高静压处理对小米淀粉和小米全粉中淀粉颗粒结构和糊化特性的影响

刘振宇 张 晶 胡锦蓉 沈 群

（植物蛋白与谷物加工北京市重点实验室国家果蔬加工工程技术研究中心 中国农业大学食品科学与营养工程学院 北京100083）

小米（Foxtail millet）是谷子去壳后的颖果，具有很高的营养价值[1]。研究表明小米是糖尿病患者的理想食物之一[2]。小米富含淀粉和其它营养素如蛋白质、纤维素和脂质等[3]。高静压（High Hydrostatic Pressure，HHP） 技术属于物理变性手段，具有安全性高、经济性高和稳定性强等独特优势。其作用机理为淀粉分子与水分子在高压作用下的水合作用使淀粉的颗粒结构发生变化，并由此导致淀粉的性质发生改变，达到改性的目的[4]。小米淀粉易回生，导致用小米制作的方便食品在存放过程中口感变差[5-6]。小米全粉中含有的非淀粉成分如蛋白质、脂质等，经高静压处理后也会与小米淀粉络合，导致全粉颗粒结构和糊化特性发生改变。本研究尝试使用高静压对小米淀粉和小米全粉进行预处理，分析小米淀粉与小米全粉颗粒结构的变化差异和理化特性的变化规律，为开发不同类型的小米产品提供一种预处理方式。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小米，山西晋谷21 号；无水乙醇、溴化钾，国药集团化学试剂有限公司；丙三醇，西陇化工股份有限公司，均为分析纯级。

1.2 仪器与设备

XRD-6000 型X 射线衍射仪，日本岛津；Spectrum 400 型傅里叶红外光谱仪，美国帕金埃尔默公司；ACCULAB ALC-110.4 型电子天平，德国Sartorius 公司；3-D 型快速黏度分析仪，澳大利亚Newport 科学仪器公司；Q-20 型差式扫描量热仪，美国TA 公司。SY88-TH 型实验砻谷机，韩国双龙公司；HHP/15L 型高静压设备，包头科发高压科技有限责任公司；LGJ-100 型冷冻干燥机，北京松源华兴科技发展有限公司；双室真空封口机，北京日上科技有限公司；FDV 型高速粉碎机，北京环亚天元仪器公司。

1.3 试验方法

1.3.1 小米全粉及其淀粉的制备 小米全粉制备：晋谷21 号谷子在砻谷机中谷子完全脱落的最小间距下，旋转540°脱壳3 次，用万能粉碎机粉碎，过100 目筛，得到小米全粉，置于干燥皿中备用。（粗蛋白10.5%、粗淀粉62.7%、粗脂肪6.01%、粗纤维1.74%、水分10.24%、灰分1.05%）

小米淀粉的制备：称取一定量的小米全粉，用去离子水清洗3 遍，再用去离子水磨浆，过100 目筛，滤液于-4 ℃静置过夜，弃上清液，加入去离子水搅拌均匀，于-4 ℃放置3 h，弃上清液，反复浸泡小米全粉悬浮液，直至上清液澄清。弃暗色的表层和底层淀粉，收集白色淀粉并多次用蒸馏水清洗，在40 ℃条件下干燥24 h，研磨并过100 目筛，即得小米淀粉，置于干燥皿中备用。

1.3.2 小米淀粉及其全粉的高静压处理 准确称取30 g 小米淀粉及其全粉若干份，分别加入100 mL 去离子水中，配制成质量分数30%的悬浮液。将包装好的悬浮液在室温（25±2）℃下静置24 h，充分摇匀后放入高压设备的压力腔内，分别在300，450，600 MPa 高压下处理20 min，加压处理时高温腔的温度保持在25 ℃，高压设备以10 MPa/s 的速度升压。样品经高压处理后置于-40 ℃冰箱中速冻，冷冻干燥后用多功能粉碎机粉碎，过100 目筛，置于干燥皿中待测。

1.3.3 小米淀粉及全粉中淀粉颗粒形貌的测定将双面胶带贴于扫描电子显微镜的载物台上，用牙签粘取少量的样品，在双面胶上轻轻地涂抹均匀，用吸耳球吹去多余的淀粉样品，放入表面处理机中，用离子溅射镀膜仪喷碳镀金1 h，将载物台取出，放入扫描电镜中观察并拍照。电子枪15 kV，放大倍数3 000 倍。

1.3.4 小米淀粉及全粉中淀粉颗粒粒径的测定将0.4 g 淀粉溶于20 mL 无水乙醇中，超声震荡10 min 使颗粒分散均匀，以无水乙醇为分散剂，按照仪器提示加入样品数滴进行分散，转速为1 800 r/min，测定淀粉颗粒的粒度分布和颗粒分布的平均粒径。

1.3.5 小米淀粉及全粉中淀粉颗粒相对结晶强度的测定 样品晶体X-射线分析条件：特征射线CuKa，石墨单色器，管压40 kV，电流30 mA，测量角度2θ 范围4°～40°，发射及防反射狭缝1°，接收狭缝为0.3 mm，扫描速度1.5°/min，步宽0.05°。为了避免不同样品相对水分含量差异对相对结晶强度的影响，测量前应先将淀粉样品在室温下置于相对湿度100%的干燥皿中平衡48 h。

1.3.6 小米淀粉及全粉中淀粉黏度的测定 根据AACC76-21《小麦粉、黑麦粉及淀粉糊化特性测定法-快速黏度仪法》的方法[7]，采用快速黏度分析仪测定小米淀粉的黏度。

1.3.7 小米淀粉及全粉中淀粉热力学特性的测定采用差式扫描量热仪测定小米淀粉的热力学特性。称取2.0 mg 样品置于铝制坩埚内，加入7 μL去离子水，密封压盖后室温放置24 h 平衡。测定程序为：温度上升速率10 ℃/min。扫描温度从20℃到160 ℃，加温速率为10 ℃/min。所有分析均以空铝制坩埚为对照。利用Universal 配套软件（V3.8B，美国TA Inc.）分析处理数据，参数设置：起始糊化温度（Onset temperature，To）、最高温度（Peak temperature，Tp）、终止温度（Conclusion temperature，Tc）。

1.3.8 数据处理及分析 试验数据用Microsoft Excel 2007 数据处理系统及Origin 8.5 数据分析软件和SPSS 数据分析系统进行统计处理，并对数据作图，计算标准偏差或进行差异显著性分析，试验均重复进行3 次。

2 结果与讨论

2.1 高静压处理对小米淀粉及其全粉中淀粉偏光十字结构的影响

由图1可知，小米淀粉颗粒在300 MPa 及450 MPa 的压力处理下，偏光十字结构无明显变化，而当压力达到600 MPa 时，小米淀粉结晶结构完全崩解，偏光十字消失。对于小米全粉来说，经600 MPa 压力处理后颗粒虽已形成网状结构，但仍可观察到极少的偏光十字结构，说明小米全粉中的淀粉未完全形成凝胶状态，保留了部分颗粒的各向异性。由此推测小米全粉中淀粉外包裹的物质（蛋白质和脂肪等）对淀粉的高压变性有一定的保护作用。脂肪和蛋白质在淀粉水化过程中，能与淀粉竞争吸水，影响淀粉的吸水润胀，阻碍淀粉的水化进程[8]。

2.2 高静压处理对小米淀粉及其全粉中淀粉颗粒形貌的影响

由图2可知，300 MPa 处理20 min 后，小米淀粉颗粒形态变化不显著。经450 MPa 压力处理后，部分颗粒表面出现小的凹陷，而压力达到600 MPa 时，小米淀粉颗粒形态崩溃，部分淀粉颗粒失去轮廓，形成凝胶状结构。小米全粉中淀粉颗粒的表面有不规则形状碎片，推测是被蛋白质和脂肪等物质覆盖或包裹在淀粉颗粒表面，表现为表面凹陷不平。经600 MPa 压力处理后淀粉表面附着的蛋白质或脂肪开始与溶出的直链淀粉络合，这可能与淀粉颗粒与单硬脂酸甘油酯经压力处理相互络合的过程一致[9]。当压力达到600 MPa 时，表面非淀粉成分与淀粉颗粒间粘连结块，淀粉颗粒表面出现明显凹陷变形。

图1 小米淀粉与小米全粉中淀粉在不同压力条件处理后的偏光显微镜照片Fig.1 Polarized light micrographs of foxtail millet starch and starch of foxtail millet powder after different HHP levels

图2 小米淀粉与小米全粉中淀粉在不同压力条件处理后的扫描电子显微镜照片Fig.2 Scanning electron micrographs of foxtail millet starch and starch of foxtail millet powder after different HHP levels

2.3 高静压处理对小米淀粉及其全粉中淀粉颗粒粒径分布的影响

由表1可知，与未经压力处理的小米淀粉相比，经300 MPa 和450 MPa 压力处理后，小米淀粉颗粒粒径主要分布在0～20 μm 范围，平均粒径没有显著变化（P<0.05），并且颗粒膨胀度为负值，颗粒整体缩小，说明300 Pa 和450 MPa 的高静压对淀粉颗粒的压缩力大于淀粉膨胀能力，使得淀粉颗粒向自身体积减小的方向变化。经600 MPa 压力处理20 min 后，小米淀粉颗粒平均粒径显著增加，淀粉颗粒分布范围从0～20 μm 扩大到20 μm以外，膨胀率达68.37%。

小米全粉在较低压力（300 MPa 和450 MPa）处理下，小颗粒淀粉所占比例随压力增加显著减少，而20～30 μm 范围的淀粉颗粒显著增加，颗粒粒径范围扩大到30 μm 以外，可能是淀粉颗粒与非淀粉成分络合造成的。当压力达到600 MPa 时，0～4 μm 范围内的小颗粒淀粉所占比例增加，10～20 μm 范围的淀粉颗粒所占比例也显著增加，推测可能的原因是小米全粉的外壳结构在600 MPa下部分受损破碎，而全粉内部吸水溶胀，膨胀效果不如小米淀粉，也再次证明了脂肪和蛋白质的包裹可以削弱高压对淀粉的影响。

2.4 高静压处理对小米淀粉及其全粉中淀粉糊化特性的影响

表2为不同高静压处理对小米淀粉及其全粉中淀粉糊化特性的影响。可以看出，经300 MPa和450 MPa 压力处理后小米淀粉峰值黏度减小，而经600 MPa 压力处理后峰值黏度小幅度增大。在不同条件高静压处理后的小米淀粉的谷值黏度、最终黏度、崩溃值和回生值中也观察到相同的趋势。而小米全粉在较低压300 MPa 和450 MPa处理后，淀粉颗粒的峰值黏度增大，主要归因于高压对小米淀粉分子具有挤压作用，可使分子发生重排，同时淀粉与非淀粉成分在一定程度重新聚合，导致峰值黏度增大[10]。当压力超过600 MPa后，小米全粉中淀粉的峰值黏度显著下降，低于未经压力处理的小米全粉中的淀粉峰值黏度，可能与高压过程中蛋白质变性有关。

由表2可知，小米淀粉在450 MPa 处理后谷值黏度达到最低，为1 267.00 cP。未经过高静压处理时，小米全粉中淀粉的谷值黏度为85.66 cP，显著低于小米淀粉（1 501.00 cP）。这可能与小米全粉中含有蛋白质、纤维素等物质有关，对淀粉含量起到“稀释”作用，使得其谷值黏度较低。总体上高压处理使得小米全粉中淀粉的最终黏度明显低于小米淀粉，可能是因为全粉中的蛋白质和纤维素等非淀粉成分与淀粉竞争吸收水分，阻碍糊化进程。Pérez 等[11]发现将红薯全粉在600 MPa 处理后，淀粉的黏度参数均减小，可能与高压限制淀粉颗粒膨胀有关，与本文试验结果一致。

在食品生产加工中，淀粉常被用作增稠剂和稳定剂。崩解值较大的淀粉在加热糊化过程中黏度急剧下降，不利于食品的加工和产品的质量。高静压处理后的小米淀粉崩解值降低，在450 MPa下崩解值最低为869.00 MPa。同时，对于小米全粉，较低压力处理后小米全粉中淀粉崩解值增大，而600 MPa 压力会使小米全粉中淀粉的崩解值降低，说明较高的压力使小米淀粉和小米全粉中淀粉对热效应和剪切效应的抵抗能力显著增强，使得小米淀粉和小米全粉中淀粉的稳定性增强[12]。

Gunaratne 等[13]发现淀粉糊化后冷却会使线性直链淀粉分子重新排列形成凝胶。整体来说，随着处理压力的增大，小米淀粉的回生值降低，而600 MPa 处理后小米淀粉的回生值增大。压力处理使小米全粉中淀粉的回生值先增大后减小，经600 MPa 压力处理，小米全粉中淀粉的回生值降为最低。回生值越小，淀粉越不易老化。450 MPa 压力处理的小米淀粉回生值低，崩解值也低，达到良好的淀粉改性效果。

由表3可知，高静压处理后，小米淀粉的起始糊化温度TO和终止温度TC呈降低趋势，淀粉的糊化温度与支链淀粉分子簇结构的排列、淀粉微晶结构的厚度及淀粉的层状结构有密切的联系[14]。在压力0.1～450 MPa 范围，小米全粉中的淀粉与非淀粉成分可能在压力处理后络合，该络合物结构不稳定，与小米淀粉相比，在较低起始糊化温度就发生崩解，这与Chen 等[15]的结果不一致。Chen 等[15]发现玉米油与玉米淀粉可以络合形成更稳定的结构，即直链淀粉-脂质复合物，其需要更高的温度来进行解体。HHP 诱导直链淀粉和脂肪酸形成单螺旋晶体框架并减少非晶区域，这两者都导致更高的热稳定性[16]。而经600 MPa，20 min高静压处理的小米淀粉及小米全粉中淀粉的糊化温度显著降低，结晶结构被破坏。

3 结论

布分径粒粒颗的后理处下件条力压同不在粉淀中粉全米小与粉淀米小1表Granule size distribution of foxtail millet starch and starch of foxtail millet powder after different HHP levels treatment Table 1 S.D./μm C.V./μm d90/μm d50/μm d10/μm/μm数位中/μm值均平＞30 μm 20～30 μm 10～20 μm 4～10 μm 0～4 μm a 0 b c 34.05±0.57 a 13.79±0.31 b 8.72±0.10 5.67±0.05 a 8.72±0.10 b 9.24±0.13 a 0 a 0 c b 24.71±1.36 73.99±1.27 a 1.30±0.09 XD1 b-12.16 a a 29.91±1.57 a 10.93±0.21 a 7.97±0.05 5.32±0.03 a 7.97±0.05 a 8.14±0.13 a 0 a 0 a d 10.77±1.25 86.22±0.98 b 3.01±0.26 XD2-3.23c b b 32.95±0.34 a 11.76±0.06 ab 8.22±0.03 a 5.43±0.00 8.22±0.03 ab 8.56±0.04 a 0 a 0 b c 15.96±0.62 81.47±0.51 b 2.57±0.11 XD3 d 68.37 c d 57.33±0.33 b 33.41±0.15 a 17.45±0.70 c 17.45±0.7b 5.24±0.25 b 18.79±0.80 b 19.40±2.67 d 21.76±1.03 a 29.51±0.96 21.72±0.80 c 7.37±0.50 XD4 a 0 a a 56.34±0.18 a 18.02±0.06 a 8.75±0.02 3.13±0.01 8.75±0.02a a 9.74±0.02 a 0 a ab 2.89±0.09 b 33.33±0.17 b 47.19±11.34 16.59±0.03 X1 b 4.85 b b 59.07±0.92 c 26.56±1.40 b 12.37±0.49 c 12.37±0.49c 4.21±0.11 b 14.13±0.71 b 3.16±1.60 a 20.39±2.33 ab 30.73±2.16 a 35.58±5.77 10.14±0.51 X2 b 4.65 b b 58.96±0.25 c 27.71±0.10 b 13.28±0.17 c 13.28±0.17c 4.22±0.03 b 14.96±0.12 b 4.42±0.10 a 25.01±0.53 a 28.90±0.19 a 31.61±2.36 10.09±0.11 X3 ab 0.82 ab a 56.80±2.03 b 20.78±3.01 a 11.05±1.02 b 11.05±1.02b 3.05±0.18 a 11.59±1.34 a 0.73±0.05 b 9.39±0.94 a 41.22±6.07 b 31.36±1.99 17.30±1.78 X4此于小，即径粒10%的为布分积累粒（P＜0.05）；d10：颗异差性著显无间之值数的母字同相有具列一，同析分素因多式Duncan’s 公据。根差偏准±标值均平的验试3 次为值数的示所中：表注含积体粒颗的径粒此于小，即径粒90%的为布分积累粒50%；d90：颗的粒颗部全占量含积体粒颗的径粒此于小，即径粒50%的为布分积累粒10%；d50：颗的粒颗部全占量含积体粒颗的径粒。粉全米小，X 为粉淀米小；XD 为径粒均平积面；S.D.：表径粒均平积90%；C.V.：体的粒颗部全占量

性特化糊的后理处件条力压同不在粉淀中粉全米小与粉淀米小2表Pasting characteristics of foxtail millet starch and the starch of foxtail millet powder after different HHP levels treatment Table 2 /℃TC/℃TO/cP值生回/cP值解崩/cP度黏终最/cP度黏值谷/cP度黏值峰ab 85.03±1.04 d 62.39±0.17 a 1 501.66±55.77 a 1 157.66±15.94 a 3 002.66±51.24 a 1 501.00±11.53 a 2 658.66±25.69 XD1 ab 80.04±1.59 c 60.83±0.17 a 1 547.00±45.90 b 1 072.33±21.00 a 3 055.00±24.26 a 1 508.00±29.59 b 2 580.33±14.04 XD2 b 83.49±1.22 b 61.51±0.35 b 1 429.00±18.52 c 869.00±30.34 b 2 696.00±26.62 b 1 267.00±8.71 c 2 136.00±21.79 XD3 a 72.02±0.88 a 56.70±0.02 c 1 717.00±10.58 d 1 015.33±30.89 c 3 316.66±55.62 c 1 599.66±64.39 ab 2 615.00±36.49 XD4 c 73.15±0.61 b 53.50±1.52 d 71.00±1.73 a 340.33±9.86 a 156.66±2.51 a 85.66±1.15 a 426.00±10.39 X1 bc 72.78±0.57 c 58.05±1.59 b 184.00±3.00 b 388.00±7.54 b 334.66±8.02 b 150.6±5.03 b 538.66±10.21 X2 b 70.12±0.79 ab 50.80±2.33 c 159.00±4.58 b 399.66±17.55 c 289.33±8.38 c 130.33±4.51 b 530.00±10.87 X3 a 61.74±0.86 a 47.78±0.53 c 156.00±3.46 d 227.33±3.21 d 266.00±4.35 d 110.00±1.00 c 337.33±4.16 X4为；XD度温化糊止：终；TC度温化糊始：起）；TO（P＜0.05异差性著显无间之值数的母字同相有具列一，同析分素因多式公’s Duncan据。根差偏准标值±均平的验试次3为值数的示所中：表注。粉全米小为，X粉淀米小

对小米淀粉及其全粉进行高静压处理，可以改变淀粉的糊化特性和颗粒结构。高静压大大降低了小米淀粉的崩解值和回生值，而小米全粉中淀粉在高静压处理后回生值上升，表明非淀粉成分保护了部分淀粉晶型免受高压、高温和高剪切的破坏作用。这些结果还表明，小米淀粉的高静压处理可应用于开发不易老化的小米产品。在分析淀粉特性的过程中，其它组分会对淀粉特性的准确表达产生显著影响。小米全粉中的非淀粉成分，如蛋白质、脂类和非淀粉多糖，在高静压过程中也可能对小米淀粉的其它性质产生影响，未来应对此进行更多的研究。