不同贮藏温度下重结晶锥栗淀粉的回生动力学

刘小龙，胡金玲，张 洁，谢 涛

(湖南工程学院 化学化工学院，湘潭 411104)

不同贮藏温度下重结晶锥栗淀粉的回生动力学

刘小龙，胡金玲，张 洁，谢 涛

(湖南工程学院 化学化工学院，湘潭 411104)

采用酶脱支-压热法复合处理制得重结晶锥栗淀粉，以相对结晶度(RC)、低温熔融焓(△Hi)与玻璃化转变温度(Tg)为评价指标，研究了它们分别在4 ℃、25 ℃和4/25 ℃贮藏过程中的回生动力学.结果表明：在不同贮藏温度下，重结晶淀粉的RC、△Hi随贮藏时间延长而增加，而Tg则逐渐降低，且都在第11或14天达到平稳；在相同贮藏时间里，不同贮藏温度下重结晶淀粉的RC、△Hi差别显著(以贮藏在4 ℃的最高、25 ℃的最低)，Tg的差别也比较显著(以贮藏在25 ℃的最高、4 ℃的最低).Avrami动力学分析表明，RC、△Hi与Tg均可用于评价重结晶淀粉在贮藏过程中的回生程度.

重结晶锥栗淀粉;贮藏温度;理化特性;回生动力学

淀粉是由直链淀粉与支链淀粉组成的具有结晶与无定形结构的高分子聚合物.淀粉分子与水在加热时存在两个不同的相变过程，第一个是无定形区域的玻璃化转变，第二个是结晶区域的熔融转变[1].在玻璃化转变温度(Tg)时，无定形区域在热作用下遭受二级相转变，由固定的玻璃态转化为粘性的橡胶态.在Tg下，淀粉分子运动性发生改变会显著影响淀粉基食品的稳定性[2-4].淀粉回生是指糊化淀粉分子由无序态向有序态转化的过程[2].评估淀粉回生的一种方法是使用X-射线衍射仪(XRD)测定淀粉的相对结晶度，完全糊化的淀粉不含结晶，此时淀粉的结晶区域已全部转化为无定形状态.在贮藏过程中，无定形区域中无序的淀粉分子链结构也会转变为有序的结晶结构[5].Avrami理论已被成功地应用于当晶核形成的淀粉起始回生阶段，也被用于测定一些淀粉凝胶的回生或重结晶速率[6-10].先前许多淀粉回生的动力学研究主要集中在贮藏过程中淀粉分子结晶度(RC)、支链淀粉低温熔融焓(△Hi)与凝胶强度的变化[11-16].本文旨在阐明回生(或贮藏)过程中淀粉分子的RC、△Hi与Tg之间相互关系的基础上，研究在不同贮藏温度下重结晶锥栗淀粉的回生动力学，从而为湿热变性淀粉的回生动力学研究提供基础科学依据，并且偿试用Tg也作为评估淀粉回生的指标.

1 材料与方法

1.1 材料

锥栗淀粉由实验室自制，普鲁兰酶(30000 U/g)购自Sigma公司，其它试剂均为分析纯.

1.2 湿热处理锥栗淀粉的回生

用20 mmol/L盐酸-醋酸钠缓冲液配制20%(w/w)的淀粉乳，调节pH为5.0，沸水浴30 min.淀粉糊冷却至50 ℃与普鲁兰酶溶液混合(淀粉浓度11%(w/w)，酶活50 U/g)反应20 h，在3000 g离心10 min沉淀用冷去离子水洗涤，如此反复2次.所得沉淀用去离子水配成30%(w/w)的淀粉乳，121 ℃压热处理30 min，将所得的凝胶状物冷却至25 ℃，密封储存在不同温度(4 ℃、25 ℃、4/25 ℃(表示4 ℃与25 ℃每24 h交替循环))下，分别在0、1、2、3、5、7、9、11、14、17、21天取样进行X-射线衍射分析与差示扫描量热分析.

1.3 测定方法

参照文献[17，18]的方法，采用X-射线衍射仪(XRD)测定相对结晶度(RC)，差示扫描量热分析仪(DSC)分析玻璃化转变温度(Tg)和低温熔融焓(△Hi).

1.4 回生动力学分析

所有数据为三个平行实验的平均值，且采用SPSS 20.0进行显著性分析.

2 结果与分析

2.1 锥栗重结晶淀粉的相对结晶度

图1 重结晶淀粉在贮藏过程中相对结晶度的变化

对不同贮藏条件下锥栗重结晶淀粉的X-射线衍射图谱进行比对发现：在4 ℃贮藏时，贮藏0 d重结晶淀粉的晶型为A型，贮藏第1～7 d重结晶淀粉的晶型变为V型，贮藏至第9 d后转变为B型；在25 ℃贮藏时，无论贮藏多少天，重结晶淀粉的晶型始终保持A型不变；而在4/25 ℃贮藏时，重结晶淀粉的晶型从贮藏0 d的A型依次转变为第1～9 d的V型、第11 d后的B型，它们的相对结晶度(RC)的变化见图1.在不同贮藏温度下，样品的相对结晶度随贮藏时间延长而逐渐增加，在第11～14 d达到最大.这种变化归因于糊化淀粉分子的重结晶，也即无序直链淀粉与支链淀粉的分子重排或重组[7].而且，在相同贮藏时间里，三个贮藏温度下样品重结晶后的RC相互差别非常显著(P<0.01)，以贮藏在25 ℃的最低，相反以贮藏在4 ℃的最高.这是因为在4 ℃贮藏时淀粉分子的无定形区能够持有更多的水分而具有较好的移动性，从而强化了淀粉分子的重结晶过程，也即无定形区能满足持续形成更牢固结晶结构的条件；相反，在25 ℃贮藏时因水分蒸发失去了形成稳定结晶结构的条件；在4/25 ℃贮藏时只有在4 ℃贮藏期间才能满足形成更稳定结晶结构的条件，但这种条件随着25 ℃贮藏期的到来以及反复次数的增多而逐渐受到削弱[8,11,19].

2.2 锥栗重结晶淀粉的低温熔融焓与玻璃化转变温度

在不同贮藏温度下，锥栗重结晶淀粉的低温熔融焓(△Hi)与玻璃化转变温度(Tg)的变化见图2.从贮藏第1 d开始，在相同贮藏温度下，重结晶淀粉的△Hi逐渐增加而Tg逐渐降低，第14 d时基本达到平稳.当贮藏时间相同时，三个贮藏温度下重结晶后样品的△Hi差别显著(P<0.05)，以贮藏在25 ℃的最低，相反以贮藏在4 ℃的最高；但三个贮藏温度下重结晶后样品的Tg介于-2.1 ℃至-4.5 ℃之间，差别也比较显著(0.01

图2 重结晶淀粉在贮藏过程中低温熔融焓与玻璃化转化温度的变化

2.3 锥栗重结晶淀粉的回生动力学

在贮藏1～11 d内，锥栗重结晶淀粉的RC、△Hi与Tg随贮藏时间延长而呈指数增加，可以采用Avrami方程进行描述(见表1).由表1可知，无论测量哪个指标，其Avrami指数(n)都接近1(P>0.05)，它可用于描述结晶模式，即晶核形成与晶体生长模式[8,9].n值越接近1，表明淀粉凝胶在贮藏过程中瞬时成核再结晶，继而晶体呈棒状生长[2,6,8].速率常数(k)值在三个贮藏温度下的差别较大(0.01

表1 重结晶淀粉在不同贮藏温度下的Avrami指数与速率常数

2.4 相对结晶度、低温熔融焓与玻璃化转变温度的相关性

为评估相对结晶度、低温熔融焓与玻璃化转变温度之间的相互关系，对所有实验进行了相关性分析(见表2).由表2可知，RC与△Hi呈正相关，RC、△Hi与Tg则呈负相关，前者与已有研究一致[9,19].由于表2中所有相关系数(R2)都大于0.9，表明它们相互之间有很强的相关性.因RC、△Hi用于表征淀粉在回生(或贮藏)过程中的回生程度或速率已有许多研究，由此可断定Tg也可用于评价淀粉的回生度.

表2 相对结晶度、低温熔融焓与玻璃化转变温度的相关系数

3 结束语

在不同贮藏温度下，样品的相对结晶度、低温熔融焓随贮藏时间延长而逐渐增加，而玻璃化转变温度则逐渐降低，最后都趋于平稳.在相同贮藏时间里，三个贮藏温度下重结晶淀粉的相对结晶度、低温熔融焓差别显著，玻璃化转变温度介于-2.1 ℃至-4.5 ℃之间，其差别也比较显著.回生动力学与相关性分析表明，相对结晶度、低温熔融焓与玻璃化转变温度具有很好的相关性，都可用作贮藏过程中重结晶淀粉回生程度的评价指标.

参 考 文 献

[1] Baik M Y, Kim K J, Cheon K C, et al. Recrystallization Kinetics and Glass Transition of Rice Starch Gel System[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1997, 45: 4242-4248.

[2] Chatakanonda P, Varavinit S, Chinachoti P. Relationship of Gelatinization and Recrystallization of Cross-linked Rice to Glass Transition Temperature[J]. Cereal Chem, 2000, 77: 315-319.

[3] Chung H J, Lee E J, Lim S T. Comparison in Glass Transition and Enthalpy Relaxation Between Native and Gelatinized Rice Starches[J]. Carbohyd Polym, 2002, 48: 287-298.

[4] Chung H J, Woo K S, Lim S T. Glass Transition and Enthalpy Relaxation of Cross-linked Corn Starches [J]. Carbohyd Polym, 2004, 55: 9-15.

[5] Huang RM, Chang WH, Chang YH, et al. Phase Transitions of Rice Starch and Flour Gels[J]. Cereal Chem, 1994, 71: 202-207.

[6] Kim S, Ciacco C, Appolonia B. Kinetic Study of Retrogradation of Cassava Starch Gels[J]. Journal of Food Science, 1976, 41: 1249-1250.

[7] Koo H J, Park S H, Jo J, et al. Gelatinization and Retrogradation of 6-year-old Korean Ginseng Starches Studied by DSC[J]. LWT-Food Science and Technology, 2005, 38: 59-65.

[8] McIver R G, Axford D, Colwell K, et al. Kinetic Study of the Retrogradation of Gelatinised Starch[J]. J Sci Food Agr, 2008, 59: 560-563.

[9] Kim S K, Choi S H, Choi H W, et al. Retrogradation Kinetics of Cross-linked and Acetylated Corn Starches under High Hydrostatic Pressure[J]. Food Sci Biotechnol, 2015, 24(1): 85-90.

[10] Hwang D K, Kim B Y, Baik M Y. Physicochemical Properties of Nonthermally Cross-linked Corn Starch with Phosphorus Oxychloride Using Ultra High Pressure(UHP)[J]. Starch-Starke, 2009, 61: 438-447.

[11] Kim H S, Hwang D K, Kim B Y, et al. Cross-linking of Corn Starch with Phosphorus Oxychloride(POCl3) under Ultra High Pressure(UHP)[J]. Food Chem, 2012, 130: 977-980.

[13] Huang J, Schols H A, Jin Z, et al. Characterization of Differently Sized Granule Fractions of Yellow Pea, Cowpea and Chickpea Starches After Modification with Acetic Anhydride and Vinyl Acetate[J]. Carbohyd Polym, 2007, 67: 11-20.

[14] Choi H S, Kim H S, Park C S, et al. Ultra High Pressure(UHP)-assisted Acetylation of Corn Starch[J]. Carbohyd Polym, 2009, 78: 862-868.

[15] Kim H S, Choi H S, Kim B Y, et al. Characterization of Acetylated Corn Starch Prepared Under Ultra High Pressure(UHP)[J]. J Agr Food Chem, 2010, 58: 3573-3579.

[16] Kim H S, Baik M Y. Application of Ultra High Pressure(UHP) in Starch Chemistry[J]. Crit Rev Food Sci, 2012, 52:123-141.

[17] 唐正辉，亢灵涛，杨春丰，等.几种抗性淀粉的体外抗氧化活性[J].湖南工程学院学报(自科版)，2015，25(1)：53-57.

[18] 谢 涛,张淑远,王美桂,等.重结晶红薯淀粉体外消化前后益生作用与结构变化[J].农业机械学报,2013,44(8):203-208.

[19] 谢 涛,亢灵涛,唐正辉,等.酶——湿热处理对锥栗淀粉理化特性的影响[J].农业机械学报,2015,46(2):222-227.

[20] 谢 涛,唐正辉,亢灵涛.贮藏条件对湿热处理锥栗淀粉理化特性的影响[J].现代食品科技,2015,31(4):203-209.

[21] Sang Y, Alavi S, Shi Y C. Subzero Glass Transition of Waxy Maize Starch Studied by Differential Scanning Calorimetry[J]. Starch-Starke, 2009, 61: 687-695.

RetrogradationKineticsofRecrystallizedCastaneahenryiStarchesatDifferentStorageTemperatures

LIU Xiao-long，HU Jing-ling，ZHANG Jie，XIE Tao

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

Recrystallized Castanea henryi starches are made by using a recombination treatment between enzyme debranching and pressure heated. With relative crystallinity(RC), low temperature melting enthalpy(△Hi) and glass trasition temperature(Tg) as evaluation index, their retrogradation kinetics are studied during storage at 4, 25 and 4/25 ℃ respectively. The results demonstrate that, at different storage temperatures,RCand △Hiof recrystallized starches increase with the storage time, whileTgdecreaseds. However, all of them beeome stable after 11 or 14 days. In the same storage time,RCand △Hiof recrystallized starches at different storage temperatures show significant difference (the highest at 4 ℃, the lowest in 25 ℃).Tghas a larger difference(the highest at 25 ℃, the lowest in 4 ℃). Avrami kinetics analysis proves thatRC, △HiandTgcan be used to evaluate the retrogradation degree of recrystallization starches during storage process.

recrystallized castanea henryi starch；storage temperature；physicochemical properties；retrogradation kinetics

TS235.2

A

1671-119X(2017)03-0057-04

2017-02-22

湖南省长沙市科技计划重点项目(2015).

刘小龙(1995-)，男，生物工程专业2013级本科生，研究方向：淀粉功能化改性研究.

谢 涛(1970-)，男，博士，教授，研究方向：再生资源与食品、生物化工.