等离子体活化水韧化处理对小麦淀粉结构及性质的影响_闫溢哲.pdf

研究报告 年第 卷第 期（总第 期）：引用格式：闫溢哲，薛欣欢，彭百祥，等 等离子体活化水韧化处理对小麦淀粉结构及性质的影响 食品与发酵工业，（）：，（）：等离子体活化水韧化处理对小麦淀粉结构及性质的影响闫溢哲，薛欣欢，彭百祥，陈珍珍，牛斌（郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州，）（河南农业大学 食品科学技术学院，河南 郑州，）摘 要 该文研究了等离子体活化水（，）协同韧化处理（，）对小麦淀粉结构及性质的影响。射线衍射结果表明，与常规韧化处理相比，没有改变小麦淀粉的结晶类型，但导致相对结晶度增加。傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱结果表明，没有使淀粉分子产生新的官能团，但增强了小麦淀粉的短程有序性。差示扫描量热分析表明，使小麦淀粉的糊化焓值升高。黏度特性和动态流变特性分析表明，降低了小麦淀粉的峰值黏度，增强了淀粉糊的凝胶强度。该研究提出了一种 协同韧化的双重物理改性新方法，为 在淀粉改性中的应用提供了新思路。关键词 等离子体活化水；韧化；结构；性质；小麦淀粉第一作者：博士，副教授（牛斌讲师为通信作者，：）基金项目：国家自然科学基金（）；河南省高校科技创新人才支持计划（）收稿日期：，改回日期：淀粉作为众多食品的主要成分，是人类饮食中的主要能量来源。小麦淀粉（，）是食品加工过程中常用的一种原料，因其成本低廉，而被广泛应用于面条、饼干、面包、蛋糕等食品中。然而，由于天然小麦淀粉具有水合性能差、热稳定性低、抗剪切性低和易回生等缺陷，因此需要通过对其进行改性以满足某些食品的加工要求。目前，淀粉改性可以通过 种方法实现，即物理改性、化学改性和酶改性。其中，物理改性是相对安全且产生较少污染的方法，已受到大家广泛的关注。韧化（，）是一种常用的淀粉物理改性方法，通常在过量水分含量（）和相对较低的温度（高于玻璃化转变温度但低于糊化温度）下进行。条件相对温和，仅涉及水和热，因此受到广泛关注。韧化后淀粉的结构和功能特性发生了变化，使其更易于加工和使用。等离子体活化水（，）是蒸馏水经等离子放电处理得到的一种活性水，具有较好的流动性和均一性。等离子放电可以产生大量的活性氧和活性氮，使 呈酸性，氧化还原电位增加，导电性增强。独特的理化性质使其在食品和农业领域应用广泛。然而，目前 在淀粉改性领域研究较少，尚需进一步深入研究。本研究首次将 与 联合用于 改性，研究了改性后 的结构及性质的变化规律。避免了改性中化学物质或生物酶的使用，仅采用了等离子体、水和热，具有绿色、安全、无二次污染等优点。该研究既提出了一种淀粉韧化处理的新方式，也进一步扩展了 在淀粉改性中的应用，为 韧化的应用奠定了理论基础。材料与方法 材料与试剂小麦淀粉，郑州特正商贸公司；无水乙醇（分析纯），天津富宇精细化工有限公司。仪器与设备 空气常压等离子体射流装置，深圳市东信高科自动化设备有限公司；型扫描电子显微镜，日本电子株式会社；偏光显微镜，日本奥林巴斯公司；型 射线衍射仪、型傅里叶变换红外光谱仪，德国布鲁克公司；型激光共聚焦显微拉曼光谱仪，英国 公司；差示扫描量热仪，美国 公司；快速黏度分析仪，瑞典波通公司；旋转流动仪，美国 公司。实验方法 等离子体活化水的制备将 蒸馏水（，）置于圆柱食品与发酵工业 （）形瓶中，等离子体探头与水面的距离为 。电源高频 ，输入功率 ，经等离子体射流处理 得到。小麦淀粉 或 改性将小麦淀粉（，干基）在 的烘箱中干燥，使其水分含量降至约。分别用 或 将淀粉水分含量调节至；充分搅拌后放入反应釜中，在 烘箱中加热 后取出，洗涤，研磨，过筛。和 改性小麦淀粉样品分别用 和 表示。扫描电子显微镜（，）测试前用导电胶粘取适量淀粉样品，进行喷金处理。测试所用电压为，然后将载物台放入扫描电子显微镜下观察，并以 的放大倍数拍摄图片。偏光显微镜（，）将淀粉放入混合液（丙三醇）（水）中配成的乳液。测试时，加一滴于载玻片上，在偏光显微镜下观察并以 的放大倍数拍摄偏光十字图片。射线衍射（，）测试前，所有淀粉样品需在室温下用饱和 溶液平衡水分 周。用 型 射线衍射仪测定，测试条件：管压为，管流为，扫描速度为 ，扫描区域为 ，扫描步长为，扫描方式为连续。用 计算样品的相对结晶度（，）。傅里叶变换红外光谱（，）将溴化钾置于 烘箱烘干后，取一定量的样品和溴化钾（质量比为 ），混合并充分研磨均匀，压片。测试条件：扫描波数为 ，分辨率为 ，扫描时间为。使用 软件分析所得数据。拉曼光谱采用激光共聚焦显微拉曼光谱仪测定，激光光源为波长 的绿色二极管。测试条件：输出功率为 ，扫描次数为 次，曝光时间为 ，光谱扫描范围为 。使用 软件计算 处特征峰的半高峰宽（，），以表征淀粉的短程有序结构。差示扫描量热仪（，）称取（干基）样品于铝盘中，加入蒸馏水至样品总重，密封后于室温下平衡。测试时用空的铝盘作为参照，在 内以 的速度进行扫描。用 分析软件获得淀粉的热力学参数。快速黏度分析仪（，）称取 （干基）淀粉样品于铝罐中，加蒸馏水至总质量为 。使用 标准程序 进行测试：将天然和改性淀粉浆液在 下平衡 ，在 内加热至 ，然后在 下保持 ，在 内冷却至 ，然后在 下平衡 。在此过程中，桨叶的速度在前 保持在 ，随后保持在 。黏度曲线和各种糊化特性参数通过 系统软件获得。旋转流变仪通过旋转流动仪获得淀粉样品的动态流变学性质。将通过 中所得淀粉糊转移到流变仪板（直径 ，间隙 ）上，在 下平衡 后进行流变测试。在 应变下进行 的频率范围扫描，并记录得到的储能模量（）、损耗模量（）和损耗因子（：）。数据处理所有试验数据重复 次，使用 软件程序 检验法进行显著性分析（），所得结果用平均值 标准差表示。本研究均采用 软件作图。结果与分析 对小麦淀粉颗粒形貌的影响 分析天然和 改性小麦淀粉的 图像如图 所示。天然小麦淀粉大部分呈球形，大小不一，表面光滑。经过 改性后，和 大部分淀粉颗粒形状未发生明显变化，仅 中有少许小麦淀粉颗粒发生变形。；图 天然和 改性小麦淀粉的 图（）（）研究报告 年第 卷第 期（总第 期）分析天然和 改性小麦淀粉的 图像如图 所示。淀粉颗粒显示特征性的双折射模式（“马耳他十字”），双折射的强度与晶粒的整体尺寸、相对结晶度和微晶取向有关。由图 可知，天然小麦淀粉的极化交叉完整且明显，经过 处理后小麦淀粉的双折射强度有所增强，而 和 间未见明显差异。；图 天然和 改性小麦淀粉的偏光显微镜图（）（）对小麦淀粉结晶结构的影响天然和 改性小麦淀粉的 图谱如图 所 示。由 图 可 知，、和 在 、处均出现相同的特征衍射峰，同属于 型淀粉结构，这表明经过 处理后，小麦淀粉的结晶结构类型没有发生变化。由表 看出，改性小麦淀粉的 都高于天然小麦淀粉，这可能是因为韧化使最初弱或不完美的微晶逐渐消失，而剩余的微晶由于熔 化 和 再 结 晶 而 变 得 更 加 完 美。此外，的 高于，表明在韧化过程中，可以提高小麦淀粉的。这可能是 中的酸性成分先水解无定形区域，使得水解淀粉微晶获得更好的取向。这一结果与以前研究也是相一致的，即短时间的弱酸水解主要影响淀粉的无定形区域，导致残留淀粉的结晶度更高。图 天然和 改性小麦淀粉的 射线衍射图谱 表 天然和 改性小麦淀粉的、和 ，样品 注：数值为平均值 标准差，列中不同字母表示显著性差异（）（下同）对小麦淀粉分子结构及短程有序性的影响 分析天然和 改性小麦淀粉的 谱图如图 所示。、和 样品的红外光谱均显示出相同的特征峰，这表明韧化过程中没有形成新的官能团。处宽的吸收峰是羟基伸缩振动的特征峰，处的特征峰归因于 伸缩振动，特征峰归因于淀粉无定形区域中水分子的 的剪切振动，、处的特征峰分别对应于不对称的、和 骨架伸缩振动。和 处的红外特征峰分别与淀粉的有序结构和无序结构密切相关，两者吸光度比值（）可以反应淀粉分子的短程有序性。从表 得出，的 高于 和，这可能是由于韧化过程中存在的高水分含量和适中的热能可以导致更有效的双螺旋堆积。此外，的酸性成分和活性物质会影响淀粉的无定形区域，导致无定形区减少，并产生更多的短直链淀粉以形成 新 的 双 螺 旋 结 构，从 而 提 高 。比值结果与 的 结果一致。图 天然和 改性小麦淀粉的红外光谱图 光谱分析天然和 改性小麦淀粉的 光谱如图 食品与发酵工业 （）所示。、和 的光谱显示出相似的趋势，表明没有形成新的官能团。特征峰归因于 伸缩振动，谱带属于淀粉的指纹区，、和 分别为 弯曲振动、变形振动、伸缩振动、对称伸缩振动和 变形振动，处的强谱带为淀粉的吡喃环骨架振动区域。在 处吸收峰的 可用来表征淀粉的短程有序性，越低，淀粉的短程有序性越高。由表 可知，改性小麦淀粉的 均低于天然淀粉，其中 的 最低，这说明 增强了小麦淀粉的短程有序性，与 的 和 的 结果基本一致。图 天然和 改性小麦淀粉的拉曼光谱图 对小麦淀粉热力学性质的影响天然和 改性小麦淀粉的 曲线如图 所示。所有淀粉样品都呈现出一个相似的吸热峰，这是典型的淀粉糊化峰，具体热力学参数见表。由表 可知，改性后小麦淀粉的糊化温度、和 均明显升高，这可能是由于韧化增强了直链淀粉与直链淀粉或支链淀粉之间的相互作用，抑制了颗粒膨胀并延迟了糊化。而 与 间糊化温度未见显著差异。淀粉糊化焓 的变化通常反映了淀粉内部双螺旋含量的变化。改性后，小麦淀粉的糊化焓值 从 增加到 ，改性后 进一步增加至 。的增加是由于淀粉分子中双螺旋结构含量增加所导致的，这与、和 结果完全一致。对小麦淀粉糊化特性的影响天然和 改性小麦淀粉的黏度曲线如图 所示。淀粉颗粒在加热和剪切作用下的黏度变化归因于紧密变形的颗粒排列、膨胀颗粒之间的摩擦以及浸出的直链和支链淀粉的含量。改性后小麦淀粉的峰值黏度降低，这可能与直链淀粉与直链淀粉或支链淀粉之间的相互作用显著增加抑制颗粒膨胀有关，这从淀粉糊化温度的升高也可以看出。其中 的峰值黏度最低，这可能是因为淀粉链在很大程度上受到酸水解的影响，酸水解导致淀粉链断裂形成短链淀粉分子。图 天然和 改性小麦淀粉的 曲线 表 天然和 改性小麦的热力学性质 样品 （）图 天然和 改性小麦淀粉的黏度曲线 对小麦淀粉动态流变特性的影响天然和 改性小麦淀粉的动态流变特性如图 所示。储能模量 和损耗模量 分别代表淀粉糊的弹性和黏性，损耗因子 表示黏性和弹性组分对淀粉糊的黏弹性特性的相对贡献。由图 可知，、和 的 和 都随频率的增加而增加，这表明其具有典型的弱凝胶结构。所有淀粉糊的 均大于，表明淀粉凝胶在性质上更具弹性。与天然淀粉相比，改性淀粉显示出更高的、和更低的 值，表明经过 改性后淀粉的固体特性和凝胶强度增强。研究报告 年第 卷第 期（总第 期）这可能是因为在韧化过程中，通过淀粉颗粒表面上形成的孔和裂缝流出的直链淀粉单元的重新排列增加了淀粉凝胶的硬度。特别地，表现出最低的，表明其具有最高的凝胶强度，说明 能有效提升淀粉的凝胶强度，可作为潜在的胶凝剂。储能模量；损耗模量；损耗因子 图 天然和 改性小麦淀粉的动态流变曲线 结论综上所述，作为一种绿色安全的淀粉改性方法，可以显著影响小麦淀粉的结构和性质。与 相比，保持了小麦淀粉颗粒的完整性，增加了小麦淀粉的长程和短程有序性，提升了双螺旋结构的含量。与 和 相比，具有最低的峰值黏度和最高的凝胶强度，有望用作软糖、冰淇淋和肉类食品生产的胶凝剂。参考文献 冀晓龙，尹明松，赵阳，等 菊粉小麦淀粉复配体系理化特性及相互作用 食品与发酵工业，（）：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，：，：，：，：，：，：，（）：，（）：，食品与发酵工业 （），（）：，（）：，（）：，（）：杨雪凡，张维，顾欣哲，等 拉曼光谱在食品加工及品质控制中的应用 食品工业科技，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，（，）（，），（）（），；