李貴蕭 牛 凱 侯漢學(xué) 張 慧 代養(yǎng)勇 董海洲 劉傳富

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，泰安 271018)

高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)研究

李貴蕭 牛 凱 侯漢學(xué) 張 慧 代養(yǎng)勇 董海洲 劉傳富

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，泰安 271018)

以玉米淀粉為原料，通過掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)、X-射線衍射(X-ray diffraction, XRD)、激光共聚焦顯微鏡(confocal laser scanning microscopy, CLSM)、快速黏度分析儀(rapid visco analyser, RVA)、差示掃描量熱儀(differential scanning calorimetry, DSC)、偏光顯微鏡(polarizing microscope, PLM)等手段研究高壓均質(zhì)處理對(duì)玉米淀粉微觀結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響，揭示高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)。結(jié)果表明，高壓均質(zhì)對(duì)淀粉顆粒的無定形區(qū)、結(jié)晶區(qū)產(chǎn)生很強(qiáng)的機(jī)械力化學(xué)作用，推斷淀粉顆粒內(nèi)部依次發(fā)生了聚集和團(tuán)聚效應(yīng)。

玉米淀粉 機(jī)械力化學(xué)效應(yīng) 理化性質(zhì) 結(jié)構(gòu)

董海洲，男，1957年出生，教授，糧油加工

機(jī)械力化學(xué)是研究在給固體物質(zhì)施加機(jī)械能量時(shí)固體形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化并誘導(dǎo)物理、化學(xué)變化的一門學(xué)科，實(shí)質(zhì)上是把機(jī)械力的能量(高壓、剪切、碾軋、摩擦等)轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程[1]，其涉及固體化學(xué)、表面化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、礦物加工、粉體科學(xué)等多門學(xué)科[2]。機(jī)械力對(duì)晶體物質(zhì)作用過程通常分為3個(gè)階段，依次是受力階段、聚集階段、團(tuán)聚階段[3]。目前，國內(nèi)外對(duì)淀粉機(jī)械力作用研究主要集中在球磨方面[4]，而高壓均質(zhì)對(duì)物料可產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切、撞擊、振蕩和氣穴等機(jī)械力效應(yīng)[5]，但相關(guān)報(bào)道較少。

本研究以玉米淀粉為原料，通過利用偏光顯微鏡(PLM)、激光共聚焦顯微鏡(CLSM)、差示掃描量熱儀(DSC)、快速黏性分析儀(RVA)等手段研究高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉微觀結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響，并揭示高壓均質(zhì)對(duì)淀粉顆粒的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)，為淀粉物理改性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉：山東諸城興貿(mào)玉米開發(fā)有限公司。APTS(8-氨基芘基-1,3,6三磺酸三鈉鹽)： 美國Sigma-Aldrich公司。

RVA-Eritm黏度分析儀：瑞典波通儀器公司；D8 ADVANCE型X射線衍射儀：德國BRUKER-AXS有限公司；ZKY-303S型高壓均質(zhì)機(jī)：北京中科浩宇科技發(fā)展有限公司；B-383POL偏光顯微鏡：意大利康帕斯公司；QUANTA FEG250掃描電子顯微鏡：美國FEI公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 高壓均質(zhì)淀粉的制備

取200 g玉米淀粉(干基)，配成18%的淀粉乳，攪拌均勻，利用高壓均質(zhì)機(jī)在100 MPa壓力下處理1、3、5、7次，40 ℃通風(fēng)干燥48 h，采用高速多功能粉碎機(jī)研磨至粉狀，密封備用。

1.2.2 水溶指數(shù)和膨脹度的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取9 g玉米淀粉(干基)于燒杯中，配成450 mL淀粉乳，85 ℃水浴糊化30 min，3 000 r/min 離心30 min。將上清液傾出于已恒重?zé)校Q量并記錄，然后于105 ℃烘干至恒重，稱其質(zhì)量為溶解的淀粉質(zhì)量A，稱取離心后沉淀物質(zhì)量為膨脹淀粉質(zhì)量P，計(jì)算水溶指數(shù)和膨脹度，公式[6-7]：

水溶指數(shù)S=A/W×100%

膨脹度(g/g)=P/[W(100-S)]×100

式中：A為上清液烘干恒重后的質(zhì)量/g；W為絕干樣品質(zhì)量/g；P為離心后沉淀物質(zhì)量/g。

1.2.3 透光率的測(cè)定

稱取0.5 g玉米淀粉(干基)，配成50 mL淀粉乳，沸水浴加熱糊化30 min。每水浴5 min利用磁力攪拌器攪拌2 min。糊化完成后冷卻至室溫，利用分光光度計(jì)于650 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度，以蒸餾水為空白，平行3次，計(jì)算淀粉糊的透光率[8]。

透光率/%=102-吸光度

1.2.4 糊化特性的測(cè)定

根據(jù)樣品的含水量，得到所需淀粉樣品質(zhì)量和去離子水[9]，采用快速黏度分析儀進(jìn)行。將樣品與水于RVA 樣品盒中充分混合。測(cè)定過程中溫度控制如下：50 ℃保持1 min，3.7 min后上升至95 ℃，95 ℃保持2.5 min，3.8 min后下降至50 ℃，50 ℃保持 2 min。起始10 s內(nèi)轉(zhuǎn)速為960 r/min，以后保持160 r/min[10]。

1.2.5 差示量熱掃描(DSC)分析

稱取5 mg淀粉樣品于鋁制密封坩堝中，加入15 μL去離子水，室溫下平衡過夜。升溫速率為5 ℃/min，升溫溫度為10～99 ℃，記錄升溫過程的DSC曲線。保護(hù)氣為氮?dú)猓魉贋?60 mL/min。同時(shí)記錄淀粉糊化起始溫度(TO)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(TC)和淀粉糊化焓變(ΔH)。

1.2.6 熱穩(wěn)定性(TGA)分析

試樣經(jīng)45 ℃干燥12 h，采用TA-60熱重分析儀測(cè)定樣品的熱穩(wěn)定性，測(cè)試條件：試樣質(zhì)量 5 mg，升溫速率 25 ℃/min，溫度范圍 25～500 ℃，N2為保護(hù)氣。

1.2.7 掃描電鏡(SEM)觀察

試樣經(jīng)40 ℃恒溫干燥12 h，均勻涂在模具上，離子濺射噴涂鉑金后，采用掃描電鏡進(jìn)行觀察。

1.2.8 激光共聚焦顯微鏡(CLSM)分析

取10 mg樣品與新鮮配制的15 μL 10 mmol/L APTS(醋酸為溶劑)及15 μL 1 mol/L氰基硼氫化鈉混合，于30 ℃反應(yīng)15 h，用1 mL去離子水清洗5次，懸浮于100 μL 50%甘油、水混合液中，取一滴懸浮液于CLSM觀察[11]。

1.2.9 偏光顯微鏡觀測(cè)淀粉顆粒形態(tài)

將樣品配成1%淀粉乳置于載玻片上，蓋上蓋玻片后于光學(xué)顯微鏡下觀察，記錄淀粉在偏振光源下的形貌特征。

1.2.10 X-射線衍射分析

采用X-衍射儀測(cè)定結(jié)晶特性。測(cè)試條件：特征射線CuKα，管壓為40 kV，電流100 mA，掃描速率為4°/min，測(cè)量角度2θ=5°～40°，步長(zhǎng)為0.02°，發(fā)散狹峰為1°，防發(fā)散狹峰為1°，接受狹峰為0.16 mm[6,12]。

1.2.11 激光粒度法測(cè)定淀粉顆粒粒徑

采用 LS-POF 激光粒度分析儀測(cè)定淀粉的粒級(jí)分布。將玉米淀粉懸浮于去離子水中，將待測(cè)液倒入樣品池中超聲波分散20 s后測(cè)定。根據(jù)激光衍射法進(jìn)行自動(dòng)分析，得粒徑分布圖和平均粒徑數(shù)據(jù)，每個(gè)樣品測(cè)定4次。

1.2.12 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)3次，采用Excel、Origin 8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉顆粒形貌的影響

玉米原淀粉多呈現(xiàn)橢圓形，表面較光滑，形狀大小不均，部分為多角形，少數(shù)呈無規(guī)則形狀[13]。在掃描電鏡下，可觀察到淀粉顆粒表面有微細(xì)狀針孔結(jié)構(gòu)。由圖1可知，高壓均質(zhì)1次時(shí)，淀粉顆?？锥唇Y(jié)構(gòu)增多，可見高壓均質(zhì)的空化效應(yīng)對(duì)淀粉微細(xì)狀針孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的作用力[14]；當(dāng)均質(zhì)處理3～5次時(shí)，淀粉顆粒多孔洞結(jié)構(gòu)減少，推斷淀粉顆粒無定形結(jié)構(gòu)受到破壞；同時(shí)，在顆粒表面出現(xiàn)球狀突起，內(nèi)部形成球狀結(jié)構(gòu)，可能是淀粉顆粒內(nèi)部發(fā)生了聚集[15]。且由于強(qiáng)剪切力作用，淀粉顆粒破裂產(chǎn)生很多碎片；但當(dāng)均質(zhì)處理7次時(shí)，很多碎片融合在淀粉顆粒表面，表面破壞程度減弱，說明與均質(zhì)3～5次相比，該階段淀粉顆粒內(nèi)部又發(fā)生了變化。

注：a為玉米原淀粉；b、c、d、e分別為100 MPa均質(zhì)處理1、3、5、7次，下同。圖1 均質(zhì)處理玉米淀粉顆粒的掃描電鏡圖(×2 000)

2.2 高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響

CLSM可用于觀察淀粉顆粒內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。由圖2可知，淀粉顆粒中心亮度低的部位為中央腔，顆粒內(nèi)部暗線為孔道結(jié)構(gòu)，但孔道長(zhǎng)度存在差異[11]。

由圖2可知，高壓均質(zhì)1次時(shí)，淀粉顆粒孔道變粗，可見高壓均質(zhì)的空化效應(yīng)通過淀粉顆粒的孔道結(jié)構(gòu)對(duì)淀粉內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械力作用[14]。均質(zhì)3～5次時(shí)，在淀粉顆粒內(nèi)部出現(xiàn)一些球狀亮點(diǎn)，推斷淀粉顆粒內(nèi)部發(fā)生了聚集。高壓均質(zhì)7次時(shí)，淀粉顆粒內(nèi)部球狀亮點(diǎn)、中央腔和孔道均減少，可見該階段淀粉顆粒內(nèi)部聚集結(jié)構(gòu)和淀粉顆粒原有結(jié)構(gòu)均破壞。

圖2 均質(zhì)處理玉米淀粉顆粒的激光共聚焦顯微圖(×1 600)

2.3 高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉顆粒偏光十字的影響

淀粉由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)組成，結(jié)晶區(qū)淀粉分子鏈呈有序排列，而非結(jié)晶區(qū)呈無序排列，因兩者密度和折射率存在差別而產(chǎn)生各向異性現(xiàn)象，從而形成偏光十字，該雙折射現(xiàn)象的強(qiáng)度取決于顆粒的大小以及結(jié)晶度和微晶取向[16]。

由圖3可知，原淀粉顆粒偏光十字清晰完整，多數(shù)呈垂直交叉的正十字型，交叉點(diǎn)接近于淀粉粒心，表明玉米原淀粉多數(shù)近似球狀晶體[17]。當(dāng)均質(zhì)1次時(shí)，偏光十字變化不明顯，說明該階段機(jī)械力對(duì)晶體結(jié)構(gòu)破壞作用不明顯，推斷該階段可能主要作用于無定形區(qū)；當(dāng)高壓均質(zhì)3～5次時(shí)，部分顆粒偏光十字破壞，可見該階段對(duì)淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞作用，影響了顆粒內(nèi)部密度和微晶取向，導(dǎo)致雙折射特性消失[18]，但當(dāng)均質(zhì)7次時(shí)，破壞的偏光十字比例明顯減少，推斷部分晶體結(jié)構(gòu)雖破壞，但該處理使顆粒內(nèi)部可能發(fā)生了重結(jié)晶[18]。

圖3 均質(zhì)處理玉米淀粉顆粒偏光顯微圖(×400)

2.4 高壓均質(zhì)對(duì)淀粉顆粒粒徑分布的影響

淀粉粒徑大小直接影響糊化特性、透光率等理化性質(zhì)，是決定淀粉品質(zhì)的重要因素[19]。由圖4可知，均質(zhì)1次后粒徑減小，但均質(zhì)3～5次時(shí)粒徑測(cè)定值增大，推斷可能與原有顆粒結(jié)構(gòu)破壞，形狀變得不規(guī)則有關(guān)。均質(zhì)7次時(shí)，粒徑又減少，推斷可能是顆粒內(nèi)部空隙消失，形成完整球狀結(jié)構(gòu)所致。

圖4 均質(zhì)處理對(duì)玉米淀粉粒徑分布的影響

2.5 高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響

淀粉是一種天然多晶體系，X-射線衍射曲線呈現(xiàn)尖峰衍射特征和彌散衍射特征兩部分，其原因?yàn)榈矸塾山Y(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)組成[20]。采用X-衍射分析淀粉衍射峰的強(qiáng)度和大小，能反映其結(jié)晶區(qū)域的變化程度。

淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性順序?yàn)椋簾o定形區(qū)結(jié)構(gòu)最弱，其次是靠近無定形區(qū)的亞結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)，結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)最強(qiáng)；結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)決定了淀粉的構(gòu)型[21]。玉米淀粉在15.3°、17.1°、18.2°、23.5°有明顯的衍射峰，為典型的A型晶體結(jié)構(gòu)[22]。由圖5可知，與原淀粉相比，均質(zhì)處理后晶型未發(fā)生改變，但衍射峰強(qiáng)度減小，淀粉結(jié)晶度顯著下降，說明淀粉晶體晶格有序化程度降低[23]。均質(zhì)1次后，結(jié)晶度由原來的28.7%減小至23.2%，推斷該處理可能破壞了亞結(jié)晶結(jié)構(gòu)[21]；均質(zhì)5次后結(jié)晶度繼續(xù)下降至22.6%，結(jié)合圖3推斷，該階段機(jī)械力可能作用于亞結(jié)晶結(jié)構(gòu)與結(jié)晶結(jié)構(gòu)[21]；但當(dāng)均質(zhì)7次后，結(jié)晶度又有所增大(23.8%)，結(jié)合圖3猜測(cè)該階段處理發(fā)生了重結(jié)晶。

圖5 均質(zhì)處理玉米淀粉顆粒的X-射線衍射圖

2.6高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉水溶指數(shù)和膨脹度的影響

注：圖中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)平均值，不同大小寫字母均表示在0.05水平差異顯著，下同。圖6 均質(zhì)處理對(duì)玉米淀粉水溶指數(shù)和膨脹度的影響

水溶指數(shù)主要指溶解于水中的直鏈淀粉質(zhì)量占總淀粉質(zhì)量的百分比[19]，膨脹度反映了淀粉與水分子之間相互作用力的大小[7]。由圖6可知，水溶指數(shù)呈上升趨勢(shì)，且因直鏈淀粉主要存在于無定形區(qū)[20]，推斷其與無定形區(qū)破壞有關(guān)。均質(zhì)1次時(shí)，水溶指數(shù)增大至10.53%，可見該過程直鏈淀粉易于溶出，推測(cè)該處理對(duì)無定形區(qū)作用明顯。均質(zhì)處理3～5次時(shí)，淀粉水溶指數(shù)變化不顯著，但膨脹度顯著下降至9.63 g/g，推斷該現(xiàn)象與淀粉顆粒內(nèi)部產(chǎn)生聚集有關(guān)，當(dāng)均質(zhì)處理7次時(shí)，淀粉水溶指數(shù)顯著增大至12.30%，膨脹度上升至10.57 g/g，可見該階段無定形區(qū)發(fā)生了明顯變化，直鏈淀粉易膨脹溶出[7]。

2.7 高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉透光率的影響

透光率是淀粉糊所表現(xiàn)出的重要外在特征之一，直接關(guān)系到淀粉類產(chǎn)品的外觀和用途，進(jìn)而影響到產(chǎn)品的可接受性[24]。研究表明，透光率與淀粉的水溶指數(shù)呈正相關(guān)[20]，由此推測(cè)由于高壓均質(zhì)對(duì)無定形區(qū)產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致淀粉的水溶指數(shù)增大，所以淀粉透光率整體呈增大趨勢(shì)。當(dāng)均質(zhì)3～5次時(shí)，透光率下降，可能是因?yàn)榈矸垲w粒內(nèi)部發(fā)生了聚集。

圖7 均質(zhì)處理對(duì)玉米淀粉透光率的影響

2.8 高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉糊化特性的影響

RVA測(cè)定淀粉從吸水溶脹到顆粒結(jié)構(gòu)破壞，淀粉分子浸出的過程。淀粉吸水糊化后，膨脹的淀粉顆粒容易在熱或攪拌作用下崩解成更小的不規(guī)則顆粒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被稱為“ghost”結(jié)構(gòu)[25]。由圖8可知，經(jīng)高壓均質(zhì)處理1～5次后，由于無定形區(qū)穩(wěn)定性和膨脹度下降，導(dǎo)致峰值黏度呈下降趨勢(shì)[26]。此外淀粉聚集導(dǎo)致形成的“ghost”結(jié)構(gòu)體積較小，所以谷值黏度、終值黏度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。然而均質(zhì)7次時(shí)，由于無定形區(qū)破壞，淀粉膨脹度增加，所以峰值黏度上升，達(dá)到1 288 MPa·s；但谷值黏度和終值黏度下降，推斷該階段發(fā)生重結(jié)晶，導(dǎo)致淀粉顆粒形成的“ghost”結(jié)構(gòu)體積更小，從而使谷值黏度和終值黏度更低[25]。

圖8 均質(zhì)處理對(duì)玉米淀粉糊化特性的影響

2.9 高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉熱力學(xué)特性的影響

淀粉顆粒受熱吸水膨脹，分子間和分子內(nèi)氫鍵斷裂，淀粉分子擴(kuò)散，因此呈現(xiàn)吸熱峰。熱焓值為糊化過程解開雙螺旋所需的能量，熱焓值越大，表示淀粉顆粒結(jié)構(gòu)越緊密[27]。

由圖9可知，與原淀粉相比，均質(zhì)1～5次處理后，糊化溫度顯著降低，同時(shí)熱焓也明顯下降，表明在這兩個(gè)階段，部分雙螺旋結(jié)構(gòu)破壞，轉(zhuǎn)化為無定形區(qū)，分子間相互作用力減弱，使淀粉更易糊化[27-28]。而均質(zhì)處理7次時(shí)，由于顆粒內(nèi)部發(fā)生重結(jié)晶，形成新的雙螺旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致糊化溫度和焓變又有所升高[27]。

圖9 均質(zhì)處理對(duì)玉米淀粉糊化特性的影響

2.10 高壓均質(zhì)對(duì)玉米淀粉熱穩(wěn)定性的影響

由圖10a可看出，玉米淀粉TGA曲線主要有兩個(gè)失重階段，分別為60～150 ℃和280～350 ℃。在60～150 ℃階段質(zhì)量略有下降，這主要是揮發(fā)性組分及吸附水散失所致[29]；而280～350 ℃階段失重明顯，應(yīng)該與淀粉糖類有機(jī)物熱解逸散有關(guān)[30-31]。60～150 ℃階段，均質(zhì)處理5次時(shí)淀粉剩余百分率最低，推斷可能是該階段顆粒內(nèi)部亞結(jié)晶結(jié)構(gòu)與結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞后，無序化程度增加，吸附水易散失。260～390 ℃階段，與原淀粉相比，均質(zhì)處理后淀粉失重起始溫度升高，可見均質(zhì)處理后淀粉熱穩(wěn)定性增強(qiáng)；由圖10b可知，高壓均質(zhì)后淀粉失重速率逐漸增大。推斷均質(zhì)處理后，無定形區(qū)、亞結(jié)晶結(jié)構(gòu)及結(jié)晶結(jié)構(gòu)受到破壞，所以淀粉熱解速率增大[31]。

圖10 均質(zhì)處理玉米淀粉的TGA和DTG曲線圖

3 結(jié)論

高壓均質(zhì)處理破壞了玉米淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其理化性質(zhì)發(fā)生顯著變化。均質(zhì)1次時(shí)孔道結(jié)構(gòu)增大，無定形區(qū)破壞(受力階段)。均質(zhì)3～5次時(shí)，淀粉顆粒亞結(jié)晶區(qū)與結(jié)晶區(qū)破壞，顆粒內(nèi)部聚集成球體結(jié)構(gòu)(聚集階段)。均質(zhì)7次時(shí)顆粒內(nèi)部中央腔、孔道及球狀結(jié)構(gòu)減少，淀粉重結(jié)晶進(jìn)入團(tuán)聚階段。

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Mechanochemical Effects of High Pressure Homogenization on Corn Starch

Li Guixiao Niu Kai Hou Hanxue Zhang Hui Dai Yangyong Dong Haizhou Liu Chuanfu
(College of Food Science and Engineering,Shandong Agricultural University, Taian 271018)

Using corn starch as raw materials, the microstructure and physicochemical properties of modified starch were examined by scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), confocal laser scanning microscopy (CLSM), rapid visco analyser (RVA), differential scanning calorimetry(DSC), polarizing microscope (PLM). Further, he mechanochemical effects of high pressure homogenization on corn starch were revealed. The results showed that high pressure homogenization had significant mechanochemical effects on the amorphous and crystalline regions of starch granules, and aggregation and agglomeration effects occurred successively in starch granules.

corn starch, mechanochemical effects, physicochemical properties, structure

TS231

A

1003-0174(2017)09-0062-07

國家自然科學(xué)基金(31471619)，山東省自然科學(xué)基金(ZR2014JL020)

2016-07-13

李貴蕭，女，1991年出生，碩士，糧油加工

代養(yǎng)勇，男，1975年出生，副教授，糧油加工