超高压对直链淀粉-正辛醇复合物结晶结构稳定性的影响

梁夏维 ，史苗苗 ，闫溢哲 ，潘慧慧 ，刘延奇 *，林 海

（1.郑州轻工业学院 食品与生物工程学院，河南 郑州 450002；2.鹤壁职业技术学院 食品工程学院，河南 鹤壁 458000）

超高压对直链淀粉-正辛醇复合物结晶结构稳定性的影响

梁夏维1，史苗苗1，闫溢哲1，潘慧慧1，刘延奇1*，林 海2

（1.郑州轻工业学院 食品与生物工程学院，河南 郑州 450002；2.鹤壁职业技术学院 食品工程学院，河南 鹤壁 458000）

将直链淀粉-正辛醇复合物悬浮于40%乙醇溶液中，在不同压力下（100～500 MPa）处理10 min，所得样品用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FT-IR）以及热重分析仪（TG）进行测试分析。结果表明：常压下，V-型淀粉在40%乙醇溶液中稳定存在，结晶结构和衍射峰不变；100 MPa高压处理后，复合物的结晶度和颗粒外貌变化不显著，200 MPa及以上高压处理后，淀粉样品的结晶结构由V-型向无定型转变，随着压力的增加，颗粒表面由光滑逐渐变得粗糙，最终破碎；傅里叶红外变换图谱显示高压对各基团均无显著影响；尽管高压使V-型转变为非晶态，但对淀粉的热稳定性无显著影响。

超高压技术；V-型淀粉；X-射线衍射；扫描电子显微镜

0 引言

超高压是一种新型的非热处理加工技术，此技术已经广泛应用于食品工业中[1]。采用100～1 000 MPa的超高压处理淀粉，可达到让淀粉在常温或较低温度下糊化、改变结晶结构及热力学特性、改善糊化性能等目的。

常温条件下，超高压可使淀粉糊化，然而淀粉种类不同，淀粉糊化所需要的压力也有差异。马铃薯淀粉的糊化压力在600～700 MPa之间；玉米、荸荠淀粉等的糊化压力在550 MPa左右；小麦淀粉和木薯淀粉的糊化压力约为500 MPa。随着压力的增加，大多淀粉的特征衍射峰逐渐变弱并消失，结晶度也逐渐降低，并且淀粉颗粒表面逐渐被消磨，直至淀粉颗粒出现塌陷情况；相同高压下，当水为介质时，悬浮液中水分含量对淀粉结晶结构影响大，当采用化学试剂为介质时，发现NaCl和CaCl2可以提高处理后的淀粉的结晶度[2-6]。在100～600 MPa条件下将莲子淀粉水溶液处理30 min，当压力达到600 MPa，莲子淀粉糊化，其结晶度和峰强度随压力增加而减小，在低-高-低剪切条件下，与天然淀粉相比，高压处理过的莲子淀粉凝胶老化趋势较慢，XRD显示超压力处理使淀粉由C型向B 型转变[7-8]。

B型淀粉比A型和C型淀粉更具有抗压性。A型微晶具有更分散且带有分支的支链结构，高压条件下双螺旋可以重排形成包含水分子的通道，因此高压处理可使A型淀粉转变为B型；B型淀粉结晶结构中，水能够填充微晶单元中的通道，稳定其结构，因此B型仍然保持原来的结构[9-12]。目前，关于超高压对V-型淀粉结晶结构变化的研究未见报道，作者采用乙醇溶剂溶解V-型淀粉，研究不同压力对V-型淀粉结晶结构、颗粒形貌、热稳定的影响，同时还探讨了不同压力条件下晶型转变规律，确定淀粉复合物的超高压结构改变的条件，探明各种因素与V-型淀粉结构变化之间的相互作用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯淀粉（食品级）：固原长城淀粉有限公司;正辛醇（AR）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；无水乙醇（AR）：天津市富宇精细化工有限公司；V-型直链淀粉-正辛醇复合物：实验室制备。

Scientz-10N冷冻干燥机：宁波新芝生物科技有限公司；LG10-24A型高速离心机：北京医用离心机厂；加热磁力搅拌器：IKA公司；ZOB420L型真空充气包装机：上海人民仪表厂；S-FL-850-9-W型超高压设备：STANSTED；Philip XL-3型扫描电子显微镜：日本日立公司；Bruker TENSOR27型红外光谱仪（FT-IR）、BrukerD8型X-射线衍射仪：德国布鲁克公司。

1.2 方法

1.2.1 制备B型微晶淀粉

B型微晶淀粉参照文献[13]的方法制备。

1.2.2 制备V型直链淀粉-正辛醇复合物

V型，直链淀粉-正辛醇复合物参照文献[14]的方法制备。

1.2.3 乙醇/水溶剂体系对V型直链淀粉-正辛醇复合物的影响

称取上述淀粉复合物0.5 g，加入10 mL一定体积分数的乙醇溶液，在室温条件下搅拌1 h，处理结束后迅速离心分离，冷冻干燥，所得固体后续测试待用。

1.2.4 超高压处理乙醇/水-V型淀粉悬浮液

称取V-型淀粉0.5 g，加入10 mL一定体积分数的乙醇溶液，得到5%（W/V）的V-型淀粉悬浮液，装入聚丙烯薄膜袋中用真空充气包装机密封。经过包装的V-淀粉悬浮液摇匀后放入超高压设备的压力腔中， 分别在 100、200、300、400、500 MPa条件下处理10 min。对得到的超高压样品进行离心分离，无水乙醇洗涤2～3次，冷冻干燥，后续测试待用。

1.2.5 X-射线衍射（XRD）测试

取样品粉末置于长方形铝片的孔中（孔大小为15 mm×20 mm，厚为 115 mm），随后压紧，用 BurkerD8型X射线衍射仪测定，用波长为0.154 2 nm的单色Cu-Kα射线。测试条件为：管压3 kV，管流20 mA，扫描速度 4°/min，扫描区域 5～35°，采样步宽0.02°，扫描方式为连续，重复次数为1。

1.2.6 傅里叶红外变换光谱（FT-IR）测试

称取约2 mg样品，研细，加入150 mg干燥KBr，混合均匀并研细、压片，压片厚约0.5 mm，随后将该薄片进行红外扫描。测试条件：扫描波数范围 4 000～400 cm-1，分辨率 4 cm-1，采用 DTGS 检测器，以空气为空白，扫描32次后取平均值得到样品的红外光谱图。

1.2.7 扫描电子显微镜（SEM）测试

利用喷涂仪对样品进行镀金处理，在操作电压为20 kV时，使用扫描电子显微镜（SEM）对样品观察拍照。

1.2.8 热重分析（TG）

取试样约3 mg置于陶瓷试样皿中，将样品盘压紧密封，测试条件：升温速率为10℃/min，扫描范围30～600℃。

1.2.9 相对结晶度的计算

相对结晶度的计算根据Nara等[15]的方法。

1.2.10 软件及数据处理方法

利用Origin6.1软件进行数据处理，得出XRD的衍射峰图谱以及相对应的衍射峰强度、相对峰面积；采用SPSS17.0统计分析软件对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 乙醇体积分数对复合物结构稳定性的影响

将淀粉复合物分别分散在10%、20%、30%、40%、50%的乙醇溶液中，控制体系温度为25℃，搅拌1 h，离心分离，冷冻干燥，所得样品进行X-射线衍射测试和图谱分析，结果如图1所示。

图1 乙醇/水混合溶剂处理前后复合物的X-射线衍射图谱Fig.1 The XRD patterns of pre-and post-treated starch complexes by ethanol-water solvent

由图1可知，经10%和20%乙醇溶液处理后，样品的特征峰完全消失，整个曲线呈弥散状态，由于淀粉具有一定的膨胀能力，水相在一定程度上进入淀粉颗粒内部，造成其晶体结构消失。随着乙醇用量的增加，特征峰峰强度和尖锐程度逐渐增加，说明乙醇可以增强V-型结晶结构。经30%乙醇溶液处理后，足量的乙醇能保护V-型结构，减少对其的破坏。复合物经较高浓度乙醇溶液（40%和50%）处理后，样品各衍射峰位置和形态均未发生变化。将图1中各衍射峰曲线进行分析处理，得出的各衍射峰强度、面积和样品结晶度见表1。

表1 乙醇/水混合溶剂处理前后复合物的结晶度和相关衍射数据Table 1 The crystallinity and related diffraction data of pre-and post-treated starch complexes by ethanolwater solvent

表1显示，经10%和20%乙醇溶液处理的淀粉复合物衍射峰消失，结晶度较低，原因是大量水分子存在下，由于水合作用和结晶区域的膨胀，破坏了淀粉的单螺旋结构。经30%乙醇处理后，淀粉结晶度有所下降，但峰强度升高，这是由于部分结晶结构重排时，较多的水分进入具有缺陷的结晶区域，形成A型或B型结构，使得衍射峰基线升高。而50%乙醇处理后样品的结晶度稍有升高，水分子对复合物结构的破坏减小，经50%乙醇处理，当悬浮液中存在大量乙醇时，部分乙醇可作为配体直接进入直链淀粉螺旋腔中，从而出现复合物结晶度增高的现象。

2.2 高压作用对V-型淀粉复合物结构的影响

以40%的乙醇溶液为介质[9]，采用不同的高压对其悬浮液进行处理，结果如图2所示。

由图2可知，当压力为100 MPa时，样品仍具有V-型淀粉的特征峰，特征峰分别是7.6°、13.3°和20.6°，强度和尖锐程度均未发生变化；当压力达到200 MPa时，衍射峰强度减小，但仍存在V-型结构的特征峰。压力大于200 MPa时，样品在X-射线衍射图上已无明显的峰值，即压力高于200 MPa时，V-型复合物的结晶结构完全被破坏，呈现非晶态结构，这是由于随着压力的升高，淀粉分子内和分子间氢键逐渐断裂，造成了淀粉的糊化，当压力达到500 MPa时，可能会使样品产生回生作用。由此可知压力对V-型淀粉的影响较大，即V-型结构耐压性低。

图2 不同高压处理后V-型淀粉复合物的X-射线衍射图Fig.2 The X-ray diffraction of V-type starch complexes under different pressure conditions

将图2中各衍射峰曲线进行处理，得出的各衍射峰强度、面积和样品结晶度见表2。从表2可知，以40%乙醇为介质采用不同压力处理的V-型淀粉悬浮液时，样品的结晶度呈减小趋势。随着压力的增加，V-型淀粉的特征衍射峰强度逐渐减弱直至消失，结晶度逐渐降低。说明样品在经过不同压力作用后，V-型结构逐渐被破坏，向非晶态转变。

表2 不同高压处理V-型复合物的X-射线衍射图谱数据Table 2 The X-ray diffraction data of V-type complexes under different pressure conditions

2.3 扫描电子显微镜分析

以40%乙醇为介质，不同高压条件下，V-型淀粉悬浮液处理10 min后样品的扫描电子显微镜图如图3所示。

马铃薯原淀粉表面光滑，呈椭球状、球状和卵圆状。V-型淀粉呈圆饼状，中间向内凹陷，表面光滑且无粘连。采用100 MPa的压力处理10 min，与处理前相比，淀粉表面无明显变化，呈圆饼状且表面光滑，个别有破碎现象，说明40%的乙醇能保护V-型淀粉不受强压力的影响。200 MPa处理后，可以看出样品仍大致呈现圆饼状，外观粗糙。压力继续升高至500 MPa后，V-型复合物的圆饼状形态逐渐消失，呈现无规则状，颗粒破碎并融合。说明V-型复合物在300 MPa以上的压力处理后，颗粒破碎，基本颗粒形貌已经消失，高压导致V-型淀粉内氢键断裂，一定程度使淀粉发生糊化作用。

图3 不同条件下V-型淀粉的扫描电子显微镜图Fig.3 The SEM photos of V-type starch under different pressure conditions

2.4 傅里叶红外变换光谱分析

不同高压处理后V-型淀粉的红外光谱见图4，对其的解析结果见表3。含40%乙醇的V-型淀粉经不同压力处理后，在3 310 cm-1附近出现较强的衍射峰，此峰为淀粉葡萄糖残基中羟基的特征吸收峰，由表3可知，衍射峰位置和强度均未发生明显变化。2 900 cm-1附近是亚甲基的特征衍射峰。淀粉醛基振动峰的吸收峰在1 600 cm-1附近。1 000～1 400 cm-1处的吸收峰为C—O—C键的伸缩振动峰。可以看出，压力不断增加，以上特征衍射峰的强度和位置并没有发生明显变化。原因是超高压处理属于物理过程，在整个物理过程中V-型淀粉不升温，也不发生化学变化，因此高压对淀粉基团并没有影响。

图4 不同高压处理后V-型淀粉的红外光谱图Fig.4 The IR profiles of V-type starch under different pressure conditions

2.5 热重分析

图5是V-型淀粉在不同条件下的TG和DTG曲线，表4是图5对应的热降解数值汇总。从表4可以看出，高压处理过的淀粉样品与原V-型的外延起始、终止温度以及最大分解速率时的温度分别在297、307、325℃左右，而B型微晶相对较低，说明压力对淀粉样品的热稳定性没有显著影响，尽管在这个过程中，V-型结构已经发生变化。

淀粉的分解过程有3个阶段：第1个阶段是自由水分的蒸发；第2个阶段是样品快速分解；第3阶段是样品完全分解。从TG图可知，当温度达到100℃左右，B型微晶淀粉的质量损失最大，V-型淀粉的质量损失最小，而不同高压作用后淀粉样品的损失居中。由于高压破坏了V-型淀粉分子间或分子内的氢键，自由水含量增多，因此高压处理后淀粉样品的失重大于V-型淀粉。当温度达到300℃左右，DTG图显示，V-型淀粉和不同高压作用后的淀粉样品均在307℃左右达到峰值，此时的分解速率达到最大，这个阶段主要涉及淀粉及其他物质的分解。相对来说，B型淀粉的峰值温度较低，说明V-型结构可以提高淀粉的热稳定性。

3 结论

V-型结晶结构的水相稳定性较差，采用不同浓度的乙醇溶液为介质，研究常压和高压对V-型淀粉复合物结构的影响。研究表明：10%乙醇和20%乙醇处理V-型淀粉后，破坏了V-型淀粉的结晶结构；当乙醇体积分数达到30%以上时，能够显著改善V-型淀粉的结晶结构，同时部分结构重排，水分进入结晶区域形成双螺旋结构，从XRD图谱中看出弥散衍射增强。

表3 不同压力条件下红外光谱图解析结果Table 3 Analysis of IR profiles of V-type starch under different pressure conditions

图5 不同压力下淀粉的TG（A）和DTG（B）图Fig.5 TGA and DTG plot of starch under different pressure conditions in an atmosphere of flowing dry nitrogen

表4 不同条件下淀粉样品的热降解数据Table 4 Thermal degradation data of starch samples under different pressure conditions

以40%乙醇为介质，超高压处理V-型淀粉悬浮液后，100 MPa处理并不影响淀粉的结构，200 MPa及以上压力处理后，淀粉复合物样品的结晶结构逐渐由V-型向无定性转变。高压处理后淀粉样品的颗粒外貌发生显著变化，随着压力的增加，颗粒表面由光滑逐渐变得粗糙，体积膨胀并逐渐破碎。红外图谱显示压力对淀粉的分子基团无影响，尽管高压作用于V-型淀粉后结构发生变化，但压力对其热稳定性的影响不显著。

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INFLUENCE OF ULTRA-HIGH PRESSURE ON THE CRYSTAL STRUCTURE STABILITY OF AMYLOSE-N-OCTANOL COMPLEX

LIANG Xiawei1，SHI Miaomiao1，YAN Yizhe1，PAN Huihui1，LIU Yanqi1，LIN Hai2
（1.School of Food Biological Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou450002，China；2.College of Food Engineering，Hebi Polytechnic，Hebi458000，China）

Ultra-high pressure is a new type of non-thermal processing technology，which can make starch gelatinizated at room temperature or low temperature，the crystallization structure and thermodynamic properties changed，the pasting properties and other purposes improved.Amylose-n-Octanol complex suspensions of 40%ethanol concentration were treated by high pressure under 100 to 500 MPa for 10 min.The afforded samples were analyzed by X-ray diffraction(XRD)，scanning electron microscopy(SEM)，infra-red spectroscopy(FT-IR)and thermal gravimetric analysis (TG).The results showed that V-type starch was stable in 40%ethanol solution under atmospheric pressure，and the crystal structure and diffraction peaks were unchanged.The crystallinity and particle size of the complexes were not significantly changed under the pressure of 100 MPa，while the starch samples were changed from V-type to amorphous state under the pressure of 200 MPa and higher.The surface of the particles gradually became rough and starch granule was broken finally with the pressure increasing.FTIR results showed that the pressure had no significant influence on groups of the starch.Although the V-type was transformed into amorphous state,the pressure had no significant effect on the thermal stability of starch.

ultra-high pressure；V-type starch；X-ray diffraction；scanning electron microscope

TS 201.2 文献标志码：B

1673-2383(2017)05-0057-06

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20171030.0936.022.html

网络出版时间：2017-10-30 9:36:37

2017-03-27

国家自然科学基金项目（21376228）；河南省科技厅基础研究项目（162300410141）

梁夏维（1990—），女，河南平顶山人，硕士研究生，研究方向为天然聚合物改性及应用。

*通信作者