壳聚糖添加量对大米淀粉老化的影响

王昊翊 张昆明 唐湘毅 黄永春

摘 要：为探究壳聚糖添加量对大米淀粉老化性质的影响，采用差示扫描量热仪、红外光谱（FTIR）和X射线衍射仪对添加不同添加量壳聚糖的老化大米淀粉进行测试，以老化大米淀粉的回生焓值、R值以及相对结晶度等3项指标来评价壳聚糖添加量对大米淀粉老化的影响。结果表明：添加壳聚糖使老化大米淀粉回生焓值增大；FTIR分析结果证实了添加壳聚糖使老化大米淀粉的短程有序性降低；壳聚糖添加量为0.5 g（占淀粉干重3.3%）时，淀粉短期回生阶段的短程有序性最低，添加量为0.4 g（占淀粉干重2.7%）时，淀粉长期回生阶段的短程有序性最低；老化大米淀粉结构的长程有序性同壳聚糖添加量有关：壳聚糖添加量为0.1 g（占淀粉干重0.7%）时，壳聚糖能降低淀粉的相对结晶度，添加量增加到0.5 g（占淀粉干重3.3%）后，壳聚糖增大淀粉的相对结晶度，且老化时间越长，使淀粉相对结晶度增大所需的壳聚糖添加量越大。研究结果有助于拓宽壳聚糖的应用范围，也为淀粉老化的调控提供了新思路。

关键词：大米淀粉；壳聚糖；老化；短程有序性；长程有序性

中图分类号：TS235.1 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.03.017

0 引言

淀粉是现代食品工业的重要原料，但是天然淀粉固有的老化特性限制了其更好的应用。淀粉经过加工制成的产品在储藏过程中会发生老化，使得产品变硬，口感失去弹性变得松散粗糙，造成食品感官指标劣化。另外老化后的淀粉在消化道更难被消化酶降解，不利于人体消化，其营养价值也会降低。因此有关淀粉老化的研究一直是相关研究者重点关注的方向。通过各种方式对天然淀粉老化进行调控，可以使淀粉得到更好的应用。目前已有一些将多糖与淀粉共混以期影响淀粉老化性能的报导。赵启竹[1]研究了可溶性大豆多糖（SSPS）对淀粉老化的抑制作用，通过快速黏度分析、激光共聚焦、全质构分析、X射线衍射及低场核磁共振等手段对淀粉的糊化、老化及质构特性进行了表征，认为SSPS对淀粉老化抑制的机制是影响糊化过程，主要通过控制水分和与淀粉分子相互作用实现。Raguzzoni等[2]通过热分析，流变学测试研究了酸性条件下壳聚糖对玉米淀粉糊化、老化性质的影响，结论是壳聚糖提高了淀粉的糊化温度，抑制淀粉的短期回生，但对长期回生有轻微的促进作用。Tian等[3]向大米淀粉中加入羟丙基β-环糊精（HPβ-CD），通过对尺寸排阻高效液相色谱、差示扫描量热及X射线衍射的结果进行分析，得出了HPβ-CD与直链淀粉形成潜在的复合物延迟了淀粉老化的结论。相比生物法、化学法，淀粉同多糖共混具有成本低、条件简单、不产生二次污染等优势。但是相关研究大都是在淀粉尚未糊化前加入多糖，认为添加多糖抑制了淀粉的糊化。因此这些研究中各实验组淀粉老化的起点不一，有关多糖对淀粉老化过程的影响无法得到确定的结论。迄今为止，尚未见有多糖对淀粉老化过程影响的单独研究。本实验中在淀粉完全糊化后再加入相应的多糖，保证了各实验组淀粉老化的起点相同。

甲壳素是一种在自然界中蕴藏量极大的天然高分子，经过N-脱乙酰基可以得到其衍生产物壳聚糖。壳聚糖分子链上具有丰富的氨基[4]，为与淀粉相互作用提供了可能，因为来源广泛且可再生，壳聚糖被广泛应用于食品、纺织、医药、日化和环保等多种行业[5]。水稻是最重要的淀粉来源之一，因此本文选择了大米淀粉作为研究对象，探究不同分子量与添加量的壳聚糖对大米淀粉老化的影响。

1 实验材料与仪器

1.1 实验材料

壳聚糖（脱乙酰度90%，分子量5、10、20、30、50万），深圳市中发源生物科技有限公司；冰醋酸（AR），广东光华科技股份有限公司；大米淀粉（直链淀粉含量16%），江西金农生物科技有限公司。

1.2 实验仪器

Phenom ProX扫描电子显微镜（荷兰Phenom-World公司）；D8 Advance X射线衍射仪（美国Bruker公司）；Bruker Invenio R傅里叶变换红外光谱仪（BRUKER OPTIK GMBH）；NETZSCH DSC 3500 Sirius差示扫描量热仪（NETZSCH-Ger?tebau GmbH）；Alpha 1-4 LDplus冷冻干燥机（德国CHRIST）；UPT-Ⅱ-20T超纯水机（四川优普超纯科技有限公司）；AR4201CN电子天平（上海奥豪斯）；BSM-220.4电子天平（上海卓精电子科技有限公司）；BCD-219WD12D冰箱（海信容声（广东）冰箱有限公司）；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器（河南予华仪器有限公司）；100目（150 μm）标准检验筛（绍兴市上虞张兴纱筛厂）。

2 实验方法

2.1 添加壳聚糖的淀粉老化样品的制备

配制15 mL体积分数为1%的乙酸溶液若干份，分别加入分子量为5万的壳聚糖0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g，磁力搅拌4 h至完全溶解。另制一份空白乙酸溶液作为对照。取15 g淀粉与25 mL去离子水装入烧杯，在90 ℃的水浴锅内加热30 min使得淀粉糊化。将制备好的壳聚糖溶液及作空白对照的乙酸溶液分别与糊化好的淀粉混合，搅拌均匀，封上保鲜膜，放入4 ℃的冰箱保存。在1、7、14 d后取样，经冷冻干燥后研磨，过100目（150 μm）筛待测。

2.2 淀粉试样的表面形貌观察

将淀粉样品用导电胶贴在钉形样品台上，用氮气吹去未贴牢的碎屑，用离子溅射仪在真空环境下表面喷金。然后把制好的样品装到样品杯上，调整样品位置到合适高度，移入扫描电子显微镜。在15 kV加速电压下观察老化淀粉的形貌。

2.3 老化淀粉的回生焓值测试

称取淀粉试样3 mg移入标配的Concavus铝坩埚中，用微量进样针向坩埚内加6 μL去离子水，加盖用压机压紧密封，放置过夜以平衡水分。测试条件：以空坩埚作参比，开启STC，测试温度从20 ℃升至95 ℃，升温速率为10 ℃/min。得到升温过程中样品的吸热焓，作为老化淀粉样品的回生焓值。

2.4 淀粉试样的中红外光谱测试

采用KBr压片法对淀粉在中红外区的吸收进行测试。预先将KBr在120 ℃的烘箱中干燥4 h，在红外烤灯下制样。分别称取淀粉样品0.01 g和溴化钾1.00 g，用玛瑙研钵混合研细后用压机制成透明薄片。测试条件：以纯KBr窗片作为背景，测试范围4 000 ～ 400 cm-1，扫描累加32次，分辨率4 cm-1。

2.5 淀粉试样的X射线衍射测试

XRD测试参考栾惠宇[6]方法并对测试条件做了一些调整，测试前将待测淀粉放在装有饱和NaCl溶液的密封容器内放置7 d以平衡水分。制样时，将适量待测样品装入石英样品槽内，刮去多余样品以玻片压平。测试条件：铜靶Kα（λ = 0.154 06 nm），管压40 kV，管流30 mA，测试范围5°～35°，步长0.02°，扫描速度0.24 （°）/min。

2.6 数据处理

红外光谱测试结果通过OMNIC 8软件进行基线校正，参照栾惠宇[6]的参数设置：半峰宽19 cm-1，增强因子1.9，对1 200～800 cm-1范围内的谱图进行傅里叶自去卷积处理。XRD测试结果以JADE 6软件画出晶区与非晶区分界线后导入Origin软件中，计算相对结晶度。

3 结果与讨论

3.1 淀粉形貌观察

图1为经过冷冻干燥的淀粉放大400倍的电镜照片，可以发现，经过冻干后的淀粉结构呈现片层状。董慧娜等[7]对经过冻干的老化板栗淀粉拍摄了扫描电镜照片，也观察到了片状结构，认为是淀粉在短期回生的过程中发生了脱水缩合所导致的。片层表面凹凸起皱，层间有立体的短棒状突起相互交叉。相比空白对照，添加壳聚糖使淀粉层间的棒状突起密度降低，推测此条件下壳聚糖通过与淀粉分子链相互作用，限制了淀粉分子链的运动能力，造成淀粉糊的凝胶化受阻。

3.2 DSC测试对老化淀粉双螺旋结构的表征

DSC测得的热焓可以反映淀粉老化过程中形成双螺旋的多少[8]。图2为大米淀粉DSC测试结果。从测试结果来看，一定添加量的壳聚糖对大米淀粉回生过程中形成双螺旋具有促进作用。随着时间推移，这种作用将会先增大再减小，最终添加壳聚糖的淀粉与空白淀粉的焓值趋同。推测壳聚糖上质子化的氨基更易与淀粉链上所带羟基形成氢键。通过氢键的作用，壳聚糖使得淀粉分子链更加舒展，有利于之后的重排，从而导致老化过程中形成了更多双螺旋结构。在老化时间足够长的情况下，整个体系向着热力学平衡的方向移动，因此最终添加壳聚糖的实验组焓值与空白对照趋同。

壳聚糖添加量对淀粉在老化过程中形成双螺旋结构的促进作用，在一天内的短期回生过程中规律不明显，这可能是因为在短期回生中，起主导的是直链淀粉，在淀粉体系中所占比例较少。在数天的长期回生过程中，促进作用随添加量的增加先增强后减弱，可能是由于过量的壳聚糖分子自身也发生相互作用。微观上，分子链相互缠结，分子间阻力过大，不易展开同淀粉链接触；宏观上，壳聚糖溶液黏度增加，搅拌操作不易将壳聚糖溶液完全均匀分散到整个体系中。

3.3 FTIR测试对大米淀粉短程有序性的表征

中红外光谱主要来自分子吸收能量后振动能级的跃迁，是分子振动的基频吸收区[9]。图3反映了添加壳聚糖和未添加壳聚糖的老化大米淀粉红外光谱主要的吸收峰位置。3 500～3 300 cm-1处的吸收峰对应羟基伸缩振动，在淀粉体系中，有来自淀粉本身的羟基，也可能有来自水分子的羟基在此处出峰。1 417 cm-1和2 928 cm-1分别对应C—H键的弯曲振动和伸缩振动[10]。960～920 cm-1对应α-1，4-糖苷键的振动，761、849、1 081 cm-1处分别对应C—C键伸缩振动、—CH2—键变形振动、C—O—H键的弯曲振动等[11]。向大米淀粉中添加壳聚糖后，红外光谱的吸收峰位置没有出现明显的变化，说明添加的壳聚糖没有同大米淀粉分子发生化学变化，没有造成淀粉基团改变，壳聚糖是通过分子间作用力对大米淀粉的老化产生影响的。

将1 200 ～800 cm-1范围内的谱图去卷积后标峰得到1 052 cm-1和1 020 cm-1两处的吸收峰，分别对应了淀粉结晶区域与非结晶区域的特征振动，以1 052 cm-1与1 020 cm-1两处吸收峰强度的比值R来代表样品中短程有序的程度[12]，R值越大，样品中短程有序的程度越高。

添加壳聚糖的样品与空白相比，1 052 cm-1处峰有轻微红移现象，1 020 cm-1处吸收峰则出现轻微蓝移。1 020 cm-1处为O—H的弯曲振动[13]。由图4可以看出，添加壳聚糖后，1 052 cm-1/1 020 cm-1波数处的红外吸收强度比值下降，表明壳聚糖的添加导致了淀粉的内部结构的短程有序性降低。推测是因为壳聚糖在淀粉分子发生重排的过程当中通过与淀粉分子链形成氢键增强了淀粉链的刚性，增大了淀粉分子链的空间位阻，限制了淀粉链的运动，阻碍了双螺旋结构的进一步有序堆积。短程有序性的变化规律为：短期回生中，随着添加量的增加而减弱；长期回生中，随着添加量增加先降低再增强。测试结果大致同DSC测试结果相互印证，壳聚糖对淀粉作用越强，淀粉分子的短程有序性就越差。

3.4 老化淀粉的相对结晶度分析

图5是各组样品的XRD谱图，XRD图谱在衍射角度7.5°、13.0°、17.0°、20.0°左右出峰，这是V型（7.3°、13.0°、20.0°）和B型（17.0°单峰）晶型的典型位置[14]。

计算5°～30°晶区与总面积之比，得到淀粉的相对结晶度[15]。发现淀粉的相对结晶度随着时间推移而增大，与已有报导相同[16]。同空白淀粉对比，少量壳聚糖降低淀粉的相对结晶度。当淀粉分子活动能力受限制时，淀粉的结晶能力将会降低[17]。如图6所示，随着添加量增多，大米淀粉的相对结晶度逐渐升高，超过空白对照的结晶度，且时间越长，使相对结晶度增大所需的壳聚糖越多。老化1、7、14 d后，大米淀粉相对结晶度分别在壳聚糖添加量达0.2、0.4、0.5 g时超过未添加壳聚糖的空白淀粉。其原因如前所述，过量的壳聚糖自身相互缠结，不易同淀粉分子链接触，对淀粉老化的抑制作用减弱，反而可能因为在局部吸水提高淀粉浓度而促进淀粉老化[18]。

4 结论

向糊化后的大米淀粉中添加壳聚糖导致淀粉的凝胶化受阻，证实壳聚糖可以在淀粉老化过程中产生影响。添加壳聚糖导致大米淀粉在老化过程中形成更多双螺旋结构，但是降低了其短程有序性。推测其原因是壳聚糖通过自身的游离氨基同淀粉分子链形成了氢键，使得淀粉链的构象发生改变而形成了更多双螺旋结构，但是壳聚糖同淀粉分子的缔合增大了淀粉分子的空间位阻，限制了淀粉分子的运动能力，因此阻碍了淀粉双螺旋结构进一步的排列堆砌，导致老化淀粉的短程有序性降低。壳聚糖对老化大米淀粉的长程有序性的影响与其添加量有关，少量的壳聚糖能抑制淀粉老化，降低淀粉的相对结晶度，当添加量过多时，壳聚糖自身可能相互缠结，限制其与淀粉发生作用，并且壳聚糖可能因为自身的吸水作用在局部提高了淀粉浓度而促进老化，增大淀粉的相对结晶度。

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Effects of addition amount of chitosan on the retrogradation of

rice starch

WANG Haoyi1，2，3， ZHANG Kunming1，2，3， TANG Xiangyi1，2，3， HUANG Yongchun*1，2，3

（1. School of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2. Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources （Guangxi University of

Science and Technology）， Liuzhou 545006， China; 3. Key Laboratory of Sugar Resources Processing of Guangxi Higher Education Institutions （Guangxi University of Science and Technology）， Liuzhou 545006， China）

Abstract： This paper studies the effect of addition amount of chitosan on the retrogradation of rice starch. First， the retrograded rice starch added with different amount of chitosan was tested by DSC， FTIR and XRD. Then， the effect of chitosan addition on the retrogradation of rice starch were evaluated by three indicators： the enthalpy of retrogradation， R value， and relative crystallinity. The results show that adding chitosan increased the enthalpy of retrogradation of the aged rice starch; The result of FTIR analysis confirmed that the addition of chitosan reduced the short range ordering of the aged rice starch; When the addition amount of chitosan was 0.5 g （3.3% of the dry weight of starch）， the short range ordering of starch in the short-term retrogradation was the lowest， and when the addition amount was 0.4 g （2.7% of the dry weight of starch）， the short range ordering of starch in the long-term retrogradation was the lowest; The long range ordering of rice starch structure was related to the addition amount of chitosan： when the addition amount of chitosan was 0.1 g （0.7% of the dry weight of starch）， chitosan reduced the relative crystallinity of starch; When the addition amount of chitosan was increased to 0.5 g （3.3% of the dry weight of starch）， chitosan increased the relative crystallinity of starch and the longer the retrogradation time， the larger addition amount of chitosan needed to increase the relative crystallinity of starch. The research results help to broaden the range of application of chitosan and provide new ideas for the regulation of starch retrogradation.

Keywords： rice starch; chitosan; retrogradation; short range ordering; long range ordering

（责任编辑：于艳霞）

收稿日期：2023-03-24；修回日期：2023-05-01

基金项目：广西重点研发计划项目（桂科AB22035061）资助

第一作者：王昊翊，在读硕士研究生

*通信作者：黄永春，博士，教授，研究方向：生物资源加工及过程强化，E-mail：huangyc@yeah.net