水分子相态转变对花桥板栗淀粉凝胶结构的影响

陈帅，周文化，潘照，晏殊

（特医食品加工湖南省重点实验室，粮油深加工与品质控制湖南省协同创新中心，中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南长沙 410004）

水分子参与了淀粉形成凝胶的过程，作为凝胶中的重要组成部分，其会对淀粉凝胶的质构、微观结构等造成一定影响[1]。同时，淀粉凝胶体系中水分子的相态转变也会导致淀粉凝胶特性的改变。淀粉凝胶为不稳定体系，水分子相态转变对淀粉凝胶的结构特性的影响与水分子相态转变次数、水分子相态转变速率等密切相关[2]。水分子相态间反复转变会加剧淀粉凝胶相分离和冰晶的增长，导致淀粉凝胶（糊）粗糙结构的形成，促进淀粉凝胶富集相中淀粉分子回生，水分子相态多次转变最终引起淀粉凝胶结构的破坏[3]。

研究发现，增加水分子相态转变次数会加剧糯性玉米淀粉凝胶相分离，并终会引起淀粉凝胶微观结构的改变和破裂[2]。淀粉凝胶的海绵状结构形成由直链淀粉和支链淀粉回生所致，而冷冻过程中冰晶增长会促进海绵状结构的形成。淀粉种类不同，水分子相态反复转变对淀粉凝胶结构影响有差异，糯性玉米淀粉凝胶冻融处理后成海绵状网络结构，而大米淀粉、荸荠及马铃薯淀粉凝胶中水分相态7次反复转变致凝胶形成蜂巢状结构，但银杏淀粉凝胶则成薄层状结构，超过7次则会破坏菱角淀粉凝胶的蜂巢状结构和改变大米、土豆及银杏淀粉凝胶的致密结构。淀粉凝胶微观结构特性的变化与冻融过程中水分子相态转变次数之间存在相关性，水分子相态多次转变最终导致淀粉凝胶微观结构破裂和塌陷，控制水分子相态转变次数有利于淀粉凝胶形成多孔结构。同时水分子相态转变对淀粉凝胶物理化学性质有重要影响。菱角淀粉结晶类型为B型，水分子相态多次转变可增加菱角淀粉凝胶的结晶性和回生焓变，而水分子相态多次转变则可降低银杏淀粉和马铃薯淀粉凝胶的转变温度和焓变[4～6]。

花桥板栗是近年来湖南省新培育的地方性良种板栗，其开发利用尚处于起步阶段。而以其为原料加工而成的花桥板栗淀粉基制品中淀粉和水是最主要的成分。淀粉糊化后所形成的淀粉凝胶对低温的耐受能力将直接影响产品品质。低温保藏对淀粉基制品而言是存在一定弊端的，但其仍是贮藏食品的主要方式之一。目前，国内外在水分子相态转变对板栗淀粉凝胶特性影响机制方面的研究较少，在一定程度上限制了板栗淀粉基制品及其板栗淀粉凝胶类功能性产品的开发与利用。本文以花桥板栗淀粉为研究对象，采用SEM、XRD、FT-IR研究水分子相态转变处理次数对花桥板栗淀粉凝胶微观结构、晶体特性等方面的影响。以期为花桥板栗淀粉基制品开发及其品质劣变提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

花桥板栗：于2016年9月采收于湘潭市雨湖区云湖桥镇金湖良种板栗示范推广基地，要求外观品质均一、成熟度适中、无病虫害。

溴化钾，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

FD5-4型真空冷冻干燥机，美国西盟国际集团；JSM-IT300LA型扫描电子显微镜，日本电子株式会社；D8 discover型X-射线衍射仪，德国Bruker公司；IRTracer-100型傅立叶红外光谱仪，日本SHIMADZU公司。

1.3 试验方法

1.3.1 花桥板栗淀粉的提取

参考 Correia[7]和周玉杰[8]方法，稍有修改。取新鲜饱满、无病虫害的板栗，将其脱壳去衣后，切成小块，置于 40 ℃烘箱内干燥。用万能粉碎机机将干燥后的板栗粉碎，得板栗粉。将板栗粉与质量分数为0.1%的NaOH溶液按1：10的比例混合，搅拌均匀后静置24 h，去除上层清液，下层沉淀加入一定量蒸馏水，用胶体磨磨浆2～3次后过200目筛，将过筛后的溶液以5000 r/min的速率离心20 min。离心后去除上层清液，并将底物沉淀表层的褐色物质刮除，再往沉淀物中加入一定量蒸馏水，摇匀后离心沉淀，重复上述步骤直至上清液pH值至中性、沉淀物为白色后，将沉淀物置于40 ℃烘箱内干燥24 h后，粉碎，过100目筛，即得花桥板栗淀粉。

1.3.2 花桥板栗淀粉凝胶样品处理

学校给孩子减负，家长主动加压增负，一场“拉锯战”正在上演。8月30日，教育部、国家卫生健康委员会等8部门联合印发《综合防控儿童青少年近视实施方案》，提出减轻学生课业负担，小学一二年级不布置书面家庭作业。在这之前，也有很多城市出台相关规定，减轻小学生课业负担。但是，减负的举措，在现实中却屡屡受阻，其背后是家长们的焦虑。

将方法 1.3.1所提取到的花桥板栗淀粉配置成质量分数为10%的淀粉悬浊液，置于90 ℃热水中加热糊化30 min后，分别移装于平皿（90×15 mm）中并在室温条件下冷却，即得相态转变次数0次的淀粉凝胶样品。再将剩余淀粉凝胶依次移装密封置于-18 ℃的冰箱中进行冷冻处理，冷冻 22 h之后，将其放入30 ℃温水中进行融化，融化时间为2 h。至此获得水分子相态转变1次后的花桥板栗淀粉凝胶。按此方法依次制备相态转变次数为1、2、3、4、5、6、7次的淀粉凝胶样品，备用。

1.3.3 微观结构观察

取1.3.2所制备的花桥板栗淀粉凝胶样品，取一小块样品使其均匀分布在贴有双面胶的扫描电镜专用铝载物台台上，并在上覆盖一层厚度约为20 nm的导电带。将铝载物台放置于离子溅射镀膜仪中，对样品进行喷金处理，120 s后将铝载物台取出放入扫描电子显微镜中观察，电子枪加速电压为10 kV。

1.3.4 X-射线衍射图谱分析

参照黄倩[10]、高金梅[11]的方法，略有修改。将不同相态转变后的淀粉凝胶样品置于真空冷冻干燥机中进行真空干燥，48 h后将淀粉凝胶样品取出，粉碎过100目筛。采用步进扫描法，特征射线为Cu靶，管压为40 kV，电流为250 mA，测量角度为2θ=4°～60°，步长为0.02°，扫描速率为8°/min。

参照满建民、蔡金文[12]等人的方法，采用 MDI Jade 6.0软件，先对图谱进行平滑处理，然后对整个图进行拟合，此时只拟合出非晶峰的强度。最后选择衍射峰，进行手动拟合，直至全部拟合完成。软件自动得出结晶度数据。计算不同相态转变次数花桥板栗淀粉凝胶结晶度。计算公式如下：

1.3.5 傅立叶红外光谱分析

取不同相态转变次数的花桥板栗淀粉凝胶样品与KBr以 1：20～1：100 充分混合，采用 13 mm 磨具用压片机，压力为7 MPa，置于傅里叶红外光谱仪中进行测量，绘制红外光谱图。扫描范围是400～4000 cm-1，光谱分辨率为0.01 cm-1。

1.3.6 数据分析

采用MDI Jade 6.0软件和SPSS 18.0对数据进行处理，并通过Origin 2017进行绘图。

2 结果与分析

2.1 水分子相态转变对花桥板栗淀粉凝胶微观结构的影响

对图1观察后可知，花桥板栗淀粉凝胶呈现复杂的空间网络结构，凝胶结构完整性随着水分子相态转变处理次数的增加而逐渐被破坏、同时凝胶结构中空洞的均匀性逐渐减小。凝胶由转变0次增加到转变4次过程中，凝胶网络结构中孔洞数量逐渐增加，同时凝胶表面粗糙程度也随之增大，但孔洞的分布较为均匀，且孔径较小。但花桥板栗淀粉凝胶在经历5次转变处理后，凝胶结构中的孔径明显增大，且孔洞的均匀性大大下降，凝胶表面受破坏的变粗糙的程度明显加深。试验结果与Vernon-Carter E J等人[13]的研究结果一致。

花桥板栗淀粉凝胶在经历水分子相态转变处理的过程中，凝胶中的淀粉颗粒发生聚集形成了具有一定密度的淀粉颗粒聚集区[14]。该区域内淀粉颗粒的密度越高对于淀粉分子链发生交联缔合的机会也就越大，由此便形成了厚丝结构[6]。凝胶在解冻后，冻结所形成的冰晶发生融化转化为液态水，水分子间隔增大，临近水分子间发生聚合并从凝胶的网络结构中溢出，从而使得凝胶结构因失水而发生收缩现象，该过程称为凝胶的失水收缩现象[15]。水分子相态间反复转变会加剧淀粉凝胶相分离和冰晶的增长，导致淀粉凝胶粗糙结构的形成，促进淀粉凝胶富集相中淀粉分子回生，水分子相态多次转变最终引起淀粉凝胶结构的破坏[3]。同时，水分子在冷冻过程时在凝胶结构内外形成冰晶，其结构内外形成的冰晶在多次冷冻过程中刺伤凝胶网络结构，且随着相态转变次数的增加，冰晶的形成和融解次数增加，形成了一定的微机械力，扩大了凝胶结构内部中的通道，从而使得凝胶结构中出现了较多的损伤和孔洞[16]。同时花桥板栗淀粉凝胶的结构是十分有序的，在一定程度上说明花桥板栗淀粉在经过转变的过程中其分子发生了有规律性的重排[17]。花桥板栗淀粉凝胶呈复杂空间层状网络结构，这主要是由于花桥板栗淀粉中支链淀粉占据绝大部分的原因，其支/直比值为2.748。而玉米、马铃薯的支/直比值分别为2.857、2.978，三者差距较小[2]。支链淀粉在淀粉凝胶形成过程中对于凝胶的层状结构有很大的影响，而直链淀粉则在层状结构的基础上形成链桥。两者共同促进花桥板栗淀粉凝胶复杂空间网络结构的形成，使其结构更为稳定。

图1 不同相态转变次数的花桥板栗淀粉凝胶扫描电镜图Fig.1 SEM photos of different phase transition of Huaqiao chestnut starch gels

2.2 水分子相态转变对花桥板栗淀粉凝胶 X-射线衍射光谱的影响

研究发现水分子相态转变对淀粉凝胶物理化学性质有重要影响。通过控制水分子相态转变次数和速率可有效控制淀粉凝胶的结晶性、回生性质等性质，进而掌握淀粉基制品物化性质变化特点及规律[2]。

图2为质量分数为10%的花桥板栗淀粉凝胶经过水分子相态转变处理0、1、2、3、4、5、6、7次后所得到的XRD图谱。花桥板栗淀粉经过糊化后形成凝胶，该凝胶经过冻结、解冻处理后，部分淀粉会发生老化，同时淀粉分子还会在该过程中发生部分的分子重排，从而形成一些新的淀粉结晶区域[18]。因此，从理论上分析可知，若淀粉分子在相态转变处理后，分子重排形成新的结晶区，在XRD图谱上应该表现为出现新的结晶峰[19]。实际上，从图2中可看到其中总出现了许多较为微小的微晶峰。花桥板栗淀粉凝胶经过相态转变处理后所得到的XRD整体上相差不大，说明相态转变处理对其形成新的晶体结构贡献不大，但相态转变处理能利于花桥板栗淀粉凝胶的空间网络结构逐渐变得更为有序和规整。由于花桥板栗淀粉凝胶中还存在一定含量的水分，水分在冻结过程中所形成的冰晶体，对淀粉分子重结晶过程会有一定的阻碍作用。该结论与尹志华[20]的研究结论一致。因此，水分子相变处理一方面会破坏淀粉原有的晶体结构，增加支链淀粉游离溢出以及削弱双螺旋结构堆积能力，而另一方面可促进淀粉老化重结晶以及无定型区结构转化，从而增加新晶体，两者呈现竞争机制[21]。

图2 不同相态转变次数的花桥板栗淀粉凝胶X-射线衍射图谱Fig.2 X-ray of different phase transition of Huaqiao chestnut starch gels

表1 不同相态转变次数花桥板栗淀粉凝胶的XRD特征参数Table 1 The characteristic spectrum of XRD pattern of different phase transition of Huaqiao chestnut starch gels

由图2和表1可知，经历不同相态转变处理以后的花桥板栗淀粉凝胶同时具有A型和B型晶体的部分特征，在 2θ=15°、17°、22°和 23°附近存在一系列不同强度的衍射峰，特别是在 17°附近有明显的衍射峰[22]。在2θ=5.6°附近存在一个很微弱的衍射峰，这是B型晶体结构的存在的一个特征标志峰。说明其花桥板栗淀粉凝胶在经历不同相态转变处理后其晶体结构仍然为C型，但是在2θ=22°～24°附近存在一个双肩峰，而其中B型晶体含量较多。说明经历相态转变处理后，在一定程度上能使花桥板栗淀粉凝胶中的部分晶体的转变为B型晶体。从结晶度角度分析，随着相态转变处理次数的增加，花桥板栗淀粉凝胶的结晶度从2.97%增加到了12.78%，但是在相态转变处理6次后，结晶度又开始下降，相态转变处理7次后，结晶度下降为5.712%。这表明花桥板栗淀粉凝胶在经历适当的相态转变处理以后，在一定程度上能使凝胶中的淀粉分子发生部分的老化作用，从而导致其结晶度升高[23]。但是当相态转变次数增加到一定程度以后，处理会削弱花桥板栗淀粉分子双螺旋结构的稳定性，导致结晶区比例减小，并使其结晶度下降[24]。同时，花桥板栗原淀粉的结晶度为28.20%，形成凝胶后其结晶度大大下降，表明花桥板栗淀粉形成凝胶后其淀粉晶体被破坏，水分含量对花桥板栗淀粉凝胶的结晶性能有较为显著的影响。这可能是由于水分子与淀粉分子结合后使其结构发生崩解，且随着水分含量的升高，淀粉分子的崩解程度越高、晶体结构破坏越严重[25]。

2.3 水分子相态转变对花桥板栗淀粉凝胶傅里叶红外光谱的影响

图3为经过不同相态转变次数后的花桥板栗淀粉凝胶傅里叶红外光谱图。由图看出，水分子相态转变0～7次的花桥板栗淀粉凝胶傅里叶红外光谱图中均存在三个特征吸收峰，分别在3450 cm-1、1150 cm-1和1020 cm-1附近。

表2 特征吸收峰的频率Table 2 The frequency of the characteristic absorption peak

表2为花桥板栗淀粉及其凝胶的傅里叶红外光谱图特征峰的吸收波长。由表可知：基频区中，在波长为3399.85 cm-1附近有一个较宽的吸收峰存在，其代表淀粉分子中的羟基（-OH）发生伸缩振动所产生。指纹区中：在波长为1020.94 cm-1附近有较小的吸收峰存在，其代表淀粉分子中C-O-C的C-O振动。在1153.64 cm-1处代表醇羟基中的C-O伸缩振动[26～29]。随着相态转变次数的增加，花桥板栗淀粉凝胶的羟基（-OH）的吸收峰的频率显著增大，明显向高频方向偏移，即发生红移。而醇羟基中的、C-O-C中的C-O吸收峰的频率逐渐减小，明显向低频方向偏移，即发生蓝移。这说明花桥板栗淀粉在糊化过程中，水分子与淀粉分子之间形成了氢键，同时破坏了淀粉分子内部所存在的部分氢键[30]。当转变次数增加到一定程度后，醇羟基中的和C-O-C中的C-O的吸收峰波长分别在转变3次后和转变4次后不再发生改变，即其峰位不发生偏移。但两者的峰高呈现随转变次数的增加而增加的趋势，这能表明花桥板栗淀粉在糊化过程中，其分子内部的氢键被破坏，在相态转变处理过程中，淀粉分子内部的氢键再次发生结晶作用，同时使淀粉分子内部的氢键数量随着转变次数的增加而增加[31]。

3 结论

本试验以花桥板栗淀粉为研究对象，采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪研究转变处理次数对花桥板栗淀粉凝胶微观结构、晶体特性等方面的影响。实验结果表明：花桥板栗淀粉凝胶的结构是十分有序的，相态转变处理使得花桥板栗淀粉凝胶结构因失水而发生失水收缩现象。随着相态转变处理次数由0次增加到7次过程中，花桥板栗淀粉凝胶空间网络结构中的孔径变大，同时发生了有规律性的重排。支链淀粉在淀粉凝胶形成过程中对于凝胶的层状结构有很大的影响，而直链淀粉则在层状结构的基础上形成链桥。两者共同促进花桥板栗淀粉凝胶复杂空间网络结构的形成，使其结构更为稳定。花桥板栗淀粉凝胶经过相态转变处理后所得到的XRD整体上相差不大，说明相态转变处理对其形成新的晶体结构贡献不大，花桥板栗淀粉凝胶在经历不同相态转变处理后其晶体结构仍然为C型，在2θ=22°～24°附近存在一个双肩峰，而其中B型晶体含量较多，晶体结构变味 CB型晶体。随着相态转变处理次数的增加，花桥板栗淀粉凝胶的结晶度从2.97%增加到了12.78%，但是在相态转变处理6次后，结晶度又开始下降，相态转变处理7次后，结晶度下降为5.71%。花桥板栗淀粉形成凝胶后其淀粉晶体被破坏，水分含量对花桥板栗淀粉凝胶的结晶性能有较为显著的影响。随着转变次数的增加，花桥板栗淀粉凝胶的羟基（-OH）的吸收峰发生红移；而醇羟基中的、C-O-C中的C-O吸收峰发生蓝移，说明花桥板栗淀粉在糊化过程中，水分子与淀粉分子之间形成了氢键，同时破坏了淀粉分子内部所存在的部分氢键。当转变次数增加到一定程度以后，醇羟基中的和C-O-C中的C-O的吸收峰波长分别在转变3次以后和转变4次以后不再发生改变，即其峰位不发生偏移。但两者的峰高呈现随转变次数的增加而增加的趋势，这能表明花桥板栗淀粉在糊化的过程中，其分子内部的氢键被破坏，在相态转变处理过程中，淀粉分子内部的氢键再次发生结晶作用，同时并使淀粉分子内部的氢键数量随着转变次数的增加而增加。