超声处理对橡子淀粉理化性质的影响

鲍春铭，王攀峰

（河南省计量测试科学研究院，河南 郑州 450000）

橡子是壳斗科（Fagaceae）植物籽实的统称，呈蚕茧状，外有棕红色硬壳，橡子仁的淀粉含量高达50%～70%[1]。我国橡子资源丰富，年产量600 万～700 万t。橡子食用历史悠久，其应用主要集中在地方特色饮食上，如橡子酱、橡子豆腐、橡子粉条等[2-3]。由于其糊化后具有良好的凝胶特性，在工业上橡子淀粉有望替代粮食淀粉用于制作工业乙醇，充当造纸和印染用上浆剂[4]。目前橡子淀粉的理化性质较多。牛鹏飞等[5]发现橡子淀粉具有一般淀粉的基本特性，并含有鞣花酸和槲皮素等多酚类物质。程荷芳等[6]发现橡子淀粉为椭圆形，粒径较玉米淀粉小，但糊化特性与玉米淀粉接近。目前国内外关于橡子淀粉的修饰研究较少。

淀粉的修饰方法包括物理法、化学法和酶法[7-8]。随着食品绿色加工技术的发展，淀粉物理修饰的研究迅速发展。目前，淀粉的物理修饰方法包括超声、微波、超微粉碎等[9]。超声是淀粉修饰的一种新型物理方法，具有安全性高、无环境污染、高效率和低能耗的优点，其可调控淀粉的结构与性质，生产功能各异的变性淀粉[10]。聂卉等[11]研究了超声作用下马铃薯淀粉糊的流体性质，发现增加超声时间和强度可降低该淀粉糊的表观黏度。Karwasra 等[12]发现超声处理可提升小麦淀粉的吸油能力、直链淀粉含量和膨胀能力。张明月等[13]采用超声辅助预处理法改善了小麦淀粉-单甘酯复合物的制备。

目前采用超声法修饰橡子淀粉鲜有研究。鉴于此，本研究分析超声处理对橡子淀粉理化性质的影响，以期为橡子淀粉的深度开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

橡子淀粉：信阳市越丰农产品有限公司；葡萄糖、苯酚、硫酸（均为分析纯）：上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

JY99-IIDN 型超声细胞破碎仪：宁波新芝生物科技股份有限公司；TA-XT Plus 型质构仪：英国Stable Micro System 公司；TU-1810 型紫外分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；ME104E/02 型电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；Quanta 200型扫描电子显微镜：美国FEI 公司；BT-9300H 型激光粒度分布仪：丹东市百特仪器有限公司；RVA4500 型快速黏度分析仪：波通瑞华科学仪器（北京）有限公司。Smartlab SE 型X 射线衍射仪：日本理学公司；BH200P 型偏光显微镜：上海舜宇恒平科学仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 橡子淀粉的超声处理

将200 mL 20% 的橡子淀粉乳置于超声细胞破碎仪中，反应容器外设冰浴，在600 W 下分别处理0、10、20 min。每次超声作用2 s，间隔2 s，超声完成后用蒸馏水洗涤淀粉，经抽滤后于40 ℃烘干备用。

1.3.2 淀粉水解率的测定

橡子淀粉超声处理完毕后，立即抽滤，滤液适当稀释后采用硫酸-苯酚法测其吸光度，通过与葡萄糖标准曲线Y=0.008 4x+0.058（R2=0.999 2）的对比，确定淀粉水解率[14]。

1.3.3 淀粉颗粒形态的观察

取适量淀粉样品均匀涂布于黏在载物台的导电胶上，真空喷金后送入扫描电子显微镜样品室，放大1 000 倍进行观察。同时将适量的淀粉悬浊液滴于载玻片上，盖上盖玻片，置于载物台上，采用偏光显微镜，放大200 倍观察淀粉的偏光特性[15]。

1.3.4 淀粉颗粒粒径的测定

采用激光粒度分布仪测定样品的粒度分布[16]。

1.3.5 淀粉功能特性的测定

淀粉样品的透明度、沉降体积、冻融稳定性、老化值、溶解度和膨胀度测定按照Lv 等[17]的研究进行。

1.3.5.1 透明度

透光率的大小反映了淀粉糊透明度的好坏，透光率越高，淀粉糊的透明度越好；反之则越差。将20 mL 1% 的淀粉悬浊液在沸水浴中加热15 min。以水为对照，通过紫外分光光度计测定冷却后淀粉糊在620 nm 下的透明度。

1.3.5.2 沉降体积

将1%的淀粉悬浊液在沸水浴中加热15 min。取50 mL 淀粉糊于量筒中，沉降24 h 后，通过量筒读取下层凝沉糊液的体积（mL）。

1.3.5.3 冻融稳定性

冻融稳定性是指淀粉在冻结和溶解交替过程中抵抗变化的性能，表现为析水率的大小。将6%的淀粉悬浊液在沸水浴中加热15 min。取30 mL 淀粉糊于离心管中，-18 ℃保存，24 h 后取出，室温解冻，4 000 r/min 离心15 min，析水率计算公式如下，析水率越低，冻融稳定性越好。

式中：W为析水率，%；M为糊重，g；m为沉淀物重，g。

1.3.5.4 老化值

淀粉老化是糊化的淀粉分子在冷却过程中氢键重新形成所致，淀粉糊中水分析出时空间阻碍越小，越容易析出说明其易老化；将4% 的淀粉悬浊液在沸水浴中加热20 min。取5 mL 淀粉糊于离心管中，4 ℃保存，24 h 后取出，4 000 r/min 离心15 min，计算析水率（同上），其可反映老化值。

1.3.5.5 溶解度和膨胀度

取5 mL 5% 的淀粉悬浊液在55、65、75、85、95 ℃水浴加热30 min。冷却后4 000 r/min 离心15 min。上清液在105 ℃下烘干至恒重，记录被溶解的淀粉质量（W1，g）。离心管中沉淀质量，记为W2（g），W为淀粉质量（g）。样品的溶解度（SO，%）和膨胀度（SC，%）按下列公式计算。

1.3.6 淀粉糊化性质测定

淀粉糊化性质的测定按照Wang 等[18]的方法进行测定。将3.0 g 淀粉样品与25 mL 蒸馏水混合，置于快速黏度分析仪中。样品在50 ℃保持l min，3.5 min 内升温到95 ℃，并保持3 min，然后在3.5 min 内降至50 ℃，并保持2 min，记录此过程中样品的黏度变化。

1.3.7 淀粉凝胶强度的测定

淀粉凝胶强度的测定参照Zhang 等[19]的方法。取3.2 g 淀粉于50 mL 的烧杯中，加蒸馏水至总质量为40.0 g，将其放入95 ℃的水浴锅中加热搅拌30 min，直至淀粉完全糊化，取出后冷却至室温，在4 ℃的冰箱中静置16 h，形成稳定的淀粉凝胶。采用配有P0.5 探头的质构仪测定淀粉凝胶强度。测定参数为触发力2 g；压缩距离为10 mm，探头的下降速度、测中速度和上升速度分别为1.5、1.0、1.0 mm/s。

1.4 数据处理

每组试验重复3 次，结果用平均值±标准差表示。采用Origin 2018 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 淀粉水解率分析

超声时间对橡子淀粉水解率的影响见图1。

图1 超声时间对橡子淀粉水解率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic treatment time on hydrolysis rate of acorn starch

由图1 可知，随着超声时间的延长，橡子淀粉的水解率逐渐增大，表明超声处理会使淀粉发生分解，破坏程度与超声时间密切相关。超声波作用于液体介质时会产生热效应、机械效应和空化效应，其会导致液体介质中生物大分子的降解。Isono 等[20]发现超声波可降低水中玉米淀粉的分子量，使其趋于某一特定范围。Czechowska-Biskup 等[21]也发现360 kHz 超声波可导致淀粉分子链的断裂，淀粉水解率提高，与本试验结果一致。

2.2 淀粉颗粒形貌分析

超声处理对橡子淀粉颗粒形貌的影响见图2。

图2 超声时间对橡子淀粉的偏光十字显微图和扫描电镜显微图的影响Fig.2 Effect of ultrasonic treatment time on polarizing cross microscope and scanning electron microscope images of acorn starch

由图2 可知，偏振光经过淀粉颗粒时会产生明显的偏光十字现象，这是由于淀粉的球状微晶结构[22]。不同超声时间的橡子淀粉均表现出了明显的偏光十字，这说明超声处理基本没有对淀粉的球晶结构造成破坏，淀粉基本保持原有的分子排布和组织结构。超声处理通常会改变淀粉颗粒形貌，如颗粒出现凹塌、裂缝等[23]。天然橡子淀粉颗粒呈现球形和椭圆形，表面及边缘比较光滑，颗粒完整。经过超声处理后淀粉颗粒形状未发生明显改变，但表面出现了少量较浅的损伤，这归因于超声波引起的高频微射流和高剪切力作用于颗粒表面，并且随着超声时间的延长，淀粉颗粒表面的破损更加突出，且出现了明显的颗粒聚集现象。

2.3 淀粉颗粒粒径分析

淀粉的功能特性、糊化特性、凝胶特性、酶解特性等理化性质与其粒径密切关联，而谷物的淀粉粒径不仅取决于其来源，还与其加工方式相关[24]。表1 是超声时间对橡子淀粉粒径的影响。

表1 超声时间对橡子淀粉粒径的影响Table 1 Effect of ultrasonic treatment time on particle size of acorn starch

由表1 可知，原橡子淀粉体积平均粒径为（8.048±0.030）µm，且呈单峰分布。超声处理后，淀粉颗粒的粒径均略有增长，这是由于超声导致淀粉颗粒内部结构疏松，水分易于通过孔隙和裂缝进入淀粉颗粒内部，淀粉颗粒更易吸水膨胀。此外颗粒表面的光滑结构被破坏，颗粒易于聚集，从而粒径变大。这与电镜分析时发现的超声处理后淀粉颗粒出现团聚的结论相印证。

2.4 淀粉功能特性分析

淀粉的功能特性决定了以其为基质构建的产品的性状、营养与感官品质[25]。超声时间对橡子淀粉的功能特性的影响见表2。

表2 超声时间对橡子淀粉功能特性的影响Table 2 Effect of ultrasound time on the functional properties of acorn starch

由表2 可知，经过超声处理后，橡子淀粉透明度随超声时间的延长显著降低。这可能是因为超声处理导致淀粉颗粒表面被破坏后更加粗糙，颗粒更易膨胀吸水，从而溶解度增大，且长时间的处理会产生更多短链淀粉分子，其更容易聚集，导致淀粉凝沉，故表现出更低的透明度[26]。橡子淀粉经过超声处理后其沉降体积有所增加且随着超声时间的延长先增加后降低。由于析水率越低，显示其冻融稳定性越好，可以得出，淀粉凝胶冻融时，淀粉链之间的分子发生聚集出现脱水收缩的现象，导致水从凝胶结构中析出，析水率的大小反映了淀粉凝胶在冻融过程中的稳定性和低温条件下淀粉老化速率的快慢程度。析水率越小，说明淀粉糊的冻融稳定性越好；反之，则越差。因此，可以利用析出的水量来作为评价淀粉冻融性的指标，橡子淀粉经过超声处理后冻融稳定性有显著提升，且随着超声时间的延长而逐步提高。橡子淀粉经过超声处理之后的老化值有显著降低，且随着超声时间的延长而逐渐减小。

淀粉的溶解与膨胀可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，其与淀粉颗粒结构、直链淀粉/支链淀粉比率、分子量、链之间的结合程度等密切相关[27]。超声时间对橡子淀粉的溶解度和膨胀度见图3 和图4。

图3 超声时间对橡子淀粉溶解度的影响Fig.3 Effect of ultrasonic treatment time on solubility of acorn starch

图4 超声时间对橡子淀粉膨胀度的影响Fig.4 Effect of ultrasonic treatment time on swelling power of acorn starch

由图3、图4 可知，超声处理后橡子淀粉在温度大于75 ℃时的溶解度与膨胀度均有了显著提高，表明超声处理对淀粉有序结构的破坏，加强了淀粉分子与水分子间的互作，提高了淀粉的亲水性。

2.5 淀粉糊化特性分析

淀粉糊化过程包括颗粒吸水膨胀、晶体结构分解、双折射消失和淀粉溶解等，糊化过程对淀粉颗粒有序结构的破坏是不可逆的[28]。超声处理对橡子淀粉糊化特性的影响见表3。

表3 不同超声时间对橡子淀粉糊化性质的影响Table 3 Effect of different ultrasound times on the paste properties of acorn starch

从表3 可以看出，橡子淀粉的峰值黏度、最低黏度、终值黏度分别为3 424.00、2 392.00、3 883.00 cP，超声处理20 min 后橡子淀粉的峰值黏度、最低黏度、终值黏度分别为3 174.00、2 249.00、3 677.00 cP，糊化温度无显著变化。超声处理会导致淀粉部分大分子链断裂，流动阻力减小，因此呈现出更低的黏度。罗志刚等[29]采用超声波对高链玉米淀粉含量为30%的淀粉乳进行处理，发现随超声波功率增大，糊化温度没有变化，峰值黏度降低，与本试验结果一致。

2.6 淀粉凝胶强度分析

淀粉的冷却回生形成淀粉凝胶，完全糊化的直链淀粉分子、支链淀粉分子重新排序而形成凝胶。Guo等[30]研究发现，淀粉的来源及淀粉的加入量对淀粉凝胶的强度有重要影响。图5 为超声时间对橡子淀粉凝胶强度的影响。

由图5 可知，淀粉凝胶强度随超声时间的延长先增加后降低。这可能是由于在超声作用下产生的短链淀粉分子更易互作结合，从而增强了淀粉的凝胶强度。当超声时间延长至20 min 时，由于淀粉分子链的过度降解，淀粉的凝胶强度开始下降。

3 结论

超声处理对橡子淀粉的结构和理化性质有显著影响。由于超声引起的水解效应，淀粉颗粒的偏光十字现象虽然保留，但其表面出现了破损，颗粒倾向于聚集，颗粒粒径增加。随着超声时间的延长，淀粉糊的透明度虽然下降，但其冻融稳定性、温度大于75 ℃时的溶解度和膨胀度显著增加，老化值降低。淀粉糊的峰值黏度、最低黏度、终值黏度均随着超声时间的延长而下降，但糊化温度保持稳定，且适当的超声处理可提高淀粉凝胶强度。