海藻酸钠结合超低温冷冻处理对甘薯淀粉颗粒结构和性质的影响

李 鑫，王雨生,2，陈海华,3,*

（1.青岛农业大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266109；2.青岛农业大学学报编辑部，山东 青岛 266109；3.青岛农业大学巴瑟斯未来农业科技学院，山东 青岛 266109）

近年来，随着生活节奏的加快，冷冻食品因方便储存而越来越受消费者欢迎。在中国，冷冻食品作为朝阳产业发展非常迅速，一些传统速冻食品，如汤圆、水饺等年产量已超过1 500万 t[1]。然而冷冻过程中，冰晶生长和水分迁移会影响食品组分的结构和性质，从而影响食品的品质[2]。Yi等[3]研究发现冷冻处理导致面团黏度增大且延展性变差；Silvas-García等[4]发现冷冻处理会增加面团中损伤淀粉的数量，影响冷冻面团的品质；Tao Han等[2,5]认为冷冻处理能影响冷冻面团中淀粉的完整性，提高食品的体外消化率。因此，冷冻处理引起的淀粉颗粒结构变化会影响淀粉基冷冻食品品质。目前，一些学者已就冷冻处理对淀粉颗粒结构、性质的影响及其作用机理进行了探讨。冷冻过程中形成的冰晶会挤压淀粉颗粒，导致支链淀粉渗漏到淀粉颗粒表面，从而提高淀粉的吸水能力[6]；Yu Shifeng等[7]发现冻融处理使淀粉颗粒的孔隙率明显增加，结晶强度和热性能显著下降；Liu Yu等[8]发现随着冻融循环次数的增加，淀粉颗粒表面变得粗糙，抗冻和耐热稳定性降低。

添加糖类物质或提高冷冻速率是减轻冷冻处理对淀粉颗粒破坏的有效方法。Su Han等[9]研究发现，添加低聚糖可以有效提高小麦淀粉的冷冻稳定性，且随着低聚糖的添加，由冷冻引起的淀粉颗粒孔隙度、回生值和溶胀率均降低；Yu Shifeng等[7]研究发现提高冷冻速率有助于减轻冷冻对淀粉颗粒的破坏；Fasina[10]的研究表明，海藻酸钠（sodium alginate，AG）可减少甘薯泥中冷冻水的含量，提高冷冻甘薯泥的热稳定性。

甘薯是一种富含淀粉、膳食纤维、蛋白质的重要粮食作物，具有增强免疫力、防癌抗癌等功效[11]。“十三五”期间我国甘薯总产量为0.8亿～1.0亿 t，甘薯加工制品产量在800万～1 000万 t，产值达1 500亿～2 000亿 元，其中冷冻甘薯条、冷冻甘薯泥等冷冻甘薯制品深受消费者喜爱。但是冷冻甘薯泥耐热性差、质地较硬，其原因可能是冷冻处理会引起淀粉颗粒结构和性质变化[10]。因此，如何降低冷冻处理对甘薯淀粉（sweet potato starch，SPS）的影响是改善冷冻甘薯制品品质的关键。AG是从海藻中提取的一种天然多糖，因其具有胶凝性、增稠性、pH值敏感性和生物相容性，被广泛应用于改善淀粉基食品的老化[12]，提高淀粉基食品的加工特性。

本实验以SPS为原料，从淀粉颗粒大小、微观形貌、结晶结构、热力学特性等方面探究冷冻处理对淀粉颗粒结构和性质的影响，并通过超低温冷冻处理和添加AG的方法来降低冷冻处理对SPS的影响，提高淀粉的耐热和抗剪切稳定性，为改善冷冻淀粉基食品加工品质提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

SPS（直链淀粉质量分数21.1%） 青岛骏厨有限公司；AG（甘露糖醛酸与古洛糖醛酸的质量比约为1.17∶1）青岛明月海藻集团有限公司。

1.2 仪器与设备

超低温冰箱（-80 ℃） 青岛海尔生物医疗股份有限公司；D8 ADVANCE X射线衍射仪 德国布鲁克有限公司；BK-POL偏光显微镜 重庆奥特光学有限公司；S-3400N扫描电子显微镜 日本日立电子株式会社；D3500激光衍射粒度分析仪 美国Microtrac公司；DSC1型差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）仪 瑞士梅特勒-托利多公司；A-4D-快速黏度分析（rapid viscosity analyze，RVA）仪澳大利亚New-Port公司。

1.3 方法

1.3.1 冷冻处理

参照Yu Shifeng等[7]的方法并稍作修改，将10 g SPS与90 g蒸馏水在室温（（25±1）℃）下混合12 h，使淀粉充分水合。然后分别置于-20 ℃和-80 ℃冷冻24 h，并于室温下解冻3 h，于50 ℃下干燥至恒质量，研磨，过100 目筛，所得样品记为SPS-20、SPS-80。将蒸馏水更换为AG水溶液（AG质量分数为2%），并重复上述步骤，所得样品分别记为SPSA-20、SPSA-80。添加蒸馏水或AG后未冷冻处理的样品分别记为SPS、SPSA。

1.3.2 粒度分布测定

采用激光粒度分析仪测定SPS颗粒的粒度分布，用超纯水作溶剂，测定温度为25 ℃。每个样品重复测定3 次。

1.3.3 微观结构观察

1.3.3.1 偏光十字观察

将SPS在蒸馏水中分散，制成质量分数为1%的淀粉悬浮液。取少量淀粉悬浮液于载玻片上，盖上盖玻片，放在偏光显微镜下，放大200 倍观察。

1.3.3.2 表观形貌观察

干燥后的样品粉末固定在扫描电子显微镜的样品台上，再喷一层金薄膜，在5 kV加速电压下观察淀粉颗粒的表观形貌，放大倍数为5 000 倍。

1.3.4 结晶特性的测定

参考Wang Yusheng等[13]的方法，根据X射线衍射图上的结晶区面积与总面积的比值计算淀粉的相对结晶度（relative crystallinity，RC）。

1.3.5 热力学特性测定

按照Wang Yusheng等[13]的方法，用DSC仪测定淀粉样品的热力学性质，记录淀粉糊化的起始温度（To）、峰值温度（Tp）、最终温度（Tc）和糊化焓（ΔH）。

1.3.6 糊化黏度测定

参照Yu Zhen等[12]的方法，用RVA仪测定SPS的糊化特性，记录升温和降温过程中的糊化参数。

1.4 数据处理与分析

使用Excel和Origin软件制图，采用统计分析软件SPSS 19.0中的Duncan’s多重比较法对数据进行多组样本间差异显著性分析，差异显著水平为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 SPS颗粒粒度分布分析结果

粒度分布是表征颗粒尺寸的重要参数[14]。如图1所示，冷冻处理以及添加AG均能显著影响SPS颗粒尺寸。天然SPS颗粒的粒度分布范围为5～50 μm，中值粒径D50为15.32 μm（表1）。与天然SPS颗粒相比，冷冻处理使SPS的粒度分布曲线明显右移，D50和D90升高，淀粉颗粒粒径明显增加。Yu Shifeng等[7]也发现冷冻处理可以增加非蜡质玉米淀粉颗粒尺寸。这可能是由于淀粉颗粒内部水分在冷冻过程中形成冰晶，随着冰晶的生长，产生较强的机械膨胀力，使淀粉颗粒膨胀、尺寸增大[6]。另外，研究发现冷冻处理还会使淀粉颗粒孔径变大、吸水增多，从而引起淀粉颗粒粒径的增大[7]。

图1 不同冷冻温度处理SPS和SPSA的颗粒粒度分布Fig.1 Particle size distribution of sweet potato starch (SPS) and SPS adding with sodium alginate (SPSA) frozen at different temperatures

表1 不同冷冻温度处理SPS和SPSA的D10、D50、D90Table 1 D10, D50, and D90 of SPS and SPSA frozen at different temperatures

冷冻处理温度会影响SPS颗粒的尺寸。降低冷冻温度，SPS颗粒尺寸减小，与SPS-20相比，SPS-80的粒度分布曲线向左偏移，说明-80 ℃的快速冷冻对淀粉颗粒结构的影响小于-20 ℃的缓慢冷冻，Yu Shifeng等[15]也得出快速冷冻对淀粉结构的影响小于缓慢冷冻的结果，这可能是因为冰晶形成的数量和尺寸与冷冻速率有关。缓慢冷冻时（-20 ℃）形成的冰晶大，产生的机械膨胀力较强，可严重破坏淀粉颗粒结构，使部分颗粒破碎为较小颗粒[7]；而快速冷冻时（-80 ℃），水分处于玻璃态，形成的冰晶小，产生的机械膨胀力较弱，使淀粉颗粒膨胀而未破碎[4]。与天然SPS相比，添加AG后的SPS及其冷冻样品的粒度分布曲线均向右偏移，D90显著升高，说明淀粉颗粒粒径增大，而粒度分布曲线峰值和D10显著降低、D90显著升高，表明粒径范围增大。Su Han等[9]报道添加低聚糖会使淀粉的粒径范围增大；Zhang Ling等[16]报道添加魔芋葡甘露聚糖的冷冻小麦淀粉颗粒粒径增大。这可能是由亲水胶体与淀粉分子之间的相互作用引起的[16]。冷冻温度从-20 ℃降至-80 ℃，SPSA的D50没有显著变化，这可能是由于添加亲水胶体引起淀粉颗粒的聚集，导致冷冻处理后淀粉颗粒的比表面积减小，降低了冷冻处理温度对淀粉颗粒粒径的影响[9]。

2.2 SPS颗粒微观结构观察结果

双折射现象是完整淀粉颗粒的特征之一，与结晶区淀粉分子的有序排列情况有关[8]。不同冷冻温度处理的SPS和SPSA所呈现的偏光十字如图2A1～F1所示，天然SPS有清晰的偏光十字，冷冻处理对SPS的双折射现象没有明显影响，SPS-20和SPS-80仍然具有清晰的偏光十字现象。添加AG后，SPSA及其冷冻样品的偏光十字均没有明显变化，这与Yu Shuxi[17]和Li Hua[18]等的研究结果一致，这说明冷冻处理和添加AG处理后，SPS颗粒依然具有明显的结晶区域。

图2 不同冷冻温度处理SPS和SPSA的偏光显微镜图及扫描电子显微镜图Fig.2 Polarized light micrographs and scanning electron micrographs of SPS and SPSA frozen at different temperatures

图2A2～F2为经冷冻及AG处理后SPS颗粒的微观形貌，可以看出，天然SPS颗粒呈多角形或圆形，表面较光滑。冷冻处理后SPS颗粒表面变得粗糙（图2B2、C2），出现许多大小不一的孔洞或塌坑，部分淀粉颗粒碎裂，出现较多小颗粒。冷冻温度对SPS颗粒表面形貌有显著影响，-20 ℃冷冻处理的SPS颗粒表面孔洞尺寸大、数量少，-80 ℃冷冻处理后的SPS颗粒表面孔洞消失，但出现大量塌坑。Yu Shifeng等[7]在研究-196 ℃和-20 ℃冷冻处理对天然玉米淀粉颗粒表面形貌影响时也发现了相似的结果。这一现象可能与冷冻速度有关，冷冻速度慢（-20 ℃条件下）时，容易形成少量大冰晶，产生的机械力大；而冷冻速度快（-80 ℃条件下）时，可以形成较多小冰晶，产生的机械力小。机械力越大，对淀粉颗粒表面结构的破坏作用越强[6]。由图2D2～F2可以看出，添加AG后，SPS颗粒表面被AG包裹，颗粒间出现黏聚现象，冷冻处理后，淀粉颗粒因AG的包裹呈聚集状态，表面变得粗糙。与未添加AG的冷冻SPS颗粒相比，添加AG的冷冻SPS颗粒表面孔洞数量明显减少，当冷冻温度降至-80 ℃时，淀粉颗粒表面的孔洞和塌坑均消失。这表明亲水胶体AG对冷冻淀粉颗粒有保护作用，可以减轻冰晶对淀粉颗粒的挤压，Tao Han等[5]也报道了类似的结果，这可能是亲水胶体在淀粉颗粒表面形成物理屏障层[19]所致。此外，亲水胶体含有较多的羟基基团，能够固定淀粉颗粒周围的水分子，抑制水的结晶，从而对冷冻过程中的淀粉颗粒起到保护作用[20]。

综合偏光显微镜和扫描电子显微镜的观察结果可以发现，冷冻处理没有影响淀粉颗粒双折射现象，说明冷冻处理后淀粉颗粒依然有较好的结晶结构，淀粉颗粒表面出现孔洞则说明冷冻处理很可能破坏了淀粉颗粒的无定形区域，AG的添加则可以减轻冷冻对SPS颗粒结构的破坏。

2.3 SPS颗粒的结晶特性分析结果

由图3可知，天然SPS在2θ为15.26°和23.18°处有两个衍射峰，17.42°和18.06°处出现连续双峰，为典型的A型结晶结构。添加AG和冷冻处理均未改变衍射峰位置，表明处理后淀粉颗粒能保持A型结晶结构。这与Yu Shifeng等[7]研究冻融处理对非蜡质玉米淀粉结晶晶型影响的结果一致。

图3 冷冻处理SPS和SPSA的X射线衍射图谱Fig.3 X-Ray spectra of SPS and SPSA with or without freezing treatment

冷冻处理明显改变了SPS的相对结晶度。如图3所示，SPS经-20 ℃冷冻处理后，相对结晶度从25.7%下降到22.3%，这与Szymońska等[6]在研究冷冻处理马铃薯淀粉时的结果一致，说明冷冻处理能破坏维持淀粉颗粒双螺旋结构的氢键，导致淀粉颗粒由晶态转向非晶态的不可逆变化[8]。然而SPS-80的相对结晶度比SPS-20增加了5.1 个百分点，说明降低冷冻温度可以提高SPS的相对结晶度。Yu Shifeng等[7]也有类似发现：与-20 ℃冷冻相比，-196 ℃冷冻处理的玉米淀粉颗粒的相对结晶度更高。这可能是由于超低温冷冻下，淀粉颗粒结晶区双螺旋结构的重排促进了亚结晶区向结晶区的转变[9]。

由图3可知，AG的添加可以提高SPS颗粒相对结晶度3.4 个百分点，这与Su Han等[9]的研究结果一致。这可能是由于淀粉和AG的衍射峰存在重叠，使相对结晶度升高。添加AG的SPS经冷冻处理后，相对结晶度从29.1%（SPSA）分别增加到32.3%（SPSA-20）和33.7%（SPSA-80），但-20 ℃和-80 ℃冷冻处理对相对结晶度的影响差异较小，这可能是因为冷冻过程促进了淀粉分子链的重排，结晶区域增多；另外，AG富含的羟基基团[21]与淀粉颗粒竞争水分子，还可以减轻冷冻对淀粉颗粒中氢键的破坏。

2.4 SPS颗粒的热力学性质分析结果

糊化转变温度能够反映淀粉颗粒内微晶的稳定性及其变化，与淀粉颗粒的吸水性、结晶度和结晶结构有关；糊化焓（ΔH）能够反映淀粉颗粒在加热过程中双螺旋结构的解离和结晶结构的损失程度[22]。如图4所示，所有样品均有一个明显的吸热峰，其峰值温度在69.01～73.67 ℃之间，这应该是淀粉糊化过程中形成的吸热峰。

图4 不同冷冻温度处理的SPS和SPSA的DSC曲线Fig.4 Differential scanning calorimetry (DSC) curves of SPS and SPSA frozen at different temperatures

由表2可以看出，冷冻处理显著降低了SPS的Tc和ΔH。与天然SPS相比，冷冻温度为-80 ℃时，Tc和ΔH分别降低了1.25 ℃和2.71 J/g，这表明冷冻处理后部分淀粉颗粒结晶破碎，颗粒稳定性变差。Zhang Yanjun等[23]研究发现冷冻处理能够降低菠萝蜜淀粉的Tp、Tc和ΔH，这可能是因为冷冻处理引起淀粉颗粒中水分的重新分布，导致淀粉结构的变化和淀粉链的重排[7]。另外，冷冻处理过程中形成的冰晶使淀粉颗粒表面或内部的膨胀力不一致，破坏了淀粉颗粒的结晶结构，形成了不规则的松散结构[23]。冷冻温度从-20 ℃下降到-80 ℃，SPS的Tc和ΔH分别从75.73 ℃和10.74 J/g下降到74.75 ℃和9.97 J/g，Yu Shifeng等[7]发现非糯性玉米淀粉的Tc在-196 ℃和-60 ℃冷冻后有所下降，这可能与淀粉微晶的数量有关[9]，冷冻处理影响了淀粉颗粒的完整性和孔隙率，快速冷冻形成的孔隙小而多[4]，有利于颗粒吸热糊化。

表2 不同冷冻温度处理SPS和SPSA的热力学特性参数Table 2 Thermal characteristic parameters of SPS and SPSA frozen at different temperatures

与天然SPS相比，添加AG后，To、Tp和Tc分别升高了2.57、4.13 ℃和4.95 ℃，而ΔH降低了2.21 J/g。与此类似，Dangi等[24]发现加入瓜尔胶可以提高玉米淀粉的Tc。Tp的升高表明AG的加入延缓了淀粉颗粒的糊化。发生上述现象的原因可能是亲水胶体的水化作用减少了淀粉颗粒糊化过程中所需的可用水量[25]，导致糊化延缓。与SPS相比，添加AG并经-20 ℃和-80 ℃冷冻处理后，To、Tp、Tc均升高，这进一步说明AG的添加可以减轻冷冻对SPS颗粒的破坏。

2.5 SPS颗粒的糊化特性分析结果

糊化过程中，淀粉颗粒被破坏，直链淀粉渗出，引起淀粉糊的黏度升高[9]。由表3可以看出，与天然SPS相比，冷冻处理使SPS的糊化温度（pasting temperature，PT）分别降低了0.6 ℃（SPS-20）和0.9 ℃（SPS-80），这与DSC分析结果一致，Su Han等[9]研究发现冷冻处理可以降低小麦淀粉的PT。这应该是冷冻过程中淀粉颗粒内部或表面通道中的水形成冰，促使无定形区内的物质向外渗漏，从而在淀粉颗粒上留下较大的孔洞，糊化时水分因此更容易进入淀粉颗粒内部并引起膨胀[8]。由表3可知，冷冻处理还显著降低了SPS的糊化峰值黏度（peak viscosity，PV），-20 ℃和-80 ℃冷冻后，PV分别降低了420 cP和1 144 cP，Liu Yu等[8]同样发现冷冻处理可以降低蜡质玉米淀粉的PV，这可能是因为冷冻处理破坏了淀粉颗粒的结构，使淀粉链断裂，产生损伤淀粉，因此黏度降低[4]。天然SPS经冷冻处理后，衰减值（breakdown value，BD）和回生值（setback value，SB）分别降低了156～510 cP和13～160 cP，Su Han等[9]的研究也得到类似结果，这可能是因为冷冻处理过程中冰晶的形成使淀粉产生膨胀，引起淀粉颗粒表面和内部淀粉链的重新排列，从而提高了淀粉糊对热和剪切的稳定性，延缓了淀粉的回生[8]。

表3 不同冷冻温度处理SPS和SPSA的糊化特性Table 3 Pasting properties of SPS and SPSA frozen at different temperatures

与SPS-20相比，SPS-80的PT降低0.3 ℃（表3），这可能是因为较快的冷冻速率使淀粉颗粒表面产生数量较多的塌坑（图2C2），增加了淀粉颗粒与水的接触位点[26]。另外，快速冷冻形成更多细小空隙，淀粉颗粒结晶结构更为松散，淀粉更容易糊化，这与DSC分析结果一致。与SPS-20相比，SPS-80的PV、BD和SB分别降低了724、354 cP和147 cP。Silvas-García等[4]发现，冷冻速率较慢时，面团具有更高的黏度，这可能是由于快速冷冻（-80 ℃）过程中，水分形成的小冰晶数量更多，引起淀粉颗粒中直链淀粉与支链淀粉的重新排列，产生更多短链损伤淀粉，长链淀粉含量减少，从而降低了淀粉糊黏度，提高了淀粉糊的稳定性和抗剪切能力。

与天然SPS相比，加入AG后SPS的PT降低了1.5 ℃，Funami等[27]的研究表明，小麦淀粉-多糖混合物的PT明显低于小麦淀粉。这一变化趋势与DSC分析结果不一致，赵阳等[28]也发现，在小麦淀粉中加入AG后，PT降低，而To、Tp、Tc升高，这主要是因为RVA与DSC分析的原理不同。RVA通过测定样品黏度的变化来计算其PT，AG具有极强的增稠作用，AG的加入使淀粉-多糖体系在较低温度下即被监测到较大的黏度变化；而DSC分析则是通过测定相变过程中吸收热量多少来确定To、Tp、Tc。与天然SPS相比，加入AG后，PV和BD分别降低了242 cP和593 cP，Su Han等[9]发现低聚糖的加入可以降低小麦淀粉PV，这可能是由于AG包覆在淀粉颗粒表面，抑制淀粉颗粒的膨胀和糊化[9,29]，从而降低淀粉PV。另外，淀粉糊中AG分子的存在也削弱了热应力和剪切应力对淀粉分子链的破坏作用[9]，使淀粉糊具有更高的热稳定性，表现为BD减小。

与天然SPS相比，加入AG并进行冷冻处理，PT、PV、SB和BD分别降低了3.1～4.6 ℃、571～957 cP、12～41 cP和602～608 cP。Zhang Chen等[30]在冷冻处理添加了黄原胶的马铃薯淀粉混合体系时，Guo Jinying等[31]在冷冻处理添加了魔芋葡甘露聚糖后的小麦淀粉时，Su Han等[9]在冷冻处理添加了低聚糖的小麦淀粉时，均得到类似结果，这进一步表明，在对淀粉的冷冻处理过程中，AG的存在能够提高糊化过程中淀粉糊的抗热和抗剪切稳定性，延缓淀粉回生。

降低冷冻处理温度后发现，SPSA-80的PT、PV和SB分别比SPSA-20降低了1.5 ℃、386 cP和29 cP，BD变化不明显，这与Silvas-García等[4]的研究结果相同，他们同样发现，与慢速冷冻面团相比，快速冷冻面团的PV、SB更低，BD无明显变化，说明添加AG结合超低温冷冻处理，可以进一步降低SPS糊化黏度，并延缓淀粉糊的老化。

3 结 论

本实验研究了不同冷冻温度下AG处理对冷冻SPS粒径、结构、糊化性质、热力学性质等的影响。结果表明，降低冷冻温度和添加AG处理均可减轻低温冷冻对淀粉颗粒结构的破坏，超低温冷冻处理结合AG的添加可以有效提高冷冻SPS颗粒的耐低温能力，提高淀粉糊耐热、抗剪切稳定性和抗回生能力。本研究结果可为AG在冷冻SPS基食品中的应用提供理论参考。