超声处理对糙米淀粉的结构与理化特性的影响

王 琦， 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，杨凌 712100)

糙米是由稻谷脱去谷壳后的全谷物米粒，含有丰富的生物活性物质，能够通过减少氧化损伤以及降低各种慢性病的风险来促进人类健康[1]。糙米去除了糠皮和糊粉层即精米。糙米与精米相比，前者的营养价值更高[2]。由于淀粉约占最终胚乳质量的70%，是糙米的主要成分，可极大地影响糙米的理化特性[3]。淀粉由于其多种多样的功能特性，在食品工业广泛应用。但是，很少有天然淀粉能满足食品和工业生产所需的特定物理化学性质。因此，淀粉广泛使用的关键在于改性[4]。通常，生物、化学和物理法被认为是主要的淀粉改性技术[5]。近年来，在探索用于淀粉改性的替代技术方面已经进行了广泛的科学工作。在物理改性方法中，超声处理被认为是淀粉改性的新方法之一[6]。

超声法是一种环保、安全和高效的非热能食品加工方法，具有处理淀粉有处理时间短、淀粉降解的非随机性、对环境友好、易控制和操作简单等优点[7]。当前超声波在食品加工中的结晶、干燥、灭菌等过程中获得了良好的应用效果[8]。超声法对淀粉产生影响是基于超声波产生时的热效应、机械效应以及空化效应[9]。已有研究已经评估了超声波对各种植物来源的淀粉(如甘薯、小麦、大麦、大米和玉米)的影响[10-12]。这些结果表明，超声预处理会影响淀粉的结构、理化、功能以及流变性。据报道，与天然淀粉相比，经超声处理的玉米淀粉的颗粒表面受到损伤，其物理性能也发生了显著变化。特别是，超声处理过的淀粉的溶解度和膨胀度均增加[13]。超声处理还可导致颗粒表面出现气孔和裂纹[11]。除此之外，超声波对淀粉的作用效果因淀粉的类型和结构的不同而不同。例如，在相同的超声处理条件下，马铃薯和小麦淀粉的颗粒表面上的裂纹和凹陷比大米和玉米淀粉更深[14]。介于此，研究建立以超声波方法为核心的糙米淀粉加工技术，将超声波处理应用于糙米淀粉糊化处理，并对其淀粉结构变化进行解析，对于促进糙米淀粉的快速处理有重要的意义。本实验从淀粉粒径、短程有序结构、糊化特性、凝胶特性、溶解度以及膨胀度等方面研究了超声法对糙米淀粉的影响，以期为拓宽糙米淀粉在食品工业中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

糙米；无水乙醇、溴化钾，分析纯。

1.2 仪器与设备

SBL-30DTY超声波恒温清洗机；FW-400AD高速万能粉碎机；LS13320激光衍射粒度仪；Vertex70傅里叶变换红外光谱仪；RVA-Tec Master快速黏度测定仪；TA.XT PLUS/50物性测定仪。

1.3 方法

1.3.1 糙米淀粉的提取及超声处理

糙米粉溶于水溶液(3倍质量)研磨。室温下，振荡提取4 h，之后4 000 r/min离心20 min。去除上清液和上层带麸皮软层黄淀粉，将下层淀粉用去离子水清洗3次，并重复4 000 r/min离心5 min和除去上清刮除软层黄淀粉操作得较为干净的淀粉。用3倍质量乙醇洗涤，最后收集的淀粉在40 ℃下干燥过夜[15]。

准确称取20 g糙米淀粉(含水量7.9%)置于500 mL烧杯中，加入一定量的蒸馏水制备质量浓度为10%的淀粉乳，使用玻璃棒搅拌均匀后静置12 h使其充分水化。之后将淀粉乳置于槽式超声波反应器(25 ℃、33 kHz)中分别反应10、20、30、40、50 min，离心后在40℃下干燥12 h，置于干燥器中保存[16]。

1.3.2 糙米淀粉结构特性测定

1.3.2.1 粒径分布测定

将烘干后的糙米淀粉粉末倒在样品杯中，使用激光粒度仪测定淀粉粒径，得到中粒径。

1.3.2.2 淀粉颗粒表面分子及短程有序结构的 FTIR分析

将KBr充分研磨并加入预先平衡水分的待测样品混合均匀后压片，并置于红外光谱仪中进行扫描。设置波长扫描范围4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1。利用OPUS 6.5软件对谱图进行基线校正和归一化。

1.3.3 糊化特性测定

参照魏毛毛[17]的方法。准确称取淀粉1.8 g(以干基计)于RVA专用测量杯中，再加入蒸馏水至30 g，配制成质量分数为6.0%的淀粉悬浮液。之后按照特定程序对样品进行测定。每个样品平行测定3次。

1.3.4 淀粉糊凝胶特性测定

准确称取一定质量的淀粉样品，加入蒸馏水配制成一定浓度的悬浮液，经过不同处理后，在沸水浴中加热并搅拌30 min，使淀粉充分糊化。糊化完毕后取出冷却，置于4 ℃条件下储藏后用于质构测定。测定前将样品在室温下平衡，在质构仪上进行测试，采用质构仪自带软件进行全质构(胶黏性、硬度、凝聚性、弹性、咀嚼性)分析，测试形变量为50%，实验平行测定3次。

1.3.5 溶解度和膨胀度测定

准确称取一定质量的糙米淀粉，加入蒸馏水，配成质量分数为2%的淀粉乳，在90 ℃下充分糊化，迅速冷却至室温。在4 500 r/min离心15 min，仔细倾倒出上层清液于培养皿，于110 ℃烘箱烘至恒重。

1.4 不同超声时间处理糙米淀粉的结构与理化特性相关性分析

利用SPSS统计软件在不同超声时间处理糙米淀粉的粒径、短程有序结构等结构参数与其糊化、凝胶质构、理化性能等进行相关性分析，得到Pearson相关参数(检验的显著水平：*表示P<0.05，**表示P<0.01)。

1.5 数据处理与分析

平行实验3次，用Excel 2016和Origin 2020b软件作图，采用SPSS 23.0软件的Duncan法进行显著性分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 粒径分布

粒径分布表示不同粒径的淀粉颗粒在粉体总量中占的比例，由图1可知，在对糙米淀粉进行超声处理后，淀粉颗粒的中粒径都较原淀粉显著降低，超声处理10 min后粒径相比原淀粉降低了43.18%。这可能是因为超声处理对淀粉颗粒产生很强的破坏作用，它导致淀粉颗粒内部发生聚集，使得淀粉结构变得更加紧密。Hu等[4]发现超声波处理后，马铃薯淀粉的平均粒径降低了30.1%，而小米仅降低了7.93%。曹美芳[18]通过研究超声对马铃薯淀粉的影响，同样发现低功率的超声处理会使淀粉的分子链降低，结构紧密，粒径降低。但是进一步超声处理会严重破坏了颗粒形貌，使其表面处于激活状态，颗粒表面较高的活化能使颗粒相互之间更易发生团聚，导致颗粒的粒径整体增大[19]。

图1 原淀粉和不同超声时间处理的糙米淀粉的粒径分布

2.2 表面分子短程有序结构分析

图2所示为不同超声处理条件下的糙米淀粉的傅里叶变换红外谱图。1 047、1 022 cm-1处分别表示淀粉结晶区结构特征和无定形片层结构特征，前者对应淀粉聚集态结构中的短程有序结构，后者则对应了淀粉的大分子无规则线团结构。1 047与1 022 cm-1峰强度比值反映淀粉分子有序度，其值越高则短程范围结晶度越高[20]。由图2可知，淀粉经过超声处理后既没有出现新的吸收峰，也没有某个特征峰消失。这说明超声处理糙米淀粉前后并没有产生新的基团，其是一种物理改性过程。这与Zhang等[21]先前的研究结果一致。

图2 原淀粉和原淀粉和不同超声时间处理的糙米淀粉的FTIR结果

对红外谱图进行去卷积化处理，计算1 022、1 047 cm-1峰强度并得1 047/1 022 cm-1，如表1所示。由表1可知，经过不同超声时间处理后的糙米淀粉颗粒表面有序程度，较对照组有所降低。1 047 cm-1/1 022 cm-1下降，淀粉结构由有序变无序，这是由于超声波的高剪切、空化和机械作用破坏了分子链间或内部的氢键，导致淀粉颗粒内螺旋结构不规则排列或解旋，从而其短程有序化程度下降[22]。

表1 原淀粉和不同超声时间处理的糙米淀粉颗粒表面结构的影响

2.3 糊化特性测定

由表2可知，不同超声波处理时间对糙米淀粉黏度有不同的影响，且随着超声波处理时间的增大，糙米淀粉黏度先减小后趋于平缓，同时可以看出超声波作用后的淀粉黏度比原淀粉黏度显著降低。这可能是因为淀粉经超声波处理后，超声的空化和机械振荡导致淀粉分子链断开，然而当分子链长降低到一定程度就不再发生变化，所以淀粉黏度不再降低[8]。Iida等[23]研究表明:超声波可以有效地降低糊化后糯玉米淀粉，木薯淀粉和甘薯淀粉的黏度。

表2 原淀粉和不同超声时间处理的糙米淀粉的糊化特性参数

不同超声时间处理对糙米淀粉的峰值黏度、崩解值、最终黏度和回生值较未处理的糙米淀粉都有显著下降(P<0.05)，这表明超声处理淀粉与水分子的结合能力减小，热稳定性增强，老化能力减弱，具有较强的抗剪切和抗氧化能力。当淀粉结晶区所占比重越大，淀粉颗粒就越容易膨胀，在剪切力的作用下而造成其崩解值变大[24]。所以超声处理使淀粉的结晶结构受到破坏，从而支链淀粉减少[25]，导致糙米淀粉的崩解值降低，热稳定性增强[26]。

2.4 凝胶特性测定

考察了超声时间对凝胶强度和胶黏性的影响，结果如表3所示。超声时间对糙米淀粉糊化凝胶强度影响显著，糙米淀粉经超声处理后，凝胶强度显著降低，而超声10 min时，淀粉糊的胶黏性显著降低；之后，随着超声时间的增加，淀粉糊胶黏性与原淀粉相比变化不大。有研究表明，淀粉分子的双螺旋结构和淀粉的凝胶强度有关，淀粉分子的双螺旋结构形成的网络结构越致密，淀粉的凝胶强度就越大[27]。所以，糙米淀粉的凝胶强度降低是由于超声破坏了糙米淀粉凝胶的内部网络结构，使得淀粉分子间难以发生交联聚合作用。李薇等[28]对超声处理后的豌豆淀粉质构参数进行分析，得出一致结论。

表3 原淀粉和不同超声时间处理的糙米淀粉的凝胶特性、溶解度和膨胀度

2.5 溶解度和膨胀度

淀粉的溶解与膨胀直接反映淀粉无定形区和结晶区结构比例和分子间氢键的结合程度，归因于淀粉颗粒结构、温度、直链淀粉/支链淀粉比率、分子量、链之间的结合程度和磷含量[29]。原淀粉和不同超声时间处理的糙米淀粉的溶解度和膨胀度如表3所示。超声处理后的糙米淀粉与糙米原淀粉相比，溶解度有较为明显的升高趋势，超声处理时间为10 min时，溶解度升高至最大，膨胀度也有一定的升高，但与原淀粉相比无显著差异(P>0.05)。因此，超声处理破坏了糙米淀粉的结晶结构、颗粒结构以及短程有序化结构，使得淀粉分子由有序变得混乱无序，提高了糙米淀粉颗粒的亲水性，并加强了淀粉分子与水分子间的相互作用，最终导致糙米淀粉的溶解度有所增加。王宏伟等[22]也得出一致结果。

2.6 糙米淀粉结构与理化特性相关性分析

淀粉的结构和理化特性对淀粉基食品的加工特别重要，这两种特性间存在着某种相关性，能够影响淀粉基食品的生产过程及最终品质。将淀粉结构与理化特性进行相关性分析，得到的结果见表4。

表4 糙米淀粉结构与理化特性相关性分析

糙米淀粉的粒径与峰值黏度(0.959)呈极显著正相关，也与崩解值(0.834)呈显著正相关，1 047/1 022 cm-1与胶黏性(0.827)呈显著正相关。这说明粒径越大的糙米淀粉拥有越大的峰值黏度和崩解值。糙米淀粉的胶黏性随着短程有序结构的有序程度的增加而增加。García等[30]对不同粒径的淀粉颗粒进行超声处理，同样发现粒径较大的淀粉比粒径较小的淀粉具有更高的峰值黏度。

3 结论

超声处理10 min对糙米淀粉的官能团和化学键无影响，但降低了糙米淀粉的粒径和短程有序化结构的有序程度；对糙米淀粉的糊化特性有显著影响，使得糙米淀粉的峰值黏度、崩解值都显著降低。这表明超声处理淀粉与水分子的结合能力减小，老化能力减弱，具有较强的抗剪切和抗氧化能力；使得糙米淀粉的凝胶强度显著降低，溶解度显著增加，主要是通过破坏了糙米淀粉凝胶的内部网络结构、结晶结构、颗粒结构以及短程有序化结构。粒径越大的糙米淀粉拥有越大的峰值黏度和崩解值。糙米淀粉的短程有序化结构的有序程度越高，其胶黏性越高。