长0.04°.扫描速度5°/min［7］.相对结晶度用MDI Jade 5.0 软件分析计算:

式中，Ac是结晶区的面积，Aa是无定形区的面积.

1.2.7 体外消化性测定

采用Englyst 提出的体外模拟酶水解法测定淀粉的体外消化性［8］.准确称取1 000 mg 淀粉样品于50 mL 带螺纹盖的离心管中，加20 mL pH =5.2 的0.1 mol/ L 乙酸钠缓冲液，涡旋混匀后在沸水浴中糊化30 min，并不断振荡摇匀(前5 min 不断地涡旋混匀).糊化完全后置于37 ℃恒温振荡器中冷却，加5 粒玻璃珠，并以160 冲程/min 振荡，加入含有猪胰α-淀粉酶(8 ×103USP)和葡萄糖淀粉酶(40 unit)的混酶5 mL，置于37 ℃恒温水浴下振荡并准确计时.酶解20 min 和120 min 后分别取0.5 mL 酶解液用GOPOD 法测定葡萄糖含量.空白样除不加淀粉样品，其余步骤同上.RDS、SDS、RS 的含量按下式计算:

式中:A'为RDS 的含量，%;B'为SDS 的含量，%;C'为RS 的含量，%;G20为淀粉酶解20 min 后产生的葡萄糖含量，mg;G0为酶解处理前淀粉中游离葡萄糖含量，mg;G120为淀粉酶解120 min 后产生的葡萄糖含量，mg;S 为样品中总淀粉含量，mg.

2 结果与讨论

2.1 淀粉颗粒形貌分析

原淀粉(如无特别说明，后文的淀粉均指玉米淀粉)和湿热处理后的淀粉的扫描电镜照片见图1，偏光显微照片见图2.

由图1可以看出，原玉米淀粉呈多边形，表面有孔;湿热处理后，淀粉颗粒表面出现破损，NCS-35 的淀粉颗粒外部破损严重，还有一些碎片存在，这与淀粉颗粒在足够水分含量下的糊化有明显区别.在有限水分的高温条件下处理，淀粉颗粒中的双螺旋结构也会发生一定程度的迁移或解旋，但有限水分限制了淀粉颗粒完全破坏，部分结构松散的淀粉容易从淀粉颗粒中崩解，形成小的碎片，但大部分淀粉颗粒的结构还保持完整.

图1 原淀粉和湿热处理后淀粉的扫描电镜图Fig.1 SEM images of native starch and heat-moisture treated starch

图2 原淀粉和湿热处理后的淀粉的偏光显微照片Fig.2 Polarized light microscopy images of native starch and heat-moisture treated starches

由图2可见，较低水分条件下处理的淀粉颗粒中心偏光十字清晰可见，说明淀粉结晶结构并未明显破坏;随着湿热处理中水分含量的增加，偏光十字变得模糊，并且有部分消失，高水分条件下处理样品NCS-30、NCS-35 的偏光十字有明显变化，说明在高水分的湿热处理过程中，淀粉颗粒内部的双螺旋结构发生部分双螺旋结晶结构解开，同时可能形成新的螺旋结构或淀粉脂质复合物.

2.2 Brabender 黏度曲线分析

不同水分的湿热处理淀粉的Brabender 黏度曲线和黏度特征值如图3和表1所示，其中A 为起糊温度;B 为峰值黏度;C 为热糊黏度;D 为95 ℃保温5 min 后的黏度值;E 为冷糊黏度;F 为50 ℃保温5 min后的黏度值;BD 为热黏度稳定性;ED 为凝胶性.

图3 原淀粉和不同水分湿热处理玉米淀粉的Brabender 黏度曲线Fig.3 Brabender viscosity curves of native starch and heatmoisture treated starches at different moisture contents

与原淀粉相比，湿热处理淀粉的糊化性质发生很大变化，起糊温度提高，且与样品水分含量呈正相关，峰值黏度、终止黏度、崩解值降低，NCS-35 的起糊温度达95.6 ℃，较原淀粉提高23.5 ℃，在最高加热温度95 ℃的测试条件下难以糊化，表现为黏度曲线几乎为一条直线.淀粉的黏度与直链/支链淀粉的比例、脂质复合物的含量、淀粉和水的结合能力有关.支链淀粉引起淀粉颗粒的膨胀和糊化，而直链淀粉、直链淀粉脂质复合物则抑制淀粉的膨胀糊化，降低淀粉糊黏度.峰值黏度代表淀粉颗粒在破裂之前吸水膨胀的最大膨胀度.湿热处理淀粉峰值黏度随水分含量的增加而减小，是因为湿热处理中热能和水蒸气的作用使无定形区的淀粉分子链通过氢键相互作用，此外，在高水分含量下处理，直链淀粉和脂质复合物的形成降低了淀粉和水的结合能力.起糊温度的提高说明淀粉分子之间作用力增强，且随着水分含量的增加而提高，淀粉颗粒需要更多的热量使结构崩溃，形成淀粉糊.低水分含量处理时，湿热处理加强了淀粉颗粒中直链-直链淀粉、支链-直链淀粉、支链-支链淀粉的作用［9］，使淀粉颗粒结构更为稳定;高水分含量湿热处理时，少量直链淀粉和脂质形成单螺旋结构［10］，进一步降低了淀粉的黏度，并提高起糊温度.

表1 不同水分湿热处理淀粉的黏度特征值1)Table1 Key point values of viscosity curves of native starch and heat-moisture treated starches at different moisture contents

表2 原淀粉和不同水分湿热处理淀粉的热力学特征值1)Table2 Thermal properties of native starch and heat-moisture treated starches at different moisture contents

2.3 淀粉的热力学性质

原淀粉和不同水分湿热处理淀粉的相变温度和焓值见表2.支链淀粉双螺旋结构解旋而形成的吸热峰记作G 峰;由直链淀粉-脂类复合物熔融形成的另一个吸热峰记为M2.

从表2可以看出，与原淀粉相比，湿热处理淀粉的To、Tp、Tc有不同程度的提高，且增加幅度和湿热处理水分含量正相关，结果与黏度曲线的起糊温度相符.淀粉颗粒的糊化峰温度(To、Tp、Tc)与颗粒致密程度呈正相关，湿热处理使淀粉内部的分子链或与其他的分子链发生交互作用，聚合物的结构更加紧密，糊化所需的热量更高.焓值随水分含量增加而减小.吸热焓降低说明淀粉颗粒的部分双螺旋结构变得松散，因此解开这些双螺旋结构所需要的能量就会降低，表现为DSC 曲线上焓值的下降［11］.

玉米原淀粉的相变温度在68.60 ～80.11 ℃之间，峰值温度是74.30 ℃，这是支链淀粉双螺旋结构打开而形成的;高水分含量湿热处理样品(NCS-30和NCS-35)分别在113.2 ℃和120.6 ℃出现另一个吸热峰，可能是由直链淀粉-脂类复合物形成的［12］.

2.4 淀粉的结晶结构和结晶度

原淀粉和不同水分湿热处理淀粉的X 射线衍射图如图4所示.

由图4可以看出，原淀粉在15°、17°、18°、和23.5°处有尖峰，是典型的A 型结晶结构.湿热处理后淀粉的结晶类型并没有改变，但NCS-35 的晶型为A 型和V 型的混合，表现为7.5°和13°分别出现衍射峰，在20°处出现较大的尖峰，为直链淀粉和脂质的复合峰［13］，这和热力学性质分析结果一致.说明淀粉颗粒经湿热处理后，处于无定形区的直链淀粉和脂类更容易接近，在没有破坏A 型晶体结构的情况下，发生复合作用.淀粉结晶度主要受晶体大小、支链淀粉含量、支链淀粉平均链长、结晶区内双螺旋取向和双螺旋间相互作用程度等影响［14］.淀粉样品NCS、NCS-15、NCS-20、NCS-25、NCS-30 和NCS-35 的结晶度分别为25.26%、29.30%、29.79%、28.30%、19.30%和17.40%，由此可见，湿热处理淀粉的结晶度先上升后降低，NCS-20 的结晶度达到最大，较原淀粉提高了4.53 个百分点.湿热处理淀粉的结晶度主要由支链淀粉双螺旋结构和直链淀粉脂质形成的单螺旋结构所贡献.在较低水分的湿热处理条件下，结晶度增加的原因可能是淀粉晶体内双螺旋结构的移动导致晶体矩阵比原淀粉更紧密有序.在较高水分湿热处理条件下，虽然形成新的淀粉脂质复合物，但双螺旋结构解开糊化，导致部分晶体结构破坏，表现出总的结晶度下降.

图4 原淀粉和不同水分湿热处理淀粉的XRD 图Fig.4 X-ray diffraction patterns of native starch and heat-moisture treated starches at different moisture contents

2.5 淀粉的体外消化性

原淀粉和不同水分湿热处理淀粉的体外消化结果如表3所示.

表3 原淀粉和不同水分湿热处理淀粉的体外消化性1)Table3 In vitro digestibility of native starch and heat-moisture treated starches at different moisture contents

由表3可以看出:原淀粉中RDS 含量较高，湿热处理后淀粉中RDS 含量显著降低，且随着水分含量的增加而逐渐降低，NCS-35 的RDS 含量相比于原淀粉降低了20.85 个百分点;湿热处理淀粉的SDS 和RS 含量增加，且随着水分含量的增加而增加.NCS-35 的SDS 和RS 的含量达到最大值，分别较原淀粉提高3.55 个百分点和17.27 个百分点.说明湿热处理可以降低淀粉的RDS 含量，显著提高淀粉的SDS和RS 含量，高水分含量有利于RS 和SDS 的形成.热稳定性更好的SDS 和RS 的增加表明在湿热处理过程中淀粉和脂质发生复合，此复合物不易为淀粉酶所酶解，此外，湿热处理使淀粉颗粒结构致密，颗粒糊化困难，直链淀粉-直链淀粉，支链淀粉-直链淀粉之间的作用加强，因此糊化后淀粉不易酶解.

3 结论

通过对在不同水分含量下湿热处理后的淀粉的研究，得到以下主要结论:

(1)湿热处理未破坏淀粉颗粒的完整性，高水分处理样品会形成少量碎片，偏光十字部分消失，但颗粒结构仍然存在.

(2)湿热处理后淀粉的糊化性质发生改变，起糊温度提高，峰值黏度降低;和原淀粉相比，To、Tp、Tc提高;湿热处理可提高淀粉的耐热性，且随处理水分含量的增加而增大;在高水分含量(30%、35%)的湿热处理条件下，易形成淀粉脂质复合物.

(3)湿热处理对淀粉结晶度的影响随水分含量增加先增加后减小，高水分含量湿热处理淀粉在7.6°、12.9°、19.8°出现新的V 型衍射峰，为淀粉-脂质物复合峰.

(4)湿热处理可提高淀粉的SDS 和RS 含量，且随水分含量的增加而增加，高水分含量湿热处理有利于玉米淀粉生成SDS 和RS.

［1］Björck I，Asp N G.Controlling the nutritional properties of starch in foods:a challenge to the food industry ［J］.Trends in Food Science ＆ Technology，1994，5 (7):213-218.

［2］Lehmann U，Robin F.Slowly digestible starch:its structure and health implications:a review ［J］.Trends Food Science Technology，2007，18(7):346-355.

［3］Kulp K，Lorenz K.Heat-moisture treatment of starches(I):physicochemical properties ［J］.Cereal Chemistry，1981，58(1):46-48.

［4］Varatharajan V，Hoover R，Li J，et al.Impact of structural changes due to heat-moisture treatment at different temperatures on the susceptibility of normal and waxy potato starches towards hydrolysis by porcine pancreatic alpha amylase［J］.Food Research International，2011，44(9):2594-2606.

［5］Puncha-arnon S，Uttapap D.Rice starch vs.rice flour:Differences in their properties when modified by heat-moisture treatment［J］.Carbohydrate Polymers，2013，91(1):85-91.

［6］Klein B，Pinto V Z，Vanier N L，et al.Effect of single and dual heat-moisture treatments on properties of rice，cassava，and pinhao starches ［J］.Carbohydrate Polymers，2013，98(2):1578-1584.

［7］Watcharatewinkul Y，Puttanlek C，Rungsardthong V，et al.Pasting properties of a heat-moisture treated canna starch in relation to its structural characteristics ［J］.Carbohydrate Polymers，2009，75(3):505-511.

［8］Englyst H N，Kingman S M，Cummings J H.Classification and measurement of nutritionally important starch fractions［J］.European Journal of Clinical Nutrition，1992，46(2):S33-S50.

［9］Varatharajan V，Hoover R，Liu Q，et al.The impact of heat-moisture treatment on the molecular structure and physicochemical properties of normal and waxy potato starches［J］.Carbohydrate Polymers，2010，81(2):466-475.

［10］Cooke D，Gidley M J.Loss of crystalline and molecular order during starch gelatinization:origin of the enthalpic transition［J］.Carbohydrate Research，1992，227(6):103-112.

［11］黄强，李琳，扶雄，等.酶对淀粉颗粒相变性质的影响［J］.高分子材料科学与工程，2009，25(2):85-88.Huang Qiang，Li Lin，Fu Xiong，et al.The effect of amylase on the phase transition properties of starch granules［J］.Polymer Materials Science ＆ Engineering，2009，25(2):85-88.

［12］高群玉，武俊超，李素玲.湿热处理对不同直链含量的玉米淀粉性质的影响［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2011，39(9):1-6.Gao Qun-yu，Wu Jun-chao，Li Su-ling.Heat-moisture treatment on properties of corn starches with different amylose contents［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2011，39(9):1-6.

［13］Chang F，He X，Huang Q.Effect of lauric acid on the Vamylose complex distribution and properties of swelled normal corn starch granules［J］.Journal of Cereal Science，2013，58(1):89-95.

［14］林杨，赵新淮.酶法制备抗性淀粉新工艺的研究［J］.食品工业科技，2009，30(3):258-260.Lin Yang，Zhao Xin-huai.Study on new preparation technology of resistant starch by pllulanase hydrolysis［J］.Science and Technology of Food Industry，2009，30(3):258-260.