高压均质对玉米淀粉机械力化学效应研究

李贵萧 牛 凯 侯汉学 张 慧 代养勇 董海洲 刘传富

(山东农业大学食品科学与工程学院，泰安 271018)

高压均质对玉米淀粉机械力化学效应研究

李贵萧 牛 凯 侯汉学 张 慧 代养勇 董海洲 刘传富

(山东农业大学食品科学与工程学院，泰安 271018)

以玉米淀粉为原料，通过扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)、X-射线衍射(X-ray diffraction, XRD)、激光共聚焦显微镜(confocal laser scanning microscopy, CLSM)、快速黏度分析仪(rapid visco analyser, RVA)、差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry, DSC)、偏光显微镜(polarizing microscope, PLM)等手段研究高压均质处理对玉米淀粉微观结构及理化性质的影响，揭示高压均质对玉米淀粉机械力化学效应。结果表明，高压均质对淀粉颗粒的无定形区、结晶区产生很强的机械力化学作用，推断淀粉颗粒内部依次发生了聚集和团聚效应。

玉米淀粉 机械力化学效应 理化性质 结构

董海洲，男，1957年出生，教授，粮油加工

机械力化学是研究在给固体物质施加机械能量时固体形态、晶体结构等发生变化并诱导物理、化学变化的一门学科，实质上是把机械力的能量(高压、剪切、碾轧、摩擦等)转化为化学能的过程[1]，其涉及固体化学、表面化学、应用化学、矿物加工、粉体科学等多门学科[2]。机械力对晶体物质作用过程通常分为3个阶段，依次是受力阶段、聚集阶段、团聚阶段[3]。目前，国内外对淀粉机械力作用研究主要集中在球磨方面[4]，而高压均质对物料可产生强烈的剪切、撞击、振荡和气穴等机械力效应[5]，但相关报道较少。

本研究以玉米淀粉为原料，通过利用偏光显微镜(PLM)、激光共聚焦显微镜(CLSM)、差示扫描量热仪(DSC)、快速黏性分析仪(RVA)等手段研究高压均质对玉米淀粉微观结构及理化性质的影响，并揭示高压均质对淀粉颗粒的机械力化学效应，为淀粉物理改性提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米淀粉：山东诸城兴贸玉米开发有限公司。APTS(8-氨基芘基-1,3,6三磺酸三钠盐)： 美国Sigma-Aldrich公司。

RVA-Eritm黏度分析仪：瑞典波通仪器公司；D8 ADVANCE型X射线衍射仪：德国BRUKER-AXS有限公司；ZKY-303S型高压均质机：北京中科浩宇科技发展有限公司；B-383POL偏光显微镜：意大利康帕斯公司；QUANTA FEG250扫描电子显微镜：美国FEI公司。

1.2 试验方法

1.2.1 高压均质淀粉的制备

取200 g玉米淀粉(干基)，配成18%的淀粉乳，搅拌均匀，利用高压均质机在100 MPa压力下处理1、3、5、7次，40 ℃通风干燥48 h，采用高速多功能粉碎机研磨至粉状，密封备用。

1.2.2 水溶指数和膨胀度的测定

准确称取9 g玉米淀粉(干基)于烧杯中，配成450 mL淀粉乳，85 ℃水浴糊化30 min，3 000 r/min 离心30 min。将上清液倾出于已恒重烧杯中，称量并记录，然后于105 ℃烘干至恒重，称其质量为溶解的淀粉质量A，称取离心后沉淀物质量为膨胀淀粉质量P，计算水溶指数和膨胀度，公式[6-7]：

水溶指数S=A/W×100%

膨胀度(g/g)=P/[W(100-S)]×100

式中：A为上清液烘干恒重后的质量/g；W为绝干样品质量/g；P为离心后沉淀物质量/g。

1.2.3 透光率的测定

称取0.5 g玉米淀粉(干基)，配成50 mL淀粉乳，沸水浴加热糊化30 min。每水浴5 min利用磁力搅拌器搅拌2 min。糊化完成后冷却至室温，利用分光光度计于650 nm波长下测定吸光度，以蒸馏水为空白，平行3次，计算淀粉糊的透光率[8]。

透光率/%=102-吸光度

1.2.4 糊化特性的测定

根据样品的含水量，得到所需淀粉样品质量和去离子水[9]，采用快速黏度分析仪进行。将样品与水于RVA 样品盒中充分混合。测定过程中温度控制如下：50 ℃保持1 min，3.7 min后上升至95 ℃，95 ℃保持2.5 min，3.8 min后下降至50 ℃，50 ℃保持 2 min。起始10 s内转速为960 r/min，以后保持160 r/min[10]。

1.2.5 差示量热扫描(DSC)分析

称取5 mg淀粉样品于铝制密封坩埚中，加入15 μL去离子水，室温下平衡过夜。升温速率为5 ℃/min，升温温度为10～99 ℃，记录升温过程的DSC曲线。保护气为氮气，流速为 60 mL/min。同时记录淀粉糊化起始温度(TO)、峰值温度(Tp)、终止温度(TC)和淀粉糊化焓变(ΔH)。

1.2.6 热稳定性(TGA)分析

试样经45 ℃干燥12 h，采用TA-60热重分析仪测定样品的热稳定性，测试条件：试样质量 5 mg，升温速率 25 ℃/min，温度范围 25～500 ℃，N2为保护气。

1.2.7 扫描电镜(SEM)观察

试样经40 ℃恒温干燥12 h，均匀涂在模具上，离子溅射喷涂铂金后，采用扫描电镜进行观察。

1.2.8 激光共聚焦显微镜(CLSM)分析

取10 mg样品与新鲜配制的15 μL 10 mmol/L APTS(醋酸为溶剂)及15 μL 1 mol/L氰基硼氢化钠混合，于30 ℃反应15 h，用1 mL去离子水清洗5次，悬浮于100 μL 50%甘油、水混合液中，取一滴悬浮液于CLSM观察[11]。

1.2.9 偏光显微镜观测淀粉颗粒形态

将样品配成1%淀粉乳置于载玻片上，盖上盖玻片后于光学显微镜下观察，记录淀粉在偏振光源下的形貌特征。

1.2.10 X-射线衍射分析

采用X-衍射仪测定结晶特性。测试条件：特征射线CuKα，管压为40 kV，电流100 mA，扫描速率为4°/min，测量角度2θ=5°～40°，步长为0.02°，发散狭峰为1°，防发散狭峰为1°，接受狭峰为0.16 mm[6,12]。

1.2.11 激光粒度法测定淀粉颗粒粒径

采用 LS-POF 激光粒度分析仪测定淀粉的粒级分布。将玉米淀粉悬浮于去离子水中，将待测液倒入样品池中超声波分散20 s后测定。根据激光衍射法进行自动分析，得粒径分布图和平均粒径数据，每个样品测定4次。

1.2.12 数据处理

试验数据重复3次，采用Excel、Origin 8.5软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 高压均质对玉米淀粉颗粒形貌的影响

玉米原淀粉多呈现椭圆形，表面较光滑，形状大小不均，部分为多角形，少数呈无规则形状[13]。在扫描电镜下，可观察到淀粉颗粒表面有微细状针孔结构。由图1可知，高压均质1次时，淀粉颗粒孔洞结构增多，可见高压均质的空化效应对淀粉微细状针孔结构产生了强烈的作用力[14]；当均质处理3～5次时，淀粉颗粒多孔洞结构减少，推断淀粉颗粒无定形结构受到破坏；同时，在颗粒表面出现球状突起，内部形成球状结构，可能是淀粉颗粒内部发生了聚集[15]。且由于强剪切力作用，淀粉颗粒破裂产生很多碎片；但当均质处理7次时，很多碎片融合在淀粉颗粒表面，表面破坏程度减弱，说明与均质3～5次相比，该阶段淀粉颗粒内部又发生了变化。

注：a为玉米原淀粉；b、c、d、e分别为100 MPa均质处理1、3、5、7次，下同。图1 均质处理玉米淀粉颗粒的扫描电镜图(×2 000)

2.2 高压均质对玉米淀粉内部微观结构的影响

CLSM可用于观察淀粉颗粒内部微观结构。由图2可知，淀粉颗粒中心亮度低的部位为中央腔，颗粒内部暗线为孔道结构，但孔道长度存在差异[11]。

由图2可知，高压均质1次时，淀粉颗粒孔道变粗，可见高压均质的空化效应通过淀粉颗粒的孔道结构对淀粉内部产生机械力作用[14]。均质3～5次时，在淀粉颗粒内部出现一些球状亮点，推断淀粉颗粒内部发生了聚集。高压均质7次时，淀粉颗粒内部球状亮点、中央腔和孔道均减少，可见该阶段淀粉颗粒内部聚集结构和淀粉颗粒原有结构均破坏。

图2 均质处理玉米淀粉颗粒的激光共聚焦显微图(×1 600)

2.3 高压均质对玉米淀粉颗粒偏光十字的影响

淀粉由结晶区和非结晶区组成，结晶区淀粉分子链呈有序排列，而非结晶区呈无序排列，因两者密度和折射率存在差别而产生各向异性现象，从而形成偏光十字，该双折射现象的强度取决于颗粒的大小以及结晶度和微晶取向[16]。

由图3可知，原淀粉颗粒偏光十字清晰完整，多数呈垂直交叉的正十字型，交叉点接近于淀粉粒心，表明玉米原淀粉多数近似球状晶体[17]。当均质1次时，偏光十字变化不明显，说明该阶段机械力对晶体结构破坏作用不明显，推断该阶段可能主要作用于无定形区；当高压均质3～5次时，部分颗粒偏光十字破坏，可见该阶段对淀粉颗粒晶体结构产生了破坏作用，影响了颗粒内部密度和微晶取向，导致双折射特性消失[18]，但当均质7次时，破坏的偏光十字比例明显减少，推断部分晶体结构虽破坏，但该处理使颗粒内部可能发生了重结晶[18]。

图3 均质处理玉米淀粉颗粒偏光显微图(×400)

2.4 高压均质对淀粉颗粒粒径分布的影响

淀粉粒径大小直接影响糊化特性、透光率等理化性质，是决定淀粉品质的重要因素[19]。由图4可知，均质1次后粒径减小，但均质3～5次时粒径测定值增大，推断可能与原有颗粒结构破坏，形状变得不规则有关。均质7次时，粒径又减少，推断可能是颗粒内部空隙消失，形成完整球状结构所致。

图4 均质处理对玉米淀粉粒径分布的影响

2.5 高压均质对玉米淀粉晶体结构的影响

淀粉是一种天然多晶体系，X-射线衍射曲线呈现尖峰衍射特征和弥散衍射特征两部分，其原因为淀粉由结晶区和无定形区组成[20]。采用X-衍射分析淀粉衍射峰的强度和大小，能反映其结晶区域的变化程度。

淀粉颗粒内部结构稳定性顺序为：无定形区结构最弱，其次是靠近无定形区的亚结晶区结构，结晶区结构最强；结晶区的结构决定了淀粉的构型[21]。玉米淀粉在15.3°、17.1°、18.2°、23.5°有明显的衍射峰，为典型的A型晶体结构[22]。由图5可知，与原淀粉相比，均质处理后晶型未发生改变，但衍射峰强度减小，淀粉结晶度显著下降，说明淀粉晶体晶格有序化程度降低[23]。均质1次后，结晶度由原来的28.7%减小至23.2%，推断该处理可能破坏了亚结晶结构[21]；均质5次后结晶度继续下降至22.6%，结合图3推断，该阶段机械力可能作用于亚结晶结构与结晶结构[21]；但当均质7次后，结晶度又有所增大(23.8%)，结合图3猜测该阶段处理发生了重结晶。

图5 均质处理玉米淀粉颗粒的X-射线衍射图

2.6高压均质对玉米淀粉水溶指数和膨胀度的影响

注：图中数据均为3次重复平均值，不同大小写字母均表示在0.05水平差异显著，下同。图6 均质处理对玉米淀粉水溶指数和膨胀度的影响

水溶指数主要指溶解于水中的直链淀粉质量占总淀粉质量的百分比[19]，膨胀度反映了淀粉与水分子之间相互作用力的大小[7]。由图6可知，水溶指数呈上升趋势，且因直链淀粉主要存在于无定形区[20]，推断其与无定形区破坏有关。均质1次时，水溶指数增大至10.53%，可见该过程直链淀粉易于溶出，推测该处理对无定形区作用明显。均质处理3～5次时，淀粉水溶指数变化不显著，但膨胀度显著下降至9.63 g/g，推断该现象与淀粉颗粒内部产生聚集有关，当均质处理7次时，淀粉水溶指数显著增大至12.30%，膨胀度上升至10.57 g/g，可见该阶段无定形区发生了明显变化，直链淀粉易膨胀溶出[7]。

2.7 高压均质对玉米淀粉透光率的影响

透光率是淀粉糊所表现出的重要外在特征之一，直接关系到淀粉类产品的外观和用途，进而影响到产品的可接受性[24]。研究表明，透光率与淀粉的水溶指数呈正相关[20]，由此推测由于高压均质对无定形区产生破坏作用，导致淀粉的水溶指数增大，所以淀粉透光率整体呈增大趋势。当均质3～5次时，透光率下降，可能是因为淀粉颗粒内部发生了聚集。

图7 均质处理对玉米淀粉透光率的影响

2.8 高压均质对玉米淀粉糊化特性的影响

RVA测定淀粉从吸水溶胀到颗粒结构破坏，淀粉分子浸出的过程。淀粉吸水糊化后，膨胀的淀粉颗粒容易在热或搅拌作用下崩解成更小的不规则颗粒结构，该结构被称为“ghost”结构[25]。由图8可知，经高压均质处理1～5次后，由于无定形区稳定性和膨胀度下降，导致峰值黏度呈下降趋势[26]。此外淀粉聚集导致形成的“ghost”结构体积较小，所以谷值黏度、终值黏度均呈现下降趋势。然而均质7次时，由于无定形区破坏，淀粉膨胀度增加，所以峰值黏度上升，达到1 288 MPa·s；但谷值黏度和终值黏度下降，推断该阶段发生重结晶，导致淀粉颗粒形成的“ghost”结构体积更小，从而使谷值黏度和终值黏度更低[25]。

图8 均质处理对玉米淀粉糊化特性的影响

2.9 高压均质对玉米淀粉热力学特性的影响

淀粉颗粒受热吸水膨胀，分子间和分子内氢键断裂，淀粉分子扩散，因此呈现吸热峰。热焓值为糊化过程解开双螺旋所需的能量，热焓值越大，表示淀粉颗粒结构越紧密[27]。

由图9可知，与原淀粉相比，均质1～5次处理后，糊化温度显著降低，同时热焓也明显下降，表明在这两个阶段，部分双螺旋结构破坏，转化为无定形区，分子间相互作用力减弱，使淀粉更易糊化[27-28]。而均质处理7次时，由于颗粒内部发生重结晶，形成新的双螺旋结构，导致糊化温度和焓变又有所升高[27]。

图9 均质处理对玉米淀粉糊化特性的影响

2.10 高压均质对玉米淀粉热稳定性的影响

由图10a可看出，玉米淀粉TGA曲线主要有两个失重阶段，分别为60～150 ℃和280～350 ℃。在60～150 ℃阶段质量略有下降，这主要是挥发性组分及吸附水散失所致[29]；而280～350 ℃阶段失重明显，应该与淀粉糖类有机物热解逸散有关[30-31]。60～150 ℃阶段，均质处理5次时淀粉剩余百分率最低，推断可能是该阶段颗粒内部亚结晶结构与结晶结构破坏后，无序化程度增加，吸附水易散失。260～390 ℃阶段，与原淀粉相比，均质处理后淀粉失重起始温度升高，可见均质处理后淀粉热稳定性增强；由图10b可知，高压均质后淀粉失重速率逐渐增大。推断均质处理后，无定形区、亚结晶结构及结晶结构受到破坏，所以淀粉热解速率增大[31]。

图10 均质处理玉米淀粉的TGA和DTG曲线图

3 结论

高压均质处理破坏了玉米淀粉颗粒内部结构，导致其理化性质发生显著变化。均质1次时孔道结构增大，无定形区破坏(受力阶段)。均质3～5次时，淀粉颗粒亚结晶区与结晶区破坏，颗粒内部聚集成球体结构(聚集阶段)。均质7次时颗粒内部中央腔、孔道及球状结构减少，淀粉重结晶进入团聚阶段。

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Mechanochemical Effects of High Pressure Homogenization on Corn Starch

Li Guixiao Niu Kai Hou Hanxue Zhang Hui Dai Yangyong Dong Haizhou Liu Chuanfu
(College of Food Science and Engineering,Shandong Agricultural University, Taian 271018)

Using corn starch as raw materials, the microstructure and physicochemical properties of modified starch were examined by scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), confocal laser scanning microscopy (CLSM), rapid visco analyser (RVA), differential scanning calorimetry(DSC), polarizing microscope (PLM). Further, he mechanochemical effects of high pressure homogenization on corn starch were revealed. The results showed that high pressure homogenization had significant mechanochemical effects on the amorphous and crystalline regions of starch granules, and aggregation and agglomeration effects occurred successively in starch granules.

corn starch, mechanochemical effects, physicochemical properties, structure

TS231

A

1003-0174(2017)09-0062-07

国家自然科学基金(31471619)，山东省自然科学基金(ZR2014JL020)

2016-07-13

李贵萧，女，1991年出生，硕士，粮油加工

代养勇，男，1975年出生，副教授，粮油加工