李 鑫，王雨生,2，陳海華,3,*

（1.青島農業(yè)大學食品科學與工程學院，山東 青島 266109；2.青島農業(yè)大學學報編輯部，山東 青島 266109；3.青島農業(yè)大學巴瑟斯未來農業(yè)科技學院，山東 青島 266109）

近年來，隨著生活節(jié)奏的加快，冷凍食品因方便儲存而越來越受消費者歡迎。在中國，冷凍食品作為朝陽產業(yè)發(fā)展非常迅速，一些傳統(tǒng)速凍食品，如湯圓、水餃等年產量已超過1 500萬 t[1]。然而冷凍過程中，冰晶生長和水分遷移會影響食品組分的結構和性質，從而影響食品的品質[2]。Yi等[3]研究發(fā)現冷凍處理導致面團黏度增大且延展性變差；Silvas-García等[4]發(fā)現冷凍處理會增加面團中損傷淀粉的數量，影響冷凍面團的品質；Tao Han等[2,5]認為冷凍處理能影響冷凍面團中淀粉的完整性，提高食品的體外消化率。因此，冷凍處理引起的淀粉顆粒結構變化會影響淀粉基冷凍食品品質。目前，一些學者已就冷凍處理對淀粉顆粒結構、性質的影響及其作用機理進行了探討。冷凍過程中形成的冰晶會擠壓淀粉顆粒，導致支鏈淀粉滲漏到淀粉顆粒表面，從而提高淀粉的吸水能力[6]；Yu Shifeng等[7]發(fā)現凍融處理使淀粉顆粒的孔隙率明顯增加，結晶強度和熱性能顯著下降；Liu Yu等[8]發(fā)現隨著凍融循環(huán)次數的增加，淀粉顆粒表面變得粗糙，抗凍和耐熱穩(wěn)定性降低。

添加糖類物質或提高冷凍速率是減輕冷凍處理對淀粉顆粒破壞的有效方法。Su Han等[9]研究發(fā)現，添加低聚糖可以有效提高小麥淀粉的冷凍穩(wěn)定性，且隨著低聚糖的添加，由冷凍引起的淀粉顆?？紫抖?、回生值和溶脹率均降低；Yu Shifeng等[7]研究發(fā)現提高冷凍速率有助于減輕冷凍對淀粉顆粒的破壞；Fasina[10]的研究表明，海藻酸鈉（sodium alginate，AG）可減少甘薯泥中冷凍水的含量，提高冷凍甘薯泥的熱穩(wěn)定性。

甘薯是一種富含淀粉、膳食纖維、蛋白質的重要糧食作物，具有增強免疫力、防癌抗癌等功效[11]?！笆濉逼陂g我國甘薯總產量為0.8億～1.0億 t，甘薯加工制品產量在800萬～1 000萬 t，產值達1 500億～2 000億 元，其中冷凍甘薯條、冷凍甘薯泥等冷凍甘薯制品深受消費者喜愛。但是冷凍甘薯泥耐熱性差、質地較硬，其原因可能是冷凍處理會引起淀粉顆粒結構和性質變化[10]。因此，如何降低冷凍處理對甘薯淀粉（sweet potato starch，SPS）的影響是改善冷凍甘薯制品品質的關鍵。AG是從海藻中提取的一種天然多糖，因其具有膠凝性、增稠性、pH值敏感性和生物相容性，被廣泛應用于改善淀粉基食品的老化[12]，提高淀粉基食品的加工特性。

本實驗以SPS為原料，從淀粉顆粒大小、微觀形貌、結晶結構、熱力學特性等方面探究冷凍處理對淀粉顆粒結構和性質的影響，并通過超低溫冷凍處理和添加AG的方法來降低冷凍處理對SPS的影響，提高淀粉的耐熱和抗剪切穩(wěn)定性，為改善冷凍淀粉基食品加工品質提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SPS（直鏈淀粉質量分數21.1%） 青島駿廚有限公司；AG（甘露糖醛酸與古洛糖醛酸的質量比約為1.17∶1）青島明月海藻集團有限公司。

1.2 儀器與設備

超低溫冰箱（-80 ℃） 青島海爾生物醫(yī)療股份有限公司；D8 ADVANCE X射線衍射儀 德國布魯克有限公司；BK-POL偏光顯微鏡 重慶奧特光學有限公司；S-3400N掃描電子顯微鏡 日本日立電子株式會社；D3500激光衍射粒度分析儀 美國Microtrac公司；DSC1型差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀 瑞士梅特勒-托利多公司；A-4D-快速黏度分析（rapid viscosity analyze，RVA）儀澳大利亞New-Port公司。

1.3 方法

1.3.1 冷凍處理

參照Yu Shifeng等[7]的方法并稍作修改，將10 g SPS與90 g蒸餾水在室溫（（25±1）℃）下混合12 h，使淀粉充分水合。然后分別置于-20 ℃和-80 ℃冷凍24 h，并于室溫下解凍3 h，于50 ℃下干燥至恒質量，研磨，過100 目篩，所得樣品記為SPS-20、SPS-80。將蒸餾水更換為AG水溶液（AG質量分數為2%），并重復上述步驟，所得樣品分別記為SPSA-20、SPSA-80。添加蒸餾水或AG后未冷凍處理的樣品分別記為SPS、SPSA。

1.3.2 粒度分布測定

采用激光粒度分析儀測定SPS顆粒的粒度分布，用超純水作溶劑，測定溫度為25 ℃。每個樣品重復測定3 次。

1.3.3 微觀結構觀察

1.3.3.1 偏光十字觀察

將SPS在蒸餾水中分散，制成質量分數為1%的淀粉懸浮液。取少量淀粉懸浮液于載玻片上，蓋上蓋玻片，放在偏光顯微鏡下，放大200 倍觀察。

1.3.3.2 表觀形貌觀察

干燥后的樣品粉末固定在掃描電子顯微鏡的樣品臺上，再噴一層金薄膜，在5 kV加速電壓下觀察淀粉顆粒的表觀形貌，放大倍數為5 000 倍。

1.3.4 結晶特性的測定

參考Wang Yusheng等[13]的方法，根據X射線衍射圖上的結晶區(qū)面積與總面積的比值計算淀粉的相對結晶度（relative crystallinity，RC）。

1.3.5 熱力學特性測定

按照Wang Yusheng等[13]的方法，用DSC儀測定淀粉樣品的熱力學性質，記錄淀粉糊化的起始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、最終溫度（Tc）和糊化焓（ΔH）。

1.3.6 糊化黏度測定

參照Yu Zhen等[12]的方法，用RVA儀測定SPS的糊化特性，記錄升溫和降溫過程中的糊化參數。

1.4 數據處理與分析

使用Excel和Origin軟件制圖，采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 19.0中的Duncan’s多重比較法對數據進行多組樣本間差異顯著性分析，差異顯著水平為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 SPS顆粒粒度分布分析結果

粒度分布是表征顆粒尺寸的重要參數[14]。如圖1所示，冷凍處理以及添加AG均能顯著影響SPS顆粒尺寸。天然SPS顆粒的粒度分布范圍為5～50 μm，中值粒徑D50為15.32 μm（表1）。與天然SPS顆粒相比，冷凍處理使SPS的粒度分布曲線明顯右移，D50和D90升高，淀粉顆粒粒徑明顯增加。Yu Shifeng等[7]也發(fā)現冷凍處理可以增加非蠟質玉米淀粉顆粒尺寸。這可能是由于淀粉顆粒內部水分在冷凍過程中形成冰晶，隨著冰晶的生長，產生較強的機械膨脹力，使淀粉顆粒膨脹、尺寸增大[6]。另外，研究發(fā)現冷凍處理還會使淀粉顆?？讖阶兇?、吸水增多，從而引起淀粉顆粒粒徑的增大[7]。

圖1 不同冷凍溫度處理SPS和SPSA的顆粒粒度分布Fig.1 Particle size distribution of sweet potato starch (SPS) and SPS adding with sodium alginate (SPSA) frozen at different temperatures

表1 不同冷凍溫度處理SPS和SPSA的D10、D50、D90Table 1 D10, D50, and D90 of SPS and SPSA frozen at different temperatures

冷凍處理溫度會影響SPS顆粒的尺寸。降低冷凍溫度，SPS顆粒尺寸減小，與SPS-20相比，SPS-80的粒度分布曲線向左偏移，說明-80 ℃的快速冷凍對淀粉顆粒結構的影響小于-20 ℃的緩慢冷凍，Yu Shifeng等[15]也得出快速冷凍對淀粉結構的影響小于緩慢冷凍的結果，這可能是因為冰晶形成的數量和尺寸與冷凍速率有關。緩慢冷凍時（-20 ℃）形成的冰晶大，產生的機械膨脹力較強，可嚴重破壞淀粉顆粒結構，使部分顆粒破碎為較小顆粒[7]；而快速冷凍時（-80 ℃），水分處于玻璃態(tài)，形成的冰晶小，產生的機械膨脹力較弱，使淀粉顆粒膨脹而未破碎[4]。與天然SPS相比，添加AG后的SPS及其冷凍樣品的粒度分布曲線均向右偏移，D90顯著升高，說明淀粉顆粒粒徑增大，而粒度分布曲線峰值和D10顯著降低、D90顯著升高，表明粒徑范圍增大。Su Han等[9]報道添加低聚糖會使淀粉的粒徑范圍增大；Zhang Ling等[16]報道添加魔芋葡甘露聚糖的冷凍小麥淀粉顆粒粒徑增大。這可能是由親水膠體與淀粉分子之間的相互作用引起的[16]。冷凍溫度從-20 ℃降至-80 ℃，SPSA的D50沒有顯著變化，這可能是由于添加親水膠體引起淀粉顆粒的聚集，導致冷凍處理后淀粉顆粒的比表面積減小，降低了冷凍處理溫度對淀粉顆粒粒徑的影響[9]。

2.2 SPS顆粒微觀結構觀察結果

雙折射現象是完整淀粉顆粒的特征之一，與結晶區(qū)淀粉分子的有序排列情況有關[8]。不同冷凍溫度處理的SPS和SPSA所呈現的偏光十字如圖2A1～F1所示，天然SPS有清晰的偏光十字，冷凍處理對SPS的雙折射現象沒有明顯影響，SPS-20和SPS-80仍然具有清晰的偏光十字現象。添加AG后，SPSA及其冷凍樣品的偏光十字均沒有明顯變化，這與Yu Shuxi[17]和Li Hua[18]等的研究結果一致，這說明冷凍處理和添加AG處理后，SPS顆粒依然具有明顯的結晶區(qū)域。

圖2 不同冷凍溫度處理SPS和SPSA的偏光顯微鏡圖及掃描電子顯微鏡圖Fig.2 Polarized light micrographs and scanning electron micrographs of SPS and SPSA frozen at different temperatures

圖2A2～F2為經冷凍及AG處理后SPS顆粒的微觀形貌，可以看出，天然SPS顆粒呈多角形或圓形，表面較光滑。冷凍處理后SPS顆粒表面變得粗糙（圖2B2、C2），出現許多大小不一的孔洞或塌坑，部分淀粉顆粒碎裂，出現較多小顆粒。冷凍溫度對SPS顆粒表面形貌有顯著影響，-20 ℃冷凍處理的SPS顆粒表面孔洞尺寸大、數量少，-80 ℃冷凍處理后的SPS顆粒表面孔洞消失，但出現大量塌坑。Yu Shifeng等[7]在研究-196 ℃和-20 ℃冷凍處理對天然玉米淀粉顆粒表面形貌影響時也發(fā)現了相似的結果。這一現象可能與冷凍速度有關，冷凍速度慢（-20 ℃條件下）時，容易形成少量大冰晶，產生的機械力大；而冷凍速度快（-80 ℃條件下）時，可以形成較多小冰晶，產生的機械力小。機械力越大，對淀粉顆粒表面結構的破壞作用越強[6]。由圖2D2～F2可以看出，添加AG后，SPS顆粒表面被AG包裹，顆粒間出現黏聚現象，冷凍處理后，淀粉顆粒因AG的包裹呈聚集狀態(tài)，表面變得粗糙。與未添加AG的冷凍SPS顆粒相比，添加AG的冷凍SPS顆粒表面孔洞數量明顯減少，當冷凍溫度降至-80 ℃時，淀粉顆粒表面的孔洞和塌坑均消失。這表明親水膠體AG對冷凍淀粉顆粒有保護作用，可以減輕冰晶對淀粉顆粒的擠壓，Tao Han等[5]也報道了類似的結果，這可能是親水膠體在淀粉顆粒表面形成物理屏障層[19]所致。此外，親水膠體含有較多的羥基基團，能夠固定淀粉顆粒周圍的水分子，抑制水的結晶，從而對冷凍過程中的淀粉顆粒起到保護作用[20]。

綜合偏光顯微鏡和掃描電子顯微鏡的觀察結果可以發(fā)現，冷凍處理沒有影響淀粉顆粒雙折射現象，說明冷凍處理后淀粉顆粒依然有較好的結晶結構，淀粉顆粒表面出現孔洞則說明冷凍處理很可能破壞了淀粉顆粒的無定形區(qū)域，AG的添加則可以減輕冷凍對SPS顆粒結構的破壞。

2.3 SPS顆粒的結晶特性分析結果

由圖3可知，天然SPS在2θ為15.26°和23.18°處有兩個衍射峰，17.42°和18.06°處出現連續(xù)雙峰，為典型的A型結晶結構。添加AG和冷凍處理均未改變衍射峰位置，表明處理后淀粉顆粒能保持A型結晶結構。這與Yu Shifeng等[7]研究凍融處理對非蠟質玉米淀粉結晶晶型影響的結果一致。

圖3 冷凍處理SPS和SPSA的X射線衍射圖譜Fig.3 X-Ray spectra of SPS and SPSA with or without freezing treatment

冷凍處理明顯改變了SPS的相對結晶度。如圖3所示，SPS經-20 ℃冷凍處理后，相對結晶度從25.7%下降到22.3%，這與Szymońska等[6]在研究冷凍處理馬鈴薯淀粉時的結果一致，說明冷凍處理能破壞維持淀粉顆粒雙螺旋結構的氫鍵，導致淀粉顆粒由晶態(tài)轉向非晶態(tài)的不可逆變化[8]。然而SPS-80的相對結晶度比SPS-20增加了5.1 個百分點，說明降低冷凍溫度可以提高SPS的相對結晶度。Yu Shifeng等[7]也有類似發(fā)現：與-20 ℃冷凍相比，-196 ℃冷凍處理的玉米淀粉顆粒的相對結晶度更高。這可能是由于超低溫冷凍下，淀粉顆粒結晶區(qū)雙螺旋結構的重排促進了亞結晶區(qū)向結晶區(qū)的轉變[9]。

由圖3可知，AG的添加可以提高SPS顆粒相對結晶度3.4 個百分點，這與Su Han等[9]的研究結果一致。這可能是由于淀粉和AG的衍射峰存在重疊，使相對結晶度升高。添加AG的SPS經冷凍處理后，相對結晶度從29.1%（SPSA）分別增加到32.3%（SPSA-20）和33.7%（SPSA-80），但-20 ℃和-80 ℃冷凍處理對相對結晶度的影響差異較小，這可能是因為冷凍過程促進了淀粉分子鏈的重排，結晶區(qū)域增多；另外，AG富含的羥基基團[21]與淀粉顆粒競爭水分子，還可以減輕冷凍對淀粉顆粒中氫鍵的破壞。

2.4 SPS顆粒的熱力學性質分析結果

糊化轉變溫度能夠反映淀粉顆粒內微晶的穩(wěn)定性及其變化，與淀粉顆粒的吸水性、結晶度和結晶結構有關；糊化焓（ΔH）能夠反映淀粉顆粒在加熱過程中雙螺旋結構的解離和結晶結構的損失程度[22]。如圖4所示，所有樣品均有一個明顯的吸熱峰，其峰值溫度在69.01～73.67 ℃之間，這應該是淀粉糊化過程中形成的吸熱峰。

圖4 不同冷凍溫度處理的SPS和SPSA的DSC曲線Fig.4 Differential scanning calorimetry (DSC) curves of SPS and SPSA frozen at different temperatures

由表2可以看出，冷凍處理顯著降低了SPS的Tc和ΔH。與天然SPS相比，冷凍溫度為-80 ℃時，Tc和ΔH分別降低了1.25 ℃和2.71 J/g，這表明冷凍處理后部分淀粉顆粒結晶破碎，顆粒穩(wěn)定性變差。Zhang Yanjun等[23]研究發(fā)現冷凍處理能夠降低菠蘿蜜淀粉的Tp、Tc和ΔH，這可能是因為冷凍處理引起淀粉顆粒中水分的重新分布，導致淀粉結構的變化和淀粉鏈的重排[7]。另外，冷凍處理過程中形成的冰晶使淀粉顆粒表面或內部的膨脹力不一致，破壞了淀粉顆粒的結晶結構，形成了不規(guī)則的松散結構[23]。冷凍溫度從-20 ℃下降到-80 ℃，SPS的Tc和ΔH分別從75.73 ℃和10.74 J/g下降到74.75 ℃和9.97 J/g，Yu Shifeng等[7]發(fā)現非糯性玉米淀粉的Tc在-196 ℃和-60 ℃冷凍后有所下降，這可能與淀粉微晶的數量有關[9]，冷凍處理影響了淀粉顆粒的完整性和孔隙率，快速冷凍形成的孔隙小而多[4]，有利于顆粒吸熱糊化。

表2 不同冷凍溫度處理SPS和SPSA的熱力學特性參數Table 2 Thermal characteristic parameters of SPS and SPSA frozen at different temperatures

與天然SPS相比，添加AG后，To、Tp和Tc分別升高了2.57、4.13 ℃和4.95 ℃，而ΔH降低了2.21 J/g。與此類似，Dangi等[24]發(fā)現加入瓜爾膠可以提高玉米淀粉的Tc。Tp的升高表明AG的加入延緩了淀粉顆粒的糊化。發(fā)生上述現象的原因可能是親水膠體的水化作用減少了淀粉顆粒糊化過程中所需的可用水量[25]，導致糊化延緩。與SPS相比，添加AG并經-20 ℃和-80 ℃冷凍處理后，To、Tp、Tc均升高，這進一步說明AG的添加可以減輕冷凍對SPS顆粒的破壞。

2.5 SPS顆粒的糊化特性分析結果

糊化過程中，淀粉顆粒被破壞，直鏈淀粉滲出，引起淀粉糊的黏度升高[9]。由表3可以看出，與天然SPS相比，冷凍處理使SPS的糊化溫度（pasting temperature，PT）分別降低了0.6 ℃（SPS-20）和0.9 ℃（SPS-80），這與DSC分析結果一致，Su Han等[9]研究發(fā)現冷凍處理可以降低小麥淀粉的PT。這應該是冷凍過程中淀粉顆粒內部或表面通道中的水形成冰，促使無定形區(qū)內的物質向外滲漏，從而在淀粉顆粒上留下較大的孔洞，糊化時水分因此更容易進入淀粉顆粒內部并引起膨脹[8]。由表3可知，冷凍處理還顯著降低了SPS的糊化峰值黏度（peak viscosity，PV），-20 ℃和-80 ℃冷凍后，PV分別降低了420 cP和1 144 cP，Liu Yu等[8]同樣發(fā)現冷凍處理可以降低蠟質玉米淀粉的PV，這可能是因為冷凍處理破壞了淀粉顆粒的結構，使淀粉鏈斷裂，產生損傷淀粉，因此黏度降低[4]。天然SPS經冷凍處理后，衰減值（breakdown value，BD）和回生值（setback value，SB）分別降低了156～510 cP和13～160 cP，Su Han等[9]的研究也得到類似結果，這可能是因為冷凍處理過程中冰晶的形成使淀粉產生膨脹，引起淀粉顆粒表面和內部淀粉鏈的重新排列，從而提高了淀粉糊對熱和剪切的穩(wěn)定性，延緩了淀粉的回生[8]。

表3 不同冷凍溫度處理SPS和SPSA的糊化特性Table 3 Pasting properties of SPS and SPSA frozen at different temperatures

與SPS-20相比，SPS-80的PT降低0.3 ℃（表3），這可能是因為較快的冷凍速率使淀粉顆粒表面產生數量較多的塌坑（圖2C2），增加了淀粉顆粒與水的接觸位點[26]。另外，快速冷凍形成更多細小空隙，淀粉顆粒結晶結構更為松散，淀粉更容易糊化，這與DSC分析結果一致。與SPS-20相比，SPS-80的PV、BD和SB分別降低了724、354 cP和147 cP。Silvas-García等[4]發(fā)現，冷凍速率較慢時，面團具有更高的黏度，這可能是由于快速冷凍（-80 ℃）過程中，水分形成的小冰晶數量更多，引起淀粉顆粒中直鏈淀粉與支鏈淀粉的重新排列，產生更多短鏈損傷淀粉，長鏈淀粉含量減少，從而降低了淀粉糊黏度，提高了淀粉糊的穩(wěn)定性和抗剪切能力。

與天然SPS相比，加入AG后SPS的PT降低了1.5 ℃，Funami等[27]的研究表明，小麥淀粉-多糖混合物的PT明顯低于小麥淀粉。這一變化趨勢與DSC分析結果不一致，趙陽等[28]也發(fā)現，在小麥淀粉中加入AG后，PT降低，而To、Tp、Tc升高，這主要是因為RVA與DSC分析的原理不同。RVA通過測定樣品黏度的變化來計算其PT，AG具有極強的增稠作用，AG的加入使淀粉-多糖體系在較低溫度下即被監(jiān)測到較大的黏度變化；而DSC分析則是通過測定相變過程中吸收熱量多少來確定To、Tp、Tc。與天然SPS相比，加入AG后，PV和BD分別降低了242 cP和593 cP，Su Han等[9]發(fā)現低聚糖的加入可以降低小麥淀粉PV，這可能是由于AG包覆在淀粉顆粒表面，抑制淀粉顆粒的膨脹和糊化[9,29]，從而降低淀粉PV。另外，淀粉糊中AG分子的存在也削弱了熱應力和剪切應力對淀粉分子鏈的破壞作用[9]，使淀粉糊具有更高的熱穩(wěn)定性，表現為BD減小。

與天然SPS相比，加入AG并進行冷凍處理，PT、PV、SB和BD分別降低了3.1～4.6 ℃、571～957 cP、12～41 cP和602～608 cP。Zhang Chen等[30]在冷凍處理添加了黃原膠的馬鈴薯淀粉混合體系時，Guo Jinying等[31]在冷凍處理添加了魔芋葡甘露聚糖后的小麥淀粉時，Su Han等[9]在冷凍處理添加了低聚糖的小麥淀粉時，均得到類似結果，這進一步表明，在對淀粉的冷凍處理過程中，AG的存在能夠提高糊化過程中淀粉糊的抗熱和抗剪切穩(wěn)定性，延緩淀粉回生。

降低冷凍處理溫度后發(fā)現，SPSA-80的PT、PV和SB分別比SPSA-20降低了1.5 ℃、386 cP和29 cP，BD變化不明顯，這與Silvas-García等[4]的研究結果相同，他們同樣發(fā)現，與慢速冷凍面團相比，快速冷凍面團的PV、SB更低，BD無明顯變化，說明添加AG結合超低溫冷凍處理，可以進一步降低SPS糊化黏度，并延緩淀粉糊的老化。

3 結 論

本實驗研究了不同冷凍溫度下AG處理對冷凍SPS粒徑、結構、糊化性質、熱力學性質等的影響。結果表明，降低冷凍溫度和添加AG處理均可減輕低溫冷凍對淀粉顆粒結構的破壞，超低溫冷凍處理結合AG的添加可以有效提高冷凍SPS顆粒的耐低溫能力，提高淀粉糊耐熱、抗剪切穩(wěn)定性和抗回生能力。本研究結果可為AG在冷凍SPS基食品中的應用提供理論參考。