微波处理对不同链支比玉米淀粉结构及理化性质的影响

蒲华寅， 陈旭艳， 郭思敏， 黄峻榕

(陕西科技大学 食品与生物工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

淀粉在自然界中来源广泛，主要存在于植物的根茎叶和果实中，是人类膳食中碳水化合物的重要来源之一[1].淀粉的基本结构单元为葡萄糖，从分子结构来看，是由直链淀粉和支链淀粉组成的[2].直链淀粉分子是由多数线性分支链和少数长分支链组成，约含有99%的α-(1→4)和1%的α-(1→6)糖苷键.支链淀粉分子是由大量短支链组成的高度分支化分子链，约含5%的α-(1→6)糖苷键[3].

玉米淀粉是常见的食品原辅料，一般高直链玉米淀粉中直链淀粉含量高于50%，普通玉米淀粉的直链淀粉含量介于20%～30% 之间，而蜡质玉米淀粉的直链淀粉含量一般低于5%[4].不同品种玉米淀粉可适用于不同食品加工需求.其中，高直链玉米淀粉(HS)可适用于特殊群体的食品加工，但直链淀粉含量较高会影响食品的口感，普通(NMS)和蜡质玉米淀粉(WS)常用于增稠剂、稳定剂等，可改善食品的感官品质[5].

天然淀粉可通过各种改性方法使其更好地适用于工业应用的需要.目前淀粉改性方法主要包括物理、化学、酶法和复合改性[6].物理改性因其具有绿色环保、工艺简单、无需后处理等优点而受到了广泛的关注[7].目前，物理改性方法主要包括预糊化、湿热处理、微波处理、超声波处理及超高压处理等方法[8].

微波是一种高频电磁波，频率范围一般为300 MHz～300 GHz，具有热效应和非热效应[9].一般用于干燥、杀菌、解冻、改性等[10].微波辐射对氢键、范德华力等具有一定的破坏作用，可使其松弛、 断裂或重组[5].近年来，国内外的学者对辐照淀粉的结构及物理化学性质进行了研究，结果表明微波处理会导致淀粉形貌及结晶结构被破坏，进而影响淀粉理化性质[11-13].Oyeyinka等[12]研究发现微波处理能使花生淀粉结晶度下降，且糊化特性中峰值粘度、谷值粘度、最终粘度及糊化温度降低.Lee等[13]研究了微波处理对不同水分含量玉米淀粉结构性质的影响，发现微波处理破坏了淀粉的晶体结构，导致糊化温度升高，且含水量越高，效果越显著.

目前，已有大量研究报道了微波辐照对高粱[14]、板栗[15]、马铃薯[16]、玉米[5]、木薯[17]等不同植物来源淀粉结构及性质的影响，但关于微波处理对同一植物来源淀粉的影响研究报道较少.

本文采用扫描电子显微镜、X-射线衍射、傅里叶变换红外光谱、快速黏度分析等研究方法，分析了微波处理对高直链、普通和蜡质玉米淀粉结构性质的影响，比较了不同链支比玉米淀粉在微波处理过程中结构性质变化差异，以期为微波技术在淀粉食品的加工应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

1.1.1 主要试剂

蜡质玉米淀粉，保龄宝生物股份有限公司；普通玉米淀粉，河南菱花湖生物科技有限公司；高直链玉米淀粉，美国Kang生物股份有限公司；溴化钾，光谱纯，天津市科密欧化学试剂有限公司.

1.1.2 主要仪器

HC-83203FB微波炉，广东格兰仕微波生活电器制造有限公司；FEI Verios 460型高分辨场发射扫描电镜，美国FEI公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，孔义市予华仪器有限公司；XFH-50CA 电热式压力蒸汽灭菌器，浙江新丰医疗器械有限公司；D8AdvanceX-射线衍射仪，德国布鲁克Bruker公司；STA449 F3傅里叶红外光谱仪，德国布鲁克Bruker公司；RVA-TM型快速粘度分析仪，瑞典波通仪器有限公司.

1.2 实验方法

1.2.1 微波处理淀粉的制备

样品制备参考李世杰等[15]的方法并进行适当修改.以蜡质、普通、高直链三种玉米淀粉为原料，分别称取10.0 g(干重计)放入丝口瓶，加水调节浓度为20%(m/m)并放入微波炉中.样品在800 W功率下分别处理0、20 s、40 s、80 s、120 s后冷却至室温，40 ℃烘干至恒重，然后过100目筛即得微波处理淀粉.

1.2.2 淀粉的微观形貌

取少许淀粉样品均匀固定在导电胶上，用离子溅射仪真空镀金后，置于高分辨场发射扫描电镜样品室中，电子枪加速电压为15 kV，观察样品的微观形貌.

1.2.3 淀粉的晶体结构分析

将待测的样品预先平衡水分后进行分析.X-射线衍射仪分析条件为：Cu-Kα辐射，扫描速率为4 °/min，扫描范围2θ为4 °～40 °，步长0.02 °，管压和管流分别为40 kV和40 mA.各样品的相对结晶度计算参考Adhiyamaan等[18]的方法.

RC(%)=B/A×100(%)

(1)

式(1)中：A-谱线与基线间的面积；B-谱线与分割线间的面积.

1.2.4 傅里叶变换红外光谱分析

将适量淀粉样品与干KBr(1∶150) 混合研磨后压片，置于傅里叶变换红外光谱仪中进行测试.扫描背景为空气，扫描范围4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描32次.采用Huang等[19]的方法计算各样品在1 047/1 022 cm-1处峰强度比.

1.2.5 淀粉的糊化特性

采用快速粘度分析仪(RVA)进行糊化特性分析.RVA测试程序设定为：初始温度50 ℃，保持1 min，然后以12 ℃/min 速率上升到95 ℃(3.75 min)，并保持2.5 min；再以12 ℃/min速率降至50 ℃(3.75 min)，保持1.5 min结束.测试中前10 s搅拌速度为960 rpm，后保持160 r/min转速完成测试.

1.2.6 淀粉的透明度

将淀粉配成1%(m/m)的淀粉悬浮液，在高压灭菌锅中121 ℃处理 30 min，糊化并保持其体积不变，冷却至室温，620 nm 波长下测定淀粉糊的透光率，以蒸馏水作为空白(透光率为100 %).

1.2.7 淀粉的凝沉特性

将淀粉配成1%(m/m)的淀粉悬浮液，在高压灭菌锅中121 ℃处理 20 min，冷却至室温后将淀粉糊转入 100 mL 的具塞量筒内并在室温下静置24 h，记录沉淀部分体积，用上清液的体积占总体积的百分比表示淀粉糊的凝沉性质.

1.2.8 统计分析方法

使用Origin 9.6进行绘图，SPSS 26.0进行数据处理.方差分析采用Tukey法进行多重比较.

2 结果与讨论

2.1 淀粉颗粒的形貌结构

图1为微波处理前后不同链支比玉米淀粉的扫描电镜图.由图1可知，高直链玉米淀粉多近似椭球形、少数呈细长条或无规则形，表面光滑；蜡质玉米淀粉呈多角形，形状较高直链玉米淀粉更为规则；普通玉米淀粉则介于二者之间，总体上更接近于蜡质玉米淀粉，但棱角要更加圆滑.与高直链玉米淀粉相比，普通和蜡质玉米原淀粉表面微孔数量多，孔直径大.

微波处理后，不同链支比玉米淀粉颗粒表面均出现裂纹，且随着处理时间的增加，颗粒表面变得粗糙、塌陷，呈多孔状，这表明微波处理使淀粉内部分子发生迁移，颗粒内部结构重新排列[20]；微波处理120 s 后，普通和蜡质玉米淀粉颗粒失去原有形状，颗粒之间相互黏结.而高直链玉米淀粉只是在表面出现粗糙及细小裂纹，表明高直链玉米淀粉颗粒结构(较普通和蜡质玉米淀粉)对微波的耐受性更强[21].这可能是由于直链淀粉含量越少，分子间作用力越弱，淀粉结构更易被破坏[22].

(a)高直链玉米淀粉HS (a1)、(a2)、(a3)、(a4)分别为微波处理20 s、40 s、80 s、120 s的高直链玉米淀粉 (b)蜡质玉米淀粉WS (b1)、 (b2) 、(b3) 、(b4) 分别为微波处理20 s、40 s、80 s、120 s的蜡质玉米淀粉 (c)普通玉米淀粉NMS (c1) 、(c2)、(c3)、(c4)分别为微波处理20 s、40 s、80 s、120 s的普通玉米淀粉图1 三种玉米淀粉微波处理前后扫描电镜图(× 5 000)

2.2 淀粉的长程有序结构

图2为微波处理前后不同链支比玉米淀粉的XRD谱图.高直链玉米淀粉呈现典型的B型结晶结构，在2θ为5.6 °、16 ° 、20 °、24 °处出现衍射峰；蜡质和普通玉米淀粉在2θ为15.1 °、17 °、18 °、23.5 °处出现衍射峰，呈现A型结晶[23].经微波处理后，三种淀粉的晶型没有发生改变，这与刘佳男等[14]研究结论一致.

(a)高直链玉米淀粉

(b)普通玉米淀粉

(c)蜡质玉米淀粉图2 微波处理前后三种玉米淀粉X-射线衍射图

通常用相对结晶度RC来表示结晶区与无定形区的比例[16].高直链、普通和蜡质玉米淀粉的相对结晶度分别为16.1%、26.2%、40.8%(见表1).微波处理后，其RC值持续降低.这可能是由于微波的热效应破坏了淀粉的晶体排列，加之水分子的流失使淀粉链破坏，分子向无序化转变，进而导致淀粉颗粒的相对结晶度降低[24].微波处理120 s，与对应原淀粉相比，高直链、普通和蜡质玉米淀粉RC值分别降低了32.9%、51.9%和32.1%.普通玉米淀粉的下降幅度最大，这可能是因为普通玉米淀粉本身支链淀粉含量较蜡质玉米淀粉少，结构完整性相对较差，经长时间微波辐射，使支链更易降解进而产生更多的直链淀粉，并有利于淀粉解旋[25].

表1 微波处理前后三种玉米淀粉的相对结晶度(RC)和分子有序度(R(1047/1022))

2.3 淀粉的短程有序结构

如图3所示，不同链支比玉米淀粉微波处理前后的红外光谱具有相同的特征峰，表明微波不会影响淀粉样品的官能团.而在指纹区，常用1 047 cm-1和1 022 cm-1的峰强度比值R(1047/1022)来表示淀粉晶体在短程范围内的有序度[26].

(a)高直链玉米淀粉

(b)普通玉米淀粉

(c)蜡质玉米淀粉图3 微波处理前后三种玉米淀粉红外光谱图

通过对所有样品短程有序度的测定(表1)发现，高直链玉米原淀粉的R(1047/1022)值最大，为1.50，而普通和蜡质玉米原淀粉的R(1047/1022)分别为1.32和1.22.微波处理20 s 后三种淀粉的R(1047/1022)值与原淀粉相比均无显著差异，当微波处理时间超过80 s后，R(1047/1022)值显著降低(p<0.05)，表明长时间微波处理会使淀粉样品的短程有序性变弱.

2.4 淀粉的糊化特性

微波处理前后淀粉样品的糊化特性如表2所示.因高直链玉米淀粉的起始糊化温度较高，无法利用快速黏度分析仪(RVA)对其糊化过程进行分析，故表中仅给出普通和蜡质玉米淀粉相关数据.

从表2可以得出，与原淀粉相比，随着微波时间的延长，普通和蜡质玉米淀粉糊化温度整体上呈现升高的趋势，普通玉米淀粉在微波处理40 s时呈现显著性差异(p<0.05)，而蜡质玉米淀粉在微波处理120 s时，其糊化温度才显著升高(p<0.05)，表明短时间微波对普通玉米淀粉影响更大.峰值黏度主要反映淀粉颗粒在破裂前吸水膨胀的最大膨胀能力[25]，与对照组相比，微波处理后普通玉米淀粉的峰值粘度呈现先上升后下降的趋势，而蜡质玉米淀粉呈现下降趋势.这可能是因为普通玉米淀粉由于存在直链和支链淀粉两种组分，支链淀粉结晶完整性具体一定的提升空间，因而，在短时间微波处理过程中，可能导致普通玉米淀粉发生韧化作用，而长时间微波处理会使其发生晶体解体作用[27].

回生过程是淀粉分子糊化后其分子链重新定向排列，形成晶体结构的过程.普通和蜡质玉米淀粉的回生值整体呈先下降后上升的趋势.这说明微波短时间处理增加了淀粉糊的流动性，可能是由于微波短时间处理抑制了淀粉回生.这与王雨生等[5]的研究结果相一致.经长时间微波处理使淀粉颗粒结构疏松，分子链中糖苷键被断开，形成大量短直链淀粉，这些短直链淀粉由于分子量较小容易定向排列，形成微晶结构，从而导致了回生值的增加[28].

表2 微波处理前后对普通和蜡质玉米淀粉糊化特性

2.5 淀粉糊的透明度

通常淀粉的透明度取决于淀粉颗粒的大小、直链淀粉含量及其与支链淀粉的比例等[15].透明度可用透光率反映.由图4可知，三种原淀粉透光率大小为：蜡质玉米淀粉>普通玉米淀粉>高直链玉米淀粉，说明链支比会影响淀粉的透光率.微波辐射后三种淀粉糊的透光率均低于原淀粉；随着微波时间延长，普通和蜡质玉米淀粉糊透光率均呈下降趋势，而高直链玉米淀粉短时间微波处理后其透过率先增大后随时间延长而减小.

由于微波辐射会使淀粉支链发生降解，从而形成更多的直链淀粉，而直链淀粉分子量小，易于相互凝聚而使得淀粉发生回生，造成淀粉颗粒的持水能力下降，从而导致透光率下降.

2.6 淀粉糊的凝沉特性

凝沉是淀粉发生老化的现象，是直链淀粉分子和支链淀粉分子通过氢键重新相互结合，形成结晶的过程[29].一般用凝沉体积来反映淀粉的凝沉性，凝沉体积越小，表示越易凝沉.从图5可以看出，三种淀粉凝沉体积大小依次是蜡质玉米淀粉>普通玉米淀粉>高直链玉米淀粉，表明高直链玉米淀粉抗凝沉性最弱，这主要与直链淀粉重结晶有关.微波处理后，淀粉凝沉体积较原淀粉均降低，说明微波处理进一步削弱了淀粉的凝沉性，这与RVA和透明度测定结果一致.三种淀粉中，普通玉米淀粉凝沉性变化幅度最大，这可能是由于其内部支链淀粉分子受长时间微波处理出现快速断裂而引起的，而蜡质玉米淀粉下降幅度较普通玉米淀粉小，这可能是因为其本身含近100% 的支链淀粉分子，分子结合力强，空间阻碍大，微波处理不易使其发生快速降解[30].

HS：高直链玉米淀粉；NMS：普通玉米淀粉；WS：蜡质玉米淀粉图4 微波处理不同链支比玉米淀粉的透明度

HS：高直链玉米淀粉；NMS：普通玉米淀粉；WS：蜡质玉米淀粉图5 微波处理不同链支比玉米淀粉的凝沉特性

3 结论

天然高直链玉米淀粉呈B型结晶，而普通和蜡质玉米淀粉呈A型结晶.微波处理不会改变三种玉米淀粉的晶型，但会破坏淀粉的结晶结构及短程有序结构.与原淀粉相比，微波处理使高直链、普通和蜡质玉米淀粉的相对结晶度分别下降了32.9%、51.9%和32.1%.短程有序度R(1047/1022) 也呈现类似的变化趋势.链支比会明显影响淀粉糊的透明度和抗凝沉性，直链淀粉含量越高，透明度越小，越易老化.

微波处理会导致淀粉降解，形成的短链分子会加速淀粉老化过程.相比而言，蜡质玉米淀粉的糊化黏度呈下降趋势，而普通玉米淀粉呈现先上升后下降的趋势，这种差异可能与两种淀粉内部结晶完整性有关.同时，普通玉米淀粉受内部直链淀粉影响，其内部结晶完整性低于蜡质玉米淀粉，在微波短时间处理时可能存在部分韧化现象.整体上，微波处理对普通玉米淀粉结构及理化性质的影响相对更大.