莲藕属于睡莲科多年生植物，目前在中国有3 000多年的栽培历史，种植范围广泛。莲藕的营养价值很高，富含蛋白质、淀粉、纤维素、脂肪、维生素、矿物质等多种对人体有益的成分。莲藕淀粉（LS）是莲藕的主要成分之一，其中直链淀粉含量为22%～51%，支链淀粉含量为35%～45%。虽然LS已作为增稠剂、稳定剂和胶凝剂等广泛应用于食品加工，但天然的LS仍存在对加工条件耐受性差、易回生、透明度低等问题。淀粉改性常采用物理、化学、生物方法，其中物理方法中的超声技术具有改性效果优良、环境友好、能耗较低等优点，是一种很有前景的技术。
西南大学食品科学学院的廖雪勤、汪楠、郑炯*等人通过测定不同超声处理时间（0、10、20、30、40、50 min）对LS的糊化、流变特性以及多尺度结构的影响，并采用扫描电镜、红外光谱、X射线衍射（XRD）等对其颗粒形貌、短程有序结构、结晶结构进行表征，以期为超声技术在LS性能改善及品质调控中的应用提供理论依据。
1 超声处理时间对LS糊化特性的影响
如表1所示，与CK相比，超声处理后的峰值黏度显著增加，这是因为超声会影响淀粉的非结晶区域，促使水分子进入，从而增强淀粉的溶胀能力。超声处理10～30 min，峰值黏度和谷值黏度均随处理时间的延长而增加，并在30 min时分别达到最大值（6 059±31）mPa·s和（3 716±17）mPa·s，随后开始降低。这一结果表明过长时间的超声处理可能会破坏淀粉的颗粒结构，从而减少淀粉分子的溶胀和缠结。Yang Wenhan等研究发现，超声处理中强烈的剪切力、微射流和空化效应会诱导淀粉大分子长链断裂成许多短链，降低淀粉颗粒的完整性，从而导致终止黏度降低。崩解值可以表征淀粉糊的稳定性，超声处理后样品的崩解值都增加，说明淀粉糊的稳定性下降。超声处理50 min时淀粉糊的稳定性相较于10～40 min有所增加，但仍小于CK。
由表1可知，LS的终止黏度随着超声处理时间的延长而增大，30 min时达到最大值（（4 580±15）mPa·s），这是因为短时间超声处理促进了淀粉的糊化，因此在回生过程中，淀粉链重结晶程度增大，淀粉的抗剪切能力增大。但长时间超声处理（40～50 min）对淀粉糊化的促进弱于短时间超声处理，导致终止黏度降低，但仍高于CK。LS的回复值随超声处理时间的延长先增大后减小，说明淀粉的短期回生程度先升高后降低，且高于CK。长时间超声处理使回复值降低，这是因为浸出的直链淀粉和长链支链淀粉断裂，淀粉聚合度降低。这与Harpreet等对小麦粉糊化特性的研究结论相似。超声处理后淀粉的糊化温度高于CK，这说明超声处理增强了淀粉颗粒对热的抵抗能力。而长时间超声处理后淀粉的糊化温度开始下降，这可能是由于支链淀粉被降解，促进了LS的糊化。
2 超声处理时间对LS流变特性的影响
2.1静态流变特性
由图1可知，所有样品黏度均随剪切速率增大而减小，表现出典型的剪切变稀现象，说明超声处理并未改变LS的假塑性流体特征。不同超声时间处理后LS的表观黏度和应力均增大，说明超声处理增强了淀粉凝胶的网络结构强度和流动阻力，这是因为超声的机械作用和空化效应使淀粉分子间作用力增强。在超声处理10～30 min内，淀粉糊的表观黏度和剪切应力随时间延长而增大，继续延长处理时间，黏度和应力反而下降，这与糊化特性的分析结果相印证。长时间的超声处理破坏了淀粉链之间的氢键，降低了糊化程度，从而使黏度和剪切应力减小。
采用Power-Law模型对所得数据进行拟合，如表2所示，R2均大于0.99，说明Power-Law模型对该样品静态流变数据具有较好的拟合度。与CK相比，超声处理后LS的K值增加，在30 min达到最大值115.03，说明其黏度增加，这是因为超声处理促进了淀粉链的缠结。但在超声处理30 min后，支链淀粉随着处理时间的延长而被破坏，导致K值降低。超声处理后n值降低表明淀粉糊假塑性增强，剧烈的剪切力导致淀粉降解，增强了假塑性。超声处理后下行曲线K值与上行曲线K值变化趋势相似，且下行曲线K值的变化小于上行曲线K值的变化。这一现象表明，淀粉凝胶的内部结构被破坏后难以随着剪切力的减小而恢复。上行曲线和下行曲线围成的面积S即为淀粉糊的滞后环，反映了淀粉糊体系的触变性。S值随超声处理时间的延长而增大，在30 min时达到最大值29 540.29，随后开始降低，但均高于CK，说明超声处理使LS触变性增强。40～50 min的S值降低可能是由于超声时间过长导致淀粉分子链断裂，不利于稳定结构的形成。虽然该结构的抗剪切能力较强，但在破坏后难以恢复。
2.2 动态流变特性
超声处理后LS的动态流变特性如图2所示。所有样品的G′值均大于G″，说明LS的弹性强于黏性。这与超声处理玉米淀粉、马铃薯淀粉和豌豆淀粉的结果一致。超声处理后淀粉的G′和G″均高于CK，这是由于超声处理破坏了淀粉分子无定型区的结构，更多水分子进入淀粉颗粒内，促进糊化，导致黏度升高，另外淀粉分子间的相互作用增大，缠结得更加稳固，形成了黏弹性更强的网状结构。G′和G″均随超声时间的延长而增大，但G′在处理时间到达30 min后随时间延长而降低，这与静态流变特性的结果相似。淀粉分子尤其是直链淀粉在超声的作用下会重新排列形成双螺旋，从而增加淀粉凝胶的强度，而在长时间的超声作用下，空化效应会使直链淀粉断裂，分子间缠结程度低，因此黏弹性降低。
3 超声处理时间对LS热学特性的影响
30～160 ℃内的两个糊化峰分别表示LS两种结构的熔解。第1个峰出现在30～80 ℃之间，表示单螺旋结构和无定形区的熔解，80～160 ℃内的第2个峰对应双螺旋结构和结晶区的熔解。由表3可知，超声处理后两个峰的起始温度T0和峰值温度Tp几乎都先随处理时间的延长而升高，在处理30 min时分别达到最大值（35.88±0.32）℃和（55.45±0.97）℃，80～160 ℃内，超声处理30 minTp较对照组增大了11.09%，40～50 min时开始降低，最后低于CK。T0主要与淀粉粒的无定形区有关，而结晶区是影响Tp的主要因素，淀粉颗粒的致密化程度也对Tp有一定影响。这说明一定时间的超声处理使淀粉颗粒的结构更加稳定致密，而T0和Tp的降低可能是由于淀粉颗粒破碎与双螺旋结构松动。ΔH可用来表示淀粉相变过程中双螺旋解聚及熔融所需要的能量，超声处理后ΔH增大，这是因为超声作用增强了淀粉链中的氢键，增加了双螺旋的稳定性。同时，淀粉结构的破坏促进了水分子在淀粉颗粒中的渗透，从而使淀粉更容易糊化，ΔH增大。由表3可知，80～160 ℃内，超声处理30 min ΔH较对照组增大了89.21%，超声处理40、50 min时的ΔH均低于处理30 min的ΔH（972.01±4.46）J/g和（2 309.37±7.31）J/g，ΔH的降低可能是由于空化气泡坍塌释放的大量能量破坏了部分结晶区，还导致双螺旋解聚。Hu Aijun等在研究双频超声处理大米淀粉时也得到类似结果，但在处理马铃薯淀粉时结果相反。
4 超声处理时间对LS微观结构的影响
由图3可知，CK中淀粉颗粒以椭圆形和球形为主，表面光滑，超声处理后的LS表面出现孔洞，促进水向内渗透，使其具有较高的糊化黏度。随着超声处理时间的延长，淀粉颗粒表面变得更加粗糙，并出现额外的裂缝和凹陷。在处理40、50 min组中有部分淀粉颗粒表面在长时间的超声作用下由于空化气泡的快速形成和坍塌产生的强剪切力完全被破坏（图中圈画部分），淀粉颗粒的破坏削弱了淀粉分子间的相互作用，从而导致了淀粉糊网状结构的减弱。此外，超声处理后部分破碎的淀粉颗粒可能为水的向内扩散提供额外的通道，从而改变LS的颗粒结构，因此淀粉的溶胀能力增强，这与在糊化性能测定中观察到的结果一致。
5 超声处理时间对LS层状结构的影响
由图4A可知，LS在q＝0.626 nm-1处有一个明显的散射峰，根据Woolf-Bragg公式dBragg＝2π/q，可以计算淀粉颗粒半结晶片层的厚度，结果如图4B所示。从图中可以看出，超声处理后LS的半结晶层厚度增大，且随着超声处理时间的延长先增大（10、20 min）后减小（30、40、50 min），最大值为10.508 nm。这可能是因为适当的超声处理时间促进非结晶区的膨胀，随着时间的延长，超声处理时产生的空化效应破坏了LS的部分无定形层和结晶片层，层状厚度随之减小。
根据Power-Law模型I～q-α，当1＜α＜3，质量分形维数Dm＝α，Dm值越接近1，表明淀粉聚集体结构越疏松，越接近3表明越致密；当3＜α＜4，表面分形维数Ds＝6-α，Ds值越大表明散射体表面越粗糙。从图4C可以看出，所有样品的α值都在2.22～2.80的范围内，说明都为质量分形结构。超声处理后，LS的Dm值均降低，表明超声处理使淀粉的结构变得疏松。这可能是由于超声处理过程中振荡和产生的剪切力影响了层状晶体层的有序度，从而降低了淀粉结构的致密性。与超声处理20 min后的样品相比，处理30 min样品的α值增大，表明超声处理使得淀粉结构变得疏松，但是随着时间延长，在一定程度上又可以促进一些紧密结构的形成。但是当超声时间达到40 min和50 min后，淀粉的结构被破坏从而又变得疏松。
6 超声处理时间对LS结晶结构的影响
如图5A所示，CK在5.6°、15.0°、17.1°、23.0°、26.6°处出现特征衍射峰，说明LS符合B型结晶特征，超声处理后未出现其他位置的衍射峰，说明在超声过程中并未生成新的结晶结构。超声处理后5.6°处衍射峰消失，而该处属于B型结晶的较强衍射峰之一，表明超声处理对其B型结晶结构造成了一定的破坏。17.1°处衍射峰减弱，表明超声破坏了淀粉无定形区中双螺旋的部分排列。随着处理时间的延长，23.0°处的衍射峰强度减弱，可能是因为长时间的超声进一步影响了淀粉簇在结晶区域的排列。淀粉颗粒中存在着微晶结构、非晶态结构及介于之间的亚微晶结构，通过计算XRD图谱中峰面积得到上述3 种结构的占比。由图5B可知，超声处理后LS亚微晶区结晶度增大，微晶区和非结晶区结晶度减小，表明淀粉颗粒内部结构趋于均匀，晶体崩解重组为亚微晶。超声过程中，双螺旋结构由于空泡坍塌产生的振荡而出现松动，但不离开原有位置，因此，微晶区域减少，而亚微晶区域增加，这可能导致ΔH升高。LS的相对结晶度随着超声处理时间的延长而降低，这可能归因于超声产生的空化作用破坏了支链淀粉的结晶层，导致相对结晶度下降。
7 超声处理时间对LS短程有序结构的影响
如图6所示，超声处理后未出现新的吸收峰，各吸收峰位置也未改变，说明超声只影响了LS的物理结构，并未破坏其化学结构。研究表明，1 047、1 022 cm-1为典型的振动吸收峰区域，波数1 047 cm-1附近的吸收峰与淀粉的结晶结构有关，1 022 cm-1附近的吸收峰与无定形结构有关，因此两处吸收峰的比值可以表征淀粉短程有序结构，1 047 cm-1/1 022 cm-1处吸收峰比值越大，表明有序度越高。如图6所示，超声处理后R1047/1022值增大，随着处理时间的延长而增大，在30 min时达到最大值，随后略有下降，但仍高于原淀粉，这是由于超声处理后无定形区和支链淀粉分子链被破坏，同时生成的短链分子链通过氢键形成新的有序结构，使R1047/1022值增加了3.20%，但处理时间过长会导致双螺旋结构和直链淀粉分子链断裂，从而使R1047/1022值降低。结合XRD的结果可知，超声处理能够促进淀粉分子排列成更有序的双螺旋结构，但会使双螺旋结构松动，降低致密性。
8 超声处理时间对LS糖苷键的影响
图7A为不同时间超声处理前后LS的1H NMR图。图中δ＝5.11和δ＝4.89处的化学位移分别代表了α-1,4-糖苷键和α-1,6-糖苷键结构，超声处理后，α-1,6-糖苷键吸收峰强度明显减弱，说明在超声处理过程中α-1,6-糖苷键被破坏。Yang Qingyu等采用超声处理糯玉米淀粉也得到了相似的结果。根据谱图计算得到的DB如图7B所示，超声处理后LS的DB均减小，超声处理40 min时达到最小值9.55%，说明超声产生的强剪切力破坏了α-1,6-糖苷键。超声处理50 min后淀粉的DB有所增加，这可能是因为随着时间的延长，超声开始破坏α-1,4-糖苷键，DB增大。超声处理过程中，α-1,6-糖苷键较α-1,4-糖苷键更易被破坏，这是因为α-1,4-糖苷键的空间位阻比α-1,6-糖苷键的空间位阻更稳定。
9 超声处理对LS理化和结构特性的影响机制探讨
图8为超声处理对LS理化和结构特性的影响机制示意图。在超声处理过程中，α-1,6-糖苷键被破坏（图7），机械作用产生的剪切力使LS的部分支链断裂，形成一些淀粉短链，这些分散在无定形区和结晶区域的短链取向重排，形成有序结构，淀粉分子有序化程度增加（图6B）。结晶结构被破坏，崩解重组为亚微晶结构，亚微晶区比例增加（图5B）。由于淀粉分子间相互作用的增强，淀粉的双螺旋结构变得有序和紧密，淀粉内部的缠结加剧。在无定形区和结晶区域熔化这种紧凑的双螺旋结构需要额外的能量，因此，Tp和ΔH增加。此外，淀粉表面出现的一些孔洞和凹陷促进了水分子进入无定形区，增加了淀粉的糊化黏度。当超声处理时间较长时，淀粉颗粒会被破坏，淀粉分子的溶胀和缠结减少，从而导致糊化黏度降低。在强烈的剪切力作用下，双螺旋结构松动，有序的单螺旋结构被破坏，Tp、ΔH降低。因此，在实际应用过程中，可以选择适合的超声时间从淀粉多尺度结构层面上调控LS的性能以提高其品质。
结论
超声处理时间对LS理化和结构特性有较大的影响。超声处理破坏了α-1,6-糖苷键，使部分支链淀粉断裂，形成淀粉短链，并在超声作用下重新排列形成有序的结构。较短时间的超声处理增强了淀粉间的相互作用，双螺旋结构变得有序和紧密，淀粉内部的缠结增强，从而提高了LS的黏弹性。在无定形区和结晶区熔化紧凑的双螺旋结构需要额外的能量，Tp和ΔH分别增大了11.09%和89.21%。此外，超声处理后的淀粉表面出现孔洞和裂缝，促进了水分子向无定形区的注入，从而增加了淀粉的糊化黏度。但长时间的超声处理（40～50 min）不利于这种有序结构的形成。本研究结果验证了超声技术调控和改善LS性能的可行性，并为超声技术应用于生产不同品质的淀粉提供了理论参考。
本文《超声处理时间对莲藕淀粉理化和结构特性的影响》来源于《食品科学》2024年45卷第6期183-191页，作者：廖雪勤，汪楠，胡荣，薛冰洁，张甫生，郑炯。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230424-235。
