高能球磨对大米淀粉物化特性和结构的影响

豁银强，王 尧，陈江平，刘松继，刘传菊，聂荣祖，汤尚文,*

（1.湖北文理学院食品科学技术学院·化学工程学院，湖北 襄阳 441053；2.湖北省食品配料工程技术研究中心，湖北 襄阳 441053）

大米是世界上一半以上人口的主食，我国是世界上最大的大米生产国和消费国，年产大米约2亿 t[1]。淀粉是大米的主要组分，约占精白米干物质的90%[2]。大米淀粉具有颗粒小、清淡无味、易消化、消费者易接受等独特的特性，广泛应用于食品及非食品领域[3-4]。但是，由于存在易老化、黏度大、冻融稳定性差等缺陷，天然大米淀粉不能满足一些特定产品加工的需要[5]。为了改善淀粉的物化特性、扩大其应用范围，人们通常利用物理、化学及生物方法对淀粉进行改性。相对于酶法或化学方法改性，物理改性是一种安全的改性方式，其因不会引入化学试剂或生物试剂而受到人们越来越多的重视[6]。

球磨是一种物理修饰途径，其利用摩擦、冲击、剪切等联合作用改变淀粉的结构和物化特性[7]。相对其他淀粉改性方法，球磨处理具有工艺简单、成本低、对环境影响小等优点，是一种新型淀粉改性方法。据报道，球磨处理能够显著降低淀粉的结晶度、提高淀粉的溶解度和消化率[8]。学者们研究了球磨处理对玉米[8]、马铃薯[7]、木薯[9]、大米[10]等来源淀粉结构和物化特性的影响。这些研究结果表明，球磨处理对淀粉颗粒形貌及大小分布、相对结晶度、分子质量大小、直链/支链淀粉比及淀粉溶解性等结构和物化特性均产生不同程度的影响。球磨分为高能球磨和低能球磨两大类，目前报道的研究主要利用低能球磨来增加比表面积、降低淀粉的结晶度及颗粒的尺寸大小[11]。高能球磨主要利用金属或玛瑙小球进行研磨，通过高速旋转给研磨介质施加较高的能量，进而能够在较短的时间内使处理物料微细化[12]。高能球磨主要应用于化学和材料领域来活化底物或促进反应[13]，少量研究将其应用于食品的加工及预处理[14-15]。高能球磨处理能降低不溶性膳食纤维粒径尺寸、破坏不溶性膳食纤维内部的氢键及结晶结构，进而增加膳食纤维的溶解度和表观黏度[16]。目前有关高能球磨对淀粉结构和特性的影响还鲜有报道，本实验主要研究高能球磨对大米淀粉物化特性的影响规律，并从淀粉结构角度分析阐述其对淀粉特性影响的机理，以期开发具有新型结构和特性的改性淀粉产品，扩大大米淀粉的应用范围。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

早籼稻大米（2018年收获）购于南漳县泉水堰米业有限责任公司。

KBr（光谱纯） 天津市光复精细化工研究所；NaOH、盐酸（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Emax高能球磨仪 德国Retsch有限责任公司；TDL-5-A台式离心机 上海安亭科学仪器厂；TechMaster快速黏度分析仪（rapid visco analyser，RVA）瑞典Perten公司；Q20差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）仪 美国TA仪器公司；S-4800扫描电子显微镜 日本Hitachi公司；DM2700P偏光显微镜 德国Leica公司；UltraSan PRO色度仪 美国HunterLab公司；Mastersizer 3000激光粒度仪 英国Malvern公司；D8 Advance X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）仪 德国Bruker公司；Nexus470傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectrometer，FTIR）仪 美国Thermo Nicolet公司。

1.3 方法

1.3.1 大米淀粉的制备

使用碱法制备大米淀粉：将500 g大米置于小塑料桶内，加入1 L蒸馏水，室温浸泡12 h，将蒸馏水沥出，加入1 L 0.2g/100 mL的NaOH溶液，用胶体磨粉碎10 min。悬浆于室温下电动搅拌2 h，室温下3 200×g离心10 min，去除上清液。向淀粉沉淀中重新加入1 L 0.2 g/100 mL的NaOH溶液，按上述方式搅拌离心后得淀粉沉淀。向淀粉沉淀中加入1 L蒸馏水，用玻璃棒搅拌分散均匀，用0.1 mol/L的HCl溶液调pH值至中性，离心。离心所得淀粉沉淀经水洗、离心3 次。淀粉沉淀均匀铺在托盘上，置于45 ℃烘箱中烘10 h（水分质量分数7%左右）。淀粉块经粉碎后过80 目筛，用密封袋密封后置于干燥器中室温保存备用。

1.3.2 大米淀粉的球磨处理

精确称取5.00 g大米淀粉置于球磨罐中，加入150 g钢珠和50 mL蒸馏水。球磨温度控制在20～45 ℃，转速为500 r/min，球磨时间分别设置为5、10、30、60、90、120 min。球磨完毕后，取部分样品进行粒径测定和偏光观察，其余样品于室温下3 200×g离心15 min，所得淀粉沉淀平铺于不锈钢托盘中，于45 ℃烘箱中干燥10 h（水分质量分数7%左右）。干淀粉块经粉碎机粉碎后过80目筛，所有样品均用密封袋密封后置于干燥器中室温保存备用。以未经球磨处理淀粉作为对照。

1.3.3 大米淀粉糊化特性分析

利用RVA分析淀粉样品的糊化特性。根据AACCI（61-02.01）方法稍作修改，精确称量淀粉3 g（水分质量分数14%），置于装有蒸馏水的铝盒内，加入蒸馏水至总质量28 g，用旋转浆上下混匀几次，置于RVA上进行测试。测试程序为：50 ℃保持90 s，0.2 ℃/s匀速升温，在95 ℃保持150 s，然后以0.2 ℃/s匀速降温，50 ℃保持90 s。测试前10 s转速为960 r/min，然后维持在160 r/min。利用RVA自带分析软件得到峰值黏度、谷值黏度、崩解值、回生值、最终黏度、峰值时间、糊化温度等参数。

1.3.4 大米淀粉热特性分析

精确称取含干质量5 mg左右的淀粉样品于DSC仪专用铝盒中，用移液器添加2 倍质量的蒸馏水，密封，置于冰箱内4 ℃过夜使其完全水化。以空铝盒为参照，进行DSC测试。保护气为氮气，吹扫气流40 mL/min，升温速率5 ℃/min，温度扫描范围为30～100 ℃。

1.3.5 大米淀粉的粒径分析

对照样品用研钵粉碎后过100 目筛，将适量淀粉样品分散于蒸馏水中，测前超声处理10 min使淀粉分散均匀。球磨处理样品在球磨结束后立即进行粒径分析。根据仪器操作说明进行粒径分析测定，得到D10/μm、D50/μm及D90/μm，通过下式计算粒径分布跨度（span）。

式中：D10/μm和D90/μm分别代表小于等于该粒径的颗粒体积占样品总体积的10%和90%；D50/μm为中位粒径，即有50%的颗粒粒径低于此值。

1.3.6 大米淀粉的微观结构观察

取适量样品均匀分散在双面胶上，然后粘附于载物架上，用离子溅射仪喷金，置于扫描电子显微镜下观察大米淀粉的表观形貌。

1.3.7 大米淀粉的偏光特性分析

用蒸馏水分散均匀粉碎过100 目筛的对照样品，球磨处理样品球磨结束后直接进行偏光观察。取适量样品涂抹在载玻片上，盖上盖玻片，置于偏光显微镜下观察，调整并固定光源，选择合适的放大倍数，得到偏光显微图。

1.3.8 大米淀粉的XRD图谱测定

利用XRD仪分析样品的结晶特征。操作电压40 kV，电流30 mA，以Cu作为靶。分别取不同球磨时间及对照样品大米淀粉少许置于样品架上，扫描速率10°/min，收集衍射角2θ在5°～45°范围的衍射数据，得到XRD图谱。

1.3.9 大米淀粉的FTIR光谱测定

分别取适量大米淀粉样品于玛瑙研钵中，将样品与溴化钾按质量比1∶100混合，在红外灯下研磨15 min，使溴化钾与淀粉样品混合均匀后压片。将压片置于FTIR仪中进行测定，以空气为参比背景，光谱扫描范围为4 000～400 cm-1，分辨率为2 cm-1，扫描64 次。

1.4 数据处理与分析

所有指标均做3 次以上独立重复实验。利用Excel 2010软件处理整理数据，结果用平均值±标准差表示，采用SAS 8.0软件对数据进行方差分析以比较数据间的显著性差异，P＜0.05表示差异显著。利用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 球磨对大米淀粉糊化特性的影响

图1 球磨对大米淀粉糊化曲线的影响Fig. 1 Effect of ball milling on pasting properties of rice starch

由图1可见，所有样品的RVA曲线总体变化趋势相似，升温初期，所有样品的黏度接近零且变化不明显，当温度升高到一定程度时，淀粉颗粒无定形区受热开始膨胀，引起淀粉乳黏度增加。随着温度进一步升高，淀粉颗粒结晶区开始吸水溶胀，直链淀粉分子从淀粉颗粒渗入到水中形成胶体溶液，引起体系的黏度迅速增加。当淀粉颗粒膨胀与剪切力达到平衡时，体系黏度达到峰值。在最高温度保持一段时间，过度膨胀的淀粉颗粒崩解，体系黏度又降低。随着温度不断下降，淀粉分子热运动减弱，淀粉分子局部区域发生聚集形成三维网络结构，流动阻力增大，表现为黏度又上升[17-18]。从图1也可以清楚地看出球磨对大米淀粉RVA曲线产生了明显的影响。

表1 球磨对大米淀粉糊化特性参数的影响Table 1 Effect of ball milling on pasting parameters of rice starch

表1为球磨处理及对照组大米淀粉糊化的特征参数。球磨5～30 min范围内，随着球磨时间延长，大米淀粉与糊化相关的黏度参数（峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度、回生值和糊化温度）均呈急剧下降的趋势，球磨30 min，这些参数分别从6.80、3.75、3.06、5.35、1.61 Pa·s和81.00 ℃降低至2.33、0.49、1.84、1.06、0.57 Pa·s和68.07 ℃，进一步延长球磨时间至60 min，相关参数的变化不显著。球磨5 min和10 min对大米淀粉糊化峰值时间影响不显著，与球磨20 min相比，球磨30 min的样品糊化峰值时间显著缩短，超过30 min以后，样品的糊化峰值时间趋于稳定。球磨时间低于30 min时，大米淀粉的糊化温度随着球磨时间延长而降低，超过30 min后，糊化温度的变化不显著。

球磨处理引起大米淀粉糊化相关特征参数均降低，其可能是由于球磨处理破坏了淀粉颗粒结构和结晶区，受损的淀粉颗粒在充分水分存在条件下受热膨胀时更容易崩解，淀粉颗粒在相应温度下膨胀后的有效体积减小，进而表现出特征黏度降低。球磨处理引起大米淀粉的回生值降低，表明球磨处理能够一定程度上减小糊化淀粉老化回生的倾向。球磨处理引起糊化温度降低，其可能是球磨破坏了淀粉颗粒的结晶区，水分子更容易进入淀粉颗粒内部与淀粉分子发生氢键作用，进而引起大米淀粉颗粒在较低的温度下发生膨胀及直链淀粉渗出。

2.2 球磨对大米淀粉热特性的影响

图2 球磨对大米淀粉DSC曲线的影响Fig. 2 Effect of ball milling on thermal properties of rice starch

天然淀粉颗粒是一种多晶体系，以束状形式存在的支链淀粉侧链构成淀粉颗粒结晶区，分支点及直链淀粉主要位于颗粒的无定形区。当温度升高到一定程度时，分散于热水中的淀粉颗粒无定形区首先吸水膨胀，随着温度进一步升高，淀粉颗粒晶束解体，该过程伴随着能量变化，在DSC图谱上呈现出吸热峰。如图2所示，对照组大米淀粉样品出现两个明显的吸热峰，5 min处理组样品也表现出两个吸热峰，但峰的强度明显减弱，球磨10 min样品的吸热峰极不明显，球磨20 min以上样品的吸热峰均消失，表明随着球磨时间延长，淀粉的热焓值逐渐减小。小麦、马铃薯、玉米等不同植物来源的淀粉颗粒在一定条件下加热均会产生两个吸热峰[19]，通常将其命名为峰G和峰M1。在含水量有限的体系中，峰G和峰M1可能分别是由淀粉晶体凝胶化和熔融吸热产生的[20]；在水分充分的体系中，峰G和峰M1可能分别与淀粉晶体吸水溶胀和分散溶解有关[21-22]。

随着球磨时间延长，大米淀粉的峰G和峰M1均逐渐减弱，并最终消失，表明球磨对淀粉的结晶区产生了显著的破坏作用，进而引起相关结构发生相转变的吸热信号减弱或消失。随着球磨时间延长，大米淀粉结晶区的有序结构被破坏，残留的少量有序结构不能呈现出明显的相转变信号，因此，球磨30 min以上样品的DSC图谱中并未出现可见的峰。部分研究报道了类似的结果，由于破坏了淀粉的结晶结构及有序排列的双螺旋结构，球磨处理降低了山药豆和木薯淀粉的热焓值[23]，随着球磨强度增加，高粱粉的热焓值也不断降低[24]。

2.3 球磨对大米淀粉颗粒大小的影响

图3 球磨对大米淀粉颗粒大小的影响Fig. 3 Effect of ball milling on particle size distribution of rice starch

图3 为不同球磨时间和对照组大米淀粉颗粒的粒径分布图。所有样品均表现出单峰分布模式，峰均出现在粒径10 μm以下，球磨处理导致淀粉颗粒峰值向大粒径方向偏移。

表2 球磨对大米淀粉颗粒大小的影响Table 2 Effect of ball milling on granule size of rice starch

D10、D50、D90和span表征大米淀粉粒径大小分布特征的参数如表2所示。球磨处理引起大米淀粉的D10、D50和D90均显著增加，且增加幅度随球磨时间延长而加大，相对于对照样品来说，球磨5 min样品的D10、D50和D90分别增加了0.29、0.28 倍和0.31 倍，而球磨60 min样品的D10、D50和D90分别增加了0.53、0.45 倍和0.45 倍。随着球磨时间延长，span呈逐渐减小的趋势，表明球磨处理使大米淀粉的粒径大小更均一。

有研究表明，低能球磨通常引起淀粉粒径减小[7,25]，其与本研究结果不一致。产生这种差异的可能原因是，低能球磨通常是干法处理，而本研究的高能球磨是在水介质中进行的。湿法球磨引起淀粉颗粒结晶区部分破坏，进而引起水分子更多地渗入淀粉颗粒内部与淀粉分子通过氢键结合，引起淀粉颗粒发生不可逆溶胀，表现为短时间球磨处理的淀粉颗粒粒径略有增加。随着球磨时间进一步延长，淀粉颗粒崩解为片状结构，其在水溶液中光散射的有效粒径比原淀粉颗粒大，也可能崩解形成的淀粉颗粒残片相互聚集形成了粒径较大的聚集体，进而表现为随着球磨时间延长，样品的粒径不断增大。干法介质中球磨处理，淀粉分子不会发生吸水溶胀及黏连聚集，进而表现为淀粉粒径随着球磨时间延长而逐渐减小。

2.4 球磨对大米淀粉颗粒形貌的影响

图4 球磨不同时间下的大米淀粉扫描电子显微镜图像Fig. 4 Effect of ball milling on scanning electron microscopic image of rice starch

图4为球磨不同时间及对照组大米淀粉的扫描电子显微镜图。对照组大米淀粉颗粒的棱角分明、表面光滑，为典型的多面体，该结果与大多大米淀粉表观形貌的研究结果[26]一致。球磨5 min大米淀粉仍保留着完整的颗粒结构，但部分颗粒的棱角变得模糊，且淀粉颗粒的大小略有增加，可能是球磨导致淀粉颗粒发生了轻微的不可逆吸水膨胀。球磨10 min样品的棱角变得模糊，部分淀粉颗粒崩解。球磨20 min以上样品出现较多的破损淀粉颗粒片段，且部分片段聚集在一起。表明球磨处理引起淀粉颗粒发生崩解，溶胀的淀粉颗粒片段相互黏连在一起而聚集成具有较多孔隙的不规则团块。

2.5 球磨对大米淀粉结晶特性的影响

图5 球磨对大米淀粉XRD图谱的影响Fig. 5 Effect of ball milling on XRD pattern of rice starch

大米淀粉主要以淀粉颗粒的形式存在，淀粉颗粒由结晶区和无定形区组成的一种半结晶体系。结晶结构和非结晶结构在XRD图谱上表现为不同的衍射特征，非结晶区表现为弥散特征，结晶区呈现为尖峰特征[27]。根据支链淀粉侧链组成双螺旋结构的不同，淀粉可以分为A、B和C 3 种晶体类型[28]。图5为不同球磨时间处理及对照组大米淀粉的X射线衍射图谱。对照组大米淀粉的X射线衍射图在2θ为15°、17°、18°、20°、23°处分别出现5 个明显的衍射峰，且在17°和18°附近为相连的衍射双峰，表明大米淀粉是A型晶体结构，衍射角在20°附近出现一个微弱的小峰，表明淀粉中含有与脂质结合的V型结晶结构，该结果与大多研究的结果[29-30]相同。短时间球磨样品的X射线衍射图谱与对照样品相似，但其相应峰的强度明显减弱，当球磨时间超过30 min时，淀粉样品的衍射峰基本完全消失，表明短时间球磨处理对淀粉颗粒的结晶区破坏比较明显，随着球磨时间延长，淀粉颗粒的结晶区被完全破坏，该结果与低能球磨处理淀粉的结果[7,25]类似，但对淀粉结晶结构破坏的更为严重。

利用Peakfit软件对数据进行拟合分析结果表明，对照样品的结晶度达到33.09%，球磨5 min样品的结晶度急剧降低至27%，球磨10 min样品的衍射峰变得极为微弱，当球磨时间延长到30 min以上时，淀粉的结晶峰基本完全消失，表明淀粉的结晶结构基本被完全破坏。

2.6 球磨对大米淀粉偏光特性的影响

图6为不同球磨时间及对照组大米淀粉的偏光显微镜图。对照组大米淀粉呈微小的颗粒状结构，淀粉颗粒的偏光十字非常清晰，表明对照样品具有良好的颗粒结构和结晶结构。相比对照样品，球磨5 min和10 min样品的颗粒结构和偏光特征变化不明显，说明10 min以内球磨处理对大米淀粉的颗粒结构和结晶结构破坏相对较小。球磨20 min样品没有明显的淀粉颗粒结构，且偏光十字明显减少，表明大部分淀粉颗粒的结晶结构受到不同程度的破坏。球磨30 min以上样品没有呈现出规则的颗粒结构，也没有完美的偏光十字出现，仅有少量的颗粒呈现为微弱的亮点，表明大米淀粉的晶体结构受到了严重的破坏，该结果与XRD结果相符合。

图6 球磨对大米淀粉偏光特性的影响Fig. 6 Effect of ball milling on polarized image of rice starch

2.7 球磨对大米淀粉FTIR的影响

图7 球磨对大米淀粉FTIR的影响Fig. 7 Effect of ball milling on Fourier transform infrared spectrum of rice starch

图7 为不同时间球磨及对照组大米淀粉的FTIR图。对照和球磨处理大米淀粉FTIR图总体特征相似。所有样品在波数2 800～3 000 cm-1区间有一个明显的吸收峰，其为—C—H的伸缩振动峰[31]；在波数1 600～1 700 cm-1范围内出现一个尖锐的吸收峰，其为分子内氢键的伸缩振动峰；在波数990～1 030 cm-1范围内出现脱水葡萄糖残基C＝O振动的典型峰[32]。球磨后的大米淀粉FTIR图中没有新的特征峰出现，说明球磨处理没有引起大米淀粉产生新的基团，即球磨处理并没有引起大米淀粉发生显著的化学变化，大米淀粉特性的改变主要是球磨改变了淀粉的结构和构象引起的。

表3 球磨对大米淀粉的影响Table 3 Effect of ball milling on of rice starch

表3 球磨对大米淀粉的影响Table 3 Effect of ball milling on of rice starch

样品 对照 5 min 10 min 20 min 30 min 60 min 90 min 120 min A1 047 cm-1/A1 022 cm-1 0.81±0.01a0.83±0.00b0.85±0.00c0.89±0.01d0.90±0.01d0.90±0.01d0.89±0.01d0.93±0.00e

FTIR常用于分析淀粉分子结构的短程有序性，其短程有序结构包括淀粉结晶区以外的分子螺旋结构。波数900～1 300 cm-1区间的吸收带是由高度耦合的C＝O和C—C振动产生的，该区域对淀粉分子链的有序性和无定形构型的改变非常敏感，可用于分析淀粉的短程有序结构特征。1 047 cm-1和1 022 cm-1处的红外吸收分别显示淀粉结晶区和无定形区的结构特征，其比值可表征淀粉颗粒中有序结构与无定形结构的比例[33]。如表3所示，对照组大米淀粉在1 047 cm-1与1 022 cm-1处吸收强度比值（）为0.81，其值比苦荞麦淀粉的低[34]，表明大米淀粉的短程有序结构相对较低。球磨处理引起大米淀粉的显著增加，且随着球磨时间延长增加幅度不断加大。其可能是球磨破坏了淀粉颗粒内部的结晶区和无定形区，被破坏区域淀粉分子部分区域相互排列形成新的短程有序结构，进而表现为长程有序结构含量减少而短程有序结构含量增加的结果。

3 结 论

高能球磨处理能够显著改变大米淀粉的糊化特性和热特性，随着球磨时间（5～30 min）延长，大米淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度和崩解值、回生值等糊化相关黏度参数及糊化温度和热焓值均呈下降趋势。球磨处理引起大米淀粉更容易糊化，受热膨胀后的有效体积减小，且能改善大米淀粉糊的抗老化特性。糊化特性的改变主要原因是湿介质中短时间高能球磨处理引起淀粉结晶区部分发生无序化，导致淀粉颗粒更容易吸水膨胀，进而表现为糊化温度降低，由于球磨处理引起淀粉颗粒被部分破坏，导致受热膨胀的淀粉颗粒更容易破裂崩解而限制了其受热膨胀的有效体积，表现为糊化相关黏度参数降低。长时间高能球磨处理时，淀粉颗粒发生严重破坏而崩解，部分淀粉分子从淀粉颗粒内部渗出，渗出的淀粉分子在较低温度下即发生水合糊化，残留的淀粉颗粒片段黏结聚集，进而使淀粉样品粒径增加，同时表现为偏光十字减弱而结晶度降低，由于渗出的淀粉分子部分区域重新有序排列，导致淀粉的短程有序结构含量增加。