超聲處理對橡子淀粉理化性質的影響

鮑春銘，王攀峰

（河南省計量測試科學研究院，河南 鄭州 450000）

橡子是殼斗科（Fagaceae）植物籽實的統稱，呈蠶繭狀，外有棕紅色硬殼，橡子仁的淀粉含量高達50%～70%[1]。我國橡子資源豐富，年產量600 萬～700 萬t。橡子食用歷史悠久，其應用主要集中在地方特色飲食上，如橡子醬、橡子豆腐、橡子粉條等[2-3]。由于其糊化后具有良好的凝膠特性，在工業上橡子淀粉有望替代糧食淀粉用于制作工業乙醇，充當造紙和印染用上漿劑[4]。目前橡子淀粉的理化性質較多。牛鵬飛等[5]發現橡子淀粉具有一般淀粉的基本特性，并含有鞣花酸和槲皮素等多酚類物質。程荷芳等[6]發現橡子淀粉為橢圓形，粒徑較玉米淀粉小，但糊化特性與玉米淀粉接近。目前國內外關于橡子淀粉的修飾研究較少。

淀粉的修飾方法包括物理法、化學法和酶法[7-8]。隨著食品綠色加工技術的發展，淀粉物理修飾的研究迅速發展。目前，淀粉的物理修飾方法包括超聲、微波、超微粉碎等[9]。超聲是淀粉修飾的一種新型物理方法，具有安全性高、無環境污染、高效率和低能耗的優點，其可調控淀粉的結構與性質，生產功能各異的變性淀粉[10]。聶卉等[11]研究了超聲作用下馬鈴薯淀粉糊的流體性質，發現增加超聲時間和強度可降低該淀粉糊的表觀黏度。Karwasra 等[12]發現超聲處理可提升小麥淀粉的吸油能力、直鏈淀粉含量和膨脹能力。張明月等[13]采用超聲輔助預處理法改善了小麥淀粉-單甘酯復合物的制備。

目前采用超聲法修飾橡子淀粉鮮有研究。鑒于此，本研究分析超聲處理對橡子淀粉理化性質的影響，以期為橡子淀粉的深度開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

橡子淀粉：信陽市越豐農產品有限公司；葡萄糖、苯酚、硫酸（均為分析純）：上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

JY99-IIDN 型超聲細胞破碎儀：寧波新芝生物科技股份有限公司；TA-XT Plus 型質構儀：英國Stable Micro System 公司；TU-1810 型紫外分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；ME104E/02 型電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；Quanta 200型掃描電子顯微鏡：美國FEI 公司；BT-9300H 型激光粒度分布儀：丹東市百特儀器有限公司；RVA4500 型快速黏度分析儀：波通瑞華科學儀器（北京）有限公司。Smartlab SE 型X 射線衍射儀：日本理學公司；BH200P 型偏光顯微鏡：上海舜宇恒平科學儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 橡子淀粉的超聲處理

將200 mL 20% 的橡子淀粉乳置于超聲細胞破碎儀中，反應容器外設冰浴，在600 W 下分別處理0、10、20 min。每次超聲作用2 s，間隔2 s，超聲完成后用蒸餾水洗滌淀粉，經抽濾后于40 ℃烘干備用。

1.3.2 淀粉水解率的測定

橡子淀粉超聲處理完畢后，立即抽濾，濾液適當稀釋后采用硫酸-苯酚法測其吸光度，通過與葡萄糖標準曲線Y=0.008 4x+0.058（R2=0.999 2）的對比，確定淀粉水解率[14]。

1.3.3 淀粉顆粒形態的觀察

取適量淀粉樣品均勻涂布于黏在載物臺的導電膠上，真空噴金后送入掃描電子顯微鏡樣品室，放大1 000 倍進行觀察。同時將適量的淀粉懸濁液滴于載玻片上，蓋上蓋玻片，置于載物臺上，采用偏光顯微鏡，放大200 倍觀察淀粉的偏光特性[15]。

1.3.4 淀粉顆粒粒徑的測定

采用激光粒度分布儀測定樣品的粒度分布[16]。

1.3.5 淀粉功能特性的測定

淀粉樣品的透明度、沉降體積、凍融穩定性、老化值、溶解度和膨脹度測定按照Lv 等[17]的研究進行。

1.3.5.1 透明度

透光率的大小反映了淀粉糊透明度的好壞，透光率越高，淀粉糊的透明度越好；反之則越差。將20 mL 1% 的淀粉懸濁液在沸水浴中加熱15 min。以水為對照，通過紫外分光光度計測定冷卻后淀粉糊在620 nm 下的透明度。

1.3.5.2 沉降體積

將1%的淀粉懸濁液在沸水浴中加熱15 min。取50 mL 淀粉糊于量筒中，沉降24 h 后，通過量筒讀取下層凝沉糊液的體積（mL）。

1.3.5.3 凍融穩定性

凍融穩定性是指淀粉在凍結和溶解交替過程中抵抗變化的性能，表現為析水率的大小。將6%的淀粉懸濁液在沸水浴中加熱15 min。取30 mL 淀粉糊于離心管中，-18 ℃保存，24 h 后取出，室溫解凍，4 000 r/min 離心15 min，析水率計算公式如下，析水率越低，凍融穩定性越好。

式中：W為析水率，%；M為糊重，g；m為沉淀物重，g。

1.3.5.4 老化值

淀粉老化是糊化的淀粉分子在冷卻過程中氫鍵重新形成所致，淀粉糊中水分析出時空間阻礙越小，越容易析出說明其易老化；將4% 的淀粉懸濁液在沸水浴中加熱20 min。取5 mL 淀粉糊于離心管中，4 ℃保存，24 h 后取出，4 000 r/min 離心15 min，計算析水率（同上），其可反映老化值。

1.3.5.5 溶解度和膨脹度

取5 mL 5% 的淀粉懸濁液在55、65、75、85、95 ℃水浴加熱30 min。冷卻后4 000 r/min 離心15 min。上清液在105 ℃下烘干至恒重，記錄被溶解的淀粉質量（W1，g）。離心管中沉淀質量，記為W2（g），W為淀粉質量（g）。樣品的溶解度（SO，%）和膨脹度（SC，%）按下列公式計算。

1.3.6 淀粉糊化性質測定

淀粉糊化性質的測定按照Wang 等[18]的方法進行測定。將3.0 g 淀粉樣品與25 mL 蒸餾水混合，置于快速黏度分析儀中。樣品在50 ℃保持l min，3.5 min 內升溫到95 ℃，并保持3 min，然后在3.5 min 內降至50 ℃，并保持2 min，記錄此過程中樣品的黏度變化。

1.3.7 淀粉凝膠強度的測定

淀粉凝膠強度的測定參照Zhang 等[19]的方法。取3.2 g 淀粉于50 mL 的燒杯中，加蒸餾水至總質量為40.0 g，將其放入95 ℃的水浴鍋中加熱攪拌30 min，直至淀粉完全糊化，取出后冷卻至室溫，在4 ℃的冰箱中靜置16 h，形成穩定的淀粉凝膠。采用配有P0.5 探頭的質構儀測定淀粉凝膠強度。測定參數為觸發力2 g；壓縮距離為10 mm，探頭的下降速度、測中速度和上升速度分別為1.5、1.0、1.0 mm/s。

1.4 數據處理

每組試驗重復3 次，結果用平均值±標準差表示。采用Origin 2018 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 淀粉水解率分析

超聲時間對橡子淀粉水解率的影響見圖1。

圖1 超聲時間對橡子淀粉水解率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic treatment time on hydrolysis rate of acorn starch

由圖1 可知，隨著超聲時間的延長，橡子淀粉的水解率逐漸增大，表明超聲處理會使淀粉發生分解，破壞程度與超聲時間密切相關。超聲波作用于液體介質時會產生熱效應、機械效應和空化效應，其會導致液體介質中生物大分子的降解。Isono 等[20]發現超聲波可降低水中玉米淀粉的分子量，使其趨于某一特定范圍。Czechowska-Biskup 等[21]也發現360 kHz 超聲波可導致淀粉分子鏈的斷裂，淀粉水解率提高，與本試驗結果一致。

2.2 淀粉顆粒形貌分析

超聲處理對橡子淀粉顆粒形貌的影響見圖2。

圖2 超聲時間對橡子淀粉的偏光十字顯微圖和掃描電鏡顯微圖的影響Fig.2 Effect of ultrasonic treatment time on polarizing cross microscope and scanning electron microscope images of acorn starch

由圖2 可知，偏振光經過淀粉顆粒時會產生明顯的偏光十字現象，這是由于淀粉的球狀微晶結構[22]。不同超聲時間的橡子淀粉均表現出了明顯的偏光十字，這說明超聲處理基本沒有對淀粉的球晶結構造成破壞，淀粉基本保持原有的分子排布和組織結構。超聲處理通常會改變淀粉顆粒形貌，如顆粒出現凹塌、裂縫等[23]。天然橡子淀粉顆粒呈現球形和橢圓形，表面及邊緣比較光滑，顆粒完整。經過超聲處理后淀粉顆粒形狀未發生明顯改變，但表面出現了少量較淺的損傷，這歸因于超聲波引起的高頻微射流和高剪切力作用于顆粒表面，并且隨著超聲時間的延長，淀粉顆粒表面的破損更加突出，且出現了明顯的顆粒聚集現象。

2.3 淀粉顆粒粒徑分析

淀粉的功能特性、糊化特性、凝膠特性、酶解特性等理化性質與其粒徑密切關聯，而谷物的淀粉粒徑不僅取決于其來源，還與其加工方式相關[24]。表1 是超聲時間對橡子淀粉粒徑的影響。

表1 超聲時間對橡子淀粉粒徑的影響Table 1 Effect of ultrasonic treatment time on particle size of acorn starch

由表1 可知，原橡子淀粉體積平均粒徑為（8.048±0.030）μm，且呈單峰分布。超聲處理后，淀粉顆粒的粒徑均略有增長，這是由于超聲導致淀粉顆粒內部結構疏松，水分易于通過孔隙和裂縫進入淀粉顆粒內部，淀粉顆粒更易吸水膨脹。此外顆粒表面的光滑結構被破壞，顆粒易于聚集，從而粒徑變大。這與電鏡分析時發現的超聲處理后淀粉顆粒出現團聚的結論相印證。

2.4 淀粉功能特性分析

淀粉的功能特性決定了以其為基質構建的產品的性狀、營養與感官品質[25]。超聲時間對橡子淀粉的功能特性的影響見表2。

表2 超聲時間對橡子淀粉功能特性的影響Table 2 Effect of ultrasound time on the functional properties of acorn starch

由表2 可知，經過超聲處理后，橡子淀粉透明度隨超聲時間的延長顯著降低。這可能是因為超聲處理導致淀粉顆粒表面被破壞后更加粗糙，顆粒更易膨脹吸水，從而溶解度增大，且長時間的處理會產生更多短鏈淀粉分子，其更容易聚集，導致淀粉凝沉，故表現出更低的透明度[26]。橡子淀粉經過超聲處理后其沉降體積有所增加且隨著超聲時間的延長先增加后降低。由于析水率越低，顯示其凍融穩定性越好，可以得出，淀粉凝膠凍融時，淀粉鏈之間的分子發生聚集出現脫水收縮的現象，導致水從凝膠結構中析出，析水率的大小反映了淀粉凝膠在凍融過程中的穩定性和低溫條件下淀粉老化速率的快慢程度。析水率越小，說明淀粉糊的凍融穩定性越好；反之，則越差。因此，可以利用析出的水量來作為評價淀粉凍融性的指標，橡子淀粉經過超聲處理后凍融穩定性有顯著提升，且隨著超聲時間的延長而逐步提高。橡子淀粉經過超聲處理之后的老化值有顯著降低，且隨著超聲時間的延長而逐漸減小。

淀粉的溶解與膨脹可直接反映淀粉無定形區和結晶區結構比例和分子間氫鍵的結合程度，其與淀粉顆粒結構、直鏈淀粉/支鏈淀粉比率、分子量、鏈之間的結合程度等密切相關[27]。超聲時間對橡子淀粉的溶解度和膨脹度見圖3 和圖4。

圖3 超聲時間對橡子淀粉溶解度的影響Fig.3 Effect of ultrasonic treatment time on solubility of acorn starch

圖4 超聲時間對橡子淀粉膨脹度的影響Fig.4 Effect of ultrasonic treatment time on swelling power of acorn starch

由圖3、圖4 可知，超聲處理后橡子淀粉在溫度大于75 ℃時的溶解度與膨脹度均有了顯著提高，表明超聲處理對淀粉有序結構的破壞，加強了淀粉分子與水分子間的互作，提高了淀粉的親水性。

2.5 淀粉糊化特性分析

淀粉糊化過程包括顆粒吸水膨脹、晶體結構分解、雙折射消失和淀粉溶解等，糊化過程對淀粉顆粒有序結構的破壞是不可逆的[28]。超聲處理對橡子淀粉糊化特性的影響見表3。

表3 不同超聲時間對橡子淀粉糊化性質的影響Table 3 Effect of different ultrasound times on the paste properties of acorn starch

從表3 可以看出，橡子淀粉的峰值黏度、最低黏度、終值黏度分別為3 424.00、2 392.00、3 883.00 cP，超聲處理20 min 后橡子淀粉的峰值黏度、最低黏度、終值黏度分別為3 174.00、2 249.00、3 677.00 cP，糊化溫度無顯著變化。超聲處理會導致淀粉部分大分子鏈斷裂，流動阻力減小，因此呈現出更低的黏度。羅志剛等[29]采用超聲波對高鏈玉米淀粉含量為30%的淀粉乳進行處理，發現隨超聲波功率增大，糊化溫度沒有變化，峰值黏度降低，與本試驗結果一致。

2.6 淀粉凝膠強度分析

淀粉的冷卻回生形成淀粉凝膠，完全糊化的直鏈淀粉分子、支鏈淀粉分子重新排序而形成凝膠。Guo等[30]研究發現，淀粉的來源及淀粉的加入量對淀粉凝膠的強度有重要影響。圖5 為超聲時間對橡子淀粉凝膠強度的影響。

由圖5 可知，淀粉凝膠強度隨超聲時間的延長先增加后降低。這可能是由于在超聲作用下產生的短鏈淀粉分子更易互作結合，從而增強了淀粉的凝膠強度。當超聲時間延長至20 min 時，由于淀粉分子鏈的過度降解，淀粉的凝膠強度開始下降。

3 結論

超聲處理對橡子淀粉的結構和理化性質有顯著影響。由于超聲引起的水解效應，淀粉顆粒的偏光十字現象雖然保留，但其表面出現了破損，顆粒傾向于聚集，顆粒粒徑增加。隨著超聲時間的延長，淀粉糊的透明度雖然下降，但其凍融穩定性、溫度大于75 ℃時的溶解度和膨脹度顯著增加，老化值降低。淀粉糊的峰值黏度、最低黏度、終值黏度均隨著超聲時間的延長而下降，但糊化溫度保持穩定，且適當的超聲處理可提高淀粉凝膠強度。