光量子輻照對淀粉回生影響的初步研究

王維君，滿迎迎，王昌祿，周慶禮，，*

（1.天津科技大學科技處，天津300457；2.天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津300457）

光量子輻照對淀粉回生影響的初步研究

王維君1，滿迎迎2，王昌祿2，周慶禮1，2，*

（1.天津科技大學科技處，天津300457；2.天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津300457）

為探究光量子輻照在低溫條件下對淀粉回生的影響效果，以小麥淀粉為材料，經完全糊化后分別置于普通保鮮箱和光量子場保鮮箱中，研究光量子輻照在4℃下保藏20 d對糊化小麥淀粉回生作用的影響。采用TA.XT.Plus質構儀、體外消化性、差示掃描量熱儀（DSC）、X－射線衍射儀（XRD）等儀器分析評價光量子輻照對淀粉回生的抑制作用。結果表明：4℃條件下，隨著貯藏時間的延長，光量子輻照降低了淀粉凝膠的硬度，淀粉體系中快消化淀粉含量降低，慢消化淀粉含量增加，與對照組相比，淀粉結晶度降低了11.5%。由此可知，光量子輻照能在一定程度延緩淀粉回生，為光量子輻照保鮮淀粉制品提供依據。

光量子；小麥淀粉；回生（老化）；X-射線衍射

光子學是研究作為信息和能量載體的光子行為及其應用的科學，光子是電磁輻射的量子，能傳遞電磁且相互作用，光子具有能量，也具有動量，更具有質量。光量子技術作為一門應用科學多應用于醫(yī)學、農業(yè)和食品工業(yè)。在食品工業(yè)中主要用于谷物成分（質量）分析[1]，牛奶在線監(jiān)測[2]，果實內部是否有蛀蟲通道[3]等檢測領域，而光量子保鮮技術的研究和應用較少，本項目組前期研究表明光量子技術對冷藏過程的果實具有很好的保鮮效果[4]。進而通過電場加強、材料加壓處理等手段，針對烘培食品保藏，設計了模擬光子發(fā)生裝置，以減輕食品的質構與消化性劣化。

本試驗旨在以小麥淀粉為原料，經完全糊化處理，研究光量子輻照在4℃下對糊化小麥淀粉貯藏期間的影響，以結晶度為判斷淀粉回生的依據[5]，為光量子輻照保鮮淀粉制品以及面包的風味和口感改善提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 主要試驗材料

小麥淀粉購于上海綠苑淀粉有限公司；直鏈淀粉標準品和支鏈淀粉標準品購于美國Sigma-Aldrich公司；豬胰腺α-淀粉酶（10 U/mg）購于美國Sigma-Aldrich公司；糖化酶（100 U/mg）北京博奧拓達科技有限公司；氫氧化鈉、硼酸、濃硫酸、石油醚、3，5-二硝基水楊酸、甲基紅、亞甲基藍、苯酚、酒石酸鉀鈉、硫酸銅、氯化鈉、碘等均為分析純試劑均為市售國產試劑。

1.2 主要儀器設備

光量子裝置：天津科技大學自制；低溫培養(yǎng)箱：上海一恒有科技限公司；TA.XT.Plus質構儀：Stable Micro System，U.K；700-Service 超低溫 冰箱：Thermo U.S；XMTD-204數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋：天津歐諾儀器儀表有限公司；DSC-60A差示掃描量熱儀：SHIMADZU，JAPAN；8453紫外可見分光光度計：Agilent Technologies，U.S；XRD-3全自動多晶X射線衍射儀：北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 試驗處理

小麥淀粉凝膠制備：稱取一定量的樣品，按重量比1∶1.5的比例加入蒸餾水，在沸水浴中充分加熱糊化，平均分成若干份，放入4℃低溫培養(yǎng)箱內，分別在第0、1、3、5、7、10、15、20 天取樣，部分樣品測定水分含量、TPA測定，部分樣品冷凍干燥，粉碎過100目篩，備用。

1.4 測定方法

1.4.1 小麥淀粉基本成分的分析

水分含量測定：采用干燥恒重法（GB/T 22427.2-2008《淀粉水分測定》）；灰分含量測定：采用灼燒質量法（GB/T 22427.1-2008《淀粉灰分測定》）；蛋白質含量測定：采用凱氏定氮法（GB 5009.5-2010《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》；脂肪含量測定：GB/T 5009.6-2003《食品中脂肪的測定》。直鏈淀粉含量測定：參考大米支鏈淀粉含量測定（GB/T 15683-2008《大米 直鏈淀粉含量的測定》），精確稱取100 mg直鏈淀粉和支鏈淀粉標品，分別制備1 mg/mL的直鏈淀粉與支鏈淀粉標準溶液，按不同比例配成一系列混合溶液，加入碘試劑在620 nm測定其吸光度，以直鏈淀粉的含量為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制標準曲線。

1.4.2 小麥淀粉凝膠貯藏期間質構特性變化

TPA測定模式：參考AACC74-09測試方法：選用P/36直徑26 mm不銹鋼圓柱形探頭，測前速率1.00 mm/s；測試速率 1.00 mm/s；測后速率 1.00 mm/s；壓縮程度為30%；兩次壓縮之間停留時間為2 s；壓縮次數(shù)2次，并重復測定3次，測得質構特征曲線，用配套軟件收集和處理數(shù)據，得到表征質構狀況的評價參數(shù)：硬度、膠著性、粘聚性、彈性和恢復性。硬度是判定淀粉凝膠回生程度的重要參數(shù)。

1.4.3 小麥淀粉貯藏期間消化特性測定

淀粉的消化特性測定參照Englyst等[6]提出的體外模擬酶水解法：稱取0.100 g樣品，加入25 mL磷酸鹽緩沖液（pH6.9），再加入α-淀粉酶（約250 U）和葡萄糖淀粉酶（約100 U）溶液5mL，混合均勻，恒溫磁力攪拌水浴鍋中37℃分別作用20 min和120 min后，用3，5-二硝基水楊酸法[7]測定樣品中葡萄糖的含量。

淀粉凝膠的消化特性能通過快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）來表征，計算公式如下：

快消化淀粉 RDS=（G20-FG）×0.9；

慢消化淀粉 SDS=（G120-G20）×0.9；

抗性淀粉 RS=TS-（RDS+SDS）。

式中：G20為20 min內樣品酶水解產生的葡萄糖質量，mg；FG為酶水解前樣品中游離的葡萄糖質量，mg；G120為120 min內樣品酶水解產生的葡萄糖質量，mg；TS 為樣品中總淀粉量，mg。

1.4.4 貯藏過程中小麥淀粉的測定

分別取貯存不同時間適量的待測淀粉凝膠樣品（2 mg～3 mg）放于差示掃描量熱儀（DSC）中，壓蓋密封后進行差示掃描量熱儀測定。設定升溫程序如下：掃描溫度范圍從25℃～200℃，升溫速率為10℃/min，以空坩堝作對照，載氣為空氣。通過DSC配套的數(shù)據處理軟件分析可以得到以下數(shù)據：起始糊化溫度（T0），峰值糊化溫度（TP），糊化終止溫度（TC）以及熱焓△H等熱力學參數(shù)。

1.4.5 X-射線衍射測定貯藏過程中小麥淀粉結晶度

樣品前處理：配制一定量飽和氯化鈉溶液，將樣品放置在盛有飽和氯化鈉的干燥器內，平衡水分1周。

XRD 掃描范圍為 4°～40°（2θ），掃描速度為 2°/min。結果由MDI Jade 5.0軟件進行分析，采用曲線作圖法計算樣品結晶度。

2 結果與討論

2.1 小麥淀粉基本成分

小麥淀粉基本成分見表1。

表1 小麥淀粉基本成分表Table 1 Wheat starch basic ingredient list %

從表1中得出：小麥淀粉原料中脂肪和蛋白質的含量很低，對試驗結果影響較小。

2.2 貯藏過程中淀粉凝膠硬度變化

貯藏過程中淀粉凝膠硬度變化見圖1。

從圖1中可以看出，隨著貯藏時間的延長，小麥淀粉凝膠硬度逐漸增大，到第20天對照組小麥淀粉凝膠硬度從14.373 g增大到36.485 g，增加了22.112 g，光子組從14.373 g增大到31.881 g，增加了17.508 g，與對照組相比較光子組硬度下降了20.82%。說明光量子能夠延緩淀粉回生。隨著貯藏時間的延長，對照組與光子組淀粉凝膠硬度差異逐漸明顯，光子組硬度要明顯低于對照組。小麥淀粉凝膠硬度增大原因可能是在貯藏過程中淀粉凝膠中水分含量的減少造成的，推測出可能是光量子影響淀粉凝膠中水分子與淀粉體系組分的相互作用，減少水分散失，一定程度抑制淀粉回生。

圖1 小麥淀粉凝膠硬度變化圖Fig.1 Wheat starch gel hardness change figure

2.3 貯藏過程中淀粉凝膠體外消化性測定結果

貯藏過程中淀粉凝膠體外消化性測定結果見圖2～圖 4。

圖2 快消化淀粉含量變化圖Fig.2 Fast digestible starch content change figure

圖3 慢消化淀粉含量變化圖Fig.3 Slowly digestible starch content change figure

從圖2、3中可以看出，隨著貯藏時間的延長，淀粉體系中的快消化淀粉含量逐漸降低，慢消化淀粉的含量逐漸增加。到第20天，對照組小麥淀粉體系中快消化淀粉含量從80.59%降低到55.67%，光子組從80.59%降低到63.91%；對照組慢消化淀粉從8.04%增加到28.94%，光子組從8.04%增加到23.05%。與對照組相比，光子組小麥淀粉體系中快消化淀粉含量增大8.24%，慢消化淀粉含量減小5.89%。方差分析結果顯示，快消化淀粉含量在第1天后對照組和光子組差異顯著，慢消化淀粉含量在第3天后兩組開始出現(xiàn)顯著差異。上述結果表明淀粉體系中快消化淀粉和慢消化淀粉含量的變化程度光子組顯著低于對照組，光量子在一定程度上能延緩淀粉回生。

圖4 抗性淀粉含量變化圖Fig.4 Resistant starch content change figure

田耀旗[8]研究表明直鏈淀粉“回生”過程中，共價鍵能抑制淀粉分子鏈的有序化；范德華力能、氫鍵力能和靜電力能在淀粉鏈“冷卻”回生過程中顯著增強，這3組力促進淀粉鏈有序化過程。其他研究認為，淀粉中的直鏈淀粉組分的重結晶主要形成晶核，為支鏈淀粉回生提供晶種源。本試驗中推測可能是光量子產生的能量對淀粉凝膠中4個或其中幾個作用力產生不同的作用，其綜合作用的結果是降低直鏈淀粉的回生速率，使得支鏈淀粉的重結晶在直鏈淀粉回生受到抑制下速率降低，淀粉凝膠在長期貯藏的過程中回生速率顯著降低。

從圖4中可以看出，抗性淀粉的含量在0～3天內有少量增加，對照組與光子組在第1天～第3天含量差異顯著，3天后增加趨勢趨于平緩，對照組抗性淀粉含量與光子組含量差異不顯著?？剐缘矸酆康脑黾又饕侵辨湹矸鄯肿永p繞形成三維網絡結構，隨著網格結構的增加，淀粉體系中以雙螺旋形式形成的局部有序化程度增加，對淀粉酶的水解抗性也增大，淀粉不被水解的含量增多[9]。上述結果表明，光量子對直鏈淀粉的回生可能有影響。而在3天后，淀粉的回生主要是支鏈淀粉重結晶引起淀粉體系中慢消化淀粉含量增加。

2.4 貯藏過程中小麥淀粉熱焓值的測定

貯藏過程中小麥淀粉熱焓值的測定見圖5。

從圖5中可以看出，隨著貯藏時間的延長，對照組和光子組小麥淀粉樣品的重新熔融的熱焓值逐漸增加。到第20天，對照組熱焓值從200.12 J/g增加到243.2 J/g，光子組熱焓值從200.12 J/g增加到233.23 J/g，與對照組相比，光子組的熱焓值減小9.97 J/g。方差分析結果顯示，在第3、5、7、15、20 d光子組的熱焓值和對照組都出現(xiàn)顯著差異。上述結果表明：光子組淀粉重新熔融需要的熱量明顯低于對照組，光子組小麥淀粉凝膠回生程度低于對照組，光量子在一定程度上能夠延緩小麥淀粉凝膠的回生。

圖5 小麥淀粉熱焓值變化圖Fig.5 Wheat starch heat enthalpy variation

淀粉的回生主要是由于在低溫條件下淀粉分子自由運動程度降低，又重新排列成形成結晶區(qū)的緣故，淀粉分子之間通過氫鍵又逐步恢復而形成致密、有序化的結晶束。光量子抑制淀粉回生可能與光量子產生的能量有關系，光量子產生的能量對淀粉分子間的氫鍵產生影響，使相鄰淀粉分子間氫鍵不易結合，使淀粉分子的有序性重排降低，以此干擾了淀粉分子微晶束氫鍵的形成，進一步延緩淀粉的回生。

2.5 X-射線衍射測定小麥淀粉結晶度

X-射線衍射測定小麥淀粉結晶度見圖6。

圖6 小麥淀粉結晶度變化圖Fig.6 Wheat starch crystallinity change chart diagram

從圖6中可以看出，淀粉結晶度隨著貯藏時間的延長結晶度呈上升趨勢，對照組淀粉結晶度從9.27%增加到19.47%，光子組淀粉結晶度從9.27%增加到17.23%，到第20天，與對照組相比，光子組結晶度減小2.24%。方差分析顯示，在第3天后光子組結晶度和對照組出現(xiàn)顯著差異。上述結果表明：光子組小麥淀粉中有序結晶區(qū)域明顯低于對照組，光量子一定程度上延緩淀粉的回生。

小麥淀粉回生后晶體類型發(fā)生改變，從A-型晶體轉變?yōu)锽-型晶體。在儲藏過程中隨著淀粉凝膠回生程度的增加，晶體峰的強度逐漸增加，支鏈淀粉的重結晶含量有一定程度的增加。光量子的存在對支鏈淀粉的重結晶產生影響，降低其速率，從而達到延緩淀粉回生目的。Yibin Zhou[10]等研究多糖的加入可以降低糊化后放置過程中小麥淀粉的結晶度，得出多糖能抑制小麥淀粉回生的結論，比較得出光子組淀粉凝膠中支鏈淀粉重結晶程度比對照組小，與其研究結果一致，可推測光量子能抑制淀粉回生，但光量子抑制淀粉回生的機理與多糖不一致。

3 結論

本研究創(chuàng)新點在于光量子在4℃保鮮小麥淀粉凝膠，測定其質構特性、熱特性、消化性、結晶度變化，試驗結果表明：4℃條件下，隨著貯藏時間的延長，光量子輻照降低了小麥淀粉凝膠的硬度，淀粉體系中快消化淀粉含量降低，慢消化淀粉含量增加，與對照組相比，淀粉結晶度也發(fā)生變化降低了11.5%。由此可知：光量子輻照能在一定程度延緩糊化淀粉回生，也表明光量子輻照在貯藏面制品及高淀粉含量面制品存在極大的應用前景。

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Preliminary Research on Effects of Light Quantum Radiation on Starch Retrogradation

WANG Wei-jun1，MAN Ying-ying2，WANG Chang-lu2，ZHOU Qing-li1，2，*
（1.Science and Technology Department，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China；2.Food Engineering and Biotechnology Institute，Tianjin University of Science and Technology ，Tianjin 300457，China）

To study effects of light quantum irradiation on starch retrogradation at low temperature，wheat starch which has been gelatinizized were stored in preservation box installed light quantum irradiation and non-light quantum irradiation at 4℃ for 20 d，respectively.Indexes of starch retrogradation were measured by TA.XT.Plus Texture Analyzer，Differential Scanning Calorimetry （DSC），In Vitro Digestibility，and X-ray Diffraction（XRD）.The results showed that the hardness of starch gel reduced together with the extension of storage time at4℃ compared with control，and the content of rapidly digestible starch in the starch system decreased and the slowly digestible starch increased.Meanwhile the crystallinity of the starch also decreased 11.5%than control group.Therefore the light quantum irradiation can delay starch retrogradation to some extent，which provides benefit to delay starch retrogradation with light quantum radiation preservation.

photon；wheat starch；retrogradation（aging）；X-ray diffraction

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.14.002

國家自然科學基金項目（31271950）

王維君（1983—），男（漢），工程師，碩士，研究方向：食品工程。

*通信作者：周慶禮（1963—），男（漢），研究員，博士，研究方向：食品科學。

2016-02-02