王立東，劉婷婷，張麗達，吳萍萍

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江大慶163319；2.東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

機械活化處理對綠豆淀粉理化性質(zhì)的影響

王立東1，2，劉婷婷1，張麗達1，吳萍萍1

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江大慶163319；2.東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

為探究球磨機械活化處理對綠豆淀粉理化性質(zhì)的影響，對機械活化后綠豆淀粉的顆粒形貌和粒度分布進行觀察，并進一步對其熱力學性質(zhì)、糊化性質(zhì)、溶解度、膨脹度、持水能力和凍融穩(wěn)定性等理化性質(zhì)進行測定。結(jié)果表明，淀粉顆粒形貌發(fā)生了改變，表面變得粗糙不光滑，形狀不規(guī)則，淀粉顆粒粒度分布范圍為2～200 μm，70%以上分布在20～75 μm區(qū)間，粒度中位徑增大到43.09 μm，熱焓值降低至2.32 J/g，糊化溫度顯著降低，衰減值及回生值分別為原淀粉的1/30和1/31，微細化綠豆淀粉具有較好的熱糊和冷糊穩(wěn)定性，溶解度和膨脹度隨著溫度的升高而增大，持水能力和凍融穩(wěn)定性為原淀粉的3.2倍和2.0倍。

機械活化處理；綠豆淀粉；理化性質(zhì)

淀粉是由高度有序的結(jié)晶區(qū)和排列疏松的非晶區(qū)組成的多晶體系，由于其天然的晶體結(jié)構(gòu)，使得水分、反應物、酶等物質(zhì)很難進入到淀粉顆粒內(nèi)部。淀粉酶作用于淀粉需將淀粉顆粒吸水溶脹、糊化，破壞其晶體結(jié)構(gòu)，再進行酸或酶對糊化淀粉進行催化水解，最后用糖化酶糖化。雙酶法水解淀粉制備葡萄糖工藝成熟，但淀粉結(jié)晶區(qū)的存在導致淀粉的糊化溫度高、糊化黏度大、流動性差、化學反應活性低[1-2]。因此，提高淀粉液化、糖化的效果，降低能耗、降低成本是淀粉糖漿工業(yè)乃至酒精發(fā)酵等相關(guān)工業(yè)中急需解決的關(guān)鍵課題[3]。

綠豆營養(yǎng)豐富，是我國傳統(tǒng)藥食兼用的食材，被廣泛應用于食品加工中，可作為綠豆粉絲、綠豆皮、綠豆涼粉等傳統(tǒng)食品加工的主料，也可作為油炸食品、低脂灌腸制品和膨化食品的配料[4-5]。淀粉是綠豆中的主要成分，對綠豆品質(zhì)起著決定性作用。由于綠豆種植廣泛，不同地區(qū)、品種間淀粉性質(zhì)的差異會影響綠豆的功能特性并最終影響其對產(chǎn)品的適用性[6]。綠豆淀粉中直鏈淀粉含量較高，具有熱黏度高等優(yōu)良性能，然而由于綠豆淀粉具有較強的成膜性、抗拉伸性和易老化、結(jié)晶度高、溶解度低等特點，導致綠豆淀粉在工業(yè)生產(chǎn)中的應用受到嚴重限制，因此需對綠豆淀粉進行改性以充分利用綠豆淀粉資源[7]。

球磨處理是對淀粉進行物理改性的有效途徑之一，具有成本低、污染小、較安全等優(yōu)點。通過改變淀粉顆粒的形貌、結(jié)構(gòu)及理化學性質(zhì)，從而解決如冷水溶解度低、淀粉糊透明度低、凝沉特性差等問題，并能有效降低淀粉糊黏度及觸變性和剪切稀化現(xiàn)象[8-9]。如MORRISON W R等[10-11]研究了球磨處理對小麥淀粉的影響，處理后淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)受到破壞，淀粉中直鏈淀粉增加，支鏈淀粉含量減少，從而影響其溶解度、凝膠特性、熱焓值等性質(zhì)。TESTERRF等[12-13]對玉米淀粉、大米淀粉、綠豆和土豆淀粉進行球磨處理，得到不同梯度的損傷淀粉含量，研究發(fā)現(xiàn)，不同種類對球磨的敏感度不同，且淀粉糊化性質(zhì)有不同程度的變化。侯蕾等[14]研究了機械球磨對綠豆淀粉糊性質(zhì)的影響，得到隨著球磨時間的延長，淀粉損傷含量顯著增加，透明度、溶解度和膨潤力增大，糊化特性均隨時間的增加而降低，凝膠特性與處理時間呈負相關(guān)。

盡管已有部分學者對綠豆淀粉球磨改性進行了研究，但淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會隨著淀粉植物來源的變化而變化，即使是同種類物質(zhì)的不同品種淀粉結(jié)構(gòu)特征和性質(zhì)也具有唯一性[15]。因此，本研究以綠豆為原料，利用球磨進行物理改性，得到微細化綠豆淀粉，并采用掃描電鏡、激光粒度分析儀觀察其顆粒形貌及大小的變化，采用差示掃描量熱儀、快速黏度分析儀等分析手段對其熱力學和糊化特性進行研究，并且對處理后淀粉的溶解度、膨脹度、持水能力和凍融穩(wěn)定性等理化性質(zhì)進行測定，考察機械活化處理前后淀粉理化性質(zhì)的變化，為探索綠豆淀粉的改性方法及綠豆淀粉在食品或工業(yè)上的充分利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

綠豆由黑龍江省泰來縣種子公司提供，綠豆品種為大鸚哥綠；實驗所用試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2儀器與設(shè)備

QM-ISP2型行星式球磨機：南京大學儀器廠；S-3400N掃描電鏡：日本HITACHI公司；Bettersize 2000激光粒度分布儀：丹東市百特儀器有限公司；RVA4500快速黏度分析儀：瑞典Perten公司；DSC1型差示掃描量熱儀、AR2140型分析天平：瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；T6新世紀紫外可見分光光度計：北京譜析通用儀器有限責任公司。

1.3試驗方法

1.3.1綠豆淀粉的提取工藝流程

采用LIU W等[16]的方法并稍作修改。綠豆淀粉提取工藝流程簡述如下：

綠豆→除雜、清洗→按照料液比1∶3（g∶mL）加入去離子水→30℃浸泡18 h→30倍去離子水磨漿→過100目篩→濾液靜置2 h，去上清液→按照料液比1∶8（g∶mL）加入去離子水重懸浮沉淀→離心（4 000 r/min、15 min）→收集沉淀→按照料液比1∶8（g∶mL）加入去離子水繼續(xù)重懸浮沉淀→離心（4 000 r/min、15 min）→收集沉淀→40℃條件下干燥→粉碎→過100目篩，篩下物即為綠豆淀粉

1.3.2球磨粉碎微細化綠豆淀粉的制備

稱取綠豆淀粉500g，置于干燥箱中55℃條件下干燥6h，得到水分含量為6.53%的綠豆淀粉，用自封袋密封，置于干燥器中保存。采用行星式球磨機，陶瓷罐進行機械活化，設(shè)定球磨罐填料率為25%，球磨機轉(zhuǎn)速為480 r/min，機械活化時間6 h，研磨球與物料比例為6∶1，制備得到微細化綠豆淀粉，樣品密封保存。

1.3.3顆粒形貌

掃描電子顯微鏡觀察顆粒形貌：取適量的原料及處理綠豆淀粉樣品，將其分散于導電雙面膠上，將雙面膠黏貼于載物臺上，在真空條件下對載物臺進行鍍金處理，然后將其放入掃描電子顯微鏡中觀察，于適當放大倍數(shù)拍攝樣品顆粒形貌，以便于觀察淀粉顆粒形貌變化情況，加速電壓為15 kV。

1.3.4淀粉顆粒分布

在超聲作用下以體積分數(shù)為70%乙醇作為溶劑均勻分散淀粉樣品（原綠豆淀粉及微細化綠豆淀粉）后，將其倒入粒度分析儀中測定粒度分布和粒度大小。以樣品的累計粒度分布百分數(shù)達到50%時所對應的粒徑（中位徑）來表示，即D50。

1.3.5熱特性分析

稱取淀粉樣品（原綠豆淀粉及微細化綠豆淀粉）3.0 mg（干基）于鋁盤中，并按照料液比1∶3（g∶mL）加入去離子水，密封后平衡24 h，以水作為參比，采用差示掃描量熱儀（differential scanning calorimeter，DSC）分析樣品熱焓值及各峰值溫度等熱特性，加熱范圍為20～120℃，加熱速率10℃/min。相變參數(shù)分別用起始溫度（t0）、峰值溫度（tp）、最終溫度（tc）和焓變（ΔH）表示[17]。

1.3.6糊化特性分析[18]

稱取微細化淀粉樣品3 g，加入蒸餾水25 mL，制備測試樣品。在攪拌過程中，罐內(nèi)溫度變化如下：50℃條件下保持1 min；在3 min 42 s內(nèi)上升到95℃；95℃條件下保持2.5 min；在3 min 48 s內(nèi)將溫度降到50℃后并保持2 min。攪拌器在起始10 s內(nèi)轉(zhuǎn)動速度為960 r/min，之后保持在160 r/min。

1.3.7微細化淀粉理化特性研究

以未處理原綠豆淀粉為對照，分別測定機械粉碎微細化綠豆淀粉的溶解度、膨脹度、持水能力和凍融穩(wěn)定性等。溶解度和膨脹度的測定參照CLEMENT A O等[19]的方法；凍融穩(wěn)定性參照SINGH J等[20]的方法；持水能力測定參照SINGH N等[21]的方法；凝沉性測定參照高群玉等[22]的方法。

1.3.8數(shù)據(jù)處理

每組試驗均做3次平行。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Graphpad Prism 6.0軟件，制圖采用OriginPro 9.1軟件。

2　結(jié)果與分析

2.1綠豆淀粉的化學組成

原綠豆淀粉及微細化綠豆淀粉化學組成成分如表1所示。由表1可知，原綠豆淀粉及微細化綠豆淀粉的水分、總淀粉、粗蛋白、灰分含量差別不大，但是直鏈淀粉淀粉的含量從原淀粉的38.66%增大至49.12%。化學組成不同導致理化性質(zhì)差異。

表1　原綠豆淀粉及微細化綠豆淀粉的組成分析Table 1 Analysis of compositions of original and micronization mung bean starch%

2.2顆粒形態(tài)與粒度分布

球磨粉碎前后的顆粒形貌和粒度的變化見圖1。由圖1可知，綠豆原淀粉的顆粒大部分呈橢圓形，顆粒較大，并存在部分近似圓形的小顆粒，顆粒表面光滑，但存在一定的凹痕。球磨處理后，微細化淀粉顆粒仍保持完整的粒形，但因受到機械力的作用，淀粉顆粒表面變得粗糙不光滑，出現(xiàn)裂痕、縫隙、凹陷等形貌狀態(tài)，淀粉顆粒粒度變大，顆粒大小不均一，形狀極不規(guī)則，多呈扁平狀。主要是由于機械作用使得淀粉分子內(nèi)能增加，產(chǎn)生較大的應力和應變作用，隨著機械作用時間的延長，動態(tài)集中的彈性應力使得淀粉顆粒產(chǎn)生形變。

圖1　原綠豆淀粉(a)和微細化綠豆淀粉(b)掃描電鏡圖譜Fig.1 Scanning electron microscope spectrum of original(a)and micronization(b)mung bean starch

2.3淀粉顆粒分布

微細化綠豆淀粉的中位徑（D50）和顆粒分布情況見圖2。由圖2可知，原料綠豆淀粉的粒徑分布曲線為一尖峰，說明其粒度分布較窄，粒徑分布在0.5～75 μm的范圍內(nèi)，沒有＞75 μm的顆粒存在，其中近60%粒徑在20～45 μm范圍內(nèi)，其中位徑D50為22.81 μm；而綠豆淀粉經(jīng)過球磨處理為微細化綠豆淀粉后，粒度分布曲線峰寬變寬，說明其粒度范圍增大，且淀粉顆粒粒徑明顯變大，粒徑分布區(qū)間增大到2～200 μm，沒有＜2 μm粒徑存在，其70%以上分布在20～75 μm區(qū)間，＞75 μm粒徑達11.77%，中位徑D50增大到43.09 μm。這是因為在球磨機械活化初期，研磨球的摩擦、碰撞、沖擊和剪切作用使得淀粉顆粒出現(xiàn)脆性斷裂，同時淀粉顆粒由脆性斷裂向韌性破裂方向轉(zhuǎn)變，引起能量弛豫現(xiàn)象，導致淀粉顆粒表面活性能增高；隨著應變程度急劇增加，淀粉體系出現(xiàn)“閾效應”，引起淀粉顆粒內(nèi)部淀粉鏈柔性增加；晶格損壞導致顆粒內(nèi)部結(jié)晶層逐漸變薄；引起結(jié)晶層發(fā)生斷層流動現(xiàn)象，最終導致淀粉顆粒發(fā)生形變，淀粉顆粒粒徑向大顆粒尺寸方向移動；顆粒較小的淀粉顆粒膨脹，導致小顆粒粒徑組份比例降低，與此同時淀粉顆粒尺寸增加，顆粒粒徑整體向尺寸增大的方向移動，粒徑分布變得均勻而廣泛[23]。

圖2　原綠豆淀粉(a)和微細化綠豆淀粉(b)的粒度分布曲線Fig.2 Size distribution curves of original(a)and micronization(b) mung bean starch

2.4熱特性分析

圖3　原綠豆淀粉(a)和微細化綠豆淀粉(b)的DSC曲線Fig.3 DSC curves of original(a)and micronization(b) mung bean starch

由圖3可知，原綠豆淀粉在20～100℃范圍內(nèi)存在一個明顯的吸收峰，該吸收峰的熱焓值約為17.02 J/g，糊化起始溫度為55.78℃，糊化峰值溫度為63.97℃，糊化終止點溫度為74.43℃。而淀粉經(jīng)過球磨處理為微細化綠豆淀粉后，熱焓值降低至2.32 J/g，糊化起始溫度為51.03℃，較處理前降低4.75℃，糊化峰值溫度為56.48℃，較處理前降低7.49℃，糊化終止點溫度為65.17℃，較之前降低9.26℃。結(jié)果表明，經(jīng)過球磨處理后，綠豆淀粉的熱焓值、各峰值溫度均存在降低現(xiàn)象，球磨處理對綠豆淀粉的熱力學性質(zhì)產(chǎn)生了一定影響。

原綠豆淀粉顆粒是由無定型區(qū)與結(jié)晶區(qū)連結(jié)，在其發(fā)生水合/溶脹的同時伴隨著微晶的融化，因而產(chǎn)生了吸收峰，糊化溫度較高。而球磨綠豆淀粉糊化溫度和熱焓值顯著下降，說明淀粉顆粒內(nèi)部分子鏈有序排列程度下降，熱焓值與淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)，結(jié)晶度下降則熱焓值降低，但實際上熱焓值更能代表淀粉鏈中雙螺旋結(jié)構(gòu)數(shù)量的多少，球磨處理后綠豆淀粉的熱焓值大幅度降低表明了淀粉分子鏈上的雙螺旋結(jié)構(gòu)已經(jīng)消失[24]。機械球磨處理綠豆淀粉的熱特性參數(shù)降低，表明此時淀粉顆粒已經(jīng)處于無定形狀態(tài)。

2.5糊化特性分析

糊化特性是反應淀粉品質(zhì)的重要指標之一，對食品加工性能、貯存和口感影響重大。采用快速黏度儀對綠豆淀粉進行分析，νP代表淀粉溶液在加溫過程中因微晶束熔融形成膠體網(wǎng)絡(luò)時的最高黏度值；νT代表保溫過程中淀粉從凝膠狀態(tài)變?yōu)槿苣z狀態(tài)出現(xiàn)稀懈現(xiàn)象時最低黏度值；νF代表淀粉分子重新締合出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象時黏度回升后的最終值；νB代表淀粉黏度的衰減值，為νP與νT的差值；νS代表淀粉黏度回生值，為νF和νT的差值[25-26]。

原綠豆淀粉與微細化綠豆淀粉的RVA曲線見圖4。由圖4可知，原綠豆淀粉與微細化綠豆淀粉的νP值分別為7142mPa·s、758mPa·s，淀粉最高黏度值降低了6384mPa·s，νT值分別為3 712 mPa·s、642 mPa·s，最低黏度值降低了3070 mPa·s，νT值分別為9 025 mPa·s、809 mPa·s，最終黏度值降低了8216 mPa·s，各黏度值均降低，說明球磨處理后對綠豆淀粉的糊化特性產(chǎn)生了重要的影響。這是由于球磨處理后的淀粉顆粒結(jié)晶度低、顆粒破裂程度大，形成淀粉糊的流動阻力下降，損傷淀粉含量和直鏈淀粉含量增加，支鏈淀粉含量降低，因此導致淀粉糊黏度下降。原料綠豆淀粉的νB值為3 430 mPa·s，微細化綠豆淀粉νB值為116 mPa·s，為原料淀粉的1/30，說明微細化綠豆淀粉的熱糊穩(wěn)定性明顯優(yōu)于原淀粉；原料綠豆淀粉的νS值為5 313 mPa·s，微細化綠豆淀粉νS值為167 mPa·s，為原料淀粉的1/31，說明處理后淀粉更不易老化、回生，提高淀粉顆粒的冷糊穩(wěn)定性。因此，經(jīng)過球磨處理后，使得綠豆淀粉的黏度均低于原淀粉，更適用于應用到高濃低黏的體系中，且微細化綠豆淀粉的熱糊穩(wěn)定性和冷糊穩(wěn)定性都優(yōu)于原淀粉。

圖4　原綠豆淀粉(a)和微細化綠豆淀粉(b)的RVA曲線Fig.4 RVA curves of original(a)and micronization(b) mung bean starch

2.6溶解度和膨脹度

溶解度是評價淀粉物理特性的一個重要指標，它的大小表明了淀粉與水結(jié)合能力的強弱，與淀粉的分子結(jié)構(gòu)、顆粒大小、直鏈淀粉含量等因素有關(guān)。由圖5可知，原綠豆淀粉與微細化綠豆淀粉隨著溫度的升高，溶解度和膨脹度均逐漸增大，主要是因為隨著溫度升高，淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)晶區(qū)中被切斷的氫鍵數(shù)目增多，使得游離的水更容易滲透到淀粉分子內(nèi)部，所以淀粉的溶解度和膨脹度越來越大。微細化處理的綠豆淀粉的溶解度和膨脹度均高于原綠豆淀粉，主要是因為淀粉經(jīng)過球磨機械活化處理，在機械力的作用下使得淀粉顆粒粒徑增大，增加淀粉顆粒比表面積，使得表面能增加，活性位點增多，同時機械作用也破壞了淀粉顆粒的晶格結(jié)構(gòu)，解離了淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這些機械力化學效應極大地促進了水分子與淀粉分子游離羥基的結(jié)合，所以微細化綠豆淀粉的溶解度和膨脹度均高于原淀粉[27]。

圖5　原綠豆淀粉(a)和微細化綠豆淀粉(b)溶解度和膨脹度的變化Fig.5 Changes of solubility and swelling capacity of original(a) and micronization(b)mung bean starch

2.7持水能力及凍融穩(wěn)定性

持水能力反映了淀粉分子鏈與水分子間氫鍵結(jié)合的能力。綠豆淀粉的持水能力為58.14%，而微細化綠豆淀粉的持水能力達185.61%，綠豆淀粉經(jīng)過微細化處理后，其持水能力明顯增加，為原綠豆淀粉的3.2倍。主要是因為微細化綠豆淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)受到破壞，結(jié)晶度降低，使得淀粉分子鏈柔性增加，水分子更易與其直連和支鏈淀粉形成氫鍵，從而引起淀粉持水能力的提高。

凍融穩(wěn)定性可以表述淀粉糊在低溫冷凍后的凝沉情況，體現(xiàn)了在低溫狀態(tài)下，淀粉顆粒的凝沉情況，其主要與淀粉分子鏈的長短、支鏈淀粉含量以及淀粉顆粒中分子鏈的結(jié)構(gòu)有關(guān)。淀粉的吸水率與凍融穩(wěn)定性成負相關(guān)。在一定時間內(nèi)，原綠豆淀粉的吸水率為46.43%。而微細化綠豆淀粉的吸水率達24.47%，原綠豆淀粉的吸水率高于微細化綠豆淀粉，為原料淀粉的2.0倍，說明微細化綠豆淀粉具有更好的凍融穩(wěn)定性。

3　結(jié)論

對綠豆淀粉經(jīng)過球磨機械活化處理，其顆粒形貌和粒度發(fā)生明顯變化，淀粉顆粒表面變得粗糙不光滑，出現(xiàn)裂痕、縫隙、凹陷等形貌狀態(tài)，淀粉顆粒粒度變大，顆粒大小不均一，形狀極不規(guī)則，多呈扁平狀；微細化綠豆淀粉粒度分布曲線峰寬變寬，粒度范圍增大，粒度分布在2～200μm區(qū)間，粒度明顯增大，70%以上分布在20～75 μm區(qū)間，中位徑（D50）由22.81 μm增大到43.09 μm；熱力學性質(zhì)表現(xiàn)為熱焓值降低，糊化特征表現(xiàn)為綠豆淀粉的黏度均低于原淀粉，更適用于應用到高濃低黏的體系中，且微細化綠豆淀粉的熱糊穩(wěn)定性和冷糊力學穩(wěn)定性都優(yōu)于原淀粉；溶解度和膨脹度隨著溫度的升高而增大，且均高于原淀粉，持水能力明顯增加，為原淀粉的3.2倍，且微細化淀粉具有良好的凍融穩(wěn)定性。綠豆淀粉微細化處理，可作為淀粉糖工業(yè)的有效的預處理方法，提高淀粉液化和糖化效果，降低生產(chǎn)能耗與成本，同時可將制備的微細化綠豆淀粉應用于食品配料，改善產(chǎn)品的質(zhì)量，具有較好的市場前景和應用價值。

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Effect of mechanical activation treatment on physicochemical properties of mung bean starch

WANG Lidong1,2,LIU Tingting1,ZHANG Lida1,WU Pingping1
(1.National Coarse Cereals Engineering Research Center,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China; 2.College of Food Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

In order to research the effect of ball-milling mechanical activation treatment on physicochemical properties of mung bean starch,the particle morphology and particle size distribution of mung bean starch after mechanical activation were observed,and its physicochemical properties including thermodynamic properties,pasting properties,solubility,swelling capacity,water holding capacity,freeze-thaw stability were determined. The results showed that the particle morphology of starch was changed,its surface was rough and not smooth,and the shape was irregular.The particle size distribution range of starch was 2-200 μm,more than 70%of the distribution was in the range of 20-75 μm.The average grain diameter was increased to 43.09 μm.The enthalpy value was decreased to 2.32 J/g.Gelatinization temperature was decreased significantly.The attenuation values and retrogradation values were 1/30 and 1/31 of the original starch,respectively.Micronization mung bean starch had good stability of hot paste and cold paste.Its solubility and swelling degree increased with the rising of temperature.Its water holding capacity and freeze-thaw stability were 3.2 times and 2.0 times than that of the original starch.

mechanical activation treatment;mung bean starch;physicochemical properties

TS231

0254-5071（2016）08-0137-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.08.031

2016-05-05

2015國家星火計劃項目（2015GA670008）；黑龍江省科技廳科技特派員項目（GC15B503）；大慶市指導性科技計劃項目（S2dfy-2015-53）

王立東（1978-），男，助理研究員，博士研究生，研究方向為糧食、油脂及植物蛋白工程。