磷酸化協(xié)同超聲波處理對(duì)玉米淀粉改性的研究

張立娟，李昕，楊深怡*，鄭琳琳，佟永薇

（1.天津市食品研究所有限公司，天津 301609；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

淀粉是一種天然植物多糖，由葡萄糖分子經(jīng)過聚合作用而形成，淀粉除直接食用外還廣泛應(yīng)用于造紙、食品和醫(yī)藥工業(yè)中[1]。為了滿足工業(yè)應(yīng)用的要求和開辟淀粉的新用途，需要對(duì)天然淀粉進(jìn)行改性，使其成為性能更好、應(yīng)用范圍更廣的改性淀粉[2]。為改變淀粉的透明性、凝膠力、熱黏度、成膜性、穩(wěn)定性以及糊化溫度等固有特性，可以在天然淀粉的基礎(chǔ)上，利用酶法、物理或化學(xué)處理改變淀粉顆粒性質(zhì)和淀粉分子大小或在分子結(jié)構(gòu)上引入所需要的官能團(tuán)[3]。

交聯(lián)淀粉屬于改性淀粉中的一種，通過交聯(lián)使淀粉分子間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，常用的交聯(lián)劑有三聚磷酸鈉、三氯氧磷、三偏磷酸鈉、甲酸等[4]。交聯(lián)淀粉分子具有高凝膠強(qiáng)度、耐水、耐酸、黏度大、溶解性低、流動(dòng)性低、膜強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)[5]。在食品工業(yè)中，交聯(lián)淀粉可作為結(jié)構(gòu)改良劑、增稠劑、穩(wěn)定劑等，應(yīng)用于冷凍食品、乳制品、肉制品等食品中[6-7]。

超聲波是一種特殊的能量形式，超聲處理能造成局部高溫、高壓及起到空化作用，可以提高化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生速度[8]。對(duì)淀粉溶液進(jìn)行超聲波處理，產(chǎn)生的空穴效應(yīng)和機(jī)械振蕩效應(yīng)使淀粉分子鏈發(fā)生斷裂，并對(duì)連接淀粉分子之間的氫鍵進(jìn)行破壞，改變分子結(jié)構(gòu)，最后促進(jìn)淀粉分子與化學(xué)試劑的反應(yīng)，提高反應(yīng)效率和速率。具有耗能低、環(huán)境污染少以及操作簡(jiǎn)單方便等特性的超聲波處理技術(shù)，是一種淀粉改性的新型處理方法[9]。

本研究選用玉米淀粉為試驗(yàn)原料，以三聚磷酸鈉為交聯(lián)劑，采用超聲波處理，對(duì)淀粉進(jìn)行交聯(lián)，研究三聚磷酸鈉濃度、超聲功率、超聲時(shí)間、溫度對(duì)玉米淀粉的交聯(lián)度、透明度、凝膠強(qiáng)度和糊化特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

三聚磷酸鈉、氫氧化鈉（分析純）：天津市天力化學(xué)試劑有限公司；玉米淀粉：吉林省杞參食品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

超聲波萃取儀（XH-2008D）：北京祥鵠科技發(fā)展有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱（101型）：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；快速黏度分析儀（RVA-Ezi）：Newport公司；紫外可見分光光度計(jì)（TU-1950）：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；電子分析天平（ME204）：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；色差儀（ZE-6000）：日本電色儀器株式會(huì)社；酸度計(jì)（PB25）：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；質(zhì)構(gòu)分析儀（TA-XT plus）：英國(guó)SMS公司；臺(tái)式高速離心機(jī)（TG16-WS）：湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司。

1.3 玉米淀粉改性處理

參考吳興剛等[10]的方法并作改動(dòng)，稱取玉米淀粉50.0 g，加入75 mL蒸餾水配制成40%的淀粉乳，使用10%的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系pH值為10.0，分別加入不同量的三聚磷酸鈉（干淀粉質(zhì)量的1%、2%、3%、4%、5%），在不同溫度（20、30、40、50、60℃）和不同超聲時(shí)間（10、20、30、40、50、60 min）下進(jìn)行超聲波處理（超聲功率 900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400 W）。處理后的樣品經(jīng)3次水洗、抽濾后，在60℃恒溫干燥箱中烘干過夜，并將干燥的淀粉磨碎過60目篩后密封，置于干燥器中備用。

1.4 方法

1.4.1 交聯(lián)度測(cè)定

參考潘遠(yuǎn)鳳[11]的檢測(cè)方法并略作改動(dòng)。稱取0.3 g淀粉于試管，加入15mL去離子水配制成2%的淀粉乳，85℃水浴加熱2 min。取10 mL淀粉乳以6 000 r/min離心3 min，測(cè)定上清液體積，對(duì)同一樣品重復(fù)3次完整測(cè)定過程，取平均值。按式（1）計(jì)算沉降積，以此表征玉米淀粉的交聯(lián)度。

式中：V為上清液的體積，mL。

1.4.2 透明度測(cè)定

參考Vatanasuchart等[12]的檢測(cè)方法并略作改動(dòng)。制備質(zhì)量濃度為0.2%的玉米淀粉乳，于85℃加熱糊化并保溫20 min，冷卻至室溫（25℃）后用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定650 nm下的透明度，每個(gè)樣品測(cè)定3次，并取平均值，蒸餾水為空白。

1.4.3 淀粉凝膠強(qiáng)度測(cè)定

參照廖盧艷等[13]的方法略作修改。制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%的淀粉溶液，攪拌加熱至淀粉糊化，室溫（25℃）冷卻過夜后進(jìn)行測(cè)試。質(zhì)構(gòu)儀設(shè)定參數(shù)：測(cè)試速率0.50 mm/s，壓縮行程10.000 mm，測(cè)定凝膠強(qiáng)度。

1.4.4 淀粉糊化特性測(cè)定

參照GB/T 24853—2010《小麥、黑麥及其粉類和淀粉糊化特性測(cè)定快速粘度儀法》進(jìn)行測(cè)定[14]。稱取玉米淀粉3.5 g置于配套鋁盒內(nèi)，加入25 mL蒸餾水，最終得到糊化溫度、保持強(qiáng)度、最終黏度、峰值黏度、衰減度及回生值等。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷酸化協(xié)同超聲波處理對(duì)玉米淀粉交聯(lián)度的影響

淀粉在發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)時(shí)分子之間會(huì)形成更多的氫鍵，增大淀粉分子并穩(wěn)定分子結(jié)構(gòu)從而抑制淀粉溶脹，最終導(dǎo)致其沉降積減小，即淀粉的沉降積與交聯(lián)度呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)，測(cè)定沉降積可以反映淀粉的交聯(lián)度[15]。磷酸化協(xié)同超聲處理對(duì)玉米淀粉交聯(lián)度的影響見圖1。

圖1 磷酸化協(xié)同超聲處理對(duì)玉米淀粉交聯(lián)度的影響Fig.1 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on the crosslinking degree of corn starch

由圖1a可知，隨著三聚磷酸鈉濃度的增加，玉米淀粉的沉降積呈現(xiàn)先降低后迅速增加的趨勢(shì)，在三聚磷酸鈉濃度為2%時(shí)淀粉的沉降積最低，其交聯(lián)程度最大。這是由于交聯(lián)劑使得淀粉分子之間形成更多的磷酸酯鍵，提高平均分子量，加強(qiáng)了淀粉分子顆粒結(jié)構(gòu)之間的相互作用抑制淀粉溶脹，最終導(dǎo)致沉降積下降[16]。隨著三聚磷酸鈉濃度的進(jìn)一步增大，沉降積不斷增加，可能是因?yàn)闆]有反應(yīng)的三聚磷酸鈉含量越來越多，分散在水溶液中，促使淀粉的溶脹[16]。由圖1b可知，隨著超聲功率的增加，玉米淀粉的沉降積整體上呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢(shì)，在超聲波功率為1 300 W時(shí)沉降積最低，其交聯(lián)程度最大。超聲功率900 W～1 200 W時(shí)，隨著超聲功率的提高淀粉的沉降積呈升高的趨勢(shì)，超聲波破壞了在交聯(lián)反應(yīng)中形成的淀粉磷酸酯鍵，淀粉顆粒之間的相互作用力被削弱，最終沉降積相對(duì)上升，即交聯(lián)度下降[17]。隨著超聲波功率的進(jìn)一步加強(qiáng)，使得淀粉顆粒分子發(fā)生機(jī)械振蕩，造成淀粉分子鏈斷裂改變結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高交聯(lián)劑與淀粉分子的反應(yīng)速率，增加交聯(lián)度，最終沉降積下降[18-19]。由圖1c可知，隨著超聲時(shí)間延長(zhǎng)，沉降積逐步降低。長(zhǎng)時(shí)間的超聲波處理促使更多的淀粉與三聚磷酸鈉發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)反應(yīng)越充分，最后淀粉顆粒之間的相互作用增強(qiáng)，沉降積持續(xù)下降，所以交聯(lián)度逐漸增大。由圖1d可知，隨著溫度的升高，沉降積整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，在溫度為60℃時(shí)沉降積為最低。隨著溫度逐漸升高，加快了玉米淀粉與三聚磷酸鈉交聯(lián)反應(yīng)速率，快速形成較多的磷酸酯鍵，穩(wěn)定了淀粉的分子結(jié)構(gòu)，抑制淀粉溶脹，使得淀粉沉降積減小，交聯(lián)度逐漸增大。

2.2 磷酸化協(xié)同超聲波處理對(duì)玉米淀粉透明度的影響

淀粉糊透明度反映了淀粉與水結(jié)合能力，與分子鏈長(zhǎng)短及淀粉的分子結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系[20]。玉米淀粉在磷酸化協(xié)同超聲波處理后，改性淀粉糊的透明度都比原玉米淀粉糊大。超聲波破壞了淀粉分子的結(jié)構(gòu)，淀粉分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)緊密性降低，更方便游離水滲入其中，從而提高淀粉顆粒在水中的溶解度，降低了光線的反射率和折射率，且由于在淀粉分子中引入磷酸酯鍵，淀粉的親水性增強(qiáng)，最后導(dǎo)致淀粉糊的透光度升高[21]。磷酸化協(xié)同超聲波處理對(duì)玉米淀粉透明度的影響見圖2。

圖2 磷酸化協(xié)同超聲波處理對(duì)玉米淀粉透明度的影響Fig.2 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on the transparency of corn starch

由圖2a可知，透明度隨著三聚磷酸鈉濃度的增加出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在三聚磷酸鈉濃度為4%時(shí)淀粉的透明度最高。三聚磷酸鈉的增溶作用使淀粉磷酸酯更好地溶解在水中，故透明度上升[22]。由圖2b可知，隨著超聲功率的升高，透明度呈現(xiàn)先增加后平緩減小的趨勢(shì)，在超聲波功率為1 100 W時(shí)，透明度最高。由圖2c可知，隨著超聲時(shí)間的增加，透明度呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢(shì)，在超聲40 min時(shí)透明度最高。透明度增加的原因是超聲促進(jìn)磷酸酯鍵的生成，引入的官能團(tuán)帶同種電荷，促使淀粉分子之間相互排斥，增大了分子間距離，提高淀粉糊透明度[23]。淀粉糊透明度下降是由于淀粉交聯(lián)度變大抑制淀粉的膨脹，這些較大的顆粒導(dǎo)致體系的散射增強(qiáng)，表現(xiàn)為透明度降低。由圖2d可知，隨著溫度的升高，透明度呈先增加后減小再增加的趨勢(shì)，在溫度為20℃時(shí)淀粉的透明度最低。

2.3 磷酸化協(xié)同超聲波處理對(duì)玉米淀粉凝膠強(qiáng)度的影響

在糊化過程中，淀粉分子之間通過雙螺旋的形式彼此纏繞，糊化后的淀粉冷卻后形成的凝膠呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[24]。凝膠強(qiáng)度與淀粉分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的致密性與凝膠強(qiáng)度呈正相關(guān)，10個(gè)單元以上的長(zhǎng)鏈利于形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，有助于提高凝膠強(qiáng)度，而6個(gè)～9個(gè)單元的短鏈則會(huì)抑制雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成[25]。與原淀粉相比，改性后的淀粉凝膠強(qiáng)度都增大，可能是改性生成的磷酸酯淀粉親水性增強(qiáng)且?guī)N電荷，易于形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且提高三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，交聯(lián)產(chǎn)生的磷酸酯鍵越多，淀粉糊化后仍能保持良好的完整性，使得淀粉凝膠強(qiáng)度變大[26]。磷酸化協(xié)同超聲波處理對(duì)改性玉米淀粉凝強(qiáng)硬度的影響見圖3。

圖3 磷酸化協(xié)同超聲波處理對(duì)改性玉米淀粉凝膠強(qiáng)度的影響Fig.3 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on strength of modified corn starch gel

由圖3a可知，隨著三聚磷酸鈉濃度（1%～5%）的增加，凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，并且在三聚磷酸鈉濃度為3%時(shí)凝膠強(qiáng)度最小。隨著三聚磷酸鈉的濃度的增加，參與磷酸化反應(yīng)而生成的短鏈淀粉含量先減少后增加，使得凝膠強(qiáng)度發(fā)生變化[27]。由圖3b可知，隨著超聲功率的增加，凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，并且在功率為1 200 W時(shí)有最大值出現(xiàn)。過大的超聲功率會(huì)破壞更多直鏈淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度下降[28]。由圖3c可知，隨著超聲時(shí)間的增加，凝膠強(qiáng)度呈先增加再減小的趨勢(shì)，并且在20 min時(shí)有最大值出現(xiàn)。超聲波作用時(shí)間過長(zhǎng)，超聲波能破壞支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度下降。由圖3d可知，隨著溫度的增加，凝膠強(qiáng)度先增加后減小，30℃反應(yīng)獲得的磷酸酯淀粉凝膠強(qiáng)度最大。

2.4 磷酸化協(xié)同超聲波處理對(duì)玉米淀粉糊化特性的影響

糊化是淀粉的重要性質(zhì)，快速黏度分析儀可以測(cè)量淀粉的指標(biāo)包括峰值黏度、糊化溫度、衰減度和回升值，用以表征淀粉的糊化特性，進(jìn)而反映淀粉分子中直鏈淀粉含量的情況[29-30]。與原淀粉相比，經(jīng)過磷酸化協(xié)同超聲波處理后的磷酸酯淀粉的糊化溫度都相應(yīng)降低，而峰值黏度、衰減度和回升值升高。淀粉顆粒受到超聲波的機(jī)械振蕩作用，表面及內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，最后導(dǎo)致糊化溫度下降[31]。淀粉的峰值黏度取決于直鏈淀粉含量，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的淀粉中，引入新的官能團(tuán)，破壞氫鍵、氧鍵，降低直鏈淀粉的含量。改性使得淀粉交聯(lián)，使得淀粉的平均分子質(zhì)量增大，表現(xiàn)為淀粉糊峰值黏度增加[32]。衰減度高表明淀粉的熱穩(wěn)定性較差，回升值高表明淀粉易老化，抗老化能力變差[33]。磷酸化協(xié)同超聲波處理對(duì)玉米淀粉糊化特性的影響見圖4。

圖4 磷酸化協(xié)同超聲波處理對(duì)玉米淀粉糊化特性的影響Fig.4 The effects of phosphorylation combined with ultrasonic treatment on gelatinization properties of corn starch

由圖4a和圖4b可知，隨著三聚磷酸鈉濃度的增加，經(jīng)過磷酸化協(xié)同超聲波處理后的淀粉的糊化溫度逐步降低，生成的磷酸酯使得改性淀粉的結(jié)構(gòu)松散。峰值黏度隨三聚磷酸鈉濃度的增大而增加，表明生成的磷酸酯使得淀粉鏈之間的相互作用加強(qiáng)。隨著三聚磷酸鈉濃度的增加，經(jīng)過磷酸化協(xié)同超聲波處理后的改性淀粉的衰減度呈現(xiàn)先增大后波動(dòng)增大的趨勢(shì)，回生值呈現(xiàn)先快速增高后波動(dòng)下降的趨勢(shì)。與原淀粉相比，磷酸化協(xié)同超聲改性得到的含有較多磷酸酯基團(tuán)的改性淀粉熱穩(wěn)定性較差且更易老化。

由圖4c和圖4d可知，隨著超聲功率的增加，經(jīng)過磷酸化協(xié)同超聲波處理后的淀粉的糊化溫度逐步降低，峰值黏度隨超聲功率的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，在功率為1 100 W時(shí)峰值黏度達(dá)到最大值。經(jīng)過磷酸化協(xié)同超聲波處理后的改性淀粉的衰減度先增加后減小，在功率為1 100 W時(shí)出現(xiàn)最大值，回生值整體上呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)。較大功率的超聲處理使得淀粉的熱穩(wěn)定性變差且更易老化。

由圖4e和圖4f可知，隨著超聲時(shí)間的增加，經(jīng)過磷酸化協(xié)同超聲波處理后的磷酸酯淀粉的糊化溫度整體上呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢(shì)，處理30 min的改性磷酸酯淀粉的糊化溫度最低。峰值黏度隨超聲時(shí)間的增加而先增加后減小，在30 min時(shí)出現(xiàn)最大值。衰減度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在30 min時(shí)出現(xiàn)最大值?；厣嫡w上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在60 min時(shí)出現(xiàn)最大值。超聲時(shí)間過長(zhǎng)對(duì)淀粉的糊化特性有負(fù)面影響，應(yīng)選擇較短的超聲時(shí)間。

由圖4g和圖4h可知，隨著溫度的增加，經(jīng)過磷酸化協(xié)同超聲波處理后的改性淀粉的糊化溫度呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì)，在30℃處理獲得改性淀粉的糊化溫度最低。改性淀粉的峰值黏度隨溫度的增加呈現(xiàn)先增加再下降的趨勢(shì)，在30℃處理獲得改性淀粉的峰值黏度最高。衰減度隨溫度的增加呈現(xiàn)先增加再下降的趨勢(shì)，回生值隨溫度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。溫度過高對(duì)改性淀粉的糊化特性有負(fù)面影響，應(yīng)選擇較低的溫度進(jìn)行改性。

3 結(jié)論

磷酸化協(xié)同超聲波處理能夠有效改變玉米淀粉的物理特性，改性玉米淀粉的交聯(lián)度、透明度、凝膠強(qiáng)度及其糊化特性具有較大的改變。在進(jìn)行磷酸化協(xié)同超聲處理對(duì)玉米淀粉進(jìn)行改性過程中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的目標(biāo)特性選擇特定改性的條件。