臭氧处理对食品淀粉结构及加工特性影响研究进展

夏 锐 刘栗君 - 曹梦玲 - 赵国华,2 -,2 叶发银,2,3 -,2,3

(1. 西南大学食品科学学院，重庆 400715；2. 重庆市甘薯工程技术研究中心，重庆 400715；3. 西南大学食品科学与工程国家级实验教学示范中心，重庆 400715)

臭氧作为一种安全、高效的消毒剂，能有效灭活各类病原菌，在食品工业中得到广泛应用。此外，臭氧处理对果蔬[1]、水产[2]、禽蛋等生鲜食品原料的生化代谢有调节作用，从而有助于提高贮藏品质。除了食品安全控制及贮藏保鲜方面的应用，臭氧能显著影响食品材料的结构组成及加工特性，从而达到提升食品品质的目的[3]。Uzun等[4]报道乳清分离蛋白和卵白蛋白经臭氧处理后，起泡性能及泡沫稳定性得到明显提升。Obadi等[5]发现全谷物粉经臭氧处理后，内源脂肪酶活性降低，酚类物质含量从6.09 mg GAE/g增加到9.53～19.77 mg GAE/g，油脂抗氧化性显著高于未处理组。Zhu等[6]和Violleau等[7]也证实了臭氧对原料组分的物性修饰作用可显著改善食品的质构、感官及贮藏品质。

淀粉是常见食品的主要组成成分，同时是重要的食品配料。为了拓展淀粉的使用范围，常常对天然淀粉进行物理的[8]、化学的[9]、生物的或复合改性处理。氧化淀粉是改性淀粉的主要品种，具有糊化温度低、糊透明性高、糊黏度低、成膜性好等优点，在工业上的应用十分广泛。目前工业制备氧化淀粉主要采用次氯酸钠、H2O2、高锰酸钾等氧化剂[10]。相比于上述氧化剂，臭氧具有氧化能力强、制取容易且无生产残留等特点。臭氧处理作为一项绿色、节能、高效的淀粉改性技术近年来逐渐受到重视。研究[11]表明臭氧(5 mg/L)能有效钝化糯米粉中内源性淀粉酶活性，作用于淀粉组分，引起糯米热糊黏度变化；同时臭氧对小麦、玉米、马铃薯、木薯、山药、糯米等来源淀粉处理结果显示，臭氧对淀粉的氧化降解机制极其复杂，当前研究水平未达实用。文章就臭氧处理淀粉研究成果进行综述，为进一步利用臭氧拓展淀粉应用特性的研究提供参考。

1 臭氧化学原理及处理淀粉的方式

1.1 臭氧基本特性

臭氧(O3)分子质量47.998 g/mol，熔点-192.7 ℃，沸点-111.9 ℃，常温下是一种有特殊臭味的淡蓝色气体[12]。大气中天然臭氧对人体无害，但吸入过量对人体有害，国际臭氧协会颁布的工作场所限值为4.46×10-9mol/L(接触10 h)，在食品工业中使用臭氧一般认为是安全的[13]。臭氧具有极强的氧化能力(E0=+2.075 V)，仅次于氟气，但稳定性较差，在水溶液中可自行分解为氧气，20 ℃时纯水中臭氧的半衰期为20～30 min[14]。

1.2 臭氧发生及作用淀粉的方式

工业臭氧的发生方式主要为光化学法和电晕放电法[13]。光化学法采用臭氧灯(λ=185 nm)辐射氧气使其分解为氧自由基，随后与氧分子结合并转化为臭氧；电晕放电是在不均匀电场中电击氧气，将其转变为臭氧。目前电晕放电法在食品工业中被广泛采用，对高纯氧气进行电晕放电，可获得16%的最大臭氧转化率[15]。

根据处理腔中的物料形态，可将臭氧处理淀粉方式分为湿法[16-17]和干法[18-19]两种。所谓湿法，臭氧以鼓泡方式与水相中悬浮的淀粉颗粒接触，改性过程在溶液中进行[图1(a)]；所谓干法，是将干淀粉装填在柱形容器中，臭氧气流从底部滤板向容器内持续扩散，与淀粉颗粒充分接触，残余气体从容器顶部送出[图1(b)]。从臭氧复杂的作用机理来看，两种方式改性淀粉的机制和程度是不同的。在干法中气态的臭氧分子利用自身的偶极结构以“加成反应”方式直接作用淀粉，反应具有一定的选择性，且干法条件下臭氧热分解半衰期(20 ℃，3 d)远大于相同温度的水相(20 ℃，20 min)[20]。在湿法中臭氧引发的氧化反应非常复杂，仅一部分臭氧直接作用淀粉，大多数臭氧以间接方式作用于淀粉，即降解为·OH等二级氧化产物后再与淀粉作用，氧化速率甚至高于臭氧分子直接氧化反应[21]。目前关于臭氧处理淀粉的两种方式的系统研究尚未报道，但从工艺角度，干法处理作为一种节水、节能、绿色的方式对工业生产意义重大。

2 臭氧处理对淀粉结构的影响

2.1 对淀粉分子结构的影响

臭氧处理可导致淀粉分子发生氧化、解聚甚至交联。

表1总结了淀粉经臭氧作用后淀粉分子结构变化的情况。首先臭氧作用造成淀粉分子中羟基氧化，生成羰基和羧基。羧基含量是衡量淀粉氧化程度的重要指标，羧基含量越高，淀粉氧化程度越大。Chan等[18]报道玉米、西米和木薯的淀粉经臭氧处理后，产物的羰基和羧基含量达0.025%～0.250%和0.002%～0.063%。Klein等[22]报道木薯淀粉经臭氧处理后羰基和羧基含量分别达到0.011%和0.028%。虽然该含量远低于采用次氯酸钠或双氧水处理组，但是臭氧处理更加绿色、省时[28]。其次，随着处理时间增加，淀粉分子链的α-1,4-糖苷键断裂，淀粉分子解聚[29-30]。Castanha等[16]发现臭氧处理造成马铃薯淀粉中直链淀粉含量降低，直链淀粉和无定型区的支链淀粉分子水解。同时有研究发现高pH值下氧化降解的淀粉分子之间会发生交联作用，其原因尚不清楚[22]。Chan等[23]也发现这种交联作用存在于臭氧改性木薯淀粉中，改性使木薯淀粉Mw和Mn分别增加22.5%和145.3%。Wang等[32]在pH 11条件下采用次氯酸钠氧化玉米淀粉，观测到淀粉氧化降解片段之间的交联现象是由于高pH条件促进了羰基和羟基之间半缩醛键的形成。臭氧处理过程中分子的交联现象及其产生的原因是否与其他氧化试剂机理相同，仍需进一步研究。

图1 臭氧处理淀粉的装置示意图

2.2 对淀粉颗粒形态的影响

臭氧对淀粉颗粒完整性的影响程度，因淀粉来源而异，同时与臭氧处理强度有关。有些淀粉经臭氧处理后无显著变化，如臭氧处理几乎不影响大米淀粉[27]、小麦粉及从中分离的小麦淀粉[19]颗粒的表面结构。但是有些淀粉颗粒却容易被臭氧破坏，Çatal等[30]发现玉米及马铃薯的淀粉悬液(10 g/100 g)采用臭氧处理后颗粒表面变得粗糙。Castanha等[16]研究发现随着臭氧处理时间延长，马铃薯淀粉颗粒表面侵蚀程度逐渐加大，处理30 min时颗粒表面已形成沟槽和孔道。后续研究[31]报道马铃薯淀粉经臭氧处理后，颗粒表面产生碎裂和裂隙，颗粒尺寸随处理时间增加逐渐减小，且大颗粒马铃薯淀粉粒度降低程度大于小颗粒，这种差异主要与臭氧分子渗入作用部位的难易程度有关。

表1 臭氧处理对各淀粉分子结构的影响

2.3 对淀粉结晶性的影响

臭氧处理一般不引起淀粉晶型发生改变，有时会影响衍射峰强度变化，从而影响淀粉的相对结晶度[16,22,31]。但Castanha等[16]采用湿法处理马铃薯淀粉时，结晶区所受影响甚微，马铃薯淀粉的相对结晶度未受影响；结晶度的变化可能与淀粉种类、臭氧处理的方式有一定的关系。臭氧对淀粉结晶区的作用有限，其作用主要发生在淀粉颗粒的无定型区，偏光十字仍然清晰[30]。Klein等[29]进一步研究发现木薯淀粉经臭氧处理后，相对结晶度从处理前的32.1%降至处理后的28.0%，说明臭氧不仅作用于木薯淀粉的无定型区，而且造成其半结晶区的支链淀粉发生解聚。臭氧对淀粉结构影响机制以及影响的最大限度仍需进深入研究。

3 臭氧处理对淀粉加工特性的影响

3.1 对水合性质的影响

因淀粉来源及臭氧处理方式不同，处理后淀粉颗粒的膨胀性有的增加，有的下降。Chan等[18]在相同处理条件下臭氧处理不同淀粉，其中西米淀粉和木薯淀粉的膨胀力下降，玉米淀粉的膨胀力上升。Sandhu等[19]也发现小麦淀粉经臭氧处理后，膨胀力从7.5%上升至8.5%。在一定条件和范围内，淀粉水合性质的变化与臭氧处理时间呈正相关。An等[33]发现采用臭氧处理大米淀粉30 min，可使其膨胀力呈现最大值；Obadi等[34]研究发现小麦粉经臭氧处理45 min后，吸水性提升1.70～1.95 g/g，水溶性指数从处理前2.59 g/g增加到处理后的3.39 g/g，且膨胀力随着臭氧处理时间延长而增加，从原淀粉5.32 g/100 g 增加到7.08 g/100 g，研究认为生成的羧基导致了膨胀力上升。但Simsek等[35]发现豆类淀粉在50～90 ℃范围内逐渐升温进行臭氧处理，其膨胀性较原淀粉降低，原因在于温度上升后淀粉形成了更加紧密结合的微晶胶束结构，从而抑制颗粒膨胀。除淀粉品种、臭氧处理时间以及温度，仍需系统探索臭氧处理时其他外界因素对淀粉水合性质的影响。

3.2 对糊化特性的影响

淀粉的糊化特性常采用快速黏度分析仪(RVA)进行表征。通过RVA可获得热糊黏度、冷糊黏度、崩解值、回生值等参数，而这些参数与淀粉在成糊过程中连续相黏度、颗粒与颗粒间相互作用、颗粒尺寸分布等的变化有关。秦先魁等[36]用臭氧(浓度5 mg/L)对郑麦9023处理0.5 h后小麦粉的热糊黏度增加，但增加处理时间则导致热糊黏度降低，原因可能在于长时间臭氧处理破坏了淀粉分子的结构。Castanha等[16]也发现随着处理时间增加，马铃薯淀粉的峰值黏度逐渐降低，表明淀粉羟基被氧化为羰基和羧基后，淀粉颗粒受热时更易水合，保持完整性的能力降低。Oladebeye等[25]和Klein等[22]同样观测到随着臭氧剂量和处理时间增加，淀粉的峰值黏度逐渐下降。但Chan等[18]对西米淀粉和木薯淀粉进行臭氧处理后观测到两种淀粉的峰值黏度上升，认为这与羧基生成以及淀粉分子间发生交联作用有关，使淀粉颗粒在破裂前能吸收更多水分。Oladebeye等[25]和Catal等[17]观察到随着臭氧导致淀粉氧化程度加大，淀粉糊的回生值下降，说明氧化生成的羰基和羧基阻抑了淀粉分子链互相缔合的倾向。因此，臭氧作用改变淀粉糊化特性的程度与产物羰基和羧基含量、是否发生解聚或交联作用有关。通过优化设计臭氧处理淀粉的方式及强度，有望制备出优良糊化特性的改性淀粉。

3.3 对老化特性的影响

臭氧处理对淀粉老化影响的程度可通过测定淀粉糊透明性、冻融稳定性和析水率等进行考察。Castanha等[16]通过测量650 nm透光率表征马铃薯淀粉糊透明度，随着臭氧处理时间延长，淀粉糊透明度由原来的93.4%逐渐提高到99.0%。臭氧改性使马铃薯淀粉分子链带上羧基，因静电互斥使淀粉分子水合更充分，不易老化，故透明度提高。Chan等[23]研究发现经臭氧处理的玉米淀粉糊于4 ℃、7 d老化后的热焓值(ΔHr)增加到原来的3倍(3.9 J/g)，而臭氧处理的西米淀粉及木薯淀粉糊老化后的ΔHr无显著变化。Simsek等[35]将5 g/100 g淀粉样品充分糊化后密封，在冰箱中存放5 d，结果显示臭氧处理未引起析水率显著变化。淀粉老化对淀粉食品的质地、感官和货架期有重要影响。臭氧处理使淀粉分子的Mw/Mn、取代基、直/支比等发生不同程度的变化，最终对淀粉的老化产生影响，但目前相关研究非常有限，需要深入。

3.4 对凝胶特性的影响

臭氧处理对淀粉凝胶强度的影响程度，因淀粉来源和臭氧处理方式而异。不同品种的淀粉经臭氧处理后凝胶存在差异。Chan等[23]报道西米淀粉及玉米淀粉处理不同时间后，制备的凝胶(贮藏1 d)的杨氏模量呈现不同的变化，其中西米淀粉凝胶仅在臭氧处理3 min和10 min 的样品中显著提升，而玉米淀粉凝胶的杨氏模量在全部处理组中都显著提升了。处理后凝胶强度增大主要与淀粉降解有关，降解产物在贮藏过程中具有更强的缔合形成网络结构的能力[37]。臭氧处理时间对淀粉凝胶也有一定影响。有研究[16]发现马铃薯淀粉凝胶的强度随着臭氧处理时间的延长(15～45 min)而增加，但处理60 min样品的强度则介于15 min和30 min样品之间，其原因在于，淀粉分子适度降解增加了直链淀粉组分的移动性，从而更容易缔合形成凝胶结构；但是长时间处理(60 min)加剧淀粉降解，淀粉分子解聚以及生成羧基的静电排斥作用妨碍了淀粉链段间的缔合，最终减弱了凝胶强度。Castanha等[31]发现马铃薯淀粉凝胶臭氧处理45 min及60 min后因降解严重而无法形成凝胶。Zhou等[38]采用次氯酸钠氧化马铃薯淀粉时也观测到相同规律，即低剂量次氯酸钠处理可使淀粉凝胶强度增加，但高剂量处理组凝胶强度降低，因此适度氧化降解淀粉可使其具有最大凝胶强度。

4 臭氧处理对淀粉消化性质的影响

臭氧处理能导致淀粉消化性质发生改变。马铃薯淀粉经臭氧处理60 min后，将其糊化，测定其RDS含量较原样增加15%，可能是臭氧处理降低了马铃薯淀粉分子链长以及羧酸根之间的静电排斥作用，使水分更容易渗透其中，导致淀粉分子对酶敏感性增加[31]。熊金娟等[46]采用臭氧处理糯米不同时间(0.5，1.0，2.0 h)后，糯米粉的羧基含量较未处理组增加了43.3%～87.7%，且颗粒表面出现破损。糯米粉经臭氧处理2 h后糊化，测得慢消化淀粉(SDS)和快消化淀粉(RDS)含量分别减少了34.6%和15.3%，而抗性淀粉(RS)含量增加了115.1%。臭氧处理后的糯米粉未经糊化直接测定消化性，生糯米粉中RS的含量降低，而SDS和RDS含量则增加，原因在于经臭氧处理后，生糯米粉的水合性质及对淀粉酶的亲和性均较未处理组增强，故容易酶解，从而呈现与糯米粉糊相反的趋势。Simsek等[35]则发现臭氧处理使黑豆及菜豆淀粉的RS含量显著增加，但未显著改变两种淀粉的水解率(HI)和血糖生成指数(eGI)。由此可见，臭氧处理可作为调控淀粉消化性质的潜在方式，但臭氧改性淀粉作为食品配料时可能带来的安全问题有待研究。

5 影响臭氧改性淀粉的因素

5.1 介质

在干法条件下，淀粉物料为较低含水量(约10%)的粉末，淀粉氧化降解的程度主要受臭氧浓度、气体流速及作用时间的影响[19,23]。在湿法条件下，除了臭氧浓度、气体流速及作用时间的影响外，反应体系中水分及其他共存溶剂同样是重要的影响因素。Szymanski[30]的研究表明，向玉米淀粉乳中以鼓泡方式输入臭氧时，淀粉氧化程度受水分含量的影响较大：水分含量低于65%时，淀粉氧化程度很低(羰基含量0.028～0.030 mol/mol脱水葡萄糖)，水分含量在65%～73%时，氧化程度迅速提升，但继续增加水分含量(从73%到82%)，氧化程度提升缓慢。Szymanski[30]的研究还发现，在23 ℃下反应，以氯仿或以乙酸—水为反应介质比用水为介质可制备较高氧化程度的改性淀粉，产物的羰基含量较以水为介质时分别提升11.6%和56.2%。因此，湿法条件下对反应溶剂的选择极为重要。

5.2 温度

以往报道系统研究温度影响臭氧作用的文献鲜见。有研究[30]表明，0 ℃和50 ℃比23 ℃的反应温度条件下，臭氧处理玉米淀粉具有较低的羰基含量，其原因可能在于，较高温度容易造成臭氧在介质中的溶解度降低，臭氧的分解速度加快，而较低温度则减缓氧化反应的进行。控制合适的反应温度可优化臭氧处理的效果。

5.3 pH

目前关于介质pH对臭氧改性淀粉影响的文献报道甚少，Klein等[22]研究发现随着pH的增加，淀粉的羰基和羧基的含量呈上升趋势，氧化程度增加。pH 3.5时，臭氧处理未引起木薯淀粉中羰基含量变化，且无羧基生成；pH 6.5时，羰基含量变化不显著，但有羧基产生，含量为0.021%；pH 9.5时，木薯淀粉经臭氧处理后生成的羰基和羧基含量显著上升(分别为0.011%和0.028%)。该研究[22]还发现，不同pH下处理得到的改性淀粉的糊化行为差异显著。在pH 3.5制备的改性淀粉在RVA分析中具有最小的峰值黏度、热糊黏度、崩解值、回生值和冷糊黏度；在pH 6.5和9.5条件下处理得到的改性淀粉的热糊黏度和冷糊黏度较pH 3.5处理组和未处理组的高，其原因可能是在pH 6.5或9.5时，氧化降解的淀粉分子之间发生了交联作用，在一定程度上提升了热糊稳定性和冷糊的回生性。有研究[10,21]表明，在水溶液中H+能减缓臭氧分子的降解，使其与淀粉进行直接作用，而OH-加速臭氧降解，产生高活性氧化产物，从而增大淀粉改性程度。因此pH对淀粉臭氧改性的影响需要进行系统研究。

5.4 共存成分

目前，大多数研究报道物料中的共存成分对臭氧作用淀粉起抑制作用。Gozé等[39]研究指出，小麦粉中的淀粉对臭氧的反应活性显著低于提取出来的小麦淀粉。Kurdziel等[40]也发现淀粉中共存成分对淀粉氧化具有抑制作用，大麦淀粉较燕麦淀粉具有较低的内源性脂质和蛋白质含量，因而在相同条件下氧化试剂对大麦淀粉的降解程度更高。Chan等[41]进一步研究发现脱除蛋白质组分有利于淀粉的臭氧改性。添加外源性物质一定程度上也可以改善臭氧对淀粉的改性效果。An等[40]研究了在臭氧处理大米淀粉过程中添加氨基酸对改性效果的影响，其中赖氨酸添加使得臭氧处理的大米淀粉更易烹煮，不易老化。因此，内外源性物质有望作为工业生产中调控臭氧作用淀粉的重要手段，值得深入研究。

6 结论

臭氧处理是一项正在兴起的拓展淀粉功能特性或提升淀粉制品品质特性的绿色改性技术。由于臭氧化学机制十分复杂[10, 21]，其对淀粉物料的处理效果受臭氧剂量、作用方式(干法或湿法)、介质、温度、pH、物料共存成分等的影响显著。因作用程度不同，臭氧既能漂白淀粉，又可将淀粉羟基(C—OH)依次氧化为羰基(C—O)或羧基(COOH)，引起淀粉分子解聚甚至交联，但相关研究还不深入[42]。基于当前研究状况，后续研究可从以下方面加强或深入：① 臭氧与淀粉相互作用机制，以及内外源因素对臭氧改性的影响需要系统研究；② 在工业生产水平，臭氧能在多大程度上改变淀粉的分子结构和组成，以及臭氧改性淀粉的应用性能和安全性需要研究；③ 探讨臭氧处理与其他方法(如超声波、冷等离子体、湿热处理)联用对淀粉加工特性的影响，为开展其工业应用和丰富改性淀粉品类铺平道路。