梁云浩，王周利，蔡瑞，岳田利，袁亞宏，崔璐

（西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

糙米是脫殼后的稻谷沒(méi)有經(jīng)過(guò)加工處理而直接獲得的全谷物米粒，由胚芽、胚乳和米糠層組成。與精米相比，糙米極大地保留了稻米的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。除蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和無(wú)機(jī)鹽以外，糙米還含有很多精米中不具備的功能因子，如膳食纖維、谷胱甘肽、γ-氨基丁酸、二十八烷醇和肌醇等，其具有調(diào)節(jié)血糖血脂、提高免疫力與抗氧化等作用，具有預(yù)防胃腸與心腦血管疾病的功能[1-2]。

淀粉是高等植物的主要成分，也是人體能量的重要來(lái)源。其具有膠凝性、增稠性以及改善食品質(zhì)構(gòu)等多種功能，在食品工業(yè)中被廣泛用作填充劑、交聯(lián)劑和穩(wěn)定劑等[3]。隨著主糧工業(yè)化的發(fā)展和消費(fèi)者對(duì)健康問(wèn)題的日益關(guān)注，近年來(lái)糙米淀粉的需求量也逐漸增大。改性是淀粉得以廣泛使用的關(guān)鍵步驟，其中物理改性以其副產(chǎn)物少、無(wú)化學(xué)殘留、環(huán)境友好的特點(diǎn)備受關(guān)注。目前常用的物理改性方法有高壓、球磨、輻照、微波、超聲波、濕熱處理等[4]，其中超聲波技術(shù)具有綠色高效、安全易控和成本低的特點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛地應(yīng)用于淀粉的物理改性領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外有許多關(guān)于超聲波處理淀粉并影響其理化性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征的研究，Zhu等[5]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理會(huì)在馬鈴薯淀粉顆粒表面形成凹陷，并對(duì)淀粉結(jié)晶區(qū)造成影響，但不會(huì)改變晶體構(gòu)型。羅志剛等[6]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理可以降低玉米淀粉的糊化焓值和糊化溫度范圍。Hu等[7]研究了不同頻率超聲波處理對(duì)玉米淀粉結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲波能顯著改變淀粉的熱穩(wěn)定性、回生性和凝膠性，并降低其峰值黏度。王宏偉等[8]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可以破壞小麥淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)，并且隨著超聲時(shí)間延長(zhǎng)，淀粉聚集態(tài)的無(wú)序化程度更加明顯。

超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)是引起聚合物材料性質(zhì)改變的主要原因。聲波空化導(dǎo)致液體中氣泡快速生成并破裂，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生局部的高溫高壓，氣泡破裂產(chǎn)生的剪切力可能會(huì)破壞材料分子的共價(jià)鍵，影響不同鏈間相互作用并破壞淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)，從而影響糊化性能，達(dá)到改性目的[9-10]。研究表明，關(guān)于超聲效果的大多數(shù)討論都是在淀粉溶液中進(jìn)行的，超聲波處理會(huì)根據(jù)作用時(shí)間、溫度、功率、頻率的差異，以不同方式影響淀粉的理化性質(zhì)[11]。超聲波方法為糙米淀粉的加工提供了一種新的思路。本研究主要是以超聲波物理改性方式為核心，通過(guò)研究不同超聲波處理時(shí)間對(duì)糙米淀粉的表觀與晶體結(jié)構(gòu)特征，以及對(duì)淀粉糊的流變學(xué)特性、透光率、析水率和凝沉性等理化性質(zhì)的影響，揭示超聲波處理糙米淀粉分子機(jī)制，旨在為促進(jìn)糙米及其淀粉加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

有機(jī)糙米：北京和雅堂食品有限公司；無(wú)水乙醇（分析純）：四川西隴科學(xué)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FW-400AD高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：天津鑫博得儀器有限公司；SBL-30DTY超聲波恒溫清洗機(jī)：寧波新芝生物科技股份有限公司；HC-3018R高速冷凍離心機(jī)：安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司；S-3400N掃描電子顯微鏡：日本日立公司；DHR-1旋轉(zhuǎn)流變儀、Q2000差示掃描量熱儀：美國(guó)Waters公司；D8 ADVANCE A25 X射線衍射儀：德國(guó)布魯克公司。

1.3 方法

1.3.1 糙米淀粉的制備與超聲處理

采用Park等[11]糙米淀粉制備方法并加以修改。用粉碎機(jī)將糙米粒磨粉，用3倍質(zhì)量的去離子水浸泡24 h，振蕩提取4 h，在4 000 r/min下離心20 min，去除上清液并刮掉沉淀表層黃色雜質(zhì)。加入去離子水清洗，渦旋振蕩，在4 000 r/min下離心5 min并取沉淀，重復(fù)清洗步驟3次。然后使用無(wú)水乙醇清洗1次，操作同上。最后收集沉淀于40℃下干燥12h得到糙米淀粉。

參考李楊[12]的方法進(jìn)行超聲處理。準(zhǔn)確稱取20 g糙米淀粉于燒杯中，加入一定量的去離子水制備濃度為10%的淀粉乳，攪拌均勻，靜置12 h使其充分溶脹。之后將淀粉乳置于槽式超聲波反應(yīng)器（25℃，33 kHz）中處理 10、20、30、40、50 min，以未經(jīng)超聲處理的糙米淀粉作為對(duì)照。超聲處理結(jié)束后離心并取沉淀于40℃下干燥12 h，粉碎研磨裝入自封袋內(nèi)保存待測(cè)。

1.3.2 淀粉顆粒表觀結(jié)構(gòu)

參照趙佳[13]的方法。待測(cè)樣品經(jīng)過(guò)干燥后，均勻分布在粘有導(dǎo)電雙面膠的樣品臺(tái)上，噴金固定。在放大倍數(shù)3 000倍，加速電壓5.00 kV條件下，使用掃描電子顯微鏡下拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌。

1.3.3 結(jié)晶性質(zhì)測(cè)定

參考劉星等[14]方法，采用X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為管壓40 kV，管流40 mA，衍射角2θ為5°～50°，掃描速率 6°/min，步長(zhǎng)為 0.02°。采用 Jade6.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖譜經(jīng)平滑后，計(jì)算結(jié)晶區(qū)的面積占比，得到糙米淀粉的相對(duì)結(jié)晶度[15]。

相對(duì)結(jié)晶度/%=衍射峰面積/總面積×100

1.3.4 動(dòng)態(tài)流變學(xué)性質(zhì)測(cè)定

稱取一定量的淀粉置于燒杯中，加入蒸餾水配成6%的淀粉乳，95℃水浴30 min，不斷攪拌使其充分糊化，糊化完成后冷卻至25℃。采用平板-平板測(cè)量系統(tǒng)，平板直徑40 mm，設(shè)置間隙1 mm，測(cè)定溫度25℃，掃描應(yīng)變值為1%，測(cè)定振蕩頻率為0.1 Hz～10 Hz內(nèi)儲(chǔ)能模量（G′）、損耗模量（G″）、損耗角正切值（tanδ）隨角頻率變化的情況，以此反映糙米淀粉樣品的黏彈性[16-17]。

1.3.5 淀粉糊的熱力學(xué)性質(zhì)測(cè)定

準(zhǔn)確稱取糙米淀粉0.3 mg（以干基計(jì)）于鋁坩堝中，按1∶3（g/mL）加入蒸餾水并壓片，平衡過(guò)夜，以空坩堝為對(duì)照進(jìn)行測(cè)定。設(shè)定程序：起始溫度20℃，升溫速率10℃/min，終止溫度120℃。使用TA60軟件對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行分析，獲得糙米淀粉的起始糊化溫度To、峰值溫度Tp、終止溫度Tc和糊化焓值ΔHg[12]。

1.3.6 透光率、析水率與凝沉性測(cè)定

1）透光率：準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的淀粉樣品，加入蒸餾水配制成濃度為1%的懸浮液，于95℃水浴30 min，不斷攪拌使其充分糊化。糊化結(jié)束后取出冷卻，以蒸餾水作為空白，在640 nm波長(zhǎng)下測(cè)定淀粉糊的透光率[18]。

2）析水率：準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的淀粉樣品，加入蒸餾水配制成濃度為6%的懸浮液。于95℃下水浴30 min，然后稱取一定質(zhì)量冷卻后的樣品裝入離心管。在-18℃下冷凍24 h，常溫下解凍和平衡，于6 000 r/min下離心15 min，棄去上清液后稱取沉淀物的質(zhì)量。反復(fù)凍融5次并測(cè)定析水率[19]。

3）凝沉性：準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的淀粉樣品，加入蒸餾水配制成濃度為1%的懸浮液，置于90℃水浴中糊化30min。糊化結(jié)束后取出冷卻至室溫25℃，倒入15mL試管中常溫（25℃）下靜置，每隔12 h記錄1次淀粉糊上清液體積（前12 h每隔2 h記錄1次），以上清液體積占總體積的百分比隨時(shí)間的變化情況來(lái)反映淀粉的凝沉性質(zhì)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)樣品平行測(cè)定3次，使用Excel 2016、Origin 2017和SPSS20軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 糙米淀粉的表觀結(jié)構(gòu)

不同超聲時(shí)間處理下糙米淀粉的掃描電鏡圖見(jiàn)圖1。

圖1 不同超聲時(shí)間處理下糙米淀粉的掃描電鏡圖（×3 000）Fig.1 Scanning electron microscopy of brown rice starch treated with different ultrasonic time(×3 000)

由圖1a可知，未經(jīng)超聲處理的糙米淀粉顆粒表面較為光滑，呈現(xiàn)不規(guī)則多面體結(jié)構(gòu)，大小不一，側(cè)面有凹坑[20]。與對(duì)照組相比，超聲處理30 min后，糙米淀粉表面出現(xiàn)小孔與凹陷，隨著超聲時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，糙米淀粉的多面體結(jié)構(gòu)破壞程度更加明顯，顆粒表面出現(xiàn)缺口（圖1f）。這是因?yàn)楫?dāng)超聲波作用于淀粉溶液時(shí)，其空化產(chǎn)生的氣泡快速生成和破裂，產(chǎn)生高剪切力從而導(dǎo)致糙米淀粉顆粒受損[15]。并且隨著超聲時(shí)間的梯度延長(zhǎng)，這種機(jī)械損傷的程度增加，但顆粒形狀與大小未發(fā)生明顯變化。

2.2 糙米淀粉的結(jié)晶性質(zhì)

淀粉是天然結(jié)晶高聚物，當(dāng)分子規(guī)律性排列時(shí)形成結(jié)晶區(qū)，而排列雜亂的分子則形成非晶區(qū)。在對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）譜圖中出現(xiàn)尖峰，則說(shuō)明有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)鈍峰則是非晶結(jié)構(gòu)[21]。因此，一般通過(guò)對(duì)比XRD譜圖中的結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)特征的強(qiáng)度、比例及變化趨勢(shì)來(lái)表征淀粉顆粒的晶體性質(zhì)。

圖2為不同超聲時(shí)間處理下的糙米淀粉樣品的XRD譜圖。

圖2 不同超聲時(shí)間處理下糙米淀粉的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of brown rice starch treated with different ultrasonic time

糙米淀粉在 15°、17°、18°、23°處的衍射特征明顯，其中在15°和23°明顯出峰，在 17°和18°附近出現(xiàn)相距較近的雙峰，可以判斷糙米淀粉為A型晶體結(jié)構(gòu)[11]。A型晶體結(jié)構(gòu)比較緊密，在食品加工過(guò)程中水分子不易進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，因此具有較高的穩(wěn)定性[8]。

XRD結(jié)果顯示衍射峰越強(qiáng)，說(shuō)明其結(jié)晶性越強(qiáng)[22]。經(jīng)過(guò)處理后衍射峰變得光滑，說(shuō)明晶體結(jié)構(gòu)遭到了破壞，結(jié)晶區(qū)發(fā)生改變。從XRD譜圖來(lái)看，超聲處理并沒(méi)有改變糙米淀粉的晶體類型，即超聲處理前后均為A型，這與Hu等[3]采用超聲處理馬鈴薯淀粉和小米淀粉的研究結(jié)果一致。然而經(jīng)超聲處理后結(jié)晶度發(fā)生了明顯改變。據(jù)研究，淀粉中的直鏈分子通過(guò)氫鍵作用可以形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)反映在淀粉的結(jié)晶度上[23]。不同超聲時(shí)間處理下糙米淀粉的相對(duì)結(jié)晶度與透光率見(jiàn)表1。

表1 不同超聲時(shí)間處理下糙米淀粉的相對(duì)結(jié)晶度與透光率Table 1 Relative crystallinity and light transmittance of brown rice starch treated with different ultrasonic time

如表1所示，經(jīng)過(guò)超聲處理的糙米淀粉相對(duì)結(jié)晶度在11%左右，與對(duì)照組相比，經(jīng)過(guò)超聲處理后的淀粉相對(duì)結(jié)晶度有所增加，這可能是由于超聲作用使得短鏈分子相互作用，晶體間距縮小，使得晶體結(jié)構(gòu)更加緊密。隨著超聲時(shí)間進(jìn)一步增加到40 min時(shí)，淀粉相對(duì)結(jié)晶度呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的聲波空化作用，淀粉晶體受到一定程度的破壞，淀粉的無(wú)定形結(jié)構(gòu)有所增加，分子自由度增加，從而導(dǎo)致相對(duì)結(jié)晶度降低[24-25]。本研究結(jié)果與楊夢(mèng)恬等[26]和張奎亮等[27]研究超聲處理對(duì)糯米和馬鈴薯淀粉結(jié)晶度影響結(jié)果一致。

2.3 糙米淀粉的透光率

光線通過(guò)淀粉糊時(shí)會(huì)發(fā)生透射、折射等一系列光學(xué)現(xiàn)象，而當(dāng)對(duì)淀粉施加不同的理化處理后，淀粉糊中的淀粉顆粒和分子狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致在光線照射下的光學(xué)反應(yīng)不同[32]。淀粉糊的光學(xué)反應(yīng)特征通常以透光率來(lái)表示，膨脹顆粒尺寸越大，直鏈淀粉含量越多，透光率越高。合理控制淀粉糊的透光率可以賦予淀粉基食品特殊的感官品質(zhì)，以滿足消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的需求。

超聲波處理影響淀粉的透光率主要是由于淀粉的結(jié)晶區(qū)受到破壞，溶解度增大，淀粉分子更多地選擇與水分子結(jié)合，而非淀粉分子之間相互作用。在這種情況下淀粉顆粒吸水膨脹，從而減弱光反射與折射，透光率提高。但是延長(zhǎng)超聲時(shí)間可能會(huì)使得淀粉顆粒團(tuán)聚、透光率下降[25]。由表1可知，經(jīng)過(guò)超聲處理后，糙米淀粉的透光率由（0.52±0.04）%降低至（0.23±0.02）%（40 min），繼續(xù)延長(zhǎng)超聲時(shí)間，透光率上升至（0.46±0.02）%（50 min），分析其降低的原因可能是超聲導(dǎo)致淀粉顆粒發(fā)生聚合，淀粉分子之間在溶液中交聯(lián)結(jié)合，不易展開。而隨著超聲時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，超聲空化作用使得分子斷裂，從而更容易在水中分散，相應(yīng)地透光率隨之上升[27]。

2.4 糙米淀粉的動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性

研究常用儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″來(lái)評(píng)估淀粉樣品的動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性，G′可以用來(lái)衡量淀粉糊的彈性大小，G″用來(lái)表示淀粉糊的黏性大小[28]。圖3反映了不同超聲處理對(duì)糙米淀粉的動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性影響。

圖3 不同超聲處理下糙米淀粉的動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性Fig.3 Dynamic rheological properties of brown rice starch treated with different ultrasonic treatment

由圖 3可知，G′、G″和 tanδ基本呈現(xiàn)隨頻率增加而增加的趨勢(shì)，且G′高于G″，說(shuō)明凝膠網(wǎng)絡(luò)形成，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固，凝膠特性以彈性為主[29]。由圖3a、圖3b可知，與對(duì)照組相比，經(jīng)過(guò)超聲處理后的淀粉糊G′與G″均有所降低，這可能是由于超聲處理使得淀粉結(jié)構(gòu)變得松散，從而降低了其黏彈性。由圖3c可知，tanδ隨著頻率升高而升高，說(shuō)明淀粉在高頻范圍下黏性比例增加，彈性比例降低，即在高頻范圍下糙米淀粉結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[17]。

2.5 糙米淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)

表2反映了經(jīng)過(guò)不同超聲時(shí)間處理后糙米淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)。

表2 不同超聲時(shí)間處理下糙米淀粉的熱力學(xué)特性Table 2 Thermodynamic properties of brown rice starch treated with different ultrasonic time

表2結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)超聲處理后，糙米淀粉的To、Tp和Tc無(wú)顯著變化，ΔHg隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)整體上先降低后升高。這種變化趨勢(shì)與Park等[11]采用超聲波處理糙米淀粉的熱力學(xué)結(jié)果一致。雙螺旋的破壞被認(rèn)為是影響ΔHg的主要原因[30]，超聲處理40 min后ΔHg降低，說(shuō)明存在于結(jié)晶區(qū)的一些雙螺旋被破壞，在淀粉糊化的過(guò)程中不需要較多的熱量裂解雙螺旋結(jié)構(gòu)，因此糊化焓ΔHg減小[19]，而50 min后焓值升高，可能是由于更大的鏈運(yùn)動(dòng)性導(dǎo)致了淀粉中的分子重排[31]。

2.6 糙米淀粉的析水率與凝沉性

受加工和運(yùn)輸條件限制，冷凍類食品常常應(yīng)具備良好的凍融穩(wěn)定性來(lái)抵抗凍融循環(huán)中所產(chǎn)生的析水問(wèn)題，較低的凍融穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致食品失水嚴(yán)重，口感變差，營(yíng)養(yǎng)損失。凍融穩(wěn)定性反映了冷凍食品解凍后的脫水程度，可以用析水率來(lái)衡量，析水率越低，凍融穩(wěn)定性越好[33]。不同超聲時(shí)間處理下糙米淀粉的析水率和凝沉性見(jiàn)圖4。

圖4 不同超聲時(shí)間處理下糙米淀粉的析水率和凝沉性Fig.4 Water setting rate and coagulability of brown rice starch treated with different ultrasonic time

由圖4可知，凍融對(duì)淀粉糊具有脫水收縮的作用，不同超聲時(shí)間處理后的糙米淀粉的析水率均隨次數(shù)增加而增加，超聲處理30 min后糙米淀粉的凍融析水率最低（43.51%±3.06%），穩(wěn)定性最好，隨著超聲時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)至50 min，析水率升高至（54.40±1.73）%，穩(wěn)定性減弱，可能是由于超聲波的空化作用使得大分子基團(tuán)被破壞，共價(jià)鍵斷開進(jìn)而減小分子聚合度，導(dǎo)致直鏈淀粉的含量相對(duì)增加，而淀粉的凍融穩(wěn)定性與直鏈淀粉含量成負(fù)相關(guān)[21]。因此，超聲作用會(huì)使淀粉的凍融穩(wěn)定性下降，這與張志華[25]的研究結(jié)果一致，此外本研究發(fā)現(xiàn)，適度的超聲處理可以降低糙米淀粉的析水率，增強(qiáng)其凍融穩(wěn)定性。

淀粉糊經(jīng)過(guò)靜置會(huì)發(fā)生凝沉現(xiàn)象，宏觀上表現(xiàn)為出現(xiàn)渾濁和分層，在分子角度上解釋為葡萄糖單元上的羥基之間形成氫鍵，淀粉分子重新聚集，分子鏈由無(wú)序回到有序狀態(tài)[32]。如圖4所示，不同時(shí)間處理組下，超聲30 min凝沉穩(wěn)定性最好，沉淀占比（56.00±1.89）%，隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，沉淀占比降低至（47.78±1.57）%（50 min），凝沉穩(wěn)定性相應(yīng)降低。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)以糙米淀粉為原料，研究了不同超聲時(shí)間處理對(duì)糙米淀粉的結(jié)構(gòu)特征與理化性質(zhì)的影響。在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可以對(duì)糙米淀粉表觀結(jié)構(gòu)造成損傷，在其表面形成凹陷，并且隨著超聲時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)其破壞程度更加明顯。通過(guò)X-射線衍射結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，超聲處理不會(huì)改變糙米淀粉的晶型，但隨著超聲時(shí)間延長(zhǎng)，相對(duì)結(jié)晶度先升高后降低，處理30 min時(shí)相對(duì)結(jié)晶度達(dá)到最大（12.60±0.08）%，隨后降低至與對(duì)照組無(wú)顯著差異，這說(shuō)明超聲對(duì)淀粉結(jié)晶性質(zhì)影響顯著（p＜0.05）。研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可以降低糙米淀粉糊的儲(chǔ)能模量（G′）與損耗模量（G″）從而降低其黏彈性，延長(zhǎng)超聲時(shí)間可以破壞淀粉結(jié)晶區(qū)的雙螺旋結(jié)構(gòu)使得淀粉糊化焓降低，因此超聲處理影響了糙米淀粉的流變學(xué)與熱力學(xué)性質(zhì)。此外，適度的超聲處理可以降低糙米淀粉糊的透光率和析水率，提高其凍融和凝沉穩(wěn)定性。因此，合理使用超聲波物理改性技術(shù)，可以有效影響糙米淀粉的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)，為其在食品工業(yè)中的應(yīng)用和普及提供新的思路與方法。