王寶珊 張玉杰 代養(yǎng)勇 季 飛 丁秀臻 侯漢學(xué) 王文濤 張 慧 李向陽

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院；山東省糧食加工技術(shù)工程技術(shù)研究中心1，泰安 271018) (山東省聊城市茌平區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局2，聊城 252100)

代養(yǎng)勇，男，1975年出生，副教授，糧油加工

淀粉是一種天然的多晶體系，其緊密的結(jié)晶區(qū)使水分、反應(yīng)物等物質(zhì)很難進(jìn)入到顆粒內(nèi)部，限制了反應(yīng)效率和產(chǎn)物品質(zhì)[1]。因此，探索如何適當(dāng)改變淀粉顆粒結(jié)構(gòu)和性能來提高淀粉的反應(yīng)活性及品質(zhì)具有重要的研究意義。近年來將超聲波技術(shù)應(yīng)用于變性淀粉的研究成為熱點(diǎn)。Pamela等[2]在超聲頻率24 kHz條件下處理玉米淀粉16 min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗性淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2.1%提高到4.0%，快速消化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從42.9%增大到60%。Sit等[3]研究發(fā)現(xiàn)淀粉經(jīng)超聲處理后其溶脹性、糊化性和質(zhì)構(gòu)性均有顯著的提高。Shabana等[4]超聲處理馬鈴薯淀粉15 min后，再進(jìn)行酸水解45 min制備了馬鈴薯納米淀粉顆粒，發(fā)現(xiàn)其粒徑從1 596 nm減小到了80 nm。其作用機(jī)制都?xì)w結(jié)為超聲波對物料產(chǎn)生的“空化效應(yīng)”。超聲波的“空化效應(yīng)”主要會產(chǎn)生三種機(jī)械力效應(yīng)：局部超高壓、高速射流和高頻振動[5]。因此，超聲對淀粉化學(xué)活性及品質(zhì)的作用機(jī)制有望借鑒機(jī)械力化學(xué)的理論解釋。

機(jī)械力化學(xué)是將機(jī)械力的能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程，它能夠使一些在常溫常壓下不能發(fā)生的反應(yīng)或不能實(shí)現(xiàn)的途徑變?yōu)榭赡躘6]。在機(jī)械力作用下，物質(zhì)會發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化，其作用過程通常分為3個階段：受力階段、聚集階段和團(tuán)聚階段[7]。

低取代度(0.010～0.045)的辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSAS)在食品工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛[8]。但常規(guī)方法所制得的OSAS水溶特性等性能較差，如何提高低取代度OSAS的品質(zhì)成為當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)。本研究通過超聲輔助制備低取代度OSAS，研究超聲處理對OSAS品質(zhì)的影響；并通過XRD、FTIR、DSC等手段研究不同超聲功率的處理對木薯原淀粉結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響，借鑒機(jī)械力化學(xué)相關(guān)理論分析超聲對OSAS品質(zhì)的影響機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料

木薯淀粉；APTS(8-氨基芘基-1,3,6三磺酸三鈉鹽)、氰基硼氫化鈉、辛烯基琥珀酸酐：分析純。

1.2 儀器

KQ-600DB超聲波清洗機(jī)；RVA-ERITM黏度分析儀；Nicolet is5傅立葉變換紅外光譜儀；D8 ADVANCE型X射線衍射儀；QUANTA FEG250掃描電子顯微鏡；TA-60熱重分析儀；200PC差示量熱掃描儀；UV-2100型紫外可見分光光度計。

1.3 方法

1.3.1 超聲輔助制備低取代度OSAS

根據(jù)Chen等[9]方法，略作修改來超聲輔助制備OSAS。稱取木薯原淀粉(100 g，干基)配制成35%(w/w)的淀粉乳，用1 mol/L的NaOH溶液調(diào)pH至8.0，堿化20 min。將淀粉乳放入超聲波清洗槽中，分別在超聲功率為0、100、300、400、600 W條件下處理20 min，超聲頻率為20 kHz，溫度控制在35 ℃，期間緩慢滴加無水乙醇稀釋3倍的辛烯基琥珀酸酐(OSA)溶液，OSA的加入量為淀粉干基的3%，每個樣品反應(yīng)總時間為6 h。反應(yīng)結(jié)束后，用1 mol/L的HCl溶液將其pH調(diào)至6.5，用去離子水和95%乙醇洗滌，過濾。最后將樣品于45 ℃烘箱中干燥，粉碎，過100目篩得到OSAS。

1.3.2 超聲處理木薯原淀粉

制備等量相同濃度的淀粉乳，攪拌均勻后置于超聲清洗槽中，將其分別在超聲功率為0、100、300、400、600 W條件下處理20 min，超聲頻率為20 kHz，溫度維持在35 ℃。將處理后的淀粉乳置于45 ℃烘箱中干燥，粉碎，過100目篩得到超聲改性木薯淀粉。

1.3.3 超聲輔助制備OSAS品質(zhì)的測定

1.3.3.1 取代度(DS)和反應(yīng)效率(RE)測定

稱取1.50 g樣品于100 mL燒杯中，加入50 mL 95%的乙醇溶液，磁力攪拌10 min，隨后加入15 mL 2 mol/L鹽酸-乙醇溶液，繼續(xù)攪拌30 min。將樣品倒入布氏漏斗，用90%乙醇抽濾洗滌至無氯離子(用0.1 mol/L硝酸銀溶液檢驗(yàn))。再將樣品移入250 mL三角瓶并加入100 mL蒸餾水，沸水浴30 min，加2滴酚酞，趁熱用0.1 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴至粉色，未改性的淀粉作空白對照[10]。

式中：0.162為葡萄糖殘基的摩爾質(zhì)量/kg/mol；0.210為辛烯基琥珀?；哪栙|(zhì)量/kg/mol；A為耗用0.1 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積/mL；W為OSAS樣品干基質(zhì)量/g；M為NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度/mol/L。

式中：理論取代度為假設(shè)全部OSA都與淀粉反應(yīng)時的取代度。

1.3.3.2 水溶指數(shù)(S)和膨脹度(SP)測定

配制一定濃度的淀粉溶液，在85 ℃下糊化30 min后，冷卻至室溫。在3 000 r/min條件下進(jìn)行離心30 min，將上層清液傾出于已經(jīng)恒重的燒杯中，放入105 ℃烘箱中烘干至恒重。計算公式如下[11]：

式中：A為上清液烘干恒重后的質(zhì)量/g；W為絕干樣品質(zhì)量/g；P為離心后沉淀物質(zhì)量/g。

1.3.3.3 糊化特性測定

RVA測定程序：50 ℃保持1 min；3.7 min后上升至95 ℃，95 ℃保持2.5 min；3.8 min后下降至50 ℃，50 ℃保持2 min。起始10 s內(nèi)攪拌器轉(zhuǎn)速為960 r/min，之后保持轉(zhuǎn)速160 r/min。

1.3.4 超聲處理后木薯原淀粉結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的測定

1.3.4.1 結(jié)晶結(jié)構(gòu)測定(XRD)

測試條件：特征射線CuKα，管壓為40 kV，電流為100 mA，掃描速率為4°/min，測量角度2θ=5°～40°，步長為0.02°，發(fā)散狹峰為1°，防發(fā)散狹峰為1°，接受狹峰為0.16 mm[12]。

1.3.4.2 分子結(jié)構(gòu)測定(FTIR)

稱取1.00 mg淀粉樣品和150.00 mg溴化鉀粉末于瑪堪研缽中，將兩者研磨均勻后，裝入壓片模具中抽真空壓制成簿片。FTIR測定條件：波長范圍為400～4 000 cm-1，掃描次數(shù)為32，分辨率為4 cm-1。

1.3.4.3 糊特性測定(DSC)

稱取5.00 mg淀粉樣品于鋁制密封坩堝中，加入15 μL去離子水，4 ℃平衡12 h。以10 ℃/min的升溫速率從20 ℃升溫至100 ℃，記錄升溫過程的DSC曲線。

1.3.4.4 顆粒形貌測定(SEM)

將樣品進(jìn)行干燥，用導(dǎo)電雙面膠將其固定在金屬樣品臺上，然后進(jìn)行噴金處理，在2 000倍SEM下觀察。

1.3.4.5 淀粉-碘復(fù)合物吸收光譜測定

根據(jù)Sujka等[13]方法在可見波長(400～800 nm)下進(jìn)行淀粉-碘復(fù)合物的吸光度測定。

表1 不同超聲功率處理對OSAS品質(zhì)的影響

注：同一列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。括號內(nèi)的值為木薯原淀粉在同一超聲處理功率下的S、SP和糊化特性。

1.3.4.6 熱穩(wěn)定性測定

測試條件：升溫速率10 ℃/min，溫度范圍25～600 ℃，N2作為保護(hù)氣[14]。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS22.0、PeakFit4.12、Origin8.5和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲處理對OSAS品質(zhì)的影響

取代度和反應(yīng)效率能夠反映出淀粉的化學(xué)活性[15]。與木薯原淀粉相比，超聲輔助制備的OSAS的取代度和反應(yīng)效率顯著提高(表1)，可見超聲處理有利于OSA和水分子進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部，增加淀粉顆粒與OSA的接觸面積和機(jī)率，提高反應(yīng)效率。

由表1可看出，未經(jīng)超聲處理(0 W)制備的OSAS取代度雖已達(dá)到0.014 3，但其溶解度、膨脹度和黏度特性與原淀粉相比提高并不顯著。經(jīng)超聲功率為100 W和400～600 W的處理后，OSAS的溶解度、膨脹度和黏度特性顯著提高，糊化溫度顯著降低，說明超聲處理使淀粉顆粒結(jié)構(gòu)疏松，水分子更容易與淀粉顆粒接觸，Monroy等[16]也報道超聲處理使淀粉顆粒表面形成空穴，提供通道，有利于水分子向顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散。OSAS的取代度越高，說明OSA與淀粉顆粒的反應(yīng)程度越高，淀粉鏈上的OSA基團(tuán)越多，OSA長鏈引入到淀粉分子后，使淀粉分子之間的氫鍵作用力減弱[17]，所以淀粉分子在較低的溫度下就可以糊化，即OSAS的糊化溫度降低，糊化黏度增大。而300 W超聲處理后，OSAS的反應(yīng)活性和反應(yīng)效率有所降低。

2.2 不同超聲功率處理對木薯原淀粉結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響

2.2.1 不同超聲功率處理對木薯原淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響

100 W超聲處理后，木薯淀粉結(jié)晶度由30.7%下降至25.8%。當(dāng)超聲功率為300 W時，結(jié)晶度顯著升高至28.2%(見圖1)，可能由于此階段超聲處理使淀粉分子發(fā)生了重排，促進(jìn)了亞微晶的晶體化[18]，淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得有序。隨著功率的增大，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，淀粉分子被降解[19]；Jambrak等[20]研究發(fā)現(xiàn)超聲處理促進(jìn)了水分子向淀粉顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散，特別是向非晶相的擴(kuò)散。換言之，淀粉顆粒的破壞和水分子的擴(kuò)散導(dǎo)致了晶體結(jié)構(gòu)的斷裂。因此，經(jīng)過400～600 W超聲處理后，淀粉顆粒的結(jié)晶度顯著降低。

圖1 不同超聲功率處理木薯淀粉的X-衍射圖譜

2.2.2 不同超聲功率處理對木薯原淀粉分子結(jié)構(gòu)和糊化特性的影響

1 300～800 cm-1為紅外光譜的指紋區(qū)，其吸收峰對應(yīng)于C-O和C-C伸縮振動，其中一些振動對聚合物的變化和淀粉的水化反應(yīng)很敏感[21]。例如，在1 047 cm-1和1 022 cm-1處的吸收峰分別代表淀粉顆粒中的結(jié)晶區(qū)和無定型區(qū)，995 cm-1處的吸收峰對含水量很敏感[22]。1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值代表晶體區(qū)域的有序程度，995 cm-1/1 022 cm-1的比值代表晶體內(nèi)部雙螺旋結(jié)構(gòu)的組織狀態(tài)[23]。據(jù)報道糊化溫度(To、Tp和Tc)反映了晶體結(jié)構(gòu)的有序性，糊化焓(ΔH)主要反映了在糊化過程中解離雙螺旋結(jié)構(gòu)所需的能量[24]。因此，利用FTIR和DSC來研究淀粉分子的有序結(jié)構(gòu)和糊化特性之間的關(guān)系具有重要意義。

100 W超聲處理后，1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值下降，995 cm-1/1 022 cm-1的比值增加，表明結(jié)晶區(qū)的有序性降低，雙螺旋結(jié)構(gòu)變得疏松，因此，淀粉顆粒在糊化時吸收的能量較少，易于糊化。當(dāng)超聲功率為300 W時，1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值增加，表明淀粉顆粒結(jié)晶區(qū)的有序性增加，同時，995 cm-1/1 022 cm-1的比值降低，表明淀粉顆粒的含水量較低，晶體內(nèi)部的雙螺旋結(jié)構(gòu)的組織性較好。因此淀粉顆粒需要更多的能量來破壞雙螺旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該階段的To、Tp、Tc和ΔH增加(表2)。400～600 W超聲處理后，1 047 cm-1/1 022 cm-1的比值下降，995 cm-1/1 022 cm-1的比值增加，表明超聲處理嚴(yán)重破壞了淀粉的有序結(jié)晶結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)疏松，增加了淀粉顆粒與水分子的接觸面積[25]。因此，To、Tp、Tc和ΔH顯著降低，打破雙螺旋結(jié)構(gòu)所需的能量減少。

2.2.3 不同超聲處理功率對木薯原淀粉顆粒形貌的影響

由圖3a可看出，木薯原淀粉顆粒表面較光滑，無碎片和孔洞。100 W超聲處理后，淀粉顆粒表面變粗糙，并出現(xiàn)一些凹陷，說明超聲處理對淀粉顆粒產(chǎn)生了一定的機(jī)械力作用。300 W超聲處理后，淀粉顆粒表面產(chǎn)生凸起，并且黏附碎屑，可能是內(nèi)部淀粉分子發(fā)生聚集所致。當(dāng)超聲功率為400～600 W時，淀粉顆粒嚴(yán)重變形，表面黏附的碎片增多，主要由于較高功率的超聲處理使淀粉分子的內(nèi)能增加，較大的應(yīng)力和應(yīng)變作用使顆粒形貌嚴(yán)重發(fā)生形變，導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損。Zuo等[26]通過超聲波產(chǎn)生的高剪切力和微射流兩種空化現(xiàn)象解釋了淀粉顆粒的損傷和破碎。

注：a為歸一化后4 000～700 cm-1區(qū)域的紅外光譜圖；b-f為二階求導(dǎo)后1 200～800 cm-1區(qū)域的紅外光譜圖。b為木薯原淀粉；c、d、e、f分別為超聲100、300、400、600 W處理。圖2 不同超聲功率處理木薯淀粉的紅外光譜圖

表2 不同超聲功率處理對木薯淀粉紅外和糊化特性的影響

超聲功率/W1 047 cm-1/1 022 cm-1995 cm-1/1 022 cm-1ΔΗ/J·g-1Tp/℃To/℃Tc/℃01.01 ± 0.01a0.86 ± 0.00d10.28 ± 0.98a70.0± 0.31a60.5± 0.14a78.4± 0.06a1000.91 ± 0.01c1.16 ± 0.02c8.78 ± 0.53c68.8 ± 0.19b59.1 ± 0.09b77.1 ± 0.07b3000.98 ± 0.00b1.11 ± 0.01cd9.98 ± 0.31b69.9 ± 0.20a59.8 ± 0.10a78.0 ± 0.05a4000.85 ± 0.01d1.27 ± 0.01b8.23 ± 0.66cd68.7 ± 0.11b58.7 ± 0.12bc76.8 ± 0.10c6000.77 ± 0.01e1.35 ± 0.00a7.93 ± 0.76d67.9 ± 0.10c57.9 ± 0.07c75.9 ± 0.08d

注：同一列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。To，起始溫度；Tp，峰值溫度；Tc，最終溫度。

圖3 不同超聲處理功率木薯淀粉的掃描電鏡圖(×2 000)

2.2.4 不同超聲處理功率對木薯原淀粉的淀粉-碘復(fù)合物吸收光譜的影響

通過淀粉與碘形成的紫外最大吸光度值初步推斷超聲波處理對淀粉分子的降解能力。A680/A545的比值可表征直鏈淀粉和分支結(jié)構(gòu)分子的比例，比值越大，表明直鏈淀粉含量越高。由圖4可看出，淀粉與碘形成復(fù)合物的吸光度隨超聲功率強(qiáng)度的增大而增大，說明不同功率的超聲處理后，淀粉的組分含量發(fā)生了改變。從表3得知，木薯原淀粉的特征吸收波長λmax在608 nm左右，經(jīng)600 W超聲處理后其λmax增大至637 nm左右，A680/A545比值也增大，變化趨勢與λmax一致。這是由于超聲波的機(jī)械剪切作用和空化效應(yīng)使部分長鏈發(fā)生降解，支鏈淀粉分子中的糖苷鍵被降解，增進(jìn)了淀粉分子與碘分子的結(jié)合，這與羅志剛等[27]研究結(jié)果一致。Liu等[28]研究也表明高功率超聲處理增加了直鏈淀粉含量。

圖4 不同超聲處理功率木薯淀粉的淀粉-碘復(fù)合物吸收光譜

表3 不同超聲處理功率木薯淀粉顆粒的最大吸收波長及A680/A545比值

超聲功率/W特征吸收波長λmax /nmA680/A54506081.331006211.493006161.454006271.656006371.82

注：同一列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2.5 不同超聲處理功率對木薯原淀粉熱穩(wěn)定性的影響

從圖5可看出，木薯淀粉的熱分解主要有兩個階段：第一階段(T ≤ 150 ℃)質(zhì)量損失主要是水分蒸發(fā)所致；第二階段(250 ≤T≤ 350 ℃)主要與糖類有機(jī)物熱解逸散有關(guān)[29]。100 W超聲處理后，木薯淀粉顆粒的熱解逸散溫度有所降低(圖5A)，失重速率增大(圖5B)，可見超聲處理降低了淀粉顆粒的熱穩(wěn)定性。當(dāng)超聲功率為300 W時，失重速率在兩個階段顯著降到最低，這是由于該階段顆粒結(jié)構(gòu)緊密，結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性升高，導(dǎo)致淀粉熱解速率降低。當(dāng)超聲功率增大到400～600 W時，由于顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，無序化程度提高，熱穩(wěn)定性下降，淀粉分子容易熱解，所以熱解逸散溫度降低，失重速率顯著增大。

圖5 不同超聲處理功率木薯淀粉的TGA圖和DTG圖

通過以上對木薯原淀粉結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可看出，超聲處理對木薯淀粉顆粒產(chǎn)生了顯著的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)。根據(jù)機(jī)械力化學(xué)相關(guān)理論，300 W超聲處理與機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)的聚集階段對應(yīng)，100 W和400～600 W超聲處理分別與受力階段和團(tuán)聚階段對應(yīng)。

2.3 超聲處理對OSAS品質(zhì)的影響機(jī)制

淀粉顆粒具有較厚的外殼和緊密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在正常情況下，水分和試劑很難進(jìn)入到淀粉顆粒內(nèi)部。OSA是油性物質(zhì)，加入到淀粉乳液中會以油滴狀懸浮于上面，不能與淀粉顆粒完全地接觸。所以，OSA基團(tuán)在淀粉顆粒中分布不均勻，反應(yīng)部位僅限于淀粉顆粒的表面[30]，反應(yīng)效率也不高。

超聲波能夠?qū)Φ矸垲w粒和OSA起到作用。超聲波空化效應(yīng)瞬間產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境，排除了淀粉顆粒內(nèi)部的空氣，使結(jié)構(gòu)變疏松，有利于水分子和試劑進(jìn)入內(nèi)部孔道，提高了反應(yīng)效率。此外，超聲處理對淀粉顆粒產(chǎn)生的顯著機(jī)械力可促進(jìn)淀粉分子產(chǎn)生大量的自由基[31]，以及晶體位錯的增加和移動，使淀粉顆粒的活性位點(diǎn)增多，有利于OSA和淀粉分子的均相反應(yīng)。超聲波作用于OSA時，超聲波產(chǎn)生的機(jī)械剪切力和空化作用，能夠打破和分散漂浮于乳液上面的OSA液滴，從而有利于與淀粉顆粒的接觸[32]。超聲處理使OSA液滴變小也進(jìn)一步提高了液滴在淀粉乳液中的溶解性，較小的液滴更容易進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部[33]，使反應(yīng)不僅局限于淀粉顆粒表面，提高了反應(yīng)活性和反應(yīng)效率。所以，超聲處理可顯著提高OSAS的品質(zhì)。

但300 W超聲處理后淀粉顆粒處于聚集階段，顆粒內(nèi)部發(fā)生了聚集和重排，使其結(jié)構(gòu)緊密，水分和OSA不易進(jìn)入顆粒內(nèi)部，限制了淀粉顆粒的膨脹，導(dǎo)致反應(yīng)效率、溶解度、膨脹度和黏度降低。同時由于聚集和團(tuán)聚效應(yīng)，填充在中央腔和孔道的淀粉鏈取代基不能被測定[34]，導(dǎo)致在300 W和400～600 W條件下測定的結(jié)果比實(shí)際值偏低。

3 結(jié)論

木薯淀粉經(jīng)超聲處理后其結(jié)晶結(jié)構(gòu)和顆粒形貌受到破壞，糊化溫度和熱穩(wěn)定性顯著降低，直鏈淀粉含量顯著增加。超聲處理對淀粉顆粒產(chǎn)生了顯著的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)，其作用的三個階段具有不同的影響機(jī)制。超聲100 W和400～600 W處理后，OSAS的反應(yīng)效率和品質(zhì)顯著提高，而超聲功率為300 W時，其品質(zhì)發(fā)生了不同的變化。