豁銀強(qiáng)，王 堯，陳江平，劉松繼，劉傳菊，聶榮祖，湯尚文,*

（1.湖北文理學(xué)院食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院·化學(xué)工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053；2.湖北省食品配料工程技術(shù)研究中心，湖北 襄陽(yáng) 441053）

大米是世界上一半以上人口的主食，我國(guó)是世界上最大的大米生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，年產(chǎn)大米約2億 t[1]。淀粉是大米的主要組分，約占精白米干物質(zhì)的90%[2]。大米淀粉具有顆粒小、清淡無(wú)味、易消化、消費(fèi)者易接受等獨(dú)特的特性，廣泛應(yīng)用于食品及非食品領(lǐng)域[3-4]。但是，由于存在易老化、黏度大、凍融穩(wěn)定性差等缺陷，天然大米淀粉不能滿(mǎn)足一些特定產(chǎn)品加工的需要[5]。為了改善淀粉的物化特性、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，人們通常利用物理、化學(xué)及生物方法對(duì)淀粉進(jìn)行改性。相對(duì)于酶法或化學(xué)方法改性，物理改性是一種安全的改性方式，其因不會(huì)引入化學(xué)試劑或生物試劑而受到人們?cè)絹?lái)越多的重視[6]。

球磨是一種物理修飾途徑，其利用摩擦、沖擊、剪切等聯(lián)合作用改變淀粉的結(jié)構(gòu)和物化特性[7]。相對(duì)其他淀粉改性方法，球磨處理具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型淀粉改性方法。據(jù)報(bào)道，球磨處理能夠顯著降低淀粉的結(jié)晶度、提高淀粉的溶解度和消化率[8]。學(xué)者們研究了球磨處理對(duì)玉米[8]、馬鈴薯[7]、木薯[9]、大米[10]等來(lái)源淀粉結(jié)構(gòu)和物化特性的影響。這些研究結(jié)果表明，球磨處理對(duì)淀粉顆粒形貌及大小分布、相對(duì)結(jié)晶度、分子質(zhì)量大小、直鏈/支鏈淀粉比及淀粉溶解性等結(jié)構(gòu)和物化特性均產(chǎn)生不同程度的影響。球磨分為高能球磨和低能球磨兩大類(lèi)，目前報(bào)道的研究主要利用低能球磨來(lái)增加比表面積、降低淀粉的結(jié)晶度及顆粒的尺寸大小[11]。高能球磨主要利用金屬或瑪瑙小球進(jìn)行研磨，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)給研磨介質(zhì)施加較高的能量，進(jìn)而能夠在較短的時(shí)間內(nèi)使處理物料微細(xì)化[12]。高能球磨主要應(yīng)用于化學(xué)和材料領(lǐng)域來(lái)活化底物或促進(jìn)反應(yīng)[13]，少量研究將其應(yīng)用于食品的加工及預(yù)處理[14-15]。高能球磨處理能降低不溶性膳食纖維粒徑尺寸、破壞不溶性膳食纖維內(nèi)部的氫鍵及結(jié)晶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增加膳食纖維的溶解度和表觀黏度[16]。目前有關(guān)高能球磨對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)和特性的影響還鮮有報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)主要研究高能球磨對(duì)大米淀粉物化特性的影響規(guī)律，并從淀粉結(jié)構(gòu)角度分析闡述其對(duì)淀粉特性影響的機(jī)理，以期開(kāi)發(fā)具有新型結(jié)構(gòu)和特性的改性淀粉產(chǎn)品，擴(kuò)大大米淀粉的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

早秈稻大米（2018年收獲）購(gòu)于南漳縣泉水堰米業(yè)有限責(zé)任公司。

KBr（光譜純） 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；NaOH、鹽酸（均為分析純） 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Emax高能球磨儀 德國(guó)Retsch有限責(zé)任公司；TDL-5-A臺(tái)式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；TechMaster快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA）瑞典Perten公司；Q20差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀 美國(guó)TA儀器公司；S-4800掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司；DM2700P偏光顯微鏡 德國(guó)Leica公司；UltraSan PRO色度儀 美國(guó)HunterLab公司；Mastersizer 3000激光粒度儀 英國(guó)Malvern公司；D8 Advance X射線(xiàn)衍射（X-ray diffraction，XRD）儀 德國(guó)Bruker公司；Nexus470傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR）儀 美國(guó)Thermo Nicolet公司。

1.3 方法

1.3.1 大米淀粉的制備

使用堿法制備大米淀粉：將500 g大米置于小塑料桶內(nèi)，加入1 L蒸餾水，室溫浸泡12 h，將蒸餾水瀝出，加入1 L 0.2g/100 mL的NaOH溶液，用膠體磨粉碎10 min。懸漿于室溫下電動(dòng)攪拌2 h，室溫下3 200×g離心10 min，去除上清液。向淀粉沉淀中重新加入1 L 0.2 g/100 mL的NaOH溶液，按上述方式攪拌離心后得淀粉沉淀。向淀粉沉淀中加入1 L蒸餾水，用玻璃棒攪拌分散均勻，用0.1 mol/L的HCl溶液調(diào)pH值至中性，離心。離心所得淀粉沉淀經(jīng)水洗、離心3 次。淀粉沉淀均勻鋪在托盤(pán)上，置于45 ℃烘箱中烘10 h（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%左右）。淀粉塊經(jīng)粉碎后過(guò)80 目篩，用密封袋密封后置于干燥器中室溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 大米淀粉的球磨處理

精確稱(chēng)取5.00 g大米淀粉置于球磨罐中，加入150 g鋼珠和50 mL蒸餾水。球磨溫度控制在20～45 ℃，轉(zhuǎn)速為500 r/min，球磨時(shí)間分別設(shè)置為5、10、30、60、90、120 min。球磨完畢后，取部分樣品進(jìn)行粒徑測(cè)定和偏光觀察，其余樣品于室溫下3 200×g離心15 min，所得淀粉沉淀平鋪于不銹鋼托盤(pán)中，于45 ℃烘箱中干燥10 h（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%左右）。干淀粉塊經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后過(guò)80目篩，所有樣品均用密封袋密封后置于干燥器中室溫保存?zhèn)溆?。以未?jīng)球磨處理淀粉作為對(duì)照。

1.3.3 大米淀粉糊化特性分析

利用RVA分析淀粉樣品的糊化特性。根據(jù)AACCI（61-02.01）方法稍作修改，精確稱(chēng)量淀粉3 g（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%），置于裝有蒸餾水的鋁盒內(nèi)，加入蒸餾水至總質(zhì)量28 g，用旋轉(zhuǎn)漿上下混勻幾次，置于RVA上進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試程序?yàn)椋?0 ℃保持90 s，0.2 ℃/s勻速升溫，在95 ℃保持150 s，然后以0.2 ℃/s勻速降溫，50 ℃保持90 s。測(cè)試前10 s轉(zhuǎn)速為960 r/min，然后維持在160 r/min。利用RVA自帶分析軟件得到峰值黏度、谷值黏度、崩解值、回生值、最終黏度、峰值時(shí)間、糊化溫度等參數(shù)。

1.3.4 大米淀粉熱特性分析

精確稱(chēng)取含干質(zhì)量5 mg左右的淀粉樣品于DSC儀專(zhuān)用鋁盒中，用移液器添加2 倍質(zhì)量的蒸餾水，密封，置于冰箱內(nèi)4 ℃過(guò)夜使其完全水化。以空鋁盒為參照，進(jìn)行DSC測(cè)試。保護(hù)氣為氮?dú)?，吹掃氣?0 mL/min，升溫速率5 ℃/min，溫度掃描范圍為30～100 ℃。

1.3.5 大米淀粉的粒徑分析

對(duì)照樣品用研缽粉碎后過(guò)100 目篩，將適量淀粉樣品分散于蒸餾水中，測(cè)前超聲處理10 min使淀粉分散均勻。球磨處理樣品在球磨結(jié)束后立即進(jìn)行粒徑分析。根據(jù)儀器操作說(shuō)明進(jìn)行粒徑分析測(cè)定，得到D10/μm、D50/μm及D90/μm，通過(guò)下式計(jì)算粒徑分布跨度（span）。

式中：D10/μm和D90/μm分別代表小于等于該粒徑的顆粒體積占樣品總體積的10%和90%；D50/μm為中位粒徑，即有50%的顆粒粒徑低于此值。

1.3.6 大米淀粉的微觀結(jié)構(gòu)觀察

取適量樣品均勻分散在雙面膠上，然后粘附于載物架上，用離子濺射儀噴金，置于掃描電子顯微鏡下觀察大米淀粉的表觀形貌。

1.3.7 大米淀粉的偏光特性分析

用蒸餾水分散均勻粉碎過(guò)100 目篩的對(duì)照樣品，球磨處理樣品球磨結(jié)束后直接進(jìn)行偏光觀察。取適量樣品涂抹在載玻片上，蓋上蓋玻片，置于偏光顯微鏡下觀察，調(diào)整并固定光源，選擇合適的放大倍數(shù)，得到偏光顯微圖。

1.3.8 大米淀粉的XRD圖譜測(cè)定

利用XRD儀分析樣品的結(jié)晶特征。操作電壓40 kV，電流30 mA，以Cu作為靶。分別取不同球磨時(shí)間及對(duì)照樣品大米淀粉少許置于樣品架上，掃描速率10°/min，收集衍射角2θ在5°～45°范圍的衍射數(shù)據(jù)，得到XRD圖譜。

1.3.9 大米淀粉的FTIR光譜測(cè)定

分別取適量大米淀粉樣品于瑪瑙研缽中，將樣品與溴化鉀按質(zhì)量比1∶100混合，在紅外燈下研磨15 min，使溴化鉀與淀粉樣品混合均勻后壓片。將壓片置于FTIR儀中進(jìn)行測(cè)定，以空氣為參比背景，光譜掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1，掃描64 次。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有指標(biāo)均做3 次以上獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)。利用Excel 2010軟件處理整理數(shù)據(jù)，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用SAS 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析以比較數(shù)據(jù)間的顯著性差異，P＜0.05表示差異顯著。利用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 球磨對(duì)大米淀粉糊化特性的影響

圖1 球磨對(duì)大米淀粉糊化曲線(xiàn)的影響Fig. 1 Effect of ball milling on pasting properties of rice starch

由圖1可見(jiàn)，所有樣品的RVA曲線(xiàn)總體變化趨勢(shì)相似，升溫初期，所有樣品的黏度接近零且變化不明顯，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，淀粉顆粒無(wú)定形區(qū)受熱開(kāi)始膨脹，引起淀粉乳黏度增加。隨著溫度進(jìn)一步升高，淀粉顆粒結(jié)晶區(qū)開(kāi)始吸水溶脹，直鏈淀粉分子從淀粉顆粒滲入到水中形成膠體溶液，引起體系的黏度迅速增加。當(dāng)?shù)矸垲w粒膨脹與剪切力達(dá)到平衡時(shí)，體系黏度達(dá)到峰值。在最高溫度保持一段時(shí)間，過(guò)度膨脹的淀粉顆粒崩解，體系黏度又降低。隨著溫度不斷下降，淀粉分子熱運(yùn)動(dòng)減弱，淀粉分子局部區(qū)域發(fā)生聚集形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，流動(dòng)阻力增大，表現(xiàn)為黏度又上升[17-18]。從圖1也可以清楚地看出球磨對(duì)大米淀粉RVA曲線(xiàn)產(chǎn)生了明顯的影響。

表1 球磨對(duì)大米淀粉糊化特性參數(shù)的影響Table 1 Effect of ball milling on pasting parameters of rice starch

表1為球磨處理及對(duì)照組大米淀粉糊化的特征參數(shù)。球磨5～30 min范圍內(nèi)，隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)，大米淀粉與糊化相關(guān)的黏度參數(shù)（峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回生值和糊化溫度）均呈急劇下降的趨勢(shì)，球磨30 min，這些參數(shù)分別從6.80、3.75、3.06、5.35、1.61 Pa·s和81.00 ℃降低至2.33、0.49、1.84、1.06、0.57 Pa·s和68.07 ℃，進(jìn)一步延長(zhǎng)球磨時(shí)間至60 min，相關(guān)參數(shù)的變化不顯著。球磨5 min和10 min對(duì)大米淀粉糊化峰值時(shí)間影響不顯著，與球磨20 min相比，球磨30 min的樣品糊化峰值時(shí)間顯著縮短，超過(guò)30 min以后，樣品的糊化峰值時(shí)間趨于穩(wěn)定。球磨時(shí)間低于30 min時(shí)，大米淀粉的糊化溫度隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)而降低，超過(guò)30 min后，糊化溫度的變化不顯著。

球磨處理引起大米淀粉糊化相關(guān)特征參數(shù)均降低，其可能是由于球磨處理破壞了淀粉顆粒結(jié)構(gòu)和結(jié)晶區(qū)，受損的淀粉顆粒在充分水分存在條件下受熱膨脹時(shí)更容易崩解，淀粉顆粒在相應(yīng)溫度下膨脹后的有效體積減小，進(jìn)而表現(xiàn)出特征黏度降低。球磨處理引起大米淀粉的回生值降低，表明球磨處理能夠一定程度上減小糊化淀粉老化回生的傾向。球磨處理引起糊化溫度降低，其可能是球磨破壞了淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)，水分子更容易進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部與淀粉分子發(fā)生氫鍵作用，進(jìn)而引起大米淀粉顆粒在較低的溫度下發(fā)生膨脹及直鏈淀粉滲出。

2.2 球磨對(duì)大米淀粉熱特性的影響

圖2 球磨對(duì)大米淀粉DSC曲線(xiàn)的影響Fig. 2 Effect of ball milling on thermal properties of rice starch

天然淀粉顆粒是一種多晶體系，以束狀形式存在的支鏈淀粉側(cè)鏈構(gòu)成淀粉顆粒結(jié)晶區(qū)，分支點(diǎn)及直鏈淀粉主要位于顆粒的無(wú)定形區(qū)。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，分散于熱水中的淀粉顆粒無(wú)定形區(qū)首先吸水膨脹，隨著溫度進(jìn)一步升高，淀粉顆粒晶束解體，該過(guò)程伴隨著能量變化，在DSC圖譜上呈現(xiàn)出吸熱峰。如圖2所示，對(duì)照組大米淀粉樣品出現(xiàn)兩個(gè)明顯的吸熱峰，5 min處理組樣品也表現(xiàn)出兩個(gè)吸熱峰，但峰的強(qiáng)度明顯減弱，球磨10 min樣品的吸熱峰極不明顯，球磨20 min以上樣品的吸熱峰均消失，表明隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)，淀粉的熱焓值逐漸減小。小麥、馬鈴薯、玉米等不同植物來(lái)源的淀粉顆粒在一定條件下加熱均會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)吸熱峰[19]，通常將其命名為峰G和峰M1。在含水量有限的體系中，峰G和峰M1可能分別是由淀粉晶體凝膠化和熔融吸熱產(chǎn)生的[20]；在水分充分的體系中，峰G和峰M1可能分別與淀粉晶體吸水溶脹和分散溶解有關(guān)[21-22]。

隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)，大米淀粉的峰G和峰M1均逐漸減弱，并最終消失，表明球磨對(duì)淀粉的結(jié)晶區(qū)產(chǎn)生了顯著的破壞作用，進(jìn)而引起相關(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)生相轉(zhuǎn)變的吸熱信號(hào)減弱或消失。隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)，大米淀粉結(jié)晶區(qū)的有序結(jié)構(gòu)被破壞，殘留的少量有序結(jié)構(gòu)不能呈現(xiàn)出明顯的相轉(zhuǎn)變信號(hào)，因此，球磨30 min以上樣品的DSC圖譜中并未出現(xiàn)可見(jiàn)的峰。部分研究報(bào)道了類(lèi)似的結(jié)果，由于破壞了淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)及有序排列的雙螺旋結(jié)構(gòu)，球磨處理降低了山藥豆和木薯淀粉的熱焓值[23]，隨著球磨強(qiáng)度增加，高粱粉的熱焓值也不斷降低[24]。

2.3 球磨對(duì)大米淀粉顆粒大小的影響

圖3 球磨對(duì)大米淀粉顆粒大小的影響Fig. 3 Effect of ball milling on particle size distribution of rice starch

圖3 為不同球磨時(shí)間和對(duì)照組大米淀粉顆粒的粒徑分布圖。所有樣品均表現(xiàn)出單峰分布模式，峰均出現(xiàn)在粒徑10 μm以下，球磨處理導(dǎo)致淀粉顆粒峰值向大粒徑方向偏移。

表2 球磨對(duì)大米淀粉顆粒大小的影響Table 2 Effect of ball milling on granule size of rice starch

D10、D50、D90和span表征大米淀粉粒徑大小分布特征的參數(shù)如表2所示。球磨處理引起大米淀粉的D10、D50和D90均顯著增加，且增加幅度隨球磨時(shí)間延長(zhǎng)而加大，相對(duì)于對(duì)照樣品來(lái)說(shuō)，球磨5 min樣品的D10、D50和D90分別增加了0.29、0.28 倍和0.31 倍，而球磨60 min樣品的D10、D50和D90分別增加了0.53、0.45 倍和0.45 倍。隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)，span呈逐漸減小的趨勢(shì)，表明球磨處理使大米淀粉的粒徑大小更均一。

有研究表明，低能球磨通常引起淀粉粒徑減小[7,25]，其與本研究結(jié)果不一致。產(chǎn)生這種差異的可能原因是，低能球磨通常是干法處理，而本研究的高能球磨是在水介質(zhì)中進(jìn)行的。濕法球磨引起淀粉顆粒結(jié)晶區(qū)部分破壞，進(jìn)而引起水分子更多地滲入淀粉顆粒內(nèi)部與淀粉分子通過(guò)氫鍵結(jié)合，引起淀粉顆粒發(fā)生不可逆溶脹，表現(xiàn)為短時(shí)間球磨處理的淀粉顆粒粒徑略有增加。隨著球磨時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，淀粉顆粒崩解為片狀結(jié)構(gòu)，其在水溶液中光散射的有效粒徑比原淀粉顆粒大，也可能崩解形成的淀粉顆粒殘片相互聚集形成了粒徑較大的聚集體，進(jìn)而表現(xiàn)為隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)，樣品的粒徑不斷增大。干法介質(zhì)中球磨處理，淀粉分子不會(huì)發(fā)生吸水溶脹及黏連聚集，進(jìn)而表現(xiàn)為淀粉粒徑隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小。

2.4 球磨對(duì)大米淀粉顆粒形貌的影響

圖4 球磨不同時(shí)間下的大米淀粉掃描電子顯微鏡圖像Fig. 4 Effect of ball milling on scanning electron microscopic image of rice starch

圖4為球磨不同時(shí)間及對(duì)照組大米淀粉的掃描電子顯微鏡圖。對(duì)照組大米淀粉顆粒的棱角分明、表面光滑，為典型的多面體，該結(jié)果與大多大米淀粉表觀形貌的研究結(jié)果[26]一致。球磨5 min大米淀粉仍保留著完整的顆粒結(jié)構(gòu)，但部分顆粒的棱角變得模糊，且淀粉顆粒的大小略有增加，可能是球磨導(dǎo)致淀粉顆粒發(fā)生了輕微的不可逆吸水膨脹。球磨10 min樣品的棱角變得模糊，部分淀粉顆粒崩解。球磨20 min以上樣品出現(xiàn)較多的破損淀粉顆粒片段，且部分片段聚集在一起。表明球磨處理引起淀粉顆粒發(fā)生崩解，溶脹的淀粉顆粒片段相互黏連在一起而聚集成具有較多孔隙的不規(guī)則團(tuán)塊。

2.5 球磨對(duì)大米淀粉結(jié)晶特性的影響

圖5 球磨對(duì)大米淀粉XRD圖譜的影響Fig. 5 Effect of ball milling on XRD pattern of rice starch

大米淀粉主要以淀粉顆粒的形式存在，淀粉顆粒由結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)組成的一種半結(jié)晶體系。結(jié)晶結(jié)構(gòu)和非結(jié)晶結(jié)構(gòu)在XRD圖譜上表現(xiàn)為不同的衍射特征，非結(jié)晶區(qū)表現(xiàn)為彌散特征，結(jié)晶區(qū)呈現(xiàn)為尖峰特征[27]。根據(jù)支鏈淀粉側(cè)鏈組成雙螺旋結(jié)構(gòu)的不同，淀粉可以分為A、B和C 3 種晶體類(lèi)型[28]。圖5為不同球磨時(shí)間處理及對(duì)照組大米淀粉的X射線(xiàn)衍射圖譜。對(duì)照組大米淀粉的X射線(xiàn)衍射圖在2θ為15°、17°、18°、20°、23°處分別出現(xiàn)5 個(gè)明顯的衍射峰，且在17°和18°附近為相連的衍射雙峰，表明大米淀粉是A型晶體結(jié)構(gòu)，衍射角在20°附近出現(xiàn)一個(gè)微弱的小峰，表明淀粉中含有與脂質(zhì)結(jié)合的V型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，該結(jié)果與大多研究的結(jié)果[29-30]相同。短時(shí)間球磨樣品的X射線(xiàn)衍射圖譜與對(duì)照樣品相似，但其相應(yīng)峰的強(qiáng)度明顯減弱，當(dāng)球磨時(shí)間超過(guò)30 min時(shí)，淀粉樣品的衍射峰基本完全消失，表明短時(shí)間球磨處理對(duì)淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)破壞比較明顯，隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)，淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)被完全破壞，該結(jié)果與低能球磨處理淀粉的結(jié)果[7,25]類(lèi)似，但對(duì)淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞的更為嚴(yán)重。

利用Peakfit軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析結(jié)果表明，對(duì)照樣品的結(jié)晶度達(dá)到33.09%，球磨5 min樣品的結(jié)晶度急劇降低至27%，球磨10 min樣品的衍射峰變得極為微弱，當(dāng)球磨時(shí)間延長(zhǎng)到30 min以上時(shí)，淀粉的結(jié)晶峰基本完全消失，表明淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)基本被完全破壞。

2.6 球磨對(duì)大米淀粉偏光特性的影響

圖6為不同球磨時(shí)間及對(duì)照組大米淀粉的偏光顯微鏡圖。對(duì)照組大米淀粉呈微小的顆粒狀結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒的偏光十字非常清晰，表明對(duì)照樣品具有良好的顆粒結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)。相比對(duì)照樣品，球磨5 min和10 min樣品的顆粒結(jié)構(gòu)和偏光特征變化不明顯，說(shuō)明10 min以?xún)?nèi)球磨處理對(duì)大米淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞相對(duì)較小。球磨20 min樣品沒(méi)有明顯的淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，且偏光十字明顯減少，表明大部分淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞。球磨30 min以上樣品沒(méi)有呈現(xiàn)出規(guī)則的顆粒結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有完美的偏光十字出現(xiàn)，僅有少量的顆粒呈現(xiàn)為微弱的亮點(diǎn)，表明大米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)受到了嚴(yán)重的破壞，該結(jié)果與XRD結(jié)果相符合。

圖6 球磨對(duì)大米淀粉偏光特性的影響Fig. 6 Effect of ball milling on polarized image of rice starch

2.7 球磨對(duì)大米淀粉FTIR的影響

圖7 球磨對(duì)大米淀粉FTIR的影響Fig. 7 Effect of ball milling on Fourier transform infrared spectrum of rice starch

圖7 為不同時(shí)間球磨及對(duì)照組大米淀粉的FTIR圖。對(duì)照和球磨處理大米淀粉FTIR圖總體特征相似。所有樣品在波數(shù)2 800～3 000 cm-1區(qū)間有一個(gè)明顯的吸收峰，其為—C—H的伸縮振動(dòng)峰[31]；在波數(shù)1 600～1 700 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)尖銳的吸收峰，其為分子內(nèi)氫鍵的伸縮振動(dòng)峰；在波數(shù)990～1 030 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)脫水葡萄糖殘基C＝O振動(dòng)的典型峰[32]。球磨后的大米淀粉FTIR圖中沒(méi)有新的特征峰出現(xiàn)，說(shuō)明球磨處理沒(méi)有引起大米淀粉產(chǎn)生新的基團(tuán)，即球磨處理并沒(méi)有引起大米淀粉發(fā)生顯著的化學(xué)變化，大米淀粉特性的改變主要是球磨改變了淀粉的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象引起的。

表3 球磨對(duì)大米淀粉的影響Table 3 Effect of ball milling on of rice starch

表3 球磨對(duì)大米淀粉的影響Table 3 Effect of ball milling on of rice starch

樣品 對(duì)照 5 min 10 min 20 min 30 min 60 min 90 min 120 min A1 047 cm-1/A1 022 cm-1 0.81±0.01a0.83±0.00b0.85±0.00c0.89±0.01d0.90±0.01d0.90±0.01d0.89±0.01d0.93±0.00e

FTIR常用于分析淀粉分子結(jié)構(gòu)的短程有序性，其短程有序結(jié)構(gòu)包括淀粉結(jié)晶區(qū)以外的分子螺旋結(jié)構(gòu)。波數(shù)900～1 300 cm-1區(qū)間的吸收帶是由高度耦合的C＝O和C—C振動(dòng)產(chǎn)生的，該區(qū)域?qū)Φ矸鄯肿渔湹挠行蛐院蜔o(wú)定形構(gòu)型的改變非常敏感，可用于分析淀粉的短程有序結(jié)構(gòu)特征。1 047 cm-1和1 022 cm-1處的紅外吸收分別顯示淀粉結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)的結(jié)構(gòu)特征，其比值可表征淀粉顆粒中有序結(jié)構(gòu)與無(wú)定形結(jié)構(gòu)的比例[33]。如表3所示，對(duì)照組大米淀粉在1 047 cm-1與1 022 cm-1處吸收強(qiáng)度比值（）為0.81，其值比苦蕎麥淀粉的低[34]，表明大米淀粉的短程有序結(jié)構(gòu)相對(duì)較低。球磨處理引起大米淀粉的顯著增加，且隨著球磨時(shí)間延長(zhǎng)增加幅度不斷加大。其可能是球磨破壞了淀粉顆粒內(nèi)部的結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)，被破壞區(qū)域淀粉分子部分區(qū)域相互排列形成新的短程有序結(jié)構(gòu)，進(jìn)而表現(xiàn)為長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)含量減少而短程有序結(jié)構(gòu)含量增加的結(jié)果。

3 結(jié) 論

高能球磨處理能夠顯著改變大米淀粉的糊化特性和熱特性，隨著球磨時(shí)間（5～30 min）延長(zhǎng)，大米淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和崩解值、回生值等糊化相關(guān)黏度參數(shù)及糊化溫度和熱焓值均呈下降趨勢(shì)。球磨處理引起大米淀粉更容易糊化，受熱膨脹后的有效體積減小，且能改善大米淀粉糊的抗老化特性。糊化特性的改變主要原因是濕介質(zhì)中短時(shí)間高能球磨處理引起淀粉結(jié)晶區(qū)部分發(fā)生無(wú)序化，導(dǎo)致淀粉顆粒更容易吸水膨脹，進(jìn)而表現(xiàn)為糊化溫度降低，由于球磨處理引起淀粉顆粒被部分破壞，導(dǎo)致受熱膨脹的淀粉顆粒更容易破裂崩解而限制了其受熱膨脹的有效體積，表現(xiàn)為糊化相關(guān)黏度參數(shù)降低。長(zhǎng)時(shí)間高能球磨處理時(shí)，淀粉顆粒發(fā)生嚴(yán)重破壞而崩解，部分淀粉分子從淀粉顆粒內(nèi)部滲出，滲出的淀粉分子在較低溫度下即發(fā)生水合糊化，殘留的淀粉顆粒片段黏結(jié)聚集，進(jìn)而使淀粉樣品粒徑增加，同時(shí)表現(xiàn)為偏光十字減弱而結(jié)晶度降低，由于滲出的淀粉分子部分區(qū)域重新有序排列，導(dǎo)致淀粉的短程有序結(jié)構(gòu)含量增加。