超高压处理对燕麦淀粉颗粒特性、热特性及流变学特性的影响

张 晶，张美莉*

（内蒙古农业大学食品科学与工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

燕麦营养丰富，主要含有淀粉、膳食纤维、蛋白质和脂肪等，具有降低胆固醇、调节血糖、改善肠道菌群、降低血压等功能[1-2]。燕麦淀粉质量分数在50%～65%，颗粒较小，其中直链淀粉占总淀粉质量的10.6%～24.5%，比其他淀粉更易糊化[3]。燕麦不含面筋蛋白，主要是球蛋白和小分子谷蛋白，加水不能形成面筋网络结构，不易形成面团，在面团揉混过程中，需要用热水烫面使淀粉糊化，通过淀粉颗粒间的黏结性形成面团[4-5]。燕麦淀粉除了在燕麦面团形成过程中发挥重要的作用外，燕麦淀粉的质构、流变等性质直接影响面包、淀粉原料食品的外观品质、食用品质、保鲜期以及燕麦淀粉的商业应用[6]。近年来燕麦淀粉以其特殊的理化性质引起越来越广泛的重视。原淀粉由于不溶于冷水、易老化、抗剪切能力差等不足，极大地限制了淀粉的应用范围，为了改善淀粉的加工性能，需要对淀粉进行改性处理[7]。

超高压或高静水压技术是在100～1 000 MPa的压力下处理食品物料，通过改变氢键、疏水键、离子键等非共价键，从而破坏高分子物质的结构，引起大分子物质如蛋白质、淀粉、酶等改性、变性、失活，并杀死食品中的细菌等微生物[8]。超高压技术在粮食加工中主要用于淀粉和蛋白质的改性、功能成分的提取、致敏性的降低及灭菌等。

淀粉的质构特性、热特性、流变特性等直接影响食品的品质，进而会影响淀粉的应用范围、食品加工过程中原料的运输、能量损耗等[9]。超高压处理可以改变淀粉的颗粒形貌，使得淀粉颗粒表面变粗糙，颗粒形貌的变化与淀粉种类、压力和时间等有关。利用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）可以观察淀粉颗粒的形状、大小。研究发现小麦淀粉和马铃薯淀粉在高压处理后颗粒形状及表面变化较玉米淀粉更明显[10]；在690 MPa处理5 min后，蜡质玉米淀粉部分失去颗粒完整性，而普通玉米淀粉颗粒仍保持完整性[11]。差示扫描量热仪（differential scanning calorimeter，DSC）可以检测淀粉糊化过程中的热焓值、玻璃化转变温度等参数，研究发现，随着超高压处理压力的增加，玉米淀粉、大米淀粉的糊化温度及糊化焓降低[12]。经超高压处理后，淀粉的流变学特性发生了变化，大麦淀粉、抗性玉米淀粉等储能模量、损耗模量随着压力水平的增加而增加[13-14]。目前，对燕麦淀粉的研究主要集中在燕麦淀粉的提取纯化，不同品种来源燕麦淀粉理化特性的比较，酶处理、交联、乙酰化处理及不同热处理对燕麦淀粉理化性质、糊化特性、热特性等的影响[15-22]。超高压处理对燕麦淀粉影响的研究较少，本研究通过在不同的压力水平下处理燕麦淀粉，利用SEM、激光粒度分析仪、质构仪、DSC、流变仪探讨不同压力处理对燕麦淀粉颗粒形貌、质构特性、热特性及流变学特性的影响，为燕麦淀粉在食品加工中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

燕麦淀粉由蒙古农业大学食品科学与工程学院粮油及植物蛋白加工研究室自制。

1.2 仪器与设备

HHP-600超高压设备 包头科发高压科技有限责任公司；RS6000哈克流变仪 美国赛默飞公司；TM4000 SEM 日本日立株式会社；TA-XT2i质构仪 英国SMS公司；Discovery 25 DSC 美国TA仪器公司；BT-2002激光粒度分析仪 丹东百特科技有限公司；UPW-N系列纯水机 上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品超高压处理

燕麦淀粉加蒸馏水配制成15 g/100 mL的淀粉溶液，搅拌至淀粉完全分散，将样品置于聚乙烯袋内，真空密封。随后将样品放入超高压设备器中，分别在100、200、300、400、500 MPa和600 MPa的压力下处理30 min，处理完成后，将样品冷冻干燥，备用。

1.3.2 颗粒形貌的观察

将导电胶粘于扫描电子显微镜的载物台上，粘取少量样品，镀金后，放入SEM中观察，加速电压为15 kV。

1.3.3 粒径分布的测定

将0.1 g燕麦淀粉溶于5 mL蒸馏水中，并将淀粉悬浮液滴入激光粒度分析仪的样品池中，以蒸馏水做分散剂，开启超声波振荡3 min，使淀粉颗粒均匀分散，测定淀粉颗粒粒径范围，平行3 次，结果取平均值。淀粉颗粒折射率为1.53，分散剂折射率为1.33。

1.3.4 凝胶质构特性的测定

称取一定量的燕麦淀粉样品，加蒸馏水配制成12 g/100 mL的淀粉悬浮液，置于沸水浴中加热20 min，期间不断搅拌使之充分糊化。糊化结束后取出冷却至室温，在4 ℃条件下贮藏24 h后用于质构特性测定。质构特性测定采用TPA模式，P6探头，压缩比为50%，探头测前下降速率1.0 mm/s，测试速率1.0 mm/s，测后的上升速率1.0 mm/s，测定高度5 mm，触发力5.0 g，两次测定时间间隔为3 s。

1.3.5 热特性的测定

称取3.0 mg样品置于铝质坩埚内，加入9 μL去离子水，密封压盖。空铝质坩埚为对照，DSC扫描温度范围40～200 ℃，温度上升速率为10 ℃/min。

1.3.6 流变学特性的测定

动态流变学：称取淀粉样品，配成8 g/100 mL的淀粉悬浮液，用滴管将淀粉悬浮液放入流变仪测定台，测定选用1°锥板，间隙0.05 mm。流变仪从25 ℃升温到95 ℃，使淀粉糊化，随后降温到25 ℃，测定糊化及冷却过程中淀粉凝胶储能模量、损耗模量随温度的变化。将糊化后的淀粉凝胶放于测定台上，采用振荡模式，频率扫描范围为1～10 Hz，测定淀粉凝胶储能模量、损耗模量随频率的变化，固定应力为0.1%，流变仪温度25 ℃。

静态流变学：将糊化后的淀粉凝胶放于测定台上，采用稳态模式，测定淀粉凝胶剪切应力随剪切速率从0 s-1增加到300 s-1，再从300 s-1降低到0 s-1过程中的变化，流变仪温度25 ℃。

1.4 数据统计与分析

使用Excel软件对数据进行整理，利用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析，利用Origin 2017软件作图。

2 结果与分析

2.1 超高压处理对燕麦淀粉颗粒形貌的影响

图1 不同压力处理后燕麦淀粉SEM图Fig.1 Scanning electron micrographs of native and HHP treated oat starch

从图1中可以看出，燕麦淀粉颗粒形状不规则，有球形、多面体，粒径约为20 mm，属于小颗粒淀粉（图1A）。一些淀粉颗粒表面上有凹陷，燕麦籽粒中淀粉和蛋白质结合非常紧密，这种凹陷可能是在生长过程中蛋白质挤压造成的。另一方面，在提取淀粉的过程中，淀粉从蛋白质网络结构中释放时，淀粉颗粒可能被破坏，造成淀粉颗粒表面凹陷。

由于燕麦淀粉颗粒形状不规则，在100～300 MPa的压力处理后，淀粉颗粒形状、尺寸和表面的变化不明显（图1B～D）。Li Wenhao等报道大米淀粉经120～480 MPa超高压处理后也有类似的现象[23]。400 MPa以上处理后，燕麦淀粉颗粒形状和表面发生明显的变化（图1E～G），淀粉颗粒表面变得粗糙，一些颗粒坍塌、黏结并变成“甜甜圈形”，虽然大多数颗粒出现膨胀和变形，但仍有颗粒保持一定程度的完整性，这是淀粉压力凝胶化的典型颗粒结构[24]。超高压处理荞麦淀粉、高粱淀粉和普通大米淀粉的颗粒形貌也呈相似变化[25-27]。

2.2 超高压处理对燕麦淀粉粒径分布的影响

表1 不同压力处理后燕麦淀粉颗粒的粒径分布Table 1 Particle size distribution of native and HHP treated oat starch

由表1可见，未经超高压处理的原燕麦淀粉颗粒平均粒径为10.70 μm，粒径范围为1.46～26.68 μm，粒径小于10.09 μm的颗粒占总颗粒的50%，粒径小于17.17 μm的颗粒占比达到90%，其颗粒体积分布图为单峰曲线，峰值出现在10 μm附近。

与原燕麦淀粉相比，100～300 MPa处理后，淀粉颗粒的平均粒径减小，粒径小于9.5 μm左右的淀粉颗粒达到总颗粒的50%，体积分布图的峰型较窄，小颗粒淀粉所占的比例增加。粒径的减少可能是在超高压处理下，高分子的立体结构中发生氢键结合、离子结合、疏水结合，这是压力对淀粉的压缩“韧化”作用[28]。500、600 MPa处理后，粒径显著增加（P＜0.05），此时淀粉颗粒的平均粒径分别为14.74、21.15 μm，分别为原淀粉的1.38 倍和1.98 倍，大颗粒淀粉数量明显增加，粒径最大分别达到56.52 μm和253.62 μm；且400～600 MPa处理后，峰向右移动，峰型变宽，峰值出现在14 μm附近，说明高压力处理使得淀粉颗粒聚集在一起，导致颗粒粒径分布发生变化[29]。此外，压力处理可能使淀粉发生糊化，颗粒体积膨胀，使得粒径显著增加。

2.3 超高压处理对燕麦淀粉质构特性的影响

表2 不同压力处理后燕麦淀粉颗粒的质构特性Table 2 Texture properties of native and HHP treated starch

从表2可以看出，超高压处理可以显著降低淀粉凝胶的硬度、胶着度和咀嚼度，并增加弹性、回复性和黏聚性，但黏聚性没有发生显著变化。与原淀粉相比，600 MPa压力处理后，淀粉凝胶的弹性显著增加，从0.90上升至1.89。淀粉糊凝胶硬度与水分的收缩和支链淀粉的结晶有关，具有较高的直链淀粉含量和较长的支链淀粉链的淀粉凝胶硬度较高，回生过程由于淀粉重结晶，会导致硬度增加[30-31]。在凝胶化过程中，超高压改性淀粉由于直链淀粉含量较高，其膨胀程度小于原淀粉，水-淀粉、淀粉-淀粉分子之间相互作用较弱，导致超高压改性淀粉凝胶硬度较低[32]。一般来说，硬度与咀嚼度与淀粉类食品品质呈负相关，即硬度与咀嚼度越大，淀粉类食品品质越差；黏聚性和回复性与淀粉类食品品质呈正相关，值越大，食物越柔软，品质越好。因此，超高压处理可显著改变燕麦淀粉凝胶的特性。

2.4 超高压处理对燕麦淀粉热特性的影响

糊化温度范围反映淀粉分子内部的微晶结构及结晶程度，值越大，表示结晶程度越大，晶体结构越完整。糊化焓反映在淀粉糊化过程中，破坏双螺旋结构所需要的能量。不同压力处理后，燕麦淀粉的热力学变化规律见图2。

图2 不同压力处理后燕麦淀粉的DSC图Fig.2 DSC spectra of native and HHP treated oat starch

从图2可以看出，HHP处理后，燕麦淀粉的热力学性质发生明显变化。100～300 MPa处理后，淀粉的吸热峰比原淀粉窄而尖，糊化温度升高、糊化区间变窄、糊化焓升高，说明100～300 MPa压力处理使淀粉热稳定性提高，这是超高压处理对淀粉的韧化作用，这与超高压处理对淀粉粒度分布的研究结果一致。400 MPa处理后，吸热峰变宽，说明淀粉结晶结构受到破坏，分布不均匀。500、600 MPa处理后，典型的吸热峰几乎消失，糊化焓降低，说明加压过程中，水分子通过通道浸入淀粉颗粒，淀粉的结晶结构受破坏程度较大，淀粉颗粒发生糊化[23]。Stolt等研究发现，经过550 MPa处理5 min后，大麦淀粉完全糊化[13]。与500 MPa相比，600 MPa处理后，糊化焓升高，有可能是600 MPa使淀粉结晶结构发生融化，压力处理完成后，淀粉发生重结晶，形成完整结晶，该热焓值是重结晶再次融化的值。600 MPa处理糯玉米淀粉也出现相似的现象[28]。

2.5 超高压处理对燕麦淀粉动态流变学特性的影响

食品在受到外力作用以后发生形变，具有弹性，作用力消失后，主要为黏性，表现为流动状态。储能模量（G’）是存储在材料中并从每个循环中回收的能量的量度，为弹性应力和应变的比值；损耗模量（G’）是每个正弦变形周期消耗或损失的能量的量度，为黏性应力和应变的比值[11]。损耗角正切值tanδ为G’与G’的比值，tanδ值越大，表明体系的黏性比例越大，可流动性越强，体系表现出流体的特征；tanδ值越小，则体系中的弹性成分就越多，体系进而呈现出固体的特征[33]。不同压力处理后燕麦淀粉的G’、G’随温度的变化见图3。

图3 不同压力下燕麦淀粉糊的储能模量、损耗模量随温度变化曲线Fig.3 Dynamic modulus versus temperature curves of HHP treated oat starch

由图3A1、A2可知，在升温扫描过程中，不同压力处理后的燕麦淀粉糊的G’、G’变化趋势相似。在25～65 ℃范围内G’和G’基本稳定，当温度达到75 ℃附近时，G’和G’急剧上升达到最大值，之后随着温度上升呈下降趋势。

在温度增加的过程中，淀粉颗粒吸水膨胀，体积增大，直链淀粉从淀粉颗粒中溶出，进而与淀粉颗粒相互缠绕形成网络结构，使得G’和G”增加[34]；随着温度的进一步升高，G’和G”开始下降，表明凝胶结构在长时间加热过程中被破坏，可能是进一步加热使膨胀的淀粉颗粒中残留的结晶区域熔化，淀粉颗粒变形、破裂、崩解，分子流动性增加，导致链间相互作用减弱[35]。不同压力处理后燕麦淀粉的G’达到最高值的温度范围为73～87 ℃，500 MPa和600 MPa处理后的燕麦淀粉在整个升温过程中G’和G”没有出现峰值。不同压力处理后淀粉的最高G’差异较大，原淀粉的最高G’最大，为128 Pa，100～400 MPa处理后，淀粉的最高G’均下降。

由图3B1、B2可知，温度从95 ℃降到25 ℃的整个过程中，G’、G”表现出波浪形上升的趋势。G’和G’分别代表样品的弹性特征和黏性特征，一般来说，糊化后的样品在降温冷却期间淀粉糊的黏弹性增加[36]。随着温度的降低，糊化的淀粉开始凝胶化，淀粉颗粒通过相互作用而形成的网络结构逐渐增强，导致G’和G”增加。

图4 不同压力下燕麦淀粉糊的G’、G’（A）及tan δ（B）随频率的变化曲线Fig.4 G’, G” (A) and tan δ (B) versus frequency curves of HHP treated starch

由图4可知，随着频率的增大，原淀粉与不同压力处理后淀粉的G’与G”均逐渐增大，且G’始终大于G”，即所有处理的淀粉糊以弹性性质为主。随着扫描频率的增加，tanδ略微上升随后趋于平稳，tanδ小于1，说明原淀粉和超高压处理的淀粉糊表现出一种典型的弱凝胶动态流变学特性[37]。

不同压力处理后，燕麦淀粉糊G’与G”均高于原淀粉，说明超高压处理使淀粉糊黏性和弹性增强。可能是压力使燕麦淀粉颗粒晶体结构被破坏，导致淀粉颗粒在水溶液中加热剪切作用下也不易破裂，淀粉凝胶柔韧性提高[28]。100 MPa处理后，燕麦淀粉黏弹性最好。超高压处理后，燕麦淀粉的tanδ高于原淀粉，说明超高压处理后的淀粉显示出更高的黏性，G”增加速率比G’快，可流动性增强。Jiang Bin等对超高压处理大米淀粉的结果[38]与本结果相似。

2.6 超高压处理对燕麦淀粉静态流变学特性的影响

不同压力处理后燕麦淀粉糊剪切应力、黏度与剪切速率关系见图5，流变方程拟合参数见表3。

淀粉糊对抗流动性的能力称为黏性，其大小以黏度度量，淀粉糊的黏度因受到机械剪切作用而降低。从图5可以看出，随着剪切速率的增加，淀粉糊黏度快速下降，随后趋于平缓，剪切速率越快，黏度降低的程度越大。这是由于具有网络结构的淀粉凝胶在剪切作用下受到破坏，越来越多的淀粉分子开始流动而不是维持网络结构，导致黏度降低。在同样的剪切速率下，原淀粉的黏度最大，超高压处理后淀粉黏度减小。淀粉颗粒结构在超高压处理后发生变化，淀粉分子发生重排，在剪切力作用下，淀粉分子未来得及取向，导致黏度降低[39]。当剪切速率逐渐增加到100 s-1附近时，体系黏度趋于稳定，并且在稳定阶段，随着剪切速率的增大，体系黏度下降很少。

图5 不同压力下燕麦淀粉糊的静态流变曲线Fig.5 Static rheological curves of HHP treated oat starch

淀粉糊在流动过程中随着剪切速率的增加，剪切应力先相应增加，随后趋于平缓。剪切初期，需要大的剪切应力来破坏淀粉凝胶的网络结构，随后越来越多的淀粉分子从开始的网络结构转为定向流动，表现出“液体状”的行为，导致剪切应力趋于平缓[40]。

触变性是高分子溶液重要流变学特性之一，在食品中表现为爽口柔和。淀粉在外部剪切力的作用下，内部网络结构会有一定的破坏，当剪切速率逐渐降低时，其网状结构在相对短的一段时间内不能达到结构破坏的速率；因此其黏度变化的曲线就无法恢复到原来的曲线形状，继而构成一个闭合的触变环[41]。触变环面积可以表示淀粉糊网络结构被破坏所需要的能量，如果淀粉黏性维持得比较好，则触变环的面积相对较小[42]。从图5可以看出，当剪切速率从0～300 s-1之间先增加再下降时，原始淀粉及不同HHP处理淀粉的触变曲线均出现顺时针滞后环，说明所有淀粉糊体系均属于触变体系。500、600 MPa压力处理后，淀粉触变环面积减少，大大提高了体系的剪切稳定性，表明500 MPa和600 MPa处理可以提高淀粉的凝胶强度。超高压处理后，淀粉颗粒受到破坏，加热糊化过程中，颗粒膨胀受到限制，通过氢键结合的水合作用减弱，在剪切作用下，凝胶强度高于原淀粉[28]。

剪切应力与剪切速率曲线可用幂次定律方程进行回归拟合。该模型方程为τ＝K·γn，式中：τ为剪切应力/Pa；γ为剪切速率/s-1；K为黏稠系数/（Pa·sn）。K值和增稠能力有关，K值越大，表明增稠能力越强；n为流动性特征指数，表征非牛顿流体与牛顿流体之间的差异程度，0＜n＜1，n越小偏离牛顿型越远，则说明液体越容易剪切变稀，假塑性越大。

表3 不同压力处理后燕麦淀粉糊流变方程拟合参数Table 3 Herschel-Bulkley parameters for HHP treated oat starch

采用幂次定律方程对剪切应力与剪切速率曲线进行回归拟合，拟合参数见表3。从表中可以看出，R2较高，说明拟合具有较高精密度，不同压力处理淀粉糊的n值都小于1，说明所有样品都是假塑性流体。与原淀粉相比，超高压处理后，淀粉糊上行线稠度系数K、流体指数n的变化无规律性，但下行线稠度系数K有增大趋势，流体指数n呈减小趋势，说明超高压处理可以使淀粉糊变黏稠，剪切变稀性增强。剪切变稀行为在食品加工过程中至关重要，剪切速率较低时，高黏度能防止样品在罐内沉降或下沉；剪切速率较高时，低黏度能使样品形成膜并易于清洗。

3 结 论

燕麦淀粉颗粒为多面体且形状不规则，属于小颗粒淀粉；100～300 MPa处理后，淀粉颗粒形状、尺寸及表面变化不明显，400～600 MPa处理后，颗粒的表面变得粗糙，颗粒发生坍塌、黏结；燕麦淀粉颗粒体积平均粒径为10.70 μm，体积分布图为单峰曲线，100～300 MPa处理后，粒径减小，峰型较窄，400～600 MPa处理后，颗粒粒径增加，峰型变宽。

超高压处理可以改变燕麦淀粉的凝胶特性，100～600 MPa处理后，淀粉凝胶的硬度、胶着度和咀嚼度显著降低，600 MPa处理后，弹性显著增加。

超高压处理能够改变淀粉的热力学性质，100～300 MPa压力的处理使淀粉热稳定性提高，500、600 MPa处理后，淀粉颗粒发生糊化。

动态流变学结果表明原淀粉和超高压处理淀粉糊均为典型的弱凝胶，且淀粉糊以弹性性质为主；超高压处理后，燕麦淀粉糊G’、G’、tanδ值明显提高，说明超高压处理使淀粉糊黏性和弹性增强，可流动性增强，100 MPa处理后，黏弹性最好。静态流变学结果表明原淀粉和超高压处理淀粉均为假塑性流体，超高压处理后，剪切变稀性增强；500 MPa和600 MPa处理后，淀粉糊触变环面积减少，剪切稳定性、凝胶强度提高。