韧化温度和时间对不同直链淀粉质量分数玉米淀粉物化性质的影响

王雨生，尚梦珊，陈海华,*

（1.青岛农业大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266109 ；2.青岛农业大学学报编辑部，山东 青岛 266109 ）

淀粉的韧化处理是指淀粉乳中水分过量（质量分数大于65%）时，常压下对淀粉进行低于糊化温度、高于玻璃化转变温度的热处理方式[1]，是一种物理改性方法。Yoon等[2]研究了韧化处理对绿豆淀粉糊化性质和凝胶性质的影响，结果表明，韧化处理后绿豆淀粉中直链淀粉含量、膨胀力和溶解度降低，而糊化温度和凝胶硬度升高。Gomes[3]、Zhang Bao[4]、Jayakody[5]等分别研究韧化处理对木薯、葛根和山药淀粉的影响时也得出类似的结论。Doblado-Maldonado等[6]发现韧化处理能够提高玉米淀粉的初始糊化温度、峰值糊化温度和终止糊化温度，减小糊化温度范围，而对糊化焓的影响较小。同时，也有研究报道韧化处理能够提高或降低淀粉的糊化焓[7-8]。Dias等[9]指出，韧化处理能够破坏大米淀粉颗粒的表面结构，使具有不同直链淀粉含量的大米淀粉颗粒表面产生孔洞或者裂纹。同样的结果在其他研究[10-11]中也有报道。Dias等[9]还指出，韧化处理能够改变淀粉的结晶特性，减弱大米淀粉X射线衍射峰强度，降低其相对结晶度（relative crystallinity，RC）。而对于pinhão淀粉[12]和大麦淀粉[13]，韧化处理后其RC显著提高。由此可见，韧化处理对淀粉性质的影响效果有所不同，其原因尚未完全探明，推测韧化条件可能是一个影响因素。

玉米淀粉具有较好的增稠性和稳定性，因其广泛易得、成本低廉而被广泛应用于食品、化工等各个领域。但天然玉米淀粉热稳定性和抗剪切能力差，容易老化，其应用受到限制。对玉米淀粉进行改性是拓展其应用的重要途径，物理改性方法因安全可靠、绿色无污染等特点常被用于淀粉改性。现阶段常用的物理改性方法有湿热处理和韧化处理，两种处理方法均没有引起淀粉的糊化和淀粉颗粒结构的破坏[14]。本课题组已有研究发现，通过高温、低水分体积分数的湿热处理能够降低玉米淀粉的黏度并提高其热稳定性，在一定程度上完善淀粉结晶结构[15]。不同于湿热处理，韧化处理作为一种比较温和的物理改性方式，在改善淀粉性质方面的应用还存在争议[16]，其机理也需要进一步研究讨论。韧化处理技术的发展将进一步推动淀粉在食品工业中的应用[14]。

因此，本研究以普通玉米淀粉（normal corn starch，NCS）和蜡质玉米淀粉（waxy corn starch, WCS）为原料，通过改变韧化温度和韧化时间，探究不同条件韧化处理对来源相同、直链淀粉质量分数不同的两种玉米淀粉物化性质的影响，以期进一步探讨和完善韧化处理的作用机理。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

NCS（直链淀粉质量分数为26.98%） 诸城兴贸玉米有限公司；WCS（直链淀粉质量分数为1.05%） 山东华农食品有限公司；其余试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

Starchmaster型快速黏度分析（rapid visco analyze，RVA）仪 澳大利亚Newport公司；DSC1型差示扫描量热仪、MS New Class分析天平 瑞士梅特勒-托利多公司；D8 ADVANCE X射线衍射仪 德国布鲁克AXS有限公司；BK-POL偏光显微镜 重庆奥特光学有限公司；JSM-7500F扫描电子显微镜 日本电子株式会社；DKZ系列电热恒温振荡水槽 上海一恒科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 不同条件韧化处理

参考Wang Shujun等[17]的方法并稍作改动，对NCS和WCS进行韧化处理。NCS和WCS的初始水分质量分数分别为10.8%、11.6%。分别称取一定质量的NCS和WCS于具塞锥形瓶中，加入蒸馏水调至水分质量分数为80%。充分混匀后，将锥形瓶分别置于50、55 ℃水浴振荡72 h和60 ℃水浴振荡24、48、72 h，3 500 r/min离心10 min，取沉淀于室温下晾干，研磨，过100 目筛，密封于自封袋中备用。

样品命名：NCS-U、WCS-U分别为未经韧化处理的NCS和WCS；NCS-50-72、WCS-50-72分别为NCS、WCS经50 ℃韧化72 h；NCS-55-72、WCS-55-72分别为NCS、WCS经55 ℃韧化72 h；NCS-60-24、WCS-60-24、NCS-60-48、WCS-60-48、NCS-60-72、WCS-60-72分别为NCS、WCS经60 ℃韧化24、48、72 h。

1.3.2 糊化性质的测定

参考Zhao Yang等[18]的方法，准确称取3 g干样品于RVA仪铝盒中，加蒸馏水配制淀粉质量分数为10.71%的淀粉乳，按照STD1程序进行测试，记录糊化温度、峰值黏度（peak viscosity，PV）、衰减值（breakdown value，BD）和回生值（setback value，SB），重复3 次取平均值。

1.3.3 热特性的测定

参照Li Qianqian等[19]的方法，准确称取3 mg样品于差示扫描量热仪铝坩埚中，加蒸馏水12 μL，压盖密封，室温下平衡水分12 h。测试升温区间为30～100 ℃，升温速率为10 ℃/min。记录初始糊化温度（To）、峰值糊化温度（Tp）、终止糊化温度（Tc）和糊化焓（ΔH0），计算糊化温度范围（Tc-To）。重复3 次取平均值。

1.3.4 膨胀力的测定

参考Liu Hang等[20]的方法，准确称取干样品0.8 g于离心管中，加蒸馏水配制淀粉质量分数为2%的淀粉乳，置于90 ℃水浴锅中振荡培育30 min，3 500 r/min离心10 min，移除上清液，称沉淀质量。膨胀力为沉淀质量与样品干质量的比值。

1.3.5 结晶特性的测定

参考Shang Mengshan[15]、Chen Haihua[21]等的方法对样品进行X射线衍射扫描，计算RC。X射线衍射扫描条件：电压40 kV，电流40 mA，以0.1（°）/s的速率从4°扫描至40°。

1.3.6 偏光十字现象观察

配制淀粉质量分数为1%的淀粉乳，取一滴滴在载玻片上，盖上盖玻片，置于偏光显微镜下观察。放大倍数为400 倍。

1.3.7 扫描电子显微镜观察

将样品粉末涂于双面碳胶上，进行喷金处理后置于扫描电子显微镜下观察，电压为4.0 kV，放大倍数为2 000 倍。

1.4 数据统计与分析

采用SPSS 17.0软件中Duncan’s多重比较法进行多组样本间差异显著性分析，P＜0.05表示差异显著，采用Excel软件作图。

2 结果与分析

2.1 韧化条件对NCS和WCS膨胀力的影响

由图1可以看出，不同条件的韧化处理显著降低了NCS和WCS的膨胀力。与NCS-U、WCS-U相比，60 ℃下韧化72 h后，NCS和WCS的膨胀力分别降低了31.0%和39.5%。这与Liu Hang等[11]的研究结果相似。膨胀力的降低可能是因为韧化处理使淀粉颗粒重排，导致直链淀粉间、直链淀粉与支链淀粉间的相互作用力增强[22]。

由图1可以看出，经过相同时间（72 h）的韧化处理，韧化温度越高，NCS和WCS的膨胀力降低得越显著。60 ℃下韧化处理72 h使NCS和WCS的膨胀力均降至最低，分别为8.7 g/g和9.8 g/g。这表明韧化温度接近糊化温度时，韧化处理对膨胀力的影响更显著。相同的韧化温度下，延长韧化时间，NCS和WCS的膨胀力呈现略有减小的趋势，变化均不显著。这说明改变韧化时间对膨胀力的影响不明显，韧化温度则显著影响韧化样品的膨胀力。

2.2 韧化条件对NCS和WCS糊化性质的影响

表1 NCS和WCS经不同条件韧化处理前后的糊化参数Table 1 Pasting parameters of NCS and WCS before and after annealing

由表1可以看出，韧化温度和韧化时间均影响NCS和WCS的糊化温度，不同条件的韧化处理分别将NCS和WCS的糊化温度提高了1～6 ℃和1～8 ℃。随着韧化温度的升高和韧化时间的延长，糊化温度均呈升高趋势。接近样品糊化温度的韧化温度对淀粉糊化温度的影响更明显[23]。糊化温度的升高表明韧化处理增强了NCS和WCS的热稳定性，从而抑制了糊化进程[11]。这与Lan等[24]韧化处理小麦淀粉所得结果一致。这可能是由于韧化处理在一定程度上增强了淀粉内部分子间的作用力，从而使其需要更高的温度才能糊化[3,25]。

经不同条件的韧化处理后，NCS和WCS的PV分别降低40～85 RVU和13～116 RVU。50 ℃和55 ℃的韧化处理对样品的PV影响相对较小，60 ℃的韧化处理则显著降低了NCS和WCS的PV。这与韧化处理对糊化温度的影响结果一致，韧化温度越高，PV降低得越显著。另外，延长韧化时间可以降低NCS和WCS的PV，在60 ℃下，NCS的韧化时间由24 h延长至48 h时PV降至最低，而WCS则在72 h时降至最低。Wang Shujun等[26]的研究也得出类似的结果。韧化处理后，NCS和WCS的PV降低，这可能是由膨胀力的降低及结晶区熔融温度的升高引起的[4]，与膨胀力实验及热特性实验结果相对应。

韧化处理对NCS和WCS的BD和SB也有较大影响。与NCS-U和WCS-U相比，韧化后的BD和SB均降低。韧化温度由50 ℃升高到55 ℃，NCS的BD和SB变化不显著，但升至60 ℃时均显著降低，说明较高温度的韧化处理对NCS的BD和SB的影响更显著。与WCS-U相比，50 ℃和55 ℃的韧化处理对WCS的SB影响不显著，但可以显著降低其BD；60 ℃的韧化处理则可以更显著地降低WCS的BD和SB。以上分析表明，韧化温度提高至60 ℃可以显著抑制NCS和WCS的老化。另外，韧化温度为60 ℃时，NCS和WCS的BD显著降低，表明韧化处理可以增强其热稳定性和抗剪切能力，这可能是因为韧化处理增强了淀粉链间的相互作用力，抑制了淀粉颗粒的膨胀和直链淀粉分子的析出[3]。这与韧化处理降低WCS和NCS膨胀力的结果相对应。

由表1可知，韧化温度为60 ℃时，延长韧化时间并未显著影响NCS和WCS的SB以及NCS的BD，但可以显著降低WCS的BD。因此，延长韧化时间对抑制NCS和WCS的老化没有显著作用，但提高韧化温度能够显著增强对NCS和WCS老化的抑制作用。

2.3 韧化条件对NCS和WCS热特性的影响

由表2可以看出，与NCS-U、WCS-U相比，不同条件的韧化处理均显著提高NCS和WCS的To、Tp和Tc。这与RVA实验结果相符，可能是由于韧化处理使支链淀粉的螺旋结合力、支链淀粉与直链淀粉间相互作用增强[3]。与NCS-U相比，50、55、60 ℃韧化处理72 h后，To分别升高约2.7、5.3、8.5 ℃，Tp分别升高约2.4、4.3、6.7 ℃，Tc分别升高约1.2、2.8、4.6 ℃。由此可以看出，韧化处理对To影响最明显。WCS经韧化处理后也有类似的结果。这可能是由于To反映结晶区中最弱结构的熔融温度，更容易受到韧化处理的影响[27]；Tp的升高则说明韧化处理增大了NCS结晶区的厚度[28]。另外，不同条件的韧化处理均显著减小了Tc-To。Jayakody等[5]指出，Tc-To反映结晶的稳定性，Tc-To的降低表明韧化处理增强了结晶的稳定性。这印证了RVA实验的结果。

由表2还可以看出，韧化处理相同时间（72 h）时，韧化温度越高，NCS和WCS的To、Tp、Tc升高得越显著；随着韧化温度的升高，Tc-To逐渐降低；韧化温度为60 ℃时，NCS和WCS的To、Tp、Tc均达到最大值，Tc-To降至最低。这进一步表明较高的韧化温度更有利于增强晶体熔融、淀粉粒的溶胀和水合作用之间的一致性和协同性[23]。

根据表2可知，50 ℃和55 ℃的韧化处理对NCS和WCS的ΔH0影响不显著，与NCS-U和WCS-U相比，韧化后ΔH0仅略有改变；但韧化温度升高至60 ℃时，NCS和WCS的ΔH0均显著降低。这可能是由于60 ℃更接近NCS和WCS的糊化温度，此温度下的韧化处理更有利于淀粉颗粒的溶胀和结晶区的部分熔融，从而导致ΔH0降低，这与Shi Yongcheng[8]的研究结果一致。Cooke等[29]认为糊化焓的降低不是因为结晶区的熔融，而可能是由于韧化温度接近糊化温度，导致部分双螺旋结构打开或消失。50 ℃和55 ℃条件下NCS的ΔH0略有升高，很可能是由于较低温度的韧化处理使NCS双螺旋结构数量增多所致。另外，结晶完整度的提高、直链淀粉之间或直链淀粉与支链淀粉之间相互作用的增强、直链淀粉与脂质复合物的形成、有序结晶区的形成也可能提高糊化焓[20]。

在相同的韧化温度（60 ℃）下，韧化时间由24 h延长至48 h时，NCS的To、Tp、Tc均显著升高；韧化处理由48 h延长至72 h时，To、Tp、Tc增幅明显减小，ΔH0则随着韧化时间的延长呈现逐渐升高的趋势。对于WCS，随着韧化时间的延长，To、Tp、Tc略有增加，ΔH0略有降低，但变化均不显著。NCS和WCS的ΔH0随韧化时间的延长呈现不同的变化趋势，可能是因为NCS中含有较多的直链淀粉，而WCS主要为支链淀粉，不存在使ΔH0升高的条件。

2.4 不同条件的韧化处理对NCS和WCS结晶特性的影响

图2 NCS（A）和WCS（B）经不同条件韧化处理前后X射线衍射图谱Fig. 2 X-Ray diffraction patterns of NCS (A) and WCS (B) before and after annealing

表2 NCS和WCS经不同条件韧化处理前后的凝胶化参数Table 2 Gelatinization parameters of NCS and WCS before and after annealing

X射线衍射图谱反映的是淀粉的长程有序结构，淀粉的结晶度与支链淀粉链长分布、结晶区的双螺旋取向、支链淀粉中短链的比例以及结晶的大小有关[30]。从图2可以看出，NCS和WCS经韧化处理前后衍射图谱在2θ为15°和23°处有两个单衍射峰，在17°和18°处有一个相连双峰，这是A型结晶结构特征，说明不同条件的韧化处理前后NCS和WCS的结晶结构均属于A型，韧化处理并没有改变NCS和WCS的结晶结构类型。从RC分析结果可以看出，不同条件的韧化处理对NCS和WCS的RC影响不同。与NCS-U相比，50 ℃和55 ℃对NCS韧化处理72 h时RC略有升高，但变化不明显；韧化温度升高至60 ℃时RC明显下降。这与Pinto等[12]的研究结果一致。与WCS-U相比，50 ℃和55 ℃下对WCS韧化处理72 h时RC略有降低，韧化温度升高至60 ℃时RC明显下降。韧化温度对NCS和WCS RC的影响与韧化温度对ΔH0的影响趋势一致。另外，在相同的温度（60 ℃）下，随着韧化时间的延长，NCS的RC略有变化，WCS的RC则呈现较明显的下降。RC的降低可能是由于较高的韧化温度使淀粉颗粒中的结晶发生了重新取向[26]。本研究中60 ℃韧化处理使NCS和WCS的RC和膨胀力均降低，这是因为韧化处理对NCS和WCS糊化性质（黏度和膨胀力）的影响主要发生在半结晶区和无定形区[31]。

2.5 不同条件的韧化处理对NCS和WCS偏光十字和微观结构的影响

图3 NCS经不同条件韧化处理前后的偏光显微镜观察结果（×400）Fig. 3 Polarizing micrographs of NCS before and after annealing (× 400)

在偏光显微镜下，原淀粉能够表现出球晶结构所具有的双折射现象，呈现偏光十字，偏光十字的变化一定程度上可以反映淀粉结晶结构的变化以及由支链淀粉链的双螺旋形成结晶的径向取向[32-33]。从图3、4可以看出，经不同条件的韧化处理后，NCS和WCS在偏光显微镜下呈现的偏光十字没有明显变化，这进一步说明韧化处理没有改变NCS和WCS的结晶结构，韧化处理主要影响淀粉颗粒的半结晶区和无定形区，这与X射线衍射实验的结果一致。

图4 WCS经不同条件韧化处理前后的偏光显微镜观察结果（×400）Fig. 4 Polarizing micrographs of WCS before and after annealing (× 400)

图5 NCS经不同条件韧化处理前后扫描电子显微镜观察结果（×2 000）Fig. 5 Scanning electron micrographs of NCS granules before and after annealing (× 2 000)

图6 WCS经不同条件韧化处理前后扫描电子显微镜观察结果（×2 000）Fig. 6 Scanning electron micrographs of WCS granules before and after annealing (× 2 000)

由图5、6可以看出，未经韧化处理的NCS-U淀粉颗粒呈现球形或不规则的多面形，颗粒体积较小；WCS-U颗粒则为棱角清晰的不规则多面形。两者表面均较平整、光滑，较大的颗粒表面存在少许凹陷和皱纹。经不同条件的韧化处理后，NCS和WCS依然保持球形或不规则多面形，这与Wang Shujun等[26]的研究结果一致。

由图5可知，经50 ℃韧化处理72 h后，NCS颗粒表面出现一些孔洞和凹陷，且孔洞主要分布于球形颗粒表面，凹陷主要分布于多面形颗粒表面。经55 ℃韧化处理72 h后，NCS颗粒表面的孔洞明显增多、增大。Rocha等[7]指出，韧化淀粉颗粒表面的孔洞增多可能是由内源酶的水解作用造成的。经60 ℃韧化处理后，NCS部分颗粒发生了形变，甚至出现了坍塌、破裂，部分球形颗粒中产生了空腔，表面产生较大的孔洞。这与Zhang Bao等[4]的研究结果一致。Liu Hang等[20]指出，直链淀粉和支链淀粉在热作用下发生重组作用，使淀粉颗粒中间形成了更加紧实的无定形区，从而导致其颗粒表面出现空腔和小的孔洞。

由图6可以看出，经50、55 ℃韧化处理72 h后，WCS大部分淀粉颗粒表面依然光滑平整，并没有出现孔洞和凹陷，与NCS的观察结果不同。经过60 ℃韧化处理后，WCS颗粒出现破裂、空腔，部分颗粒表面存在较大的孔洞，这与NCS的观察结果一致。以上结果表明，不同的韧化处理条件对NCS和WCS颗粒形貌的影响不完全相同，其中，韧化温度对样品颗粒形貌的影响更大，而韧化时间的影响略小。

3 结 论

韧化处理可以增强NCS和WCS的热稳定性和抗剪切力，显著降低NCS和WCS的膨胀力，抑制其糊化和老化，使其糊化温度显著升高、PV降低；增强NCS和WCS结晶稳定性，使其To显著升高、Tc-To降低。但韧化处理没有改变NCS和WCS的结晶类型，其颗粒仍具有双折射现象，呈现明显的偏光十字，说明韧化处理对淀粉的影响主要发生在颗粒的无定形区；一定条件的韧化处理能在NCS和WCS表面形成凹陷和孔洞。

提高韧化温度至60 ℃（接近糊化温度）可以更显著地抑制NCS和WCS的糊化和老化，增强结晶稳定性，显著降低NCS和WCS的ΔH0和RC，使其膨胀力降至最低。50 ℃和55 ℃下的韧化处理在NCS的表面形成部分孔洞，但对WCS基本没有影响。60 ℃的韧化处理会显著破坏NCS和WCS的颗粒形貌，形成明显的凹陷和孔洞。

延长韧化处理时间使NCS和WCS的糊化温度升高，NCS的RC略有升高，而WCS的RC有较明显的下降。延长韧化处理时间对NCS和WCS的老化、ΔH0、膨胀力、颗粒形貌的影响不明显。