高静压处理对红薯淀粉颗粒结构的影响

李红云，徐晓萍，陈厚荣，陶晓奇，张甫生

（西南大学食品科学学院，重庆 400715）

红薯（Ipomoea batatas (L.) Lam.）又称甘薯、地瓜，是一种重要的经济作物。我国红薯种类达2 000余种，种植面积和年产量居世界首位[1]。红薯淀粉（sweet potato starch，SPS）是一种天然可再生的工业原辅料，广泛应用于食品、造纸、制药等行业[2]。近年来，红薯原生淀粉显现出加工性差、黏度范围窄、成品质量差等缺陷，淀粉改性逐渐成为研究热点[3-6]。

淀粉颗粒由结晶区和非结晶区构成。颗粒结构研究能够从根本上改良淀粉特性，如溶解度、透明度、糊化度等，以拓宽其加工适应性[7]。淀粉改性的方法主要有化学、物理及生物改性3 类：化学改性可增强淀粉糊化稳定性等特性，但安全隐患高、加工流程多[8-9]；生物改性可提高淀粉透明度等特性，但耗时长且成本高[10-11]；而物理改性技术因其具有环保、安全、快捷等优点，逐渐成为淀粉改性研究的主要方向，其中高静压（hydrostatic high pressure，HHP）改性技术是近年来淀粉科学研究的焦点。HHP处理可以改变淀粉颗粒的形状和相对结晶度，降低木薯、大米、马铃薯等淀粉的糊化焓，增强其保水性、溶胀性和糊化稳定性；还可以影响颗粒的形状、尺寸及结晶结构，降低莲子淀粉和绿豆淀粉的透明度[12-13]。近年来，HHP处理食品的经济效益显著，逐渐应用于商业化生产。

SPS颗粒为圆形或多边形，结晶类型为C型，与A、B型的淀粉相比，C型淀粉转化自由度高，加工适应性强。与木薯淀粉、绿豆淀粉等其他C型淀粉相比，SPS的产量高、价格低，工业上常用作其他淀粉的替代品，如代替豆类淀粉作为面条配料等。系统地研究HHP处理对淀粉颗粒结构的影响有利于改良SPS性质，降低工业成本[14-17]。因此，本实验以SPS作为研究对象，通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）分析和傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）分析，系统研究200～600 MPa HHP处理对SPS颗粒结构的影响，在此基础上通过差示扫描量热（differential scanning calorimeter，DSC）分析、快速黏度分析（rapid visco analysis，RVA）仪测定改性后淀粉热力学特性和糊化特性的变化，以期为HHP改性SPS技术的应用提供理论依据与参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

SPS 河北邢台县四季红农副产品专业合作社；溴化钾（光谱纯） 天津光复精细化工研究所；铝盒重庆拉曼科技有限公司。

1.2 仪器与设备

HHP-750型HHP设备 内蒙古包头科发高压科技有限公司；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司；FA2104型高精数显电子天平上海舜宇恒平科学仪器有限公司；5810型台式高速离心机德国Eppendorf公司；RVA仪 澳大利亚Perten公司；BX43型显微镜 日本奥林巴斯公司；Spectrum 100型FTIR仪 美国Perkin Elmer公司；S-3000N型SEM日本日立精密仪器公司；D8 ADVANCE型XRD仪 德国布鲁克公司；Q2000型DSC仪 美国TA仪器公司。

1.3 方法

1.3.1 原材料的预处理

配制质量分数20%的SPS悬浮液，装入耐高压袋真空封口后充分摇匀，分别在0、200、300、400、500、600 MPa HHP处理20 min。样品取出抽滤后置于40 ℃烘箱中烘干，放入自封袋内，在常温干燥条件下密封贮存待用。

1.3.2 淀粉颗粒偏光十字结构的观察

配制质量分数0.1%的SPS悬浮液滴于载玻片上，用偏光显微镜观察淀粉颗粒偏光十字结构的变化。

1.3.3 淀粉颗粒形貌的观察

采用SEM观察SPS的颗粒形貌。将干燥的淀粉样品均匀涂抹于SEM载样器的双面胶上，除去多余淀粉，离子溅射喷金20 min后，将载样器置于SEM中，加速电压15 kV，观察样品的颗粒形貌并拍照。

1.3.4 XRD分析

采用XRD仪测定SPS颗粒的晶型结构。参数设置：采用Cu靶、石墨单色器，管压40 kV，电流30 mA，扫描范围衍射角2θ为4°～70°，步宽0.02°，扫描速率4（°）/min。

1.3.5 FTIR分析

采用FTIR仪对淀粉颗粒的晶型结构进行分析。将SPS和KBr在105 ℃分别干燥2 h，按质量比1∶40混匀，研磨均匀并压片后置于FTIR仪上测定。测定参数为：扫描波数范围4 000～400 cm－1，分辨率4 cm－1[17]。

1.3.6 热力学特性测定

取3 mg干燥的淀粉样品及9 μL蒸馏水，依次置于铝盒内，于压模器下压片密封，在室温下平衡l h后，使用DSC仪测定淀粉的热力学性质。操作参数：加热范围30～120 ℃，加热速率10 ℃/min，高纯氮气流量30 mL/min。以密封空白铝盒作为对照，记录淀粉的起始糊化温度To、糊化峰值Tp、糊化终止温度Tc和糊化焓ΔH。

1.3.7 淀粉糊化过程的测定

采用RVA仪测定SPS黏度曲线。配制质量分数6%的SPS悬浮液，参数设置：1 min内转速由960 r/min降低到160 r/min并保持稳定，从50 ℃开始升温，经过7.5 min升至95 ℃并保温5 min，再经过7.5 min降温到50 ℃，保温2 min。

1.4 数据分析

各实验均重复进行3 次。实验数据用SPSS Statistics 17.0与Origin 7.5软件进行统计处理与作图分析，实验数据表示为，采用Duncan’s法进行差异显著分析，以P＜0.05表示差异显著，使用Jade 5.0软件计算XRD图谱中淀粉的结晶度。

2 结果与分析

2.1 HHP处理对SPS颗粒偏光十字结构的影响

图1 HHP处理对SPS偏光十字结构的影响（400×）Fig. 1 Effect of HHP on polarizing structure of SPS (400 ×)

偏光十字法是表征淀粉颗粒内分子排列有序性的常用方法[18]。由图1可知，偏光十字结构清晰地显现于红薯原淀粉颗粒中，交叉点位于颗粒中心（图1a）。经200～500 MPa HHP处理后，少量淀粉颗粒的偏光十字结构开始模糊（图1b～e），表明此范围压力影响了SPS颗粒的结晶结构和分子排列顺序，这是因为淀粉颗粒内的长链淀粉在HHP作用下更容易伸展，水合作用增强，导致淀粉颗粒溶胀[19]。600 MPa HHP处理时，淀粉颗粒开始塌陷并与周围颗粒凝聚，部分淀粉颗粒失去双折射现象（图1f），与600 MPa HHP改性的木薯和玉米淀粉失去偏光十字结构的现象相似[20]。此时，结晶区内某些高聚合度的支链淀粉分子吸收了HHP产生的能量，有序性降低，与水分子缔合形成氢键的可能性增大，进一步导致结晶结构塌陷，偏光十字结构消失[21]。结果表明，600 MPa HHP处理可以诱导SPS糊化，但不能完全导致其糊化。

2.2 HHP处理对SPS颗粒形貌的影响

SEM观察结果能够直观反映淀粉颗粒受到外界作用时的变化。由红薯原淀粉与经HHP处理的SPS颗粒形貌放大图可以看出，红薯原淀粉颗粒完整且间隙分明，但大小不均一，形状多为圆形、椭圆形、多边形，颗粒表面光滑，无孔洞和裂纹（图2a）。200～500 MPa HHP作用下，SPS颗粒完整，无明显变化（图2b～e）；当压力增加到600 MPa时，多数颗粒表面出现明显凹陷和裂纹，部分淀粉颗粒发生形变，与周围颗粒凝聚到一起（图2f）。此结果与偏光十字结构的变化趋势相近，这可能与SPS颗粒的结晶区比无定形区更耐高压有关，也可能是HHP处理促进颗粒形成了耐高压的致密结构引起的[21]。结果表明：600 MPa HHP处理能引起部分SPS颗粒塌陷，溶出的淀粉分子相互黏连进而引起颗粒凝聚；若继续加压，凝聚的颗粒可能形成胶体。HHP改性大米淀粉的SEM观察结果[22]与此相似。

图2 HHP处理对SPS 颗粒形貌的影响（1 500×）Fig. 2 Effect of HHP on micro morphology of SPS (1 500 ×)

2.3 HHP处理对SPS颗粒结晶结构的影响

图3 HHP处理对SPS结晶结构的影响Fig. 3 Effect of HHP on crystal structure of SPS

淀粉颗粒的结晶区和无定形区中长程序列（分子链堆砌次序）常通过XRD法测定[23]。图3中红薯原淀粉特征衍射峰在2θ为5.571°、15.209°、17.064°、22.934°处出现，符合C型结晶衍射特征[24]。与SPS相比，经HHP改性后淀粉的特征衍射峰位置不变，但衍射强度和结晶度降低，表明HHP处理加快了淀粉分子和水分子的运动，降低了分子间氢键和范德华力的稳定性，但SPS为高支链淀粉，600 MPa HHP处理不足以改变淀粉整体的直链与支链淀粉比，所以淀粉的衍射特征峰位置不变[21]。这与600 MPa HHP处理改变甘薯淀粉结晶结构的结论略有不同，原因在于不同品种、产地的SPS XRD图谱类型不同，直链与支链淀粉比不同，改变晶体类型所需的压力也就不同[19,25]。200 MPa和300 MPa HHP改性淀粉的结晶度分别比原SPS下降11.21%和9.18%，这可能是由于在较低压力的HHP处理下颗粒内部淀粉分子间及分子内结合紧密，或发生重排形成了新的致密结构。600 MPa HHP改性的SPS结晶度下降了24.83%，表明HHP处理能促进淀粉颗粒结晶结构的改变，降低晶体有序化程度，但不足以改变SPS晶体类型。此结果与颗粒形貌和偏光十字结构的变化一致。

2.4 HHP处理对SPS颗粒基团的影响

图4 HHP处理对SPS基团结构的影响Fig. 4 Effect of HHP on group structure of SPS

淀粉分子的官能团类型、构型及其与水分子的相互作用等属于短程分子作用力，也是改变淀粉颗粒结构的基础作用力，常用FTIR测定[23]。由图4可知，与未处理的SPS相比，经200～500 MPa HHP处理后的SPS未出现新的吸收峰，也没有某个特征峰消失，吸收强度变化不明显。这表明HHP处理不能使SPS形成新基团，即200～500 MPa HHP处理不能改变SPS颗粒的晶体结构。600 MPa HHP处理时，C—H不对称伸缩振动吸收峰（2 928.55 cm－1）和C—H面外弯曲振动吸收峰（608.22～709.68 cm－1）的吸收强度均减弱，表明600 MPa HHP处理降低了上述官能团的有序程度，这是淀粉颗粒晶体结构改变的基础[26]。O—H伸缩振动（3 367.02 cm－1附近）吸收峰宽度变窄，表明600 MPa HHP处理减弱了羟基的吸收强度，原因可能是其改变了原淀粉分子间或分子内氢键的排列方式，也可能是其加快了直链淀粉分子的运动速率，增加了O—H脱水缩合机率，使游离羟基减少[27]。郭泽镔等[14]发现500 MPa HHP处理降低了莲藕淀粉分子羟基吸收强度，与本研究的结果基本一致。

2.5 HHP处理对SPS热力学特性的影响

表1 HHP处理SPS的热力学特性参数Table1 DSC thermal parameters of HHP-treated SPS

图 5 HHP处理SPS的DSC图谱Fig. 5 Effect of HHP on DSC thermogram of SPS

淀粉颗粒的晶体相转变常用DSC图谱分析[28]。由表1和图5可知，HHP由200 MPa升到500 MPa过程中，淀粉的To、Tc先升高后降低，但均高于原淀粉，表明淀粉结晶区开始熔融为非结晶区时的温度（To）升高，这可能是因为200～300 MPa HHP处理促进了淀粉颗粒无定形区和结晶区分子的重排，使晶体结构更致密。随着压力的升高，DSC图谱的糊化温度范围（To～Tp）段呈阶梯型变化，表明颗粒内晶体出现多级熔融变化现象，这与原淀粉结构不均衡有关，也可能是在有的限水分条件下无定形区缓慢增塑造成的结果[29]。400～500 MPa HHP处理下To、Tc的降低可能归因于重排后结构的承压能力减弱。压力升高促进了淀粉结晶区结构的的瓦解，使结晶相更容易转变为非结晶相，因此DSC测得的600 MPa HHP处理的SPS To比500 MPa HHP处理明显降低。600 MPa压力下，HHP降低了分子内和分子间氢键作用力，使结晶区熔融（即双螺旋结构被破坏）所需热量减少，糊化焓显著降低46.18%，这与苦荞淀粉经HHP改性后糊化焓降低的结果一致[30]。结果表明，600 MPa HHP处理能破坏SPS的晶体结构，降低红薯原淀粉的糊化焓。因此，HHP改性的SPS更易糊化，能够降低工业成本。

2.6 HHP处理对SPS糊化特性的影响

表2 HHP处理SPS的糊化特征参数Table2 Pasting characteristics of HHP-treated SPS

图 6 HHP处理SPS的RVA曲线Fig. 6 RVA profiles of native and HHP-treated SPS

淀粉的糊化特性反映了淀粉颗粒结构的变化，常用RVA法测定。淀粉颗粒内直链淀粉的溶出和支链淀粉的长度、分布决定了颗粒的膨胀程度，可以通过峰值黏度（peak viscosity，PV）测定。而糊化温度反映了淀粉的易糊化程度，最终黏度（final viscosity，FV）体现了糊化后淀粉的稳定性[15]。由表2和图6可知，与未处理的SPS相比，经200～500 MPa HHP处理后，SPS的PV、谷值黏度（trough viscosity，TV）和FV呈上升趋势，表明在结晶区完全熔融为非结晶区前淀粉颗粒的膨胀能力不断增强。600 MPa HHP处理后，淀粉的PV、TV和FV较原淀粉分别显著升高9.15%、27.18%和20.21%，表明HHP处理加快了颗粒内直链淀粉分子的溶出，增强了颗粒的水合作用和膨胀能力。600 MPa HHP处理时：SPS的峰值时间延长1.16 min，糊化温度高于原淀粉1.9 ℃，这是因为HHP处理促进了淀粉分子间的缔合，使颗粒结构更致密，淀粉分子需要延长时间吸收更多热量以破坏这一结构；崩解值显著下降66.46%，表明HHP改性后红薯淀粉糊的热稳定性增强，可以用作增稠剂和稳定剂。郭泽镔[14]、Hoover[31]等也发现HHP处理增加了大米、木薯、玉米及莲藕淀粉糊的热稳定性。

3 结 论

与红薯原淀粉相比，经200～500 MPa HHP处理的SPS颗粒完整，淀粉分子未形成新基团。经600 MPa HHP处理后，部分SPS颗粒塌陷并与周围颗粒凝聚，失去双折射现象，PV、TV和FV分别显著升高9.15%、27.18%和20.21%。淀粉分子内、分子间的自由O—H与C—H基团的吸收强度降低，结晶结构开始改变；糊化温度、糊化峰值显著升高，峰值时间延长，但糊化焓、崩解值分别显著降低46.18%和66.46%。结果表明，HHP处理能改变部分SPS颗粒的晶体结构，降低晶体有序化程度，但不足以改变SPS的晶体类型。根据DSC数据及参考文献[29]，推测HHP改性淀粉易糊化可能与水分含量有关，今后可以探究不同水分含量对HHP改性SPS的影响，拓宽其应用范围。