湿热处理对马铃薯淀粉Ghost理化性质的影响

高群玉 刘强 董诗婷

（华南理工大学食品科学与工程学院，广东 广州 510640）

糊化淀粉乳液（Gelatinized Starch Dispersions，GSD）是淀粉在一定温度下形成的糊分散液，Ghost是残留于GSD中的具有囊状结构的淀粉外壳。20世纪90年代，Derek等［1］通过显微镜发现GSD中存在一些深色的阴影，并称其为“Ghost”。淀粉Ghost的形成伴随着直链淀粉的大量溶出，因此Ghost主要由大量支链淀粉和少量直链淀粉缠结构成，直链淀粉含量与Ghost的得率、稳定性和完整性［2-4］正相关，与膨胀度［5］负相关。控制Ghost的含量与性质可以调控GSD的各种理化性质（如消化率［6］、电导率［7］和粘弹性［6］等），Garcia-Hernandez等［8］通过超声技术控制淀粉膜中Ghost的含量，优化了淀粉膜的力学性能、透明度和水蒸气透过率等性质。淀粉Ghost的制备温度需高于淀粉的起糊温度，因此，研究者一般采用95～100℃的高温来制备淀粉Ghost，以探究其组成和作用机理［9］。但过高的温度对于淀粉Ghost形态和结构的保持是不利的，在工业上也容易造成大量能耗。

原淀粉虽然自身性能优良，但无法满足所有工业需求，通常需要通过物理改性（挤压、热处理、超声和微波处理等）、化学改性（交联、取代、氧化、酸处理和碱处理等）、生物酶法改性等手段来满足特定工业应用场景的需求。其中，热处理是物理改性的一种常用手段。根据系统水分含量、加热温度和加热时间的不同，热处理可分为湿热处理、干热处理和韧化处理。湿热处理是一种将水分含量低于35%的淀粉在90～120℃下进行一定时间处理的淀粉改性方式［10］，它可以改善淀粉的功能特性，相较于化学改性，有成本低和绿色环保的优势。在湿热处理时，温度的变化会影响淀粉的分子结构、直链淀粉-脂质复合物的形成以及结晶程度［11］。目前，有关改性淀粉Ghost的制备及理化性质的研究较少，加强这方面的研究将有助于进一步了解改性淀粉Ghost对淀粉基产品性能的影响，为其应用提供参考。

文中利用马铃薯淀粉起糊温度低、膨胀性高的特点，以蜡质和普通马铃薯淀粉为原料，利用Brabender程序设置不同的参数对马铃薯淀粉进行糊化处理，制备出淀粉Ghost，以Ghost完整性和纯度为指标，筛选出马铃薯淀粉Ghost的制备条件；在此基础上，研究不同湿热处理温度对马铃薯淀粉Ghost的制备及理化性质的影响，并得到完整性良好的Ghost空心囊结构。

1 材料与方法

1.1 实验材料

主要材料：普通马铃薯淀粉，华欧淀粉有限公司生产；蜡质马铃薯淀粉，荷兰AVEBE公司生产；猪胰酶P7545（酶活8 U/mg），美国Sigma-Aldrich公司生产；淀粉葡萄糖苷酶（酶活160 U/mL），美国Sigma-Aldrich公司生产；D-葡萄糖（GOPOD）试剂盒，爱尔兰Megazyme公司生产；直（支）链淀粉标品，美国Sigma-Aldrich公司生产；其他化学试剂均为分析纯。

1.2 实验仪器

主要仪器：KH-200型反应釜，西安泰康生物科技有限公司制造；IR 35型红外快速水分测定仪，德国DENVER公司制造；DHG-9620A型电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司制造；FE20型pH计，瑞士Mettler Toledo公司制造；XW-80A型涡旋混合仪，上海精科实业有限公司制造；DL-5-B型离心机，上海安亭科学仪器厂制造；SCIENTZ-10N型冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司制造；722SP型可见分光光度计，上海棱光技术有限公司制造；SHA-BA型恒温水浴振荡器，浙江金坛宏华仪器厂制造；HH-2型数显恒温水浴锅，常州市国旺仪器制造有限公司制造；Micro Visco-Amylo-Graph型布拉班德黏度仪，德国BRABENDER公司制造；BX51型偏光显微镜，日本OLYMPUS公司制造；EVO18型扫描电子显微镜，德国Zeiss公司制造；D8 ADVANCE型X-射线衍射仪，德国Bruker公司制造；MS3000型马尔文激光粒度仪，英国马尔文公司制造。

1.3 实验方法

1.3.1 Ghost制备方法的确定

参照Huang等［12］和Han等［13］的方法并作适当的修改，利用Brabender黏度测定仪标准程序确定Ghost制备方法，通过大量预实验，在光学显微镜下以Ghost完整性和纯度为指标进行筛选，得到具体方法如下：配制0.5%（干基，质量分数，下同）的马铃薯淀粉悬浮液于测量杯中，控制糊化时间为25 min、搅拌速率为250 r/min，最高处理温度设置为75℃。程序从30℃开始升温，温度上升到75℃后恒温保持5min，接着降到50℃并恒温保持5min，完成全部糊化过程。冷却至室温，以4 500 r/min的转速离心15 min，将下层沉淀物用50℃温水洗涤两遍，之后冻干24 h，得到淀粉Ghost的冻干样品，用于后续性质与结构测定。

1.3.2 湿热处理淀粉及其Ghost的制备

称取一定质量的普通马铃薯淀粉（PS）和蜡质马铃薯淀粉（WPS），加水至水分含量（质量分数）为25%，密闭在反应釜内胆中，混合均匀后置于4℃冰箱中平衡一天，然后在90、100和110℃下反应2.5 h，取出后置于45℃烘箱中烘干，过100目筛，得到湿热处理淀粉，分别记为PS-90、PS-100、PS-110和WPS-90、WPS-100、WPS-110。接着，根据1.3.1节中确定的Ghost制备方法，得到目标样品，分 别 记 为PSG、PSG-90、PSG-100、PSG-110和WPSG、WPSG-90、WPSG-100、WPSG-110。

1.3.3 Brabender黏度的测定

分别称取6 g（干基）原淀粉及其湿热处理淀粉样品放入测量杯中，加入蒸馏水至100 g，制成6%的淀粉乳。使用Brabender标准程序对两种淀粉进行糊化处理。程序设定如下：扭矩为0.034 3 N·m（350cmg），搅拌速率为250r/min，升（降）温速率为7.5℃/min。程序从30℃开始升温，温度上升到最高处理温度95℃后恒温保持5 min，接着降到50℃并恒温保持5 min，完成整个测试过程，得到两种淀粉的黏度曲线以及各项糊化特征值。

1.3.4 膨胀体积和相对糊化度的测定

根据马芸［14］的方法并稍作修改，定义样品在Brabender黏度测定仪标准程序下（即最高处理温度为95℃时）处理后已完全糊化。将两杯含量为0.5%（干基）的淀粉乳分别经1.3.1节中设定的Brabender程序和1.3.3节中设定的标准程序糊化后，各自转移到250 mL离心杯中，用10 mL蒸馏水冲洗测量杯后倒入离心杯，冷却至室温后，以4 500 r/min的转速离心15 min。将上清液转移到量筒中记录体积，按以下公式计算不同最高处理温度下的淀粉膨胀体积和相对糊化度（95℃时糊化度记为100%）：

式中：V沉淀为沉淀物体积，mL；V上清为上清液体积，mL；v膨胀为单位质量淀粉的膨胀体积，mL/g；m淀粉为淀粉干重，g；Dg为糊化度，%；v膨胀，t为一定温度t下单位质量淀粉的膨胀体积，mL/g；v膨胀，95为95℃时单位质量淀粉的膨胀体积，mL/g。

1.3.5 扫描电子显微镜分析测试方法

剪取合适大小的导电双面胶贴于载物台表面，用镊子撕取尽量薄的马铃薯淀粉Ghost样品粘在导电胶上，使样品分布均匀。然后将整个载物台放入喷金设备中进行喷金处理，喷金结束后将载物台放入样品室进行拍摄，500倍放大倍率。

1.3.6 直链淀粉含量的测定

根据GB/T-15683—2008测定直链淀粉含量。

1.3.7 粒径分布测定

使用MS3000型马尔文激光粒度仪进行粒径分析。按照1.3.1节中的方法得到纯化后的马铃薯淀粉Ghost样品后，采用Dhital等［15］的测试方法设置仪器参数如下：淀粉颗粒折射率为1.530，淀粉Ghost折射率为1.340，分散剂水的折射率为1.330，吸收率均为0.1，搅拌速率为2000r/min，然后滴加样品至测量杯中，直至遮光度大于10%。

1.3.8 X-射线衍射分析

将样品放于干燥器中24 h平衡水分，然后平铺于样品池，放入X-射线衍射仪中。测定条件如下：扫描区域2θ，4°～30°；扫描步长，0.05°；扫描速率，5°/min；管压，40 kV；管流，40 mA。采用Jade6.0软件处理数据图像，根据晶体面积与衍射图总面积的比值读取相对结晶度［16］。

1.3.9 体外消化性的测定

依据Englyst等［17］的方法并稍作修改来测定体外消化性，具体步骤如下：称取100mg样品（干基）于50 mL离心管中，加入6个玻璃珠和9 mL醋酸钠缓冲液（浓度为0.1 mol/L，pH=5.2），涡旋3 min混匀样品，放入37℃、190r/min的恒温震荡水浴锅中水浴10 min，保证管内外温度平衡，加入含猪胰酶（600USP）和淀粉葡萄糖苷酶（8U）的混酶1mL；反应至20min和120min时，按照之前加酶顺序每隔1min依次取出0.5mL的酶解液，立即放入10mL 95%（体积分数）的乙醇溶液中进行灭酶处理，涡旋1 min混匀，随后在4500r/min下离心5min，吸取0.1mL上清液于5 mL离心管中，立即加入3 mL GOPOD试剂（有GOPOD试剂存在时需避光），45℃下水浴20min显色，以空白试剂（0.1mL蒸馏水+3mL GOPOD）调零，以1mg/mL葡萄糖标准溶液作为标准品在510nm下测定样品吸光度。根据以下公式计算三类淀粉的营养片段：

式中：CRDS、CSDS、CRS分别为快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）含量，%；m20为酶解20 min生成的葡糖糖质量，mg；m120为酶解120 min生成的葡萄糖质量，mg；mF为样品中自由葡萄糖的质量（一般以零计），mg；mts为样品中的总淀粉质量，mg。

1.3.10 数据分析方法

所有实验重复3次，采用SPSS 25统计软件进行显著性分析，用Origin 9.0作图。

2 结果与讨论

2.1 马铃薯淀粉Ghost制备方法的确立

马铃薯淀粉Ghost的制备分为3步：糊化、纯化以及保存。糊化是制备淀粉Ghost的关键步骤。淀粉的种类、淀粉乳含量、加热温度和时间、搅拌速率都会影响淀粉的糊化［9］。因此，可以通过调整淀粉乳含量、设置Brabender程序参数（转速、最高处理温度）来制备较为完整且纯净的淀粉Ghost。通过大量预实验发现，转速选用Brabender标准程序的250 r/min既可保证淀粉颗粒不沉底，又能避免Ghost大量破碎。为了确保系统中有足够的水来支持淀粉颗粒达到最大溶胀，淀粉乳含量选用0.5%（干基）。以两种淀粉的起糊温度（PS为63.1℃，WPS为65.9℃）为依据，当最高处理温度达到75℃时基本所有颗粒都已充分吸水膨胀破裂，形成结构完整的淀粉Ghost。因此，最高处理温度在75℃以上方能制备出较为纯净的马铃薯淀粉Ghost。过高的温度不利于Ghost完整性的保持，因此选用最高处理温度为75℃。

淀粉在糊化过程中会溶出大量直链和支链淀粉分子。因此，除去GSD体系中的可溶性直链和支链淀粉分子，是制备高纯度淀粉Ghost的必要步骤。最常用的方法包括离心和洗涤，离心可去除大部分可溶性直链和支链淀粉分子，洗涤则是为了降低这些分子附着在淀粉Ghost上的可能［18］。纯化后的马铃薯淀粉Ghost呈糊状，较其GSD更稠，如图1所示。

纯化后的淀粉Ghost可直接用于光学显微镜观察和粒径分析等，但不利于保存和某些表征实验。真空冷冻干燥是一种干燥淀粉Ghost的常规方法，冻干的Ghost不易被氧化，便于保存以及后续的表征［19］。冻干后的马铃薯淀粉Ghost宏观形貌呈絮状，密度低，这与马铃薯淀粉的高度膨胀特性有关。冻干后的Ghost在SEM下呈空心囊状结构，存在塌陷和破碎的情况。

图1 纯化后、冻干后和SEM下的马铃薯淀粉GhostFig.1 Purified，freeze-dried potato starch Ghost and its SEM image

表1 原淀粉和湿热处理淀粉的糊化参数Table 1 Gelatinization parameters of native starch and heat-moisture-treated starch

2.2 Brabender黏度分析

如表1所示，普通马铃薯淀粉的起糊温度低于蜡质马铃薯淀粉，但峰值黏度更高。这可能与糊化升温速率有关，若升温速率足够高，则表现为蜡质马铃薯淀粉黏度较高［20］。湿热处理后，蜡质和普通马铃薯淀粉的起糊温度均升高，峰值黏度、崩解值和回生值均下降，这是因为湿热处理可以增强淀粉分子之间的相互作用，从而提高GSD的稳定性和耐剪切力。而Ghost是组成GSD的关键成分，决定了GSD的各种理化性质。Han等［21］认为直链淀粉增加了GSD的耐剪切力，而支链淀粉（包括淀粉Ghost）是影响GSD黏度的主要因素。随着湿热处理温度的升高，普通马铃薯淀粉与蜡质马铃薯淀粉的起糊温度均呈上升趋势，峰值黏度呈下降趋势，但普通马铃薯淀粉的起糊温度和峰值黏度的变化范围均远高于蜡质马铃薯淀粉，这可能是因为湿热处理更易使直链淀粉与支链淀粉的相互作用增强［22］。

2.3 膨胀体积和相对糊化度结果分析

湿热处理后，马铃薯淀粉的膨胀体积大幅降低，这与湿热处理提高了马铃薯淀粉的起糊温度有关［23］。如表2所示，随着湿热处理温度的升高，普通马铃薯淀粉的膨胀体积和相对糊化度均呈下降趋势。有趣的是，在110℃湿热处理后，最高处理温度的升高对于蜡质马铃薯淀粉膨胀体积的影响程度减小，导致相对糊化度反而出现突升，这可能是因为蜡质马铃薯淀粉在湿热处理温度为110℃时起糊温度突增。对于膨胀体积来说，蜡质马铃薯淀粉对于湿热处理温度的敏感性远高于普通马铃薯淀粉，但对于起糊温度却恰恰相反。

表2 不同淀粉Ghost制备过程中淀粉颗粒的膨胀体积和相对糊化度1）Table 2 Expansion volume and relative gelatinization degree of starch granules in different starch Ghost preparation processes

2.4 Ghost形貌分析

如图2所示，两种马铃薯原淀粉Ghost破损严重，完整性较差。经过湿热处理后制备的马铃薯淀粉Ghost多呈现囊状或厚片状，厚度明显高于原淀粉Ghost，这是湿热处理后膨胀度降低导致的。蜡质马铃薯淀粉Ghost从完全破碎状到厚片状再到比较完好的空心囊状，这也验证了蜡质马铃薯淀粉在膨胀体积上表现为对湿热处理温度更为敏感的结论。随着湿热处理温度的升高，淀粉Ghost表现出由厚片状到囊状过渡的特点，110℃湿热处理的两种马铃薯淀粉Ghost均表现出良好的空心囊结构，这表明Ghost完整性随着湿热处理温度升高而增强。

图2 原淀粉Ghost及其湿热处理淀粉Ghost的扫描电子显微图（500倍）Fig.2 SEM images of native starch Ghost and their heatmoisture-treated starch Ghost（with an enlargement factor of 500）

2.5 直链淀粉含量

如图3所示，原普通马铃薯淀粉Ghost制备过程伴随着大量直链淀粉的溶出，导致直链淀粉含量由32.5%下降至20.7%。湿热处理后，普通马铃薯淀粉的直链淀粉含量略微下降，这可能是由直链淀粉与支链淀粉、脂质的相互作用导致的［22，24］。随着湿热处理温度的升高，普通马铃薯淀粉Ghost的直链淀粉含量增大，这是因为湿热处理增强了淀粉分子之间的氢键作用力［25］。只有PSG-90的直链淀粉含量出现了显著下降，这说明湿热处理的普通马铃薯淀粉在糊化过程中，其直链淀粉并未随着淀粉颗粒破裂而大量溶出，绝大部分以一种新的方式重组连接在淀粉Ghost中，这也是导致膨胀度和峰值黏度降低的重要原因。直链淀粉会限制淀粉颗粒的膨胀，Cai等［5］也得到了类似的结论，即直链淀粉含量与淀粉颗粒膨胀度呈负相关。

图3 原淀粉、湿热处理淀粉及其Ghost的直链淀粉含量Fig.3 Amylose contents of native starch，heat-moisture-treated starch and their Ghosts

蜡质马铃薯的直链淀粉含量均在5%以下，但蜡质马铃薯淀粉的膨胀度及黏度也大幅下降，其Ghost的直链淀粉含量并未发生显著变化，这说明支链淀粉的连接方式对于保持淀粉Ghost的完整性和稳定性同样起着至关重要的作用。

2.6 粒径分析

原马铃薯淀粉及其湿热处理淀粉的Ghost的粒径分布如表3和图4所示。普通和蜡质马铃薯淀粉的粒径主要分布区域分别为15.2～51.3μm和21.5～81.0μm。在75℃的最高处理温度下，普通和蜡质马铃薯淀粉的膨胀度（膨胀前后平均粒径的比值）分别为4.4和3.1。这与蜡质马铃薯淀粉的膨胀体积远大于普通马铃薯淀粉的结论不符，主要是因为蜡质马铃薯淀粉Ghost只含有极少的直链淀粉，不利于保持自身结构的稳定性，耐剪切力较差，在纯化以及粒径分析过程中大量破碎。湿热处理后的普通和蜡质马铃薯淀粉的膨胀度分别在1.2～2.7和1.6～2.7之间，均大幅下降。随着湿热处理温度的升高，马铃薯淀粉的膨胀度显著降低，这是因为湿热处理增强了淀粉分子之间的氢键作用力，导致淀粉颗粒不易糊化膨胀，从而增强了Ghost的耐剪切力和完整性。

马铃薯淀粉Ghost的粒径分布呈双峰状，小峰是Ghost碎片的粒径分布范围。随着湿热处理温度升高，大峰向左下方偏移，这也说明了随着湿热处理温度升高，淀粉起糊温度升高，淀粉颗粒不易吸水膨胀，膨胀度降低，Ghost平均粒径下降。

表3 原淀粉及其湿热处理淀粉的Ghost的粒径分布1）Table 3 Particle size distribution of the Ghost of the native starch and their heat-moisture-treated starch

图4 原淀粉及其湿热处理淀粉的Ghost的粒径分布图Fig.4 Particle size distribution diagrams of the Ghost of native starch and their heat-moisture-treated starch

2.7 X-射线衍射和相对结晶度结果分析

图5是原淀粉、湿热处理淀粉及其Ghost的X-射线衍射图及相对结晶度。如图所示，普通和蜡质马铃薯淀粉均呈B型结晶特征峰。湿热处理后，两种淀粉均逐渐从B型结晶转变成A型结晶，相对结晶度也逐渐降低。在湿热处理温度为110℃时，普通马铃薯淀粉在2θ=5.5°处还残留一个微弱的单峰，但蜡质马铃薯淀粉在此处的特征峰已经完全消失，彻底转变为A型结晶。这说明在晶型表现上，蜡质马铃薯淀粉对湿热处理温度的变化更加敏感，更易由B型结晶转变为更加稳定的A型结晶。所有的淀粉Ghost样品均呈现馒头峰，峰型随着湿热处理温度的升高越加陡峭，B型结晶特征峰则全部消失，这表明75℃下马铃薯淀粉已经基本糊化。所有Ghost样品的相对结晶度均低于10%，这是因为高温糊化使得颗粒内部解旋重组，结晶区域遭到严重破坏。

图5 原淀粉、湿热处理淀粉及其Ghost的X-射线衍射图及相对结晶度Fig.5 X-ray diffraction patterns and relative crystallinity of native starch，heat-moisture-treated starch and their Ghosts

2.8 体外消化性结果分析

图6显示了原淀粉、湿热处理淀粉及其Ghost的体外消化性。普通和蜡质马铃薯淀粉的RS含量分别高达87.3%和85.1%。湿热处理后的两种马铃薯淀粉的RS含量均上升，但随着湿热处理温度升高而降低。这是因为在体外消化过程中，酶解速率与直链淀粉含量、淀粉颗粒表面的光滑性、颗粒内部外围空隙和通道、比表面积等因素有关［26］。不同的湿热处理条件会导致上述因素对酶解速率产生不同程度的正相关或负相关的影响，这也导致了不同研究中会出现截然相反的结论［23，27］。较温和的湿热处理条件有利于提高RS的含量。

淀粉Ghost是主要由支链淀粉缠结构成的空心囊，直链淀粉含量低，结构松散，比表面积大，酶促反应效率高，RDS含量大幅增加。湿热处理后，淀粉Ghost的RS含量大幅降低，但相比原淀粉Ghost仍有所增加。随着湿热处理温度升高，Ghost结构更加致密，比表面积变小，不易被酶解，RS含量增加。

图6 原淀粉、湿热处理淀粉及其Ghost的体外消化性Fig.6 In vitro digestibility of native starch，heat-moisture-treated starch and their Ghosts

3 结论

文中探讨了马铃薯淀粉Ghost的制备方法，并研究了不同湿热处理温度对马铃薯淀粉Ghost制备及其理化性质的影响。得到以下结论：

1）湿热处理升高了马铃薯淀粉的起糊温度，降低了马铃薯淀粉的膨胀体积，增强了淀粉分子之间的相互作用，从而导致马铃薯淀粉Ghost的直链淀粉含量、相对结晶度、RS含量增加，完整性增强，平均粒径和RDS含量下降；

2）随着湿热处理温度的升高，马铃薯淀粉Ghost的平均粒径和RDS含量呈下降趋势，相对结晶度和RS含量呈上升趋势；

3）马铃薯淀粉Ghost的完整性随着湿热处理温度升高而提高，110℃湿热处理后制备的两种马铃薯淀粉Ghost均能保持良好的空心囊结构。

淀粉Ghost对淀粉基产品的性能有很大影响。湿热处理可以改善淀粉Ghost的结构，从而调控含Ghost产品（如淀粉凝胶和淀粉膜等）的各种理化性质。文中研究结果对湿热处理淀粉的应用具有一定指导意义。