高静水压处理对玉米淀粉/阿魏酸复合体系理化及结构特性的影响

郑启航，苗振弛，宋 斌，王天池，王新智，衣 宁，许秀颖，郑明珠，赵城彬，刘景圣

（吉林农业大学食品科学与工程学院，小麦和玉米深加工国家工程研究中心，吉林 长春 130118）

玉米淀粉（corn starch，CS）是来源广泛、价格低廉的淀粉之一，除作为食品的主要成分之外，它还可以作为食品的稳定剂、乳化剂、增稠剂等[1]。然而，天然CS在应用中存在黏度低、热稳定性差、脱水率高、易回生等缺陷，限制了其应用范围[2]。为了改善CS的理化性质，可以利用化学手段、物理手段和酶法等，使得淀粉结构和性质发生变化，从而改善天然淀粉在工业应用中的不足，满足现代化产业发展的需求[3]。

高静水压（high hydrostatic pressure，HHP）技术属于非热物理改性技术，因其绿色、高效、环保、作用温度低、作用均匀，且对食物中的营养成分和热敏性物质干扰较弱，进而在食品加工领域得到了广泛的使用[4-5]。其主要通过作用于非共价键[6]，从而破坏高分子物质的结构，引起大分子物质变性；而对小分子物质如多酚、维生素、氨基酸、风味组成物质影响较小[7]。

酚酸是谷物中分布最广泛的酚类物质，阿魏酸（ferulic acid，FA）则是谷物中羟基肉桂酸含量最高的酚酸类物质，也是玉米粒中的主要酚类物质[8]。在玉米精深加工过程中，FA会与CS发生一定相互作用从而影响玉米食品的加工特性和品质特性，关于淀粉与多酚的研究受到众多学者的关注。许柠[9]发现FA会与淀粉竞争水分子从而引起糊化特性的变化，FA还会与支链淀粉和直链淀粉分别形成络合物和包合物。谢亚敏等[10]发现FA使淀粉分子间作用减弱，降低板栗淀粉的重结晶能力从而抑制淀粉老化。韩雪琴[11]发现随着FA浓度的增大，FA-大米淀粉复合物的有序程度降低，同时二者复合后并没有出现新的结晶峰，未形成有序的长程结晶结构。目前的研究中多采用单一的HHP或多酚调控CS的相关理化特性，而HHP对CS/FA复合体系的相关研究却鲜见报道。

因此，本实验采用差示扫描量热仪（differential scanning calorimetry，DSC）、流变仪、傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪等技术手段，研究HHP处理对CS/FA二元体系理化特性和结构特性的影响，以期为改善CS基产品的加工特性和食用品质提供一定的理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

CS、FA（98%）上海源叶生物科技有限公司；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

AlPhal-4LDPlus冷冻干燥机 德国Christ公司；Q-2000型DSC 美国TA公司；3JK-1型快速黏度分析仪澳大利亚Perten公司；MCR-302型流变仪 奥地利Anton Paar公司；紫外-可见分光光度计 珀金埃尔默仪器（上海）有限公司；VERTEX70傅里叶变换红外光谱仪德国Bruker公司；D/MAX2500 X射线衍射仪 日本理学公司。

1.3 方法

1.3.1 复合体系的制备与处理

参考Du Jingjing等[12]的方法并稍作修改。称取15 g CS溶解于100 mL蒸馏水中，添加10 mL质量浓度分别为0、2 g/100 mL的FA溶液（95%乙醇溶液溶解）并置于烧杯中，50 ℃条件下磁力搅拌2 h后转移至聚乙烯袋中，保证真空包装无气泡。500 MPa HHP处理15 min，处理后3 000 r/min离心15 min，冷冻干燥并过100 目筛，得到经过HHP处理后的CS（记作H-CS）和CS/FA复合体系（记作H-CS/FA）。将未经HHP处理的样品分别记作CS和CS/FA。

1.3.2 溶胀特性测定

参考孙颖等[13]的方法并稍作修改。将1.3.1节制备的样品配制成质量浓度为2 g/100 mL淀粉乳，于65、75、85、95 ℃的恒温水浴中糊化30 min，在3 000/min条件下离心20 min，将上清液在105 ℃下干燥至恒质量。溶解度（S）与膨胀度分别按公式（1）、（2）计算。

式中：m1为上清液烘干后质量/g；m2为离心管中剩余物质量/g；m为淀粉样品干基质量/g。

1.3.3 热特性测定

参考曾木花等[14]的方法稍加修改。准确称取（3.00±0.02）mg样品，与9 μL蒸馏水混合，密封后置于4 ℃过夜平衡。在DSC中用空坩埚作为参照，测定范围30～120 ℃，升温速率10 ℃/min。通过DSC曲线得到初始温度To、峰值温度TP、终值温度TC、糊化焓值ΔH。

1.3.4 糊化特性测定

参考李妍等[15]的方法。准确称量3 g样品配制成质量分数12 g/100 mL的悬浮液，采用快速黏度分析仪测定CS/FA复合体系的糊化特性。

1.3.5 流变特性测定

参考Xu Fen等[16]的方法稍加修改。取1.3.4节中制备的淀粉糊，在温度25 ℃、应变和角频率范围分别为1%和1～100 rad/s条件下，并在线性黏弹区范围内进行频率扫描。

1.3.6 碘结合力测定

参考Zhou Xiaoli等[5]的方法并稍加修改。精确称取0.5 g样品并加入4.5 mL蒸馏水于离心管中制备悬浮液，然后置于沸水中加热10 min，直至淀粉完全凝结，取出冷却至室温。加入25 mL蒸馏水并漩涡30 s，以3 000 r/min离心15 min。最后，取500 μL上清液添加到配制好的2 mL碘溶液中（0.002 g/mL I2＋0.02 g/mL KI），并添加15 mL蒸馏水稀释。使用紫外-可见分光光度计进行检测，检测范围为500～800 nm。

1.3.7 粒度分布测定

参考郝宗围等[17]的方法稍加修改。将HHP处理前后的淀粉溶液质量浓度调整为0.01 g/100 mL，采用激光粒度分析仪测定其粒度分布，分散剂和样品的折射率分别为1.33和1.59。

1.3.8 傅里叶变换红外光谱测定

参考Zou Jian等[18]的方法稍加修改。使用傅里叶变换红外光谱仪测定样品的结构。取2 mg样品和0.2 g溴化钾，置于红外灯下研磨混匀，放于模具中并真空压片60 s。以KBr为背景，使用傅里叶红外光谱仪在4 000～400 cm-1范围内进行扫描。

1.3.9 X射线衍射分析

参考Zhang Jie 等[19]的方法稍加修改。使用D/MAX2500 X射线衍射仪测定样品晶体结构。将样品平整放入玻璃凹槽内并用压片压紧，分析条件：铜靶Cu Kα、电压40 kV、电流40 mA扫描范围2θ为5°～40°、扫描速率2（°）/min。

1.4 数据分析

实验均重复3 次，使用Origin 2018软件绘图，采用SPSS Statistics 23.0软件对数据进行处理，利用ANOVA进行差异显著性分析，P＜0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 HHP处理对CS/FA复合体系溶胀特性的影响

淀粉的溶解度和膨胀度是直观判断淀粉与水之间相互作用力的物理指标之一[20]。如图1所示，所有样品溶解度和膨胀度均随着温度升高而增加，与CS样品相比，且添加FA后，CS/FA样品溶解度和膨胀度均增加，可能是由于添加FA后，其酚羟基与淀粉的羟基结构相互作用，进而提高了淀粉的溶胀特性[21]。

图1 HHP处理对CS/FA复合体系溶解度（A）和膨胀度（B）的影响Fig.1 Effect of HHP treatment on solubility (A) and degree of expansion (B) of CS/FA composite system

经HHP处理后的淀粉溶解度和膨胀度与温度有关。在较低温度下（65 ℃），HHP处理后的H-CS和H-CS/FA的溶解度和膨胀度较CS和CS/FA有所提高；在较高温度下（75～95 ℃）则相反。当温度从75 ℃上升到95 ℃时，水分子开始进入淀粉颗粒的非结晶区和部分结晶区，HHP处理使直链淀粉的溶出受到抑制，淀粉分子内直链淀粉与支链淀粉形成稳定结构，而淀粉分子的膨胀作用大多是支链淀粉主导，因此，HHP处理后淀粉溶胀特性下降，这与Liu Hang[22]和Li Wenhao[23]等研究结果一致。

2.2 HHP处理对CS/FA复合体系热特性的影响

如图2所示，到HHP处理后H-CS和H-CS/FA吸热峰向更高的温度移动，且经HHP处理后的H-CS/FA体系吸热峰变窄变弱，表明HHP处理后提高了H-CS和H-CS/FA的热稳定性[11]。

图2 HHP处理前后CS/FA复合体系的DSC曲线Fig.2 DSC curves of CS/FA composite system before and after HHP treatment

如表1所示，与CS相比CS/FA的峰值温度与糊化焓降低，可能是溶解在水中的FA通过其自身的羧基和酚羟基与糊化过程中溶出的淀粉链发生基于氢键或者范德华力的相互作用，从而对淀粉溶液体系产生影响[20]；此外，FA可能会与CS竞争水分子，使水分子的流动性受到限制，延缓了淀粉糊化的进程，降低了淀粉的糊化焓，导致体系的热稳定性发生变化，这与韩雪琴[11]、Karunaratne[21]等的研究结果一致。而经HHP处理后，H-CS以及H-CS/FA峰值温度显著提高、糊化焓值显著下降，表示HHP处理能够提高体系的热稳定性以及抑制体系的回生性。HHP处理可以破坏淀粉的结晶区域和非晶态区域，使得原本的分子结构遭到破坏，而FA在糊化过程中与淀粉链通过氢键、疏水作用等发生非共价结合[11]，使淀粉链之间重新排序受阻，改变了结晶淀粉和无定形淀粉之间的耦合力，降低了CS和CS/FA体系的糊化焓，干扰了淀粉的重结晶从而降低了淀粉的有序度，进而抑制了体系的回生，这与Guo Zebin等[24]的研究结果相似。

表1 HHP处理前后CS/FA复合体系的DSC参数Table 1 DSC parameters of CS/FA composite system before and after HHP treatment

2.3 HHP处理对CS/FA复合体系糊化特性的影响

由图3可知，添加FA后，CS/FA的糊化曲线与CS相比整体下移。由表2可知，与CS相比，复合体系CS/FA的峰值黏度、谷值黏度和终值黏度显著降低，下降幅度分别为8.4%、31.8%和20.0%%。峰值黏度和谷值黏度的下降可能是由于FA具有多元结构，抑制了CS的水合作用和淀粉颗粒中直链淀粉的浸出[25]。FA的酚羟基与支链淀粉的侧链发生反应，并且与淀粉颗粒的无定型区发生不同程度的结合，从而改变晶质和无定型质之间的耦合力，促使淀粉颗粒之间发生简单水合，使糊化热能减少，从而使峰值黏度、谷值黏度和终值黏度降低，这与Karunaratne[21]和赵蓓蓓[26]等的研究结果一致。

表2 HHP处理前后CS/FA复合体系糊化特征参数Table 2 Characteristic parameters of gelatinization of CS/FA composite system before and after HHP treatment

图3 HHP处理前后CS/FA复合体系糊化曲线Fig.3 Gelatinization curves of CS/FA composite system before and after HHP treatment

由表2可知，经过HHP处理后，CS和CS/FA峰值黏度、谷值黏度和终值黏度显著提高。说明500 MPa压力使CS对热效应和剪切效应的抵抗能力显著增强，使得CS和CS/FA的稳定性增强[27]。HHP对淀粉分子的挤压作用，可使淀粉分子发生重排并在一定程度下重新聚合，导致峰值黏度、谷值黏度和终值黏度增大，这与Zhang Dali等[28]研究结果一致。回生值可作为判断淀粉短期老化的指标，也常用于表征淀粉糊在降温过程中的稳定性[29]。添加FA后，CS/FA回生值显著降低，可能是由于FA与CS之间形成淀粉-多酚复合物，从而影响了老化过程中直链淀粉分子的聚集，导致回生值下降[30]。HHP处理后，CS/FA回生值也降低，可能是由于在高压环境下FA进入淀粉颗粒内部和更多长链淀粉断裂成短链淀粉，改变了CS的内部有序结构，进一步减弱了大米淀粉分子链的缠结[31]。

2.4 HHP处理对CS/FA复合体系流变特性的影响

图4为HHP处理前后CS和CS/FA的动态流变曲线，其中G’和G”分别反映了淀粉糊变形后恢复复形状的能力和淀粉糊抵抗流动的能力[32]。在整个扫描频率范围内，所有样品的弹性模量G’均大于黏性模量G”，二者在频率扫描范围内曲线也没发生交叉现象，表明所有样品属于典型弱凝胶体系。与FA相比，CS/FA的G’和G”均降低，表明添加FA后淀粉凝胶体系的稳定性变差。可能归因于FA与淀粉分子形成氢键，延缓了淀粉链之间的相互交联，使淀粉凝胶体系内分子链的缠结点减少，进而削弱了淀粉凝胶体系的网络结构，抑制体系凝胶网络的形成，降低了淀粉体系的黏弹性，这与韩雪琴等[11,33]研究结果一致。田金木等[34]研究发现添加红茶水提取物后，淀粉凝胶形成过程中淀粉分子重排受到红茶水提物中茶多酚等成分的影响，从而削弱了淀粉凝胶的强度。经HHP处理后，CS和CS/FA的储G’和G”均显著增加，即弹性和黏性均增加，表明其体系内部形成了强度较高的凝胶网络结构。可能是压力的作用下CS颗粒晶体结构被破坏，导致更多的直链淀粉溶出，加强了淀粉分子之间的相互作用，从而提高了淀粉凝胶柔韧性[35]。

图4 HHP处理对CS/FA复合体系的动态流变曲线Fig.4 Dynamic rheological curves of CS/FA composite system treated with HHP

2.5 HHP处理对CS/FA复合体系碘结合力的影响

当直链淀粉与碘结合时，由于直链淀粉螺旋内部的疏水空腔与碘离子相互作用，使其颜色变为蓝色，从而形成包合物，导致500～800 nm波段处吸光度升高。多酚类化合物通过类似的机制与淀粉结合，因此可以根据多酚类化合物-淀粉复合物对碘结合的抑制作用来确定多酚和淀粉的相互作用程度[36]。

由图5可知，添加FA会抑制淀粉与碘的相互作用，导致吸光度下降，表明FA并没有结合在两条直链淀粉的螺旋链分子之间，而是嵌入淀粉螺旋链的疏水内腔中发生疏水作用或者多酚与淀粉分子形成弱的氢键，占据了直链淀粉与碘的结合位点进而抑制直链淀粉-碘复合物的形成，这与任顺成等[37]结果一致。经HHP处理后，H-CS吸光度较CS明显提高，说明HHP处理使CS直链淀粉含量增多，与碘结合位点变多[38]，证实了经HHP处理之后FA与CS的结合程度增加。

图5 HHP处理前后CS/FA复合体系与碘结合的紫外吸收光谱Fig.5 Ultraviolet absorption spectra of CS/FA composite system combined with iodine before and after HHP treatment

2.6 HHP处理对CS/FA复合体系粒度分布的影响

如表3所示，淀粉的体积平均径（D[3,2]）与面积平均径（D[4,3]）的差值可反映淀粉粒径的均一情况，差值越小表示淀粉颗粒大小越均一[39]。由表3可得出，CS、CS/FA、H-CS和H-CS/FA的体积平均径与面积平均径的差值分别为2.0、1.3、5.0、2.6 μm，说明添加FA后淀粉颗粒大小更为均一，而且CS/FA和H-CS/FA的平均粒径相较于CS和H-CS均显著减小，可能是由于FA嵌入淀粉内部与直链淀粉形成复合物或吸附在淀粉颗粒表面，阻碍了淀粉分子链间的相互靠近以及直链淀粉重新回到淀粉颗粒中从而降低了淀粉颗粒粒径[40]。HHP处理后的样品体积平均径与面积平均径的差值增大，H-CS和H-CS/FA平均粒径相较于CS和CS/FA均显著增加，说明HHP处理使淀粉发生不均一的团聚。表明压力使淀粉结构被破坏，促进淀粉分子之间的相互聚集，淀粉颗粒发生部分糊化导致颗粒膨胀导致粒径增大，这与丑述睿[41]研究结果相似。张玲[42]发现了玛咖淀粉经HHP处理后出现粒径增大的现象，主要原因为淀粉分子之间的相互聚集。

表3 HHP处理前后CS/FA复合体系粒度分布特征参数Table 3 Characteristic particle size distribution parameters of CS/FA composite system before and after HHP treatment

2.7 CS/FA复合体系红外光谱分析

如图6A所示，在CS中添加FA，或者CS、CS/FA经HHP处理后，吸收峰没有出现明显的偏移，也没有新的吸收峰出现或某个特征吸收峰的消失，表明HHP处理或在淀粉中添加FA均没有引起官能团的产生与消失，可能是由于FA与淀粉分子间的作用是通过氢键等非共价相互作用，互相没有形成共价键结构，这与Zhang Jing[43]和王晨[44]等的研究结果一致。

图6 HHP处理前后CS/FA复合体系的红外光谱Fig.6 Infrared spectra of CS/FA composite system before and after HHP treatment

在FTIR光谱中，R1055/1022值可用于表征淀粉的短程有序结构[4]，R990/1022值与双螺旋结构有关[45]。由表4可知，添加FA或HHP处理后，淀粉的R1055/1022和R990/1022值显著降低，且经HHP处理后的H-CS/FA体系的R1055/1022和R990/1022值进一步降低，表明HHP处理使短程有序和双螺旋结构的破坏程度加剧，是因为HHP处理能够破坏CS和CS/FA体系中淀粉的结晶结构，水分子在压力作用下进入淀粉颗粒的结晶区域，并与淀粉分子游离出来的—OH游离结合，抑制了体系的回生，这与回生值结果相符。

表4 HHP处理前后CS/FA复合体系的红外光谱参数Table 4 Infrared spectral parameters of CS/FA composite system before and after HHP treatment

2.8 CS/FA复合体系X射线衍射分析

如图7所示，CS在15.1°、17.2°、18.1°、23.2°处呈明显的尖峰衍射，属于典型的A型晶体结构。添加FA后，衍射峰位置不变说明FA与CS相互作用较弱，可能是FA与淀粉链之间的分子相互作用大部分为氢键等非共价结合而未形成特殊的晶体结构，仍保留其A型晶体结构，该结果与红外光谱结果一致，也与文献[21]的研究结果相符。经HHP处理后，可明显看出CS和CS/FA样品在15.2°、17.1°、18.1°、22.9°处衍射峰强度降低，并伴随着20°处的衍射峰强度增加，表明H-CS和H-CS/FA仍为A型晶体结构。由图7可知，与未经HHP处理的天然淀粉CS相比，H-CS相对结晶度由29.19%降为22.88%。H-CS/FA相对结晶度与CS/FA相比由27.23%降为21.62%。HHP处理导致相对结晶度降低可能是由于HHP处理会加剧大量直链淀粉和支链淀粉的降解以及位于结晶区域的众多螺旋的解离，这与Zhang Xinyu等[46]研究结果相似。H-CS吸收强度降低，峰没有消失进一步证实了其改变了内部的有序结构。

图7 HHP处理前后CS/FA复合体系的X射线衍射图谱Fig.7 X-diffraction patterns of CS/FA composite system before and after HHP treatment

3 结论

本实验探究了HHP处理对CS和CS/FA复合体系理化和结构特性的影响，结果表明，HHP处理增强了CS/FA复合体系的峰值黏度、弹性模量G′和黏性模量G"，降低了复合体系的溶解度和膨胀度（75～95 ℃）、糊化焓及回生值；此外，HHP处理提高了CS/FA复合体系的平均粒径，傅里叶红外光谱和X射线衍射光谱分析表明，HHP处理后，CS/FA复合体系短程有序结构和双螺旋结构减少，淀粉颗粒仍为A型结构，但相对结晶度下降。综上所述，HHP处理增强了CS/FA复合体系的相互作用，改善了复合体系的理化特性，使其结构发生了一定的改变。