碾轧对绿豆淀粉的机械力化学效应

牛 凯 纪庆柱 李贵萧 代养勇 董海洲 王文涛 侯汉学 张 慧 刘传富

(山东农业大学食品科学与工程学院1，泰安 271018) (山东省粮食加工技术工程研究中心2，泰安 271018) (东阿县检验检测中心3，聊城 252200)

碾轧对绿豆淀粉的机械力化学效应

牛 凯1,3纪庆柱1,2李贵萧1,2代养勇1,2董海洲1,2王文涛1,2侯汉学1,2张 慧1,2刘传富1,2

(山东农业大学食品科学与工程学院1，泰安 271018) (山东省粮食加工技术工程研究中心2，泰安 271018) (东阿县检验检测中心3，聊城 252200)

以绿豆淀粉为原料，通过扫描电镜 (SEM)、偏光显微镜 (PLM)、激光扫描共聚焦显微镜 (CLSM)、X-射线衍射 (XRD)、差示扫描量热仪 (DSC)、快速黏度分析仪 (RVA)等手段研究碾轧处理对淀粉结构和性质影响，探究其相互关系并揭示碾轧对绿豆淀粉机械力化学效应。结果表明，碾轧处理3～6 h时，淀粉无定型区和部分结晶区发生破坏，水溶指数、膨胀度、透光率增大，热焓减小。碾轧处理9 h时，淀粉内部发生重结晶，颗粒表面形成球状凸起，脐点区域直链淀粉聚集导致膨胀度、透光率、峰值黏度下降，水溶指数、热焓值、糊化温度增大。碾轧处理12～ 24 h时，淀粉的结晶区域发生显著破坏，颗粒严重变形，从而使淀粉水溶指数、透光率增大，膨胀度、热焓值减小。根据机械力化学相关理论推断淀粉颗粒内部依次经过了受力阶段、聚集阶段、团聚阶段。

碾轧 绿豆淀粉 机械力化学效应 理化性质 结构

当物质受到高压、剪切、碾轧或摩擦等机械力作用时，所施加的机械能一部分以各种形式储存于物质内部，由此而引起物质发生结构及物理化学性质变化的现象称之为机械力化学效应[1]。固体物质在机械力作用下主要会发生：颗粒形态变化、结晶程度降低、晶型转变等变化[2]。机械力对固体物质作用过程通常分为3个阶段：受力阶段、聚集阶段、团聚阶段[3]。

目前，国内外对淀粉机械力作用研究主要集中在高压和剪切方面，而碾轧对淀粉机械力作用研究尚少。Guo等[4]研究发现超高压处理提高了莲子淀粉在55、65、75 ℃的溶解度和膨胀度，降低了其在85 ℃和95 ℃的溶解度和膨胀度，并降低了莲子淀粉的透光率；Liu等[5]研究发现高静压使苦荞麦淀粉表面变的粗糙，且随压力增大直链淀粉含量、糊化温度和热稳定性显著增加，而相对结晶度、膨胀力、硬度和黏度下降；Jirarat等[6]研究发现干磨和湿磨可破坏米粉结晶结构，导致凝胶化焓降低；Dhita 等[7]研究发现低温球磨破坏了淀粉的结晶度，并使其糊化焓降低。这些研究结果表明，高压、球磨等处理可明显破坏淀粉结构和性质，但目前对该变化发生的化学机理研究尚不清晰。

碾轧是一种简便有效的机械力作用方式，是利用碾轮的滚动，对物料产生搓捻、压揉、摩擦等作用，料层之间发生位移，使物料变得细化，实现对物料微观组织结构的改善，进而提高其综合品质[8]。本试验利用碾轧机，通过控制时间来研究碾轧对绿豆淀粉结构和性质影响，从而揭示碾轧对淀粉机械力化学效应，为研发生产高品质变性淀粉专用新型装备提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

绿豆淀粉：山东诸城兴贸绿豆开发有限公司；APTS(8-氨基芘基-1,3,6三磺酸三钠盐)：美国Sigma公司。

1.2 仪器与设备

ZKY-101型碾轧机：北京中科浩宇科技发展有限公司；RVA-ERITM黏度分析仪：瑞典PERTEN公司；B-383POL偏光显微镜：意大利OPTIKA公司；D8 ADVANCE型X射线衍射仪：德国BRUKER-AXS有限公司；QUANTA FEG250扫描电子显微镜：美国FEI公司；LSM 510 META 激光共聚焦显微镜：德国ZEISS公司；200PC差示量热扫描仪：德国NETZSCH公司。

1.3 方法

1.3.1 绿豆淀粉样品处理

将绿豆淀粉置于45 ℃烘箱干燥至含水量低于5%，将烘后的淀粉放入碾轧机内，在主机转速为30 Hz下分别处理3、6、9、12、24 h，由此得到碾轧处理后的绿豆淀粉。

1.3.2 扫描电镜观察

将碾轧处理后的样品进行干燥，然后进行喷金处理，将处理好的样品放大1 000倍置于扫描电镜中观察。

1.3.3 偏光显微镜观察

将淀粉样品配制成10 g/L淀粉乳，取一滴滴到载玻片上，盖上盖玻片后放入样品台上进行观察、拍照，样品放大倍数为400倍。

1.3.4 激光扫描共聚焦显微镜观察

取10 mg样品与新鲜配制的15 μL 10 mmol/L APTS(醋酸为溶剂)及15 μL 1mol/L氰基硼氢化钠混合，于30 ℃反应15 h，用1 mL去离子水清洗5次，将淀粉颗粒悬浮于100 μL 50%甘油、水混合液中，取一滴悬浮液于CLSM观察[9]。

1.3.5 X-射线衍射分析

采用X-衍射仪测定结晶特性。测试条件为：扫描速率为4°/min，测量角度2θ°=3°～55°，步长为0.02°，发散狭峰为1°，防散射狭峰为1°，接收狭峰为0.16 mm。

1.3.6 水溶指数和膨胀度测定

准确称取一定质量的淀粉样品配成20 g/L的淀粉乳500 mL，在85 ℃下糊化30 min，不断搅拌，冷却至室温，在4 000 r/min 下离心30 min，将上层清液倾出于已恒重的烧杯中，105 ℃烘干至恒重，按公式计算水溶指数和膨胀度[10]：

水溶指数WSI/%=A/W×100%

膨胀度/g/g=P/[W(100-S)]×100%

式中：A为上清液烘干恒重后的质量/g；W为绝干样品质量/g；P为离心后沉淀物质量/g。

1.3.7 透光率测定

将淀粉配制成10 g/L的淀粉乳50 mL，置于沸水浴中加热糊化30 min。然后装入比色皿中，用分光光度计于650 nm波长下测定透光率[11]。

1.3.8 糊化特性测定

依照GB/T 24853—2010的方法，采用快速黏度分析仪(RVA)测定淀粉糊化特性[12 ]。

1.3.9 差示量热扫描(DSC)分析

用样品铝盒称取5.0 mg淀粉，按1∶3 (m/m)比例加入去离子水，密封，在室温下放置12 h后测定。扫描温度范围为20～120 ℃，扫描速率为10 ℃/min。

1.3.10 数据处理

试验数据重复3次，采用Excel、Origin8.5软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 碾轧对绿豆淀粉颗粒形貌影响

如图1所示，绿豆原淀粉形似绿豆状，多呈卵形和圆形，表面完整光滑，腰部有折痕。当碾轧3 h时，淀粉颗粒表面变粗糙且有小碎片剥落；当碾轧6 h时，大部分淀粉颗粒被破坏成小颗粒。但当碾轧9 h时，球状凸起变大且数量增多(见图1)，可见碾轧使淀粉颗粒内部分子发生了聚集形成球状结构[13]。当碾轧24 h时，部分颗粒被碾轧成扁平状，许多小碎片或颗粒附着在大颗粒上，这说明碾轧作用破坏了淀粉颗粒原有的刚性结构[14]。

注：a、b、c、d、e、f 分别为碾轧处理0、3、6、9、12、24 h的绿豆淀粉，余同。图1 不同碾轧时间绿豆淀粉的扫描电镜图

2.2 碾轧对绿豆淀粉偏光十字影响

由图2可以看出，绿豆原淀粉颗粒存在比较清晰的偏光十字，小颗粒淀粉偏光十字位于中心部位，部分大颗粒存在假复粒现象[15]。当碾轧3～6 h时，绿豆淀粉颗粒的十字交叉点处变的模糊，甚至开始消失；部分颗粒由于出现崩裂、破碎，偏光十字也出现模糊消失现象。当碾轧9 h时，淀粉颗粒的中间部位出现一些裂纹；当碾轧12～24 h时，大部分淀粉颗粒的偏光十字已破坏，结晶结构破坏严重。

图2 不同碾轧时间绿豆淀粉的偏光显微图

2.3 碾轧对绿豆淀粉孔道结构影响

APTS染色机理主要是通过与淀粉的还原基末端反应而使淀粉在激光激发下呈现荧光特征，在相同的分子量条件下，直链淀粉相对具含有更多的还原末端，所以荧光强度较强[16]。

由图3可看出，绿豆原淀粉有明暗交替生长环结构，由于直链淀粉富集在团粒表面，所以颗粒边缘荧光亮度较大[17]。当碾轧3～6 h时，脐心区域变大且荧光亮度减弱，可见脐点处薄弱，碾轧处理使脐点周围的无定型区发生破坏[16]；结合DIC图可知，部分破裂和不规则颗粒荧光强度也出现减弱，可见碾轧促进直链淀粉游离。当碾轧9 h时，部分淀粉颗粒的裂缝区域变的不清晰且数量减少，中心亮度增加，但DIC图显示裂缝区域存在，说明碾轧使淀粉颗粒内部结构发生变化，裂缝被直链淀粉填充，且较多直链淀粉聚集在脐点区域[18]。当碾轧12 h时，由于淀粉分子降解，还原端数量不断增加，故颗粒整体亮度不断增强[9]；当碾轧处理24 h时，颗粒发生严重破裂、变形，亮度减弱。

注：A、a、B、b、C、c、D、d、E、e、F、f分别为碾轧处理0、3、6、9、12、24 h的绿豆淀粉，其中小写字母为DIC图。A中1为加长脐心区域，2为裂缝区域。图3 不同碾轧时间绿豆淀粉的激光扫描共聚焦图

2.4 碾轧对绿豆淀粉结晶度影响

由图4可看出，绿豆淀粉在5.73°、15.3°、17.3°、18.3°和23.5°处有较强的衍射峰，属于典型的C型淀粉。当碾轧3～6 h时，淀粉衍射峰的衍射强度减弱，5.73°处衍射峰基本消失，相对结晶度从23.4%降至19.4%，说明碾轧处理破坏了颗粒结晶结构。当碾轧9 h时，衍射峰又比6 h时有所增强，结晶度上升为21.4%，表明淀粉颗粒内部又变的有序化，发生重结晶[19]。随着碾轧时间增至12～24 h时，尖峰衍射特征减弱，有序结晶结构发生显著破坏。

图4 不同碾轧时间绿豆淀粉的X射线衍射图

2.5 碾轧对绿豆淀粉热特性影响

由图5可见，绿豆原淀粉的糊化峰其温度在60.1～76.4 ℃之间，吸收焓为6.667 J/g，该吸热峰是因为淀粉加热糊化发生了从多晶态到非晶态和从颗粒到糊化态的双重物态转化引起的[20]。To反映的是淀粉的糊化难易程度，碾轧处理后淀粉的To呈降低趋势(图5)，说明淀粉经过碾轧处理后更易糊化。ΔH主要反映的是淀粉颗粒中双螺旋结构的熔解[4]。碾轧3～6 h后淀粉ΔH减小，即要熔解淀粉内部的双螺旋结构需要较少的能量，说明碾轧处理使双螺旋结构遭到破坏。碾轧9 h后，淀粉ΔH增大，且此阶段结晶度增大(图4)，可见碾轧处理使支链淀粉的外支链间从无规则状态重新堆积形成新双螺旋有序结构[21]。当碾轧至12～24 h时，淀粉的ΔH又开始减小，可见该阶段淀粉颗粒双螺旋结构又破坏。

图5 碾轧对绿豆淀粉热特性的影响

2.6碾轧对绿豆淀粉水溶指数、膨胀度和透光率的影响

由图6可知，原淀粉的水溶指数为13.64%，膨胀度为8.92 g/g。当碾轧3～6 h，淀粉水溶指数逐渐增大至16.27%，结合图3和图4，可知该阶段的碾轧处理破坏了颗粒的无定型区和部分结晶区，使直链淀粉易于溶出，且水分子易于进入颗粒内部与淀粉分子结合，故水溶指数和膨胀度增大[22]。当碾轧9 h，淀粉水溶指数和膨胀度降至16.11%和9.94 g/g，结合图3D可知，此阶段脐心区域处直链淀粉发生聚集，而糊化过程中淀粉颗粒反应从中心脐点区域开始开始向外围扩散的过程[9]，故该阶段淀粉糊化后，直链淀粉易溶出，水溶指数增大；同时此阶段淀粉颗粒内部发生重结晶，结晶结构更紧密，水分子不易进入颗粒内部，导致膨胀度降低[23]。当碾轧12～24 h时，一方面由于淀粉结晶结构破坏严重，参与到支链淀粉双螺旋结构中的直链淀粉易溶出[24]；另一方面部分直链淀粉和支链淀粉分子断裂，会形成更小短链分子，故导致水溶指数增大，膨胀度减小。

注：图中所有数据均为3次重复平均值，不同大小写字母均表示在0.05水平差异显著。图6 碾轧对绿豆淀粉溶解度、膨胀度和透光率的影响

由图6可看出，原淀粉的透光率为9.44 %，随碾轧时间延长，淀粉的透光率增大，当碾轧12 h时，绿豆淀粉透光率增至为10.76 %，但当碾轧24 h时，绿豆淀粉透光率显著增至12.05 %，可见碾轧处理后淀粉水溶指数和透光率呈正相关。

2.7 碾轧对绿豆淀粉糊化特性影响

淀粉吸水糊化后，膨胀的淀粉颗粒容易在热或搅拌作用下崩解成更小的不规则颗粒结构，该结构被称为“ghost”结构[25]。

由图7可知，碾轧处理显著影响了绿豆淀粉的峰值黏度，表现为随着碾轧时间的延长，淀粉的黏度曲线逐渐下移，当碾轧至24 h时变化最显著，说明碾轧处理破坏了淀粉的无定型区和结晶区，分子间及分子内结合变得疏松[26]。当碾轧9 h的淀粉由于直链淀粉发生聚集，内部结构发生重结晶变的有序化，结构紧密，水分子不易进入颗粒内部；同时，淀粉聚集导致形成的“ghost”结构体积较小，从而使峰值黏度、谷值黏度降低[27]。当碾轧3 h时，由于淀粉颗粒受到碾轧作用，“ghost”结构变得疏松，故谷值黏度增大[28]。

图7 碾轧对绿豆淀粉糊化特性影响

3 结论

研究结果表明，碾轧处理后，绿豆淀粉结构与性质发生显著变化，可见碾轧对淀粉具有机械力作用。碾轧9 h时，淀粉内部发生重结晶，颗粒表面形成球状凸起，脐点区域直链淀粉聚集，根据机械力化学相关理论，推断该阶段为绿豆淀粉的聚集阶段；同时该阶段绿豆淀粉膨胀度、透光率、峰值黏度下降，水溶指数、热焓值、糊化温度增大。与碾轧9 h相比，碾轧3～6 h和12～24 h的绿豆淀粉结构与性质显著不同，分别对应机械力化学效应的受力阶段和团聚阶段。

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Mechanochemical Effect of Rolling on Mung Bean Starch

Niu Kai1，3Ji Qingzhu1，2Li Guixiao1，2Dai Yangyong1，2Dong Haizhou1，2Hou Hanxue1，2Zhang Hui1，2Liu Chuanfu1，2

(College of Food Science and Engineering，Shandong Agricultural University1, Taian 271018) (Engineering and Technology Center for Grain Processing in Shandong Province2，Taian 271018) (Donge Inspection and Testing Center3，Liaocheng 252200)

Using mung bean starch as raw materials, the effect of rolling on structure and physicochemical properties of mung bean starch was investigated by scanning electron microscope (SEM), polarizing microscope (PLM), confocal laser scanning microscope (CLSM), X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimeter (DSC), and rapid visco analyser (RVA). The mechanochemical effect of milling on mung bean starch was revealed. The results showed that the amorphous region and part of the crystalline regions of mung bean starch were destroyed by rolling treatment 3～6 h, which led to the increase of water solution index, welling power, transparency and a significant reduction of gelatinization enthalpy. With the increasing of processing time, recrystallization was happened inside starch granules. After 9 h of rolling treatment, recrystallization occurred in the starch and some bulbous protuberances had formed on the granule surface; swelling capacity, transparency and peak viscosity presented a significant decrease; water solution index, enthalpy and gelatinization temperature of the mung bean starch increased. As the rolling processing time increased to between 12 and 24 h, crystal structure had been severely damaged. Meanwhile, the particle morphology of starch underwent serious change in accompany with water solution index and transparency was increased. But opposite trends were found in enthalpy and welling power. According to the theory of mechanochemistry, loading, aggregation and agglomeration effects occurred successively in the interior of starch granules.

rolling, mung bean starch, mechanochemical effect, physicochemical properties, structure

TS231

A

1003-0174(2017)11-0053-06

国家自然科学基金(31471619)，山东省自然科学基金(ZR2014JL020)

2016-11-30

牛凯，女，1992年出生，硕士，粮油加工

代养勇，男，1975年出生，副教授，粮油加工

董海洲，男，1957年出生，教授，粮油加工