微波辐射对大米淀粉理化性质和结构特性的影响

袁 璐，胡婕伦，殷军艺

(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌 330047)

微波是电磁频谱的一部分，频率介于300 MHz～300 GHz之间[1]，家用微波炉常用频率为2450 MHz(波长12.24cm)，而工业用途的微波频率一般为915 MHz(波长32.75 cm)[2-4]。微波辐射加热主要取决于微波的介电加热效应。微波的介电加热效应是由于极性分子不能瞬间响应磁场变化方向，只能通过相互摩擦、碰撞产生大量热能，从而起到加热作用[5-6]。

淀粉是一种广泛存在于谷类、薯类、豆类等植物中的碳水化合物[7-10]，分子式为(C6H10O5)n。大米是中国的主要主食之一，淀粉是大米中的主要成分，约占75～85%。大米制品在市场上已经得到了消费者的普遍认可，大米制品也被广泛应用于产业化加工中。大米制品的品质特性包括很多的特性，如蒸煮加工品质、食用品质和营养品质特性。

在日常生活和工业化应用中，微波处理大米制品的应用非常广泛，但是关于微波处理对大米淀粉理化性质和结构特性影响的国内外研究报道较少，关于微波辐射对淀粉理化性质和结构特性的影响至今还没形成统一的结论。Anderson等[11]在270～1350 W的微波功率下对大米淀粉处理60 min，发现大米淀粉的颗粒形态没有明显变化，但是淀粉的糊化黏度参数增加。Zhong等[12]将大米淀粉样品分别在微波功率为540 W下处理0、10、20和30 min后，发现微波处理对大米淀粉结构特性没有影响或影响很小。宁芯等[13]采用2450 MHz微波处理大米淀粉，观察微波处理后淀粉颗粒破裂，直链淀粉含量增加，淀粉的膨胀度和溶解度下降，消化性能提高。

截止目前，大多数研究主要集中在低水分含量条件下微波处理对淀粉结构和性能的影响，而日常生活和工业应用中大部分大米制品的水分含量很高，因此，加强高水分条件下微波辐射对大米淀粉结构特性影响的研究，有利于微波辐射技术在大米制品的应用。本文从大米粉中提取制备大米淀粉(rice starch，RS)，在高水分含量、微波处理温度和时间不同的情况下，利用直/支链淀粉试剂盒、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy，SEM)、X-射线衍射仪(X-ray Diffraction，XRD)和差示扫描量热仪(Differential Scanning Calorimetry，DSC)等技术与方法，考察微波辐射对大米淀粉直链淀粉含量、颗粒形貌、结晶特性及DSC特性等指标的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

样品：早籼米，产于江西省吉安市万安县枧头镇。

总淀粉试剂盒、直链/支链淀粉试剂盒(爱尔兰Megazyme公司)；无水乙酸钠、二水氯化钙、四水氯化锰(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；氢氧化钠、浓盐酸、石油醚(沸程60 ℃～90 ℃)、硫酸铜、硫酸钾、浓硫酸、冰醋酸、氢氧化钾、氯化钠、六水氯化镁、二甲基亚砜、无水乙醇等均为国产分析纯(广州西陇科学股份有限公司)。

1.2 仪器与设备

微波合成仪 美国CEM公司；X-射线衍射仪 德国BRUKER D8 ADVANCE；场发射扫描电镜带能谱仪 日本电子JSM 6701F；差示量热扫描仪 美国TA仪器Q2000；YB-1000A型高速多功能粉碎机 永康市速锋工贸有限公司；XS205电子分析天平 上海梅特勒-托利多仪器公司；DL-5C台式离心机 上海安亭科学仪器厂；K9860凯氏定氮仪 山东海能科学仪器有限公司；精密pH计 上海梅特勒-托利多仪器公司等。

1.3 方法

1.3.1 大米淀粉的提取和理化性质的测定

1.3.1.1 大米淀粉的提取

参考文献方法[14]，将大米用粉碎机粉碎后过筛100目，干燥保存。称取一定质量的大米粉，采用0.2%氢氧化钠按1:5(固液比)的比例磁力搅拌并浸泡12 h，更换两次氢氧化钠溶液，离心(4 000 r·min-1，10 min)，弃去上清液，刮去上层软层和黄淀粉，继续加蒸馏水分散重复离心直至没有黄色的淀粉，使用0.5 mol·L-1盐酸调节pH值为7.0，离心(5 000 r·min-1，10 min)，用蒸馏水重复洗涤离心3次，45 ℃烘箱干燥24 h，粉碎机粉碎，100目筛网过筛，得到大米淀粉。

1.3.1.2 基本理化性质的测定

采用AOAC official Method 925.10测定水分含量；采用AOAC official Method 923.03测定灰分含量；采用GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》测定蛋白质含量(凯氏定氮法)；采用GB/T 14772—2008《食品中粗脂肪的测定》测定脂肪含量(索氏抽提法)；采用Megazyme Starch试剂盒法测定总淀粉含量。

1.3.1.3 直链淀粉含量的测定

采用Megazyme Amylose/Amylopectin试剂盒，根据Concanavalin A(Con A)法测定直链淀粉含量。

直链淀粉(%，w/w)=ΔA1/ΔA2×66.8

其中，ΔA1为直链淀粉相当于试剂空白读取的吸光度值；ΔA2为总淀粉相当于试剂空白读取的吸光度值。

支链淀粉(%，w/w)=[1-直链淀粉]×100

1.3.1.4 颗粒形貌的测定

将待测淀粉样品预先进行喷金处理，采用场发射扫描电镜带能谱仪(SEM)对淀粉颗粒表面形态进行观察。

1.3.1.5 结晶特性的测定

将淀粉样品用Bede X-射线衍射仪进行测定。衍射条件：仪器电压为40 kV，电流为40 mA，Cu耙(Kα射线)，λ=1.540 6 Å，衍射角范围1.5°<2θ<60°，0.4 s/步，扫描步长0.02°。用曲线作图法计算相对结晶度，分析软件计算无定形面积(Aa)和结晶峰面积(Ac)面积，求出相对结晶度[Ac/(Ac+Aa)×100][15]。

1.3.1.6 热特性的测定

称取淀粉样品3 mg放入坩埚内，加6 μL蒸馏水，压样密封后在室温放置平衡12 h后测定，以空坩埚为参照，设定测试温度范围为0℃～100℃，升温速率为10℃/min。测定淀粉的糊化温度以及糊化焓等热特性指标。

1.3.2 不同微波处理条件对淀粉理化性质和结构特性的影响

在已知水分含量的大米淀粉中加入适量的水分，将大米淀粉调至需要的水分含量。制备好的淀粉-水悬浮液样品置于石英容器中，放入微波合成仪的反应腔中，程序控制设定微波处理的功率为10 W，设置微波的温度，以及到达设置温度后的处理时间，对样品进行微波处理。处理完毕后，仪器迅速冷却处理的样品，降温至室温，将样品冷冻干燥后进行理化特性的测定。

1.3.2.1 水分含量的影响

设定微波处理温度为50℃，处理时间为1 s，考察淀粉水分含量(75%，80%，85%，90%，95%)对微波处理后淀粉理化性质和结构特性的影响。分别测定微波处理后淀粉的直链淀粉含量(参考1.3.1.3)、颗粒形貌(参考1.3.1.4)、结晶特性(参考1.3.1.5)、DSC特性(参考1.3.1.6)。

1.3.2.2 温度的影响

根据1.3.2.1中得到的结果选取合适的微波处理水分含量值，设定淀粉水分含量为95%，微波处理时间为1 s，改变处理温度为50 ℃，60 ℃，70 ℃，80 ℃，90 ℃。分别测定微波处理后淀粉的直链淀粉含量(参考1.3.1.3)、颗粒形貌(参考1.3.1.4)、结晶特性(参考1.3.1.5)、DSC特性(参考1.3.1.6)。

1.3.2.3 处理时间的影响

从1.3.2.1和1.3.2.2中的结果选取合适的的微波处理水分含量值和处理温度，设定淀粉水分含量为95%，微波处理温度为70℃，改变处理时间为1 s和1，10，30，60 min。分别测定微波处理后淀粉的直链淀粉含量(参考1.3.1.3)、颗粒形貌(参考1.3.1.4)、结晶特性(参考1.3.1.5)、DSC特性(参考1.3.1.6)。

1.3.3 数据处理与分析

数据结果表示为平均值±标准差。采用IBM SPSS统计软件(版本24.0)进行统计学分析：对不同微波处理方法的淀粉各指标数据进行单因素方差分析，并采用Tukey法进行两两比较，P<0.05则认为差异具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 大米淀粉基本理化性质的测定

从表1中可以看出，大米粉经过碱提法提取的大米淀粉，其蛋白质降低至0.48%，脂肪含量为0.03%，淀粉含量提高至96.61%，表明提取所得大米淀粉(RS)属于高纯度淀粉。

表1 大米粉及大米淀粉基本理化性质 n=3

2.2 不同水分含量微波处理对淀粉理化性质和结构特性的影响

2.2.1 对直链淀粉含量的影响

从表2中可以看出，不同水分含量的微波处理对大米淀粉的直链淀粉含量并没有显著影响。这很有可能是因为在微波处理过程中由于介电处理产生的能量优先被水分子吸收，水分子有助于防止脱链[16-17]，而淀粉又处在高水分含量下，因此淀粉中的直链淀粉不容易受损，不同水分含量的微波处理的大米淀粉的直链淀粉含量并没有明显的变化。

2.2.2 对颗粒形貌的影响

图1显示的是由扫描电镜观察到的大米淀粉及不同水分含量微波处理对淀粉颗粒形貌的影响。从图中可以看出，大米淀粉颗粒较小，粒径约为3～8 μm，大多数的淀粉颗粒呈现出不规则多边形，颗粒表面比较光滑，颗粒形状较为规整[12]。从中选取5 000倍淀粉颗粒形貌进行分析，发现不同水分含量微波处理淀粉的颗粒形状并没有明显变化，但是颗粒表面出现了裂痕。

表2 不同微波处理条件的淀粉中直链淀粉含量 n=3

2.2.3 对结晶特性的影响

图2(a)显示的是大米淀粉及不同水分含量微波处理淀粉的X-射线衍射的图谱，2θ在15°，17°，18°和23°附近都出现了强衍射峰，这是典型的A-型淀粉结晶特征[18]。在淀粉颗粒中，直链淀粉和支链淀粉相邻羟基间经氢键结合形成交替存在的结晶区与无定形区[19]。不同水分含量的微波处理后，大米淀粉的晶型并没有发生改变，但是淀粉的相对结晶度降低；随着大米淀粉的水分含量增加，淀粉的结晶度有轻微降低。这可能是因为微波辐射破坏了淀粉结晶区的部分双螺旋结构，双螺旋结构解旋变成非晶区，导致结晶度降低[20-21]。不同水分含量的微波处理淀粉的结晶度相差不大，说明水分含量对淀粉的晶体结构影响不大。

2.2.4 对热特性的影响

由表3可知，不同水分含量微波处理前后的淀粉糊化温度并没有太大的变化，糊化初始温度基本在64 ℃左右。不同水分含量的微波处理对淀粉的糊化起始温度、峰值温度、终止温度影响较小，微波处理75%和80%水分含量的淀粉糊化焓基本保持不变，微波处理85%，90%，95%水分含量的淀粉的糊化焓轻微降低。微波处理后，糊化焓有所降低，说明微波处理破坏了大米淀粉中双螺旋结构，淀粉颗粒结晶区的双螺旋结构解离，淀粉颗粒中的分子排列变得杂乱无序，淀粉更容易糊化，因此淀粉的糊化焓降低[22-23]。

2.3 不同温度微波处理对淀粉理化性质和结构特性的影响

从表2中可以看出不同温度的微波处理对大米淀粉的直链淀粉含量影响并不显著，但是对淀粉颗粒形貌的影响很大(图1)。当微波处理温度达到50℃的时候，淀粉颗粒的形状并没有变化，只是颗粒表面出现了裂痕。随着微波处理温度的升高，淀粉颗粒破裂，部分淀粉发生糊化，直到温度为90 ℃的时候，淀粉完全糊化，淀粉颗粒完全破裂形成片状。

表3 不同微波处理条件淀粉的热力学参数 n=2

从图2(b)中可以看出，不同温度微波处理后淀粉的晶体构型也没有改变，但是淀粉的相对结晶度降低。随着微波处理的温度增加，结晶度逐渐降低；温度达到70 ℃时，结晶度显著性降低，并且淀粉的衍射峰开始变弱，到90 ℃衍射峰完全消失，形成无定形结构。淀粉结晶度的变化和淀粉的糊化温度有关，在微波处理过程中样品的温度达到糊化温度之前，淀粉的结晶度降低的程度并不大；在达到糊化温度后变化最大，即淀粉受热后，颗粒内就发生结晶态向无定形态转变的现象，直至完全糊化，结晶度完全消失。不同温度微波处理淀粉的热力学参数见表3，从表中可以看出不同温度微波处理对大米淀粉热特性的影响较大。随着微波处理温度的升高，大米淀粉的糊化温度也逐渐升高，糊化焓也逐渐降低，直到微波处理温度为90 ℃时，淀粉完全糊化，几乎看不到糊化峰，即糊化焓减小为零。这和不同温度微波处理对大米淀粉晶体结构的影响结果相对应。

2.4 不同时间微波处理对淀粉理化性质和结构特性的影响

由表2可知，随着微波处理时间的增加，淀粉的直链淀粉含量变化不显著，但是不同时间微波处理对淀粉颗粒形貌的影响比较显著(图1)。当微波处理时间为1 s的时候，部分淀粉颗粒破裂；随着微波处理时间增加至30 min时，淀粉完全糊化，淀粉的颗粒结构被完全破坏，小的淀粉颗粒破碎形成大的团聚体。

从图2(c)可以看出，大米淀粉在微波温度为70 ℃时，随着微波处理时间的增加，淀粉的特征衍射峰变得十分微弱，到30min的时候，特征衍射峰完全消失，形成了无定形区。随着微波处理的时间增加，大米淀粉不断受热糊化，双螺旋结构被破坏，含量不断减少，导致淀粉的结晶度降低。不同时间微波处理淀粉的热力学参数见表3，从表中可知，随着微波处理时间越长，糊化温度逐渐增加，糊化焓逐渐降低。在微波辐射下，破坏了淀粉颗粒中较脆弱的双螺旋结构，剩下稳定性较高的双螺旋结构，导致糊化温度升高[24]。随着微波处理时间越长，双螺旋结构数量逐渐减少，从而导致双螺旋解旋所需的能量降低，糊化焓值降低。

3 结论

本研究发现，微波处理对大米淀粉的直链淀粉含量并没有明显影响，但会破坏大米淀粉的颗粒形貌、结晶特性和糊化特性。水分含量对大米淀粉的颗粒形貌、结晶特性和糊化特性影响较小，但是微波处理的温度和时间对大米淀粉的影响比较大。随着微波处理的温度越高和时间越长，淀粉颗粒破坏程度越大；淀粉的晶型没有发生改变，但是淀粉的结晶度逐渐降低；淀粉的糊化温度逐渐升高，糊化焓逐渐降低。微波处理后，淀粉结晶度的降低证明了淀粉的双螺旋结构数量减少，淀粉糊化温度的升高和糊化焓的降低也进一步证实了微波处理破坏了淀粉的双螺旋结构。综上所述，微波温度和时间对淀粉理化性质和结构特性的影响比较大，这可能与淀粉本身的糊化特性有关，在微波加热淀粉糊化过程中，淀粉颗粒在水中因受热吸水膨胀，淀粉颗粒破裂，分子内和分子间的氢键破裂，双螺旋结构被破坏，导致淀粉的理化性质和结构特性发生显著变化。研究微波处理对大米淀粉理化性质和结构特性的影响为微波技术在米制品的实际加工应用提供了理论数据。