李丹丹，陶 陽(yáng)，楊 哪，韓永斌,*

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，全谷物食品工程研究中心，江蘇 南京 210095；2.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

淀粉作為植物儲(chǔ)藏能量的主要物質(zhì)，是一種價(jià)格低廉、來(lái)源豐富、可再生的“綠色”生物基自然資源。除了作為人類食物主要成分外，淀粉亦可作為穩(wěn)定劑、乳化劑、吸附劑等用于食品、紡織、醫(yī)藥等領(lǐng)域。但是，天然淀粉極差的水溶性和淀粉糊的高黏度限制了其應(yīng)用范圍。因此，工業(yè)中通常需對(duì)天然淀粉進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾以改善其性質(zhì)和功能。化學(xué)法（降解、酯化、醚化等）和酶法（降解、環(huán)化等）是最常用的結(jié)構(gòu)修飾方法。經(jīng)化學(xué)/酶法改性后，淀粉的溶解性、乳化性、穩(wěn)定性和黏度等理化性質(zhì)可得到大幅度改善。但是，天然淀粉顆粒以結(jié)晶層、無(wú)定形層交替排列的環(huán)層結(jié)構(gòu)存在，該半剛性結(jié)構(gòu)限制了化學(xué)/酶試劑對(duì)淀粉鏈的攻擊，導(dǎo)致淀粉改性效率低。傳統(tǒng)工業(yè)中通常通過(guò)高溫預(yù)糊化手段來(lái)破壞淀粉結(jié)構(gòu)中致密的結(jié)晶區(qū)，從而增加化學(xué)/酶試劑與淀粉分子鏈間的有效碰撞，改善淀粉改性效率。然而，經(jīng)高溫預(yù)糊化后，淀粉反應(yīng)體系黏度增加，會(huì)導(dǎo)致傳熱傳質(zhì)速率減慢、反應(yīng)不均勻。

電場(chǎng)處理是強(qiáng)化生物大分子改性的常用物理處理技術(shù)。相較于批次熱處理，歐姆加熱、感應(yīng)電場(chǎng)等技術(shù)在實(shí)現(xiàn)快速傳熱傳質(zhì)的同時(shí)能提高反應(yīng)的選擇性，而脈沖電場(chǎng)技術(shù)則可通過(guò)破壞淀粉半結(jié)晶結(jié)構(gòu)的方式增加酶或化學(xué)試劑對(duì)淀粉的親和力。因而電場(chǎng)技術(shù)在淀粉高效定向轉(zhuǎn)化方面具有“綠色、高效、連續(xù)化”等生產(chǎn)屬性。近年來(lái)，有部分學(xué)者認(rèn)為酶的催化過(guò)程本質(zhì)上是強(qiáng)效的靜電催化過(guò)程。如果能夠在實(shí)際中產(chǎn)生形如酶內(nèi)部的高強(qiáng)度靜電場(chǎng)，也許就能模擬酶的催化活性，這將極大地實(shí)現(xiàn)化學(xué)化工生產(chǎn)過(guò)程的擴(kuò)大化。從這點(diǎn)考慮，外加電場(chǎng)在化學(xué)/酶法反應(yīng)中的研究具有明顯的戰(zhàn)略性意義，其價(jià)值不可估量。因此，本文從介紹電場(chǎng)技術(shù)入手，討論電場(chǎng)技術(shù)在淀粉化學(xué)和酶法改性中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出電場(chǎng)影響淀粉改性的關(guān)鍵因子，明確電場(chǎng)改變淀粉改性效率的機(jī)理，以期為利用電場(chǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)淀粉的高效定向改性提供理論指導(dǎo)，并在一定程度上促進(jìn)淀粉深加工行業(yè)的發(fā)展。

1 電場(chǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

淀粉深加工領(lǐng)域常用的電場(chǎng)技術(shù)有歐姆加熱、脈沖電場(chǎng)和感應(yīng)電場(chǎng)，其工作結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。歐姆加熱和脈沖電場(chǎng)通過(guò)對(duì)金屬電極施加電壓的方式產(chǎn)生電場(chǎng)，屬于電極類電場(chǎng)技術(shù)；感應(yīng)電場(chǎng)則通過(guò)電磁誘導(dǎo)的方式直接在樣品內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)，屬于磁電誘導(dǎo)類電場(chǎng)技術(shù)。

圖1 歐姆加熱（A）[8]、脈沖電場(chǎng)（B）[9]和感應(yīng)電場(chǎng)（C）[10]的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structures of ohmic heating (A)[8], pulsed electric field (B)[9] and induced electric field (C)[10]

1.1 歐姆加熱

歐姆加熱是通過(guò)對(duì)金屬電極板施加電場(chǎng)，在存在電阻抗性的食品物料內(nèi)部直接產(chǎn)生電流，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到加熱目的的一種電場(chǎng)技術(shù)（圖1A）。根據(jù)電信號(hào)類型的差異，可將歐姆加熱分為直流、交流和脈沖3種。與傳統(tǒng)水浴/蒸汽加熱相比，歐姆加熱直接在食品內(nèi)部產(chǎn)生熱量，不存在固-液界面或樣品內(nèi)部的熱量傳遞，具有加熱均勻、加熱速率快等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合含顆粒態(tài)或黏度大的物料。An等研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)加熱相比，歐姆加熱可加快大米淀粉和大米粉的糊化。除熱效應(yīng)外，歐姆加熱也可促進(jìn)反應(yīng)體系中帶電粒子的定向遷移，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率的增加和酶活力的改變。例如，Pinto等報(bào)道，與油浴和微波加熱相比，歐姆加熱可顯著提升有機(jī)合成的反應(yīng)速率和產(chǎn)物得率。Samaranayake等報(bào)道，經(jīng)1 V/cm電場(chǎng)處理后，-淀粉酶活力最高可提升41%。目前，歐姆加熱在有機(jī)合成、淀粉糊化、多糖提取、殺菌鈍酶等方面均有著較廣泛的應(yīng)用。但是，歐姆加熱過(guò)程中金屬電極表面可能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致物料的重金屬污染。不同類型歐姆加熱過(guò)程，電極表面電化學(xué)腐蝕程度不同，一般順序?yàn)橹绷鳎窘涣鳎久}沖。

1.2 脈沖電場(chǎng)

脈沖電場(chǎng)是通過(guò)對(duì)金屬電極間的物料反復(fù)施加高電壓的短脈沖（20～80 kV/cm、0～100 μs），從而達(dá)到處理目的的一種新型的非熱力加工技術(shù)，具有能耗低、處理時(shí)間短和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。如圖1B所示，高壓脈沖電場(chǎng)由電源和樣品處理室兩個(gè)部分構(gòu)成，其工作過(guò)程為利用高壓電源對(duì)電容器進(jìn)行充電，電容器放電時(shí)產(chǎn)生高頻脈沖波作用于與其連接的兩個(gè)金屬極板，從而在金屬極板間形成高壓脈沖電場(chǎng)。低強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理可誘導(dǎo)酶分子極化，改善-淀粉酶、麥芽-淀粉酶等的活性，在淀粉酶法改性中有著較大應(yīng)用前景；高強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)則可破壞淀粉的顆粒和結(jié)晶結(jié)構(gòu)，促進(jìn)帶電化學(xué)試劑定向遷移，從而提升淀粉化學(xué)改性的速率。與歐姆加熱相比，脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生的電化學(xué)污染大大降低，在淀粉深加工領(lǐng)域的應(yīng)用前景更為廣闊。但是，在極端的化學(xué)反應(yīng)條件下（如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等），脈沖電場(chǎng)處理依然可導(dǎo)致物料的重金屬污染。

1.3 感應(yīng)電場(chǎng)

感應(yīng)電場(chǎng)是以變壓器為基本結(jié)構(gòu)，以液體物料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的次級(jí)金屬線圈，通過(guò)磁電誘導(dǎo)產(chǎn)生電場(chǎng)的方式對(duì)導(dǎo)電樣品進(jìn)行處理，屬于電磁誘導(dǎo)類電場(chǎng)技術(shù)（圖1C）。Sastry等于2000年分析了該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，感應(yīng)電場(chǎng)不僅具有傳統(tǒng)電場(chǎng)技術(shù)提高傳熱傳質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，而且可在不使用電極的情況下以磁感應(yīng)電壓來(lái)處理閉合管路中的樣品，因而在強(qiáng)化加工效率的同時(shí)成功解決了電化學(xué)污染和電極腐蝕等問(wèn)題，在食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域的應(yīng)用前景良好。然而，傳統(tǒng)非磁性原料具有極低的磁導(dǎo)率（相對(duì)磁導(dǎo)率接近于1），難以直接對(duì)交變磁場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)，導(dǎo)致感應(yīng)電場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展停滯不前?；诖?，徐學(xué)明教授團(tuán)隊(duì)2015年起開始搭建感應(yīng)電場(chǎng)加工系統(tǒng)，并在之后的6 年里不斷對(duì)感應(yīng)電場(chǎng)的磁路和流路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，攻克了感應(yīng)電場(chǎng)的技術(shù)難題，目前該團(tuán)隊(duì)已與英都斯特公司合作，開發(fā)工業(yè)化樣機(jī)數(shù)臺(tái)，經(jīng)技術(shù)合格后將規(guī)模生產(chǎn)并投入市場(chǎng)。李丹丹等利用感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)化淀粉等多糖的酸解反應(yīng)，結(jié)果表明感應(yīng)電場(chǎng)可顯著提高淀粉酸解的效率和選擇性，且促進(jìn)作用與反應(yīng)單元、系統(tǒng)等效阻抗、輸出功率、加載功率因子以及溫度等因素相關(guān)。

2 電場(chǎng)處理強(qiáng)化淀粉改性的機(jī)理

2.1 熱效應(yīng)

在電場(chǎng)作用下，電流通過(guò)有阻抗的樣品時(shí)，電流做功而消耗電能，產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)。根據(jù)焦耳定律，產(chǎn)生的熱效應(yīng)強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方和樣品電導(dǎo)率成正比。溫度的變化將顯著影響反應(yīng)體系的活化能并改變酶活力，從而導(dǎo)致淀粉化學(xué)/酶法改性效率的變化。但值得注意的是，在常規(guī)熱處理過(guò)程中，熱能由體系外部向內(nèi)部傳遞，淀粉顆粒吸水膨脹、解組裝后形成的高黏度糊狀溶液會(huì)抑制傳熱傳質(zhì)，導(dǎo)致反應(yīng)不均勻（圖2A）；而在電場(chǎng)處理過(guò)程中，帶電粒子快速遷移，與淀粉分子快速碰撞導(dǎo)致熱效應(yīng)，因而淀粉糊的高黏度對(duì)傳熱傳質(zhì)效率影響較?。▓D2B）。脈沖電場(chǎng)處理具有脈沖短、功率低的特點(diǎn)，產(chǎn)生的熱效應(yīng)可忽略不計(jì)（溫升通常低于5 ℃），但歐姆加熱和感應(yīng)電場(chǎng)處理過(guò)程的熱效應(yīng)明顯，不可忽略。

圖2 傳統(tǒng)熱處理（A）和電場(chǎng)處理（B）過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)特性Fig.2 Heat and mass transfer characteristics of traditional heating (A)and electric field (B) treatment

2.2 非熱效應(yīng)

除熱效應(yīng)外，外加電場(chǎng)亦可直接改變核外電子、原子及分子等粒子的微觀運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響宏觀的傳質(zhì)過(guò)程及反應(yīng)的發(fā)生和進(jìn)行。Pinto等報(bào)道，相同處理溫度時(shí)，歐姆加熱可誘導(dǎo)帶電粒子的快速定向遷移，從而顯著提高狄爾斯-阿爾德反應(yīng)、親核取代、-烷基化和Suzuki偶聯(lián)4種有機(jī)合成的反應(yīng)速率和產(chǎn)物得率。電場(chǎng)亦可誘導(dǎo)分子內(nèi)部電荷流動(dòng)導(dǎo)致分子極化變形。極性分子內(nèi)部的正負(fù)電荷向相反方向位移，產(chǎn)生電偶極距，發(fā)生位移極化；同時(shí)，由于極性分子中電荷分布不均，其固有偶極距趨向于沿電場(chǎng)方向排列，發(fā)生取向極化。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)體系來(lái)說(shuō)，分子內(nèi)部電荷的流動(dòng)將會(huì)改變中間產(chǎn)物的穩(wěn)定性，從而提高反應(yīng)速率。2016年Aragonès等首次在上發(fā)文證實(shí)反應(yīng)底物化學(xué)鍵間電荷轉(zhuǎn)移速率的加快是電場(chǎng)提高狄爾斯-阿爾德反應(yīng)速率和選擇性的根本原因。對(duì)于酶反應(yīng)體系來(lái)說(shuō)，酶分子大多為帶電荷的極性蛋白分子。電場(chǎng)可驅(qū)動(dòng)帶電的酶分子定向遷移，產(chǎn)生熱效應(yīng)；同時(shí)，酶分子中的氨基和羧基由于帶不同電荷，在電場(chǎng)作用下會(huì)朝著不同方向遷移，從而導(dǎo)致酶分子極化，其構(gòu)象和活性發(fā)生變化。通常，低強(qiáng)度電場(chǎng)作用下酶活性增加，而高強(qiáng)度電場(chǎng)則會(huì)導(dǎo)致酶的失活。

3 電場(chǎng)處理強(qiáng)化淀粉改性的研究進(jìn)展

3.1 電場(chǎng)處理影響淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究

歐姆加熱、脈沖電場(chǎng)和感應(yīng)電場(chǎng)處理對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)的影響見表1。

表1 電場(chǎng)處理影響淀粉結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究Table 1 Recent studies on effect of electric field treatment on starch structure and properties

3.1.1 歐姆加熱

歐姆加熱可從物料內(nèi)部快速、均勻產(chǎn)熱。低強(qiáng)度歐姆加熱產(chǎn)生的熱量不足以糊化淀粉，作用效果與退火處理類似，將使淀粉糊化溫度升高、糊化溫度范圍變窄。但是，與傳統(tǒng)的退火處理方法（水浴）相比，歐姆加熱對(duì)淀粉糊化特性的影響更顯著。Knirsch等報(bào)道，除了熱效應(yīng)外，歐姆加熱亦可產(chǎn)生非熱效應(yīng)致淀粉體系的變化。Saboktakin等發(fā)現(xiàn)羧甲基淀粉納米復(fù)合物在高頻電場(chǎng)作用下會(huì)沿電場(chǎng)線方向有序排列形成鏈狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致體系電流變學(xué)性質(zhì)的變化。高強(qiáng)度歐姆加熱會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，引起淀粉的快速糊化。韓忠的研究結(jié)果表明直流電場(chǎng)加熱至65 ℃，玉米淀粉顆粒吸水、膨脹，半結(jié)晶被破壞，淀粉開始糊化。Kanjanapongkul報(bào)道，與傳統(tǒng)電飯鍋蒸煮法相比，歐姆加熱可促進(jìn)水分?jǐn)U散和大米顆粒的膨脹，加速大米熟化，節(jié)約大約70%的能量，且處理后不存在容器底部結(jié)垢的問(wèn)題。

歐姆加熱的電場(chǎng)頻率通常固定為50 Hz（國(guó)內(nèi)）或60 Hz（國(guó)外）。因此，歐姆加熱對(duì)淀粉糊化的影響主要與淀粉類型、電場(chǎng)強(qiáng)度和電導(dǎo)率等因素有關(guān)。Martínez-Bustos等報(bào)道，123 V歐姆電場(chǎng)處理10 min后，豆薯淀粉的糊化度達(dá)70%而木薯淀粉的糊化度僅為39%。An等的研究證明隨著電場(chǎng)強(qiáng)度從20 V/cm增加到70 V/cm，大米淀粉懸浮液加熱速率從4 ℃/min增加到61 ℃/min。Lee等的研究結(jié)果表明，淀粉懸浮液的表觀黏度與歐姆加熱過(guò)程的加熱速率成正相關(guān)關(guān)系，而加熱速率與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方和樣品電導(dǎo)率成正比。值得注意的是，在歐姆加熱過(guò)程中，淀粉未糊化時(shí)，體系電導(dǎo)率隨溫度的升高呈線性增加；而淀粉糊化后，由于體系黏度迅速增加，電導(dǎo)率增加速率變緩。例如，Shim等報(bào)道大米-水混合物的電導(dǎo)率在52～62 ℃溫度區(qū)間的增加速率變緩。Li Fade等發(fā)現(xiàn)不同預(yù)糊化度玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的電導(dǎo)率-溫度曲線在糊化溫度范圍均會(huì)出現(xiàn)吸熱峰（電導(dǎo)率增速降低導(dǎo)致），且該吸熱峰的大小和形狀與差示掃描量熱曲線類似。綜上，歐姆加熱可導(dǎo)致淀粉的糊化，且糊化性質(zhì)由電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)頻率和電導(dǎo)率等因素決定；另外，電場(chǎng)處理過(guò)程中淀粉體系的電導(dǎo)率-溫度曲線可用于表征淀粉的糊化性質(zhì)。

3.1.2 脈沖電場(chǎng)

脈沖電場(chǎng)可破壞淀粉的顆粒和半結(jié)晶結(jié)構(gòu)、打斷淀粉分子鏈、降低淀粉分子質(zhì)量，進(jìn)而引起淀粉理化性質(zhì)的變化。通常，脈沖電場(chǎng)處理會(huì)導(dǎo)致淀粉的糊化溫度、糊化焓和淀粉糊黏度均降低。Giteru等綜述了脈沖電場(chǎng)對(duì)生物大分子包括多糖和蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性和功能特性的影響，表明電場(chǎng)處理可影響多糖的微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)象、溶解度、膨脹力、顆粒尺度、黏性、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和熱穩(wěn)定性。Han Zhong等報(bào)道50 kV/cm脈沖電場(chǎng)處理后，玉米淀粉的顆粒保持完整，結(jié)晶類型未發(fā)生變化，但淀粉的相對(duì)結(jié)晶度略有下降，淀粉表面變粗糙，顆粒間發(fā)生聚集，分子質(zhì)量降低，淀粉糊化溫度、糊化焓和黏度均顯著降低。Abduh等在1.1 kV/cm脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度下處理馬鈴薯發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯內(nèi)部淀粉未發(fā)生明顯變化，但馬鈴薯表面淀粉的糊化溫度范圍變窄、消化性降低。木薯淀粉、蠟質(zhì)大米淀粉和粳米淀粉等也被發(fā)現(xiàn)在脈沖電場(chǎng)作用下顆粒結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定程度的變化，導(dǎo)致淀粉糊黏度的顯著降低。脈沖電場(chǎng)對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響與脈沖電場(chǎng)的處理?xiàng)l件有關(guān)，其中電場(chǎng)強(qiáng)度是最關(guān)鍵的處理因素。例如，隨著脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度從30 kV/cm增加到50 kV/cm，蠟質(zhì)大米淀粉的摩爾質(zhì)量從10.15h10g/mol降低到8.90h10g/mol，相對(duì)結(jié)晶度從35.1%降低至28.7%，糊化焓從9.9 J/g降低至6.8 J/g。脈沖電場(chǎng)對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)的影響亦與淀粉種類有關(guān)。相同電場(chǎng)處理?xiàng)l件下（50 kV/cm），玉米淀粉的摩爾質(zhì)量從102h10g/mol降低至13h10g/mol，但蠟質(zhì)大米淀粉的摩爾質(zhì)量保持不變。Li Qian等對(duì)比研究3種不同晶型淀粉——小麥淀粉（A型）、馬鈴薯淀粉（B型）和豌豆淀粉（C型）在2.86、4.29、5.71、7.14 kV/cm和8.57 kV/cm脈沖電場(chǎng)作用下結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉結(jié)構(gòu)變化最為明顯，相對(duì)結(jié)晶度和分子質(zhì)量均發(fā)生一定程度的下降。Han Zhong等也發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉對(duì)脈沖電場(chǎng)的敏感度顯著高于玉米淀粉。

脈沖電場(chǎng)是一種典型的非熱力加工技術(shù)，一般認(rèn)為是其強(qiáng)脈沖產(chǎn)生的電荷極化效應(yīng)導(dǎo)致了淀粉結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化。在脈沖電場(chǎng)作用下，淀粉溶液中的帶電粒子定向遷移并聚集在淀粉顆粒表面，形成宏觀的空間電荷。當(dāng)達(dá)到一定電場(chǎng)強(qiáng)度后，淀粉顆粒外層會(huì)產(chǎn)生瞬間高壓放電，從而導(dǎo)致淀粉顆粒的裂解。但是，也有研究者認(rèn)為由于歐姆效應(yīng)，脈沖電場(chǎng)在處理過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生熱，淀粉顆粒表面特殊的電導(dǎo)性質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致脈沖電場(chǎng)處理過(guò)程中在淀粉顆粒表面產(chǎn)生局部過(guò)熱。因而，淀粉表面會(huì)發(fā)生部分糊化，從而導(dǎo)致顆粒表面變粗糙、顆粒間發(fā)生聚集、平均粒徑增加、淀粉糊化溫度和黏度降低。與大米、小麥等谷物淀粉（A型結(jié)晶）相比，馬鈴薯淀粉呈B型結(jié)晶，晶胞中包含更多的水分，導(dǎo)致其電導(dǎo)性質(zhì)與其他類型淀粉相比存在一定差異，在脈沖電場(chǎng)作用下其結(jié)構(gòu)變化更顯著。但目前關(guān)于脈沖電場(chǎng)影響淀粉結(jié)構(gòu)性質(zhì)的機(jī)制還不明確，尚需進(jìn)一步研究。

3.1.3 感應(yīng)電場(chǎng)

感應(yīng)電場(chǎng)的電信號(hào)類型與歐姆加熱類似，理論上對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的影響也類似。但目前關(guān)于感應(yīng)電場(chǎng)處理淀粉的研究極少，僅有Li Dandan等報(bào)道在激勵(lì)電壓75 V條件下處理30～96 h后，馬鈴薯淀粉的糊化溫度升高、糊化焓降低、淀粉糊峰值黏度和回生值大大降低。有研究報(bào)道，電場(chǎng)作用下多糖分子鏈會(huì)沿著電場(chǎng)線排列，導(dǎo)致體系流變學(xué)特性的變化或多糖可食用膜強(qiáng)度的增加。通過(guò)紅外光譜和X射線衍射分析馬鈴薯淀粉短程和長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)在感應(yīng)電場(chǎng)作用下的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，淀粉的結(jié)晶短程結(jié)構(gòu)有序性和相對(duì)結(jié)晶度增加，說(shuō)明電場(chǎng)可驅(qū)動(dòng)淀粉分子鏈重新排列，增加其結(jié)構(gòu)有序性。但是，Zhu Fan認(rèn)為感應(yīng)電場(chǎng)處理過(guò)程中產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)也可能引起淀粉的退火，從而提高淀粉結(jié)構(gòu)有序性。因此，為了探明感應(yīng)電場(chǎng)是否會(huì)產(chǎn)生非熱效應(yīng)影響淀粉的結(jié)構(gòu)有序性，還需在相同溫度條件下對(duì)比研究傳統(tǒng)加熱和感應(yīng)電場(chǎng)作用下淀粉結(jié)構(gòu)性質(zhì)的差異。

3.2 電場(chǎng)輔助淀粉酶法改性的研究

電場(chǎng)輔助淀粉酶法改性的研究總結(jié)見表2。

表2 電場(chǎng)輔助淀粉酶法改性的研究Table 2 Recent studies on enzymatic modification of starch by electric field techniques

3.2.1 歐姆加熱

大量實(shí)踐證明低強(qiáng)度電場(chǎng)可大幅提升酶活性，與菌株篩選、基因工程菌株構(gòu)建等復(fù)雜方法相比，具有操作簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。Varella等首次證實(shí)歐姆加熱處理可代替?zhèn)鹘y(tǒng)水浴加熱或蒸汽加熱以加速-淀粉酶催化木薯淀粉液化過(guò)程。此后，關(guān)于電場(chǎng)激活淀粉酶活性的研究被廣泛報(bào)道。例如，Samaranayake等研究發(fā)現(xiàn)1 V/cm電場(chǎng)作用下-淀粉酶的活力最高可提高41%。Li Dandan等研究發(fā)現(xiàn)交變電場(chǎng)可用于強(qiáng)化-淀粉酶催化玉米淀粉降解制備多孔淀粉。楊慧等證實(shí)60 Hz的低頻電磁場(chǎng)可促進(jìn)-淀粉酶催化降解玉米淀粉。酶的催化活性與其空間構(gòu)象緊密相關(guān)。王志勇利用分子動(dòng)力學(xué)手段研究了葡萄糖氧化酶在低強(qiáng)度電場(chǎng)作用下（0.001 V/nm）結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果表明隨著電場(chǎng)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，該酶的總能量增加，運(yùn)動(dòng)性增加，但整體結(jié)構(gòu)變化不大。楊慧等發(fā)現(xiàn)低頻低強(qiáng)度電磁場(chǎng)對(duì)淀粉酶一級(jí)結(jié)構(gòu)的影響不顯著，但可導(dǎo)致酶分子二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)的可逆性變化。

歐姆加熱對(duì)淀粉酶活性的影響與電場(chǎng)強(qiáng)度和電導(dǎo)率顯著相關(guān)。電場(chǎng)強(qiáng)度和電導(dǎo)率的增加會(huì)提高熱效應(yīng)強(qiáng)度，在一定范圍內(nèi)可增加反應(yīng)體系的活化能，提高酶促反應(yīng)速率；但超過(guò)酶最適反應(yīng)溫度后，酶構(gòu)象被破壞，催化活性降低。更重要的是，除了熱效應(yīng)外，電場(chǎng)亦會(huì)誘導(dǎo)酶分子發(fā)生極化。低強(qiáng)度歐姆電場(chǎng)作用下，酶分子發(fā)生輕微極化、活性基團(tuán)外露、酶活性中心與底物的親和力增加，致使酶的催化活性增加；但高強(qiáng)度歐姆加熱則誘導(dǎo)酶分子的劇烈極化，破壞維持酶構(gòu)象的次級(jí)鍵，從而導(dǎo)致酶活性的喪失。電場(chǎng)頻率亦會(huì)顯著影響酶活力。Samaranayake等通過(guò)分析淀粉酶和果膠酶在電場(chǎng)強(qiáng)度1 V/cm、電場(chǎng)頻率1～400 Hz條件活力及其遷移模式變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)頻率小于60 Hz時(shí)，酶分子沿著電場(chǎng)線方向平動(dòng)的位移大于水分子間的間距，酶活力增加；但電場(chǎng)頻率大于60 Hz時(shí)，電場(chǎng)方向快速變化限制了酶分子沿電場(chǎng)線方向平動(dòng)的位移，酶活力不變或略有下降。總的來(lái)說(shuō)，低強(qiáng)度歐姆加熱可在一定程度上改善淀粉酶的活性，但由于淀粉顆粒本身致密的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)在低強(qiáng)度電場(chǎng)作用下變化不大或甚至結(jié)構(gòu)有序性略有增加（3.1.1節(jié)），對(duì)生淀粉酶解效率的提升作用仍有限，因而電場(chǎng)技術(shù)在生淀粉酶解中的應(yīng)用尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

3.2.2 脈沖電場(chǎng)

與歐姆加熱類似，脈沖電場(chǎng)對(duì)淀粉酶活性的影響也與電場(chǎng)強(qiáng)度顯著相關(guān)。通常地，低強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)可通過(guò)改變酶的二級(jí)和空間結(jié)構(gòu)，增加其結(jié)構(gòu)有序性，從而改善某些酶的活性。田美玲、王金花、余雅倩和李超群等系統(tǒng)研究了脈沖電場(chǎng)對(duì)-淀粉酶、啤酒麥芽-淀粉酶、啤酒麥芽-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和淀粉轉(zhuǎn)葡萄糖苷酶等淀粉酶活力的影響。例如，李超群利用脈沖電場(chǎng)輔助處理啤酒麥芽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)1.5～7.5 kV/cm脈沖電場(chǎng)處理后，大麥發(fā)芽勢(shì)、根長(zhǎng)、-葡聚糖酶活力、-淀粉酶活力和-淀粉酶活力提高的幅度分別為38.96%、43.33%、21.46%、26.48%和23.57%。王金花利用脈沖電場(chǎng)強(qiáng)化處理經(jīng)-淀粉酶和淀粉轉(zhuǎn)葡萄糖苷酶混合酶液水解玉米淀粉得到的多孔淀粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度11.5 kV/cm、處理時(shí)間18 ms、酶解時(shí)間3.9 h條件下制備的多孔淀粉吸油率可達(dá)129.892%。國(guó)外關(guān)于脈沖電場(chǎng)提高淀粉酶活性的研究較少，但亦有大量研究證實(shí)低強(qiáng)度電場(chǎng)作用下酶的活性會(huì)增加。例如，Ohshima等利用12～13 kV/cm脈沖電場(chǎng)處理過(guò)氧化物酶、烯醇化酶、-半乳糖苷酶、乳酸脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶和葡萄糖淀粉酶，發(fā)現(xiàn)6種酶的活力可提高5%～20%。除了電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率、脈沖寬度、脈沖數(shù)等電場(chǎng)參數(shù)外，金屬離子尤其是Ca的添加亦會(huì)顯著影響電場(chǎng)作用下的淀粉酶活力。例如，在電壓10 kV、頻率500 Hz、脈沖寬度7 μs和處理時(shí)間12 min時(shí)，添加質(zhì)量濃度80 mg/L CaCl，麥芽中淀粉酶活力和糖化率分別提高34.82%和28.44%。

低強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)處理提高淀粉酶活性的機(jī)制可能是維持酶蛋白分子結(jié)構(gòu)的次級(jí)鍵在電場(chǎng)作用下發(fā)生改變，酶分子重新折疊，更多色氨酸等芳香族氨基酸殘基暴露，使酶結(jié)構(gòu)更為有序和靈活，更加容易與底物結(jié)合，進(jìn)而酶的活性增加。田美玲研究發(fā)現(xiàn)12～15 kV/cm脈沖電場(chǎng)處理-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和果膠酶后，3種酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，但二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)改變，結(jié)構(gòu)有序性增加，活力分別增加22.13%、20.74%和21.89%，且這3種酶的貯藏穩(wěn)定性增強(qiáng)、最適溫度范圍增加。Ca可穩(wěn)定淀粉酶的構(gòu)象，提升脈沖電場(chǎng)作用下酶的活性和穩(wěn)定性。李超群等發(fā)現(xiàn)Ca輔助脈沖電場(chǎng)處理后，麥芽中-淀粉酶和-淀粉酶的活性均顯著增加?？偟膩?lái)說(shuō)，低強(qiáng)度脈沖電場(chǎng)作用下，淀粉酶構(gòu)象發(fā)生輕微極化，酶分子活性中心外露，與底物間的結(jié)合能力增強(qiáng)，酶活力增加。但脈沖電場(chǎng)在較低強(qiáng)度時(shí)淀粉保持完整的顆粒結(jié)構(gòu)和致密的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)（3.1.2節(jié)），這將導(dǎo)致生淀粉的酶解效率較低，從而限制了脈沖電場(chǎng)在淀粉酶解的工業(yè)化應(yīng)用。

3.2.3 感應(yīng)電場(chǎng)

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于感應(yīng)電場(chǎng)在淀粉酶法改性領(lǐng)域應(yīng)用的報(bào)道尚缺乏。張夢(mèng)月研究發(fā)現(xiàn)50 ℃時(shí)，感應(yīng)電場(chǎng)（激勵(lì)電壓900 V、激勵(lì)頻率20 kHz）處理使蘋果汁多酚氧化酶的相對(duì)活力增加15.12%，過(guò)氧化物酶的相對(duì)活力增加26.01%，初步證實(shí)了感應(yīng)電場(chǎng)在加速酶法改性領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

3.3 電場(chǎng)輔助淀粉化學(xué)改性的研究

如何有效地調(diào)控、闡釋、設(shè)計(jì)和應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)，使得反應(yīng)朝著人們所需要的方向最快速、最大程度地轉(zhuǎn)化和進(jìn)行，一直是綠色化學(xué)的目標(biāo)。電場(chǎng)作為常用的物理加工手段，其特有的電學(xué)特性在化工合成強(qiáng)化方面表現(xiàn)出了高適應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)用電流作為替代試劑時(shí)，可避免使用有毒或危險(xiǎn)的試劑、保護(hù)基團(tuán)和有機(jī)合成中常用的催化劑；此外，電合成可以減少或消除反應(yīng)器冷卻或加熱工序，減少能源消耗。因此，電催化技術(shù)已成為追求更安全、更環(huán)保、更廉價(jià)的有機(jī)合成工藝領(lǐng)域的新寵。Aragonès等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和量化計(jì)算發(fā)現(xiàn)在Diels-Alder反應(yīng)的成鍵及斷鍵過(guò)程中，定向電場(chǎng)（電場(chǎng)方向與化學(xué)鍵方向一致）會(huì)導(dǎo)致含帶電基團(tuán)的過(guò)渡態(tài)產(chǎn)物趨于穩(wěn)定或者失穩(wěn)，使正處于過(guò)渡態(tài)的共振結(jié)構(gòu)朝著最穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而宏觀上表現(xiàn)為電場(chǎng)直接促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生和進(jìn)行。黃曉艷等證明了通過(guò)改變外加電場(chǎng)強(qiáng)度和方向，可以選擇性調(diào)控化學(xué)反應(yīng)所需的活化能、改變中間產(chǎn)物的穩(wěn)定性并影響體系的過(guò)渡態(tài)等，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)行高效清潔的綠色化學(xué)合成。除了外加電場(chǎng)對(duì)反應(yīng)速率的作用效果明顯外，外加電場(chǎng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的選擇性也有顯著影響。Gorin等發(fā)現(xiàn)外加定向電場(chǎng)可顯著改變氧化鋁催化的順式-2,3-二苯基環(huán)氧乙烷的重排反應(yīng)，產(chǎn)物醛和酮的物質(zhì)的量之比由未加電場(chǎng)下的1∶4轉(zhuǎn)變?yōu)橥饧与妶?chǎng)后的17∶1，變化比例高達(dá)63 倍。這些研究證明了電場(chǎng)在化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。然而，利用電場(chǎng)技術(shù)強(qiáng)化淀粉化學(xué)改性的研究還較少，具體如下。

3.3.1 歐姆加熱

歐姆加熱和微波加熱均屬于電磁場(chǎng)加工方法。微波加熱已被證明對(duì)淀粉的酸解、酯化、交聯(lián)和接枝共聚等化學(xué)改性均有較好的強(qiáng)化作用。Pinto等報(bào)道，與微波加熱和油浴相比，歐姆加熱不僅可快速均勻產(chǎn)熱，還可促進(jìn)帶電底物的快速定向遷移，從而顯著縮短有機(jī)合成的時(shí)間并增加產(chǎn)物的得率。因此，理論上歐姆加熱對(duì)淀粉化學(xué)改性也具有較好的改善作用。但是，歐姆加熱是通過(guò)對(duì)金屬電極施加電壓的方式產(chǎn)生電場(chǎng)。在淀粉化學(xué)改性的過(guò)程中，通常需要加入強(qiáng)酸或強(qiáng)堿，這將導(dǎo)致電極表面的電化學(xué)腐蝕和產(chǎn)品的重金屬污染。因此，為實(shí)現(xiàn)歐姆加熱技術(shù)在淀粉化學(xué)改性領(lǐng)域的應(yīng)用，尚需解決電極表面氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致的樣品電化學(xué)污染問(wèn)題。

3.3.2 脈沖電場(chǎng)

脈沖電場(chǎng)作用下，淀粉顆粒和結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，與化學(xué)試劑的親和力增加，化學(xué)改性效率增加；同時(shí)，脈沖電場(chǎng)可驅(qū)動(dòng)帶電粒子的定向遷移，加速淀粉和化學(xué)試劑間的碰撞幾率。目前關(guān)于脈沖電場(chǎng)強(qiáng)化淀粉改性的研究還較少，主要集中于淀粉酯化。洪靜等報(bào)道脈沖電場(chǎng)可顯著增加玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉和木薯淀粉的酯化度，且增強(qiáng)效果與脈沖強(qiáng)度、處理時(shí)間、乙酸酐添加量顯著相關(guān)。以馬鈴薯淀粉為例，在脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度3.5 kV/cm、處理時(shí)間60 min、淀粉乳質(zhì)量濃度30 g/mL時(shí)，馬鈴薯淀粉的酯化度可達(dá)0.130。與原淀粉相比，酯化淀粉的糊化溫度降低、水溶性增加，凝膠穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性增加；與未經(jīng)脈沖電場(chǎng)處理的酯化淀粉相比，脈沖電場(chǎng)處理得到的酯化淀粉更不易回生。Chen Boru等利用2～6 kV/cm的脈沖電場(chǎng)強(qiáng)化馬鈴薯淀粉與辛烯基琥珀酸酐之間的酯化反應(yīng)，結(jié)果表明脈沖電場(chǎng)可使反應(yīng)效率提高6.1%～39.1%，并且脈沖電場(chǎng)處理制備的辛烯基琥珀酸淀粉酯的糊化溫度降低7.6～15.1 ℃，而未經(jīng)脈沖電場(chǎng)處理的樣品僅降低3 ℃。綜上，脈沖電場(chǎng)處理可縮短淀粉化學(xué)改性時(shí)間、提高化學(xué)改性效率并提高改性淀粉的取代度。與歐姆加熱常用的直流電、交流電相比，脈沖電場(chǎng)是通過(guò)脈沖的方式產(chǎn)生電場(chǎng)，電極表面的電化學(xué)反應(yīng)可被顯著降低或避免。但是，淀粉化學(xué)改性一般需在較為劇烈的反應(yīng)條件下（強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等）進(jìn)行，金屬電極的使用依然可能造成設(shè)備的損害和樣品的污染。因此，為利用電場(chǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的淀粉化學(xué)改性，最根本的解決方案是開發(fā)一種無(wú)須使用金屬電極的電場(chǎng)技術(shù)。

3.3.3 感應(yīng)電場(chǎng)

與歐姆加熱和脈沖電場(chǎng)相比，感應(yīng)電場(chǎng)無(wú)需使用金屬電極，故而可在加速淀粉化學(xué)改性的同時(shí)，避免在電極表面電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致樣品重金屬污染和設(shè)備損壞等問(wèn)題。目前，感應(yīng)電場(chǎng)已被證實(shí)可強(qiáng)化淀粉、纖維素、殼聚糖、瓜爾膠和果膠等多糖的酸解。李丹丹系統(tǒng)研究了感應(yīng)電加工效率與勵(lì)磁電參數(shù)、介質(zhì)導(dǎo)電性和底物帶電性質(zhì)間的關(guān)聯(lián)，探明了電場(chǎng)調(diào)控淀粉等多糖酸解效率和選擇性的熱/非熱機(jī)制。以玉米淀粉為研究對(duì)象，證實(shí)磁感應(yīng)電場(chǎng)作用下H快速、定向攻擊多糖分子鏈，可同時(shí)提高淀粉酸解的速率和選擇性（圖3）。勵(lì)磁電壓增加，帶電粒子運(yùn)動(dòng)速率增加，與底物間碰撞幾率增加，酸解效率和選擇性均增加；勵(lì)磁頻率增加，帶電粒子運(yùn)動(dòng)方向變化頻率增加，酸解效率變化不大，但酸解選擇性顯著增加；介質(zhì)電導(dǎo)率增加，反應(yīng)體系中電能利用率增加，酸解效率和選擇性均增加。以馬鈴薯淀粉為研究對(duì)象，研究發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電場(chǎng)作用下淀粉的酸解過(guò)程分3 步進(jìn)行：首先，H攻擊淀粉顆粒表面的結(jié)晶硬層，淀粉顆粒表面變粗糙、相對(duì)結(jié)晶度略有增加；其次，淀粉內(nèi)部的無(wú)定形層和結(jié)晶層被同時(shí)水解，但由于無(wú)定形層更疏松，H攻擊位于無(wú)定形層的淀粉分子鏈速率更快，淀粉相對(duì)結(jié)晶度增加、顆粒尺寸和相對(duì)分子質(zhì)量迅速降低；最后，剩余的結(jié)晶層被緩慢水解，淀粉顆粒和結(jié)晶結(jié)構(gòu)被完全破壞。周宇益等研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，感應(yīng)電場(chǎng)處理后，淀粉酸解液中還原糖含量可增加52.07%。以上研究均證實(shí)了感應(yīng)電場(chǎng)技術(shù)在淀粉化學(xué)改性領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。但是，該項(xiàng)技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，且在淀粉化學(xué)改性的應(yīng)用集中于淀粉酸解，關(guān)于淀粉酯化、交聯(lián)、醚化等的研究有待進(jìn)一步探究。

圖3 感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)淀粉酸解效率和選擇性的影響[26]Fig.3 Effect of induced electric field on the efficiency and selectivity of acid hydrolysis of starch[26]

有關(guān)電場(chǎng)輔助淀粉化學(xué)改性的研究總結(jié)見表3。

表3 電場(chǎng)輔助淀粉化學(xué)改性的研究Table 3 Recent studies on chemical modification of starch by electric field techniques

4 結(jié) 語(yǔ)

電場(chǎng)處理作為食品加工常用的物理手段，具有綠色、高效、快速等特點(diǎn)，從而在淀粉深加工領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。歐姆加熱和感應(yīng)電場(chǎng)主要誘導(dǎo)產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)：低強(qiáng)度時(shí)，淀粉結(jié)晶有序性增加，糊化溫度升高，糊化溫度范圍變窄，發(fā)生退火；高強(qiáng)度時(shí)，淀粉顆粒吸水膨脹破裂，顆粒結(jié)構(gòu)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)被完全破壞，淀粉糊黏度顯著降低，發(fā)生糊化。脈沖電場(chǎng)屬于非熱力加工技術(shù)，主要通過(guò)產(chǎn)生高強(qiáng)度脈沖作用于淀粉顆粒表面，在淀粉顆粒表面產(chǎn)生孔洞，并導(dǎo)致淀粉相對(duì)結(jié)晶度的降低。淀粉結(jié)構(gòu)的破壞有利于增加淀粉顆粒與化學(xué)/酶試劑間的親和力，提高淀粉化學(xué)/酶法改性效率。對(duì)于酶法反應(yīng)體系來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)破壞淀粉顆粒和半結(jié)晶結(jié)構(gòu)通常需較高的電場(chǎng)強(qiáng)度，此時(shí)維持淀粉酶構(gòu)象的次級(jí)鍵被破壞，淀粉酶活性會(huì)在一定程度上喪失，因而電場(chǎng)技術(shù)往往不適合用于淀粉的酶法改性。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)體系來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的帶電粒子快速定向遷移，一方面會(huì)導(dǎo)致底物-底物/底物-催化劑間碰撞機(jī)率增加；另一方面會(huì)加速反應(yīng)中間產(chǎn)物間的電子流動(dòng)，影響中間產(chǎn)物的穩(wěn)定性，從而在淀粉化學(xué)改性領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用前景。然而，淀粉化學(xué)改性通常需在較為極端的環(huán)境下（強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等）進(jìn)行，歐姆加熱和脈沖電場(chǎng)處理過(guò)程中，金屬電極表面會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，從而極大地限制了其在淀粉化學(xué)改性領(lǐng)域的應(yīng)用。感應(yīng)電場(chǎng)可通過(guò)電磁感應(yīng)的方式直接在樣品內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)，已有大量研究證實(shí)其可強(qiáng)化淀粉等多糖酸解的效率和選擇性，且處理過(guò)程無(wú)需使用金屬電極，不存在電化學(xué)污染問(wèn)題，因而在淀粉深加工領(lǐng)域的應(yīng)用前景看好。但目前關(guān)于感應(yīng)電場(chǎng)的研究尚處于探索階段，感應(yīng)電場(chǎng)設(shè)備開發(fā)、感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)化淀粉改性的案例和機(jī)制均有待進(jìn)一步探究。