何 萌， 张 倩， 杨 莹， 李卫华， 汤尚文， 豁银强

(湖北文理学院1，襄阳 441053) (襄阳市农业科学院2，襄阳 441057) (襄阳市公共检验检测中心3，襄阳 441001)

荞麦为蓼科一年生双子叶拟谷物，在中国已有几千年种植与消费荞麦的历史。由于富含黄酮类等生物活性成分，荞麦具有较高的促健康作用。淀粉是荞麦中质量分数最多的营养组分，占干基的70%～91%[1,2]，直链淀粉质量分数达20%～38%[3,4]，支链淀粉中有12%～13%的分支比较长[5]，相较于其他谷物淀粉，荞麦淀粉易回生、水化力低，因而不易消化并有助于降低血糖指数。天然荞麦淀粉常作为增稠剂、黏结剂、成膜剂及稳定剂广泛应用于食品和非食品领域。不过，由于存在冷水中溶解度低、抗剪切和pH耐性差等问题，天然荞麦淀粉在现代工业中应用受到一定的限制。目前主要采用物理、化学、酶法、生物方法修饰来改善天然淀粉的特性[6]，扩大其在食品及非食品领域中的应用。各种修饰方法中，物理修饰法由于不涉及化学试剂及相对容易操作而越来越受到人们的重视。

干热处理是一种重要的淀粉物理改性方式。干热处理表现出与化学交联改性相似的效果[7]，其能有效改变淀粉的热特性、表观黏度、糊化行为、膨胀力等物化特性，而对淀粉颗粒形貌影响不大[8,9]。相对于化学改性来说，干热处理是一种简单、安全和环境友好型淀粉改性方式，不会引起任何污染。由于具有无毒无害等特性，淀粉干热改性成为研究的热点。一些研究报道了干热处理对淀粉物化特性的影响，干热处理降低了淀粉的分子大小、结晶度、凝胶化温度，而增加了其油结合力[10,11]。淀粉的种类和来源对干热处理效果有较大的影响，目前有关干热处理对荞麦淀粉结构和特性的影响还鲜见报道。

本实验研究干热处理对荞麦淀粉物化特性的影响，并从淀粉结构角度阐述其特性改变的可能机制，为干热处理修饰荞麦淀粉提供借鉴，以期为扩大荞麦淀粉在工业中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：苦荞麦产于2019年，江苏省宿迁市；溴化钾，光谱纯；其他试剂为分析纯。

主要仪器：阔诚800A多功能粉碎机，TA-2000差示扫描量热仪，TechMaster快速黏度仪；Mastersizer 3000 激光粒度仪，DM2700P 偏光显微镜，Nexus 470 傅里叶变换红外光谱仪，D8 Advance X-射线衍射仪，SU8010扫描电子显微镜，LXJ-IIB离心机，KWS2046ALQ-S1C电烤箱。

1.2 方法

1.2.1 荞麦淀粉制备

荞麦经粉碎机粉碎，过80目筛。精确称取500 g，加入2 500 mL 0.2%的NaOH溶液，室温搅拌2 h，静置30 min，3 200 g离心15 min，去上清，去除表层黄色胶状物，向淀粉残渣中加入2 500 mL蒸馏水室温搅拌1 h，重复1次离心。向淀粉残渣中加1 000 mL蒸馏水使其分散，调节pH至中性，过180目筛除去杂质，3 200 g离心15 min，去上清，所得荞麦淀粉于40 ℃烘箱过夜干燥，粉碎，经石油醚浸泡脱脂，过滤除去石油醚，所得淀粉置于通风橱中挥干残留石油醚，所得淀粉(含水量7.0%，干基蛋白质质量分数1.2%)装入密封袋中于干燥器中室温保存备用。

1.2.2 干热处理

称取一定量的荞麦淀粉均匀平铺在有锡箔纸的托盘上，置于预热至所设温度(120、130、140、150、160、170 ℃)的烤箱中进行干热处理30 min，处理结束后迅速移入干燥器中冷却至室温，用密封袋包装后于干燥器中室温保存备用。

1.2.3 糊化特性分析

利用快速黏度分析仪分析测试淀粉的糊化特性。分别称取2.5 g荞麦淀粉和25 g蒸馏水，置于测量罐中，用搅拌器上下来回搅拌使淀粉分散均匀，将测量罐置于快速黏度分析仪上进行分析测试。测试程序为：50 ℃保持90 s，以0.2 ℃/s匀速升温至95 ℃，在95 ℃下保持150 s，再以0.2 ℃/s匀速降温到50 ℃，在此温度保持90 s。起始10 s内搅拌子转速为960 r/min，随后维持160 r/min。利用仪器自带软件分析得到峰值黏度、谷值黏度、崩解值、回生值、最终黏度、峰值时间、起糊温度等糊化特性参数。

1.2.4 热特性分析

每份样品准确称取干基5.0 mg置于差示扫描量热仪专用铝盒中，用微量移液器加蒸馏水使干基淀粉与水的比为1∶2(g∶mL)，密封，置于4 ℃过夜促进水化。以空铝盒作参照，进行DSC测试。温度扫描范围为25～120 ℃，升温速率为2 ℃/min，利用TA Universal Analysis 2000软件分析获得样品凝胶化起始温度(To)、峰值温度(Tp)和焓值(ΔH)。

1.2.5 颗粒形貌分析

取适量样品均匀涂布于黏附在载物架的双面胶上，经离子溅射仪喷金3 min，利用扫描电子显微镜观察样品的表观形貌并拍照。

采用偏光显微镜分析样品的显微特征。样品经适量蒸馏水分散后涂布于载玻片上，盖上盖玻片进行显微观察并采集图像。

1.2.6 粒径分析

利用激光粒度仪分析样品的粒径特征，测量前对样品超声处理1 min使其分散均匀。按照仪器说明进行分析测试，利用仪器自带软件获得样品的Dv10、Dv50和Dv90等特征值，通过式(1)计算获得跨度(Span)值。

Span=(Dv90-Dv10)/Dv50

(1)

式中：Dv10和Dv90分别为样品中粒径小于该值的颗粒体积占样品总体积的10%和90%；Dv50为中位径，即有50%的颗粒粒径低于此值。

1.2.7 结晶特特征

利用X-射线衍射仪分析样品的结晶特征。操作电压40 kV，电流30 mA，以Cu作靶。将样品置于样品架上，扫描速率10(°)/min，收集衍射角2θ在5°～60°的衍射数据。

1.2.8 FTIR光谱测定

分别取适量样品于玛瑙研钵中，加入100倍样品质量的溴化钾，于红外灯下研磨15 min，使溴化钾与淀粉样品混合均匀，压片。以空气为参比背景，记录4 000～400 cm-1范围的光谱数据，分辨率为2 cm-1，扫描次数为64。

1.2.9 数据分析

除电镜和显微结构分析外，所有指标均独立进行3组重复实验，用SAS 8.0软件中Duncan方法进行显著性分析，比较样品间的差异性(P<0.05)，利用Microsoft Excel 2010处理其他数据，结果用平均数与标准差表示，利用Origin 8.5绘制图形。

2 结果与分析

2.1 干热处理对荞麦淀粉糊化特性的影响

图1为不同温度干热处理和对照荞麦淀粉的RVA图。温度低于170 ℃干热处理和对照荞麦淀粉的RVA曲线总体变化趋势相似。测试初期，荞麦淀粉的黏度均非常低(趋于0)且变化不明显，当温度升高至55～60 ℃时，淀粉颗粒无定形区吸水溶胀，体系黏度增加。随着温度进一步升高，淀粉颗粒结晶区开始吸水溶胀，大多数直链淀粉及少量支链淀粉从淀粉颗粒中运动到溶液中形成乳液，溶出的淀粉分子使体系黏度迅速增加。当淀粉颗粒膨胀与剪切达到平衡时呈现峰值黏度。在高温保持一段时间，膨胀过度的淀粉颗粒发生崩解，黏度又下降。随着温度降低，淀粉分子热运动减弱，淀粉颗粒和凝胶网络收缩，黏度又增加。170 ℃干热处理淀粉的RVA曲线与其他样品明显不同，随着温度升高，黏度起初增加的幅度非常小，达到最高值后趋于恒定，其整体黏度曲线显著低于其他样品，表明170 ℃干热处理对淀粉结构的影响比较大，可能该温度干热处理使淀粉分子发生了较大程度的降解，实验过程中发现该温度干热处理样品颜色明显变暗。

图1 不同温度干热处理苦荞麦淀粉的RVA图

表1为干热处理和对照荞麦淀粉的糊化特征参数。干热处理引起荞麦淀粉的峰值黏度、低谷黏度、崩解值、最终黏度、回生值均降低，降低幅度随处理温度升高而加剧。起糊温度是淀粉颗粒膨胀引起悬液黏度开始增加时的温度，温度低于130 ℃时，干热处理对荞麦淀粉的起糊温度影响不显著，进一步提高温度，样品的起糊温度降低，当处理温度达到170 ℃时，样品开始糊化时的黏度增加比较小，需要通过人工处理获得起糊温度数值。干热处理降低了糊化测试过程中淀粉分子内或分子间氢键的作用力，水分子更容易渗入淀粉颗粒内部而引起膨胀，导致起糊温度降低[12,13]。干热处理引起直链淀粉和支链淀粉分子降解及结晶结构破坏，导致RVA测试过程中不能形成黏度较高的体系[14]，体系的峰值黏度、低谷黏度等RVA相关特征黏度参数均降低。干热处理对淀粉糊化特性的影响受淀粉来源的影响，170 ℃以上干热处理降低了玉米淀粉的峰值黏度、低谷黏度、最终黏度、崩解值，而使回生值增加，190 ℃以上干热处理才引起玉米淀粉起糊温度降低[8]。

表1 不同温度干热处理苦荞麦淀粉的RVA参数

2.2 干热处理对荞麦淀粉热特性的影响

图2为荞麦淀粉的DSC曲线。对照样品及温度低于160 ℃干热处理淀粉均出现2个连在一起的吸热峰，其分别称为吸热峰G和吸热峰M1，而经170 ℃干热处理荞麦淀粉仅出现一个明显的吸热峰G，该结果可能是干热处理导致吸热峰M1消失，更可能是吸热峰M1向低温方向偏移而与峰G重叠。在一定条件下DSC图谱上会出现多个吸热峰，目前对不同峰产生的机制还没有一个被广泛接受的观点。有研究指出峰G和峰M1分别在双折射消失后由淀粉颗粒膨胀和双螺旋结构解旋产生的吸热峰[15]；也有学者提出峰G和峰M1是无定形区溶胀和晶体结构解体的吸热峰[16]；也有研究指出峰G和峰M1分别由短程有序机构的双螺旋解旋和长程有序晶体结构无序化吸热形成的[17]；或峰G和峰M1分别由晶体由近晶相转变为向列相及双螺旋结构解旋产生的吸热峰[18]。淀粉是一种典型的多晶结构，DSC测试过程中，短程结晶的双螺旋结构解旋、晶体结构崩解、淀粉颗粒溶胀及直链淀粉分子从淀粉颗粒中渗出，伴随着不同程度的吸热。不定形区对凝胶化温度可能有一定的影响，而峰值温度主要受淀粉颗粒结晶致密程度的影响[13]，淀粉分子间的相互作用力及淀粉分子间的化学键均会影响DSC测定过程中的凝胶化温度[19]。干热处理改变了淀粉分子间相互作用力，进而影响荞麦淀粉的凝胶化温度和焓变等热特性。

图2 不同温度干热处理苦淀粉的DSC曲线

由于吸热峰G和M1连在一起，本研究将2个峰放在一起进行分析，所得热特性参数如表2所示。干热处理引起苦荞麦淀粉的To、Tp及ΔH均降低，降低幅度随干热处理温度升高而加剧。干热处理马铃薯淀粉相关参数表现出类似的变化趋势，随着干热处理时间延长，马铃薯淀粉的To、Tp及ΔH均减小。ΔH主要与淀粉的晶体结构崩解和双螺旋结构解旋有关[20]，有序程度越大的ΔH越高。高温干热处理对淀粉颗粒结晶区晶束的有序排列及双螺旋结构产生了一定程度的破坏，使相转变温度及焓值均降低。

表2 不同干热处理温度苦荞淀粉的DSC参数(峰G+峰M1或峰G)

2.3 表观形貌

肉眼观察温度低于140 ℃干热处理对荞麦淀粉的色泽影响不明显；样品均呈现洁白色，150 ℃和160 ℃干热处理样品颜色略有变暗；与其他样品相比，170 ℃干热处理样品明显加深，呈现灰白色，干热处理结束时有微小的焦糊味。所研究条件干热处理对荞麦淀粉颗粒宏观上的形态并没有显著的影响，所有样品均呈现均一的粉体。

图3为干热处理和对照荞麦淀粉的扫描电镜图。大多数荞麦淀粉颗粒为多面体形，具有一些明显的棱和角，颗粒表面不均匀分布一些通向内部的孔或腔。干热处理并没有引起淀粉颗粒形貌发生显著的变化，当干热处理温度升高至150 ℃以上时，淀粉颗粒表面的孔逐渐变得模糊，可能是淀粉分子发生降解导致颗粒出现熔融。该结果与此前报道的结果相一致[8]，但干热处理并未引起淀粉颗粒黏结成团，其可能与本实验中荞麦淀粉颗粒表面蛋白质去除比较彻底有关。干热处理引起黍稷粉中淀粉颗粒与表面的蛋白质等其他组分发生交联，而纯淀粉并未出现明显的团聚现象[9]。与板栗、红薯和山药淀粉发生膨化破裂不同[21-23]，干热处理并未引起荞麦淀粉颗粒塌陷或破裂，可能与不同来源淀粉的结构和特性不同有关，荞麦和黍稷等谷物淀粉颗粒相对较小，干热处理不易引起其膨化塌陷。

图3 不同温度干热处理苦淀粉的SEM图

双折射是淀粉颗粒结晶区内的双螺旋结构径向分布呈现出的特征，即马耳他十字与淀粉的片层结构和晶体的结晶度有关。当淀粉发生凝胶化时，淀粉结晶被破坏，双折射现象消失。采用偏光显微镜对不同温度干热处理和对照荞麦淀粉进行观察。对照样品展现出明显的典型马耳他十字，随着干热处理温度升高，马耳他十字清晰度逐渐降低。该结果与干热处理红薯淀粉的结果相类似[23]。结果表明，干热处理对淀粉颗粒结晶结构产生了一定的破坏作用，本研究的XRD结果也证实了这一影响。

不同温度干热处理和对照荞麦淀粉粒径分布如图4所示。不同温度干热处理和对照荞麦淀粉的粒径均为单峰分布，在10 μm附近呈现一个大峰，不同温度干热处理对荞麦淀粉粒径的影响不显著，仅170 ℃干热处理的荞麦淀粉粒径分布峰值向大粒径方向偏移。淀粉颗粒的大小与淀粉的结晶度和直链/支链淀粉含量比密切相关，其对淀粉的热动力学和凝胶化及流变等物化特性有重要的影响[24]。170 ℃干热处理时，可能严重破坏了荞麦淀粉颗粒的结晶结构并引起淀粉分子发生严重的降解，颗粒发生膨胀而使粒径增大。

图4 不同干热处理温度苦荞淀粉的粒径分布图

由表3可知，温度低于160 ℃干热处理30 min，苦荞麦淀粉的Dv10、Dv50、Dv90的值变化不显著，而170 ℃干热处理30 min使表征荞麦淀粉粒径指标的相应值均增大，可能是由于淀粉颗粒在该温度下发生了一定程度的膨化，170 ℃干热处理引起Span值降低，即样品颗粒大小更均匀，干热处理引起小粒径颗粒增加的更多。

表3 不同温度干热处理苦荞淀粉的粒径参数

2.4 结晶特征

淀粉的结晶区和非结晶区在X射线衍射图上表现为不同的特征：结晶区为尖峰型，非结晶区为弥散型。由于淀粉颗粒内晶束排列不同，淀粉可分为A、B、C三种晶型。图5为不同温度干热处理荞麦淀粉的X射线衍射图。2θ在15°、23°附近出现单峰，17°和18°处出现连在一起的双峰，所有样品均表现为A型结晶特征。20°附近出现一个微小的峰，表明样品存在V型结晶结构，通常认为其是球形单甘脂与直链淀粉螺旋间相互作用形成的复合体[25]，也可能是由于直链淀粉左手单螺旋结构产生的衍射峰[26]。干热处理并未引起荞麦淀粉衍射模式出现显著变化，说明所研究干热处理并没有改变荞麦淀粉的结晶类型。

图5 不同温度干热处理苦荞麦淀粉的XRD图

由表4可以看出，120 ℃干热处理对荞麦淀粉结晶度没有显著影响，当处理温度高于140 ℃时，荞麦淀粉的结晶度显著降低，170 ℃处理样品的结晶度最低。该结果与干热处理大米淀粉及粟米淀粉的结果相似[9.10]，干热处理对淀粉微晶结构产生了一定的破坏作用，改变了微晶的取向。但也有研究显示，干热处理使糯米淀粉的结晶度增加[27]。干热处理对淀粉结晶度影响的差异可能与不同来源淀粉的结构不同及其与非淀粉组分的相互作用有关。

表4 不同温度干热处理苦荞麦淀粉的结晶度和红外指数

2.5 FTIR特征

FTIR能够反映淀粉对干热处理的敏感程度及分子结构的变化。对照和不同温度干热处理荞麦淀粉的FTIR谱图如图6所示。所有样品在35 000～3 400 cm-1波段的强吸收产生于O—H的伸缩振动，2 900 cm-1明显的吸收峰为C—H伸缩振动的光吸收，1 647 cm-1较强的光吸收表明淀粉中存在紧密结合的水分子。在1 019 cm-1波段出现脱水葡萄糖残基C—O振动的典型峰。干热处理并没有引起样品产生新的峰，表明所研究干热处理并未破坏或引起荞麦淀粉产生新的化学键或基团。

图6 不同处理温度苦荞淀粉的红外光谱图

淀粉的结晶区是由支链淀粉的分支堆积成的半结晶片层组成的，短程有序结构主要反映样品的双螺旋结构含量，其包含结晶区和无定形区中的双螺旋结构，可利用FTIR进行分析检测短程有序机构变化。FTIR图谱中，1 045、1 022cm-1和995 cm-1波数处的红外吸收对淀粉分子构象的变化较为敏感。1 045/1 022 cm-1与淀粉分子短程有序度有关，其有序度包括结晶区及非结晶区的双螺旋和单螺旋结构；1 022/995cm-1常用来分析淀粉结构中的无定形及有序结构相对含量。120 ℃干热处理对荞麦淀粉1 045/1 022 cm-1的影响不显著，当温度高于130 ℃时，干热处理使该比值出现轻微的增加，且增加幅度随干热处理温度升高而加剧，表明干热处理使荞麦淀粉分子短程有序结构含量增加，其可能是高温处理使淀粉分子链间相互作用增强，部分无规则卷曲结构转化成双螺旋结构，干热处理也引起红薯淀粉分子短程有序度增加[22]。其他温度干热处理对荞麦淀粉1 022/995 cm-1的影响不显著，而170 ℃处理使其显著升高，表明干热处理对结晶结构产生了一定程度的破坏。

3 结论

干热处理能够用来修饰荞麦淀粉的糊化、凝胶化及结构特征。作为一种物理改性方式，该过程相对安全，且不会产生有害副产物。干热处理对荞麦淀粉颗粒中结晶产生了一定的破坏作用，而使部分线性或无定形结构转变为双螺旋结构。干热处理淀粉能够应用于需要低黏度和低起糊温度的产品。干热处理荞麦淀粉的温度需要控制在170 ℃以下，以免温度过高淀粉发生焦糊化。为了深入探究干热处理对荞麦淀粉特性影响的机理，未来需要进一步研究干热处理如何改变淀粉分子大小及分子的精细结构。