王雨生，尚夢珊，陳海華,*

（1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109 ；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報編輯部，山東 青島 266109 ）

淀粉的韌化處理是指淀粉乳中水分過量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于65%）時，常壓下對淀粉進行低于糊化溫度、高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的熱處理方式[1]，是一種物理改性方法。Yoon等[2]研究了韌化處理對綠豆淀粉糊化性質(zhì)和凝膠性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，韌化處理后綠豆淀粉中直鏈淀粉含量、膨脹力和溶解度降低，而糊化溫度和凝膠硬度升高。Gomes[3]、Zhang Bao[4]、Jayakody[5]等分別研究韌化處理對木薯、葛根和山藥淀粉的影響時也得出類似的結(jié)論。Doblado-Maldonado等[6]發(fā)現(xiàn)韌化處理能夠提高玉米淀粉的初始糊化溫度、峰值糊化溫度和終止糊化溫度，減小糊化溫度范圍，而對糊化焓的影響較小。同時，也有研究報道韌化處理能夠提高或降低淀粉的糊化焓[7-8]。Dias等[9]指出，韌化處理能夠破壞大米淀粉顆粒的表面結(jié)構(gòu)，使具有不同直鏈淀粉含量的大米淀粉顆粒表面產(chǎn)生孔洞或者裂紋。同樣的結(jié)果在其他研究[10-11]中也有報道。Dias等[9]還指出，韌化處理能夠改變淀粉的結(jié)晶特性，減弱大米淀粉X射線衍射峰強度，降低其相對結(jié)晶度（relative crystallinity，RC）。而對于pinh?o淀粉[12]和大麥淀粉[13]，韌化處理后其RC顯著提高。由此可見，韌化處理對淀粉性質(zhì)的影響效果有所不同，其原因尚未完全探明，推測韌化條件可能是一個影響因素。

玉米淀粉具有較好的增稠性和穩(wěn)定性，因其廣泛易得、成本低廉而被廣泛應(yīng)用于食品、化工等各個領(lǐng)域。但天然玉米淀粉熱穩(wěn)定性和抗剪切能力差，容易老化，其應(yīng)用受到限制。對玉米淀粉進行改性是拓展其應(yīng)用的重要途徑，物理改性方法因安全可靠、綠色無污染等特點常被用于淀粉改性?，F(xiàn)階段常用的物理改性方法有濕熱處理和韌化處理，兩種處理方法均沒有引起淀粉的糊化和淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的破壞[14]。本課題組已有研究發(fā)現(xiàn)，通過高溫、低水分體積分?jǐn)?shù)的濕熱處理能夠降低玉米淀粉的黏度并提高其熱穩(wěn)定性，在一定程度上完善淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)[15]。不同于濕熱處理，韌化處理作為一種比較溫和的物理改性方式，在改善淀粉性質(zhì)方面的應(yīng)用還存在爭議[16]，其機理也需要進一步研究討論。韌化處理技術(shù)的發(fā)展將進一步推動淀粉在食品工業(yè)中的應(yīng)用[14]。

因此，本研究以普通玉米淀粉（normal corn starch，NCS）和蠟質(zhì)玉米淀粉（waxy corn starch, WCS）為原料，通過改變韌化溫度和韌化時間，探究不同條件韌化處理對來源相同、直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的兩種玉米淀粉物化性質(zhì)的影響，以期進一步探討和完善韌化處理的作用機理。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

NCS（直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.98%） 諸城興貿(mào)玉米有限公司；WCS（直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.05%） 山東華農(nóng)食品有限公司；其余試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Starchmaster型快速黏度分析（rapid visco analyze，RVA）儀 澳大利亞Newport公司；DSC1型差示掃描量熱儀、MS New Class分析天平 瑞士梅特勒-托利多公司；D8 ADVANCE X射線衍射儀 德國布魯克AXS有限公司；BK-POL偏光顯微鏡 重慶奧特光學(xué)有限公司；JSM-7500F掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社；DKZ系列電熱恒溫振蕩水槽 上海一恒科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 不同條件韌化處理

參考Wang Shujun等[17]的方法并稍作改動，對NCS和WCS進行韌化處理。NCS和WCS的初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.8%、11.6%。分別稱取一定質(zhì)量的NCS和WCS于具塞錐形瓶中，加入蒸餾水調(diào)至水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%。充分混勻后，將錐形瓶分別置于50、55 ℃水浴振蕩72 h和60 ℃水浴振蕩24、48、72 h，3 500 r/min離心10 min，取沉淀于室溫下晾干，研磨，過100 目篩，密封于自封袋中備用。

樣品命名：NCS-U、WCS-U分別為未經(jīng)韌化處理的NCS和WCS；NCS-50-72、WCS-50-72分別為NCS、WCS經(jīng)50 ℃韌化72 h；NCS-55-72、WCS-55-72分別為NCS、WCS經(jīng)55 ℃韌化72 h；NCS-60-24、WCS-60-24、NCS-60-48、WCS-60-48、NCS-60-72、WCS-60-72分別為NCS、WCS經(jīng)60 ℃韌化24、48、72 h。

1.3.2 糊化性質(zhì)的測定

參考Zhao Yang等[18]的方法，準(zhǔn)確稱取3 g干樣品于RVA儀鋁盒中，加蒸餾水配制淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.71%的淀粉乳，按照STD1程序進行測試，記錄糊化溫度、峰值黏度（peak viscosity，PV）、衰減值（breakdown value，BD）和回生值（setback value，SB），重復(fù)3 次取平均值。

1.3.3 熱特性的測定

參照Li Qianqian等[19]的方法，準(zhǔn)確稱取3 mg樣品于差示掃描量熱儀鋁坩堝中，加蒸餾水12 μL，壓蓋密封，室溫下平衡水分12 h。測試升溫區(qū)間為30～100 ℃，升溫速率為10 ℃/min。記錄初始糊化溫度（To）、峰值糊化溫度（Tp）、終止糊化溫度（Tc）和糊化焓（ΔH0），計算糊化溫度范圍（Tc-To）。重復(fù)3 次取平均值。

1.3.4 膨脹力的測定

參考Liu Hang等[20]的方法，準(zhǔn)確稱取干樣品0.8 g于離心管中，加蒸餾水配制淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉乳，置于90 ℃水浴鍋中振蕩培育30 min，3 500 r/min離心10 min，移除上清液，稱沉淀質(zhì)量。膨脹力為沉淀質(zhì)量與樣品干質(zhì)量的比值。

1.3.5 結(jié)晶特性的測定

參考Shang Mengshan[15]、Chen Haihua[21]等的方法對樣品進行X射線衍射掃描，計算RC。X射線衍射掃描條件：電壓40 kV，電流40 mA，以0.1（°）/s的速率從4°掃描至40°。

1.3.6 偏光十字現(xiàn)象觀察

配制淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉乳，取一滴滴在載玻片上，蓋上蓋玻片，置于偏光顯微鏡下觀察。放大倍數(shù)為400 倍。

1.3.7 掃描電子顯微鏡觀察

將樣品粉末涂于雙面碳膠上，進行噴金處理后置于掃描電子顯微鏡下觀察，電壓為4.0 kV，放大倍數(shù)為2 000 倍。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 17.0軟件中Duncan’s多重比較法進行多組樣本間差異顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著，采用Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 韌化條件對NCS和WCS膨脹力的影響

由圖1可以看出，不同條件的韌化處理顯著降低了NCS和WCS的膨脹力。與NCS-U、WCS-U相比，60 ℃下韌化72 h后，NCS和WCS的膨脹力分別降低了31.0%和39.5%。這與Liu Hang等[11]的研究結(jié)果相似。膨脹力的降低可能是因為韌化處理使淀粉顆粒重排，導(dǎo)致直鏈淀粉間、直鏈淀粉與支鏈淀粉間的相互作用力增強[22]。

由圖1可以看出，經(jīng)過相同時間（72 h）的韌化處理，韌化溫度越高，NCS和WCS的膨脹力降低得越顯著。60 ℃下韌化處理72 h使NCS和WCS的膨脹力均降至最低，分別為8.7 g/g和9.8 g/g。這表明韌化溫度接近糊化溫度時，韌化處理對膨脹力的影響更顯著。相同的韌化溫度下，延長韌化時間，NCS和WCS的膨脹力呈現(xiàn)略有減小的趨勢，變化均不顯著。這說明改變韌化時間對膨脹力的影響不明顯，韌化溫度則顯著影響韌化樣品的膨脹力。

2.2 韌化條件對NCS和WCS糊化性質(zhì)的影響

表1 NCS和WCS經(jīng)不同條件韌化處理前后的糊化參數(shù)Table 1 Pasting parameters of NCS and WCS before and after annealing

由表1可以看出，韌化溫度和韌化時間均影響NCS和WCS的糊化溫度，不同條件的韌化處理分別將NCS和WCS的糊化溫度提高了1～6 ℃和1～8 ℃。隨著韌化溫度的升高和韌化時間的延長，糊化溫度均呈升高趨勢。接近樣品糊化溫度的韌化溫度對淀粉糊化溫度的影響更明顯[23]。糊化溫度的升高表明韌化處理增強了NCS和WCS的熱穩(wěn)定性，從而抑制了糊化進程[11]。這與Lan等[24]韌化處理小麥淀粉所得結(jié)果一致。這可能是由于韌化處理在一定程度上增強了淀粉內(nèi)部分子間的作用力，從而使其需要更高的溫度才能糊化[3,25]。

經(jīng)不同條件的韌化處理后，NCS和WCS的PV分別降低40～85 RVU和13～116 RVU。50 ℃和55 ℃的韌化處理對樣品的PV影響相對較小，60 ℃的韌化處理則顯著降低了NCS和WCS的PV。這與韌化處理對糊化溫度的影響結(jié)果一致，韌化溫度越高，PV降低得越顯著。另外，延長韌化時間可以降低NCS和WCS的PV，在60 ℃下，NCS的韌化時間由24 h延長至48 h時PV降至最低，而WCS則在72 h時降至最低。Wang Shujun等[26]的研究也得出類似的結(jié)果。韌化處理后，NCS和WCS的PV降低，這可能是由膨脹力的降低及結(jié)晶區(qū)熔融溫度的升高引起的[4]，與膨脹力實驗及熱特性實驗結(jié)果相對應(yīng)。

韌化處理對NCS和WCS的BD和SB也有較大影響。與NCS-U和WCS-U相比，韌化后的BD和SB均降低。韌化溫度由50 ℃升高到55 ℃，NCS的BD和SB變化不顯著，但升至60 ℃時均顯著降低，說明較高溫度的韌化處理對NCS的BD和SB的影響更顯著。與WCS-U相比，50 ℃和55 ℃的韌化處理對WCS的SB影響不顯著，但可以顯著降低其BD；60 ℃的韌化處理則可以更顯著地降低WCS的BD和SB。以上分析表明，韌化溫度提高至60 ℃可以顯著抑制NCS和WCS的老化。另外，韌化溫度為60 ℃時，NCS和WCS的BD顯著降低，表明韌化處理可以增強其熱穩(wěn)定性和抗剪切能力，這可能是因為韌化處理增強了淀粉鏈間的相互作用力，抑制了淀粉顆粒的膨脹和直鏈淀粉分子的析出[3]。這與韌化處理降低WCS和NCS膨脹力的結(jié)果相對應(yīng)。

由表1可知，韌化溫度為60 ℃時，延長韌化時間并未顯著影響NCS和WCS的SB以及NCS的BD，但可以顯著降低WCS的BD。因此，延長韌化時間對抑制NCS和WCS的老化沒有顯著作用，但提高韌化溫度能夠顯著增強對NCS和WCS老化的抑制作用。

2.3 韌化條件對NCS和WCS熱特性的影響

由表2可以看出，與NCS-U、WCS-U相比，不同條件的韌化處理均顯著提高NCS和WCS的To、Tp和Tc。這與RVA實驗結(jié)果相符，可能是由于韌化處理使支鏈淀粉的螺旋結(jié)合力、支鏈淀粉與直鏈淀粉間相互作用增強[3]。與NCS-U相比，50、55、60 ℃韌化處理72 h后，To分別升高約2.7、5.3、8.5 ℃，Tp分別升高約2.4、4.3、6.7 ℃，Tc分別升高約1.2、2.8、4.6 ℃。由此可以看出，韌化處理對To影響最明顯。WCS經(jīng)韌化處理后也有類似的結(jié)果。這可能是由于To反映結(jié)晶區(qū)中最弱結(jié)構(gòu)的熔融溫度，更容易受到韌化處理的影響[27]；Tp的升高則說明韌化處理增大了NCS結(jié)晶區(qū)的厚度[28]。另外，不同條件的韌化處理均顯著減小了Tc-To。Jayakody等[5]指出，Tc-To反映結(jié)晶的穩(wěn)定性，Tc-To的降低表明韌化處理增強了結(jié)晶的穩(wěn)定性。這印證了RVA實驗的結(jié)果。

由表2還可以看出，韌化處理相同時間（72 h）時，韌化溫度越高，NCS和WCS的To、Tp、Tc升高得越顯著；隨著韌化溫度的升高，Tc-To逐漸降低；韌化溫度為60 ℃時，NCS和WCS的To、Tp、Tc均達到最大值，Tc-To降至最低。這進一步表明較高的韌化溫度更有利于增強晶體熔融、淀粉粒的溶脹和水合作用之間的一致性和協(xié)同性[23]。

根據(jù)表2可知，50 ℃和55 ℃的韌化處理對NCS和WCS的ΔH0影響不顯著，與NCS-U和WCS-U相比，韌化后ΔH0僅略有改變；但韌化溫度升高至60 ℃時，NCS和WCS的ΔH0均顯著降低。這可能是由于60 ℃更接近NCS和WCS的糊化溫度，此溫度下的韌化處理更有利于淀粉顆粒的溶脹和結(jié)晶區(qū)的部分熔融，從而導(dǎo)致ΔH0降低，這與Shi Yongcheng[8]的研究結(jié)果一致。Cooke等[29]認(rèn)為糊化焓的降低不是因為結(jié)晶區(qū)的熔融，而可能是由于韌化溫度接近糊化溫度，導(dǎo)致部分雙螺旋結(jié)構(gòu)打開或消失。50 ℃和55 ℃條件下NCS的ΔH0略有升高，很可能是由于較低溫度的韌化處理使NCS雙螺旋結(jié)構(gòu)數(shù)量增多所致。另外，結(jié)晶完整度的提高、直鏈淀粉之間或直鏈淀粉與支鏈淀粉之間相互作用的增強、直鏈淀粉與脂質(zhì)復(fù)合物的形成、有序結(jié)晶區(qū)的形成也可能提高糊化焓[20]。

在相同的韌化溫度（60 ℃）下，韌化時間由24 h延長至48 h時，NCS的To、Tp、Tc均顯著升高；韌化處理由48 h延長至72 h時，To、Tp、Tc增幅明顯減小，ΔH0則隨著韌化時間的延長呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。對于WCS，隨著韌化時間的延長，To、Tp、Tc略有增加，ΔH0略有降低，但變化均不顯著。NCS和WCS的ΔH0隨韌化時間的延長呈現(xiàn)不同的變化趨勢，可能是因為NCS中含有較多的直鏈淀粉，而WCS主要為支鏈淀粉，不存在使ΔH0升高的條件。

2.4 不同條件的韌化處理對NCS和WCS結(jié)晶特性的影響

圖2 NCS（A）和WCS（B）經(jīng)不同條件韌化處理前后X射線衍射圖譜Fig. 2 X-Ray diffraction patterns of NCS (A) and WCS (B) before and after annealing

表2 NCS和WCS經(jīng)不同條件韌化處理前后的凝膠化參數(shù)Table 2 Gelatinization parameters of NCS and WCS before and after annealing

X射線衍射圖譜反映的是淀粉的長程有序結(jié)構(gòu)，淀粉的結(jié)晶度與支鏈淀粉鏈長分布、結(jié)晶區(qū)的雙螺旋取向、支鏈淀粉中短鏈的比例以及結(jié)晶的大小有關(guān)[30]。從圖2可以看出，NCS和WCS經(jīng)韌化處理前后衍射圖譜在2θ為15°和23°處有兩個單衍射峰，在17°和18°處有一個相連雙峰，這是A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征，說明不同條件的韌化處理前后NCS和WCS的結(jié)晶結(jié)構(gòu)均屬于A型，韌化處理并沒有改變NCS和WCS的結(jié)晶結(jié)構(gòu)類型。從RC分析結(jié)果可以看出，不同條件的韌化處理對NCS和WCS的RC影響不同。與NCS-U相比，50 ℃和55 ℃對NCS韌化處理72 h時RC略有升高，但變化不明顯；韌化溫度升高至60 ℃時RC明顯下降。這與Pinto等[12]的研究結(jié)果一致。與WCS-U相比，50 ℃和55 ℃下對WCS韌化處理72 h時RC略有降低，韌化溫度升高至60 ℃時RC明顯下降。韌化溫度對NCS和WCS RC的影響與韌化溫度對ΔH0的影響趨勢一致。另外，在相同的溫度（60 ℃）下，隨著韌化時間的延長，NCS的RC略有變化，WCS的RC則呈現(xiàn)較明顯的下降。RC的降低可能是由于較高的韌化溫度使淀粉顆粒中的結(jié)晶發(fā)生了重新取向[26]。本研究中60 ℃韌化處理使NCS和WCS的RC和膨脹力均降低，這是因為韌化處理對NCS和WCS糊化性質(zhì)（黏度和膨脹力）的影響主要發(fā)生在半結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)[31]。

2.5 不同條件的韌化處理對NCS和WCS偏光十字和微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖3 NCS經(jīng)不同條件韌化處理前后的偏光顯微鏡觀察結(jié)果（×400）Fig. 3 Polarizing micrographs of NCS before and after annealing (× 400)

在偏光顯微鏡下，原淀粉能夠表現(xiàn)出球晶結(jié)構(gòu)所具有的雙折射現(xiàn)象，呈現(xiàn)偏光十字，偏光十字的變化一定程度上可以反映淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化以及由支鏈淀粉鏈的雙螺旋形成結(jié)晶的徑向取向[32-33]。從圖3、4可以看出，經(jīng)不同條件的韌化處理后，NCS和WCS在偏光顯微鏡下呈現(xiàn)的偏光十字沒有明顯變化，這進一步說明韌化處理沒有改變NCS和WCS的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，韌化處理主要影響淀粉顆粒的半結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)，這與X射線衍射實驗的結(jié)果一致。

圖4 WCS經(jīng)不同條件韌化處理前后的偏光顯微鏡觀察結(jié)果（×400）Fig. 4 Polarizing micrographs of WCS before and after annealing (× 400)

圖5 NCS經(jīng)不同條件韌化處理前后掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果（×2 000）Fig. 5 Scanning electron micrographs of NCS granules before and after annealing (× 2 000)

圖6 WCS經(jīng)不同條件韌化處理前后掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果（×2 000）Fig. 6 Scanning electron micrographs of WCS granules before and after annealing (× 2 000)

由圖5、6可以看出，未經(jīng)韌化處理的NCS-U淀粉顆粒呈現(xiàn)球形或不規(guī)則的多面形，顆粒體積較小；WCS-U顆粒則為棱角清晰的不規(guī)則多面形。兩者表面均較平整、光滑，較大的顆粒表面存在少許凹陷和皺紋。經(jīng)不同條件的韌化處理后，NCS和WCS依然保持球形或不規(guī)則多面形，這與Wang Shujun等[26]的研究結(jié)果一致。

由圖5可知，經(jīng)50 ℃韌化處理72 h后，NCS顆粒表面出現(xiàn)一些孔洞和凹陷，且孔洞主要分布于球形顆粒表面，凹陷主要分布于多面形顆粒表面。經(jīng)55 ℃韌化處理72 h后，NCS顆粒表面的孔洞明顯增多、增大。Rocha等[7]指出，韌化淀粉顆粒表面的孔洞增多可能是由內(nèi)源酶的水解作用造成的。經(jīng)60 ℃韌化處理后，NCS部分顆粒發(fā)生了形變，甚至出現(xiàn)了坍塌、破裂，部分球形顆粒中產(chǎn)生了空腔，表面產(chǎn)生較大的孔洞。這與Zhang Bao等[4]的研究結(jié)果一致。Liu Hang等[20]指出，直鏈淀粉和支鏈淀粉在熱作用下發(fā)生重組作用，使淀粉顆粒中間形成了更加緊實的無定形區(qū)，從而導(dǎo)致其顆粒表面出現(xiàn)空腔和小的孔洞。

由圖6可以看出，經(jīng)50、55 ℃韌化處理72 h后，WCS大部分淀粉顆粒表面依然光滑平整，并沒有出現(xiàn)孔洞和凹陷，與NCS的觀察結(jié)果不同。經(jīng)過60 ℃韌化處理后，WCS顆粒出現(xiàn)破裂、空腔，部分顆粒表面存在較大的孔洞，這與NCS的觀察結(jié)果一致。以上結(jié)果表明，不同的韌化處理條件對NCS和WCS顆粒形貌的影響不完全相同，其中，韌化溫度對樣品顆粒形貌的影響更大，而韌化時間的影響略小。

3 結(jié) 論

韌化處理可以增強NCS和WCS的熱穩(wěn)定性和抗剪切力，顯著降低NCS和WCS的膨脹力，抑制其糊化和老化，使其糊化溫度顯著升高、PV降低；增強NCS和WCS結(jié)晶穩(wěn)定性，使其To顯著升高、Tc-To降低。但韌化處理沒有改變NCS和WCS的結(jié)晶類型，其顆粒仍具有雙折射現(xiàn)象，呈現(xiàn)明顯的偏光十字，說明韌化處理對淀粉的影響主要發(fā)生在顆粒的無定形區(qū)；一定條件的韌化處理能在NCS和WCS表面形成凹陷和孔洞。

提高韌化溫度至60 ℃（接近糊化溫度）可以更顯著地抑制NCS和WCS的糊化和老化，增強結(jié)晶穩(wěn)定性，顯著降低NCS和WCS的ΔH0和RC，使其膨脹力降至最低。50 ℃和55 ℃下的韌化處理在NCS的表面形成部分孔洞，但對WCS基本沒有影響。60 ℃的韌化處理會顯著破壞NCS和WCS的顆粒形貌，形成明顯的凹陷和孔洞。

延長韌化處理時間使NCS和WCS的糊化溫度升高，NCS的RC略有升高，而WCS的RC有較明顯的下降。延長韌化處理時間對NCS和WCS的老化、ΔH0、膨脹力、顆粒形貌的影響不明顯。