表1 小麦淀粉基本成分表
Table 1 Wheat starch basic ingredient list %
小麦淀粉 含量水分含量 12.36±0.11灰分含量 0.61±0.04蛋白含量 0.19±0.08脂肪含量 0.45±0.03直链淀粉含量 26.93±0.37
摘 要：为探究光量子辐照在低温条件下对淀粉回生的影响效果，以小麦淀粉为材料，经完全糊化后分别置于普通保鲜箱和光量子场保鲜箱中，研究光量子辐照在4℃下保藏20 d对糊化小麦淀粉回生作用的影响。采用TA.XT.Plus质构仪、体外消化性、差示扫描量热仪（DSC）、X－射线衍射仪（XRD）等仪器分析评价光量子辐照对淀粉回生的抑制作用。结果表明：4℃条件下，随着贮藏时间的延长，光量子辐照降低了淀粉凝胶的硬度，淀粉体系中快消化淀粉含量降低，慢消化淀粉含量增加，与对照组相比，淀粉结晶度降低了11.5%。由此可知，光量子辐照能在一定程度延缓淀粉回生，为光量子辐照保鲜淀粉制品提供依据。
关键词：光量子；小麦淀粉；回生（老化）；X-射线衍射
光子学是研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学，光子是电磁辐射的量子，能传递电磁且相互作用，光子具有能量，也具有动量，更具有质量。光量子技术作为一门应用科学多应用于医学、农业和食品工业。在食品工业中主要用于谷物成分（质量）分析[1]，牛奶在线监测[2]，果实内部是否有蛀虫通道[3]等检测领域，而光量子保鲜技术的研究和应用较少，本项目组前期研究表明光量子技术对冷藏过程的果实具有很好的保鲜效果[4]。进而通过电场加强、材料加压处理等手段，针对烘培食品保藏，设计了模拟光子发生装置，以减轻食品的质构与消化性劣化。
本试验旨在以小麦淀粉为原料，经完全糊化处理，研究光量子辐照在4℃下对糊化小麦淀粉贮藏期间的影响，以结晶度为判断淀粉回生的依据[5]，为光量子辐照保鲜淀粉制品以及面包的风味和口感改善提供理论基础。
小麦淀粉购于上海绿苑淀粉有限公司；直链淀粉标准品和支链淀粉标准品购于美国Sigma-Aldrich公司；猪胰腺α-淀粉酶（10 U/mg）购于美国Sigma-Aldrich公司；糖化酶（100 U/mg）北京博奥拓达科技有限公司；氢氧化钠、硼酸、浓硫酸、石油醚、3，5-二硝基水杨酸、甲基红、亚甲基蓝、苯酚、酒石酸钾钠、硫酸铜、氯化钠、碘等均为分析纯试剂均为市售国产试剂。
光量子装置：天津科技大学自制；低温培养箱：上海一恒有科技限公司；TA.XT.Plus质构仪：Stable Micro System，U.K；700-Service 超低温 冰箱：Thermo U.S；XMTD-204数显式电热恒温水浴锅：天津欧诺仪器仪表有限公司；DSC-60A差示扫描量热仪：SHIMADZU，JAPAN；8453紫外可见分光光度计：Agilent Technologies，U.S；XRD-3全自动多晶X射线衍射仪：北京普析通用仪器有限责任公司。
小麦淀粉凝胶制备：称取一定量的样品，按重量比1∶1.5的比例加入蒸馏水，在沸水浴中充分加热糊化，平均分成若干份，放入4℃低温培养箱内，分别在第0、1、3、5、7、10、15、20 天取样，部分样品测定水分含量、TPA测定，部分样品冷冻干燥，粉碎过100目筛，备用。
1.4.1 小麦淀粉基本成分的分析
水分含量测定：采用干燥恒重法（GB/T 22427.2-2008《淀粉水分测定》）；灰分含量测定：采用灼烧质量法（GB/T 22427.1-2008《淀粉灰分测定》）；蛋白质含量测定：采用凯氏定氮法（GB 5009.5-2010《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》；脂肪含量测定：GB/T 5009.6-2003《食品中脂肪的测定》。直链淀粉含量测定：参考大米支链淀粉含量测定（GB/T 15683-2008《大米 直链淀粉含量的测定》），精确称取100 mg直链淀粉和支链淀粉标品，分别制备1 mg/mL的直链淀粉与支链淀粉标准溶液，按不同比例配成一系列混合溶液，加入碘试剂在620 nm测定其吸光度，以直链淀粉的含量为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。
1.4.2 小麦淀粉凝胶贮藏期间质构特性变化
TPA测定模式：参考AACC74-09测试方法：选用P/36直径26 mm不锈钢圆柱形探头，测前速率1.00 mm/s；测试速率 1.00 mm/s；测后速率 1.00 mm/s；压缩程度为30%；两次压缩之间停留时间为2 s；压缩次数2次，并重复测定3次，测得质构特征曲线，用配套软件收集和处理数据，得到表征质构状况的评价参数：硬度、胶着性、粘聚性、弹性和恢复性。硬度是判定淀粉凝胶回生程度的重要参数。
1.4.3 小麦淀粉贮藏期间消化特性测定
淀粉的消化特性测定参照Englyst等[6]提出的体外模拟酶水解法：称取0.100 g样品，加入25 mL磷酸盐缓冲液（pH6.9），再加入α-淀粉酶（约250 U）和葡萄糖淀粉酶（约100 U）溶液5mL，混合均匀，恒温磁力搅拌水浴锅中37℃分别作用20 min和120 min后，用3，5-二硝基水杨酸法[7]测定样品中葡萄糖的含量。
淀粉凝胶的消化特性能通过快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）来表征，计算公式如下：
快消化淀粉 RDS=（G20-FG）×0.9；
慢消化淀粉 SDS=（G120-G20）×0.9；
抗性淀粉 RS=TS-（RDS+SDS）。
式中：G20为20 min内样品酶水解产生的葡萄糖质量，mg；FG为酶水解前样品中游离的葡萄糖质量，mg；G120为120 min内样品酶水解产生的葡萄糖质量，mg；TS 为样品中总淀粉量，mg。
1.4.4 贮藏过程中小麦淀粉的测定
分别取贮存不同时间适量的待测淀粉凝胶样品（2 mg～3 mg）放于差示扫描量热仪（DSC）中，压盖密封后进行差示扫描量热仪测定。设定升温程序如下：扫描温度范围从25℃～200℃，升温速率为10℃/min，以空坩埚作对照，载气为空气。通过DSC配套的数据处理软件分析可以得到以下数据：起始糊化温度（T0），峰值糊化温度（TP），糊化终止温度（TC）以及热焓△H等热力学参数。
1.4.5 X-射线衍射测定贮藏过程中小麦淀粉结晶度
样品前处理：配制一定量饱和氯化钠溶液，将样品放置在盛有饱和氯化钠的干燥器内，平衡水分1周。
XRD 扫描范围为 4°～40°（2θ），扫描速度为 2°/min。结果由MDI Jade 5.0软件进行分析，采用曲线作图法计算样品结晶度。
小麦淀粉基本成分见表1。
表1 小麦淀粉基本成分表
Table 1 Wheat starch basic ingredient list %
小麦淀粉 含量水分含量 12.36±0.11灰分含量 0.61±0.04蛋白含量 0.19±0.08脂肪含量 0.45±0.03直链淀粉含量 26.93±0.37
从表1中得出：小麦淀粉原料中脂肪和蛋白质的含量很低，对试验结果影响较小。
贮藏过程中淀粉凝胶硬度变化见图1。
从图1中可以看出，随着贮藏时间的延长，小麦淀粉凝胶硬度逐渐增大，到第20天对照组小麦淀粉凝胶硬度从14.373 g增大到36.485 g，增加了22.112 g，光子组从14.373 g增大到31.881 g，增加了17.508 g，与对照组相比较光子组硬度下降了20.82%。说明光量子能够延缓淀粉回生。随着贮藏时间的延长，对照组与光子组淀粉凝胶硬度差异逐渐明显，光子组硬度要明显低于对照组。小麦淀粉凝胶硬度增大原因可能是在贮藏过程中淀粉凝胶中水分含量的减少造成的，推测出可能是光量子影响淀粉凝胶中水分子与淀粉体系组分的相互作用，减少水分散失，一定程度抑制淀粉回生。
图1 小麦淀粉凝胶硬度变化图
Fig.1 Wheat starch gel hardness change figure
贮藏过程中淀粉凝胶体外消化性测定结果见图2～图 4。
图2 快消化淀粉含量变化图
Fig.2 Fast digestible starch content change figure
图3 慢消化淀粉含量变化图
Fig.3 Slowly digestible starch content change figure
从图2、3中可以看出，随着贮藏时间的延长，淀粉体系中的快消化淀粉含量逐渐降低，慢消化淀粉的含量逐渐增加。到第20天，对照组小麦淀粉体系中快消化淀粉含量从80.59%降低到55.67%，光子组从80.59%降低到63.91%；对照组慢消化淀粉从8.04%增加到28.94%，光子组从8.04%增加到23.05%。与对照组相比，光子组小麦淀粉体系中快消化淀粉含量增大8.24%，慢消化淀粉含量减小5.89%。方差分析结果显示，快消化淀粉含量在第1天后对照组和光子组差异显著，慢消化淀粉含量在第3天后两组开始出现显著差异。上述结果表明淀粉体系中快消化淀粉和慢消化淀粉含量的变化程度光子组显著低于对照组，光量子在一定程度上能延缓淀粉回生。
图4 抗性淀粉含量变化图
Fig.4 Resistant starch content change figure
田耀旗[8]研究表明直链淀粉“回生”过程中，共价键能抑制淀粉分子链的有序化；范德华力能、氢键力能和静电力能在淀粉链“冷却”回生过程中显著增强，这3组力促进淀粉链有序化过程。其他研究认为，淀粉中的直链淀粉组分的重结晶主要形成晶核，为支链淀粉回生提供晶种源。本试验中推测可能是光量子产生的能量对淀粉凝胶中4个或其中几个作用力产生不同的作用，其综合作用的结果是降低直链淀粉的回生速率，使得支链淀粉的重结晶在直链淀粉回生受到抑制下速率降低，淀粉凝胶在长期贮藏的过程中回生速率显著降低。
从图4中可以看出，抗性淀粉的含量在0～3天内有少量增加，对照组与光子组在第1天～第3天含量差异显著，3天后增加趋势趋于平缓，对照组抗性淀粉含量与光子组含量差异不显著。抗性淀粉含量的增加主要是直链淀粉分子缠绕形成三维网络结构，随着网格结构的增加，淀粉体系中以双螺旋形式形成的局部有序化程度增加，对淀粉酶的水解抗性也增大，淀粉不被水解的含量增多[9]。上述结果表明，光量子对直链淀粉的回生可能有影响。而在3天后，淀粉的回生主要是支链淀粉重结晶引起淀粉体系中慢消化淀粉含量增加。
贮藏过程中小麦淀粉热焓值的测定见图5。
从图5中可以看出，随着贮藏时间的延长，对照组和光子组小麦淀粉样品的重新熔融的热焓值逐渐增加。到第20天，对照组热焓值从200.12 J/g增加到243.2 J/g，光子组热焓值从200.12 J/g增加到233.23 J/g，与对照组相比，光子组的热焓值减小9.97 J/g。方差分析结果显示，在第3、5、7、15、20 d光子组的热焓值和对照组都出现显著差异。上述结果表明：光子组淀粉重新熔融需要的热量明显低于对照组，光子组小麦淀粉凝胶回生程度低于对照组，光量子在一定程度上能够延缓小麦淀粉凝胶的回生。
图5 小麦淀粉热焓值变化图
Fig.5 Wheat starch heat enthalpy variation
淀粉的回生主要是由于在低温条件下淀粉分子自由运动程度降低，又重新排列成形成结晶区的缘故，淀粉分子之间通过氢键又逐步恢复而形成致密、有序化的结晶束。光量子抑制淀粉回生可能与光量子产生的能量有关系，光量子产生的能量对淀粉分子间的氢键产生影响，使相邻淀粉分子间氢键不易结合，使淀粉分子的有序性重排降低，以此干扰了淀粉分子微晶束氢键的形成，进一步延缓淀粉的回生。
X-射线衍射测定小麦淀粉结晶度见图6。
图6 小麦淀粉结晶度变化图
Fig.6 Wheat starch crystallinity change chart diagram
从图6中可以看出，淀粉结晶度随着贮藏时间的延长结晶度呈上升趋势，对照组淀粉结晶度从9.27%增加到19.47%，光子组淀粉结晶度从9.27%增加到17.23%，到第20天，与对照组相比，光子组结晶度减小2.24%。方差分析显示，在第3天后光子组结晶度和对照组出现显著差异。上述结果表明：光子组小麦淀粉中有序结晶区域明显低于对照组，光量子一定程度上延缓淀粉的回生。
小麦淀粉回生后晶体类型发生改变，从A-型晶体转变为B-型晶体。在储藏过程中随着淀粉凝胶回生程度的增加，晶体峰的强度逐渐增加，支链淀粉的重结晶含量有一定程度的增加。光量子的存在对支链淀粉的重结晶产生影响，降低其速率，从而达到延缓淀粉回生目的。Yibin Zhou[10]等研究多糖的加入可以降低糊化后放置过程中小麦淀粉的结晶度，得出多糖能抑制小麦淀粉回生的结论，比较得出光子组淀粉凝胶中支链淀粉重结晶程度比对照组小，与其研究结果一致，可推测光量子能抑制淀粉回生，但光量子抑制淀粉回生的机理与多糖不一致。
本研究创新点在于光量子在4℃保鲜小麦淀粉凝胶，测定其质构特性、热特性、消化性、结晶度变化，试验结果表明：4℃条件下，随着贮藏时间的延长，光量子辐照降低了小麦淀粉凝胶的硬度，淀粉体系中快消化淀粉含量降低，慢消化淀粉含量增加，与对照组相比，淀粉结晶度也发生变化降低了11.5%。由此可知：光量子辐照能在一定程度延缓糊化淀粉回生，也表明光量子辐照在贮藏面制品及高淀粉含量面制品存在极大的应用前景。
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Preliminary Research on Effects of Light Quantum Radiation on Starch Retrogradation
Abstract：To study effects of light quantum irradiation on starch retrogradation at low temperature，wheat starch which has been gelatinizized were stored in preservation box installed light quantum irradiation and non-light quantum irradiation at 4℃ for 20 d，respectively.Indexes of starch retrogradation were measured by TA.XT.Plus Texture Analyzer，Differential Scanning Calorimetry （DSC），In Vitro Digestibility，and X-ray Diffraction（XRD）.The results showed that the hardness of starch gel reduced together with the extension of storage time at4℃ compared with control，and the content of rapidly digestible starch in the starch system decreased and the slowly digestible starch increased.Meanwhile the crystallinity of the starch also decreased 11.5%than control group.Therefore the light quantum irradiation can delay starch retrogradation to some extent，which provides benefit to delay starch retrogradation with light quantum radiation preservation.
Key words：photon；wheat starch；retrogradation（aging）；X-ray diffraction
DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.14.002
基金项目：国家自然科学基金项目（31271950）
收稿日期：2016-02-02