乙醇-热处理制备冷水溶胀小麦淀粉及其结构和功能特性的研究

马晓丽，常婧瑶，殷永超，任晓婵，刘 骞,2,

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030；2.黑龙江省绿色食品科学研究院，黑龙江哈尔滨 150028）

淀粉作为一种廉价而丰富的资源，常常作为胶凝剂、增稠剂、乳液稳定剂用于食品体系中[1]。淀粉主要由线性直链淀粉和高分枝支链淀粉所组成[2]，直链淀粉具有单螺旋结构，构成淀粉的无定形结构区，支链淀粉具有双螺旋结构，构成淀粉的结晶区[3]。半结晶的天然淀粉颗粒是不溶于水的，这极大地限制了淀粉的应用[4]。预糊化淀粉和冷水溶胀淀粉是目前工业上应用最广泛的两种变性淀粉，均能够在室温下分散到水中提高淀粉利用的便捷性。预糊化淀粉在冷水中分散性较差，复水快，水合慢，容易结块，在一定程度上影响了其应用[5]；冷水溶胀淀粉因较大程度地保留了原淀粉的颗粒状态，分散到冷水中快速吸水膨胀、易分散，特别适合作为制备果冻、果酱布丁、甜点、香肠等食品凝胶物质[6]。目前制备冷水溶胀淀粉的方法有双流喷嘴喷雾干燥法[7]、高温高压醇法[8]、常压多元醇法[9]及乙醇碱法[10]。但采用双流喷嘴喷雾干燥法设备造价过高；高温高压醇法及常压多元醇法反应条件苛刻、耗能大；乙醇碱法因需大量酸碱液，环保性差。乙醇-热处理法是采用乙醇溶液加热糊化淀粉形成淀粉糊，经抽滤、无水乙醇浸泡、再抽滤、风干操作后研磨成粉加工而成。此工艺通过真空抽滤操作回收乙醇提高乙醇的利用率，具有反应条件温和、操作简单、安全性高、能耗少等优点。最终产品经风干干燥后，只留下少量或没有无水乙醇[11]，在食品工业中，特别是在绿色和清洁标签中非常受欢迎[12]。

近年来，乙醇-热处理法制备的冷水溶胀淀粉因在室温下具有较高的吸水能力和持油能力而被广泛应用到制药、保健品及食品工业中。Sarifudin等[13]通过乙醇-热处理玉米、马铃薯、木薯和大米淀粉制备的冷水溶胀淀粉均能在室温下吸收大量的水。Sarifudin等[14]通过对木薯淀粉进行乙醇-热处理，并将其应用于制备片剂，研究片剂的特性，结果表明，冷水溶胀淀粉制备的片剂可快速分散释放活性成分。Li等[15]通过乙醇-热处理玉米淀粉研究其吸油特性，结果显示，冷水溶胀淀粉在室温下能够稳定大量的油，并将其制备成结构油应用于高脂食品中，达到了降脂的目的。小麦淀粉是小麦的主要成分，占成熟小麦种子干重的65%～75%[16]，且小麦淀粉具有糊化温度低、热糊稳定性好、淀粉凝胶强度高等良好的特性[17]。但将小麦淀粉作为原料制备冷水溶胀淀粉鲜有研究。因此，本文拟利用乙醇-热处理法制备冷水溶胀小麦淀粉以提升小麦淀粉的理化特性，从而提高小麦淀粉的利用率。

本实验通过研究不同乙醇浓度（0%、10%、20%、30%、40%、50%，V/V）热处理小麦淀粉的X-射线衍射、傅里叶变换红外光谱探究乙醇浓度对小麦淀粉晶体结构的影响；分析处理组样品的持水性、持油性、凝胶强度及糊化特性分析乙醇浓度对小麦淀粉功能特性的影响；利用扫描电镜观察乙醇浓度对淀粉微观形态的影响，以期为小麦淀粉的改性及深加工提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小麦淀粉为市售淀粉（淀粉干基含量83.23%）南京甘汁园糖业有限公司；大豆油 九三基团；无水乙醇 天津市天力化学试剂有限公司；实验用水均为去离子水。

AL-104型精密电子天平 梅特勒－托利多仪器设备（上海）有限公司；JD500-2电子天平 郑州南北仪器设备有限公司；DK-8B电热恒温水浴锅 余姚市东方电工仪器厂；循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；手提式粉碎机 大德机械；HJ-6多头磁力搅拌器 常州丹瑞实验仪器设备有限公司；TG16-WS台式高速冷冻离心机 湖南湘仪离心机仪器有限公司；TA-XT2质构分析仪 英国戈德尔明稳定微系统有限公司；RVA-4型快速黏度分析仪

澳大利亚Newport科学仪器公司；D8 ADVANCE X-射线衍射分析仪 德国布鲁克公司；傅里叶变换红外光谱仪 赛默飞世尔科技（中国）有限公司；钨灯丝扫描电子显微镜 日本日立。

1.2 实验方法

1.2.1 冷水溶胀小麦淀粉的制备 参考Dries等[18]的方法制备冷水溶胀小麦淀粉，并稍加修改。小麦淀粉100 g与不同浓度乙醇溶液（0%、10%、20%、30%、40%、50%）500 mL配制成淀粉分散液于烧杯中，并用保鲜膜密封之后，在80 ℃的水浴锅中加热30 min，并每隔60 s搅拌10 s。加热结束后冷却至室温，之后用100 mL等浓度乙醇溶液进行悬浮。悬浮的淀粉溶液，用布氏漏斗进行抽滤，得到淀粉饼。淀粉饼用200 mL无水乙醇浸泡三次每次约10 min，每次浸泡完都进行抽滤操作（抽滤得到的乙醇回收留用），之后平铺在称量纸上风干过夜。风干过夜后的淀粉颗粒经粉碎机粉碎5 s后成粉并过60目筛得到冷水溶胀小麦淀粉，保存到拉链袋中备用。

1.2.2 X-射线衍射 采用X-射线衍射仪对淀粉样品的结晶结构进行分析。参考蒲华寅等[19]的方法，将预先平衡水分的样品铺于样品池中，采用Cu-Ka射线进行测定，测量参数：电压40 V，电流40 mA，步长 0.02°。

1.2.3 傅里叶变换红外光谱 淀粉样品在干燥器中过夜，平衡水分。称取3.0 mg样品，与0.3 g干燥后的溴化钾混合放入玛瑙研钵体中充分研磨混匀，在傅里叶变换红外光谱仪的压片槽中压片，进行测试[20]。测试条件：扫描波数范围400～4000 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描时间64 s，后得到样品FT-IR谱图。

1.2.4 持水能力的测定 参照Eerlingen等[21]的方法，并稍有修改。将1.0 g淀粉样品分散在10 mL去离子水，在25 ℃下孵育30 min。每5 min涡旋一次。然后淀粉悬浊液在1300 r/min离心30 min，多余的水被去除。记录淀粉沉积物中所含水分的重量。

1.2.5 持油能力的测定 参照王玫玫[22]的方法将1.0 g淀粉样品在室温下分散到盛有10 ml大豆油的离心管中在磁力搅拌器400 r/min条件下搅拌30 min至均匀，然后静置10 min后，最后在4300 r/min下离心10 min。将离心管倒置在滤纸上至没有油滴到滤纸上时，测量沉积物的重量。

油吸附率计算如下：

其中：w0是干淀粉的重量，g；w是离心后沉积物的重量，g。

1.2.6 糊化特性的测定 参照Kong等[23]的方法，并稍有改动。在快速粘度分析仪（RVA）专用的铝盒内制作12%（干基质量）的淀粉悬浮液，并进行机械搅拌。淀粉悬浮液在50 ℃保持1 min，然后以12.2 ℃/min的速率加热到95 ℃，并在95 ℃保持2.5 min。随后冷却至50 ℃（冷却速率为11.8 ℃/min）并保持2 min。

1.2.7 凝胶强度的测定 参照赵神彳 等[24]的方法，并稍有改动。将1.2.6 RVA的淀粉糊倒入30 mm×50 mm的称量瓶中冷却至室温后放入4 ℃冰箱储存 24 h，在分析凝胶前，需在室温下（22～24 ℃）解冻1 h。用质构分析仪分析凝胶强度，将其连接到5 kg测力传感器上。用P/0.5平表面圆柱形探针,以测前速度1 mm/s，测中速度2 mm/s，测后速度5 mm/s的速度在凝胶中轴向渗透至10 mm的深度。凝胶破裂所需的力的压力表示为凝胶强度。

1.2.8 扫描电镜 对照组和处理组小麦淀粉样品的微观结构通过扫描电镜分析。参照Li等[25]的方法，将淀粉样品均匀地铺在覆盖着双面胶带的铝根上，然后用E-1010（Giko）型离子溅射镀膜仪进行离子溅射喷金，在1000和3000倍，加速电压5.0 kV下观察。

1.3 数据处理

每个试验重复3次，结果表示为平均数±标准差。数据统计分析采用Statistix 8.1（美国Analytical Software公司）软件包中Linear Models 程序进行，差异显著（P＜0.05）分析使用Tukey HSD程序。采用Origin 2019软件包作图。

2 结果与分析

2.1 X-射线衍射

X-射线衍射是研究和测定淀粉多晶体系结晶性质和结晶度的一种有效手段。在衍射曲线中，结晶结构对应着尖峰衍射特征，而非晶结构对应着弥散衍射特征[26]。淀粉的晶体结构可分为A型、B型或C型晶体结构，当直链淀粉与合适的配体（如碘、脂肪酸和醇）形成络合物时，观察到V型晶体晶型[27]。从图1中可以得出，天然小麦淀粉是典型的A型淀粉结构，强峰出现在15.1°和23.0°处，肩峰出现在17.1°处[28]。0%、10%、20%其衍射曲线呈弥散峰特征；30%其衍射角在 7.6°、13.2°和 20.2°处呈尖峰衍射特征的V型晶体晶型，且随着乙醇浓度的增加，其衍射强度增强[29]，说明乙醇与淀粉发生相互作用；当乙醇浓度增加至50%其在17.3°出现肩峰。淀粉在高水分含量下，膨胀不受限制，导致颗粒结构的破裂，结晶结构完全被破坏；X-射线衍射呈弥散峰特征。而在高乙醇含量下（50%），膨胀受到很大限制，糊化不完全；X-射线衍射呈现出部分天然淀粉结晶结构的尖峰特征，这与Zhang等[30]的结论一致。

图1 不同乙醇浓度处理小麦淀粉的X-射线衍射图谱Fig.1 XRD of wheat starch treated with different ethanol concentrations

2.2 傅里叶变换红外光谱

如图2所示，从红外光谱图中得出，处理组与天然淀粉的红外光谱波形相似，出峰的位置基本相同，且没有出现新的特征峰，这与张禅等[31]所得到的结论一致，证实乙醇-热处理是物理改性。条带变窄表示结晶度降低条带变宽表示结晶度的升高[32]，0、10%、20%处理组条带变窄，结晶度降低；30%、40%、50%处理组条带变宽，结晶度升高，这与X-射线衍射结论一致。在3400 cm-1处，由于O-H的存在而出现了一个极宽的宽带，这归因于自由的、分子间的和分子内的羟基结合的复杂振动拉伸[33]，相比于天然淀粉30%、40%、50%处理组在3400 cm-1具有较高的吸光度，表明酒精分子与淀粉相互作用增加了O-H的数量；且30%、40%、50%处理组在2928 cm-1的吸收峰增强，代表甲基环上的氢原子与C-H相互作用增强，说明乙醇与淀粉发生了相互作用证实了V-型结构的存在[34]。1640 cm-1附近的特征峰是淀粉中存在结合水的特征[33]，926、860和760 cm-1附近的特征峰是C-H键，是葡萄糖的α-1，4糖苷键环拉伸振动所造成的[35]；在此四处特征峰下0、10%、20%吸收峰均减弱，30%、40%、50%吸收峰均增强，表明高水分含量下热处理破坏了淀粉颗粒的内部结构，导致结合水降低；高乙醇含量下热处理保持了淀粉颗粒的内部结构。

图2 不同乙醇浓度处理小麦淀粉的傅里叶变换红外光谱图Fig.2 Fourier transform infrared spectroscopy of wheat starch treated with different ethanol concentrations

2.3 持水性和持油性分析

持水性与持油性是评价冷水溶胀淀粉的重要指标，分别表示冷水溶胀淀粉分散到冷水、油相中其吸水与吸附油的能力。如图3所示，经不同乙醇浓度处理的淀粉持水性、持油性显著增加（P＜0.05）。在乙醇浓度为0～30%时，持水性随着乙醇浓度的升高而升高，并且30%与40%差异不显著（P＞0.05）；在乙醇浓度为0～40%时，持油性随着乙醇浓度的升高而升高，但当乙醇浓度达到50%时，持水性、持油性均显著下降（P＜0.05）。在0～40%乙醇浓度处理下，淀粉颗粒表面出现裂缝，且随着乙醇浓度的增加，表面的裂缝增多，天然小麦淀粉的结晶结构被破坏。水、油更容易通过表面的裂缝扩散到结构较松散的非晶区[36]，被束缚；进而提高了淀粉的持水能力和持油性。然而，当乙醇浓度增加到50%时，淀粉与水形成的氢键降低了水分活度，抑制水分子进入淀粉颗粒内部[12]，保证了淀粉颗粒的完整性，导致持水性、持油性显著下降（P＜0.05）。

图3 不同乙醇浓度处理小麦淀粉的持水性与持油性Fig.3 Water and oil holding capacity of wheat starch treated with different ethanol concentrations

2.4 糊化特性

如表1，0～40%处理组糊化温度显著降低（P＜0.05）；50% 处理组糊化温度显著升高（P＜0.05）。0～10%处理组峰值黏度显著增加（P＜0.05），当乙醇浓度为20%时峰值黏度达到最高值；30%～50%处理组峰值黏度显著降低（P＜0.05）。在高水分活度下，乙醇-热处理破坏了淀粉的晶体结构，使淀粉结构更疏松，淀粉更容易糊化，导致糊化温度降低、峰值黏度升高[37]；有研究结果表明，预热处理淀粉制成的糊状物比天然淀粉糊具有更高的黏度，与本研究结果一致[38]。30%～50%处理组可能由于V-型晶型结构的生成导致峰值黏度降低。50%处理组具有淀粉颗粒的完整性，且形成V型晶体结构，导致糊化温度升高。糊化温度越高代表淀粉颗粒的晶体结构越完整，淀粉颗粒越不易被破坏。峰值黏度和谷值黏度的差值代表衰减值，终值和谷值黏度的差值代表回生值；衰减值与峰值黏度呈正相关，回生值与终值呈正相关。如图4，由于30%、40%处理组样品分散性不好，很容易结块，所以淀粉糊化曲线的起始黏度不稳定[39]。

图4 不同乙醇浓度处理小麦淀粉的糊化曲线图Fig.4 Pasting curves of wheat starch treated with different ethanol concentrations

表1 不同乙醇浓度处理的小麦淀粉的糊化特性Table 1 Pasting characteristics of wheat starch treated with different ethanol concentrations

2.5 凝胶强度

如图5所示，不同乙醇浓度（0～30%）处理小麦淀粉的凝胶强度存在显著差异（P＜0.05）。0～30%处理组样品凝胶强度随着乙醇浓度的升高而升高，但30%～50% 处理组差异不显著（P＞0.05）；0～40% 处理组凝胶强度与持水性趋势一致；原因在于淀粉凝胶的形成主要依赖于淀粉颗粒内部网络结构的持水能力[40]，在含水量较高的状态下制备的冷水溶胀淀粉由于破坏了淀粉颗粒的完整性，进而形成的弱凝胶的强度与持水性呈正相关。由于50%处理组在高乙醇环境下水分与乙醇形成氢键，降低了水分活度，抑制了小麦淀粉糊化，保证了淀粉颗粒的完整性；经二次加热完全糊化后淀粉凝胶强度增加，这与徐芬等[41]的结论一致。

图5 不同乙醇浓度处理小麦淀粉的凝胶强度Fig.5 Gel strength of wheat starch treated with different ethanol concentrations

2.6 扫描电镜

由图6扫描电镜图片可知，原小麦淀粉颗粒完整、呈球形且表面光滑。当小麦淀粉经过乙醇-热处理后，不同乙醇浓度下，其颗粒形貌与原淀粉有明显区别。0～40%处理组发生了明显的扭曲变形，表面出现褶皱、裂缝，且随着乙醇浓度的升高，表面出现的褶皱、裂缝数增多；10%～40%乙醇浓度处理后，乙醇与水形成氢键与淀粉吸水膨胀，形成竞争机制，在淀粉颗粒表面形成渗透压，使淀粉颗粒内部的水分又析出[42]，导致淀粉颗粒表面出现裂缝，乙醇浓度越高，形成的渗透压越强，裂缝数越多。从颗粒大小来看，随着乙醇浓度（0～40%）的增加，淀粉颗粒越来越小；样品干燥时，水分和乙醇从内部排出，使得颗粒发生不同程度的收缩[43]，乙醇浓度越高，收缩越明显，颗粒越小。50%处理组保持了淀粉颗粒的完整性，仅颗粒膨胀，表面出现褶皱；在高乙醇浓度下，乙醇与水形成氢键降低了水分活度，阻止了水分进入淀粉颗粒内部，抑制了淀粉糊化，进而保证了淀粉颗粒的完整性。

图6 不同乙醇浓度处理小麦淀粉的扫描电镜图Fig.6 Scanning electron micrograph of wheat starch treated with different ethanol concentrations

3 结论

本实验采用乙醇-热处理制备冷水溶胀小麦淀粉，通过改变乙醇浓度研究乙醇对小麦淀粉的影响。结果表明，乙醇浓度对小麦淀粉的结构和功能特性影响很大，X-射线衍射的衍射图谱证实，当乙醇浓度为0～40%时，高水分含量下热处理破坏了天然小麦淀粉的结晶结构；而当乙醇浓度增加至50%时，存在有部分天然小麦淀粉的晶体结构；与傅里叶变换红外光谱图的结论一致。当乙醇浓度低于40%时，能明显提高冷水溶胀淀粉的持水性、持油性；在乙醇浓度为40%时，冷水溶胀淀粉的持水性、持油性最好。然而，当乙醇浓度达到50%时，持水性、持油性显著降低（P＜0.05）。扫描电镜图片显示，0～40%处理组样品表面的裂缝数随着乙醇浓度的增加而增多；而50%表面仅有细小褶皱。此外，乙醇浓度达到30%时，冷水溶胀淀粉内部有V-型晶体结构生成；RVA糊化曲线表明，乙醇浓度达到30%时，峰值黏度明显降低，关于冷水溶胀淀粉糊化特性的机制还不清楚，可能与V-型晶型结构相关。综上所述，乙醇-热处理小麦淀粉制备冷水溶胀淀粉的最适乙醇浓度为40%。