乙醇-熱處理制備冷水溶脹小麥淀粉及其結構和功能特性的研究

馬曉麗，常婧瑤，殷永超，任曉嬋，劉 騫,2,

（1.東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱 150030；2.黑龍江省綠色食品科學研究院，黑龍江哈爾濱 150028）

淀粉作為一種廉價而豐富的資源，常常作為膠凝劑、增稠劑、乳液穩定劑用于食品體系中[1]。淀粉主要由線性直鏈淀粉和高分枝支鏈淀粉所組成[2]，直鏈淀粉具有單螺旋結構，構成淀粉的無定形結構區，支鏈淀粉具有雙螺旋結構，構成淀粉的結晶區[3]。半結晶的天然淀粉顆粒是不溶于水的，這極大地限制了淀粉的應用[4]。預糊化淀粉和冷水溶脹淀粉是目前工業上應用最廣泛的兩種變性淀粉，均能夠在室溫下分散到水中提高淀粉利用的便捷性。預糊化淀粉在冷水中分散性較差，復水快，水合慢，容易結塊，在一定程度上影響了其應用[5]；冷水溶脹淀粉因較大程度地保留了原淀粉的顆粒狀態，分散到冷水中快速吸水膨脹、易分散，特別適合作為制備果凍、果醬布丁、甜點、香腸等食品凝膠物質[6]。目前制備冷水溶脹淀粉的方法有雙流噴嘴噴霧干燥法[7]、高溫高壓醇法[8]、常壓多元醇法[9]及乙醇堿法[10]。但采用雙流噴嘴噴霧干燥法設備造價過高；高溫高壓醇法及常壓多元醇法反應條件苛刻、耗能大；乙醇堿法因需大量酸堿液，環保性差。乙醇-熱處理法是采用乙醇溶液加熱糊化淀粉形成淀粉糊，經抽濾、無水乙醇浸泡、再抽濾、風干操作后研磨成粉加工而成。此工藝通過真空抽濾操作回收乙醇提高乙醇的利用率，具有反應條件溫和、操作簡單、安全性高、能耗少等優點。最終產品經風干干燥后，只留下少量或沒有無水乙醇[11]，在食品工業中，特別是在綠色和清潔標簽中非常受歡迎[12]。

近年來，乙醇-熱處理法制備的冷水溶脹淀粉因在室溫下具有較高的吸水能力和持油能力而被廣泛應用到制藥、保健品及食品工業中。Sarifudin等[13]通過乙醇-熱處理玉米、馬鈴薯、木薯和大米淀粉制備的冷水溶脹淀粉均能在室溫下吸收大量的水。Sarifudin等[14]通過對木薯淀粉進行乙醇-熱處理，并將其應用于制備片劑，研究片劑的特性，結果表明，冷水溶脹淀粉制備的片劑可快速分散釋放活性成分。Li等[15]通過乙醇-熱處理玉米淀粉研究其吸油特性，結果顯示，冷水溶脹淀粉在室溫下能夠穩定大量的油，并將其制備成結構油應用于高脂食品中，達到了降脂的目的。小麥淀粉是小麥的主要成分，占成熟小麥種子干重的65%～75%[16]，且小麥淀粉具有糊化溫度低、熱糊穩定性好、淀粉凝膠強度高等良好的特性[17]。但將小麥淀粉作為原料制備冷水溶脹淀粉鮮有研究。因此，本文擬利用乙醇-熱處理法制備冷水溶脹小麥淀粉以提升小麥淀粉的理化特性，從而提高小麥淀粉的利用率。

本實驗通過研究不同乙醇濃度（0%、10%、20%、30%、40%、50%，V/V）熱處理小麥淀粉的X-射線衍射、傅里葉變換紅外光譜探究乙醇濃度對小麥淀粉晶體結構的影響；分析處理組樣品的持水性、持油性、凝膠強度及糊化特性分析乙醇濃度對小麥淀粉功能特性的影響；利用掃描電鏡觀察乙醇濃度對淀粉微觀形態的影響，以期為小麥淀粉的改性及深加工提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥淀粉為市售淀粉（淀粉干基含量83.23%）南京甘汁園糖業有限公司；大豆油 九三基團；無水乙醇 天津市天力化學試劑有限公司；實驗用水均為去離子水。

AL-104型精密電子天平 梅特勒－托利多儀器設備（上海）有限公司；JD500-2電子天平 鄭州南北儀器設備有限公司；DK-8B電熱恒溫水浴鍋 余姚市東方電工儀器廠；循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司；手提式粉碎機 大德機械；HJ-6多頭磁力攪拌器 常州丹瑞實驗儀器設備有限公司；TG16-WS臺式高速冷凍離心機 湖南湘儀離心機儀器有限公司；TA-XT2質構分析儀 英國戈德爾明穩定微系統有限公司；RVA-4型快速黏度分析儀

澳大利亞Newport科學儀器公司；D8 ADVANCE X-射線衍射分析儀 德國布魯克公司；傅里葉變換紅外光譜儀 賽默飛世爾科技（中國）有限公司；鎢燈絲掃描電子顯微鏡 日本日立。

1.2 實驗方法

1.2.1 冷水溶脹小麥淀粉的制備 參考Dries等[18]的方法制備冷水溶脹小麥淀粉，并稍加修改。小麥淀粉100 g與不同濃度乙醇溶液（0%、10%、20%、30%、40%、50%）500 mL配制成淀粉分散液于燒杯中，并用保鮮膜密封之后，在80 ℃的水浴鍋中加熱30 min，并每隔60 s攪拌10 s。加熱結束后冷卻至室溫，之后用100 mL等濃度乙醇溶液進行懸浮。懸浮的淀粉溶液，用布氏漏斗進行抽濾，得到淀粉餅。淀粉餅用200 mL無水乙醇浸泡三次每次約10 min，每次浸泡完都進行抽濾操作（抽濾得到的乙醇回收留用），之后平鋪在稱量紙上風干過夜。風干過夜后的淀粉顆粒經粉碎機粉碎5 s后成粉并過60目篩得到冷水溶脹小麥淀粉，保存到拉鏈袋中備用。

1.2.2 X-射線衍射 采用X-射線衍射儀對淀粉樣品的結晶結構進行分析。參考蒲華寅等[19]的方法，將預先平衡水分的樣品鋪于樣品池中，采用Cu-Ka射線進行測定，測量參數：電壓40 V，電流40 mA，步長 0.02°。

1.2.3 傅里葉變換紅外光譜 淀粉樣品在干燥器中過夜，平衡水分。稱取3.0 mg樣品，與0.3 g干燥后的溴化鉀混合放入瑪瑙研缽體中充分研磨混勻，在傅里葉變換紅外光譜儀的壓片槽中壓片，進行測試[20]。測試條件：掃描波數范圍400～4000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描時間64 s，后得到樣品FT-IR譜圖。

1.2.4 持水能力的測定 參照Eerlingen等[21]的方法，并稍有修改。將1.0 g淀粉樣品分散在10 mL去離子水，在25 ℃下孵育30 min。每5 min渦旋一次。然后淀粉懸濁液在1300 r/min離心30 min，多余的水被去除。記錄淀粉沉積物中所含水分的重量。

1.2.5 持油能力的測定 參照王玫玫[22]的方法將1.0 g淀粉樣品在室溫下分散到盛有10 ml大豆油的離心管中在磁力攪拌器400 r/min條件下攪拌30 min至均勻，然后靜置10 min后，最后在4300 r/min下離心10 min。將離心管倒置在濾紙上至沒有油滴到濾紙上時，測量沉積物的重量。

油吸附率計算如下：

其中：w0是干淀粉的重量，g；w是離心后沉積物的重量，g。

1.2.6 糊化特性的測定 參照Kong等[23]的方法，并稍有改動。在快速粘度分析儀（RVA）專用的鋁盒內制作12%（干基質量）的淀粉懸浮液，并進行機械攪拌。淀粉懸浮液在50 ℃保持1 min，然后以12.2 ℃/min的速率加熱到95 ℃，并在95 ℃保持2.5 min。隨后冷卻至50 ℃（冷卻速率為11.8 ℃/min）并保持2 min。

1.2.7 凝膠強度的測定 參照趙神彳 等[24]的方法，并稍有改動。將1.2.6 RVA的淀粉糊倒入30 mm×50 mm的稱量瓶中冷卻至室溫后放入4 ℃冰箱儲存 24 h，在分析凝膠前，需在室溫下（22～24 ℃）解凍1 h。用質構分析儀分析凝膠強度，將其連接到5 kg測力傳感器上。用P/0.5平表面圓柱形探針,以測前速度1 mm/s，測中速度2 mm/s，測后速度5 mm/s的速度在凝膠中軸向滲透至10 mm的深度。凝膠破裂所需的力的壓力表示為凝膠強度。

1.2.8 掃描電鏡 對照組和處理組小麥淀粉樣品的微觀結構通過掃描電鏡分析。參照Li等[25]的方法，將淀粉樣品均勻地鋪在覆蓋著雙面膠帶的鋁根上，然后用E-1010（Giko）型離子濺射鍍膜儀進行離子濺射噴金，在1000和3000倍，加速電壓5.0 kV下觀察。

1.3 數據處理

每個試驗重復3次，結果表示為平均數±標準差。數據統計分析采用Statistix 8.1（美國Analytical Software公司）軟件包中Linear Models 程序進行，差異顯著（P＜0.05）分析使用Tukey HSD程序。采用Origin 2019軟件包作圖。

2 結果與分析

2.1 X-射線衍射

X-射線衍射是研究和測定淀粉多晶體系結晶性質和結晶度的一種有效手段。在衍射曲線中，結晶結構對應著尖峰衍射特征，而非晶結構對應著彌散衍射特征[26]。淀粉的晶體結構可分為A型、B型或C型晶體結構，當直鏈淀粉與合適的配體（如碘、脂肪酸和醇）形成絡合物時，觀察到V型晶體晶型[27]。從圖1中可以得出，天然小麥淀粉是典型的A型淀粉結構，強峰出現在15.1°和23.0°處，肩峰出現在17.1°處[28]。0%、10%、20%其衍射曲線呈彌散峰特征；30%其衍射角在 7.6°、13.2°和 20.2°處呈尖峰衍射特征的V型晶體晶型，且隨著乙醇濃度的增加，其衍射強度增強[29]，說明乙醇與淀粉發生相互作用；當乙醇濃度增加至50%其在17.3°出現肩峰。淀粉在高水分含量下，膨脹不受限制，導致顆粒結構的破裂，結晶結構完全被破壞；X-射線衍射呈彌散峰特征。而在高乙醇含量下（50%），膨脹受到很大限制，糊化不完全；X-射線衍射呈現出部分天然淀粉結晶結構的尖峰特征，這與Zhang等[30]的結論一致。

圖1 不同乙醇濃度處理小麥淀粉的X-射線衍射圖譜Fig.1 XRD of wheat starch treated with different ethanol concentrations

2.2 傅里葉變換紅外光譜

如圖2所示，從紅外光譜圖中得出，處理組與天然淀粉的紅外光譜波形相似，出峰的位置基本相同，且沒有出現新的特征峰，這與張禪等[31]所得到的結論一致，證實乙醇-熱處理是物理改性。條帶變窄表示結晶度降低條帶變寬表示結晶度的升高[32]，0、10%、20%處理組條帶變窄，結晶度降低；30%、40%、50%處理組條帶變寬，結晶度升高，這與X-射線衍射結論一致。在3400 cm-1處，由于O-H的存在而出現了一個極寬的寬帶，這歸因于自由的、分子間的和分子內的羥基結合的復雜振動拉伸[33]，相比于天然淀粉30%、40%、50%處理組在3400 cm-1具有較高的吸光度，表明酒精分子與淀粉相互作用增加了O-H的數量；且30%、40%、50%處理組在2928 cm-1的吸收峰增強，代表甲基環上的氫原子與C-H相互作用增強，說明乙醇與淀粉發生了相互作用證實了V-型結構的存在[34]。1640 cm-1附近的特征峰是淀粉中存在結合水的特征[33]，926、860和760 cm-1附近的特征峰是C-H鍵，是葡萄糖的α-1，4糖苷鍵環拉伸振動所造成的[35]；在此四處特征峰下0、10%、20%吸收峰均減弱，30%、40%、50%吸收峰均增強，表明高水分含量下熱處理破壞了淀粉顆粒的內部結構，導致結合水降低；高乙醇含量下熱處理保持了淀粉顆粒的內部結構。

圖2 不同乙醇濃度處理小麥淀粉的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.2 Fourier transform infrared spectroscopy of wheat starch treated with different ethanol concentrations

2.3 持水性和持油性分析

持水性與持油性是評價冷水溶脹淀粉的重要指標，分別表示冷水溶脹淀粉分散到冷水、油相中其吸水與吸附油的能力。如圖3所示，經不同乙醇濃度處理的淀粉持水性、持油性顯著增加（P＜0.05）。在乙醇濃度為0～30%時，持水性隨著乙醇濃度的升高而升高，并且30%與40%差異不顯著（P＞0.05）；在乙醇濃度為0～40%時，持油性隨著乙醇濃度的升高而升高，但當乙醇濃度達到50%時，持水性、持油性均顯著下降（P＜0.05）。在0～40%乙醇濃度處理下，淀粉顆粒表面出現裂縫，且隨著乙醇濃度的增加，表面的裂縫增多，天然小麥淀粉的結晶結構被破壞。水、油更容易通過表面的裂縫擴散到結構較松散的非晶區[36]，被束縛；進而提高了淀粉的持水能力和持油性。然而，當乙醇濃度增加到50%時，淀粉與水形成的氫鍵降低了水分活度，抑制水分子進入淀粉顆粒內部[12]，保證了淀粉顆粒的完整性，導致持水性、持油性顯著下降（P＜0.05）。

圖3 不同乙醇濃度處理小麥淀粉的持水性與持油性Fig.3 Water and oil holding capacity of wheat starch treated with different ethanol concentrations

2.4 糊化特性

如表1，0～40%處理組糊化溫度顯著降低（P＜0.05）；50% 處理組糊化溫度顯著升高（P＜0.05）。0～10%處理組峰值黏度顯著增加（P＜0.05），當乙醇濃度為20%時峰值黏度達到最高值；30%～50%處理組峰值黏度顯著降低（P＜0.05）。在高水分活度下，乙醇-熱處理破壞了淀粉的晶體結構，使淀粉結構更疏松，淀粉更容易糊化，導致糊化溫度降低、峰值黏度升高[37]；有研究結果表明，預熱處理淀粉制成的糊狀物比天然淀粉糊具有更高的黏度，與本研究結果一致[38]。30%～50%處理組可能由于V-型晶型結構的生成導致峰值黏度降低。50%處理組具有淀粉顆粒的完整性，且形成V型晶體結構，導致糊化溫度升高。糊化溫度越高代表淀粉顆粒的晶體結構越完整，淀粉顆粒越不易被破壞。峰值黏度和谷值黏度的差值代表衰減值，終值和谷值黏度的差值代表回生值；衰減值與峰值黏度呈正相關，回生值與終值呈正相關。如圖4，由于30%、40%處理組樣品分散性不好，很容易結塊，所以淀粉糊化曲線的起始黏度不穩定[39]。

圖4 不同乙醇濃度處理小麥淀粉的糊化曲線圖Fig.4 Pasting curves of wheat starch treated with different ethanol concentrations

表1 不同乙醇濃度處理的小麥淀粉的糊化特性Table 1 Pasting characteristics of wheat starch treated with different ethanol concentrations

2.5 凝膠強度

如圖5所示，不同乙醇濃度（0～30%）處理小麥淀粉的凝膠強度存在顯著差異（P＜0.05）。0～30%處理組樣品凝膠強度隨著乙醇濃度的升高而升高，但30%～50% 處理組差異不顯著（P＞0.05）；0～40% 處理組凝膠強度與持水性趨勢一致；原因在于淀粉凝膠的形成主要依賴于淀粉顆粒內部網絡結構的持水能力[40]，在含水量較高的狀態下制備的冷水溶脹淀粉由于破壞了淀粉顆粒的完整性，進而形成的弱凝膠的強度與持水性呈正相關。由于50%處理組在高乙醇環境下水分與乙醇形成氫鍵，降低了水分活度，抑制了小麥淀粉糊化，保證了淀粉顆粒的完整性；經二次加熱完全糊化后淀粉凝膠強度增加，這與徐芬等[41]的結論一致。

圖5 不同乙醇濃度處理小麥淀粉的凝膠強度Fig.5 Gel strength of wheat starch treated with different ethanol concentrations

2.6 掃描電鏡

由圖6掃描電鏡圖片可知，原小麥淀粉顆粒完整、呈球形且表面光滑。當小麥淀粉經過乙醇-熱處理后，不同乙醇濃度下，其顆粒形貌與原淀粉有明顯區別。0～40%處理組發生了明顯的扭曲變形，表面出現褶皺、裂縫，且隨著乙醇濃度的升高，表面出現的褶皺、裂縫數增多；10%～40%乙醇濃度處理后，乙醇與水形成氫鍵與淀粉吸水膨脹，形成競爭機制，在淀粉顆粒表面形成滲透壓，使淀粉顆粒內部的水分又析出[42]，導致淀粉顆粒表面出現裂縫，乙醇濃度越高，形成的滲透壓越強，裂縫數越多。從顆粒大小來看，隨著乙醇濃度（0～40%）的增加，淀粉顆粒越來越??；樣品干燥時，水分和乙醇從內部排出，使得顆粒發生不同程度的收縮[43]，乙醇濃度越高，收縮越明顯，顆粒越小。50%處理組保持了淀粉顆粒的完整性，僅顆粒膨脹，表面出現褶皺；在高乙醇濃度下，乙醇與水形成氫鍵降低了水分活度，阻止了水分進入淀粉顆粒內部，抑制了淀粉糊化，進而保證了淀粉顆粒的完整性。

圖6 不同乙醇濃度處理小麥淀粉的掃描電鏡圖Fig.6 Scanning electron micrograph of wheat starch treated with different ethanol concentrations

3 結論

本實驗采用乙醇-熱處理制備冷水溶脹小麥淀粉，通過改變乙醇濃度研究乙醇對小麥淀粉的影響。結果表明，乙醇濃度對小麥淀粉的結構和功能特性影響很大，X-射線衍射的衍射圖譜證實，當乙醇濃度為0～40%時，高水分含量下熱處理破壞了天然小麥淀粉的結晶結構；而當乙醇濃度增加至50%時，存在有部分天然小麥淀粉的晶體結構；與傅里葉變換紅外光譜圖的結論一致。當乙醇濃度低于40%時，能明顯提高冷水溶脹淀粉的持水性、持油性；在乙醇濃度為40%時，冷水溶脹淀粉的持水性、持油性最好。然而，當乙醇濃度達到50%時，持水性、持油性顯著降低（P＜0.05）。掃描電鏡圖片顯示，0～40%處理組樣品表面的裂縫數隨著乙醇濃度的增加而增多；而50%表面僅有細小褶皺。此外，乙醇濃度達到30%時，冷水溶脹淀粉內部有V-型晶體結構生成；RVA糊化曲線表明，乙醇濃度達到30%時，峰值黏度明顯降低，關于冷水溶脹淀粉糊化特性的機制還不清楚，可能與V-型晶型結構相關。綜上所述，乙醇-熱處理小麥淀粉制備冷水溶脹淀粉的最適乙醇濃度為40%。