超声处理对小米淀粉结构及理化性质的影响

陆兰芳，扎西拉宗，吴进菊，王 展，沈汪洋，于 博,

（1.湖北文理学院食品科学技术学院，湖北襄阳 441053；2.武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北武汉 430023）

小米的主要组分是淀粉，含量因品种差异而不同，一般在60%～70%[1]。小米淀粉的组成和结构决定着小米本身的功能性质及其加工特性。颗粒粒径大小与淀粉的结晶度、凝胶特性、糊化特性、碘吸附特性和直链淀粉含量等理化性质密切相关[2]。直链淀粉和支链淀粉比例组成以及分子排列是决定淀粉糊化、老化、黏度、溶解度、消化、质构、流变学、双折射和结晶性等理化性质及功能特性的重要因素[3]。小米淀粉因品种差异而表现出不同的物化特性。与其它传统淀粉来源相比，小米淀粉价格低廉，除了具备可再生、环境友好、可生物降解等特性外，还表现出颗粒小、淀粉含量高、易获取、种植环境高耐受性等应用优势[4]，在食品包装、食品配方、涂料/薄膜、乳液输送体系等应用领域具有巨大的商业潜力[5]。但其不溶于水、易脱水、乳化能力差、酸不稳定等缺点限制了其在工业中的应用[6]。开发新的高效且环保的改性方法修饰淀粉，获得具有特定功能特性或生理作用的淀粉是当前研究的热点。在物理改性、化学改性、生物改性等改性方法中，超声波改性作为一种安全、环保、高效、低能耗的物理改性方法引起了国内外研究者的广泛关注。

超声作用主要是通过机械效应、空化效应、热效应等促进淀粉分子链运动，改变淀粉颗粒内部原有氢键及双螺旋结构，通过对淀粉颗粒表面及内部结构的影响来调控淀粉的理化性质[7]。Hu等[8]利用双频（20 kHz+25 kHz）超声处理玉米淀粉，获得了热稳定性和回生性显著提高的超声改性淀粉。陈海明[9]发现超声可引起玉米淀粉水解率增大，直链淀粉含量升高。Sujka等[10]用超声波处理马铃薯、小麦、玉米和大米淀粉，改善了淀粉的溶解度和膨胀力，且赋予了马铃薯淀粉更高的糊透明度。

本研究以小米淀粉为原料，系统研究了不同超声处理功率对小米淀粉聚集态结构及理化性质的影响规律，以期为小米淀粉改性产品研究及在食品工业应用开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

优质小米 朝阳泰然科技食品有限公司；溴化钾 天津博君科技有限公司；葡萄糖、四氯化碳、苯酚 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氢氧化钠、盐酸、硫代硫酸钠 国药集团化学试剂有限公司。

JY88-IIN超声细胞破碎仪 宁波新芝生物科技股份有限公司；S-4800扫描电子显微镜 日本Hitachi公司；D8 Advance X射线衍射仪 德国Bruker公司；Malvern3000激光粒度仪 英国Malvern公司；DM2700 P型偏光显微镜 德国Leica公司；Nexus470傅里叶变换红外光谱仪 美国Thermo Nicolet公司；UV-1800PC型紫外/可见光分光光度计 上海美普达仪器有限公司；TechMaster快速黏度分析仪瑞典Perten公司；Discovery HR-2型旋转流变仪、DSC Q20型差示量热扫描仪 美国TA仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 小米淀粉的提取 优质小米磨粉过100目筛，放入0.2%（w/v）NaOH溶液中，按料液比1:4（g/mL）混合搅拌4 h后浸泡24 h，将混合物于4000 r/min离心5 min，弃去上清液，剥刮除去上、下层黄褐色物质，取中间的白色层，反复用蒸馏水清洗，连续离心（4000 r/min）直到上层没有黄色物质为止。沉淀用水分散并调pH至中性。最后将产物经40 ℃干燥24 h、研磨过100目筛即得小米淀粉（纯度94.9%）[10-11]。

1.2.2 小米淀粉的超声处理 小米淀粉配制成20%的淀粉乳（w/v），置于超声细胞破碎仪（功率范围20～250 W），反应容器外设冰水浴，每次处理100 mL样品，超声功率 0、25、50、100、150、200、250 W，超声时间40 min，每次超声作用5 s，间隔5 s，超声完成后用蒸馏水洗涤淀粉，经抽滤后于40 ℃烘干备用。

1.2.3 水解率的测定 称取1.0 g葡萄糖于1 L容量瓶中制得1 mg/mL母液，然后分别吸取1、2、3、4、5、6 mL母液于100 mL容量瓶中配成标准溶液，浓度分别为 10、20、30、40、50、60 μg/mL，然后分别吸取1 mL于具塞试管中，加5%（w/w）苯酚溶液1 mL摇匀，置于30 ℃水浴15 min，取出冷却至室温，在波长490 nm处测定吸光度，以标准浓度（μg/mL）为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制得标准曲线y=0.0096x+0.0655，R2=0.9913。经过一段时间超声的淀粉乳，经抽滤后，将其滤液稀释一定倍数，用硫酸-苯酚法测其吸光度，并通过标准曲线上的回归方程计算其糖浓度值，重复试验并求其标准偏差[12]。

1.2.4 颗粒形貌分析 取适量小米淀粉样品按一定顺序分别均匀涂布于黏在载物台的导电胶上，真空喷金后送入样品室。采用扫描电子显微镜（SEM）分别在放大倍数2000和5000倍下进行观察，拍摄具有代表性的淀粉颗粒清晰图片[5]。

1.2.5 偏光特性分析 取适量小米淀粉配制成1%的淀粉悬浮液，吸取悬浮液于载玻片上，小心盖上盖玻片（避免产生气泡），置于载物台上，采用偏光显微镜观察小米淀粉的偏光特性，在放大100倍下拍照。

1.2.6 结晶结构分析 取适量小米淀粉于样品槽中，刮去多余的样品并保持样品表面平滑，进行X-射线衍射仪（XRD）测定淀粉的结晶结构。测试参数：铜靶、管电压和电流分别为40 kV、30 mA，扫描速率为 8°/min，扫描范围为 3°～40°，步长 0.02°[13]。利用Peakfit软件计算样品结晶度：

1.2.7 分子结构分析 取适量淀粉样品和溴化钾于红外灯下充分研磨、混匀，压片后利用傅里叶红外光谱仪（FTIR）进行分子结构测定。测试参数：扫描范围4000～400 cm-1，累积扫描32次，分辨率为4 cm-1[6]。

1.2.8 粒径大小及分布分析 取适量小米淀粉配制成3%的淀粉悬浮液，采用激光粒度仪测定小米淀粉的颗粒大小及分布。测试参数：样品折射率为1.540，遮光度范围为10%～20%，分散剂为纯水，分散剂折射率为1.333，搅拌速率2400 r/min。

1.2.9 透明度及稳定性分析 准确称取一定量的小米淀粉置于100 mL锥形瓶中，配制成质量浓度的1%的淀粉乳，在恒温水浴锅中沸水浴加热并搅拌20 min。冷却至室温（25 ℃），摇匀后，用分光光度计测定，蒸馏水作参比，分别于室温放置10、30、60、120、240 min后测定620 nm波长处的透光率，以透光率反映淀粉乳的透明度，透明度变化程度是小米淀粉稳定性的外在表征。

1.2.10 流变学特性分析 准确称取适量小米淀粉样品于带盖样品瓶中，加去离子水并混合均匀，配制成质量分数为6%（以干基计）淀粉浆，室温下磁力搅拌2 h，95 ℃ 水浴保温 30 min，期间不断搅拌（250 r/min）使其糊化，制备好的淀粉糊采用流变仪在流动模式下进行剪切黏度及剪切应力测定。测试参数：夹具为40 mm不锈钢平行板，板间间隙为1 mm，应力为1%，温度为 25 ℃[11]。

1.2.11 糊化特性分析 利用快速粘度分析仪（RVA）测定淀粉峰值黏度、最低黏度、终值黏度、崩解值、回生值、糊化温度等参数。按照仪器计算结果称取一定量淀粉样品于仪器专用的铝制圆筒中，加入纯水配置成浓度为12%（以干基计）的淀粉乳，快速搅拌使淀粉分散均匀，上机测试。搅拌程序为：开始以960 r/min的转速搅拌10 s，然后以160 r/min的转速搅拌直至测试结束。升温程序为：50 ℃下保持1 min，然后以12 ℃/min的速度升温至95 ℃，在95 ℃保持 10 min，再以12 ℃/min的速度降温至50 ℃，在50 ℃保持2 min，结束测试[2]。

1.3 数据处理

采用Excel2019、SPSS22对数据进行统计及处理，采用OriginPro9.0绘制图，图表中误差均为标准误差，所有实验均进行三次重复实验。

2 结果与分析

2.1 超声处理对小米淀粉水解率的影响

不同超声功率处理的小米淀粉的水解率变化如图1所示。从图1中可以看出随着超声功率的增加，淀粉的水解率逐渐增大，超声功率25 W下淀粉水解率0.135%，增加到250 W时的1.037%。淀粉经过超声处理，发生不同程度的水解，由于超声波作用于液体介质形成机械振动，不同功率的超声频率引起热效应、机械效应和空化效应，一方面加速了溶剂与淀粉分子之间的摩擦，从而引起C-C键的断裂，另一方面超声空化效应产生高压环境导致了大分子链的断裂[6-7]。这与超声空化效应的表征结果是一致的，较高功率下超声波的作用效应更强烈，因此表现为淀粉水解率的提高。

图1 超声处理对小米淀粉水解率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic treatment on the hydrolysis rate of millet starch

2.2 超声处理对小米淀粉颗粒形貌的影响

超声处理会不同程度改变淀粉颗粒形貌，如颗粒出现裂缝、凹塌、孔洞等现象[10-11]。图2为原小米淀粉及超声处理后的小米淀粉的扫描电镜图。原小米淀粉颗粒呈现不规则的多面体，表面及边缘棱角比较光滑，颗粒完整。经过超声处理后小米淀粉颗粒形状和大小均未发生明显改变，但是在超声处理后小米淀粉棱角处出现了明显的不同程度的凹陷，较低功率的超声处理对淀粉颗粒的破坏相对较小，表面出现了少量较浅的损伤，但是随着超声功率的增大，尤其是200～250 W功率下，淀粉颗粒表面的破损更加突出，可以明显地观察到棱角处及表面变的粗糙并出现一定的凹陷和孔隙，这主要是由于超声波的空化作用和机械作用产生的高能量会加速淀粉粒子运动，高剪切力和高频微射流作用于淀粉颗粒表面，对颗粒形貌产生了不同程度的损伤和破坏，从而出现凹凸不平和穿孔现象[12]。

图2 超声处理小米淀粉的扫描电子显微镜图Fig.2 Scanning electron microscope image of millet starch treated with ultrasound

2.3 超声处理对小米淀粉偏光十字的影响

偏光十字的产生源于淀粉的球状微晶结构，偏振光经过淀粉颗粒时会观察到一个明显的偏光十字[13-14]。可以用偏光显微镜来观察淀粉的分子链排布和结晶结构的变化。图3显示了不同功率处理的淀粉样品的偏光显微镜图，从图中可以观察到明显的偏光十字，说明超声处理基本没有对淀粉的球晶结构造成破坏，淀粉基本保持原有的分子排布和组织结构。

图3 超声处理小米淀粉的偏光显微镜图Fig.3 Polarized light microscope image of millet starch treated with ultrasound

2.4 超声处理对小米淀粉结晶结构的影响

淀粉常见的X-射线衍射图谱有A型、B型和C 型，A 型淀粉在 15°、17°、18°和 23°有特征峰[15-16]。如图4所示，小米淀粉超声前后衍射图谱总体峰位无明显差异，均在 15°、17°、18°、23°出现明显的衍射峰，其中17°和18°附近的衍射峰为相连的双峰，是典型的A型淀粉的XRD波谱特征，这表明超声优先作用于无定形区，并未破坏淀粉的晶型。小米淀粉在20°处也出现了一个小的衍射峰，该位置可能是直链淀粉与脂质交互作用形成的无定形峰，该峰在藜麦、荸荠、葛根等淀粉中也存在[17]。超声预处理后，小米淀粉衍射峰强度呈现略微降低的趋势，尤其在23°处表现得更加明显。但超声功率的增大，并未引起小米淀粉结晶度的显著变化，未经处理的小米淀粉结晶度为32.90%，经过250 W超声处理后结晶度变化为32.44%。

图4 超声处理小米淀粉的XRD图谱Fig.4 X-ray diffraction pattern of millet starch treated with ultrasound

2.5 超声处理对小米淀粉分子结构的影响

红外光谱被认为是测定聚合物官能团和化学结构的理想技术，图5显示了原淀粉和不同超声处理下小米淀粉的红外吸收光谱，各个样品在3000～3800 cm-1附近有一个强而宽的吸收峰，主要归因于氢键键合的羟基（O-H）的复杂振动拉伸，2900～3000 cm-1处的尖峰与CH2的反对称伸展振动有关，1640 cm-1附近的吸收峰归属于淀粉中吸附水中无定形区域的吸收峰，700～1200 cm-1处较弱的连续衍射峰主要是多糖类的吸收，在900～1030 cm-1区间内的峰型对应吡喃糖分子C=O振动，993 cm-1附近的吸收峰，表明存在α-1,4糖苷键和C-O-C伸展，1157 cm-1处吸收峰归属于C-O及C-C键的伸缩振动[18]。

图5 超声处理小米淀粉的FTIR图谱Fig.5 Fourier infrared spectrum of millet starch treated with ultrasound

从小米淀粉FTIR光谱可以看出，各个波段不同样品的波位基本一致，可以用1047/1022 cm-1的峰强度比值来反应淀粉的有序程度[19]。原小米淀粉和经250 W超声功率处理的小米淀粉的A1047/A1022分别为1.059和0.887，说明经过超声处理对小米淀粉的有序程度产生了一定程度的破坏，使得有序度降低。

2.6 超声处理对小米淀粉粒径分布的影响

不同谷物来源的淀粉颗粒具有各自独特的形状和大小，淀粉颗粒的大小对淀粉的性质具有重要的影响，淀粉颗粒大小不同，其凝胶特性、糊化、老化及酶解特性等也会存在差异[2]。表1是小米淀粉经过不同功率的超声预处理后粒径分布参数，D4,3和D3,2分别表示颗粒的体积、表面积平均粒径。原小米淀粉平均粒径约为9.96 μm，呈单峰分布，经过超声预处理后，颗粒粒径向大尺寸范围分布，250 W超声处理下小米淀粉平均粒径增大到12.10 μm。这与王宏伟等[20]的发现一致，超声功率300 W处理30 min，小麦淀粉粒径D4,3由17.82 μm增大到19.39 μm，这主要是由于淀粉颗粒经过超声波作用后内部结构变得疏松，出现孔隙和凹槽，在水中分散时更容易吸水膨胀；其次，淀粉颗粒表面被破坏，表面活性增加，更易发生团聚行为，从而导致粒径尺寸增大[12,18]。

表1 超声处理小米淀粉颗粒的粒径参数Table 1 Particle size parameters of millet starch granules treated with ultrasound

2.7 超声处理对小米淀粉透明度及稳定性的影响

用淀粉糊的透过率反映其透明度，超声处理对小米淀粉透明度的影响如图6所示，由图6可知，经过超声处理后的淀粉糊透过率有所提升，但是整体上变化程度不大。这可能是因为超声处理导致淀粉颗粒表面被破坏后更加粗糙，颗粒更易膨胀吸水，从而溶解度增大，提高了淀粉与水分子之间的结合能力，更高超声功率处理后的小米淀粉更容易在水中溶胀，分散程度更大、更均匀，故表现出更高的透明度[21]。原小米淀粉糊在室温下放置10 min后，透过率为12.27%，放置不同时间后，透过率有不同程度减小，240 min后透过率降低到11.77%。不同功率超声处理的小米淀粉也表现出相同趋势，在放置一定时间后，透过率均有一定程度减小，这是由于溶解态的淀粉重新聚合而凝沉导致，反映了淀粉糊的稳定性[22]。淀粉糊的透明度较大程度上影响着食品的感官和可接受度，在果汁、饮料、糕点等对颜色及透明度要求较高的食品中，淀粉作为原料或添加剂加入，其透明度及储存稳定性会对产品的外观及品质产生重要的影响[23]。

图6 超声处理对小米淀粉透明度的影响Fig.6 Effect of ultrasonic treatment on the transparency of millet starch

2.8 超声处理对小米淀粉流变学特性的影响

图7是不同超声功率处理后淀粉的静态剪切应力随剪切速率的变化曲线。由图7可知，超声处理前后所有淀粉糊的剪切应力均随剪切速率的增大而增大，其变化是非线性的，曲线为凸曲线，剪切速率在0～40 s-1内，剪切应力急剧增大，40 s-1后，变化趋于平缓，即小米淀粉超声前后淀粉糊均属于典型的非牛顿流体。对比发现，在同一剪切速率下，超声处理后的淀粉较原小米淀粉剪切应力减小，说明超声对淀粉的结构产生了一定程度的破坏。超声功率增大，机械作用和空化效应得到加强，导致淀粉分子之间的作用力和淀粉分子链之间相互缠绕被减弱，大分子链的扩散和运动得到加强，部分分子链断裂，限制分子运动的流动行为弱化，故剪切稀释所需剪切应力减小[10-13]。较大超声功率对淀粉分子的三维网络结构破坏程度加大，因此，250 W超声功率处理的淀粉糊具有最低的剪切应力。

图7 超声处理小米淀粉的静态剪切流变曲线Fig.7 Static shear rheological curve of millet starch treated with ultrasound

由图8a可知，超声处理前后淀粉糊的表观黏度均随剪切速率的增大而急剧降低，在剪切速率达到10 s-1后，表观黏度趋于稳定，这是典型的剪切稀化现象，剪切变稀是假塑性流体特有的特征[18]。淀粉中的分子链相互缠绕，对分子的运动造成阻碍，当施加一定的剪切速率时，缠绕的分子链受到剪切力作用而重新排列，从而表观黏度降低，当剪切速率增大到某特定范围，淀粉分子来不及去向或已充分取向，表观黏度基本平稳[24-26]。淀粉糊的表观黏度与超声功率之间的关系见图8b，超声处理后小米淀粉糊的表观黏度较原小米淀粉糊均有不同程度的减小，且在相同的剪切速率下，随超声功率增大，小米淀粉糊的表观黏度逐渐降低。

图8 超声处理对小米淀粉糊表观黏度的影响Fig.8 Effect of ultrasonic treatment on the apparent viscosity of millet starch paste

2.9 超声处理对小米淀粉糊化特性的影响

淀粉的糊化是淀粉颗粒晶体结构的热无序化，除了与淀粉种类、体系温度、pH等有关外，一般还受淀粉晶体结构、直链与支链淀粉的比例的影响[27]。从表2可以看出，原小米淀粉峰值粘度、最低粘度、终值粘度分别为4170、2179、5273 cP，经超声处理后均呈现出明显的下降趋势，超声250 W处理后峰值粘度、最低粘度、终值粘度分别为3246、1780、3405 cP。糊化温度无显著变化，崩解值和回生值有所降低，这些变化随超声功率的增大更加明显。粘度的降低是由于原淀粉糊化后大分子链相互缠绕，流动粘性阻力大，经过超声处理会导致淀粉部分大分子链断裂，结晶结构发生改变，流动阻力减小，因此呈现出更低的粘度[28-29]。崩解值较原小米淀粉有所减小，说明经过处理之后的小米淀粉热稳定性更高[30]。超声产生的空化效应使淀粉双螺旋结构暴露更多的羟基，增加了淀粉分子与水分子的相互作用，使得保水性更强，因此回生值降低[6,9]。

表2 超声处理小米淀粉粘度特性Table 2 Viscosity characteristics of millet starch treated with ultrasound

3 结论

超声处理没有改变小米淀粉晶体结构和分子结构，但是导致小米淀粉颗粒表面产生了一定程度的凹陷和孔隙，分子有序性略有降低；与原淀粉相比，经超声处理后的小米淀粉颗粒粒径、透明度增大，表观粘度减小，热稳定性增强。本文系统研究了超声处理功率对小米淀粉结构及理化性质的影响，为小米淀粉改性产品研究及其在食品工业中应用提供理论参考。本研究主要是采用超声波技术改性淀粉并对其结构进行了相关表征，未来可将超声处理与其它改性技术复合，研究复合改性技术对小米淀粉结构和性质的影响规律，研究超声处理与其他改性作用的协同作用机制，以拓展超声处理在淀粉工业领域的应用价值。