超声波处理对糙米淀粉结构与理化性质的影响

梁云浩，王周利，蔡瑞，岳田利，袁亚宏，崔璐

（西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100）

糙米是脱壳后的稻谷没有经过加工处理而直接获得的全谷物米粒，由胚芽、胚乳和米糠层组成。与精米相比，糙米极大地保留了稻米的营养物质。除蛋白质、脂肪、维生素和无机盐以外，糙米还含有很多精米中不具备的功能因子，如膳食纤维、谷胱甘肽、γ-氨基丁酸、二十八烷醇和肌醇等，其具有调节血糖血脂、提高免疫力与抗氧化等作用，具有预防胃肠与心脑血管疾病的功能[1-2]。

淀粉是高等植物的主要成分，也是人体能量的重要来源。其具有胶凝性、增稠性以及改善食品质构等多种功能，在食品工业中被广泛用作填充剂、交联剂和稳定剂等[3]。随着主粮工业化的发展和消费者对健康问题的日益关注，近年来糙米淀粉的需求量也逐渐增大。改性是淀粉得以广泛使用的关键步骤，其中物理改性以其副产物少、无化学残留、环境友好的特点备受关注。目前常用的物理改性方法有高压、球磨、辐照、微波、超声波、湿热处理等[4]，其中超声波技术具有绿色高效、安全易控和成本低的特点，近年来被广泛地应用于淀粉的物理改性领域。目前，国内外有许多关于超声波处理淀粉并影响其理化性质与结构特征的研究，Zhu等[5]研究发现超声波处理会在马铃薯淀粉颗粒表面形成凹陷，并对淀粉结晶区造成影响，但不会改变晶体构型。罗志刚等[6]研究发现超声波处理可以降低玉米淀粉的糊化焓值和糊化温度范围。Hu等[7]研究了不同频率超声波处理对玉米淀粉结构与理化性质的影响，结果发现，超声波能显著改变淀粉的热稳定性、回生性和凝胶性，并降低其峰值黏度。王宏伟等[8]研究发现，超声波处理可以破坏小麦淀粉的颗粒结构和结晶结构，并且随着超声时间延长，淀粉聚集态的无序化程度更加明显。

超声波产生的空化效应是引起聚合物材料性质改变的主要原因。声波空化导致液体中气泡快速生成并破裂，在短时间内产生局部的高温高压，气泡破裂产生的剪切力可能会破坏材料分子的共价键，影响不同链间相互作用并破坏淀粉颗粒的晶体结构，从而影响糊化性能，达到改性目的[9-10]。研究表明，关于超声效果的大多数讨论都是在淀粉溶液中进行的，超声波处理会根据作用时间、温度、功率、频率的差异，以不同方式影响淀粉的理化性质[11]。超声波方法为糙米淀粉的加工提供了一种新的思路。本研究主要是以超声波物理改性方式为核心，通过研究不同超声波处理时间对糙米淀粉的表观与晶体结构特征，以及对淀粉糊的流变学特性、透光率、析水率和凝沉性等理化性质的影响，揭示超声波处理糙米淀粉分子机制，旨在为促进糙米及其淀粉加工产业的发展提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

有机糙米：北京和雅堂食品有限公司；无水乙醇（分析纯）：四川西陇科学有限公司。

1.2 仪器与设备

FW-400AD高速万能粉碎机：天津鑫博得仪器有限公司；SBL-30DTY超声波恒温清洗机：宁波新芝生物科技股份有限公司；HC-3018R高速冷冻离心机：安徽中科中佳科学仪器有限公司；S-3400N扫描电子显微镜：日本日立公司；DHR-1旋转流变仪、Q2000差示扫描量热仪：美国Waters公司；D8 ADVANCE A25 X射线衍射仪：德国布鲁克公司。

1.3 方法

1.3.1 糙米淀粉的制备与超声处理

采用Park等[11]糙米淀粉制备方法并加以修改。用粉碎机将糙米粒磨粉，用3倍质量的去离子水浸泡24 h，振荡提取4 h，在4 000 r/min下离心20 min，去除上清液并刮掉沉淀表层黄色杂质。加入去离子水清洗，涡旋振荡，在4 000 r/min下离心5 min并取沉淀，重复清洗步骤3次。然后使用无水乙醇清洗1次，操作同上。最后收集沉淀于40℃下干燥12h得到糙米淀粉。

参考李杨[12]的方法进行超声处理。准确称取20 g糙米淀粉于烧杯中，加入一定量的去离子水制备浓度为10%的淀粉乳，搅拌均匀，静置12 h使其充分溶胀。之后将淀粉乳置于槽式超声波反应器（25℃，33 kHz）中处理 10、20、30、40、50 min，以未经超声处理的糙米淀粉作为对照。超声处理结束后离心并取沉淀于40℃下干燥12 h，粉碎研磨装入自封袋内保存待测。

1.3.2 淀粉颗粒表观结构

参照赵佳[13]的方法。待测样品经过干燥后，均匀分布在粘有导电双面胶的样品台上，喷金固定。在放大倍数3 000倍，加速电压5.00 kV条件下，使用扫描电子显微镜下拍摄具有代表性的淀粉颗粒形貌。

1.3.3 结晶性质测定

参考刘星等[14]方法，采用X射线衍射仪进行测试。测试条件为管压40 kV，管流40 mA，衍射角2θ为5°～50°，扫描速率 6°/min，步长为 0.02°。采用 Jade6.0 软件对数据进行分析，图谱经平滑后，计算结晶区的面积占比，得到糙米淀粉的相对结晶度[15]。

相对结晶度/%=衍射峰面积/总面积×100

1.3.4 动态流变学性质测定

称取一定量的淀粉置于烧杯中，加入蒸馏水配成6%的淀粉乳，95℃水浴30 min，不断搅拌使其充分糊化，糊化完成后冷却至25℃。采用平板-平板测量系统，平板直径40 mm，设置间隙1 mm，测定温度25℃，扫描应变值为1%，测定振荡频率为0.1 Hz～10 Hz内储能模量（G′）、损耗模量（G″）、损耗角正切值（tanδ）随角频率变化的情况，以此反映糙米淀粉样品的黏弹性[16-17]。

1.3.5 淀粉糊的热力学性质测定

准确称取糙米淀粉0.3 mg（以干基计）于铝坩埚中，按1∶3（g/mL）加入蒸馏水并压片，平衡过夜，以空坩埚为对照进行测定。设定程序：起始温度20℃，升温速率10℃/min，终止温度120℃。使用TA60软件对所得结果进行分析，获得糙米淀粉的起始糊化温度To、峰值温度Tp、终止温度Tc和糊化焓值ΔHg[12]。

1.3.6 透光率、析水率与凝沉性测定

1）透光率：准确称取一定质量的淀粉样品，加入蒸馏水配制成浓度为1%的悬浮液，于95℃水浴30 min，不断搅拌使其充分糊化。糊化结束后取出冷却，以蒸馏水作为空白，在640 nm波长下测定淀粉糊的透光率[18]。

2）析水率：准确称取一定质量的淀粉样品，加入蒸馏水配制成浓度为6%的悬浮液。于95℃下水浴30 min，然后称取一定质量冷却后的样品装入离心管。在-18℃下冷冻24 h，常温下解冻和平衡，于6 000 r/min下离心15 min，弃去上清液后称取沉淀物的质量。反复冻融5次并测定析水率[19]。

3）凝沉性：准确称取一定质量的淀粉样品，加入蒸馏水配制成浓度为1%的悬浮液，置于90℃水浴中糊化30min。糊化结束后取出冷却至室温25℃，倒入15mL试管中常温（25℃）下静置，每隔12 h记录1次淀粉糊上清液体积（前12 h每隔2 h记录1次），以上清液体积占总体积的百分比随时间的变化情况来反映淀粉的凝沉性质。

1.4 数据处理

每个样品平行测定3次，使用Excel 2016、Origin 2017和SPSS20软件对试验数据进行处理和统计分析。

2 结果与讨论

2.1 糙米淀粉的表观结构

不同超声时间处理下糙米淀粉的扫描电镜图见图1。

图1 不同超声时间处理下糙米淀粉的扫描电镜图（×3 000）Fig.1 Scanning electron microscopy of brown rice starch treated with different ultrasonic time(×3 000)

由图1a可知，未经超声处理的糙米淀粉颗粒表面较为光滑，呈现不规则多面体结构，大小不一，侧面有凹坑[20]。与对照组相比，超声处理30 min后，糙米淀粉表面出现小孔与凹陷，随着超声时间进一步延长，糙米淀粉的多面体结构破坏程度更加明显，颗粒表面出现缺口（图1f）。这是因为当超声波作用于淀粉溶液时，其空化产生的气泡快速生成和破裂，产生高剪切力从而导致糙米淀粉颗粒受损[15]。并且随着超声时间的梯度延长，这种机械损伤的程度增加，但颗粒形状与大小未发生明显变化。

2.2 糙米淀粉的结晶性质

淀粉是天然结晶高聚物，当分子规律性排列时形成结晶区，而排列杂乱的分子则形成非晶区。在对结果进行分析时，X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）谱图中出现尖峰，则说明有结晶结构，出现钝峰则是非晶结构[21]。因此，一般通过对比XRD谱图中的结晶区和非晶区特征的强度、比例及变化趋势来表征淀粉颗粒的晶体性质。

图2为不同超声时间处理下的糙米淀粉样品的XRD谱图。

图2 不同超声时间处理下糙米淀粉的XRD谱图Fig.2 XRD patterns of brown rice starch treated with different ultrasonic time

糙米淀粉在 15°、17°、18°、23°处的衍射特征明显，其中在15°和23°明显出峰，在 17°和18°附近出现相距较近的双峰，可以判断糙米淀粉为A型晶体结构[11]。A型晶体结构比较紧密，在食品加工过程中水分子不易进入结晶区，因此具有较高的稳定性[8]。

XRD结果显示衍射峰越强，说明其结晶性越强[22]。经过处理后衍射峰变得光滑，说明晶体结构遭到了破坏，结晶区发生改变。从XRD谱图来看，超声处理并没有改变糙米淀粉的晶体类型，即超声处理前后均为A型，这与Hu等[3]采用超声处理马铃薯淀粉和小米淀粉的研究结果一致。然而经超声处理后结晶度发生了明显改变。据研究，淀粉中的直链分子通过氢键作用可以形成双螺旋结构，这一点反映在淀粉的结晶度上[23]。不同超声时间处理下糙米淀粉的相对结晶度与透光率见表1。

表1 不同超声时间处理下糙米淀粉的相对结晶度与透光率Table 1 Relative crystallinity and light transmittance of brown rice starch treated with different ultrasonic time

如表1所示，经过超声处理的糙米淀粉相对结晶度在11%左右，与对照组相比，经过超声处理后的淀粉相对结晶度有所增加，这可能是由于超声作用使得短链分子相互作用，晶体间距缩小，使得晶体结构更加紧密。随着超声时间进一步增加到40 min时，淀粉相对结晶度呈现出减小的趋势，这可能是因为长时间的声波空化作用，淀粉晶体受到一定程度的破坏，淀粉的无定形结构有所增加，分子自由度增加，从而导致相对结晶度降低[24-25]。本研究结果与杨梦恬等[26]和张奎亮等[27]研究超声处理对糯米和马铃薯淀粉结晶度影响结果一致。

2.3 糙米淀粉的透光率

光线通过淀粉糊时会发生透射、折射等一系列光学现象，而当对淀粉施加不同的理化处理后，淀粉糊中的淀粉颗粒和分子状态会发生改变，导致在光线照射下的光学反应不同[32]。淀粉糊的光学反应特征通常以透光率来表示，膨胀颗粒尺寸越大，直链淀粉含量越多，透光率越高。合理控制淀粉糊的透光率可以赋予淀粉基食品特殊的感官品质，以满足消费者对产品的需求。

超声波处理影响淀粉的透光率主要是由于淀粉的结晶区受到破坏，溶解度增大，淀粉分子更多地选择与水分子结合，而非淀粉分子之间相互作用。在这种情况下淀粉颗粒吸水膨胀，从而减弱光反射与折射，透光率提高。但是延长超声时间可能会使得淀粉颗粒团聚、透光率下降[25]。由表1可知，经过超声处理后，糙米淀粉的透光率由（0.52±0.04）%降低至（0.23±0.02）%（40 min），继续延长超声时间，透光率上升至（0.46±0.02）%（50 min），分析其降低的原因可能是超声导致淀粉颗粒发生聚合，淀粉分子之间在溶液中交联结合，不易展开。而随着超声时间进一步延长，超声空化作用使得分子断裂，从而更容易在水中分散，相应地透光率随之上升[27]。

2.4 糙米淀粉的动态流变学特性

研究常用储能模量G′和损耗模量G″来评估淀粉样品的动态流变学特性，G′可以用来衡量淀粉糊的弹性大小，G″用来表示淀粉糊的黏性大小[28]。图3反映了不同超声处理对糙米淀粉的动态流变学特性影响。

图3 不同超声处理下糙米淀粉的动态流变学特性Fig.3 Dynamic rheological properties of brown rice starch treated with different ultrasonic treatment

由图 3可知，G′、G″和 tanδ基本呈现随频率增加而增加的趋势，且G′高于G″，说明凝胶网络形成，结构较为稳固，凝胶特性以弹性为主[29]。由图3a、图3b可知，与对照组相比，经过超声处理后的淀粉糊G′与G″均有所降低，这可能是由于超声处理使得淀粉结构变得松散，从而降低了其黏弹性。由图3c可知，tanδ随着频率升高而升高，说明淀粉在高频范围下黏性比例增加，弹性比例降低，即在高频范围下糙米淀粉结构不稳定[17]。

2.5 糙米淀粉的热力学性质

表2反映了经过不同超声时间处理后糙米淀粉的热力学性质。

表2 不同超声时间处理下糙米淀粉的热力学特性Table 2 Thermodynamic properties of brown rice starch treated with different ultrasonic time

表2结果显示，经过超声处理后，糙米淀粉的To、Tp和Tc无显著变化，ΔHg随超声时间的延长整体上先降低后升高。这种变化趋势与Park等[11]采用超声波处理糙米淀粉的热力学结果一致。双螺旋的破坏被认为是影响ΔHg的主要原因[30]，超声处理40 min后ΔHg降低，说明存在于结晶区的一些双螺旋被破坏，在淀粉糊化的过程中不需要较多的热量裂解双螺旋结构，因此糊化焓ΔHg减小[19]，而50 min后焓值升高，可能是由于更大的链运动性导致了淀粉中的分子重排[31]。

2.6 糙米淀粉的析水率与凝沉性

受加工和运输条件限制，冷冻类食品常常应具备良好的冻融稳定性来抵抗冻融循环中所产生的析水问题，较低的冻融稳定性会导致食品失水严重，口感变差，营养损失。冻融稳定性反映了冷冻食品解冻后的脱水程度，可以用析水率来衡量，析水率越低，冻融稳定性越好[33]。不同超声时间处理下糙米淀粉的析水率和凝沉性见图4。

图4 不同超声时间处理下糙米淀粉的析水率和凝沉性Fig.4 Water setting rate and coagulability of brown rice starch treated with different ultrasonic time

由图4可知，冻融对淀粉糊具有脱水收缩的作用，不同超声时间处理后的糙米淀粉的析水率均随次数增加而增加，超声处理30 min后糙米淀粉的冻融析水率最低（43.51%±3.06%），稳定性最好，随着超声时间进一步延长至50 min，析水率升高至（54.40±1.73）%，稳定性减弱，可能是由于超声波的空化作用使得大分子基团被破坏，共价键断开进而减小分子聚合度，导致直链淀粉的含量相对增加，而淀粉的冻融稳定性与直链淀粉含量成负相关[21]。因此，超声作用会使淀粉的冻融稳定性下降，这与张志华[25]的研究结果一致，此外本研究发现，适度的超声处理可以降低糙米淀粉的析水率，增强其冻融稳定性。

淀粉糊经过静置会发生凝沉现象，宏观上表现为出现浑浊和分层，在分子角度上解释为葡萄糖单元上的羟基之间形成氢键，淀粉分子重新聚集，分子链由无序回到有序状态[32]。如图4所示，不同时间处理组下，超声30 min凝沉稳定性最好，沉淀占比（56.00±1.89）%，随超声时间的延长，沉淀占比降低至（47.78±1.57）%（50 min），凝沉稳定性相应降低。

3 结论

本试验以糙米淀粉为原料，研究了不同超声时间处理对糙米淀粉的结构特征与理化性质的影响。在扫描电镜下观察发现，超声波处理可以对糙米淀粉表观结构造成损伤，在其表面形成凹陷，并且随着超声时间延长，对其破坏程度更加明显。通过X-射线衍射结果分析发现，超声处理不会改变糙米淀粉的晶型，但随着超声时间延长，相对结晶度先升高后降低，处理30 min时相对结晶度达到最大（12.60±0.08）%，随后降低至与对照组无显著差异，这说明超声对淀粉结晶性质影响显著（p＜0.05）。研究发现，超声波处理可以降低糙米淀粉糊的储能模量（G′）与损耗模量（G″）从而降低其黏弹性，延长超声时间可以破坏淀粉结晶区的双螺旋结构使得淀粉糊化焓降低，因此超声处理影响了糙米淀粉的流变学与热力学性质。此外，适度的超声处理可以降低糙米淀粉糊的透光率和析水率，提高其冻融和凝沉稳定性。因此，合理使用超声波物理改性技术，可以有效影响糙米淀粉的结构与理化性质，为其在食品工业中的应用和普及提供新的思路与方法。