廖雪勤,汪 楠,胡 榮,薛冰潔,張甫生,3,鄭 炯,3,*
(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶 400715;2.食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(西南大學(xué)),重慶 400715;3.川渝共建特色食品重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715)
蓮藕屬于睡蓮科多年生植物,目前在中國(guó)有3 000多年的栽培歷史,種植范圍廣泛。蓮藕的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高,富含蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素、脂肪、維生素、礦物質(zhì)等多種對(duì)人體有益的成分[1]。蓮藕淀粉(lotus root starch,LS)是蓮藕的主要成分之一,其中直鏈淀粉含量為22%~51%,支鏈淀粉含量為35%~45%[2]。雖然LS已作為增稠劑、穩(wěn)定劑和膠凝劑等廣泛應(yīng)用于食品加工,但天然的LS仍存在對(duì)加工條件耐受性差、易回生、透明度低等問(wèn)題[3]。這是由于緊密排列的直鏈淀粉分子導(dǎo)致淀粉粒硬度增大、不溶于水,從而降低了LS的糊化和凝膠形成能力[4]。此外,浸出的直鏈淀粉分子和解聚的支鏈淀粉糊化后再結(jié)晶進(jìn)一步導(dǎo)致了LS易回生[5],這些問(wèn)題限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。因此,需要采用有效的技術(shù)手段對(duì)天然LS進(jìn)行改性以提高其品質(zhì)。
淀粉改性常采用物理、化學(xué)、生物方法,其中物理方法中的超聲技術(shù)具有改性效果優(yōu)良、環(huán)境友好、能耗較低等優(yōu)點(diǎn),是一種很有前景的技術(shù)[6]。研究表明,高超聲功率能有效改變淀粉的糊化溫度和焓值,改善淀粉的糊化回生性能[7],使淀粉顆粒表面出現(xiàn)孔洞和凹槽[8],并破壞淀粉的結(jié)晶區(qū)域,使短程有序結(jié)構(gòu)增多,而較低的超聲功率對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)和理化特性影響較小[9]。目前,超聲波技術(shù)在淀粉改性中的研究大多數(shù)集中于不同超聲處理功率對(duì)淀粉的影響方面,關(guān)于不同超聲處理時(shí)間對(duì)淀粉理化性質(zhì)及多尺度結(jié)構(gòu)影響的報(bào)道較少。因此,本研究通過(guò)測(cè)定不同超聲處理時(shí)間(0、10、20、30、40、50 min)對(duì)LS的糊化、流變特性以及多尺度結(jié)構(gòu)的影響,并采用掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)等對(duì)其顆粒形貌、短程有序結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,以期為超聲技術(shù)在LS性能改善及品質(zhì)調(diào)控中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
LS(淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于93%)湖北愛(ài)荷食品有限公司;氯化鈉、尿素、溴化鉀(化學(xué)純)成都市科隆化工試劑廠。
JA2003電子分析天平 上海良平儀器儀表有限公司;JY99-IIDN超聲波細(xì)胞粉碎儀 寧波新芝生物科技股份有限公司;TecMaster快速黏度分析儀 澳大利亞Perten公司;DHR-1流變儀、New Castle DE差示掃描量熱儀(differential scanning calorimetry,DSC)美國(guó)TA公司;JSM-6490LV掃描電鏡 日本電子公司;NanoSTAR小角X射線散射儀(small angle X-ray scattering,SAXS)、AXS XRD儀 德國(guó)Bruker公司;Frontier MIR紅外光譜分析儀 英國(guó)Perkin Elmer公司;AVANCE核磁共振(nuclear magnetic resonance spectra,NMR)儀 瑞士Brooke Beurspine公司。
1.3.1 樣品超聲處理
將24 g LS和120 mL蒸餾水均勻混合于200 mL燒杯中,置于超聲波細(xì)胞粉碎儀,設(shè)置超聲強(qiáng)度為73.3 W/cm2,超聲時(shí)使用1∶1的占空比(脈沖時(shí)間5 s、間歇時(shí)間5 s)分別處理0、10、20、30、40、50 min。超聲作用時(shí),利用冰水浴控制反應(yīng)體系溫度不超過(guò)25 ℃,處理后的樣品冷凍干燥后用于后續(xù)指標(biāo)測(cè)定。以超聲處理時(shí)間為0 min的樣品為對(duì)照組(CK)。
1.3.2 糊化特性測(cè)定
將3 g超聲處理后的LS分散于25 mL蒸餾水中,充分混合均勻,得到的懸浮樣品于快速黏度分析儀的專用測(cè)試鋁盒中檢測(cè)糊化性能。測(cè)試程序參照文獻(xiàn)[10]。在50 ℃保溫1 min,以12 ℃/min的速率升溫到95 ℃,并在95 ℃保溫2.5 min,然后以12 ℃/min的速率降溫至50 ℃,并在50 ℃保溫2 min。
1.3.3 流變特性測(cè)定
取糊化后的樣品立刻轉(zhuǎn)移至流變儀測(cè)定平臺(tái)上測(cè)定,選擇直徑為40 mm的平板,設(shè)置平板間隙為1 000 μm,上樣平衡時(shí)間為30 s,測(cè)試溫度為25 ℃。
1.3.3.1 靜態(tài)流變特性測(cè)定
采用兩步程序測(cè)試樣品的觸變性,測(cè)試程序:剪切速率從0 s-1增加至300 s-1(上行),再?gòu)?00 s-1下降至0 s-1(下行)。
流變模型擬合分析:依據(jù)剪切應(yīng)力(τ)與剪切速率(γ)的關(guān)系,運(yùn)用冪律定理(Power-Law模型)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,方程如式(1)所示:
式中:τ為剪切應(yīng)力/Pa;K為稠度系數(shù)/(Pa·sn);γ為剪切速率/s-1;n為流體指數(shù)。
1.3.3.2 動(dòng)態(tài)黏彈特性測(cè)定
在0.1~10 Hz頻率范圍內(nèi),在1%應(yīng)變條件下,測(cè)量線性黏彈性區(qū)域內(nèi)的儲(chǔ)能模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗角正切值tanδ=G″/G′。
1.3.4 熱力學(xué)特性測(cè)定
通過(guò)DSC分析樣品的熱力學(xué)特性,參照Ding Yongbo等[11]的方法,將5 mg超聲LS懸浮液和10 μL蒸餾水置于鋁坩堝中,4 ℃平衡12 h,測(cè)定熱穩(wěn)定性,測(cè)量過(guò)程中的溫度以10 ℃/min的速率從30 ℃上升到160 ℃。
1.3.5 淀粉顆粒形貌觀察
采用掃描電鏡對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行顆粒形貌觀察。測(cè)試前,將待測(cè)粉末樣品置于40 ℃烘箱內(nèi)干燥12 h,取適量樣品分散于貼有導(dǎo)電雙面膠的載物臺(tái)上,利用真空離子濺射儀噴金后,20.0 kV加速電壓條件下拍攝圖像,×4 000觀察樣品顆粒形貌。
1.3.6 層狀結(jié)構(gòu)測(cè)定
淀粉顆粒內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)通過(guò)SAXS測(cè)定。將樣品配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%的淀粉乳,采用SAXS,在X射線波長(zhǎng)為0.154 nm、電壓50 kV、電流0.6 mA條件下測(cè)定樣品的層狀結(jié)構(gòu),使用Vantec-2000二維探測(cè)器[12]。參照Z(yǔ)hu Jie等[13]的方法獲得分形和層狀結(jié)構(gòu)參數(shù)。散射強(qiáng)度I和散射角度q遵循Power-Law模型I~q-α,在低q范圍內(nèi),一般采用I~q-α量化SAXS強(qiáng)度與分形結(jié)構(gòu)的關(guān)系。α可由SAXS曲線在低q范圍內(nèi)的雙對(duì)數(shù)標(biāo)度斜率得到。
1.3.7 XRD測(cè)定
采用XRD分析儀對(duì)樣品晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,特征射線Cu靶-石墨單色器,管壓40 kV,電流30 mA,測(cè)量角度范圍2θ=4°~40°,發(fā)射及防反射狹縫1°,接收狹縫為0.3 mm,掃描速度為2°/min,步寬0.02°。采用Jade 6.5軟件處理衍射圖譜,并將其分為微晶區(qū)、亞微晶區(qū)、非結(jié)晶區(qū)[14],根據(jù)其計(jì)算樣品的相對(duì)結(jié)晶度。三者比例以及相對(duì)結(jié)晶度分別按式(2)~(5)計(jì)算:
式中:IC1為微晶區(qū)面積;IC2為亞晶區(qū)面積;Iα為非晶區(qū)面積。
1.3.8 傅里葉變換紅外光譜分析
稱取樣品(3.00±0.05)mg與預(yù)先研磨過(guò)的KBr粉末混合至總質(zhì)量為(300.0±0.1)mg,以空氣為背景采集紅外光譜圖,掃描64 次,分辨率為4 cm-1,波數(shù)范圍為4 000~600 cm-1,并計(jì)算出R1047/1022值。
1.3.91H NMR測(cè)定
根據(jù)Wang Nan等[15]的方法,利用1H NMR分析淀粉樣品的糖苷鍵比。將80 mg樣品溶解在1 mL二甲亞砜中。在25 ℃測(cè)定得到樣品的1H NMR。α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵分別在δ=5.11和δ=4.90處測(cè)定。采用軟件MestReNova 14處理圖譜,分支度(degree of branching,DB)按式(6)計(jì)算:
式中:Iα-1,4和Iα-1,6分別為α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵的1H NMR積分。
峰值黏度反映了淀粉的最大溶脹力[16]。如表1所示,與CK相比,超聲處理后的峰值黏度顯著增加,這是因?yàn)槌晻?huì)影響淀粉的非結(jié)晶區(qū)域,促使水分子進(jìn)入,從而增強(qiáng)淀粉的溶脹能力[17]。超聲處理10~30 min,峰值黏度和谷值黏度均隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,并在30 min時(shí)分別達(dá)到最大值(6 059±31)mPa·s和(3 716±17)mPa·s,隨后開(kāi)始降低。這一結(jié)果表明過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理可能會(huì)破壞淀粉的顆粒結(jié)構(gòu),從而減少淀粉分子的溶脹和纏結(jié)[18]。Yang Wenhan等[19]研究發(fā)現(xiàn),超聲處理中強(qiáng)烈的剪切力、微射流和空化效應(yīng)會(huì)誘導(dǎo)淀粉大分子長(zhǎng)鏈斷裂成許多短鏈,降低淀粉顆粒的完整性,從而導(dǎo)致終止黏度降低。崩解值可以表征淀粉糊的穩(wěn)定性[19],超聲處理后樣品的崩解值都增加,說(shuō)明淀粉糊的穩(wěn)定性下降。超聲處理50 min時(shí)淀粉糊的穩(wěn)定性相較于10~40 min有所增加,但仍小于CK。
表1 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS糊化特性的影響Table 1 Effect of different ultrasound treatment time on the pasting properties of LS
由表1可知,LS的終止黏度隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,30 min時(shí)達(dá)到最大值((4 580±15)mPa·s),這是因?yàn)槎虝r(shí)間超聲處理促進(jìn)了淀粉的糊化,因此在回生過(guò)程中,淀粉鏈重結(jié)晶程度增大,淀粉的抗剪切能力增大。但長(zhǎng)時(shí)間超聲處理(40~50 min)對(duì)淀粉糊化的促進(jìn)弱于短時(shí)間超聲處理,導(dǎo)致終止黏度降低,但仍高于CK。LS的回復(fù)值隨超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小,說(shuō)明淀粉的短期回生程度先升高后降低,且高于CK。長(zhǎng)時(shí)間超聲處理使回復(fù)值降低,這是因?yàn)榻龅闹辨湹矸酆烷L(zhǎng)鏈支鏈淀粉斷裂,淀粉聚合度降低[19]。這與Harpreet等[20]對(duì)小麥粉糊化特性的研究結(jié)論相似。超聲處理后淀粉的糊化溫度高于CK,這說(shuō)明超聲處理增強(qiáng)了淀粉顆粒對(duì)熱的抵抗能力。而長(zhǎng)時(shí)間超聲處理后淀粉的糊化溫度開(kāi)始下降,這可能是由于支鏈淀粉被降解,促進(jìn)了LS的糊化[20]。
2.2.1 靜態(tài)流變特性
由圖1可知,所有樣品黏度均隨剪切速率增大而減小,表現(xiàn)出典型的剪切變稀現(xiàn)象,說(shuō)明超聲處理并未改變LS的假塑性流體特征。不同超聲時(shí)間處理后LS的表觀黏度和應(yīng)力均增大,說(shuō)明超聲處理增強(qiáng)了淀粉凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和流動(dòng)阻力,這是因?yàn)槌暤臋C(jī)械作用和空化效應(yīng)使淀粉分子間作用力增強(qiáng)[21]。在超聲處理10~30 min內(nèi),淀粉糊的表觀黏度和剪切應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大,繼續(xù)延長(zhǎng)處理時(shí)間,黏度和應(yīng)力反而下降,這與糊化特性的分析結(jié)果相印證。長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理破壞了淀粉鏈之間的氫鍵,降低了糊化程度,從而使黏度和剪切應(yīng)力減小[22]。
圖1 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS靜態(tài)流變特性的影響Fig.1 Effect of different ultrasound treatment times on the steady rheological properties of LS
采用Power-Law模型對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,如表2所示,R2均大于0.99,說(shuō)明Power-Law模型對(duì)該樣品靜態(tài)流變數(shù)據(jù)具有較好的擬合度。與CK相比,超聲處理后LS的K值增加,在30 min達(dá)到最大值115.03,說(shuō)明其黏度增加,這是因?yàn)槌曁幚泶龠M(jìn)了淀粉鏈的纏結(jié)。但在超聲處理30 min后,支鏈淀粉隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而被破壞,導(dǎo)致K值降低。超聲處理后n值降低表明淀粉糊假塑性增強(qiáng),劇烈的剪切力導(dǎo)致淀粉降解,增強(qiáng)了假塑性[23]。超聲處理后下行曲線K值與上行曲線K值變化趨勢(shì)相似,且下行曲線K值的變化小于上行曲線K值的變化。這一現(xiàn)象表明,淀粉凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞后難以隨著剪切力的減小而恢復(fù)。上行曲線和下行曲線圍成的面積S即為淀粉糊的滯后環(huán),反映了淀粉糊體系的觸變性。S值隨超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,在30 min時(shí)達(dá)到最大值29 540.29,隨后開(kāi)始降低,但均高于CK,說(shuō)明超聲處理使LS觸變性增強(qiáng)。40~50 min的S值降低可能是由于超聲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致淀粉分子鏈斷裂,不利于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形成。雖然該結(jié)構(gòu)的抗剪切能力較強(qiáng),但在破壞后難以恢復(fù)[23]。
表2 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS流變曲線擬合參數(shù)的影響Table 2 Effect of different ultrasound treatment times on fitting parameters of rheological curves of LS
2.2.2 動(dòng)態(tài)流變特性
超聲處理后LS的動(dòng)態(tài)流變特性如圖2所示。所有樣品的G′值均大于G″,說(shuō)明LS的彈性強(qiáng)于黏性。這與超聲處理玉米淀粉、馬鈴薯淀粉和豌豆淀粉的結(jié)果[24]一致。超聲處理后淀粉的G′和G″均高于CK,這是由于超聲處理破壞了淀粉分子無(wú)定型區(qū)的結(jié)構(gòu),更多水分子進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi),促進(jìn)糊化,導(dǎo)致黏度升高,另外淀粉分子間的相互作用增大,纏結(jié)得更加穩(wěn)固,形成了黏彈性更強(qiáng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[24]。G′和G″均隨超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,但G′在處理時(shí)間到達(dá)30 min后隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低,這與靜態(tài)流變特性的結(jié)果相似。淀粉分子尤其是直鏈淀粉在超聲的作用下會(huì)重新排列形成雙螺旋,從而增加淀粉凝膠的強(qiáng)度[25],而在長(zhǎng)時(shí)間的超聲作用下,空化效應(yīng)會(huì)使直鏈淀粉斷裂,分子間纏結(jié)程度低,因此黏彈性降低。
圖2 不同超聲時(shí)間對(duì)LS動(dòng)態(tài)流變特性的影響Fig.2 Effect of different ultrasound treatment times on the dynamic rheological properties of LS
30~160 ℃內(nèi)的兩個(gè)糊化峰分別表示LS兩種結(jié)構(gòu)的熔解。第1個(gè)峰出現(xiàn)在30~80 ℃之間,表示單螺旋結(jié)構(gòu)和無(wú)定形區(qū)的熔解,80~160 ℃內(nèi)的第2個(gè)峰對(duì)應(yīng)雙螺旋結(jié)構(gòu)和結(jié)晶區(qū)的熔解[11]。由表3可知,超聲處理后兩個(gè)峰的起始溫度T0和峰值溫度Tp幾乎都先隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而升高,在處理30 min時(shí)分別達(dá)到最大值(35.88±0.32)℃和(55.45±0.97)℃,80~160 ℃內(nèi),超聲處理30 minTp較對(duì)照組增大了11.09%,40~50 min時(shí)開(kāi)始降低,最后低于CK。T0主要與淀粉粒的無(wú)定形區(qū)有關(guān),而結(jié)晶區(qū)是影響Tp的主要因素,淀粉顆粒的致密化程度也對(duì)Tp有一定影響[26]。這說(shuō)明一定時(shí)間的超聲處理使淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定致密,而T0和Tp的降低可能是由于淀粉顆粒破碎與雙螺旋結(jié)構(gòu)松動(dòng)[27]。ΔH可用來(lái)表示淀粉相變過(guò)程中雙螺旋解聚及熔融所需要的能量,超聲處理后ΔH增大,這是因?yàn)槌曌饔迷鰪?qiáng)了淀粉鏈中的氫鍵,增加了雙螺旋的穩(wěn)定性[27]。同時(shí),淀粉結(jié)構(gòu)的破壞促進(jìn)了水分子在淀粉顆粒中的滲透,從而使淀粉更容易糊化,ΔH增大[28]。由表3可知,80~160 ℃內(nèi),超聲處理30 min ΔH較對(duì)照組增大了89.21%,超聲處理40、50 min時(shí)的ΔH均低于處理30 min的ΔH(972.01±4.46)J/g和(2 309.37±7.31)J/g,ΔH的降低可能是由于空化氣泡坍塌釋放的大量能量破壞了部分結(jié)晶區(qū),還導(dǎo)致雙螺旋解聚[29]。Hu Aijun等[27]在研究雙頻超聲處理大米淀粉時(shí)也得到類似結(jié)果,但在處理馬鈴薯淀粉時(shí)結(jié)果相反。
表3 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS熱學(xué)特性的影響Table 3 Effect of different ultrasound treatment times on thermal properties of LS
由圖3可知,CK中淀粉顆粒以橢圓形和球形為主,表面光滑,超聲處理后的LS表面出現(xiàn)孔洞,促進(jìn)水向內(nèi)滲透,使其具有較高的糊化黏度。隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng),淀粉顆粒表面變得更加粗糙,并出現(xiàn)額外的裂縫和凹陷。在處理40、50 min組中有部分淀粉顆粒表面在長(zhǎng)時(shí)間的超聲作用下由于空化氣泡的快速形成和坍塌產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力完全被破壞(圖中圈畫部分),淀粉顆粒的破壞削弱了淀粉分子間的相互作用,從而導(dǎo)致了淀粉糊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的減弱[30]。此外,超聲處理后部分破碎的淀粉顆粒可能為水的向內(nèi)擴(kuò)散提供額外的通道,從而改變LS的顆粒結(jié)構(gòu),因此淀粉的溶脹能力增強(qiáng),這與在糊化性能測(cè)定中觀察到的結(jié)果一致。
圖3 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effect of different ultrasound treatment times on the microstructure of LS
由圖4A可知,LS在q=0.626 nm-1處有一個(gè)明顯的散射峰,根據(jù)Woolf-Bragg公式dBragg=2π/q,可以計(jì)算淀粉顆粒半結(jié)晶片層的厚度[31],結(jié)果如圖4B所示。從圖中可以看出,超聲處理后LS的半結(jié)晶層厚度增大,且隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)先增大(10、20 min)后減?。?0、40、50 min),最大值為10.508 nm。這可能是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)某曁幚頃r(shí)間促進(jìn)非結(jié)晶區(qū)的膨脹,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),超聲處理時(shí)產(chǎn)生的空化效應(yīng)破壞了LS的部分無(wú)定形層和結(jié)晶片層,層狀厚度隨之減小。
圖4 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS層狀結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 Effect of different ultrasound treatment times on the lamellar structure of LS
根據(jù)Power-Law模型I~q-α,當(dāng)1<α<3,質(zhì)量分形維數(shù)Dm=α,Dm值越接近1,表明淀粉聚集體結(jié)構(gòu)越疏松,越接近3表明越致密;當(dāng)3<α<4,表面分形維數(shù)Ds=6-α,Ds值越大表明散射體表面越粗糙[30]。從圖4C可以看出,所有樣品的α值都在2.22~2.80的范圍內(nèi),說(shuō)明都為質(zhì)量分形結(jié)構(gòu)。超聲處理后,LS的Dm值均降低,表明超聲處理使淀粉的結(jié)構(gòu)變得疏松。這可能是由于超聲處理過(guò)程中振蕩和產(chǎn)生的剪切力影響了層狀晶體層的有序度,從而降低了淀粉結(jié)構(gòu)的致密性[13]。與超聲處理20 min后的樣品相比,處理30 min樣品的α值增大,表明超聲處理使得淀粉結(jié)構(gòu)變得疏松,但是隨著時(shí)間延長(zhǎng),在一定程度上又可以促進(jìn)一些緊密結(jié)構(gòu)的形成。但是當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到40 min和50 min后,淀粉的結(jié)構(gòu)被破壞從而又變得疏松。
如圖5A所示,CK在5.6°、15.0°、17.1°、23.0°、26.6°處出現(xiàn)特征衍射峰,說(shuō)明LS符合B型結(jié)晶特征[5],超聲處理后未出現(xiàn)其他位置的衍射峰,說(shuō)明在超聲過(guò)程中并未生成新的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。超聲處理后5.6°處衍射峰消失,而該處屬于B型結(jié)晶的較強(qiáng)衍射峰之一,表明超聲處理對(duì)其B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞。17.1°處衍射峰減弱,表明超聲破壞了淀粉無(wú)定形區(qū)中雙螺旋的部分排列。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),23.0°處的衍射峰強(qiáng)度減弱,可能是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的超聲進(jìn)一步影響了淀粉簇在結(jié)晶區(qū)域的排列[32]。淀粉顆粒中存在著微晶結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)及介于之間的亞微晶結(jié)構(gòu),通過(guò)計(jì)算XRD圖譜中峰面積得到上述3 種結(jié)構(gòu)的占比。由圖5B可知,超聲處理后LS亞微晶區(qū)結(jié)晶度增大,微晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)結(jié)晶度減小,表明淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于均勻,晶體崩解重組為亞微晶。超聲過(guò)程中,雙螺旋結(jié)構(gòu)由于空泡坍塌產(chǎn)生的振蕩而出現(xiàn)松動(dòng),但不離開(kāi)原有位置[33],因此,微晶區(qū)域減少,而亞微晶區(qū)域增加,這可能導(dǎo)致ΔH升高。LS的相對(duì)結(jié)晶度隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,這可能歸因于超聲產(chǎn)生的空化作用破壞了支鏈淀粉的結(jié)晶層,導(dǎo)致相對(duì)結(jié)晶度下降[33]。
圖5 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Effect of different ultrasound treatment times on the crystalline structure of LS
如圖6所示,超聲處理后未出現(xiàn)新的吸收峰,各吸收峰位置也未改變,說(shuō)明超聲只影響了LS的物理結(jié)構(gòu),并未破壞其化學(xué)結(jié)構(gòu)。研究表明,1 047、1 022 cm-1為典型的振動(dòng)吸收峰區(qū)域,波數(shù)1 047 cm-1附近的吸收峰與淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān),1 022 cm-1附近的吸收峰與無(wú)定形結(jié)構(gòu)有關(guān),因此兩處吸收峰的比值可以表征淀粉短程有序結(jié)構(gòu),1 047 cm-1/1 022 cm-1處吸收峰比值越大,表明有序度越高[34]。如圖6所示,超聲處理后R1047/1022值增大,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,在30 min時(shí)達(dá)到最大值,隨后略有下降,但仍高于原淀粉,這是由于超聲處理后無(wú)定形區(qū)和支鏈淀粉分子鏈被破壞,同時(shí)生成的短鏈分子鏈通過(guò)氫鍵形成新的有序結(jié)構(gòu),使R1047/1022值增加了3.20%,但處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致雙螺旋結(jié)構(gòu)和直鏈淀粉分子鏈斷裂,從而使R1047/1022值降低。結(jié)合XRD的結(jié)果可知,超聲處理能夠促進(jìn)淀粉分子排列成更有序的雙螺旋結(jié)構(gòu),但會(huì)使雙螺旋結(jié)構(gòu)松動(dòng),降低致密性[34]。
圖6 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS短程有序結(jié)構(gòu)的影響Fig.6 Effect of different ultrasound treatment times on the short-range ordered structure of LS
圖7A為不同時(shí)間超聲處理前后LS的1H NMR圖。圖中δ=5.11和δ=4.89處的化學(xué)位移分別代表了α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵結(jié)構(gòu),超聲處理后,α-1,6-糖苷鍵吸收峰強(qiáng)度明顯減弱,說(shuō)明在超聲處理過(guò)程中α-1,6-糖苷鍵被破壞。Yang Qingyu等[35]采用超聲處理糯玉米淀粉也得到了相似的結(jié)果。根據(jù)譜圖計(jì)算得到的DB如圖7B所示,超聲處理后LS的DB均減小,超聲處理40 min時(shí)達(dá)到最小值9.55%,說(shuō)明超聲產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力破壞了α-1,6-糖苷鍵[36]。超聲處理50 min后淀粉的DB有所增加,這可能是因?yàn)殡S著時(shí)間的延長(zhǎng),超聲開(kāi)始破壞α-1,4-糖苷鍵,DB增大[37]。超聲處理過(guò)程中,α-1,6-糖苷鍵較α-1,4-糖苷鍵更易被破壞,這是因?yàn)棣?1,4-糖苷鍵的空間位阻比α-1,6-糖苷鍵的空間位阻更穩(wěn)定[35]。
圖7 不同超聲處理時(shí)間對(duì)LS糖苷鍵的影響Fig.7 Effect of different ultrasound treatment times on the glycosidic bonds of LS
圖8為超聲處理對(duì)LS理化和結(jié)構(gòu)特性的影響機(jī)制示意圖。在超聲處理過(guò)程中,α-1,6-糖苷鍵被破壞(圖7),機(jī)械作用產(chǎn)生的剪切力使LS的部分支鏈斷裂,形成一些淀粉短鏈,這些分散在無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)域的短鏈取向重排,形成有序結(jié)構(gòu),淀粉分子有序化程度增加(圖6B)。結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,崩解重組為亞微晶結(jié)構(gòu),亞微晶區(qū)比例增加(圖5B)。由于淀粉分子間相互作用的增強(qiáng),淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)變得有序和緊密,淀粉內(nèi)部的纏結(jié)加劇。在無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)域熔化這種緊湊的雙螺旋結(jié)構(gòu)需要額外的能量,因此,Tp和ΔH增加。此外,淀粉表面出現(xiàn)的一些孔洞和凹陷促進(jìn)了水分子進(jìn)入無(wú)定形區(qū),增加了淀粉的糊化黏度。當(dāng)超聲處理時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),淀粉顆粒會(huì)被破壞,淀粉分子的溶脹和纏結(jié)減少,從而導(dǎo)致糊化黏度降低。在強(qiáng)烈的剪切力作用下,雙螺旋結(jié)構(gòu)松動(dòng),有序的單螺旋結(jié)構(gòu)被破壞,Tp、ΔH降低。因此,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,可以選擇適合的超聲時(shí)間從淀粉多尺度結(jié)構(gòu)層面上調(diào)控LS的性能以提高其品質(zhì)。
圖8 超聲處理對(duì)LS理化和結(jié)構(gòu)特性的影響機(jī)制示意圖Fig.8 Schematic diagram of the mechanism underlying the effect of ultrasound treatment on physicochemical and structural properties of LS
超聲處理時(shí)間對(duì)LS理化和結(jié)構(gòu)特性有較大的影響。超聲處理破壞了α-1,6-糖苷鍵,使部分支鏈淀粉斷裂,形成淀粉短鏈,并在超聲作用下重新排列形成有序的結(jié)構(gòu)。較短時(shí)間的超聲處理增強(qiáng)了淀粉間的相互作用,雙螺旋結(jié)構(gòu)變得有序和緊密,淀粉內(nèi)部的纏結(jié)增強(qiáng),從而提高了LS的黏彈性。在無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)熔化緊湊的雙螺旋結(jié)構(gòu)需要額外的能量,Tp和ΔH分別增大了11.09%和89.21%。此外,超聲處理后的淀粉表面出現(xiàn)孔洞和裂縫,促進(jìn)了水分子向無(wú)定形區(qū)的注入,從而增加了淀粉的糊化黏度。但長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理(40~50 min)不利于這種有序結(jié)構(gòu)的形成。本研究結(jié)果驗(yàn)證了超聲技術(shù)調(diào)控和改善LS性能的可行性,并為超聲技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)不同品質(zhì)的淀粉提供了理論參考。