电场处理对大米淀粉理化性质的影响

王诗雁 韩 忠 刘忠义 岳书杭 刘红艳

(广西高校北部湾特色海产品资源开发与高值化利用重点实验室(钦州学院)1，钦州 535000) (湘潭大学化工学院2，湘潭 411105) (华南理工大学食品科学与工程学院3，广州 510641)

大米淀粉的潜在用途非常广泛，如造纸、照相用纸、化妆品添加剂和药品赋形剂，汤羹、沙司的增稠剂、烘焙食品的抗老化剂和挤压食品的膨化剂[1]。商用大米淀粉是一种细白粉末，颗粒细小、结构紧密，和所有原淀粉一样糊化后容易老化[1,2]，这些特性限制了它的应用。采用化学修饰方法对大米淀粉进行改性，例如羟乙基化[3]、磷酸酯化[4]以及羧甲基化[5,6]，可以改善其理化特性，扩大其应用范围。

除了使用化学法外，淀粉的改性还可以通过生物酶法[7]和物理法[8,9]完成。相较于化学法和酶法改性，物理法改性不引进新的化学基团，不改变淀粉的化学组成，只破坏生物大分制之间的分子间作用力，改变淀粉颗粒的物理结构。物理改性法中的脉冲电场技术是一种新型的非热加工技术，近年来越来越受到关注[10]。电场处理能明显破坏蛋白质、淀粉等大分子物质的分子间作用力，能改变蛋白质[11]和淀粉[8,12]的高级结构，但不破坏共价键。通过高压脉冲电场处理普通玉米淀粉的结果显示[8]，淀粉的相对结晶度下降，颗粒表面遭到破坏，冷热糊稳定性提高。

本研究利用脉冲电场处理大米淀粉乳，结合扫描电子显微镜、红外光谱仪和X射线衍射仪对样品进行表征分析，研究脉冲电场处理前后淀粉颗粒结构的改变，测定淀粉糊的透明度、凝沉性、冻融稳定性和溶解度，研究电场处理是否会对淀粉糊理化性质产生影响。旨在探讨一种新的处理方法，制备以大米淀粉为原料的改性淀粉，以期满足淀粉的市场需求。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大米淀粉：食品级；氯化钠：AR。

1.2 仪器与设备

SY-20脉冲电场设备； DDS-11A数显电导率仪； DZF-6050真空干燥箱；SHA-C恒温振荡仪；UV-1800紫外-可见分光光度计；XL-30扫描电镜；Nexus Por Euro傅里叶红外光谱仪；Empyrean X射线衍射仪。

1.3 方法

1.3.1 脉冲电场预处理大米淀粉

1.3.1.1 大米淀粉的电场处理过程

称取一定质量的大米淀粉，加入蒸馏水配制成质量分数为8%淀粉乳。不断搅拌淀粉乳并逐滴加入氯化钠溶液，将乳浊液的电导率调至150 μs/cm。用蠕动泵将淀粉乳泵入处理室进行电场处理。设定样品流速为120 mL/min，电场强度分别为2、4、6、8、10、12 kV/cm，处理时间分别为400、800、1 200、1 600、2 000 μs。经脉冲电场处理后的淀粉乳，洗涤、抽滤后放入45℃烘箱中干燥24 h，烘干后粉碎过200目筛，收样备用。

1.3.1.2 电场处理时间计算

单次处理脉冲个数n以及总处理时间t的计算如下[12]：

(1)

t=nτ

(2)

式中：V为处理室体积/mL；f为脉冲频率/Hz；u为流速/mL/min;τ为有效脉宽/μs。

总处理时间：

T=N·t

(3)

(4)

式中：N为样品经过处理室的轮数；V样为样品的总体积。

1.3.2 大米淀粉颗粒扫描电镜观察

将粉碎过筛的样品干燥，取极少量试样用导电双面胶均匀地固定在载物台上，并标记样品号，经真空镀金后放入样品室中进行观察，通过电压为15 kV的电镜扫描，拍摄具有代表性的淀粉颗粒形貌照片[3, 12]。

1.3.3 大米淀粉颗粒红外结构表征

采用KBr压片法，将干燥过的少许样品与溴化钾混合均匀后经压片机压片后用红外分析仪进行检测，扫描范围为400～4 000 cm-1，扫描后得出红外谱图[13]。

1.3.4 大米淀粉的X射线衍射

将干燥的样品在X射线衍射仪上采用连续扫描法扫描测定完成[12,13]，将步长设为0.08，扫描速率设为6(°)/min，扫描角度2θ=4°～60°，管流30 mA，管压30 kV。

1.3.5 大米淀粉的透明度测定

参照文献介绍的方法[14]，稍加改进。称取一定质量的大米淀粉样品和蒸馏水，精确到0.000 1 g，配成质量分数为1%的淀粉乳，在沸水中不断搅拌，加热20 min至淀粉乳完全糊化，自然冷却至室温，然后定容到100 mL。设定紫外-可见分光光度计波长为620 nm，空白为蒸馏水的透光率100%。

1.3.6 大米淀粉的凝沉性测定

依据文献所介绍的方法[12,13]，稍作调整。依1.3.5所述精确配成100 mL质量分数为1% 的淀粉乳。放入沸水浴中搅拌加热20 min至完全糊化，自然冷却至室温，然后倒入100 mL的量筒中，加蒸馏水调至100 mL，混匀后静置。每隔12 h记录下上清液体积，用上清液的体积分数变化来表示样品的凝沉性。

1.3.7 大米淀粉的溶解度测定

依照文献所介绍的方法[15]，稍加改进。依1.3.5所述精确配成质量分数为2% 的淀粉乳。在95 ℃的水浴中搅拌加热30 min后自然冷却，将冷却的淀粉糊在3 500 r/min条件下离心20 min，上清液移至铝盒，在105 ℃烘箱中烘干15 h，然后称重。

(5)

1.3.8 大米淀粉的冻融稳定性测定

依照文献所介绍的方法[16]。称取一定质量的大米淀粉样品，精确到0.01 g，用蒸馏水配成质量分数为6%的淀粉乳。沸水浴中搅拌加热20 min至淀粉乳糊化完全，自然冷却至室温。放入-18 ℃冰箱中密封冷冻保存24 h后取出自然解冻至室温，3 500 r/min条件下离心20 min，将离心管中上清液倒掉，称取剩余沉淀质量，计算析水率，用析水率表示冻融稳定性。

(6)

1.4 数据处理

所有实验重复3次。用SPSS statistix 16.0统计分析软件进行数据分析，数值以均值±标准差表示，P<0.05即表示差异显著，作图采用Origin 8.5。

2 结果与讨论

2.1 大米淀粉的形貌分析

图1为原大米淀粉和经不同电场强度、处理时间处理后的淀粉颗粒形态。由图1a可知，原大米淀粉颗粒表面光滑；由图1b、图1d和图1f可知，在处理时间同为1 200 μs时，淀粉颗粒随着场强的增强表面开始出现凹槽，不再光滑，且在6 kV/cm处理的时候凹槽最深，表面最粗糙。由图1c至图1f可以看出，在场强相同时，淀粉颗粒的外貌形态也会受处理时间的影响。

低分子量结构排列方式是密集的，高分子量结构排列方式则相对紧密。淀粉颗粒的外层结构只含有少量的高分子量结构，大部分则是由低分子量结构构成的，这使得外界压力改变对它的结构影响较大[17]。在电场的作用下，大米淀粉的表层遭到破坏，失去致密结构，颗粒发生崩解，使得表面变得粗糙。电场处理会使部分淀粉颗粒出现凹陷而改变原来的外形，也有部分会形成交联聚集在一起[18]。在羟乙基化[3]、磷酸酯化[4]以及羧甲基化[5,6]后的改性大米淀粉里，观察到相似的大米淀粉颗粒形貌变化。用电场处理过的玉米淀粉颗粒[8]及马铃薯淀粉[19]表面也出现凹槽，表面变粗糙，且随场强大小和处理时间的变化而变化。酶法改性的大米淀粉[7]，其淀粉颗粒外观形貌变化更加明显，且随酶用量及作用温度和时间的不同而出现明显的变化。

图1 大米淀粉颗粒形态

2.2 大米淀粉的红外光谱分析

图2是原大米淀粉和经电场处理后淀粉的红外谱图。曲线A为原大米淀粉的红外谱图，在3 600～3 100 cm-1处，出现了大米淀粉中的O—H键伸缩振动和羟基中的氢键缔合后所产生的特征峰；而出现在1 155、1 080、1 021 cm-1处的特征峰则是葡萄糖基团中C—O键的伸缩振动产生的[20]；在577、762、860 cm-1处检测出的特征峰，则是葡萄糖环中—CH2键的伸缩振动吸收峰[21]。

由图2可以看出，大米淀粉乳经电场处理后并无明显差异，没有出现其他新的特征峰，原来官能团的特征峰也没有因电场处理而消失。用脉冲电场分别处理普通玉米淀粉[8]、马铃薯淀粉乳和木薯淀粉乳[19]等不同晶型的淀粉，处理后，这些淀粉的红外谱图中都没有出现新化学物质的吸收峰。相反，在化学改性的淀粉的红外光谱里，都发现了所引入基团的特征峰[3-6]。综合这些研究结果，可以推论脉冲电场处理淀粉乳只是一个物理改性的过程，没有发生化学变化。

注：A为原大米淀粉0 kV/cm，1 200 μs；B为2 kV/cm，1 200 μs；C为6 kV/cm，1 200 μs；D为10 kV/cm，1 200 μs。图2 大米淀粉的红外谱图

2.3 大米淀粉的晶型结构分析

在X射线衍射图谱中，样品结晶的含量和大小决定了衍射峰的高度和宽度，峰越高、越窄表明结晶含量越多，结晶区就越完整。如果衍射峰的强度和峰宽改变了，则可以说明颗粒结晶度的大小、晶型改变和无定型化程度的变化情况。根据淀粉特征峰在X衍射图谱中出现的角度，将淀粉分为A、B、C和V几大类型[1,22]。

图3是原大米淀粉和经电场处理后淀粉的X射线衍射图谱。可以看出，原大米淀粉在15°，17°，18°，23°四个角度都有显著的特征峰尖峰衍射现象，说明大米淀粉的晶体结构是A型[1,2]，且结晶区晶型完整。经电场处理后，峰型没有发生明显变化，说明电场处理并没有改变淀粉的晶体结构。钱建亚等[22]对甘薯淀粉脉冲电场处理前后的结构进行表征，观察其变化，结果表明甘薯淀粉的晶型没有因电场处理而发生改变，依旧保持其C型结构。

图3 大米淀粉的X射线衍射图

2.4 大米淀粉的透明度分析

透明度在某种程度上反映了该淀粉与水结合能力的大小[20]，如果淀粉吸水力好，经加热后膨胀完全，光线就不会折射，透明度增加。通常用透光率来表示淀粉糊透明度的大小。测得原大米淀粉的透光率只有6.2%。

图4是经过电场处理的大米淀粉透光率。由图4可知，经过电场处理的大米淀粉透明度有了明显的提高，在场强为6 kV/cm时处理1 600 μs的淀粉透明度达到32.4%。在场强相同时，透明度会随处理时间的增长先提高后减小。在2 kV/cm场强下，处理时间达到1 200 μs后，透光率开始下降，而在10 kV/cm场强下，处理时间在800 μs后就开始下降了。6 kV/cm的场强处理的淀粉在1 600 μs后才开始下降，且该场强处理的淀粉透光率整体高于另外两个场强。淀粉颗粒的结构受到电场的破坏[8,19]，且破坏程度随电场强度的增加先增大后减小，也会受处理时间的影响。颗粒被破坏后，大米淀粉分子与水分子的结合能力提高了，电场处理使得更多的氢键暴露在淀粉颗粒的表面。在糊化过程中，未完全糊化的淀粉颗粒减少了，所以提高了透明度。有研究表明电场处理马铃薯淀粉[19]和甘薯淀粉[23]也有相似的结果。

图4 大米淀粉糊的透明度

2.5 大米淀粉的凝沉性分析

淀粉因羟基的分子间氢键相互作用形成不溶于水的非结晶状 “凝胶”，也可以进行缔合和重排，产生凝沉现象[24]，导致淀粉糊随着静置时间的延长而变得浑浊，析出沉淀物。通常采用上清液体积分数来表示凝沉性，体积分数越大，凝沉性越强，抗凝沉性也就越弱。

由图5可知，经过电场处理后的大米淀粉，抗凝沉性明显增强，抗凝沉性随着场强增大而增强，但是增强幅度减小，换言之，在场强较低时，大米淀粉抗凝沉性随场强增强变化明显，场强较高时，变化不大。电场处理会破坏淀粉表面结构，使更多氢键浮现出来，促进了水分子与淀粉颗粒的结合，加剧淀粉胶体的产生，沉淀物难以析出，从而提高了抗凝沉性，这也与2.4.1的结论相印证。在同一场强下，上清液体积分数随时间的延长而增大，抗凝沉性减弱。随着时间延长，更多的淀粉分子因为氢键作用联结起来，聚合成沉淀物沉降[9,25]。

图5 大米淀粉糊的凝沉性

2.6 大米淀粉的溶解度分析

溶解度可以体现淀粉颗粒与水分子的相互作用力的大小情况，是淀粉的重要理化性质之一。溶解度与淀粉分子的亲水力有关，淀粉分子的结晶区越少，非定型区越大且越松散，亲水力越强。测得普通大米淀粉颗粒的溶解度为4.5%。

由图6可知，经脉冲电场处理后的淀粉颗粒溶解度有了明显提高，随着电场强度的增加，溶解度先增大后减小，场强为6 kV/cm处理后的淀粉颗粒溶解度最高；在场强相同情况下，溶解度随处理时间的增加呈现先增加后减少的趋势。淀粉乳经电场处理后，淀粉颗粒的结晶结构遭到轻微破坏，导致结晶区分子间的作用力减弱，使直链淀粉更容易析出，从而导致溶解度提高。随着电场强度的增加，处理过程中的温度随之升高，使得淀粉膨胀，析出更多支链淀粉，支链淀粉与直链淀粉形成稳定结构，这就导致处理后期，溶解度呈下降趋势。文献记载莲子淀粉经超高压处理后，溶解度也有随处理时间延长先增加而后降低的趋势[25]。

图6 大米淀粉的溶解度

2.7 大米淀粉的冻融稳定性分析

通常用析水率来表示淀粉的冻融稳定性，析水率越大，则冻融稳定性越差。冻融稳定性和分子结构关系密切，反映的是淀粉糊在冷冻解冻过程中保持胶状结构的能力。当淀粉分子间的作用力较弱时，在经过冷冻解冻的过程后，水分子就从凝胶中挤出，也就是“析水”现象，胶状结构逐渐消失[19]。

图7表明，场强相同时，随着处理时间的延长，析水率逐渐降低，冻融稳定性提高；处理时间相同时，场强越高，析水率越低，冻融稳定性越好。经过超高压处理后的淀粉糊的冻融稳定性因氢键作用力的增强而改善[25]。经电场处理后，淀粉颗粒形态发生改变，表面积比例增大，结合水分子的能力也相应提高，分子间键能增大，析水率减小，冻融稳定性提高。

图7 大米淀粉的冻融稳定性

3 结论

SEM结果表明，脉冲电场处理会改变淀粉颗粒的外貌形态，经场强为6 kV/cm时处理1 200 μs后的淀粉颗粒变化最为明显。FTIR和XRD的结果表明，脉冲电场处理大米淀粉，不会改变淀粉颗粒的化学结构，也不会改变淀粉颗粒的晶型结构，脉冲电场处理大米淀粉只是一个物理改性的过程。淀粉的透明度随电场强度的增加先增大后减小，也会受处理时间的影响；抗凝沉性在场强较低时随场强增强变化明显，在场强较高时变化不大；溶解度随着电场强度的强度的增加增大后减小，经场强6 kV/cm处理后的淀粉颗粒溶解度最高；随着处理时间的延长和处理场强的提高，冻融析水率逐渐降低，电场处理后，冻融稳定性提高。脉冲电场处理使大米淀粉的理化性质得以改善。