部分糊化马铃薯淀粉颗粒及老化特性影响研究

于婷婷，雷鸣，刘宁，赵凯

(哈尔滨商业大学 食品科学与工程省级重点实验室，哈尔滨 150028)

淀粉是自然界中含量较为丰富的高分子物质，属于可再生资源[1]，主要从植物的果实、种子以及根茎中提取，是一种人和动物的能量及营养来源[2-3]。淀粉具有独特的物化特性及营养功能，在食品加工中具有改善口感、增稠、乳化、提高体系稳定性等功能特性[4]，在汤汁、色拉调味汁等调味产品中的应用较多。在常温下，淀粉不溶于水，当温度升高至糊化温度以上时，若体系水分含量较高(>30%)，颗粒将会溶胀、崩解，最终变为均匀的糊状液体；而在中低水分含量(10%～30%)条件下，颗粒则会产生变形、团聚以及破损等变化[5]。在淀粉类主食制品加工过程中，一般会进行不同程度的热处理，根据加工工艺及产品组成的差异，所得到的往往是糊化程度不同的主食类淀粉产品[6]。糊化后的淀粉置于低温状态时，淀粉分子之间通过氢键结合，重新排列形成高结晶度的结晶体，不同处理温度的淀粉老化速度亦有所不同。淀粉老化通常与食品贮藏稳定性有关，食品的贮藏稳定性随着老化速率的升高而降低，货架期缩短[7-9]，因此，研究不同糊化程度对淀粉颗粒表观形貌、老化特性的影响有重要意义。

在食品工业中，淀粉在加工和储存过程中发生老化对食品的组织结构、稳定性、质量、消化性以及功能特性都有着重要的影响[10]。淀粉的结晶结构、储藏温度、含水率等能影响老化速率[11-12]。近年来，关于糊化淀粉老化的研究内容较多，但是多集中在处于完全糊化状态的淀粉颗粒，常常忽视不同糊化度对老化进程的影响。如潘治利等[13]对马铃薯淀粉的糊化过程进行了研究，发现不同糊化程度淀粉的结晶、热焓及糊化等物化特性均不同，尤其是回生值的变化，也因此影响产品的加工及贮藏性能。刘静[14]对板栗淀粉老化特性的研究发现，老化淀粉的网状结构遭到破坏，其结晶度比板栗原淀粉低。刘长姣等[15]研究水分含量与玉米淀粉老化特性的关系发现，随着水分含量的升高，糊化所需的热焓增大，但老化速率降低；Xie等[16]研究发现，对糯玉米淀粉和普通玉米淀粉进行热处理后，其糊化焓显著降低，进而其老化进程也得到延缓；Hu等[17]比较了压力糊化与热糊化大米淀粉的老化过程发现大米淀粉经高静压糊化后的老化速度比热糊化速度慢，同时采用Avrami方程进一步分析DSC，发现压力糊化的大米淀粉比热糊化的大米淀粉重结晶率(k)低，Avrami指数(n)高，但两种处理对糯米淀粉的重结晶率均没有影响。本文将使用差示扫描量热仪研究部分糊化淀粉的老化过程，通过改变马铃薯淀粉的糊化程度探究其对淀粉老化特性的影响，为淀粉在食品调味中的应用提供了理论及实践依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马铃薯淀粉：市售；石油醚、碘、碘化钾、氢氧化钠、无水乙醇等试剂：均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

DSC4000差示扫描量热仪、Spectrum 100X射线衍射仪 Perkin Elmer公司；TDL-5-A离心机 上海安亭科学仪器厂；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 郑州市亚荣仪器有限公司；SU8010扫描电子显微镜 日本Hitachi 公司；DHG-9420A电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；722S可见分光光度计 上海精密科学仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 部分糊化淀粉的制备

配制质量分数为10.0%的马铃薯淀粉溶液，分别放置于60，64，68，72，74，76，100 ℃的水浴锅中加热一定时间，100 r/min振荡后冷却至室温，离心，将沉淀置于45 ℃的烘箱内干燥24 h，粉碎、过筛，备用。

1.3.2 淀粉颗粒形貌及偏光十字变化

利用扫描电子显微镜(SEM)来观察淀粉的微观形貌以及结构[18]。将样品均匀分散至导电双面胶表面，镀金处理，然后将其放入SEM中观察[19]。同时，取一定量部分糊化淀粉和甘油的混合液，放置在载玻片上，利用偏振光显微镜观察样品偏光十字的变化情况[20]。

1.3.3 X-衍射的测定

参考Chen等[21]的测定方法，利用 X-射线衍射仪(XRD)来分析样品的结晶特性。测定前淀粉在100%相对湿度下平衡24 h，具体测试参数：衍射角(2θ)扫描范围1°～60°，步长0.02°，扫描速度10°/min。

1.3.4 淀粉热焓特性及糊化度的测定

将样品与蒸馏水按1∶2的比例置于DSC铝坩埚中，密封，在室温下平衡2 h[22]。以空皿作为参比，从20 ℃升至110 ℃(10 ℃/min)，测定糊化起始温度(onset temperature,To)、糊化完成温度(conclusion temperature，Tc)、糊化峰值温度(peak temperature，Tp)、糊化焓(gelatinization enthalpy，ΔHgel)，以及糊化度(gelatinization degree，GD)[23]：

式中：HNS为原淀粉糊化焓，J/g；HTS为部分糊化淀粉糊化焓，J/g。

1.3.5 部分糊化淀粉老化度的测定

测定步骤同1.3.4。

1.3.6 部分糊化淀粉老化动力学研究

将样品置于4 ℃的冰箱中贮存3～14 d，测定其老化后结晶体发生熔融作用的To、Tp、Tc、老化焓(retrogradation enthalpy，ΔHret)，计算老化度(retrogradation degree，RD)[24]：

注：ΔHret为老化焓；ΔHgel为糊化焓；RD为老化度。

1.4 数据统计与分析

本文中的全部实验结果均表示为平均值±标准偏差(n=3)，平均值、标准偏差由Excel 2013和SPSS 17.0统计处理获得；利用方差分析和Duncan检验来确定均值差异的统计学意义(p<0.05)；使用Origin 8.5进行作图及其他分析[25]。

2 结果与分析

2.1 热处理温度对淀粉颗粒形貌及偏光十字的影响

由图1可知，淀粉颗粒大小不同，大粒为卵形，小粒为圆形，粒径可以达到15～100 μm[26]。由图1中B可知，淀粉在64 ℃时的糊化度不高，为26.16%，几乎所有颗粒的双折射现象保持不变，仍然保持颗粒态，仅有少数淀粉颗粒的偏光十字从脐点处变暗，颗粒的表面有显著的熔融、凹陷现象。由图1中C可知，当温度为68 ℃时，马铃薯淀粉糊化度增加，大部分淀粉的颗粒崩解、黏连，出现聚集现象，淀粉的双折射现象有明显减少，颗粒偏光十字从脐点、颗粒边缘发生不同程度的缺失，仅有少数淀粉保持颗粒形貌。由图1中D可知，升温至72 ℃以后，颗粒的糊化度可以达到69.81%，多数颗粒崩解，失去形态，其偏光十字基本消失。由图1中E和F可知，温度为76 ℃和100 ℃以后，糊化度分别为93.52%、100%，高温将结构全部破坏，导致偏光十字全部消失[27]。因此，随着温度升高，马铃薯淀粉颗粒形貌表现为颗粒表面粗糙、凹陷、融化、黏结，最终崩解破碎。

图1 不同温度处理淀粉颗粒形貌

2.2 热处理温度对淀粉结晶特性的影响

由图2可知，2θ角对应的特征峰分别在5.6°、17.2°、22.2°、24.0°，显然17.2°所在位置的特征峰为最强峰，在6°左右表现出的特征峰是B型结晶结构所特有的，因此，热处理后淀粉衍射峰的位置没有发生明显的变化，说明热处理温度对其结晶类型没有影响，这与Miyoshi[28]的结论一致。但反应前后淀粉的X-射线衍射图谱仍然存在某些差异，随着处理温度的增加，特征峰强度逐渐降低，X-射线衍射图谱中尖锐衍射峰逐渐趋于弥散，当温度升高至完全糊化时，特征峰消失，这是由于在热处理过程中，结晶区中支链淀粉间氢键断裂，直链淀粉溶出并与支链淀粉分子链之间相互交替缠绕，淀粉结晶结构从高度有序向无序转变，提高了淀粉非结晶程度；同时，非晶化程度也与重排过程的直链淀粉含量有关，随着直链淀粉含量增加，颗粒内的分子流动性增强，淀粉的非晶化程度相应地提高，进而表现出X-衍射峰弥散强度增强的现象，呈现弥散峰，与Zhao等[29]的结论一致。

图2 部分糊化淀粉 X-衍射图谱

2.3 热处理温度对淀粉热焓特性的影响

由图3可知，温度越高，ΔH越低。淀粉在76 ℃时已基本糊化完全，这种现象是由于淀粉典型的半晶体结构导致颗粒内交替排列着结晶态环层和不定形环层[30]，以不同温度对淀粉进行处理后，水对淀粉的增塑作用使其进入淀粉分子的不定形环层，破坏分子内和分子间氢键并将其水化，随着温度进一步提高，淀粉高度有序结晶,结构破坏越严重，同时伴随着直链淀粉溶出，糊化度越高，淀粉结构破坏越严重。

图3 不同热处理DSC热谱图

由图3可知，随着反应温度的升高，部分糊化淀粉糊化吸热峰面积逐渐降低，最后完全消失，淀粉的Tp向右偏移。该现象是由于晶体结构在热力作用下由不定形区域向结晶区域转变，双螺旋结构之间相互作用形成结晶束(高度有序)，这种结晶束和微晶束均能提高淀粉的热力学稳定性[31]。综上，淀粉经热处理后，To、Tp、Tc值均升高，△H和糊化温程Tc-To下降。

2.4 热处理温度对淀粉老化度的影响

由图4可知，在4 ℃储存的过程中，部分糊化马铃薯淀粉在老化作用发生后，表现出老化度随贮藏时间的增加而提高，淀粉To、Tp、Tc随老化度的提高而上升，老化焓呈增大趋势；淀粉老化度随糊化度的增加而增加，完全糊化淀粉拥有最大的老化度。直链淀粉分子的重组能够直接影响淀粉的老化进程[32]，当热处理温度低时，淀粉颗粒具有较低的糊化度，此时，淀粉颗粒是以有序晶体结构排列的，颗粒中分支状支链淀粉占4%～5%，导致空间位阻大，老化不易发生，所以淀粉老化速率较慢，老化度不高。当温度升高时，糊化度增加，此时淀粉颗粒结晶结构破坏严重，线性直链淀粉溶出，分子质量少的线性直链淀粉空间位阻小，老化易于发生，此时淀粉老化度增加，当完全糊化时，老化度最高。其次，淀粉糊化度较低时，淀粉颗粒结构间结合紧密且含有大量有序晶体结构，分子链的移动困难，能够阻碍老化进程中双螺旋结构的形成，淀粉老化时To、Tp、Tc及老化焓较低，当淀粉糊化度增加，老化时淀粉颗粒重新形成的淀粉具有较高稳定性，此时，破坏淀粉双螺旋结构需提供更多能量，所以淀粉老化时To、Tp、Tc、△H增加。

图4 在4 ℃下储存部分糊化淀粉老化时间与老化度的关系

2.5 部分糊化淀粉的老化动力学

依据Avrami方程分析部分糊化淀粉老化动力学。

式中：E0是初始老化焓；Et是t时的老化焓；EL是最大老化焓；θ是t时的结晶度；t是结晶时间；k是结晶速率常数；n是成核及晶核生长方式的整数，又称Avrami指数。由于淀粉老化时形成结晶的成核及生长方式是同时发生且线性一维生长的，因此n=1。当n=1时，能得到最理想的速率常数k(1/k为时间常数)，k值以作图所得直线的斜率来表示[33]。

由图5中ln(EL-Et)对时间t作图所得直线的斜率可知，老化速率常数分别为：原淀粉0.0117，PS-60 0.0162，PS-64 0.0204，PS-68 0.0279，PS-72 0.0321，PS-74 0.0331，PS-100 0.2491，计算得出对应的时间常数分别为:tSN=1/KSN=85.47，tS60=1/K60=61.72，tS64=1/K64=49.01，tS68=1/K68=35.84，tS72=1/K72=31.15，tS74=1/K74=30.21，tS100=1/K100=4.01，由此可见，当贮存温度为4 ℃时部分糊化马铃薯原淀粉糊化速率是PS-60淀粉的0.72倍，PS-64淀粉的0.57倍，PS-68淀粉的0.41倍，PS-72淀粉的0.36倍，PS-74淀粉的0.35倍，PS-100淀粉的0.04倍。

图5 部分糊化淀粉老化动力学方程

3 结论

扫描电镜和偏光显微镜结果表明，随着处理温度的升高，部分糊化淀粉颗粒表面出现不同程度的变形，淀粉糊化温度低时，颗粒表面出现粗糙、缺失等现象，糊化度增大，颗粒开始凹陷、破碎、团聚直至完全失去颗粒结构；X-射线衍射结果表明，随着处理温度的升高，淀粉的结晶区域逐渐降低至完全失去结晶结构，特征峰消失呈无定形状态；热焓特性分析表明，部分糊化马铃薯淀粉的To、Tp、Tc随温度的升高而升高，△H和糊化温程Tc-To降低；部分糊化马铃薯淀粉在4 ℃储存3～14 d，其老化度随贮藏时间的增加而提高，利用Avrami方程定量得出老化焓与储存时间线性相关，糊化淀粉的老化速率随反应时间的增加而提高，其To、Tp、Tc有所上升，老化焓也不断提高，完全糊化后的淀粉具有最大的老化速率和老化焓，其值是部分糊化淀粉的2～3倍。

由上述实验结果分析可以得出糊化过程中马铃薯淀粉颗粒及老化特性的变化规律，为进一步提高淀粉作为调味食品的稳定性和工业生产应用提供了理论依据。