球磨处理对藜麦淀粉结构和特性的影响

杜 涓， 寇福斌, 2， 刘芳兰， 豁银强， 吴进菊

(湖北文理学院食品科学技术学院·化学工程学院1，襄阳 441053)(西南大学食品科学学院2，重庆 400715)

藜麦，别名南美藜，由于具有突出的营养和保健作用，藜麦被盛赞为“粮食之母”和“黄金谷物”[1]。藜麦中淀粉质量分数为58.1%～64.2%，可作为乳液稳定颗粒、淀粉膜等，并应用于食品、化妆品、药物配方等领域[2-4]。另外，藜麦还具有抗氧化[5]、抗菌、增强免疫力[6]、预防糖尿病[7]及心血管疾病[8,9]等功能。

由于天然淀粉存在一定的局限性，需要进行一定的改性加工才能满足人们的需要，球磨微细化处理技术被认为是有效改善植物性原料加工特性的方法，它是通过研磨体的冲击作用以及研磨体与球磨内壁的研磨作用对淀粉进行机械粉碎[10]。此法工艺简单，且对环境污染小，纯度高，可作为淀粉深加工的一种新方法[11,12]。郞双静等[13]采用球磨法对荞麦淀粉进行粉碎，发现淀粉粒径增大，结晶形貌由光滑变为粗糙，颗粒由多晶态转变为无定形态，并且热焓值、糊化温度及黏度值均显著降低。王立东等[14]用球磨法处理豌豆淀粉，认为豌豆淀粉在球磨处理下的机械变化可分为两个阶段，第一阶段为研磨初期，淀粉在球磨处理时，由于存在摩擦力及剪切力，淀粉颗粒粒径增大，粒度分布曲线变宽，结晶度下降；第二阶段为研磨后期，淀粉发生塑性变形，整个颗粒结构变为无定型态。刘灿灿等[15]以槟榔芋原淀粉为原料，采用球磨结合辛烯基琥珀酸 (OSA) 酯化方法制得复合改性淀粉，发现其溶解度、膨润力、透明度、抗凝沉性、冻融稳定性均明显提高，具有良好的增稠效果。逯蕾等[16]考察用不同球磨时间处理绿豆淀粉，发现随着球磨时间增加，绿豆淀粉颗粒表面会出现凹痕，而且淀粉颗粒破裂，淀粉糊黏度也会下降。本研究采用球磨处理藜麦淀粉，探讨球磨处理时间对藜麦淀粉结构和特性的影响，改善藜麦淀粉的加工性能，以期为藜麦淀粉的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

藜麦；溴化钾、氢氧化钠等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

EMAX型高能球磨仪，TA-XT plus型质构仪，IRPrestige-2型傅里叶变换红外光谱仪，RVA-TecMaster型快速黏度分析仪，V-1800 PC型紫外分光光度计，D8 ADVANCE型 X-射线衍射仪，Mastersizer 3000E型激光粒度仪。

1.3 方法

1.3.1 藜麦淀粉的制备

将藜麦粉碎后过100目筛，去除筛上物，与质量分数为 0.2%的NaOH溶液按照料液比1∶5进行混合、搅拌，浸泡4 h后，4 000 r/min离心15 min，刮去表层和底层灰黄色物质，将中层白色物质水洗至中性，然后离心取其白色沉淀物，置于培养皿中，40 ℃干燥箱中热风干燥12 h，粉碎过100目筛，得到粗淀粉[6]，其中淀粉质量分数为85.8%，含水量为14.0%。

1.3.2 球磨处理

用球磨机对藜麦淀粉进行粉碎，球料质量比为6∶1，固定转速 300 r/min，控制球磨温度在35 ℃以下，球磨时间分别为 2、4、6 h，制得损伤程度不同的藜麦淀粉，对照组为未经球磨处理的藜麦淀粉[17]。

1.3.3 藜麦淀粉结构的测定

1.3.3.1 晶体结构的测定

将制备好的样品在室温下平衡24 h后，进行X-射线衍射分析。衍射条件为：铜靶电压40 kV，电流40 mA，CuKa辐射，扫面范围为5°～35°，步长0.02°，扫描速度为5(°)/min[18]。

1.3.3.2 分子结构的测定

取待测淀粉样品与KBr以1∶100在红外灯下充分研磨混合后，用压片机压片，压力为10 MPa，压片完毕后，置于红外光谱仪中进行测量，得红外光谱图。扫描范围是 4 000～400 cm-1，光谱分辨率为0.01 cm-1[19]。

1.3.3.3 颗粒粒径的测定

采用激光粒度分析仪测定藜麦淀粉的粒度，用纯水冲洗管道3～4次，扣除背景后，向盛有纯水的烧杯中逐渐加入少量淀粉溶解，直到折光率在一定范围内，开始测样，每组测完均冲洗一次仪器[20]。

1.3.4 藜麦淀粉特性的测定

1.3.4.1 吸水指数的测定

称取0.5 g样品m1于50 mL的离心管中，称量离心管和样品的质量m2，加入20 mL的纯水，在30 ℃水浴锅中搅拌30 min，4 000 r/min离心15 min，弃去上清液，将离心管倒置2 min，称量离心管与沉淀的总质量m3。

吸水指数=[(m3-m2)/m1]×100%

1.3.4.2 析水率的测定

配制质量分数为 6%的淀粉乳，95 ℃水浴锅搅拌30 min，分装到已称重的50 mL离心管m0中，经快速冷却后再称质量，记为m1，将样品在-18 ℃条件下冷冻24 h，取出，在室温条件下解冻，以4 000 r/min离心20 min，弃去上清液，称取沉淀物质量m2，计算冻融24 h后的析水率。

析水率=[(m1-m2)/(m1-m0)]×100%

1.3.4.3 溶解度和膨胀度的测定

配制质量分数1%的淀粉糊，质量记为w0。95 ℃的水浴锅搅拌30 min，4 000 r/min离心20 min，上清液置于105 ℃烘箱烘干直至恒重，得到水溶性淀粉质量，记为w1,离心管中沉淀部分为膨胀淀粉，质量记为w2。淀粉糊的溶解度和膨胀度用公式计算。

溶解度=w1/w0×100%

膨胀度=w2/[w0× (100-溶解度)] ×100%

1.3.4.4 糊化特性的测定

测出各组样品的含水率，根据每组淀粉的含水率算出所需淀粉的质量，加入装有25 g蒸馏水的铝盒中，配成淀粉乳，用旋转浆搅拌均匀后置于快速黏度仪中。测定程序：起始温度为50 ℃保持1 min，以6 ℃/min升温到95 ℃，保持3 min，再以6 ℃/min降温至50 ℃，保温2 min；旋转浆最初10 s以960 r/min搅拌，其后保持160 r/min的转速。

1.3.4.5 凝胶强度的测定

配制质量分数6%淀粉液，95 ℃水浴锅搅拌30 min，冷却至室温，样品封口置于4 ℃冰箱静置24 h。采用质构仪测定凝胶质构特性，选用Texture Analyzer P/0.5探头进行测定，具体参数：测前速度 1 mm/s，测试速度2 mm/s，测后速度2 mm/s，触发力3 g，测定高度5 mm[21]。

1.4 数据处理

每个实验重复3次，取平均值，采用Stat方差分析软件进行显著性分析(P<0.05)，Origin 9.5软件对实验结果进行作图。

2 结果与分析

2.1 球磨处理对藜麦淀粉结构的影响

2.1.1 球磨处理对藜麦淀粉结晶结构的影响

由图1可以看出球磨处理后的藜麦淀粉与原淀粉均在衍射角2θ为15.5°、17.0°、18.0°、23.5° 处出现4个较强的衍射峰，其结构属于典型的A型[22]。这4个衍射峰出现的位置基本彼此吻合，说明球磨处理对藜麦淀粉晶体的有序性没有造成太大破环，曲线的基本趋势走向没有发生变化，也没有出现新的衍射峰，淀粉颗粒的晶型并未发生变化。但是各峰峰值强度稍有波动，在球磨2 h后峰值强度达到最大，说明球磨处理对藜麦淀粉结晶区有一定的影响。进一步分析藜麦淀粉的结晶度可知，原淀粉结晶度为39.62%，球磨2、4、6 h 后结晶度分别为31.13%、29.63%、25.92%。可见随着球磨时间的延长，藜麦淀粉结晶度逐渐降低。董弘旭等[23]研究表明球磨处理对小麦淀粉的结晶结构造成了一定程度的破坏，使其结晶度由20.00%降至16.78%。

图1 不同球磨时间处理的藜麦淀粉X-射线衍射图

2.1.2 红外光谱分析球磨处理对藜麦淀粉结构的影响

图2为不同球磨时间处理藜麦淀粉的红外光谱图，可以通过观察各吸收峰的位置来判断其分子结构的改变。未处理的藜麦淀粉图谱在930、1 023、1 081 cm-1处有峰值，这些峰值表示C—O—H的振动收缩吸收峰，而577、764、858、929 cm-1处的峰值表示整个糖环的振动伸缩吸收峰；1 153 cm-1是C—C和C—O的振动伸缩峰；在2 929 cm-1处表示—CH2—的非对称吸收峰；3 385 cm-1的宽峰是—OH的振动峰[24]。根据与不同处理时间的图谱的比较，发现其各吸收峰没有明显的变化，没有发现有新的吸收峰产生，其淀粉的骨架没有发生基本改变。

图2 不同球磨时间处理的藜麦淀粉红外光谱图

2.1.3 球磨处理对藜麦淀粉粒径的影响

由表1可知，原藜麦淀粉D90为86.40 μm，球磨2 h后D90迅速降为61.20 μm，降幅为29.17%，随着球磨时间的不断延长，大颗粒淀粉不断破裂，在球磨6 h后D90降至40.80 μm，降幅为52.80%。在球磨4 h后，藜麦淀粉D10和D50均为最低，但随着球磨时间进一步延长到6 h后，D10和D50又有所增大。这可能是由于随着球磨时间进一步延长，其淀粉颗粒表面积不断增大，表面活性也有明显提高，形成的小颗粒可能又重新聚集为较大的颗粒，出现6 h后D10和D50增大的现象。

表1 球磨对藜麦淀粉粒径的影响

2.2 球磨处理对藜麦淀粉特性的影响

2.2.1 球磨处理对藜麦淀粉吸水性的影响

由图3可知，球磨处理后，藜麦淀粉的吸水指数显著增高，藜麦淀粉的吸水性随着球磨时间的增加而增大。球磨2 h时，吸水指数由原淀粉的1.84%上升到1.94%，球磨4 h时上升至2.81%，比原淀粉提高了52.72%，说明在球磨4 h后，淀粉的颗粒被机械破坏较为厉害，增加了与水的接触面积，使得淀粉的吸水能力大幅度加大，而当球磨时间达到6 h时，其吸水能力与4 h相比差异并不显著，这可能是部分淀粉颗粒大小已经达到球磨界限，延长球磨时间对于这部分淀粉颗粒起不到效果，所以其增长放缓。

注：相同字母表示差异不显著(P>0.05)，不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。图3 球磨处理对藜麦淀粉吸水性的影响

2.2.2 不同球磨时间对藜麦淀粉析水率的影响

球磨时间对藜麦淀粉析水率的影响见图4，析水率可以反映冻融稳定性，数值越大则说明其冻融稳定性越差。球磨处理后藜麦淀粉的析水率显著降低，球磨4 h时析水率达到最低，为30.1%，显著低于原淀粉的41.6%。

图4 球磨处理对藜麦淀粉析水率的影响

2.2.3 球磨处理对藜麦淀粉溶解度和膨胀度的影响

图5显示了球磨处理对藜麦淀粉溶解度和膨胀度的影响。与原淀粉相比，球磨处理后藜麦淀粉的溶解度和膨胀度显著增加。由图5可以看出，藜麦淀粉的溶解度开始随着球磨时间的加长而增大，在球磨4 h时，其溶解度达到最大，而后又开始减小，这可能与其粒径在4 h时D10和D50最小有关。在球磨0～4 h时，藜麦淀粉溶解度差异显著，而球磨2 h和6 h时溶解度差异不显著。膨胀度和溶解度的趋势基本相同，同样是在球磨4 h时膨胀度达到最大，随后减小，且各组间差异显著。这是由于在球磨处理下，淀粉颗粒粒径减小，而比表面积增大，淀粉晶格结构被破坏，解离了淀粉的双螺旋结构，从而促进了水分子和淀粉分子游离羟基的结合，使溶解度和膨胀度增加[25]。但随着球磨时间的进一步延长，形成的小颗粒可能又重新聚集为较大的颗粒，所以使整体膨胀度反而减小。

图5 球磨处理对藜麦淀粉溶解度和膨胀度的影响

2.2.4 不同球磨时间对藜麦淀粉糊化特性的分析

球磨不同时间的藜麦淀粉RVA曲线如图6所示。球磨后藜麦淀粉和原淀粉的RVA曲线变化趋势整体类似，但球磨使藜麦淀粉糊化曲线整体下移，下移幅度随球磨时间的增加而加剧，从而使藜麦淀粉在峰值、谷值和曲线终值等的黏度值有所不同。表2为球磨不同时间的藜麦淀粉糊化特性参数，球磨处理后藜麦淀粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度、回升值、峰值时间和糊化温度均显著降低。糊化特性与水结合力有关，球磨处理破坏了淀粉颗粒结构和结晶区， 提高了淀粉颗粒的持水力和膨胀度，淀粉颗粒在相应温度下膨胀后的有效体积减小，从而使特征黏度值降低[26]。

图6 不同球磨处理时间的藜麦淀粉RVA曲线

表2 球磨处理对藜麦淀粉糊化特性的影响

2.2.5 不同球磨时间对藜麦淀粉凝胶强度分析

由图7可以看出，球磨处理显著提高了藜麦淀粉的凝胶强度。随着球磨时间的延长，藜麦淀粉凝胶强度呈现先增加后减小的趋势，球磨4 h时藜麦淀粉凝胶强度最大。当球磨时间增大到6 h时，藜麦淀粉的凝胶强度又有所降低。凝胶的硬度主要与凝胶化时淀粉颗粒的膨胀及渗出的直链淀粉形成的三维网络结有关。由于球磨处理破坏了藜麦淀粉的颗粒结构，使藜麦淀粉的溶解度和膨胀度增加，有利于凝胶网络结构的形成，从而增加了凝胶的硬度。

图7 球磨处理对藜麦淀粉凝胶强度的影响

3 结论

藜麦淀粉经过不同时间球磨研磨处理后，其结构和性质发生了明显变化。球磨处理显著降低了藜麦淀粉的结晶度，使淀粉无序化程度增加，但其中并无新的基团产生。经球磨处理后，淀粉颗粒粒径减小，在球磨6h时D90为40.80 μm，降幅为52.78%。淀粉特性方面，球磨处理后藜麦淀粉吸水指数、溶解度、膨胀度和凝胶强度显著增大，而析水率和黏度显著降低。