不同物理方法处理对碎米中淀粉特性的影响

吴　琼，柳　溪（天津市产品质量监督检测技术研究院，天津 300308）

不同物理方法处理对碎米中淀粉特性的影响

吴琼，柳溪
（天津市产品质量监督检测技术研究院，天津 300308）

采用挤压、微波、超声波三种物理方法对水分含量18%的碎米淀粉进行处理，研究分析碎米淀粉经物理方法处理前后的理化性质和结构变化。结果表明，碎米淀粉经微波和超声处理后酶解力增加，糊化黏度下降，而溶解度、膨胀力、糊化温度和直链淀粉含量变化不显著；两种淀粉颗粒表面棱角减少，淀粉颗粒晶型基本没有发生变化，淀粉结晶区降低。挤压后的碎米淀粉变化较大，颗粒形状为片状，凝沉性强，1.0 h后体积仅为3m L，糊化温度明显降低至55.0℃，直链淀粉含量增长为30.75%，溶解度强，为0.59%，酶解力达到45%，X-射线主要衍射峰的强度降低。

碎米淀粉；挤压；微波；超声波；性质

大米淀粉是一种重要的谷物淀粉，是大米中最主要的成分，含量高达80%［1］。淀粉分子在大米中以淀粉颗粒的形式存在，在已知的谷物淀粉中，大米淀粉颗粒最小［2］。随着淀粉领域的不断拓展以及大米淀粉研究的进一步深入，研究人员发现大米淀粉具有一些特殊的物理化学性质及生理功能。碎米中的淀粉等营养物质与大米相近，而且价格仅为大米的1/3～1/2左右，因此碎米淀粉研究发展前景十分可观。

近些年来，微波、超声波和挤压膨化等物理方法被广泛的应用在淀粉的前处理过程中。挤压膨化技术作为一种高温短时处理原料的方法，具有减少液化、糖化时间，提高原料利用率和产品出品率等诸多优点［4］。肖志刚等［5］研究了挤压酶解法生产淀粉糖浆时挤压机参数对淀粉糖浆水解值，即对还原糖当量（dextrose equivalent，DE）的影响规律。VASANTHAN T等［6］曾利用挤压机作为连续酶生物反应器，分别对西米、玉米、小麦和大米淀粉的酶法挤压进行了研究，制备出不同转化程度的淀粉水解产物。

本研究在碎米淀粉理化特性现有理论研究成果的基础上，采用碎米为原料，利用挤压、微波、超声处理3种物理方法对水分含量较低的碎米进行处理，研究碎米中淀粉处理前后的理化特性和淀粉颗粒结构变化，为淀粉糖等产品生产提供理论基础［7-11］。

1　材料与方法

1.1料与试剂

东北碎米：市售；氢氧化钠、冰乙酸、碘试剂、无水乙醇等（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；3，5-硝基水杨酸、磷酸缓冲液、α-淀粉酶（20 000U/g）：东北农业大学食品学院实验室提供。

1.2器与设备

FA2104N型电子分析天平：上海民桥紧密科学仪器有限公司；MM-2270M海尔微波炉：青岛海尔微波制品有限公司；KQ-500B型超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；DS56Ⅲ双螺杆挤压机：济南赛信有限公司；TechMasterRVA快速黏度分析仪：上海伦捷机电仪表有限公司；DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科技有限公司；722型可见分光光度计：上海光谱仪器有限公司；DK-98-1型电热恒温水浴锅：天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3法

1.3.1米淀粉的物理处理方法［12］

挤压处理：采用DS56Ⅲ双螺杆挤压机（功率为20kW，套筒长1 m，模孔直径4 mm），在温度为110℃，转速为140 r/min，水分含量为18%的条件下对碎米粉进行挤压预处理后，烘干粉碎。在分析前将挤压后的碎米粉在-20℃储存备用。

微波处理：称取一定质量并经调节水分含量为18%的原碎米粉，放入微波炉中，在低火条件（约150W）下处理3min，放入烘箱中在60℃烘干备用。

超声波处理：称取一定质量并经调节水分含量为18%的原碎米粉，在温度55℃、500W功率条件下超声20min，放入烘箱中在60℃烘干备用。

1.3.2米淀粉的性质测定

（1）淀粉糊凝沉性的测定

分别称取碎米样品1.00 g，加蒸馏水100m L，配成质量分数1%的淀粉乳，放入沸水浴中加热糊化并保温15min后冷却至室温。取100m L淀粉乳置于100m L量筒中，静置，在3.5h内每隔0.5h纪录上层清液体积，每个试样至少重复3次。

（2）溶解性和膨胀力的测定

分别称取0.5 g样品置于离心管中，加20m L蒸馏水混合。将其分散液于100℃水浴中搅拌加热30m in。将糊化的样品冷却至室温，然后在1 000×g离心20min。上清液在110℃条件下烘干至质量恒定，烘干后的质量为可溶性部分的质量，去掉上清液剩下部分为吸水膨胀的质量，每个样品均至少重复测定3次。淀粉溶解度和膨胀力的计算公式如下：

（3）淀粉糊化特性的测定

根据GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性测定快速粘度仪法》中的方法处理试样，用快速黏度分析仪测定，每个试样至少重复3次。

（4）水分含量测定

按照GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》中的方法进行测定。

1.3.3链淀粉含量测定

（1）标准溶液配制

取纯直链淀粉0.1000g加入100m L容量瓶中，加入1m L无水乙醇湿润样品，再加入1mol/LNaOH溶液9m L，于沸水浴分散10min，迅速冷却后，用水定容，配制标准溶液。

分别取0、0.50m L、1.00m L、1.25m L、1.50m L、1.75m L直链淀粉标准液到预先加入约50m L水的100m L容量瓶，再分别加入4.50m L、4.00m L、3.50m L、3.25m L、3.00m L、2.75m L直链淀粉标准液和0.09mol/LNaOH溶液0.5m L。加入乙酸，摇匀，再加入2.0m L的碘试剂，加水定容，摇匀，静置10min，空白溶液采用5.0m L 0.09mol/L氢氧化钠溶液代替标准液，在波长720 nm处测定系列标准溶液的吸光度值，绘制标准曲线。

（2）样品测定

称取经过脱糖脱脂后的0.100 0 g淀粉样品于100m L容量瓶中，加入1 m L无水乙醇，充分湿润样品，再加入1mol/LNaOH溶液9m L，于沸水浴分散10min，迅速冷却，用水定容。取4.5m L淀粉分散溶于100m L容量瓶中，加0.5m L的0.09mol/L氢氧化钠，加水50m L再加入1mol/L乙酸溶液1m L及碘试剂1m L，用水定容，显色10min后，在波长620 nm处读取吸光度值。直链淀粉含量计算公式如下：

式中：A为由吸光度值在标准曲线上查出相应的直链淀粉含量，mg；W为样品质量，mg。

1.3.4-淀粉酶的酶解作用

分别称取4份经不同物理方法处理的碎米淀粉试样各（2.50±0.01）g（干基）分散在15.0m L的磷酸缓冲液（pH 6.5）中，每克样品加酶量按3000U加入0.1m Lα-淀粉酶，在65℃不断搅拌分别反应15min、30min、45min、60min、90m in。反应结束后在沸水浴中灭酶10min冷却至室温，定容至100m L。采用3，5-二硝基水杨酸法测定生成还原糖的含量来比较酶解作用的强弱。还原糖当量计算公式如下：

1.3.5体结构的测定

通过X-射线衍射仪器获得挤压处理前后碎米淀粉的衍射图谱，扫描衍射区域角度5～30°，目标电压为30 kV，电流为30mA，扫描速度2°/min。通过衍射图谱观察结晶区与非结晶区的变化。

1.3.6描电镜

样品颗粒形态结构变化通过扫描电子显微镜进行检测。样品最初分散在含量1%的酒精中。分别取少量样品直接铺在载玻片的表面，在32℃烘24 h，镀金。处理后的样品用扫描电子显微镜在加速电压5.00kV，距离13.1mm，放大倍数5 000的条件下进行检测。

1.3.7计方法

试验数据采用SPSS、Origin7.5和Excel软件进行分析。

2　结果与分析

2.1同物理处理对碎米淀粉理化性质变化及影响

2.1.1同方法处理对碎米淀粉凝沉性的影响

碎米淀粉经不同方法处理后凝沉性随时间的变化见表1。由表1可知，凝沉性随时间的增加而趋于稳定，1.5 h后经处理的淀粉体积不变，挤压淀粉、微波淀粉和超声淀粉体积分别为3.0m L、17.0m L和23.5m L，而3.0 h后原碎米粉体积趋于稳定为18.5m L，挤压处理淀粉的凝沉性最为显著，1.0 h后仅为3.0m L。挤压作用使得碎米淀粉的直链淀粉含量增加，大分子淀粉遭到破坏，破坏了淀粉颗粒在水中相对稳定的结构，淀粉容易凝沉，而较高的膨胀力能阻碍淀粉分子间缔合作用。

表1　不同方法处理对碎米淀粉凝沉性的影响Table 1 Effect of different treatment on rice starch coagu lation sink m L

2.1.2同方法处理对碎米淀粉溶解度和膨胀力影响

不同方法处理对碎米淀粉溶解度和膨胀力的影响见图1。由图1可知，经挤压、微波和超声处理的碎米淀粉在100℃条件下溶解度分别为0.59%、0.33%和0.16%，膨胀力分别为16.2 g/g、13.8 g/g和15.0 g/g，与原淀粉相比，挤压处理的溶解度和膨胀力都有所提高。这是由于物理挤压作用，颗粒结构发生改变，这种变化使碎米有较强的吸水力，有利于溶性成分的溶出。而微波处理为热处理，碎米淀粉经微波处理后水分含量变得更低，分子间结合有所改变但不明显，所以微波米粉的溶解度和膨胀力增加不明显。超声主要是机械性断键和自由基的氧化反应，使颗粒内分子键断裂，颗粒结构变得疏松，淀粉分子更容易从颗粒内溶出［13］。

图1　不同方法处理对碎米淀粉溶解度（A）和膨胀力（B）影响Fig．1 Effect o f different treatm ent on rice starch solubility（A）and swelling force（B）

2.1.3同方法处理对碎米淀粉糊化性质影响［14］

表2　不同方法处理对碎米淀粉糊化曲线特征值影响Table 2 Effecto f different treatmenton characteristic va lue of rice starch pasting curve

不同处理方法对碎米淀粉糊化曲线特征值的影响见表2。结果表明，与原碎米粉相比，经微波和超声处理后的碎米淀粉终值、回生值、峰值黏度值较低，而糊化温度分别为89.1℃和88.6℃，与原淀粉88.9℃相比基本不变。挤压处理由于剪切力作用使得糊化黏度与原淀粉相比降低明显，糊化温度55.0℃降低明显。这主要是由于微波和超声处理后淀粉结构变得疏松，直链淀粉含量增加，造成碎米淀粉较原碎米淀粉难糊化，而挤压淀粉颗粒结构变为片状，空隙比其他两种物料处理增多，而且微波淀粉和超声淀粉颗粒形状没有改变，表面出现小孔，直链淀粉含量增加相对较少，这些原因使得挤压淀粉糊化过程更难一些，但各参数变化不呈规律性。

2.1.4同方法处理对碎米淀粉直链淀粉影响

淀粉粒中直链淀粉的含量多少影响淀粉酶对其酶解效果。根据淀粉与碘形成复合物的最大吸光度值可以说明不同物理方法处理对碎米淀粉分子的降解情况。吸光度值（y）与直链淀粉含量（x）的标准曲线回归方程为y= 0.322 0x-0.002 8，R2=0.999 2。表明一定范围内吸光度值与直链淀粉含量线性关系良好。

根据直链淀粉标准曲线计算出样品直链淀粉含量结果见表3。由表3可知，经物理方法处理后淀粉组分含量发生了变化，其中微波处理的样品直链淀粉含量为28.11%，超声处理的为28.18%，挤压米粉的直链淀粉含量30.75%，与原淀粉的28.37%相比，挤压处理碎米淀粉中的直链淀粉含量增加显著。进一步验证了在挤压过程中，随着淀粉的降解，其结构发生了变化，支链淀粉的一部分侧链被“切割”下了，使较短的直链淀粉比例增加［15］。

表3　不同方法处理对碎米淀粉直链淀粉影响Tab le 3 Effec t of different treatm ent on amy lose content of rice starch

2.1.5同方法处理对碎米淀粉酶解力影响

不同物理方法处理后的碎米淀粉进行酶解，所得糊精DE值结果见图2。由图2可知，3种物理方法对碎米淀粉进行处理后，随着时间的增加，其DE值增加。在相同的酶解反应条件下，与原碎米淀粉相比较，挤压淀粉DE值最大，60min时达到45%。因此，物理方法处理对碎米酶解有促进作用，这是由于处理后的淀粉颗粒表面结构发生改变，使酶反应接触面积增加。此外，挤压处理淀粉颗粒分子的结构变化最大，呈片状空隙增多，体积膨胀，与酶作用面积更大，而且挤压的剪切力作用，使得小分子物质增多，有利于酶作用，所以挤压处理效果最显著。

图2　不同方法处理对碎米淀粉酶解力影响Fig．2 Effect of different treatm ent on hydrolysis ab ility of rice starch

2.2同物理方法对碎米淀粉颗粒结构的影响

2.2.1粉的扫描电子显微结构

各处理后的淀粉的电镜扫描图结果见图3。由图3a和图3b可知，碎米淀粉挤压前呈紧密有序的结合态，挤压后则呈松散无序的片状结构，表面有撕裂的痕迹，这是由于挤压过程中样品受到剪切力和热作用，使碎米淀粉的理化性质改变。

由图3c可知，利用微波辐射法制备出的非晶颗粒态淀粉样品仍然保持着完好的颗粒大小，但是棱角结构有热力熔化的迹象，大颗粒淀粉表面部分地方有爆裂孔和皱纹出现。碎米淀粉经过微波处理后，形状变得圆润，部分颗粒脐点表面呈现凹坑。

由图3d可知，碎米淀粉经超声处理后，淀粉颗粒形状没有发生改变，但部分颗粒表面出现程度不同的蜂窝状孔洞或裂纹，表面变得粗糙。这是当超声场作用于碎米淀粉时，由超声产生的气穴现象在淀粉颗粒周围造成高压，继而对颗粒产生剪切作用，可见在此条件下的超声处理并没有明显地对淀粉颗粒表面产生剥落。另外超声场对淀粉颗粒会产生一定的降解，造成小孔的出现。

图3　不同方法处理碎米淀粉电镜扫描图（×5 000）Fig．3 Elec tron m ic roscope scan of different physical pretreatm ent on rice starch

2.2.2粉的X-射线衍射

不同方法处理对碎米淀粉X-射线衍射图谱见图4。由图4可知，碎米淀粉在14.8°、17.5°和22.8°处有强的衍射峰。淀粉的结晶体是由支链淀粉的分支链以双螺旋结构构成，无定形区由直链淀粉构成。在微波处理过程中，淀粉的衍射峰位置没有发生变化，然而对应位置其衍射强度减小，这是由于微波处理后淀粉链结构发生变化造成的。超声处理后，破坏了淀粉结晶结构，降低了淀粉结晶度，降低了衍射峰强度，衍射峰位置基本没有改变，但是超声波对淀粉破坏程度尚不足以使其晶型发生改变。而碎米淀粉经挤压处理后淀粉晶型发生改变，衍射峰位置和衍射峰强度都发生了改变，结晶区减小，非结晶区增加，这是由于支链淀粉被切割，直链淀粉含量增加。

图4　不同方法处理对碎米淀粉X-衍射影响Fig.4 Effect of different treatmen t on X-ray diffraction of rice starch

3　结论

3种物理方法对含水量18%的碎米淀粉进行处理，挤压处理淀粉的溶解性、膨胀性升高，黏度降低，可溶物含量和糊化稳定性提高，并使淀粉的老化趋势减少。挤压处理时剪切力对水分含量低的淀粉理化性质影响尤为显著，其中直链淀粉含量明显上升，糊化温度显著下降。而微波处理和超声处理的碎米淀粉糊化温度和直链淀粉含量基本没有改变。

3种物理方法对含水量低的碎米淀粉进行处理，碎米淀粉在微观粒子结构上发生变化，结构由紧密变得疏松，微波处理和超声处理的碎米淀粉部分地方有生成多孔状结构，颗粒表面棱角减少，颗粒形状趋于椭圆形，而颗粒大小基本没有发生变化；而且X-射线衍射峰值强度降低，结晶区略微减小，衍射峰位置基本没有改变。挤压处理形成无序片状结构。X-射线衍射晶型发生改变，衍射峰位置发生改变，衍射峰强度降低，结晶区明显减小，非结晶区明显增加。

3种物理处理方法导致淀粉颗粒的微观结构、淀粉分子结构的改变，从而直接导致淀粉性质的改变。

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Effectof differentphysical treatmenton propertiesof rice starch

WUQiong，LIU Xi（TianJin Produce Quality Inspection Technology Research Institute，Tianjin 300308，China）

Broken rice starchesw ith water contentof 18%were treated bym icrowave radiation，ultrasonic sound and extrusion.The physicochem ical properties and structures changes of rice starches after physical treatmentswere investigated.The results showed that the hydrolysis ability of the starches increased and the viscosity of rice starch decreased afterm icrowave and ultrasonic treatments.However，the solubility，swelling properties，gelatinization temperature and amylose contentwere essentially constant.The surface edgesof the two starch granules reduced，and crystal structure of the starch granule changed little，and the starch crystal zone decreased.The rice starch showed significantly change after extrusion，the shape of rice starch granulewas in slice，the coagulation characteristic was strong，and the volume was only 3 m l after 1.0 h.The gelatinization tem perature lowered to 55.0℃，the am ylase content increased to 30.75%，the solubility was 0.59%and the hydrolysisability wasas strong as45%.The intensity of X-ray diffraction peak decreased.

broken rice starch；extrusion；m icrowave；ultrasonic sound；property

TS210．9

0254-5071（2016）01-0105-05

10．11882/j．issn．0254-5071．2016．01．023

2015-09-15

吴琼（1989-），女，助理工程师，本科，主要从事食品质量检验工作。