李丹丹，陶 陽，楊 哪，韓永斌,*

（1.南京農(nóng)業(yè)大學食品科學與技術學院，全谷物食品工程研究中心，江蘇 南京 210095；2.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122）

淀粉作為植物儲藏能量的主要物質(zhì)，是一種價格低廉、來源豐富、可再生的“綠色”生物基自然資源。除了作為人類食物主要成分外，淀粉亦可作為穩(wěn)定劑、乳化劑、吸附劑等用于食品、紡織、醫(yī)藥等領域。但是，天然淀粉極差的水溶性和淀粉糊的高黏度限制了其應用范圍。因此，工業(yè)中通常需對天然淀粉進行結構修飾以改善其性質(zhì)和功能?；瘜W法（降解、酯化、醚化等）和酶法（降解、環(huán)化等）是最常用的結構修飾方法。經(jīng)化學/酶法改性后，淀粉的溶解性、乳化性、穩(wěn)定性和黏度等理化性質(zhì)可得到大幅度改善。但是，天然淀粉顆粒以結晶層、無定形層交替排列的環(huán)層結構存在，該半剛性結構限制了化學/酶試劑對淀粉鏈的攻擊，導致淀粉改性效率低。傳統(tǒng)工業(yè)中通常通過高溫預糊化手段來破壞淀粉結構中致密的結晶區(qū)，從而增加化學/酶試劑與淀粉分子鏈間的有效碰撞，改善淀粉改性效率。然而，經(jīng)高溫預糊化后，淀粉反應體系黏度增加，會導致傳熱傳質(zhì)速率減慢、反應不均勻。

電場處理是強化生物大分子改性的常用物理處理技術。相較于批次熱處理，歐姆加熱、感應電場等技術在實現(xiàn)快速傳熱傳質(zhì)的同時能提高反應的選擇性，而脈沖電場技術則可通過破壞淀粉半結晶結構的方式增加酶或化學試劑對淀粉的親和力。因而電場技術在淀粉高效定向轉化方面具有“綠色、高效、連續(xù)化”等生產(chǎn)屬性。近年來，有部分學者認為酶的催化過程本質(zhì)上是強效的靜電催化過程。如果能夠在實際中產(chǎn)生形如酶內(nèi)部的高強度靜電場，也許就能模擬酶的催化活性，這將極大地實現(xiàn)化學化工生產(chǎn)過程的擴大化。從這點考慮，外加電場在化學/酶法反應中的研究具有明顯的戰(zhàn)略性意義，其價值不可估量。因此，本文從介紹電場技術入手，討論電場技術在淀粉化學和酶法改性中的應用現(xiàn)狀，指出電場影響淀粉改性的關鍵因子，明確電場改變淀粉改性效率的機理，以期為利用電場技術實現(xiàn)淀粉的高效定向改性提供理論指導，并在一定程度上促進淀粉深加工行業(yè)的發(fā)展。

1 電場技術簡介

淀粉深加工領域常用的電場技術有歐姆加熱、脈沖電場和感應電場，其工作結構示意圖見圖1。歐姆加熱和脈沖電場通過對金屬電極施加電壓的方式產(chǎn)生電場，屬于電極類電場技術；感應電場則通過電磁誘導的方式直接在樣品內(nèi)部產(chǎn)生電場，屬于磁電誘導類電場技術。

圖1 歐姆加熱（A）[8]、脈沖電場（B）[9]和感應電場（C）[10]的結構示意圖Fig.1 Schematic structures of ohmic heating (A)[8], pulsed electric field (B)[9] and induced electric field (C)[10]

1.1 歐姆加熱

歐姆加熱是通過對金屬電極板施加電場，在存在電阻抗性的食品物料內(nèi)部直接產(chǎn)生電流，將電能轉化為熱能，從而達到加熱目的的一種電場技術（圖1A）。根據(jù)電信號類型的差異，可將歐姆加熱分為直流、交流和脈沖3種。與傳統(tǒng)水浴/蒸汽加熱相比，歐姆加熱直接在食品內(nèi)部產(chǎn)生熱量，不存在固-液界面或樣品內(nèi)部的熱量傳遞，具有加熱均勻、加熱速率快等優(yōu)點，尤其適合含顆粒態(tài)或黏度大的物料。An等研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)加熱相比，歐姆加熱可加快大米淀粉和大米粉的糊化。除熱效應外，歐姆加熱也可促進反應體系中帶電粒子的定向遷移，導致化學反應速率的增加和酶活力的改變。例如，Pinto等報道，與油浴和微波加熱相比，歐姆加熱可顯著提升有機合成的反應速率和產(chǎn)物得率。Samaranayake等報道，經(jīng)1 V/cm電場處理后，-淀粉酶活力最高可提升41%。目前，歐姆加熱在有機合成、淀粉糊化、多糖提取、殺菌鈍酶等方面均有著較廣泛的應用。但是，歐姆加熱過程中金屬電極表面可能發(fā)生電化學反應導致物料的重金屬污染。不同類型歐姆加熱過程，電極表面電化學腐蝕程度不同，一般順序為直流＞交流＞脈沖。

1.2 脈沖電場

脈沖電場是通過對金屬電極間的物料反復施加高電壓的短脈沖（20～80 kV/cm、0～100 μs），從而達到處理目的的一種新型的非熱力加工技術，具有能耗低、處理時間短和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。如圖1B所示，高壓脈沖電場由電源和樣品處理室兩個部分構成，其工作過程為利用高壓電源對電容器進行充電，電容器放電時產(chǎn)生高頻脈沖波作用于與其連接的兩個金屬極板，從而在金屬極板間形成高壓脈沖電場。低強度脈沖電場處理可誘導酶分子極化，改善-淀粉酶、麥芽-淀粉酶等的活性，在淀粉酶法改性中有著較大應用前景；高強度脈沖電場則可破壞淀粉的顆粒和結晶結構，促進帶電化學試劑定向遷移，從而提升淀粉化學改性的速率。與歐姆加熱相比，脈沖電場產(chǎn)生的電化學污染大大降低，在淀粉深加工領域的應用前景更為廣闊。但是，在極端的化學反應條件下（如強酸、強堿等），脈沖電場處理依然可導致物料的重金屬污染。

1.3 感應電場

感應電場是以變壓器為基本結構，以液體物料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的次級金屬線圈，通過磁電誘導產(chǎn)生電場的方式對導電樣品進行處理，屬于電磁誘導類電場技術（圖1C）。Sastry等于2000年分析了該技術的應用優(yōu)勢，感應電場不僅具有傳統(tǒng)電場技術提高傳熱傳質(zhì)的優(yōu)點，而且可在不使用電極的情況下以磁感應電壓來處理閉合管路中的樣品，因而在強化加工效率的同時成功解決了電化學污染和電極腐蝕等問題，在食品、醫(yī)藥、化妝品等領域的應用前景良好。然而，傳統(tǒng)非磁性原料具有極低的磁導率（相對磁導率接近于1），難以直接對交變磁場產(chǎn)生響應，導致感應電場技術的發(fā)展停滯不前。基于此，徐學明教授團隊2015年起開始搭建感應電場加工系統(tǒng)，并在之后的6 年里不斷對感應電場的磁路和流路結構進行優(yōu)化，攻克了感應電場的技術難題，目前該團隊已與英都斯特公司合作，開發(fā)工業(yè)化樣機數(shù)臺，經(jīng)技術合格后將規(guī)模生產(chǎn)并投入市場。李丹丹等利用感應電場強化淀粉等多糖的酸解反應，結果表明感應電場可顯著提高淀粉酸解的效率和選擇性，且促進作用與反應單元、系統(tǒng)等效阻抗、輸出功率、加載功率因子以及溫度等因素相關。

2 電場處理強化淀粉改性的機理

2.1 熱效應

在電場作用下，電流通過有阻抗的樣品時，電流做功而消耗電能，產(chǎn)生焦耳熱效應。根據(jù)焦耳定律，產(chǎn)生的熱效應強度與電場強度的平方和樣品電導率成正比。溫度的變化將顯著影響反應體系的活化能并改變酶活力，從而導致淀粉化學/酶法改性效率的變化。但值得注意的是，在常規(guī)熱處理過程中，熱能由體系外部向內(nèi)部傳遞，淀粉顆粒吸水膨脹、解組裝后形成的高黏度糊狀溶液會抑制傳熱傳質(zhì)，導致反應不均勻（圖2A）；而在電場處理過程中，帶電粒子快速遷移，與淀粉分子快速碰撞導致熱效應，因而淀粉糊的高黏度對傳熱傳質(zhì)效率影響較?。▓D2B）。脈沖電場處理具有脈沖短、功率低的特點，產(chǎn)生的熱效應可忽略不計（溫升通常低于5 ℃），但歐姆加熱和感應電場處理過程的熱效應明顯，不可忽略。

圖2 傳統(tǒng)熱處理（A）和電場處理（B）過程中的傳熱傳質(zhì)特性Fig.2 Heat and mass transfer characteristics of traditional heating (A)and electric field (B) treatment

2.2 非熱效應

除熱效應外，外加電場亦可直接改變核外電子、原子及分子等粒子的微觀運動，進而影響宏觀的傳質(zhì)過程及反應的發(fā)生和進行。Pinto等報道，相同處理溫度時，歐姆加熱可誘導帶電粒子的快速定向遷移，從而顯著提高狄爾斯-阿爾德反應、親核取代、-烷基化和Suzuki偶聯(lián)4種有機合成的反應速率和產(chǎn)物得率。電場亦可誘導分子內(nèi)部電荷流動導致分子極化變形。極性分子內(nèi)部的正負電荷向相反方向位移，產(chǎn)生電偶極距，發(fā)生位移極化；同時，由于極性分子中電荷分布不均，其固有偶極距趨向于沿電場方向排列，發(fā)生取向極化。對于化學反應體系來說，分子內(nèi)部電荷的流動將會改變中間產(chǎn)物的穩(wěn)定性，從而提高反應速率。2016年Aragonès等首次在上發(fā)文證實反應底物化學鍵間電荷轉移速率的加快是電場提高狄爾斯-阿爾德反應速率和選擇性的根本原因。對于酶反應體系來說，酶分子大多為帶電荷的極性蛋白分子。電場可驅(qū)動帶電的酶分子定向遷移，產(chǎn)生熱效應；同時，酶分子中的氨基和羧基由于帶不同電荷，在電場作用下會朝著不同方向遷移，從而導致酶分子極化，其構象和活性發(fā)生變化。通常，低強度電場作用下酶活性增加，而高強度電場則會導致酶的失活。

3 電場處理強化淀粉改性的研究進展

3.1 電場處理影響淀粉結構和性質(zhì)的研究

歐姆加熱、脈沖電場和感應電場處理對淀粉結構、理化性質(zhì)的影響見表1。

表1 電場處理影響淀粉結構性質(zhì)的研究Table 1 Recent studies on effect of electric field treatment on starch structure and properties

3.1.1 歐姆加熱

歐姆加熱可從物料內(nèi)部快速、均勻產(chǎn)熱。低強度歐姆加熱產(chǎn)生的熱量不足以糊化淀粉，作用效果與退火處理類似，將使淀粉糊化溫度升高、糊化溫度范圍變窄。但是，與傳統(tǒng)的退火處理方法（水?。┫啾龋瑲W姆加熱對淀粉糊化特性的影響更顯著。Knirsch等報道，除了熱效應外，歐姆加熱亦可產(chǎn)生非熱效應致淀粉體系的變化。Saboktakin等發(fā)現(xiàn)羧甲基淀粉納米復合物在高頻電場作用下會沿電場線方向有序排列形成鏈狀結構，導致體系電流變學性質(zhì)的變化。高強度歐姆加熱會產(chǎn)生大量的熱量，引起淀粉的快速糊化。韓忠的研究結果表明直流電場加熱至65 ℃，玉米淀粉顆粒吸水、膨脹，半結晶被破壞，淀粉開始糊化。Kanjanapongkul報道，與傳統(tǒng)電飯鍋蒸煮法相比，歐姆加熱可促進水分擴散和大米顆粒的膨脹，加速大米熟化，節(jié)約大約70%的能量，且處理后不存在容器底部結垢的問題。

歐姆加熱的電場頻率通常固定為50 Hz（國內(nèi)）或60 Hz（國外）。因此，歐姆加熱對淀粉糊化的影響主要與淀粉類型、電場強度和電導率等因素有關。Martínez-Bustos等報道，123 V歐姆電場處理10 min后，豆薯淀粉的糊化度達70%而木薯淀粉的糊化度僅為39%。An等的研究證明隨著電場強度從20 V/cm增加到70 V/cm，大米淀粉懸浮液加熱速率從4 ℃/min增加到61 ℃/min。Lee等的研究結果表明，淀粉懸浮液的表觀黏度與歐姆加熱過程的加熱速率成正相關關系，而加熱速率與電場強度的平方和樣品電導率成正比。值得注意的是，在歐姆加熱過程中，淀粉未糊化時，體系電導率隨溫度的升高呈線性增加；而淀粉糊化后，由于體系黏度迅速增加，電導率增加速率變緩。例如，Shim等報道大米-水混合物的電導率在52～62 ℃溫度區(qū)間的增加速率變緩。Li Fade等發(fā)現(xiàn)不同預糊化度玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的電導率-溫度曲線在糊化溫度范圍均會出現(xiàn)吸熱峰（電導率增速降低導致），且該吸熱峰的大小和形狀與差示掃描量熱曲線類似。綜上，歐姆加熱可導致淀粉的糊化，且糊化性質(zhì)由電場強度、電場頻率和電導率等因素決定；另外，電場處理過程中淀粉體系的電導率-溫度曲線可用于表征淀粉的糊化性質(zhì)。

3.1.2 脈沖電場

脈沖電場可破壞淀粉的顆粒和半結晶結構、打斷淀粉分子鏈、降低淀粉分子質(zhì)量，進而引起淀粉理化性質(zhì)的變化。通常，脈沖電場處理會導致淀粉的糊化溫度、糊化焓和淀粉糊黏度均降低。Giteru等綜述了脈沖電場對生物大分子包括多糖和蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性和功能特性的影響，表明電場處理可影響多糖的微觀結構、構象、溶解度、膨脹力、顆粒尺度、黏性、結構轉變和熱穩(wěn)定性。Han Zhong等報道50 kV/cm脈沖電場處理后，玉米淀粉的顆粒保持完整，結晶類型未發(fā)生變化，但淀粉的相對結晶度略有下降，淀粉表面變粗糙，顆粒間發(fā)生聚集，分子質(zhì)量降低，淀粉糊化溫度、糊化焓和黏度均顯著降低。Abduh等在1.1 kV/cm脈沖電場強度下處理馬鈴薯發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯內(nèi)部淀粉未發(fā)生明顯變化，但馬鈴薯表面淀粉的糊化溫度范圍變窄、消化性降低。木薯淀粉、蠟質(zhì)大米淀粉和粳米淀粉等也被發(fā)現(xiàn)在脈沖電場作用下顆粒結構和結晶結構會發(fā)生一定程度的變化，導致淀粉糊黏度的顯著降低。脈沖電場對淀粉結構性質(zhì)的影響與脈沖電場的處理條件有關，其中電場強度是最關鍵的處理因素。例如，隨著脈沖電場強度從30 kV/cm增加到50 kV/cm，蠟質(zhì)大米淀粉的摩爾質(zhì)量從10.15h10g/mol降低到8.90h10g/mol，相對結晶度從35.1%降低至28.7%，糊化焓從9.9 J/g降低至6.8 J/g。脈沖電場對淀粉結構的影響亦與淀粉種類有關。相同電場處理條件下（50 kV/cm），玉米淀粉的摩爾質(zhì)量從102h10g/mol降低至13h10g/mol，但蠟質(zhì)大米淀粉的摩爾質(zhì)量保持不變。Li Qian等對比研究3種不同晶型淀粉——小麥淀粉（A型）、馬鈴薯淀粉（B型）和豌豆淀粉（C型）在2.86、4.29、5.71、7.14 kV/cm和8.57 kV/cm脈沖電場作用下結構的變化，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉結構變化最為明顯，相對結晶度和分子質(zhì)量均發(fā)生一定程度的下降。Han Zhong等也發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉對脈沖電場的敏感度顯著高于玉米淀粉。

脈沖電場是一種典型的非熱力加工技術，一般認為是其強脈沖產(chǎn)生的電荷極化效應導致了淀粉結構性質(zhì)的變化。在脈沖電場作用下，淀粉溶液中的帶電粒子定向遷移并聚集在淀粉顆粒表面，形成宏觀的空間電荷。當達到一定電場強度后，淀粉顆粒外層會產(chǎn)生瞬間高壓放電，從而導致淀粉顆粒的裂解。但是，也有研究者認為由于歐姆效應，脈沖電場在處理過程中不可避免會產(chǎn)生熱，淀粉顆粒表面特殊的電導性質(zhì)可能會導致脈沖電場處理過程中在淀粉顆粒表面產(chǎn)生局部過熱。因而，淀粉表面會發(fā)生部分糊化，從而導致顆粒表面變粗糙、顆粒間發(fā)生聚集、平均粒徑增加、淀粉糊化溫度和黏度降低。與大米、小麥等谷物淀粉（A型結晶）相比，馬鈴薯淀粉呈B型結晶，晶胞中包含更多的水分，導致其電導性質(zhì)與其他類型淀粉相比存在一定差異，在脈沖電場作用下其結構變化更顯著。但目前關于脈沖電場影響淀粉結構性質(zhì)的機制還不明確，尚需進一步研究。

3.1.3 感應電場

感應電場的電信號類型與歐姆加熱類似，理論上對淀粉結構和理化性質(zhì)的影響也類似。但目前關于感應電場處理淀粉的研究極少，僅有Li Dandan等報道在激勵電壓75 V條件下處理30～96 h后，馬鈴薯淀粉的糊化溫度升高、糊化焓降低、淀粉糊峰值黏度和回生值大大降低。有研究報道，電場作用下多糖分子鏈會沿著電場線排列，導致體系流變學特性的變化或多糖可食用膜強度的增加。通過紅外光譜和X射線衍射分析馬鈴薯淀粉短程和長程結構在感應電場作用下的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，淀粉的結晶短程結構有序性和相對結晶度增加，說明電場可驅(qū)動淀粉分子鏈重新排列，增加其結構有序性。但是，Zhu Fan認為感應電場處理過程中產(chǎn)生的焦耳熱效應也可能引起淀粉的退火，從而提高淀粉結構有序性。因此，為了探明感應電場是否會產(chǎn)生非熱效應影響淀粉的結構有序性，還需在相同溫度條件下對比研究傳統(tǒng)加熱和感應電場作用下淀粉結構性質(zhì)的差異。

3.2 電場輔助淀粉酶法改性的研究

電場輔助淀粉酶法改性的研究總結見表2。

表2 電場輔助淀粉酶法改性的研究Table 2 Recent studies on enzymatic modification of starch by electric field techniques

3.2.1 歐姆加熱

大量實踐證明低強度電場可大幅提升酶活性，與菌株篩選、基因工程菌株構建等復雜方法相比，具有操作簡單、容易實現(xiàn)的優(yōu)點。Varella等首次證實歐姆加熱處理可代替?zhèn)鹘y(tǒng)水浴加熱或蒸汽加熱以加速-淀粉酶催化木薯淀粉液化過程。此后，關于電場激活淀粉酶活性的研究被廣泛報道。例如，Samaranayake等研究發(fā)現(xiàn)1 V/cm電場作用下-淀粉酶的活力最高可提高41%。Li Dandan等研究發(fā)現(xiàn)交變電場可用于強化-淀粉酶催化玉米淀粉降解制備多孔淀粉。楊慧等證實60 Hz的低頻電磁場可促進-淀粉酶催化降解玉米淀粉。酶的催化活性與其空間構象緊密相關。王志勇利用分子動力學手段研究了葡萄糖氧化酶在低強度電場作用下（0.001 V/nm）結構的變化，結果表明隨著電場處理時間的延長，該酶的總能量增加，運動性增加，但整體結構變化不大。楊慧等發(fā)現(xiàn)低頻低強度電磁場對淀粉酶一級結構的影響不顯著，但可導致酶分子二級和三級結構的可逆性變化。

歐姆加熱對淀粉酶活性的影響與電場強度和電導率顯著相關。電場強度和電導率的增加會提高熱效應強度，在一定范圍內(nèi)可增加反應體系的活化能，提高酶促反應速率；但超過酶最適反應溫度后，酶構象被破壞，催化活性降低。更重要的是，除了熱效應外，電場亦會誘導酶分子發(fā)生極化。低強度歐姆電場作用下，酶分子發(fā)生輕微極化、活性基團外露、酶活性中心與底物的親和力增加，致使酶的催化活性增加；但高強度歐姆加熱則誘導酶分子的劇烈極化，破壞維持酶構象的次級鍵，從而導致酶活性的喪失。電場頻率亦會顯著影響酶活力。Samaranayake等通過分析淀粉酶和果膠酶在電場強度1 V/cm、電場頻率1～400 Hz條件活力及其遷移模式變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，電場頻率小于60 Hz時，酶分子沿著電場線方向平動的位移大于水分子間的間距，酶活力增加；但電場頻率大于60 Hz時，電場方向快速變化限制了酶分子沿電場線方向平動的位移，酶活力不變或略有下降?？偟膩碚f，低強度歐姆加熱可在一定程度上改善淀粉酶的活性，但由于淀粉顆粒本身致密的半結晶結構在低強度電場作用下變化不大或甚至結構有序性略有增加（3.1.1節(jié)），對生淀粉酶解效率的提升作用仍有限，因而電場技術在生淀粉酶解中的應用尚未實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

3.2.2 脈沖電場

與歐姆加熱類似，脈沖電場對淀粉酶活性的影響也與電場強度顯著相關。通常地，低強度脈沖電場可通過改變酶的二級和空間結構，增加其結構有序性，從而改善某些酶的活性。田美玲、王金花、余雅倩和李超群等系統(tǒng)研究了脈沖電場對-淀粉酶、啤酒麥芽-淀粉酶、啤酒麥芽-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和淀粉轉葡萄糖苷酶等淀粉酶活力的影響。例如，李超群利用脈沖電場輔助處理啤酒麥芽，結果發(fā)現(xiàn)經(jīng)1.5～7.5 kV/cm脈沖電場處理后，大麥發(fā)芽勢、根長、-葡聚糖酶活力、-淀粉酶活力和-淀粉酶活力提高的幅度分別為38.96%、43.33%、21.46%、26.48%和23.57%。王金花利用脈沖電場強化處理經(jīng)-淀粉酶和淀粉轉葡萄糖苷酶混合酶液水解玉米淀粉得到的多孔淀粉，結果發(fā)現(xiàn)電場強度11.5 kV/cm、處理時間18 ms、酶解時間3.9 h條件下制備的多孔淀粉吸油率可達129.892%。國外關于脈沖電場提高淀粉酶活性的研究較少，但亦有大量研究證實低強度電場作用下酶的活性會增加。例如，Ohshima等利用12～13 kV/cm脈沖電場處理過氧化物酶、烯醇化酶、-半乳糖苷酶、乳酸脫氫酶、轉化酶和葡萄糖淀粉酶，發(fā)現(xiàn)6種酶的活力可提高5%～20%。除了電場強度、頻率、脈沖寬度、脈沖數(shù)等電場參數(shù)外，金屬離子尤其是Ca的添加亦會顯著影響電場作用下的淀粉酶活力。例如，在電壓10 kV、頻率500 Hz、脈沖寬度7 μs和處理時間12 min時，添加質(zhì)量濃度80 mg/L CaCl，麥芽中淀粉酶活力和糖化率分別提高34.82%和28.44%。

低強度脈沖電場處理提高淀粉酶活性的機制可能是維持酶蛋白分子結構的次級鍵在電場作用下發(fā)生改變，酶分子重新折疊，更多色氨酸等芳香族氨基酸殘基暴露，使酶結構更為有序和靈活，更加容易與底物結合，進而酶的活性增加。田美玲研究發(fā)現(xiàn)12～15 kV/cm脈沖電場處理-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和果膠酶后，3種酶的一級結構未發(fā)生明顯變化，但二級結構和三級結構改變，結構有序性增加，活力分別增加22.13%、20.74%和21.89%，且這3種酶的貯藏穩(wěn)定性增強、最適溫度范圍增加。Ca可穩(wěn)定淀粉酶的構象，提升脈沖電場作用下酶的活性和穩(wěn)定性。李超群等發(fā)現(xiàn)Ca輔助脈沖電場處理后，麥芽中-淀粉酶和-淀粉酶的活性均顯著增加?？偟膩碚f，低強度脈沖電場作用下，淀粉酶構象發(fā)生輕微極化，酶分子活性中心外露，與底物間的結合能力增強，酶活力增加。但脈沖電場在較低強度時淀粉保持完整的顆粒結構和致密的半結晶結構（3.1.2節(jié)），這將導致生淀粉的酶解效率較低，從而限制了脈沖電場在淀粉酶解的工業(yè)化應用。

3.2.3 感應電場

目前國內(nèi)外關于感應電場在淀粉酶法改性領域應用的報道尚缺乏。張夢月研究發(fā)現(xiàn)50 ℃時，感應電場（激勵電壓900 V、激勵頻率20 kHz）處理使蘋果汁多酚氧化酶的相對活力增加15.12%，過氧化物酶的相對活力增加26.01%，初步證實了感應電場在加速酶法改性領域的應用前景。

3.3 電場輔助淀粉化學改性的研究

如何有效地調(diào)控、闡釋、設計和應用化學反應，使得反應朝著人們所需要的方向最快速、最大程度地轉化和進行，一直是綠色化學的目標。電場作為常用的物理加工手段，其特有的電學特性在化工合成強化方面表現(xiàn)出了高適應現(xiàn)象。當用電流作為替代試劑時，可避免使用有毒或危險的試劑、保護基團和有機合成中常用的催化劑；此外，電合成可以減少或消除反應器冷卻或加熱工序，減少能源消耗。因此，電催化技術已成為追求更安全、更環(huán)保、更廉價的有機合成工藝領域的新寵。Aragonès等通過實驗和量化計算發(fā)現(xiàn)在Diels-Alder反應的成鍵及斷鍵過程中，定向電場（電場方向與化學鍵方向一致）會導致含帶電基團的過渡態(tài)產(chǎn)物趨于穩(wěn)定或者失穩(wěn)，使正處于過渡態(tài)的共振結構朝著最穩(wěn)定的狀態(tài)轉變，從而宏觀上表現(xiàn)為電場直接促進了化學反應的發(fā)生和進行。黃曉艷等證明了通過改變外加電場強度和方向，可以選擇性調(diào)控化學反應所需的活化能、改變中間產(chǎn)物的穩(wěn)定性并影響體系的過渡態(tài)等，從而實現(xiàn)進行高效清潔的綠色化學合成。除了外加電場對反應速率的作用效果明顯外，外加電場對化學反應的選擇性也有顯著影響。Gorin等發(fā)現(xiàn)外加定向電場可顯著改變氧化鋁催化的順式-2,3-二苯基環(huán)氧乙烷的重排反應，產(chǎn)物醛和酮的物質(zhì)的量之比由未加電場下的1∶4轉變?yōu)橥饧与妶龊蟮?7∶1，變化比例高達63 倍。這些研究證明了電場在化學反應領域的應用前景。然而，利用電場技術強化淀粉化學改性的研究還較少，具體如下。

3.3.1 歐姆加熱

歐姆加熱和微波加熱均屬于電磁場加工方法。微波加熱已被證明對淀粉的酸解、酯化、交聯(lián)和接枝共聚等化學改性均有較好的強化作用。Pinto等報道，與微波加熱和油浴相比，歐姆加熱不僅可快速均勻產(chǎn)熱，還可促進帶電底物的快速定向遷移，從而顯著縮短有機合成的時間并增加產(chǎn)物的得率。因此，理論上歐姆加熱對淀粉化學改性也具有較好的改善作用。但是，歐姆加熱是通過對金屬電極施加電壓的方式產(chǎn)生電場。在淀粉化學改性的過程中，通常需要加入強酸或強堿，這將導致電極表面的電化學腐蝕和產(chǎn)品的重金屬污染。因此，為實現(xiàn)歐姆加熱技術在淀粉化學改性領域的應用，尚需解決電極表面氧化還原反應導致的樣品電化學污染問題。

3.3.2 脈沖電場

脈沖電場作用下，淀粉顆粒和結晶結構被破壞，與化學試劑的親和力增加，化學改性效率增加；同時，脈沖電場可驅(qū)動帶電粒子的定向遷移，加速淀粉和化學試劑間的碰撞幾率。目前關于脈沖電場強化淀粉改性的研究還較少，主要集中于淀粉酯化。洪靜等報道脈沖電場可顯著增加玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉的酯化度，且增強效果與脈沖強度、處理時間、乙酸酐添加量顯著相關。以馬鈴薯淀粉為例，在脈沖電場強度3.5 kV/cm、處理時間60 min、淀粉乳質(zhì)量濃度30 g/mL時，馬鈴薯淀粉的酯化度可達0.130。與原淀粉相比，酯化淀粉的糊化溫度降低、水溶性增加，凝膠穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性增加；與未經(jīng)脈沖電場處理的酯化淀粉相比，脈沖電場處理得到的酯化淀粉更不易回生。Chen Boru等利用2～6 kV/cm的脈沖電場強化馬鈴薯淀粉與辛烯基琥珀酸酐之間的酯化反應，結果表明脈沖電場可使反應效率提高6.1%～39.1%，并且脈沖電場處理制備的辛烯基琥珀酸淀粉酯的糊化溫度降低7.6～15.1 ℃，而未經(jīng)脈沖電場處理的樣品僅降低3 ℃。綜上，脈沖電場處理可縮短淀粉化學改性時間、提高化學改性效率并提高改性淀粉的取代度。與歐姆加熱常用的直流電、交流電相比，脈沖電場是通過脈沖的方式產(chǎn)生電場，電極表面的電化學反應可被顯著降低或避免。但是，淀粉化學改性一般需在較為劇烈的反應條件下（強酸、強堿等）進行，金屬電極的使用依然可能造成設備的損害和樣品的污染。因此，為利用電場技術實現(xiàn)大規(guī)模的淀粉化學改性，最根本的解決方案是開發(fā)一種無須使用金屬電極的電場技術。

3.3.3 感應電場

與歐姆加熱和脈沖電場相比，感應電場無需使用金屬電極，故而可在加速淀粉化學改性的同時，避免在電極表面電化學腐蝕導致樣品重金屬污染和設備損壞等問題。目前，感應電場已被證實可強化淀粉、纖維素、殼聚糖、瓜爾膠和果膠等多糖的酸解。李丹丹系統(tǒng)研究了感應電加工效率與勵磁電參數(shù)、介質(zhì)導電性和底物帶電性質(zhì)間的關聯(lián)，探明了電場調(diào)控淀粉等多糖酸解效率和選擇性的熱/非熱機制。以玉米淀粉為研究對象，證實磁感應電場作用下H快速、定向攻擊多糖分子鏈，可同時提高淀粉酸解的速率和選擇性（圖3）。勵磁電壓增加，帶電粒子運動速率增加，與底物間碰撞幾率增加，酸解效率和選擇性均增加；勵磁頻率增加，帶電粒子運動方向變化頻率增加，酸解效率變化不大，但酸解選擇性顯著增加；介質(zhì)電導率增加，反應體系中電能利用率增加，酸解效率和選擇性均增加。以馬鈴薯淀粉為研究對象，研究發(fā)現(xiàn)感應電場作用下淀粉的酸解過程分3 步進行：首先，H攻擊淀粉顆粒表面的結晶硬層，淀粉顆粒表面變粗糙、相對結晶度略有增加；其次，淀粉內(nèi)部的無定形層和結晶層被同時水解，但由于無定形層更疏松，H攻擊位于無定形層的淀粉分子鏈速率更快，淀粉相對結晶度增加、顆粒尺寸和相對分子質(zhì)量迅速降低；最后，剩余的結晶層被緩慢水解，淀粉顆粒和結晶結構被完全破壞。周宇益等研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，感應電場處理后，淀粉酸解液中還原糖含量可增加52.07%。以上研究均證實了感應電場技術在淀粉化學改性領域的應用潛力。但是，該項技術尚處于實驗室探索階段，且在淀粉化學改性的應用集中于淀粉酸解，關于淀粉酯化、交聯(lián)、醚化等的研究有待進一步探究。

圖3 感應電場對淀粉酸解效率和選擇性的影響[26]Fig.3 Effect of induced electric field on the efficiency and selectivity of acid hydrolysis of starch[26]

有關電場輔助淀粉化學改性的研究總結見表3。

表3 電場輔助淀粉化學改性的研究Table 3 Recent studies on chemical modification of starch by electric field techniques

4 結 語

電場處理作為食品加工常用的物理手段，具有綠色、高效、快速等特點，從而在淀粉深加工領域具有較大的應用潛力。歐姆加熱和感應電場主要誘導產(chǎn)生焦耳熱效應：低強度時，淀粉結晶有序性增加，糊化溫度升高，糊化溫度范圍變窄，發(fā)生退火；高強度時，淀粉顆粒吸水膨脹破裂，顆粒結構和結晶結構被完全破壞，淀粉糊黏度顯著降低，發(fā)生糊化。脈沖電場屬于非熱力加工技術，主要通過產(chǎn)生高強度脈沖作用于淀粉顆粒表面，在淀粉顆粒表面產(chǎn)生孔洞，并導致淀粉相對結晶度的降低。淀粉結構的破壞有利于增加淀粉顆粒與化學/酶試劑間的親和力，提高淀粉化學/酶法改性效率。對于酶法反應體系來說，電場破壞淀粉顆粒和半結晶結構通常需較高的電場強度，此時維持淀粉酶構象的次級鍵被破壞，淀粉酶活性會在一定程度上喪失，因而電場技術往往不適合用于淀粉的酶法改性。對于化學反應體系來說，電場驅(qū)動的帶電粒子快速定向遷移，一方面會導致底物-底物/底物-催化劑間碰撞機率增加；另一方面會加速反應中間產(chǎn)物間的電子流動，影響中間產(chǎn)物的穩(wěn)定性，從而在淀粉化學改性領域有著較為廣泛的應用前景。然而，淀粉化學改性通常需在較為極端的環(huán)境下（強酸、強堿等）進行，歐姆加熱和脈沖電場處理過程中，金屬電極表面會發(fā)生電化學腐蝕，從而極大地限制了其在淀粉化學改性領域的應用。感應電場可通過電磁感應的方式直接在樣品內(nèi)部產(chǎn)生電場，已有大量研究證實其可強化淀粉等多糖酸解的效率和選擇性，且處理過程無需使用金屬電極，不存在電化學污染問題，因而在淀粉深加工領域的應用前景看好。但目前關于感應電場的研究尚處于探索階段，感應電場設備開發(fā)、感應電場強化淀粉改性的案例和機制均有待進一步探究。