天麻（Gastrodia elata Blume）为兰科天麻属植物，具有悠久的药用历史和较高的经济价值，主要分布于我国西南部及部分东亚地区。作为典型的药食同源植物，天麻除含有生物碱、多糖等活性成分外，还富含淀粉，其含量可达干物质的60%以上。天麻淀粉粒径细小、支链淀粉比例高、糊化温度低、凝胶透光率高[1]，这些特性赋予其优良的加工适应性和潜在的功能特性，在食品、医药及相关领域具有较高的应用潜力。然而，与马铃薯、玉米等常见淀粉相比，关于天麻淀粉结构特征与加工特性之间关系的系统研究仍相对匮乏，这在一定程度上限制了其高值化利用。
近年来，淀粉改性技术的发展为提升天麻淀粉的应用性能提供了重要途径[2-4]。其中，超声处理因具备绿色、低能耗和方便控制的优势，在淀粉颗粒结构调控与功能特性改善方面受到广泛关注。研究表明，超声波在液相体系中可通过机械效应、空化作用及伴随的局部热效应破坏淀粉颗粒表面结构[5-6]，促进分子链的断裂或重排，从而影响糊化、凝胶及其他理化性质[7-8]。已有研究在大米、玉米、马铃薯等淀粉体系中验证了其可行性。Raza等[9]研究表明，超声波可以有效地分解淀粉的分子结构，促进大米淀粉与单宁酸形成稳定的V型复合物；汪楠[10]研究表明，超声处理会影响淀粉的非结晶区域，促使水分子进入。然而，目前对天麻淀粉的特性及应用研究相对较少，尤其是超声处理对其分子结构及凝胶特性影响的系统研究仍处于起步阶段。
鉴于此，本研究以天麻淀粉为研究对象，探讨不同超声处理条件下其分子结构及凝胶性能的变化规律，旨在揭示超声作用对天麻淀粉结构-功能关系的调控机制，以期为其在食品、医药及其他领域的深度开发提供理论基础和技术参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
乌天麻：重庆硒旺华宝生物科技有限公司；无水乙醇（纯度99.5%）：重庆湘鸿化工有限公司；氢氧化钠（纯度99.5%）：重庆领盛化工科技有限公司；盐酸：重庆鹏森化工有限公司；碘液（纯度99.5%）：重庆普康消毒用品有限公司。所有试剂均为分析纯，使用前未作进一步纯化。
1.2 仪器与设备
JY2002电子分析天平：上海精密科学仪器有限公司；SHB-IIIS循环水式多用真空泵：郑州长城科工贸有限公司；JY88-IIN超声波细胞粉碎机：宁波新芝生物科技有限公司；LGJ-10C立式真空冷冻干燥箱：深圳市凯瑞琪科技有限公司；SU1510扫描电子显微镜：天美（中国）科学仪器有限公司；TD6M台式低速离心机：四川蜀科仪器有限公司；IRTracer-100傅里叶变换红外光谱仪、UV-2450型分光光度计：日本岛津公司；D8型X射线衍射仪：德国布鲁克公司；TGA2热重分析仪：瑞士梅特勒-托利多公司；CM-3500D台式色差仪：柯尼卡美能达公司。
1.3 方法
1.3.1 天麻淀粉的制备
选取完整新鲜天麻，洗净削皮后切成小块，适量多次与纯净水混合进行搅拌处理，将混浆收集在容器中静置，静置后倒出上清液，取下层混浊液3 份各200 mL放入容器瓶中，备用。
1.3.2 超声处理样品的制备
选择超声功率作为单因素，考察超声功率对天麻淀粉性质以及结构的影响，用烧杯称取100 mL混浊液在超声波细胞粉碎机中进行处理。工作条件：频率范围为20～25 kHz，超声时间为每次10 min，每组进行3 次。功率参数设置为100、300、600 W，超声处理后将混浊液倒入培养皿中进行冷冻干燥处理，得到天麻淀粉样品，并将其研磨成粉末状，进行过筛处理。另取一份等量的混浊液（未经超声处理），按照相同的方式进行冷冻干燥、研磨和过筛，作为对照组样品。
1.3.3 色差测定
参考谭超等[11]的方法，考察不同超声功率对天麻淀粉色差的影响。将处理后的天麻淀粉样品放置在色差仪的测量口径下，记录样品的L*值（明度）、a*值（红度-绿度）、b*值（黄度-蓝度），每个样品测量多次取平均值，以确保数据准确性。利用得出的数据求取亮度、白度（W*）和饱和度。
1.3.4 红外光谱测定
参考张晓磊等[12]的方法，按照质量比1∶100取少量样品与干燥的KBr粉末混合，在红外灯照射下置于玛瑙研钵中研磨，使其充分混合均匀。然后取少量混合物粉末压片后，置于傅里叶变换红外光谱仪上测试，扫描波数范围为4 000～650 cm-1，考察超声功率对天麻淀粉分子基团的影响。
1.3.5 X射线衍射测定
参考肖艳等[13]的方法，通过X射线衍射仪对超声处理的天麻淀粉进行分析。程序设定为工作电流40 mA，电压30 kV，扫描速率为5°/min，扫描范围为5°～80°，在Jade6.5软件中计算X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）图谱中淀粉结晶度。
1.3.6 热重测定
参考展海军等[14]的方法，考察不同超声功率对天麻淀粉热稳定性的影响。取适量超声处理前后的天麻淀粉样品，放入热重分析仪中，以一定的升温速率从室温升至较高温度，记录样品质量随温度的变化数据，得到热重分析（thermogravimetric analysis，TGA）曲线。在程序控制温度下，测量物质的质量与温度的关系。对于天麻淀粉，随着温度升高，其分子中的水分、结晶水以及化学键会在不同温度区间发生变化，导致质量损失，通过分析TGA曲线可了解其热稳定性和分子结构特征。
1.3.7 扫描电子显微镜测定
参考廖雪勤等[5]的方法，考察不同超声功率对天麻淀粉颗粒形貌的影响。取适量待测样品，用导电双面胶粘附在铜台上，通过离子溅射仪真空喷金后，采用5.0 kV的加速电压进行扫描电子显微镜观察并拍摄具有代表性的样品图像。
1.3.8 淀粉糊透明度测定
参考胡婕妤等[15]的方法，考察不同超声功率对天麻淀粉糊透明度的影响。分别称取对照组及100、300、600 W超声处理后的天麻淀粉样品各1.0 g，加入100 mL水中沸水浴振荡糊化30 min，冷却后，测定650 mm波长处的透光率。采用分光光度计测量淀粉糊的透明度（T），蒸馏水作为空白。
1.3.9 淀粉冻融稳定性测定
参考鲍春铭等[8]的方法，考察不同超声功率对天麻淀粉冻融稳定性的影响。分别取对照组及100、300、600 W超声处理后的天麻淀粉样品，配制成质量分数6%的淀粉乳，沸水浴振荡糊化30 min，冷却后，于-18 ℃冰箱冷冻，冷冻24 h后取出，测定失水率。失水率（X，%）计算公式如下。
式中：G0为离心管质量，g；G1为离心管和淀粉糊化后的总质量，g；G2为离心管和离心沉淀物的总质量，g。
1.4 数据处理
使用软件IBM SPSS Statistics 26进行显著性分析，利用Origin 2024绘制图形。所有试验至少独立进行3 次，结果以平均值±标准差的形式表示。
2 结果与分析
2.1 色差分析
不同超声功率处理天麻淀粉的色差如表1所示。
表1 不同超声功率处理天麻淀粉的色差
Table 1 Color difference of G. elata Blume starch under different ultrasonic power
注：同列不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）。
处理条件L*值a*值b*值W*饱和度对照组89.81±2.01b0.22±0.20ab3.18±0.26a89.32±1.85b3.55±0.24a 100 W97.22±0.27a0.17±0.06ab1.53±0.12c96.79±0.29a1.59±0.13c 300 W97.52±0.65a0.03±0.09b1.51±0.36c97.15±0.27a1.54±0.36c 600 W98.04±0.41a0.29±0.04a2.27±0.36b96.99±0.03a2.34±0.88b
由表1可得，相比对照组，随着超声功率的增加，所有处理组的L*值明显增加，这可能是因为超声处理使天麻淀粉的分子链发生断裂，淀粉颗粒表面变得更规整、光滑，对光的散射和反射更均匀，从而提高了样品的整体L*值[16]。a*值和b*值的变化体现在白度和饱和度的变化中。所有处理组白度与对照组相比都有增加，原因可能是超声处理具有一定的清洗作用，可能使淀粉表面或内部的一些色素、杂质等被去除，减少了这些物质对光的吸收和散射，使淀粉本身的白色得以更好呈现，从而提高白度。也可能是因为超声引发淀粉分子中一些基团的变化，如使部分羟基、糖苷键等极性结构更有序地排列，增强了对可见光的反射能力，并且在一定程度上改变了淀粉对不同波长光的吸收特性，使其对蓝光、紫光等短波长光的反射增强，从而提高白度。因为白度的感知与对蓝光的反射有较大关系，蓝光反射增加会让人感觉样品更白[11]。3 种样品的饱和度与对照相比显著降低，原因可能是超声处理改变了淀粉分子的电子云分布和共轭体系。分子结构的变化使得淀粉对不同波长光的吸收和反射能力发生改变，进而导致颜色的饱和度降低[17]。此外，超声处理还可能引起淀粉颗粒表面性质的变化，影响光在颗粒表面的散射和反射，也对饱和度的下降有一定影响。
2.2 傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）分析
不同超声功率处理天麻淀粉的傅里叶变换红外光谱如图1所示。
图1 不同超声功率处理天麻淀粉的傅里叶变换红外光谱
Fig.1 FT-IR of G. elata Blume starch under different ultrasonic power
由图1可知，与对照组相比，随着超声功率的增加，所有处理组的红外光谱均与对照组大致相似，峰位没有出现较大的偏移。天麻淀粉在3 300 cm-1左右的位置存在宽峰，这是O—H键的伸缩振动吸收峰，这表明天麻淀粉分子中存在大量的羟基[12]。相比对照组，所有处理组在3 300 cm-1处的峰强度都有不同程度的增加，这可能是因为超声处理破坏了部分天麻淀粉分子内或分子间的氢键，从而导致羟基的环境发生改变[18]。此外，1 200～900 cm-1区域内有多个尖锐吸收峰，这与天麻淀粉的α-糖苷键和糖环的振动有关。相比对照组，所有处理组在1 065 cm-1和970 cm-1处的特征峰强度明显增强，这可能是因为超声处理在一定程度上破坏了糖苷键，导致天麻淀粉分子的构象发生了变化，从而影响了淀粉的结构和性质。由处理组与对照组的差异可知，超声处理主要是通过超声空化作用和机械作用对天麻淀粉结构产生影响。具体而言，在3 300 cm-1左右的宽带吸收峰会受到超声空化作用，产生局部高温高压环境，导致淀粉分子内的氢键发生断裂和重排，更多氢键暴露出来，使吸收峰强度增强；而在1 200～900 cm-1左右的尖锐吸收峰是超声的机械作用使其分子构象发生的变化，让原本处于不易被红外探测到的糖苷键暴露出来，导致吸收峰值上升。因此，超声处理强度显著影响天麻淀粉分子结构与性质，且呈正相关效应。即强度越高，对淀粉分子的作用越显著，包括颗粒破碎、分子链断裂、结晶结构破坏及理化性质改变等[12]。
2.3 XRD分析
不同超声功率处理天麻淀粉的XRD图谱如图2所示，不同超声功率处理下的天麻淀粉结晶度见表2。
图2 不同超声功率处理天麻淀粉的X射线衍射图谱
Fig.2 XRD of G. elata Blume starch under different ultrasonic power
表2 不同超声功率处理天麻淀粉结晶度
Table 2 Crystallinity of G. elata Blume starch under different ultrasonic power
注：同列不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）。
对照组24.8c 100 W25.3bc处理条件结晶度/%300 W26.3ab 600 W27.1a
由图2可知，相比对照组，随着超声功率的增加，所有处理组峰位没有发生明显变化，但衍射峰强度有明显增强；结合表2可得，相比对照组，所有处理组的结晶度都有提升（24.8%～27.1%），并且随着超声功率的增加，结晶度也在增加。这可能是因为超声处理的空化效应和机械效应使淀粉颗粒中非结晶区（无定形区）的无规则分子链构象遭到破坏，分子间及分子内的氢键、范德华力等弱相互作用被打断，原本松散无序的非结晶态结构被重塑。随着非结晶区的瓦解，淀粉分子链得以重新排列，分子链的规整性显著提升，促使更多淀粉分子链片段进入有序的结晶区域，进而导致淀粉整体结晶度呈现增加趋势[13]。
2.4 TGA分析
不同超声功率处理天麻淀粉的TGA如图3所示。
图3 不同超声功率处理天麻淀粉的热重分析
Fig.3 Thermal weight of G. elata Blume starch under different ultrasonic power
质量变化速率表示的是质量随温度变化的速率。当质量变化速率为负数时，说明样品的质量随着温度的升高在减少，这意味着样品正在发生分解、挥发或其他导致质量损失的过程。如图3A可知，在50～100 ℃时，出现了第一次下降，这是由于随着温度的升高，淀粉中水分的挥发导致的质量变化[14]。在300 ℃附近，出现了波谷，当出现波谷时，意味着在该温度点处，样品质量变化速率达到一个相对最小值。结合前面提到的质量变化速率为负表示样品质量随温度升高而减少，因此波谷表示在这个温度下，样品质量减少的速率最慢[14]。由图3B可得，3组不同功率处理下的天麻淀粉的波谷出现的时间要明显迟于对照组，说明超声处理使天麻淀粉分子间相互作用增强，分子结构更加有序，抵抗热分解的能力提高，延缓了淀粉在加热过程中质量损失的进程，进而提升了热稳定性。因此，超声波产生的机械效应和空化作用能够促使淀粉分子重排，从而形成更稳定的结构[12]。
2.5 扫描电子显微镜（scan electron microscope，SEM）分析
不同超声功率处理天麻淀粉的SEM图如图4所示。
图4 不同超声功率处理天麻淀粉的扫描电子显微镜图
Fig.4 SEM images of G. elata Blume starch under different ultrasonic power
由图4可知，相比于对照组，不同超声功率下的天麻淀粉受到了不同程度的侵蚀，且随着超声功率的增加，淀粉颗粒表面孔洞越来越多，凹陷程度越来越深，受侵蚀的颗粒也越来越多，部分颗粒甚至发生断裂，这都与超声功率的增加密切相关[5]。
2.6 淀粉糊透明度分析
不同超声功率处理天麻淀粉糊的透明度如表3所示。
表3 不同超声功率处理天麻淀粉糊的透明度
Table 3 Transparency of G. elata Blume starch paste under different ultrasonic power
注：同列不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）。
处理条件透明度/%对照组5.200±0.026d 100 W6.400±0.026c 300 W7.100±0.036b 600 W7.700±0.026a
由表3可知，随着超声功率的提高，所有处理组的透明度相较于对照组都有所升高（5.200%～7.700%），这主要归因于超声处理使天麻淀粉颗粒粒径减小、分子链均匀化以及淀粉-水相互作用增强，进而减少了光线散射，提高了光线透过率。以此推测适当的超声处理能够改变淀粉颗粒结构、破坏部分分子链以及分子间作用力，使天麻淀粉糊的透明度得到提高[19]。综上，分子结构与透明度紧密相关，超声处理引起的结晶区破坏、氢键改变等天麻淀粉分子结构变化与淀粉糊透明度的变化紧密相关，分子结构的改变直接影响了淀粉在糊化过程中的行为以及与水的相互作用，最终反映在淀粉糊透明度的变化上[15]。
2.7 淀粉冻融稳定性分析
失水率的大小反映了淀粉糊在冻融过程中的稳定性和低温条件下淀粉老化速率的快慢程度。失水率越小，说明淀粉糊的冻融稳定性越好；反之，则越差。不同超声功率处理天麻淀粉的失水率如表4所示。
表4 不同超声功率处理天麻淀粉的失水率
Table 4 Dehydration rates of G. elata Blume starch under different ultrasonic power
注：同列不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）。
处理条件失水率/%对照组52.54±1.14a 100 W47.63±0.21b 300 W 43.84±0.26c 600 W38.63±0.43d
由表4可得，未处理的对照组在冷冻又融化后，失水率最高（52.54%），随着超声功率的增加（100、300、600 W），失水率随之降低（52.54%～38.64%），这是由于未经超声处理的天麻淀粉的冰晶形成和生长，导致凝胶结构被破坏，出现脱水收缩现象，从而使质量减小[20]。相较之下，超声处理后的淀粉形成的凝胶网络结构更为规整和稳定。一方面，分子链的断裂和重排使凝胶网络的交联点增加，网络结构更加牢固；另一方面，颗粒表面性质的改变使得颗粒之间的相互作用更加协调，进一步稳定了凝胶网络，阻止了水分的析出，降低了失水率[8]。因此，随着超声功率的增加，所有处理组的失水率相比于对照组都有所下降，说明经过超声处理后的天麻淀粉冻融稳定性有所提高。
3 结论
本文系统分析了不同超声功率对天麻淀粉分子结构、形貌及功能特性的影响。结果表明，超声处理未改变天麻淀粉的基本化学单元，亦未生成新的化合物，但随着超声功率的增加，其分子内羟基和糖苷键受到不同程度破坏，导致部分分子间作用力减弱，热稳定性下降。形貌观察结果显示，超声处理引起淀粉颗粒表面侵蚀和孔洞形成，且功率越高，颗粒破裂与表面凹陷越明显。结构分析结果提示，超声空化效应可破坏部分结晶区，衍射强度降低。功能特性方面，适度超声可提高糊化透明度和部分凝胶性能，而过度处理会破坏凝胶网络结构，降低透明度与冻融稳定性。本研究明确了超声功率对天麻淀粉结构与性能的影响规律，为后续天麻淀粉的精准改性提供了理论依据。
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