气流超微粉碎对玉米淀粉微观结构及 老化特性影响

王立东，侯 越，刘诗琳，郎双静，肖志刚

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学 国家杂粮工程技术研究中心，黑龙江 大庆 163319；3.沈阳师范大学粮食学院，辽宁 沈阳 110034）

淀粉为天然高分子多晶聚合物，由直链淀粉和支链淀粉分子形成特定三维空间结构，组成淀粉颗粒结晶区和无定形区。受制于其多晶体系结构，天然淀粉存在不溶于冷水，成膜性、加工性及贮存性能差、凝胶易凝沉等缺陷，不适用于现代新技术、新工艺、新产品的开发应用[1-5]。淀粉颗粒中直链淀粉和支链淀粉的分子结构特征和特性不同，如淀粉颗粒中支链淀粉有助于提高淀粉溶胀能力，直链淀粉则起抑制作用；淀粉糊化过程中，支链淀粉主要存在于溶胀颗粒中，而部分直链淀粉游离到颗粒外部形成连续胶体相[6]。同种淀粉中直链淀粉含量不同使淀粉分子结构和组成发生变化，产生个体差异[7]。玉米淀粉具有较优的化学成分和较广的应用领域，纯度达99.5%，依据其组成中直链淀粉和支链淀粉含量差异，可分为蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉3 种常见类型。蜡质玉米淀粉中几乎不含直链淀粉，普通玉米淀粉中含有22%～28%直链淀粉，而高直链玉米淀粉中直链淀粉含量达到55%以上。因直链淀粉与支链淀粉结构及性质差异，使得不同链/支比玉米淀粉具有不同的结构和理化性质。

淀粉可通过物理、化学方法修饰获得多种变性淀粉，作为原料广泛应用于食品、医药等工业[8-9]。气流粉碎技术是淀粉物理改性的有效方法，是将干燥、净化后的压缩气体通过设定喷嘴产生高速气流，在粉碎设备腔内带动粉体颗粒高速运动，使颗粒受到冲击碰撞、摩擦、剪切等作用而被粉碎，粉碎颗粒随气流被分级并收集[10-11]。气流粉碎是制备超微粉体的有效手段之一，产品平均粒径为0.1～10 µm，粉碎过程中产生机械力化学现象，使粉碎物料理化性质发生变化[12]。气流粉碎技术具有产品粒度细、分布窄、精度高、均匀性与分散性好及生产能力和自动化程度高等特点，在食品、医药等领域应用广泛[13]。Protonotariou[14]和Angelidis[15]等利用气流粉碎小麦粉，处理后粉体颗粒减小，持水量增大，糊化温度降低，微细化小麦粉更适于烘焙面包应用。Araki[16]和Ashida[17]等利用气流粉碎获得微细化大米粉和米糠，并制作大米粉面包和米糠面包，所得产品质地柔软、色泽好、口感细腻、体积大。Antonios等[18]利用气流粉碎大麦粉和黑麦粉，获得的微细化大麦粉和黑麦粉粒度明显减小，损伤淀粉含量增加，粉体密度增大；Syahrizal等[19]利用气流粉碎处理脱脂大豆，处理后粉体溶解性、持水性和持油性增加，苦涩味降低；Xia Wen等[20]利用气流粉碎木薯淀粉，处理后淀粉晶体结构受到破坏，分子链降解，淀粉糊黏度降低并存在剪切稀化行为；吴俊[21]利用冲击板式机气流粉碎机粉碎玉米淀粉，处理后粉体晶体结构受到破坏，支链淀粉发生断裂，分子质量降低。

本课题组前期已利用流化床气流粉碎机对普通玉米淀粉、高直链玉米淀粉和蜡质玉米淀粉进行微细化处理，对处理后淀粉颗粒大小、形貌、溶解度、膨胀度、冻融稳定性等结构及理化性质进行了研究[6,22-23]。但缺少对3 种淀粉分子基团、分子质量大小及分布、淀粉老化特性等结构和性质进行表征和分析，以及气流粉碎对不同链/支比淀粉作用效果的差异分析。因此，为进一步探究气流超微粉碎对蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉结构及性质的影响，以及分析不同链/支比淀粉作用效果差异，本实验利用流化床气流粉碎机制备超微粉，研究微细化处理对淀粉颗粒形貌、晶体结构、分子基团结构、分子质量等微观结构及老化特性，为拓展淀粉资源的理论研究及深度开发利用提供理论与实践指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

蜡质玉米淀粉（水分质量分数6.86%、支链淀粉质量分数99.49%，食品级）、高直链玉米淀粉（水分质量分数10.48%、直链淀粉质量分数82.51%，食品级） 河南秀仓化工产品有限公司；普通玉米淀粉（水分质量分数13.5%、直链淀粉质量分数26.73%，食品级） 黑龙江龙凤玉米开发有限公司；乙醇、甘油等（均为分析纯） 天津市大茂化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

LHL型流化床式气流粉碎机 山东潍坊正远粉体工程设备有限公司；NP-800TRF显微镜 宁波永新光化学股份有限公司；S-3400N扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM） 日本HITACHI公司；Bettersize 2000激光粒度分析（laser particle size analyzer，LPA）仪 丹东市百特仪器有限公司；Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）仪 美国Thermo Fisher Scientific公司；DAWN HELEOS十八角度激光光散射仪、OPTILABrEx示差检测器 美国Wyatt公司；1515凝胶渗透色谱（gel permeation chromatography，GPC） 美国Waters公司；X’Pert PRO X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）仪 荷兰帕纳科公司；DSC1差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）仪 瑞士梅特勒-托利多仪器 有限公司；DGG-9053A鼓风干燥箱 上海三星实验仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 超微玉米粉的制备

以含不同直链淀粉和支链淀粉比例的蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉为原料，利用流化床气流粉碎机制备超微粉。将不同水分质量分数的3 种淀粉在55 ℃条件下干燥至水分质量分数为6%左右，备用。

流化床气流粉碎系统设有3 个喷嘴，喷嘴间平面角度为120°，以洁净压缩空气为粉碎工质，空气温度不高于45 ℃。粉碎操作参数：持料量1.0 kg；进料频率3 Hz；粉碎工质压力0.8 MPa，分级机转速3 600 r/min；引风机流速15 m3/min；粉碎时间90 min。

1.3.2 淀粉颗粒粒度大小及分布测定

参照王立东等[6,23]的方法，采用LPA仪测定，以去离子水作为分散溶剂。

1.3.3 淀粉颗粒微观形态观察

参照王立东等[6,23]的方法，采用SEM观察淀粉颗粒微观形貌及表面结构。加速电压为10 kV。

1.3.4 淀粉晶体结构测定

参照王立东[6,23]和刘天一[24]等的方法，采用XRD仪对淀粉晶体结构进行分析。衍射角（2θ）扫描范围4°～37°，电压40 kV，电流30 mA。淀粉相对结晶度计算参照Nara等[25]的方法，使用MDI Jade软件进行分析。

1.3.5 FT-IR分析

参照刘天一[24]和Fang[26]等的方法，对淀粉结构进行FT-IR分析，以获得淀粉短程有序结构信息。扫描范围为400～4 000 cm－1。

1.3.6 淀粉分子质量大小及分布测定

参照韩忠[27]的方法，采用GPC结合多角度激光光散射仪对淀粉分子质量大小及分布进行测定。称取一定量淀粉样品溶于二甲亚砜溶液中，5 0 ℃水浴溶解3 h，将溶解的淀粉样品过0.2 µm聚四氟乙烯膜后测定。色谱条件：色谱柱为HMW 6E脂溶性凝胶色谱柱（300 mmh 7.8 mm，20 µm），分离范围5h 105～5h 108g/mol；柱温60 ℃；检测波长658 nm；流动相为0.02 mol/L KH2PO4缓冲溶液；流速0.4 mL/min；进样量100 µL；dn/dc＝0.074 mL/g。

1.3.7 热力学性质测定

参照王立东等[6,23]的方法，采用DSC仪对淀粉热力学性质进行测定。

1.3.8 淀粉老化特性测定

参照郭泽镔[28]的方法建立淀粉老化动力学模型，将糊化后的淀粉样品于4 ℃冰箱中贮藏，分别在贮藏第1、3、5、7、14天取样，利用DSC仪测定淀粉老化所形成结晶在发生熔融作用时的老化焓，老化度按式（1）计算。用Avrami方程描述高聚物在等温条件下结晶速率变化的动力学，方程如式（2）所示。

式中：R（t）为贮藏t时刻淀粉的老化度；ΔHt为贮藏t时刻淀粉的老化焓/（J/g）；ΔH∞为贮藏14 d时淀粉的老化焓/（J/g）；k为淀粉重结晶速率常数，为对l nt所 作 曲 线 的 截 距；n为Avrami指数，与成核机理及晶核生长方式有关。

1.4 数据处理与分析

采用Graphpad Prism 6.0软件对数据进行统计分析，组间显著性差异分析采用两两比较q检验，P＜0.05表示差异显著；采用Origin、Excel软件作图。每个实验均做 3 次平行，结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 微细化处理对3 种玉米淀粉颗粒粒径及分布的影响

表 1 不同玉米淀粉超微粉碎前后颗粒粒径和比表面积Table 1 Particle size and specific surface area of maize starch treated by superfine grinding

由表1可知，原玉米淀粉颗粒粒径相对较大，气流粉碎处理后淀粉粒径显著减小（P＜0.05），其中微细化蜡质玉米淀粉D50减小至6.05 μm，90%的微细化蜡质玉米淀粉粒径小于14.58 μm，10%的微细化蜡质玉米淀粉粒径小于1.86 μm；微细化普通玉米淀粉D50减小至5.22 μm，其D90、D10分别为9.81、1.51 μm；微细化高直链玉米淀粉D50减小至5.53 μm，其D90、D10分别为10.99、1.58 μm。3 种微细化玉米淀粉的Sw较原玉米淀粉显著提高 （P＜0.05），说明微细化处理能够使玉米淀粉颗粒粒径减小和Sw增大。刘智勇[29]利用扁平式气流粉碎机粉碎普通玉米淀粉，获得微细化粉体D50为7.7 μm，大于本实验结果；刘天一[24]利用球磨研磨玉米淀粉，获得微细化粉体D50为18.87 μm，粒径较原淀粉增大，其原因可能是淀粉颗粒发生团聚现象。

图 1 不同玉米淀粉超微粉碎前后粒度分布Fig. 1 Particle distribution of maize starch treated by superfine grinding

由图1可知，3 种原玉米淀粉粒度分布呈双峰分布，存在大粒度峰和小粒度峰，其中大粒度峰峰值位置对应的频率分布较大，气流粉碎后小粒度峰逐渐消失，形成一个分布较宽的大粒度峰，其峰值位置对应的频率分布明显降低，且峰值位置对应的颗粒粒径减小。

2.2 微细化处理对3 种玉米淀粉颗粒形态的影响

图 2 不同玉米淀粉超微粉碎前后颗粒形貌Fig. 2 Scanning electron micrographs (SEM) of maize starch treated by superfine grinding

由图2可知，原蜡质玉米淀粉颗粒表面光滑致密，多呈椭圆形，颗粒带有许多乳状突起，部分颗粒表面有凹陷孔洞，粒形相对较大；原普通玉米淀粉颗粒表面光滑致密，主要呈多边形，颗粒表面嵌有小微孔，该微孔与玉米淀粉孔道结构有关；原高直链玉米淀粉颗粒主要呈多面体，颗粒表面光滑致密，部分颗粒嵌有微孔。气流粉碎后，3 种玉米淀粉颗粒形态均明显减小，形状变得无规则，颗粒表面粗糙且出现棱角和裂纹；其中微细化蜡质玉米淀粉颗粒较大，颗粒形态相对规则且表面粗糙程度较低，乳状突起脱落，部分颗粒被破坏而露出脐点；微细化普通玉米淀粉颗粒形态相对均匀，微细化高直链玉米淀粉部分颗粒被破坏露出轮纹结构。说明气流粉碎作用使玉米淀粉颗粒形态发生改变，淀粉颗粒表面及内部结构发生变化，此结果与Liu Tianyi等[30]利用球磨研磨和Niu Meng等[31]利用高速离心磨研磨获得的微细化粉体颗粒形貌变化现象一致。

2.3 微细化处理对3 种玉米淀粉晶体结构的影响

由图3可知，蜡质玉米淀粉和普通玉米淀粉均在15°、17°、18°和23°附近出现较强特征衍射峰，为A型结晶结构，高直链玉米淀粉在5°、18°和23°附近出现较强特征衍射峰，为B型结晶结构。微细化处理后，3 种玉米淀粉均没有新的衍射峰产生，说明粉碎未改变淀粉本身的结晶形态。

图 3 不同玉米淀粉超微粉碎前后的XRD谱图Fig. 3 X-ray diffraction patterns of maize starch treated by superfine grinding

表 2 不同玉米淀粉超微粉碎前后相对结晶度Table 2 Relative crystallinity of maize starch treated by superfine grinding

由表2可知，经计算，原蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉的相对结晶度分别为39.42%、37.56%、28.63%，其中蜡质玉米淀粉相对结晶度较高。微细化处理后，3 种淀粉的相对结晶度显著降低 （P＜0.05），其中微细化蜡质玉米淀粉相对结晶度降低13.97%，降低幅度最大，其次是微细化普通玉米淀粉降低13.31%，微细化高直链玉米淀粉降低9.44%。其原因是淀粉颗粒在粉碎过程中受到不断地撞击、摩擦和剪切等机械外力作用，使得淀粉颗粒晶体结构中层间质点结合力相对减弱且易受到破坏，产生晶格缺陷，导致结晶度降低。其中支链含量高的蜡质玉米淀粉更易受到破坏而结晶度降低。此结果与吴俊等[32]利用冲击板式气流粉碎对玉米淀粉晶体结构的影响一致，玉米淀粉结晶度由原淀粉的38.37%降低至25.33%。He Shenghua[33]和Zhang Zhengmao[34]等利用球磨研磨玉米淀粉和大米淀粉，使得淀粉颗粒晶体结构受到破坏，结晶度降低，说明气流粉碎与球磨研磨一样能够破坏淀粉颗粒晶体结构，使淀粉晶体结构由多晶态向非晶态转变。

2.4 FT-IR分析结果

由图4可知，3 种原玉米淀粉特征峰出峰位置基本一致，说明直链与支链含量差异对淀粉红外光谱特征吸收影响不大。气流粉碎处理后，微细化蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉的特征峰位置基本没有发生变化，无新峰出现，说明没有新的基团产生。仅在1 200～800 cm－1指纹区域出现部分特征峰强度和峰宽的变化。此结果与Liu Tianyi[30]、He Shenghua[33]和Huang Zuqiang[35]等利用球磨研磨玉米淀粉对淀粉分子基团影响结果一致，得到的微细化淀粉无新的基团产生，但同样存在指纹区域特征峰强度和峰宽变化，这些变化说明淀粉颗粒有序结构发生改变。

图 4 不同玉米淀粉超微粉碎前后FT-IR谱图Fig. 4 FT-IR spectrum of maize starch treated by superfine grinding

2.5 微细化处理对3 种玉米淀粉分子质量大小及分布的影响

表 3 不同玉米淀粉超微粉碎前后的分子质量分布Table 3 Molecular mass distribution of maize starch treated by superfine grinding

GPC结合MALS技术是测定淀粉分子质量大小及其分布的精确技术手段[36]。由表3可知，原蜡质玉米淀粉分子质量分布范围为107～＞109g/mol，其中65.36%分布在107～108g/mol范围内，微细化处理后，分布范围变为106～＞109g/mol，其中56.14%分布在106～107g/mol 范围内；原普通玉米淀粉分子质量分布范围为 106～109g/mol，其中60.14%分布在106～107g/mol范围内，微细化处理后，分布范围变为105～109g/mol，其中55.47%分布在105～106g/mol范围内；原高直链玉米淀粉分子质量分布范围为＜105～108g/mol，其中71.76%分布在106～107g/mol范围内，微细化处理后，主要分布范围发生变化，其中67.8%分布在105～106g/mol范围内，小于105g/mol范围内增加到20.32%。3 种微细化玉米淀粉分子质量分布变宽，说明气流超微粉碎处理使淀粉的分子链发生断裂，此结果与吴俊等[32]利用冲击板式气流粉碎对玉米淀粉分子链的影响结果一致，粉碎处理使玉米淀粉分子链发生断裂，其中直链淀粉和支链淀粉重均分子质量分别降低8.98%和23.66%。

表 4 不同玉米淀粉超微粉碎前后分子质量特征值Table 4 Molecular characteristics of maize starch treated by superfine grinding

聚合物的分子质量通常需要计算样品中所有聚合物链分子质量的平均值来描述，Mw为重均分子质量，Mn为数均分子质量，Mw/Mn为多分散性指数，其表征高聚物分子质量分布宽度，Mw/Mn越接近1，样品组分越单一，Mw/Mn越大则分子质量分布越宽[37]。由表4可知，经过微细化处理，蜡质玉米淀粉Mw由152.20h 106g/mol降低至38.41h 106g/mol；普通玉米淀粉Mw由30.14h 106g/mol 降低至7.1 2 h 1 06g/m o l；高直链玉米淀粉Mw由 4.11h 106g/mol降低至0.69h 106g/mol，3 种微细化玉米淀粉Mw均明显降低，说明气流超微粉碎通过碰撞、摩擦、剪切等方式使玉米淀粉颗粒粒径减小，淀粉分子链发生断裂；粉碎后3 种微细化玉米淀粉Mw/Mn较原玉米淀粉增大，进一步说明淀粉分子质量分布变宽。

2.6 微细化处理对3 种玉米淀粉热力学性质的影响

表 5 不同玉米淀粉超微粉碎前后热力学特征参数Table 5 Thermodynamic characteristics of maize starch treated by superfine grinding

由表5可知，3 种原玉米淀粉To、Tp和Tc较高，具有较大热吸收焓；气流超微粉碎处理后，3 种微细化玉米淀粉糊化温度和ΔH显著降低（P＜0.05），微细化蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉ΔH分别降低了47.98%、41.44%和51.53%。淀粉ΔH变化在一定程度上能够反映淀粉晶体结构的变化，即ΔH随结晶度的减小而降低，同时ΔH也代表淀粉分子链中双螺旋结构的数量[24,38]。气流超微粉碎后3 种玉米淀粉ΔH降低，表明淀粉结晶度下降，同时淀粉分子链中的双螺旋结构数量减少，此结果与刘天一[24]采用球磨研磨玉米淀粉后的热力学特性变化现象一致，研磨后玉米淀粉ΔH降低91.83%，大于气流粉碎作用效果，说明球磨研磨对淀粉颗粒晶体结构破坏效果大于气流粉碎[24]。

2.7 微细化处理对3 种玉米淀粉老化特性的影响

表 6 4 ℃条件下不同玉米淀粉超微粉碎前后老化焓的变化Table 6 Aging enthalpy of maize starch treated by superfine grinding at 4 ℃

由表6可知，4 ℃贮藏期内，气流粉碎后3 种玉米淀粉老化焓较原淀粉显著降低（P＜0.05），且蜡质玉米淀粉老化焓变化小于普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉，说明粉碎处理延缓了淀粉老化回生；同时随着贮存时间延长，所有淀粉样品的老化焓均逐渐增大，说明贮存时间越长淀粉老化越严重，但当贮存时间超过5 d后，老化焓增加不显著，说明淀粉老化主要发生在低温贮藏的前5 d内。

表 7 4 ℃条件下不同玉米淀粉超微粉碎前后重结晶动力参数Table 7 Avrami parameters for recrystallization of maize starch treated by superfine grinding at 4 ℃

通过对3 种玉米淀粉在低温（4 ℃）贮存条件下的老化焓变和重结晶动力学参数进行表征，研究淀粉老化特性。老化动力学通过Avrami方程进行描述，Avrami方程参数包含成核指数（n）、重结晶速率常数（k）和线性回归方程拟合系数（r2）[28]。由表7可知，气流粉碎后3 种微细化玉米淀粉n显著增大（P＜0.05），k显著减小（P＜0.05），说明粉碎处理改变了玉米淀粉重结晶成核方式。k越低，表明淀粉回生速率越慢[38]，因此气流超微粉碎处理有利于延缓淀粉在低温贮藏环境下老化速率，有益于淀粉质食品贮存和性质稳定。同时，蜡质玉米淀粉k低于普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉，说明支链含量高的蜡质玉米淀粉不易回生。

3 结 论

将气流超微粉碎技术用于蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉的微细化处理，获得3 种微细化玉米淀粉的D50分别为6.05、5.22 μm和5.53 μm，淀粉颗粒粒度明显减小，Sw增大，粒度分布呈较宽单峰分布。气流超微粉碎处理改变了蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉颗粒原有的光滑致密完整外形，形态变得无规则，颗粒表面变得粗糙且有裂纹；气流超微粉碎后3 种微细化玉米淀粉没有产生新的基团，但淀粉颗粒晶体结构受到破坏，相对结晶度下降；同时淀粉分子链发生断裂，分子质量减小及分布变宽。说明微细化处理改变了蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉的微观结构，降低了糊化温度和ΔH，改变了淀粉的重结晶成核方式，降低低温贮藏环境玉米淀粉老化速率，延缓淀粉回生，利于淀粉质食品贮存和性质稳定。气流超微粉碎处理对蜡质玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉的粉碎效果、微观结构及性质影响存在差异，说明淀粉颗粒结构中不同直链淀粉与支链淀粉比例差异影响淀粉的结构与性质。