高静压对木薯淀粉理化特性及结构的影响

莫 芳，徐晓萍，陶晓奇，陈厚荣，张甫生*

木薯淀粉是木薯最主要的加工产品，其支链淀粉含量高于直链淀粉，晶体结构属于A型，但也有部分木薯淀粉呈B型晶体结构[1]；目前木薯淀粉在食品、化工、生物等领域应用广泛[2]。天然木薯淀粉因存在不溶于冷水、成膜性差、易老化、抗剪切能力差等诸多性质上的不足，极大地限制了其在食品、药品等领域的应用。因此，为优化木薯淀粉性能，扩大其应用范围，食品研究领域人员在不断地探索其改性方法。近年来兴起的高静压等非热加工技术为木薯淀粉的改性提供了一种新思路。

高静压技术是在室温条件下对食品原料施以100～1 000 MPa的压力，来改善食品的质地结构、延长食品保质期及开发新型食品的一项新型非热加工技术[3-4]。高静压处理可使淀粉颗粒的非结晶区发生膨胀及结晶区变形，导致淀粉颗粒结构被破坏[5]，从而使淀粉的晶体结构、糊化性质等发生改变[6-7]。目前高静压对木薯淀粉的改性研究大多集中在基本糊化性质和表观结构等方面[8-10]；而系统研究高静压处理对木薯淀粉透明度、糊化和老化特性、冻融稳定性等宏观性质及对其热力学、流变学特性、晶体结构等方面的影响还较少。

为此，本实验采用高静压对木薯淀粉进行处理，结合仪器分析，系统研究高静压技术对木薯淀粉的透光率、溶解性和膨润力、老化值、糊化特性、热力学特性等宏观性质及对其淀粉颗粒结构、结晶结构等性质的影响，以期为高静压可控处理其他薯类淀粉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

木薯淀粉 上海禾煜贸易有限公司；溴化钾（色谱纯） 天津市光复精细化工研究所。

1.2 仪器与设备

HHP-750高静压设备 包头科发高静压科技有限责任公司；DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司；HH-2数显恒温水浴锅 常州奥华仪器有限公司；FA2104高精数显电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；SHA-B型振荡水浴锅 常州国华电器有限公司；5810台式高速离心机 德国Eppendorf公司；UV-2450紫外-可见分光光度计 日本Shimadzu公司；快速黏度分析仪 澳大利亚Perten公司；S-3000N型扫描电子显微镜 日本日立精密仪器公司；BX43型显微镜 日本奥林巴斯公司；Spectrum100型傅里叶变换红外光谱仪、DSC4000差示扫描量热仪 美国PerkinElmer公司；XRD D8 ADVANCE型X射线衍射仪德国布鲁克公司；DHR-1动态流变仪 美国TA公司。

1.3 方法

1.3.1 原材料的预处理

配制质量分数30%的木薯淀粉悬浮液，装入耐高压袋中真空封口并充分摇匀，分别在压力梯度0、200、300、400、500、600 MPa下处理20 min，样品取出后抽滤，置于烘箱中40 ℃烘干，后置于自封袋内，常温、干燥条件下密闭贮存备用。

1.3.2 透光率的测定

将质量分数1%木薯淀粉悬浮液放入沸水浴中加热30 min，并不停搅拌，使其充分糊化；取出快速冷却至25 ℃后，在650 nm波长处测定淀粉糊的透光率。纯水作为空白对照。

1.3.3 溶解性和膨润力的测定

称取0.5 g木薯淀粉置于50 mL离心管中，加入30 mL蒸馏水混匀，并在90 ℃水浴下振荡30 min，之后以4 500 r/min的转速离心30 min；将上清液倒入恒质量铝盒内，105 ℃干燥至恒质量，此质量为水溶淀粉的质量，离心后沉淀物质量为膨胀淀粉质量（不烘干），分别按式（1）、（2）计算溶解度及膨润力。

式中：m1为水溶淀粉干燥至恒质量后的质量/g；m为绝干样品的质量/g；m2为离心后膨胀淀粉的质量/g；S为溶解度。

1.3.4 淀粉老化值的测定

配制质量分数4%木薯淀粉悬浮液，沸水浴20 min，冷却至室温，后置于（4±1）℃下放置24 h，取出后于5 000 r/min下离心15 min，称取分离出的水的质量，老化值以离心分离出水的质量来表示。

1.3.5 糊化特性的测定

配制质量分数6%（以干基计）的木薯淀粉悬浮液，采用快速黏度分析仪测定糊化黏度，测定条件为：1 min内转速由960 r/min降到160 r/min并保持稳定，从50 ℃开始升温，经过7.5 min升至95 ℃，保温5 min，再经过7.5 min降温到50 ℃，保温2 min。

1.3.6 热力学特性测定

称取3 mg木薯淀粉样品置于铝样品坩埚内，加9 μL水并压片密封，4 ℃下平衡24 h后，用差示扫描量热仪对其热力学性质进行分析。操作参数条件：加热范围20～120 ℃，加热速率10 ℃/min，高纯氮气流量20 mL/min。用空白坩埚作对照，记录如下数据：起始糊化温度（To）、糊化峰值（Tp）、糊化结束温度（Tc）和糊化焓（ΔH）。

1.3.7 流变特性的测定

取适量的木薯淀粉糊于测定平台上，刮去多余淀粉糊，并加入少量硅油防止水分蒸发。选取40 mm锥板，温度设定25 ℃，剪切速率（γ）0～500 s－1，测定样品的表观黏度（η）。

1.3.8 淀粉偏光十字结构的测定

配制质量分数0.1%的木薯淀粉悬浮液，取少量滴于载玻片上，用偏光显微镜来观察淀粉颗粒的偏光十字的变化。

1.3.9 淀粉颗粒形貌的测定

用扫描电子显微镜研究木薯淀粉颗粒形态。取少量淀粉样品，均匀涂在载样器的双面胶上，吹去周围多余淀粉，喷金20 min后，置于扫描电子显微镜中，加速电压15 kV，放大不同倍数进行观察拍照。

1.3.10 X射线衍射分析

用X射线衍射仪对木薯淀粉晶体进行X射线衍射分析。分析条件为：采用Cu靶、石墨单色器，管压40 kV，电流30 mA，衍射角2θ＝4°～70°，步宽0.02°，扫描速率4（°）/min。

1.3.11 傅里叶变换红外光谱测定

将木薯淀粉与溴化钾按1∶40（m/m）比例混匀，研磨压片后进行傅里叶变换红外光谱测定，制样前将淀粉和KBr于105 ℃干燥2 h，测定参数：扫描范围4 000～400 cm－1，分辨率4 cm－1。

1.4 数据处理与分析

实验数据用SPSS Statistics与Origin 7.5软件处理分析，结果以 ±s表示，采用单因素方差分析，各实验均重复3 次。

2 结果与分析

2.1 高静压处理对木薯淀粉透明度的影响

图1 高静压处理对木薯淀粉透光率的影响Fig. 1 Effect of high hydrostatic pressure on the light transmittance of cassava starch paste

淀粉的透明度是淀粉糊的一个重要性质，会对淀粉类产品的外观及用途产生直接影响。由图1可知，经200～600 MPa高静压处理后的木薯淀粉糊，其透光率与木薯原淀粉糊相比显著降低，且随着压力增加，透光率降低更明显；200～400 MPa处理的木薯淀粉糊透光率下降54.7%，500～600 MPa处理压力时透光率下降66.5%。这可能因为经高静压处理后，淀粉颗粒吸水膨润，水分在高静压作用下破坏结晶区淀粉分子双螺旋结构，或使不同分子间发生重排，糊化后直链淀粉分子更易溶出，直链淀粉含量越高越易老化，透明度下降[11]。随着压力的增大，从500 MPa压力开始，木薯淀粉被破坏的淀粉颗粒的数目增加，木薯淀粉分子的分散程度增大，分子重排且晶体结构受到较大破坏，导致光投射量减少，因而透光率下降越来越明显[10]。郭泽镔等[12]研究发现500 MPa高静压同样使莲子淀粉的透光率下降，且贮藏时间越长，透光率下降越明显。

2.2 高静压处理对淀粉颗粒溶解度和膨润力的影响

淀粉溶解性能的优劣会影响淀粉相容性、消化性能等，淀粉膨润力直接关系到淀粉糊的黏度和流变学性能[9]。淀粉的溶解度和膨润力反映了淀粉颗粒内部结晶区与非结晶区之间的相互联系，这主要取决于淀粉分子与水分子通过氢键相互结合的能力。而淀粉颗粒大小及形态、直链淀粉含量和颗粒内部脂类含量等因素都会对结晶区氢键的强弱及非结晶区淀粉分子之间的相互作用产生影响[10]。由图2可知，与木薯原淀粉相比，经200～600 MPa高静压处理过后的木薯淀粉的溶解度与膨润力均有不同程度的下降，这与任瑞林等[9]的研究结论一致。这是因为高静压下，压力能使木薯淀粉支链淀粉降解为更短的支链或直链淀粉[13]，减少双螺旋结构，进而降低膨润力；也能使直、支链淀粉之间发生相互作用结合成双螺旋结构，增强颗粒刚性结构，减少内部物质溶出，从而降低溶解度[14-15]。且当压力达到600 MPa时，木薯淀粉的溶解度和膨润力下降尤为明显，分别下降29.6%和69.4%，这是因为随着压力的增大，木薯淀粉受破坏程度逐渐增加，此时木薯淀粉颗粒受破坏最严重，分子发生重排，与水相互作用程度降低[16]，溶解度和膨润力下降。

图2 高静压处理对淀粉颗粒溶解度和膨润力的影响Fig. 2 Effect of high hydrostatic pressure on solubility and swelling power of cassava starch

2.3 高静压处理对木薯淀粉老化值的影响

图3 高静压处理对木薯淀粉老化值的影响Fig. 3 Effect of high hydrostatic pressure on retrogradation property of cassava starch

淀粉老化的实质是其分子排列从无序至有序[17-18]。由图3可知，经高静压处理后的木薯淀粉老化值较木薯原淀粉老化值均升高，且随着压力的增加逐渐增加。在200～400 MPa压力范围内老化值增加量较小，压力增至500 MPa时老化值迅速增大，当压力达600 MPa时，老化值增至最大，约为原淀粉的350 倍，析水量也最大。这是因为木薯淀粉在高静压作用下，支链淀粉和直链淀粉分子的排列受到影响，颗粒结构受到破坏，从而使淀粉分子与水分子通过氢键相结合的趋势受到抑制，淀粉分子与水分结合的能力较低，因此导致淀粉颗粒中的水分较易析出[19]。200～400 MPa压力对淀粉分子影响较小，即淀粉分子和水分子相互结合的作用能力下降较小，因此析水量上升相对较小。当压力逐渐增大到500 MPa时，木薯淀粉分子受破坏程度增加，吸水量急剧上升，特别是在600 MPa压力下，木薯淀粉结构破坏最严重，相互黏连聚集，所以在冷却过程中有较多水分析出，老化值显著增大。

2.4 高静压处理对淀粉糊化特性的影响

表1 高静压处理木薯淀粉的糊化特征参数Table 1 Pasting characteristic parameters of high hydrostatic pressure-treated cassava starch

淀粉黏度的变化是用来评价糊化的一个重要特性[14]。由表1可知，与木薯原淀粉相比，经高静压处理的淀粉起始糊化温度升高，且在600 MPa时达到最大；峰值黏度在200～400 MPa范围内逐渐升高，500 MPa时开始下降但仍高于木薯原淀粉，600 MPa时显著低于木薯原淀粉，峰值黏度反映淀粉糊化过程中颗粒晶体结构彻底破裂前的最大膨胀程度，为淀粉糊化过程中的膨胀与破裂的临界点，当在200～400 MPa内淀粉结构尚未遭到完全的破坏，淀粉在压力作用下内部淀粉分子间及分子内结合紧密，峰值黏度逐渐增大，500 MPa的压力加剧了对淀粉分子的破坏，淀粉分子内部结构逐渐松散，因而峰值黏度有所下降，而600 MPa高静压处理使淀粉分子淀粉颗粒显著破坏，变为无序状态，经过加热黏度下降[15]；孙沛然等[20]研究也发现200 MPa高静压处理会显著降低两种大米淀粉的峰值黏度，400 MPa处理后的糯米淀粉峰值黏度开始降低，而籼米淀粉经500 MPa处理后峰值黏度才开始降低；550 MPa压力下，糯米淀粉峰值黏度有大幅度下降，与本研究的结论基本吻合。另外，600 MPa高静压处理后的木薯淀粉的谷值黏度及最终黏度也明显低于木薯原淀粉；崩解值与回生值都呈下降趋势，600 MPa时也最低，这是因为木薯淀粉颗粒在此压力下相互黏连形成块状且分子重排，糊化过程中颗粒失去吸水膨胀的能力，故其成糊温度升高，谷值黏度及最终黏度都显著下降[21-22]。

2.5 高静压处理对木薯淀粉热力学特性的影响

表2 高静压处理木薯淀粉的热力学特性参数Table 2 DSC thermal parameters of high hydrostatic pressure-treated cassava starch

热力学分析探究的是淀粉糊化过程中颗粒从有序至无序的相转变。由表2可知，与木薯原淀粉相比，经200～600 MPa处理后的木薯淀粉，其起始糊化温度升高，表明木薯淀粉经高静压处理后，糊化时与木薯原淀粉相比需要更多能量[15]。高静压处理后的木薯淀粉糊化焓均减小，200～500 MPa时减小范围较小，因为此压力范围能够离解淀粉螺旋结构，但不能完全破坏双螺旋结构，这种作用使糊化焓降低，这也解释了木薯起始温度和最高温度上升而糊化焓下降的原因[23]。压力为600 MPa时木薯淀粉糊化焓显著减小，而糊化焓下降说明木薯淀粉的结晶区受到破坏，糊化程度增加[13]，即高静压破坏了木薯淀粉颗粒内经支链淀粉分子互相作用而成的双螺旋结构，特别在600 MPa时破坏程度十分明显。Molina-García等[24]研究发现高静压处后淀粉分子的糊化焓降低；Kawai等[25]证实淀粉的糊化焓随着淀粉浓度的降低而降低，随着高静压处理温度的增加而减小；Liu Peiling等[26]对木薯和玉米淀粉进行高静压处理，也发现类似结论，且处理后淀粉的成糊温度和黏度减小，均与本研究结论一致。

2.6 高静压处理对木薯淀粉流变特性的影响

图4 高静压对木薯淀粉静态流变学曲线的影响Fig. 4 Effect of high hydrostatic pressure on static rheological curve of cassava starch

淀粉的流变性能够决定其加工过程中的应用性能，能解释和预测各种淀粉基食品的质地变化情况[27]。由图4可知，木薯淀粉糊化后，随着剪切速率的增加，表观黏度呈先剧烈下降后趋于平缓的趋势，存在剪切稀化现象，为假塑性流体[28]。与木薯原淀粉相比，200～600 MPa高静压处理后的木薯淀粉，都存在剪切稀化现象。压力为200～500 MPa时，木薯淀粉表观黏度与原淀粉相差不大，当压力达到600 MPa时，表观黏度明显低于木薯原淀粉，与热力学性质的研究结论一致，并且此压力下的木薯淀粉表观黏度的下降速率更加剧烈。这表明600 MPa压力对木薯淀粉的影响较200～500 MPa时大，因为高静压使木薯淀粉颗粒间相互黏连形成块状，糊化过程中颗粒失去吸水膨胀的能力，导致淀粉表观黏度在加热剪切作用条件下较木薯原淀粉小且下降速率加快。

2.7 高静压处理对木薯淀粉偏光十字结构的影响

图5 高静压处理对木薯淀粉偏光十字结构的影响（400×）Fig. 5 Effect of high hydrostatic pressure on the polarizing structure of cassava starch（400 ×）

淀粉颗粒在偏光显微镜下具有双折射性，在淀粉颗粒上可以看到偏光十字，这是因为淀粉颗粒内部存在着分子链有序排列的结晶区和无序排列的无定型区，两种结构的密度和折射率有差别，从而在偏振光通过淀粉颗粒时形成了偏光十字。淀粉颗粒的偏光十字消失与否可表征淀粉是否糊化。由图5可知，木薯原淀粉颗粒偏光十字较清晰，十字交叉点位基本处于颗粒中心（图5a），与Wei Cunxu等[29]的研究结论相似。经200～500 MPa高静压处理后，部分颗粒的偏光十字变模糊（图5b～e），表明其结晶结构已有所破坏。而在600 MPa压力下，大部分颗粒已观察不到其偏光十字，且互相黏连失去颗粒形态（图5f），此时淀粉颗粒吸水溶胀，颗粒间已基本无界限。这主要因为高静压处理会造成淀粉颗粒的结晶结构受到破坏，颗粒的双折射消失，偏光十字也就随之消失。另外，周海宇等[10]发现高静压酯化后的木薯淀粉颗粒也有偏光十字消失现象，与本研究的相关结论一致。

2.8 高静压处理对木薯淀粉颗粒形貌的影响

图6 高静压处理对木薯淀粉颗粒形貌的影响（1 500×）Fig. 6 Effect of high hydrostatic pressure on morphology of cassava starch (1 500 ×)

由图6可知，木薯原淀粉颗粒大小不一，表面较为光滑，形状有球形、椭球形及球缺形（图6a）。木薯淀粉经200～300 MPa压力处理后表面变化不明显，400～500 MPa开始有明显变化，出现一些破损，处理前后均呈现不规则形状（图6b～e）。在600 MPa压力下，木薯淀粉颗粒充分膨胀并完全崩溃，形态发生较大变化，失去了木薯原淀粉的较光滑的形状结构，相互黏连并聚合形成胶状结构[30]（图6f）。淀粉颗粒内部胶状结构的形成这主要是因为600 MPa处理会使木薯淀粉发生糊化，淀粉颗粒分子非结晶区与水分子发生水合作用，导致淀粉分子的晶体结构遭到破坏并相互聚集[1]。Błaszczak[31]、Liu Yeting[32]等也证实红薯、土豆、小麦等不同种类的淀粉在高压处理下颗粒结构会产生不同程度的变化。

2.9 高静压处理对木薯淀粉结晶结构的影响

图7 高静压处理对木薯淀粉结晶结构的影响Fig. 7 Effect of high hydrostatic pressure on X-ray diffraction pattern of cassava starch

淀粉颗粒是由有序的结晶区和非结晶区两部分组成，其晶体结构的变化可用X射线衍射图谱来分析。由图7可知，2θ为15.088°、17.102°、18.062°、23.220°处木薯原淀粉均有衍射特征峰出现，呈现典型A型淀粉结晶形态[1]，这与Kasemwong等[33]对木薯淀粉的X射线衍射研究结果大体一致。经200～400 MPa处理后，2θ在15°、17°、18°、23°处衍射强度均增加，表明其晶体结构变得更加致密，但晶体类型没有发生改变，仍为A型。500 MPa时，2θ为18°处衍射峰消失，2θ为15°、17°、23°衍射强度增加，木薯淀粉晶型开始变化，但结晶强度仍提高，结构更加致密。当达到600 MPa时，2θ为18°处衍射峰消失，2θ为15°、17°、23°处衍射强度均减小，晶型变化显著，结晶结构遭到破坏。这主要由于A型淀粉分子短支链形成较松散的双螺旋结构易被高静压破坏，从而导致淀粉晶体结构发生一定变化[34]。

2.10 高静压处理对木薯淀粉基团结构的影响

图8 高静压处理对木薯淀粉基团结构的影响Fig. 8 Effect of high hydrostatic pressure on group structure of cassava starch

傅里叶变换红外光谱分析可用来研究淀粉颗粒基团结构变化，能对淀粉基团变化进行定性分析。由图8可知，高静压对木薯淀粉的红外吸收峰形状及位置无明显影响，也无新的吸收峰出现或特征峰消失，说明高静压处理没有使木薯淀粉产生新的基团。但某些吸收峰强度因处理压力不同有显著差异，与木薯原淀粉相比，压力为200～500 MPa时，吸收峰强度变化不显著；压力达到600 MPa时，在2 930.25 cm－1处—CH3的C—H不对称伸缩振动峰、1 369.25～1 419.16 cm－1处C—H面内弯曲振动吸收峰、852.04～929.24 cm－1处C—H面外弯曲振动吸收峰的强度减小[35]，说明高静压能对木薯淀粉中上述键产生一定影响；且3 000～3 700 cm－1处宽峰变窄，说明淀粉分子的羟基吸收强度受高静压影响而降低，这是因为淀粉吸收峰强度的改变通常是由于淀粉远程结构如结晶结构的有序排列的变化引起的，在600 MPa压力下，水分子和木薯淀粉分子的非结晶区相结合，令淀粉分子的长链断裂[36]，扰乱了淀粉分子内部通过氢键相互连接和排列的方式，故自由羟基由其他方式连接更加精密，从而进一步限制了加热剪切作用下木薯淀粉颗粒膨胀，吸收强度明显下降[37]。

3 结 论

高静压处理使木薯淀粉宏观和微观性质发生了一定的变化，如使透光率、溶解度和膨润力均下降，老化值显著增大；淀粉表观黏度降低，有剪切稀化现象。特别是在600 MPa的高静压下，木薯淀粉完全糊化，并形成“凝胶状”，失去偏光十字，双折射现象消失，其谷值黏度、最终黏度、崩解值及回生值显著低于木薯原淀粉，糊化焓明显降低；木薯淀粉的晶型受到了高静压改变，但没有形成新的基团。相对木薯原淀粉，经高静压处理后的木薯淀粉老化值增加，抗老化性变差，今后可以更加深入研究其他条件，如淀粉浓度等对高静压处理后的木薯淀粉老化值的影响，从而改善木薯淀粉类产品加工性质，并将其作为有高附加值的新型食品稳定剂等进行开发，其将在改善面制品、肉制品等产品的特性方面有较好的应用前景。