張本山 李芬芬 陳福泉，2

(1.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640;2.華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，廣東廣州510640)

淀粉作為一種可再生的資源，已廣泛應(yīng)用于食品、造紙、紡織、化工等行業(yè)［1］.在所有淀粉中，西米淀粉是食物中一種很有價值的成分，它是從西谷椰子中分離獲得的;在馬來西亞每年生產(chǎn)約30萬噸西米淀粉，是當(dāng)?shù)鼐用竦闹饕澄飦碓矗麄冇闷浯址壑茰?、糕餅、布丁和醬汁增稠劑［2］.西米淀粉在食品工業(yè)上已有很長的應(yīng)用歷史，特別是在東南亞地區(qū)，但目前國內(nèi)對它的研究卻很少.高凌云、陳翠蘭等［3-4］對西米原淀粉的組成、顆粒形貌、顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)及熱特性、糊化性質(zhì)、透明度、老化性等性質(zhì)進(jìn)行研究;劉淑麗［5］對西米原淀粉基本的物理性能和流變性能進(jìn)行論述.但總體上說，國內(nèi)對其研究還不深入，因此，對西米淀粉的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

不同的處理方法對淀粉的物化性質(zhì)有不同的影響.Lewandowicz等［6］報道，馬鈴薯淀粉經(jīng)過微波加熱處理后，其晶型和結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化;Blaszczak等［7］報道，淀粉經(jīng)過高靜壓處理后，淀粉的結(jié)晶度降低;Wang等［8］研究發(fā)現(xiàn)，玉米淀粉經(jīng)過高壓均質(zhì)后，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞、糊化溫度和糊化焓顯著下降;羅志剛等［9］對超聲處理后高鏈玉米淀粉糊的性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)超聲處理使得淀粉糊的冷穩(wěn)定性增強(qiáng)、凝沉性減弱.高壓脈沖電場技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新興的非熱加工技術(shù)，它已成功應(yīng)用于處理低黏度和低電導(dǎo)率的液體食品，如牛奶、酸奶、豆奶、果汁等［10］.到目前為止，關(guān)于脈沖電場對西米淀粉物化性質(zhì)影響的相關(guān)研究鮮見報道.文中在不同強(qiáng)度脈沖電場下處理西米淀粉，系統(tǒng)研究了脈沖電場處理后的西米淀粉的物化性質(zhì)，并與西米原淀粉性質(zhì)進(jìn)行比較，一方面豐富了淀粉前處理的方法，另一方面為脈沖電場在淀粉領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

西米淀粉，購于馬來西亞，水分含量為14.21%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));所用化學(xué)藥品均為分析純化學(xué)試劑，天津市富宇精細(xì)化工有限公司生產(chǎn);高壓脈沖電場設(shè)備，廣州云星科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn);S3700型掃描電子顯微鏡，日本日立有限公司生產(chǎn);Malvern Mastersizer2000激光粒度分析儀，英國莫爾文儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn);D/max 2200 VPC粉末X射線衍射儀，日本理學(xué)公司生產(chǎn);Perkin-Elmer DSC-7型差示掃描量熱儀，美國Perkin-Elmer公司生產(chǎn);Viscograph-E型 Brabender黏度儀，德國 Brabender公司生產(chǎn).

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 脈沖電場系統(tǒng)

脈沖電場系統(tǒng)主要由脈沖電場發(fā)生裝置、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和處理室組成.脈沖電場發(fā)生器與處理室相連，用所期望的頻率、電壓峰值，產(chǎn)生連續(xù)不斷的高壓脈沖，使淀粉與脈沖電場作用，發(fā)生組織結(jié)構(gòu)等變化［11］.文中，西米原淀粉在連續(xù)的高壓脈沖電場系統(tǒng)中處理.處理室由兩個平行銅電極和一個管狀的聚四氟乙烯絕緣體組成.西米原淀粉泵入處理室后，接受高壓脈沖電場處理.淀粉乳的流速由轉(zhuǎn)子流量計控制，輸入電壓和脈沖波形由示波器監(jiān)控.此外，利用插在進(jìn)出口的探針來監(jiān)測樣品的溫度.處理前樣品的溫度為室溫，處理后樣品的溫度不超過40℃.利用調(diào)節(jié)至室溫的水浴鍋來及時冷卻處理后的樣品.

2.2 脈沖電場處理淀粉

用蒸餾水配制8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的淀粉乳，加適量KCl調(diào)節(jié)電導(dǎo)率為200μs/cm.用磁力攪拌器攪拌淀粉乳，同時泵入處理室分別接受強(qiáng)度為30、40、50kV/cm的高壓脈沖電場處理，循環(huán)處理3次.淀粉乳流速控制為60mL/min，樣品溫度控制在40℃以下以防糊化.處理后的樣品過濾，然后在40℃烘箱中干燥24h.

2.3 淀粉顆粒形貌分析

采用S3700型掃描電鏡觀察淀粉顆粒形貌，電子槍加速電壓為10.0kV，放大倍數(shù)為2000倍.

2.4 淀粉顆粒粒徑測定

采用Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定淀粉顆粒粒徑，經(jīng)計算機(jī)軟件處理分析結(jié)果，可得出各淀粉樣品的粒徑分布圖和平均粒徑數(shù)據(jù)，平行測定3次.

2.5 結(jié)晶性測試

采用D/max 2200 VPC型X射線衍射儀測定結(jié)晶特性，Cu-Kα輻射，管壓40kV，管流30mA，掃描速度10°/min，掃描范圍 3°～60°，步寬 0.04°，Ni片濾波，波長為154.06 pm，發(fā)射及防反射狹縫1°，接受狹縫0.2mm，平行測定3次.

2.6 熱特性測試

采用Perkin-Elmer DSC-7型差示掃描量熱儀測定淀粉的熱特性.稱取淀粉樣品2.5mg(干基)于鋁盤中并加入5.0 μL的去離子水，密封后置于冰箱(4℃)中過夜，測試前室溫下平衡1 h.以空白的鋁盤用作參比，加熱范圍是20～90℃，加熱速率10℃ /min［12］，平行測定 3 次.

2.7 淀粉糊黏度特性測試

準(zhǔn)確稱取一定量樣品，在600 mL燒杯中加入適量的蒸餾水配制6%的淀粉乳，將攪勻后的淀粉乳樣品倒入黏度儀的測量杯中，開動儀器，以1.5℃/min的速率從 30℃加熱到 95℃，保溫 30 min，再以1.5℃/min的速率冷卻到50℃，保溫30min，自動獲得黏度曲線［13］，平行測定3次.

3 結(jié)果與分析

3.1 淀粉顆粒的形貌分析

經(jīng)不同強(qiáng)度脈沖電場處理后的西米淀粉及西米原淀粉的掃描電鏡分析結(jié)果如圖1所示.

圖1 不同強(qiáng)度脈沖電場處理后西米淀粉的掃描電鏡圖Fig.1 SEM micrographs of sago starch treated at different electric field strength

由圖1可以看出，西米原淀粉顆粒完整，表面光滑，呈現(xiàn)橢球體;經(jīng)過強(qiáng)度為30 kV/cm的脈沖電場處理后，西米淀粉仍保持顆粒狀，但是表面不再光滑，出現(xiàn)一些小的凹坑;經(jīng)過強(qiáng)度為40 kV/cm的脈沖電場處理后，西米淀粉顆粒表面出現(xiàn)很大的凹坑;經(jīng)過強(qiáng)度為50kV/cm的脈沖電場處理后，西米淀粉的一些顆粒破碎變形.

3.2 淀粉顆粒粒徑分析

西米原淀粉及經(jīng)不同強(qiáng)度脈沖電場處理后西米淀粉顆粒粒徑的特征值如表1所示.由表1可知，當(dāng)脈沖電場強(qiáng)度為30kV/cm時，脈沖電場對西米淀粉顆粒的作用還不明顯，淀粉顆粒的體積平均粒徑和表面積平均粒徑略有減小，這種粒徑的減少與西米淀粉顆粒表面已經(jīng)出現(xiàn)了一些小的凹坑有直接關(guān)系;當(dāng)脈沖電場強(qiáng)度增加到40kV/cm時，脈沖電場對西米淀粉顆粒的作用表現(xiàn)出來，淀粉顆粒的體積平均粒徑和表面積平均粒徑分別從原淀粉的34.274 μm 和 31.559 μm 減 小 到 34.003 μm 和31.250μm;特別是d(0.9)，從原淀粉的 47.374 μm 減小到45.807μm，這與圖1(c)中顆粒表面的凹坑進(jìn)一步加大并導(dǎo)致顆粒明顯變小相對應(yīng);當(dāng)脈沖電場強(qiáng)度進(jìn)一步增加到50kV/cm時，脈沖電場對西米淀粉顆粒的作用更加明顯，淀粉顆粒體積平均粒徑和表面積平均粒徑分別減小到33.877μm和30.928 μm，同時，d(0.9)顯著減小到43.301μm，與西米原淀粉顆粒相比，下降了4.073μm，此時導(dǎo)致顆粒粒徑變小的原因不僅是顆粒表面出現(xiàn)的凹坑，同時還有少量顆粒破碎現(xiàn)象發(fā)生，這種現(xiàn)象與圖1(d)中可以明顯看到顆粒破碎相一致.在脈沖電磁場的作用下，西米淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹坑甚至碎裂的現(xiàn)象，這可能與淀粉分子中存在極性化學(xué)鍵有關(guān).這種極性化學(xué)鍵在脈沖電場和脈沖磁場的交替作用下發(fā)生了化學(xué)鍵的斷裂并直接導(dǎo)致顆粒強(qiáng)度減弱，出現(xiàn)顆粒表面局部脫落形成凹坑，甚至顆粒破碎，顆粒平均直徑變小.

表1 不同強(qiáng)度脈沖電場處理后西米淀粉顆粒的粒徑1)Table 1 Diameters of sago starch granules treated at different electric field strength

此外，由表1可見，當(dāng)電場強(qiáng)度由0增到30、40、50kV/cm時，比表面積逐漸增大.由于顆粒粒徑越小，比表面積越大，從比表面積的增大說明西米原淀粉經(jīng)過脈沖電場處理后顆粒粒徑減小，而且隨著電場強(qiáng)度的增加，顆粒粒徑越來越小.最后通過單因素方差分析可知，脈沖電場在0～50kV/cm之間，對于d4，3和d3，2各測值點(diǎn)處P值均大于 0.05，表明脈沖電場對淀粉顆粒的體積平均粒徑和表面積平均粒徑影響不顯著;對于d(0.9)各測值點(diǎn)處P值均小于0.05，表明脈沖電場對累計分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時對應(yīng)的粒徑值影響顯著.

3.3 淀粉顆粒結(jié)晶性分析

不同強(qiáng)度脈沖電場處理后西米淀粉的X射線衍射圖譜如圖2所示.由圖2可見，西米淀粉經(jīng)過脈沖電場處理后，其峰形未發(fā)生變化，其晶型為A型，與Fasihuddin［2］報道西米淀粉為C型不同，這是由于在測試前先對樣品進(jìn)行干燥，在5.6°處的峰在干燥或部分干燥的情況下減弱或消失了.采用MDI Jade軟件可以測出西米原淀粉相對結(jié)晶度為25.7%;當(dāng)西米淀粉經(jīng)強(qiáng)度較低的電場(30 kV/cm)作用后，其相對結(jié)晶度稍有降低，為24.6%;當(dāng)電場強(qiáng)度增加到40和50 kV/cm時，淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞較大，相對結(jié)晶度分別降低到23.7%和20.8%.這是由于西米淀粉經(jīng)過脈沖電場處理后，顆粒破碎，從而導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)破壞，使得相對結(jié)晶度降低.

圖2 不同強(qiáng)度脈沖電場處理后西米淀粉的X射線衍射圖Fig.2 XRD patterns of sago starch treated at different electric field strength

3.4 熱特性分析

不同強(qiáng)度脈沖電場處理后西米淀粉的熱力學(xué)特征值如表2所示.由表2可見，與西米原淀粉的to和tp相比，經(jīng)過30 kV/cm脈沖電場處理后的西米淀粉，其to和tp稍有下降;當(dāng)電場強(qiáng)度增加到40kV/cm時，to和tp進(jìn)一步下降，但是下降幅度仍舊不大;當(dāng)電場強(qiáng)度進(jìn)一步增加到50kV/cm時，脈沖電場對西米淀粉的熱特性影響明顯，to下降約1℃;不同強(qiáng)度脈沖電場處理后的西米淀粉的tp下降的幅度小于to下降的幅度，這導(dǎo)致糊化溫度范圍的擴(kuò)大.此外通過單因素方差分析可知，脈沖電場在0～50kV/cm之間，對于to和tp各測值點(diǎn)處P值均小于0.05，表明脈沖電場對西米淀粉的to和tp影響顯著.同時由表2看出，隨著電場強(qiáng)度的增大，糊化焓減小;且隨著電場強(qiáng)度的增大，糊化焓下降的幅度越來越大，脈沖電場對西米淀粉的熱特性影響越來越明顯.根據(jù)Wang等［8］的報道，淀粉糊化焓與淀粉的結(jié)晶區(qū)有關(guān).從上述X射線衍射圖譜分析，高強(qiáng)度的脈沖電場破壞西米淀粉的結(jié)構(gòu)，使得結(jié)晶區(qū)破壞;因此在加熱過程中，水分子與結(jié)晶區(qū)分子作用更容易，從而使得糊化焓下降.

表2 不同強(qiáng)度脈沖電場處理后西米淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)1)Table 2 Thermal properties of sago starch treated at different electric field strength

3.5 淀粉糊黏度分析

不同強(qiáng)度脈沖電場處理后西米淀粉的Brabender黏度曲線如圖3所示，其特征值如表3所示.

圖3 不同強(qiáng)度電場處理后西米淀粉的Brabender黏度曲線Fig.3 Brabender viscosity curves of sago starch treated at different electric field strength

表3 不同強(qiáng)度脈沖電場處理后西米淀粉糊黏度的特征值1)Table 3 Characteristic viscosity values of sago starch treated at different electric field strength

由表3可知，西米淀粉經(jīng)過不同強(qiáng)度脈沖電場處理后，起糊溫度下降，這是由于脈沖電場破壞西米淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使得淀粉糊化變得容易，因此糊化溫度降低.與西米原淀粉的起糊溫度相比，經(jīng)過強(qiáng)度為30kV/cm的脈沖電場處理后的西米淀粉，起糊溫度下降較明顯，當(dāng)電場強(qiáng)度進(jìn)一步增加到40和50kV/cm時，起糊溫度下降的幅度不大，這說明脈沖電場剛開始作用于西米淀粉時，它對淀粉起糊溫度作用明顯，當(dāng)繼續(xù)增大電場強(qiáng)度時，效果不再明顯.同時，隨著電場強(qiáng)度的增強(qiáng)，峰值黏度增加，在電場強(qiáng)度為50kV/cm時達(dá)到最大;此外，隨著電場強(qiáng)度的增強(qiáng)，BD、ED和BE值增加;與西米原淀粉的BD、ED和BE相比，經(jīng)過30和40 kV/cm的脈沖電場處理后西米淀粉的BD、ED和BE稍有增加，直到電場強(qiáng)度為50kV/cm時達(dá)到最大.由此可知西米淀粉經(jīng)過脈沖電場處理后，其糊熱穩(wěn)定性下降，凝膠性和凝沉性增強(qiáng)，而且，隨著電場強(qiáng)度的增強(qiáng)，這些現(xiàn)象變得更加顯著.

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過脈沖電場處理后的西米淀粉，其淀粉顆粒形貌遭到不同程度的破壞，而且隨著脈沖電場強(qiáng)度的增大，這種破壞作用更加明顯，當(dāng)電場強(qiáng)度為50kV/cm時，西米淀粉的一些顆粒已經(jīng)變形;

(2)隨著脈沖電場強(qiáng)度的增加，淀粉顆粒體積平均粒徑和表面積平均粒徑降低;

(3)西米淀粉經(jīng)脈沖電場處理后結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，相對結(jié)晶度減小，且隨著電場強(qiáng)度的增強(qiáng)，相對結(jié)晶度減小的幅度增大;

(4)隨著脈沖電場強(qiáng)度的增大，起糊溫度、峰值溫度和糊化焓均下降;

(5)西米淀粉經(jīng)過不同強(qiáng)度脈沖電場處理后，其起糊溫度和糊熱穩(wěn)定性下降，凝膠性和凝沉性增強(qiáng)，而且，隨著電場強(qiáng)度的增強(qiáng)，這些現(xiàn)象變得更加顯著;

(6)西米淀粉經(jīng)過脈沖電場處理后，其物化性質(zhì)都發(fā)生了不同程度的變化，因此利用高壓脈沖電場制備變性淀粉將是一項(xiàng)新技術(shù)，對于脈沖電場在淀粉領(lǐng)域的應(yīng)用還亟待更進(jìn)一步的研究.

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