高压均质对板栗淀粉糊化、流变及质构特性的影响

郭泽航，余子香，迪珂君，陈厚荣，张甫生*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(国家级食品科学与工程实验教学示范中心(西南大学)，重庆，400715)

板栗(Castaneamollissima)为壳斗科栗属经济作物，营养丰富，味甘甜，具养胃健脾，补肾强筋等功效[1-2]。淀粉作为栗仁主要成分，含量高达380～800 g/kg，对板栗及其制品的品质影响极大[3]。但天然板栗淀粉存在水溶性差、黏度高、易凝结老化及易生成抗性淀粉等诸多缺陷[4-5]，使板栗果脯韧性低、口感差，板栗乳品饮料不稳定且不易消化。需对板栗淀粉改性，以期克服加工技术难题，提高其在食品工业中的应用价值。

高压均质(high pressure homogenization，HPH)是近年兴起的一种非热加工技术[6]，因其高效性、稳定性和经济性被广泛应用于豆、乳制品及果蔬汁的加工制造[7]；并逐渐应用于淀粉等多糖大分子的改性研究中，如莲子淀粉经60～180 MPa均质处理后，结晶度降低，组织结构松散，消化率显著提高[8]；经HPH处理后蜡质玉米淀粉分子间氢键被破坏，支链淀粉降解[9]，能够有效抑制淀粉老化回生；此外，经100 MPa多次处理后的绿豆淀粉结晶区结构被破坏，水溶指数和膨胀度提高，淀粉糊黏度显著降低[10]。然而此类研究较单一，大多集中于不同压力的研究，而对循环次数和处理浓度的单因素研究较少，且性能评价也主要集中在水溶指数、透光率等物性及热力学特性等方面，较少涉及宏观应用指标如静态流变、黏弹特性和凝胶质构特性的研究。基于此，本研究系统探讨不同压力、均质次数和浓度对板栗淀粉糊化特性、流变特性(含静态流变/动态黏弹)、凝胶质构特性及偏光微观结构等方面的影响，以期解决板栗淀粉黏度高、稠度系数大、胶着性强、凝胶强度大等突出问题，为板栗制品的精深加工提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

板栗，河北省唐山市迁西县金地甘栗食品有限公司。

1.2 试验仪器与设备

380 W型板栗剥壳机，江苏省新沂市同和机械设备厂；BO-1000S型高速万能粉碎机，永康市铂欧五金制品有限公司；Scientz-207A型超高压均质机，宁波新芝生物科技股份有限公司；5810型台式高速离心机，德国Eppendorf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；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；HH-2型数显恒温水浴锅，常州奥华仪器有限公司；RVA-TecMaster型快速黏度分析仪，瑞典波通仪器有限公司；DHR-1型旋转流变仪，美国TA公司；CT3型物性测定仪，美国Brookfield公司；BX43型偏光显微镜，日本奥林巴斯公司。

1.3 试验方法

1.3.1 板栗淀粉的提取

板栗去壳、去涩皮，反复冲洗后加水匀浆破碎，200目纱布过滤，滤液于4 ℃静置沉降12 h，弃浊液并除去上层灰褐色浆状物，重复3次，所得淀粉于40 ℃下干燥48 h，粉碎过筛，密封保存备用。

1.3.2 板栗淀粉高压均质处理

配制10%均匀悬浮液，于20、40、60、80、100 MPa(当压力大于115 MPa后，淀粉已有部分糊化，且压力波动范围在20 MPa以上)压力梯度下处理1次；100 MPa处理1、3、5、7次；另取淀粉，配制质量分数为1%、5%、15%的淀粉乳，100 MPa处理1次。均质处理后，6 000 r/min离心10 min，烘干后研磨过筛密封保存。

1.3.3 淀粉糊化特性测定

称取3.00 g淀粉，加25 mL去离子水，混于铝盒内，充分搅拌；采用快速黏度分析仪测定糊化特性。参数如下：50 ℃保温2 min，以12 ℃/min速率加热至95 ℃，保温2.5 min，再以相同速率降至50 ℃。前10 s搅拌速率为960 r/min，后为160 r/min。

1.3.4 静态流变特性测定

选用直径25 mm平板，设置间隙1 000 μm，25 ℃，剪切速率0～300 s-1递增，加入糊化好的样品(6%淀粉乳沸水浴糊化30 min)，测定并记录剪切应力变化情况；运用幂定律(Power law模型)回归拟合分析数据。

1.3.5 动态黏弹特性测定

选用直径25 mm平板，设置间隙1 000 μm，25 ℃，扫描应变值1%，振荡频率0.1～10 Hz，测定糊化好的样品(6%淀粉乳沸水浴糊化30 min)储能模量G′和损耗模量G″随角频率变化情况。

1.3.6 凝胶质构特性测定

糊化好的样品(10%淀粉乳沸水浴糊化30 min)自然冷却至室温，密封后4 ℃放置24 h，用物性测定仪测定质构特性。测定条件：TPA模式，TA5探头，测定速度1.0 mm/s；压缩程度50%；触发力5 g。

1.3.7 偏光显微镜观察

1%淀粉乳制样，滴香柏油于盖玻片，偏光显微镜下放大100倍，观察颗粒形状和偏光十字结构。

1.4 数据处理

所有试验均重复3次，试验结果使用“平均值±标准差”表示。采用Origin 9.4软件绘制图表，并应用SPSS Statistics 17.0处理数据及方差分析，Duncun(D)法(P<0.05)比较平均值之间的差异性。

2 结果与分析

2.1 高压均质处理对板栗淀粉糊化特性的影响

HPH处理后板栗淀粉糊化特征参数变化如表1所示。与原淀粉相比，经不同压力处理后淀粉糊峰值黏度、最低黏度、最终黏度和糊化温度均有不同程度减小，且减幅与均质压力正相关。经20～40 MPa处理后，相较原淀粉，此4项分别下降2.36%～4.53%、4.33%～6.05%、2.32%～3.74%和2.88%～3.87%。继续增压，各黏度值下降更显著，60～100 MPa处理后，降低6.59%～8.58%、10.68%～12.73%、7.86%～8.92%；但糊化温度较低压无明显变化。此趋势表明由HPH造成的剪切、空化、撞击等机械力可通过断裂共价键破坏直链分子结构，使无定形区疏松不稳定[11]。压力升高，剪切效应增强，淀粉更易糊化[12]。糊化温度随压力上升略有下降，可能是HPH破坏无定形区结构所致，这与绿豆淀粉[10]研究结果一致。

表1 高压均质处理下板栗淀粉糊化特征参数Table 1 Characteristics of gelatinization of chestnut starch under high pressure homogenization

注：同列不同字母表示不同均质处理各数据间有显著性差异(P<0.05)。5%、10%、15%为高压均质处理时的板栗沉淀乳质量分数。

此外，不同压力处理后崩解值和回生值无显著变化，表明增压对热糊稳定性和冷糊稳定性无较大影响[6]。一次处理对颗粒的作用仅限于无定形区、改变直链淀粉聚合度，而影响淀粉析水老化的主要因素是直、支链淀粉比例，故回生值无较大改变。另外，在前期研究发现均质压力升至115 MPa后，仪器波动范围高达20 MPa，淀粉也已有糊化，相关指标测定紊乱，故仅探讨100 MPa以下淀粉的均质改性研究。

1、3次处理后与原淀粉相比，峰值黏度、最低黏度、最终黏度、崩解值和糊化温度均随均质次数增加显著降低，各黏度减小8.58%～10.64%、12.73%～13.59%和8.22%～8.92%，崩解值和糊化温度降低3.03%～6.66%和3.90%～5.08%。增至5次，黏度减幅最大，分别减小14.33%、14.86%、8.63%。7次处理后峰值最低最终黏度较5次处理无显著差异，但崩解值和糊化温度降至最低，分别较原淀粉下降15.54%、7.42%。均质阀产生的能量是不完全均匀的，增加循环次数可使颗粒通过“高能区”的概率提高，加剧颗粒结构破坏程度[13]，无定形区稳定性进一步下降，甚至致密层结构受损。崩解值的降低表明多次处理能够提高淀粉高温抗剪切能力，热糊稳定性增强。此外，多次处理可使缠绕在结晶区外层的支链淀粉断裂，水分子更易与淀粉反应[14]，使糊化温度降低7.42%。但HPH处理对回生值无影响[6]，表明直、支链淀粉含量未发生较大改变，HPH对结晶区的破坏可能仅局限于断裂直、支链淀粉分子间氢键而不会使支链淀粉降解为直链。

质量分数1%～10%的板栗淀粉乳经处理后，各黏度较原淀粉降低4.59%～8.58%、11.24%～12.73%和7.35%～8.22%，增大浓度，颗粒受剪切、空化、振荡等作用概率提升[15]，无定形区损伤增大。但糊化温度受淀粉浓度影响不大，降低程度相当。此外，崩解值较原淀粉无明显变化，仅15%时略有降低。10%、15%的黏度无显著差异，这是因为虽然增大浓度可提高颗粒受机械力作用概率，但水分含量持续降低会加强内部分子链间缔合作用[16]，使淀粉结构不易破坏。提高浓度对淀粉在均质阀内反应效率的增大程度是有限的，水分含量太高或太低都不利于糊化特性的改变[17]，这也证明100 MPa处理1次对颗粒结构的破坏仅停留在无定形区。

2.2 高压均质处理对板栗淀粉糊静态流变特性的影响

HPH处理后静态流变特性如图1所示。处理前后淀粉糊流变曲线差异显著，但剪切应力均随剪切速率增大，且前期上升迅速，后期趋于平缓，表现出假塑性流体特征[18]。增大压力，分子间及分子内氢键受到破坏，使缠结点减少，结构松散，黏滞阻力变小，剪切稀化程度降低[19]。

a-均质压力；b-均质次数；c-淀粉乳浓度图1 高压均质处理下板栗淀粉糊流变曲线图Fig.1 Rheological curve of chestnut starch paste under high pressure homogenization

另外，由于处理时间较短，淀粉分子量较大，曲线达最大弯曲度时剪切应力仍较大。剪切速率为300 s-1时，20～100 MPa处理后淀粉糊剪切应力降低8.72%～23.28%。压力越大，机械力效应越强烈，微细化程度越高[15]，流动阻力降低，剪切应力下降[20]。20～40 MPa变化程度最大，增压至60 MPa，趋势减弱，这表明压力的影响并非呈线性增长。增大均质次数，剪切应力呈不同程度降低。速率为300 s-1，1～7次处理后的剪切应力较原淀粉降低20.95%～34.82%。可知，均质次数是影响静态流变特性的重要因素，增大均质次数，颗粒受高剪切时间延长，结晶区致密结构受损，趋势变化更明显。1、3次处理差异不明显，5、7次后变化较显著。此外，1%、5%、10%浓度的流变曲线也有较大差异。提高浓度，曲线逐渐偏向剪切速率轴线，剪切应力减小，表明增大浓度可提高颗粒受机械力作用的概率[15]。浓度增至15%，剪切应力略有回升，但拟合后与10%无显著差异[ 17]。

运用幂定律τ=KγN回归拟合数据，稠度系数K、流动指数n、相关系数r2等参数如表2所示。r2为0.995～0.999，表明此方程可恰当地拟合流变曲线。K随均质压力增加而减小，这是瞬时压力下降造成的剪切、振荡、气穴等综合作用的影响[21]。n在0.44左右波动，证明处理前后淀粉糊均为假塑性流体，与图1相印证。同时，增大均质次数可加强冷机械力作用，使分子链断裂，小分子淀粉数量增加，糊化后流体的黏性阻力减小，相较原淀粉，K降低16.77%～32.34%。而经不同浓度处理后，1%、5%差异不大，增大至10%，K减小16.77%，继续增大浓度无显著变化。浓度增大，颗粒受机械力概率提高[15]，同时也提高了分子内部缔合作用[17]，使淀粉结构不易破坏。10%为最佳处理浓度，此时均质效果显著且不会造成原料浪费。

表2 高压均质处理下板栗淀粉流变特性的拟合参数Table 2 Fitting parameters of rheological properties of chestnut starch under high pressure homogenization

注：同列不同字母表示各数据间有显著性差异(P<0.05)，下同。

2.3 高压均质处理对板栗淀粉糊动态黏弹特性的影响

淀粉糊的黏弹性指标通常可以用动态频率扫描的储能模量(G′)，损耗模量(G″)来表示，通过测定淀粉糊在低频下的储存模量、损耗模量以及二者是否存在交点，可判断出有关分子量、链长等更精细的淀粉结构信息[22]。如图2所示，所有处理条件下G′均大于G″，表明淀粉体系均以弹性为主。G′和G″未有交叉现象，表明处理前后板栗淀粉糊均呈弱凝胶状态，符合流体特性。

20～100 MPa处理后，随均质压力增大，G′和G″都呈降低趋势，说明HPH使板栗淀粉中弹性成分和黏性成分减少[23]。处理后板栗淀粉形变过程中弹性减弱，恢复原状态能力降低，G′减小；淀粉糊黏性下降，流动能力增强，流体由剪切稀化向牛顿流体趋近，G″降低。这都与HPH对直链分子的氢键断裂作用有关。经多次高压循环后，均质强度随均质次数增加而提高，颗粒受高压剪切、空化、气穴等机械力作用增强，分子量减小，结晶和螺旋结构被不断破坏，分子内部及分子间相互作用减弱，凝胶网络结构疏松不牢固[24]，黏弹性降低。对于不同浓度处理后的样品，随浓度增大，G′和G″下降，水分含量的降低使颗粒在均质阀内受剪切、空化效应的概率增加，均质效果提高，黏弹性下降。但15%G″相较10%，黏弹特性无显著差异，表明水分含量对处理效果的影响呈两面性[17]。

a-储能模量；b-损耗模量图2 高压均质处理下板栗淀粉储能模量与损耗模量随角频率变化曲线Fig.2 Curve of storage modulus/loss modulus of chestnut starch with angular frequency under high pressure homogenization

2.4 高压均质处理对板栗淀粉凝胶质构特性的影响

凝胶是淀粉糊化后分子重新以氢键结合形成的三维网状结构[25]。HPH处理后凝胶质构参数如表3所示。20～100 MPa下，凝胶硬度、黏性、弹性、胶着性均随压力增加而降低，相较原淀粉，各指标分别下降1.91%～10.59%、20.00%～60.00%、0.62%～6.50%、5.57%～12.17%。均质使分子间氢键因机械效应和空化效应被破坏，使分子缠结点减少，形成的凝胶强度减弱[2]。压力增大，断键作用和空化效应加强，分子结构破坏加剧。

表3 高压均质处理下板栗淀粉凝胶质构特性参数Table 3 Texture parameters of chestnut starch gel under high pressure homogenization

凝胶硬度、弹性、胶着性随均质次数增加而减小，分别较原淀粉降低10.95%～14.12%、6.50%～7.74%、12.17%～14.43%。次数积累会产生增强效应，压力不足时可通过增加循环次数来补偿[26]。但多次处理后黏性不发生显著变化，次数的改变对内聚性和咀嚼性也没有显著影响。相较于提高压力，多次处理对凝胶质构特性影响并不显著，这可能是由于多次处理导致淀粉分子进入聚集阶段，颗粒的比表面积和自由能均改变所致[10]。

此外，浓度不同，凝胶质构特性也不尽相同。随浓度增大，硬度、弹性和胶着性产生差异，相比原淀粉降低10.00%～11.77%、3.40%～6.50%、6.40%～12.17%。水分含量越高，颗粒在均质阀中反应的可能性越低，均质效率越低；自由水比例越低，淀粉结构破坏越明显[15]，浓度是影响淀粉改性的重要参数。但浓度持续增大，由于板栗淀粉良好的凝沉性，处理时均质腔内各区域浓度不同，均质效果降低[17]，故10%和15%各指标无显著差异。凝胶的硬度和胶黏性与淀粉糊稠度系数成正比，稠度系数越高，凝胶硬度和胶黏性越强，这与静态剪切结果一致。黏弹性的下降也与动态流变的结论相印证。HPH可对淀粉颗粒造成损伤程度不同，淀粉分子结构发生变化，水合能力降低[27]，使凝胶化程度降低，各指标数值下降。

2.5 高压均质处理对板栗淀粉偏光十字的影响

a-未处理;b-20 MPa/1次-10%;c-40 MPa/1次-10%；d-60 MPa/1次-10%；e-80 MPa/1次-10%;f-100 MPa/1次-10%;g-100 MPa/3次-10%;h-100 MPa/5次-10%;i-100 MPa/7次-10%；j-100 MPa/1次-1%;k-100 MPa/1次-5%;l-100 MPa/1次-15%图3 高压均质处理下板栗淀粉的偏光显微镜图Fig.3 Polarized microscope for chestnut starch under high pressure homogenization

偏光十字作为表征淀粉颗粒内部分子排列有序性的重要指标[28]，可直观反映结晶区与无定型区结构。HPH处理下板栗淀粉偏光显微结构如图3所示。原淀粉颗粒形状不规则且较复杂，偏光十字的脐点位于中央[29]，呈“X”形，明显的双折射现象表明原淀粉颗粒高度有序。20、40 MPa处理后，少量淀粉偏光十字略有模糊，但变化不明显。60 MPa时，脐点略有偏移。对比60～100 MPa，随压力增大，偏光十字数量减少，双折射现象稍有减弱，表明已对部分淀粉造成不同破坏[30]，但大部分颗粒形态仍完整，进一步说明处理一次主要影响无定形区和半结晶区结构[31]。均质3次，大部分颗粒偏光十字消失，仅有少量存在明显偏光十字，此时结晶区结构已损伤，处理5～7次，结晶区破坏加剧，尤以7次效果最明显，多数淀粉颗粒破裂，脐点消失，双折射现象消失，已看不出完整颗粒结构，表明此阶段对晶体有序结构破坏显著，这与绿豆淀粉结果一致[10]。从浓度角度来看，1%相较原淀粉无明显变化；5%处理后偏光十字减少，部分模糊；浓度增大至10%，破坏程度加剧，部分样品十字交叉点消失，表明增大浓度可以提高淀粉分子受机械力作用的概率[15]。而继续增大至15%，自由水含量减小使颗粒间隙减小[16]，削弱处理效果，相较于10%，此浓度处理的淀粉偏光十字较清晰明显，淀粉颗粒形态破坏程度不大，但仍有部分偏光十字较为模糊，淀粉结构受到一定损伤，但其处理效果不如10%。

3 结论

高压均质处理可破坏板栗淀粉的无定形区及结晶区结构，并导致其宏观性质发生显著变化。均质压力、循环次数及浓度均是影响均质效果的重要因素。随均质压力、次数、浓度的增大，淀粉颗粒结构的破坏加剧，宏观表现为表观黏度减小，假塑性流体特性减弱，凝胶硬度、黏性、弹性等参数均呈降低趋势；特别是经高浓度、高压力、低次数处理后的板栗淀粉黏度、黏弹性、凝胶强度等下降最为明显。高压均质技术可作为改性板栗淀粉的有效途径，改善其抗剪切、黏滞阻力大及易凝胶化等缺陷。可将改性处理的板栗淀粉添加在板栗乳及板栗饮料中，减少颗粒沉降，降低汁液黏稠度，提高稳定性，改善口感；同时还可减少烘焙板栗食品的黏盘性及改善板栗营养粉的食用口感与消化性。