Effect of Fluidized Bed Jet Milling on Structure and Properties of Potato Starch
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摘要: 为研究流化床气流超微粉碎对淀粉结构及性质的影响，以马铃薯淀粉为原料，采用激光粒度分析仪、扫描电子显微镜、光电子能谱仪、同步热分析仪、流变仪等多种仪器及分析手段，考察气流粉碎对马铃薯淀粉颗粒大小及形貌、表面基团、热稳定性、流变特性、溶解度、膨胀度及透明度等结构及性质的影响。结果表明：马铃薯原淀粉经气流粉碎微细化处理后，平均粒径（D50）减小至13.59±0.04 µm；X射线光电子能谱（XPS）的谱图中没有出现新元素峰位，淀粉颗粒表面没有引入新元素；直链淀粉含量增加，支链淀粉分子链变短，溶解度、膨胀度和淀粉糊透明度增加；粘性阻力减小，表观粘度降低；淀粉分子氢键及分子链均发生断裂，凝沉性下降，该研究为马铃薯淀粉的深度加工与应用提供了理论依据及技术支撑。Abstract: The structure and properties of potato starch were investigated after superfine grinding with a fluidized bed jet mill. The particle size, granular morphology, functional groups, rheological property, thermal and physicochemical properties of the potato starch were characterized using laser particle size analyzer (LPA), scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectrometer (XPS), simultaneous thermal analyzer and rheometer. It was found that the particle size of potato starch was significantly decreased to 13.59±0.04 μm after superfine grinding. There was no new element peak in the spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), no new elements were introduced on the surface of starch granules. The amylose content increased, the molecular chain of amylopectin shortened, and the solubility, swelling degree and transparency of starch paste increased. The viscosity resistance decreases, and the apparent viscosity decreased. The hydrogen bonds and molecular chains of starch molecules were broken, and the retrogradation decreased. This study provides a theoretical basis and technical support for improving deep exploitation and utilization of potato starch.
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淀粉在自然界中广泛存在，是各种植物中重要的贮藏多糖[1]。其是由α-1,4和α-1,6两条糖苷键与D-吡喃葡萄糖相互连接而形成的水不溶性葡聚糖，主要由直链淀粉和支链淀粉两种组分构成，且直链淀粉和支链淀粉的含量决定了淀粉的性质[2]。淀粉分子中羟基含量丰富，导致分子内部富含氢键，易形成多晶体结构[3]。马铃薯是许多高产品种的重要植物淀粉来源。与其他植物淀粉相比，马铃薯淀粉具有更高的峰值粘度和更好的糊透明度，同时具有粉体颗粒大、黏度大、透明度高、膨胀效果好、易糊化、不易老化等独特性能，因此在食品工业中得到广泛应用[4-6]。且现阶段，马铃薯淀粉成为主要改性淀粉原材料，人们通过利用物理、化学和生物等方法对马铃薯淀粉进行改性，并对其理化性质和结构进行分析研究，增强或改变其性能，赋予马铃薯淀粉新的功能特性，使其在多个领域内符合生产、应用需要[7-8]。
气流超微粉碎被归类为流体能量冲击粉碎处理技术，通常用于生产超细粉末[9]。该技术也常用于粉体微细化处理中，是一种较为高效的物理改性方法。气流粉碎机粉碎获得的产品粒径较小，其粒度范围一般在5~15 µm之间[10-11]。史德芳等[12]通过气流粉碎处理方式实现了香菇柄细胞级粉碎，处理后的香菇柄多糖溶出率较原料提高1倍；杨春瑜等[13]利用气流粉碎黑木耳，经气流粉碎后的黑木耳微粉中蛋白的溶出率较原料提高2~3倍；Wang等[14]利用气流粉碎玉米淀粉，得到了经微细化处理后的玉米淀粉微观结构、糊化温度、重结晶成核方式、老化速率等均发生改变。Muttakin等[15]利用气流粉碎处理脱脂大豆，经处理后的大豆微粉在持水性、持油性、溶解性上均显著增加。且研究表明，马铃薯淀粉经超微粉碎处理后，可以在一定程度上改善其理化性质，从而扩展其原料的用途。然而，目前采用气流超微粉碎技术处理马铃薯淀粉的研究报道较少，处理后马铃薯淀粉的理化性质及微观结构如何变化尚不清楚。且气流粉碎以净化后空气为粉碎动力，粉碎过程不会对产品造成污染，更不会出现局部过热现象，不仅能保持物料原有天然活性，还能满足药品、食品等行业加工高纯度的要求[16]。
本课题组前期利用气流粉碎技术对“A”型晶体结构的天然玉米淀粉进行超微粉碎处理，发现超微粉碎处理改变了玉米淀粉结构及理化特性[14]。本研究以“B”型晶体结构的天然马铃薯淀粉为原料，利用气流超微粉碎技术进行微细化处理，探究气流超微粉碎对马铃薯淀粉颗粒形貌、晶体结构、表面基团、热力学特性、流变特性、溶解度、冻融稳定性及透明度等结构和理化性质的影响，为马铃薯淀粉物理改性技术研究及其在食品、医药等工业中的应用提供技术参考。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
食用马铃薯淀粉 一级品，黑龙江裕雪淀粉有限公司；直链淀粉标品 分析纯（纯度99%），Sigma-aldrich；NaOH（纯度96%）、HCL（37%）、无水乙醇（纯度99.7%）、H2SO4（纯度98%） 分析纯，辽宁泉瑞试剂有限公司。
气流粉碎机组、LHL中试型流化床式 山东潍坊正远粉体工程设备有限公司；Bettersize2000激光粒度分布仪 丹东市百特仪器有限公司；S-3400N扫描电子显微镜（SEM） 日本HITACHI；ESCALAB250Xi X光电子能谱仪（XPS） 美国Thermo Fisher Scientific；RS6000流变仪 德国HAAKE；SDT-Q600同步热分析仪 美国TA仪器公司；TU-1800紫外可见分光光度计 北京普析仪器公司。
1.2 实验方法
1.2.1 微细化马铃薯淀粉的制备
以马铃薯淀粉为原料，利用流化床气流粉碎机组制备超微粉。进料量1.0 kg，粉碎气体压力0.8 MPa，粉碎时间2.0 h，在不同分级转速（1800、2400、3000、3600和3900 r/min）条件下获得不同粒度微细化淀粉样品，备用。
1.2.2 淀粉粒度测定
采用激光粒度仪测定淀粉粒度，方法参照王立东等[17]的方法并稍作调整，以蒸馏水为分散剂，放置于超声仪中5 min，电脑检测结果。
1.2.3 淀粉颗粒SEM观察
测定方法参照Liu等[18]的方法并稍作调整，取适量淀粉样品，均匀放置在涂有导电胶样品台上，喷金处理后置于SME下观察，选择不同放大倍数下观察。
1.2.4 淀粉颗粒XPS测定
测定方法参照Yuan等[19]的方法并稍作调整，选用Al-Kα线：1486.6 eV，0.8 eV线宽，真空度5×10−9 Pa，发射电压15 kV，功率150 W，以结合能为284.6 eV C1s峰为标准进行能量校正，干燥至恒重后惰性气体保护，用双面胶（普通/导电胶）将样品粘至样品台上。
1.2.5 淀粉的溶解度和膨胀度测定
测定方法参照董吉林等[20]的方法并稍作调整，1 g样品与50 mL蒸馏水均匀混合，不同温度糊化处理后冷却至室温。4000 r/min条件下离心10 min，将上清液吸取至铝箔中，干燥箱中烘干至恒重后称重，上清液干燥后重与淀粉干重之比即为溶解度。计算公式如式（1）和（2）所示：
S(%)=M3−M2M1×100 (1) B(%)=M4M1×（1−S）×100 (2) 式中：S—溶解度（%）；M1—样品重量（g）；M2—铝箔重量（g）；M3—上清液干基与铝箔总质量（g）；B—膨胀度（%）；M4—沉淀物干基重量（g）。
1.2.6 淀粉的热稳定性
参考Dochia等[21]的方法，使用同步热分析仪进行测定，测试条件：分别称取10.0 mg（干基）淀粉样品于坩埚中，气体气氛为空气，气体流量为100 mL/min，实验温度范围为30~800 ℃，氮气为保护气体，输出热重曲线（TG）。
1.2.7 淀粉的流变性测试
方法参考Xia等[22]的方法并稍作调整，称取马铃薯淀粉，配制成10%的淀粉乳液，充分搅拌后沸水浴糊化处理，使用流变仪对样品进行流变特性测定，设置剪切速范围为0.01~100 s−1。
1.2.8 淀粉的凝沉性测定
参照李真等[23]的方法并做适当调整，取0.30 g马铃薯淀粉样品于带有刻度的50 mL试管中，加入蒸馏水配制成1%（m/v）淀粉乳液，置于沸水浴中搅拌至充分糊化，冷却至室温后，观察24 h内淀粉糊上清液体积变化，每4 h记录一次。
1.2.9 淀粉的透明度测试
参考张杰[24]的方法并稍做调整，配制浓度为1%（w/v）不同粒度梯度淀粉乳液，置于沸水浴中充分糊化后冷却至室温，室温下贮藏72 h，以蒸馏水为参比，在640 nm波长下，每隔12 h使用紫外可见分光光度计测定淀粉乳透光率。
1.3 数据处理
试验结果为三次测量平均值，结果以平均数±标准差表示。采用Originlab8.5和Design-Expert软件对实验结果进行绘图，采用SPSS22、Minitab19软件进行数据处理和Pearson相关分析。
2. 结果与分析
2.1 淀粉粒度分析
由表1中可以看出，天然马铃薯淀粉在D50水平上的颗粒直径为39.75±0.07 μm，在分级转速3000 r/min时，马铃薯淀粉颗粒直径达到最小值，D50水平上的粒径为13.59±0.04 μm。超微粉碎有效降低了马铃薯淀粉颗粒直径，但随分级转速增加，颗粒直径出现了增大的趋势。原因是当淀粉颗粒在低分级转速下，淀粉分子有效碰撞几率小，粉碎不完全，颗粒直径相对较大。但随着分级转速增加，淀粉颗粒在气流粉碎机粉碎腔体中动能加大，颗粒之间有效碰撞、剪切、摩擦概率增加，颗粒直径减小。但随着分级转速的持续增加，颗粒直径减小速率变慢，且出现小颗粒附着大颗粒表面，出现团聚现象，使颗粒直径出现了增大的趋势。曹英等[25]通过超微粉碎机处理木薯淀粉得出与本实验一致的研究结果。
表 1 不同分级转速马铃薯淀粉粒径大小Table 1. Potato starch particle size at different grading speeds分级转速（r/min） 0 1800 2400 3000 3600 3900 D50（μm） 39.75±0.07a 19.60±0.03b 18.85±0.05c 13.59±0.04f 14.64±0.06e 15.43±0.05d 注：同行字母不同表示差异显著（P<0.05）。 2.2 颗粒形貌分析
马铃薯淀粉扫描电镜形态如图1所示，天然马铃薯淀粉颗粒（图1a0、图1a1）多为卵形或球形，表面光滑，颗粒完整，粒径较大。1800、2400 r/min转速时（图1b~图1c），马铃薯淀粉颗粒发生破碎，颗粒形貌表面变得粗糙，出现棱角和裂纹，但仍有部分淀粉颗粒保持卵型形态，颗粒尺寸减小；3000 r/min时（图1d0、图1d1），淀粉破损程度加剧，颗粒完整度降低，绝大部分颗粒发生破碎，颗粒变的无规则且表面粗糙，部分细小颗粒从大颗粒表面剥落。3600、3900 r/min时（图1e~图1f），淀粉颗粒破碎程度较大且呈现不规则海绵状，部分细微颗粒黏附在小颗粒表面[26]。气流粉碎破坏了马铃薯淀粉整体颗粒结构，改变淀粉颗粒大小，增大颗粒比表面积。
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图 1 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉的扫描电镜图注：图a~f分别为分级转速为0、1800、2400、3000、3600和3900 r/min超微粉碎处理得到的淀粉；0、1表示不同放大倍数下超微粉碎处理得到的淀粉。Figure 1. Scanning electron micrographs of native and jet milled potato starch2.3 XPS分析
为探讨超微粉碎对马铃薯淀粉本身化学组成的影响，采用XPS检测马铃薯淀粉中C、O元素相对含量变化特征。
如图2所示马铃薯淀粉主要含有C、O、H三种元素，因而图2（a）上出现明显的O1s和C1s峰，其中C、O元素可以通过XPS检测出[27-29]。由表2所示，超微粉碎处理后，C-C（C-H）和O=C-OH峰面积百分比均不断下降，说明部分C-H和O=C-OH键发生断裂。冲击作用导致氢键断裂，羟基含量增加。马铃薯淀粉分子内碳、氧元素相对含量未发生变化，也没有出现新的元素峰位，说明气流粉碎仅破坏了马铃薯淀粉表面形貌和晶体结构，并没有改变马铃薯淀粉其本身的化学组成。
表 2 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉O/C元素比和C1s峰面积百分比Table 2. Analysis of O/C ratios and C1s peaks of native and jet milled potato starch分级转速（r/min） O/C C-C（C-H）（%） C-O（%） C=O（%） O=C-OH（%） 0 0.46 44.22 33.80 12.48 9.51 1800 0.48 41.77 34.06 15.39 8.78 2400 0.51 38.17 37.25 16.81 7.78 3000 0.52 35.19 39.80 18.52 6.49 3600 0.55 31.97 42.26 19.82 5.96 3900 0.57 31.48 44.69 19.07 4.75 2.4 溶解度和膨胀度分析
从图3可以看出，在较低温（20 ℃）条件下时，马铃薯原淀粉样品表现出较差溶解度，随着温度升高，马铃薯原淀粉溶解度逐渐增大。经气流粉碎处理后，不同粉碎程度的马铃薯淀粉溶解度随分级转速的升高而增大。涂政等[30]研究发现，超微粉碎处理后的红茶粉溶解度得到显著提升。从图4可以看出，马铃薯原淀粉也同样表现出较差的膨胀度，随温度升高，膨胀度逐渐增大。经气流粉碎处理后，马铃薯淀粉的膨胀度与颗粒直径、温度均成正相关趋势，膨胀度较原淀粉增加1.42倍。此研究结果与张雪等[31]所得结果一致，但与史早等[32]所得结果相反。原因可能为马铃薯淀粉内部结构较弱，许多相互排斥的磷酸基团电荷存在于马铃薯淀粉分子结构中，磷酸基团能促进淀粉膨胀，淀粉颗粒结构遭到气流粉碎作用的破坏，大量磷酸基团暴露出来导致淀粉膨胀度增加[33]。
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图 4 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉的膨胀度Figure 4. Expansibility of native and jet milled potato starch2.5 热稳定性分析
图5为天然马铃薯淀粉的热重曲线和气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉热重曲线。可以看出马铃薯原淀粉与各粒径梯度微细化淀粉TG曲线基本重合，室温至147 ℃是水分蒸发和少量小分子量碳氢化合物的产生阶段，此阶段热重曲线显示出轻微重量损失，随着分级转速增加，失重率出现明显下降趋势；300~500 ℃，快速热解阶段，该阶段马铃薯淀粉中的纤维素、半纤维素及部分木质素的热分解成为该阶段失重的主要原因[34]，此阶段失重率约占60%，不同分级转速的马铃薯淀粉存在相同的趋势；500~800 ℃，淀粉分解碳化过程，此阶段失重速率较慢。当分级转速为3600 r/min和3900 r/min时，失重率小于天然马铃薯淀粉，原因可能是小分子颗粒由于静电力作用附着在大颗粒表面，形成非共价键大分子，导致碳化并不完全，质量残余率较大。当分级转速为1800~3000 r/min时，淀粉失重率大于天然马铃薯淀粉，原因为气流粉碎处理后的马铃薯淀粉，比表面积增大，更易碳化，质量残余率更小。金顶峰等[35]的研究结果与本研究结果一致。
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图 5 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉热重分析曲线Figure 5. Typical TG diagram of native and jet milled potato starch2.6 流变学特性分析
气流粉碎前后马铃薯淀粉流变测定结果由图6所示，天然马铃薯淀粉糊流变曲线随着剪切速率的增大逐渐向剪切应力轴弯曲，说明马铃薯淀粉糊属于假塑性流体。气流粉碎处理后，不同粒度的微细化淀粉保持与天然淀粉相同的屈向性，流体类型未发生变化。如表3可以看出，决定系数R2介于0.9894~0.9971之间，表明马铃薯淀粉糊流变特性曲线拟合良好。随着分级转速增加，稠度系数K发生急剧下降，流动系数虽上升但小于1，说明淀粉糊逐步向牛顿流体转变。
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图 6 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉糊的流变特性Figure 6. Rheological characteristics of native and jet milled potato starch表 3 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉流变参数Table 3. Rheological parameters of native and jet milled potato starch分级转速（r/min） 稠度系数K 流动系数m 决定系数R2 0 87.49 0.2717 0.9894 1800 46.69 0.3494 0.9907 2400 35.25 0.3862 0.9922 3000 27.12 0.4129 0.9952 3600 19.69 0.4761 0.9966 3900 15.37 0.5154 0.9971 对气流粉碎前后马铃薯淀粉样品进行剪切稀化测试，从图7中可以看出，天然马铃薯淀粉表观黏度随剪切速率的增加急剧下降，然后趋于平缓，说明存在剪切稀化现象。但在相同剪切速率下，随着分级转速的增加，淀粉糊的表观粘度值不断下降，对流动产生的粘性阻力减小，导致表观黏度降低，并随着气流粉碎进程而持续降低。
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图 7 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉糊表观黏度变化Figure 7. Apparent viscosity characteristics of native and jet milled potato starch2.7 凝沉性分析
如图8所示，马铃薯淀粉的凝沉性随贮藏时间的延长而逐步增大，12 h后逐步趋于稳定。不同分级转速的微细化马铃薯淀粉的凝沉性与天然马铃薯淀粉具有同样的趋势。在相同贮藏时间下，微细化马铃薯淀粉的凝沉速率低于天然马铃薯淀粉，且随着分级转速的增加，马铃薯淀粉凝沉性呈明显下降趋势，在3600 r/min时马铃薯淀粉较原淀粉的凝沉性下降2.07倍。此研究结果与逯蕾等[36]的研究结果不一致，原因是气流粉碎使马铃薯淀粉的分子链链长逐渐变短，过短的分子链导致其更易扩散，使得凝沉性变差。
2.8 透明度分析
淀粉糊透明度的大小反映了淀粉分子与水结合能力的高低，体现淀粉颗粒受到破坏的程度。由图9可以看出，天然马铃薯淀粉糊的透明度相对较低，且随贮藏时间的增加逐步降低，并最终趋于稳定。这是由于淀粉分子间大量磷酸基的存在起到阻止淀粉分子间和分子内氢键的缔合作用，影响光的吸收与折射[37]。气流粉碎处理后，淀粉糊透明度随粉碎程度的增大而增大，因为分级转速越大，马铃薯淀粉晶体结构和颗粒形态受到的破坏越严重（此研究结果在2.2扫描电子显微镜结果中可以看出），导致游离水更易进入淀粉分子内部，促进淀粉分子与水分子结合，导致透明度增加，这与丁金龙等[38]的研究结果一致。
3. 结论
马铃薯淀粉经气流超微粉碎处理后，颗粒形貌呈不规则形状，表面粗糙，且出现较多棱角和裂纹，随着分级转速增加粒径减小且无规则；淀粉粒径D50从39.75±0.07 μm降低至13.59±0.04 μm；XPS谱图中未出现新峰，证明粉碎后马铃薯淀粉表面没有新的元素被引入，C-C（C-H）和O=C-OH两个峰面积下降，气流粉碎强大的机械力作用导致淀粉分子中氢键断裂，同时导致部分C-H和O=C-OH键发生断裂。淀粉支链分子链断裂，游离水更易进入淀粉颗粒内部，使得溶解度、膨胀度和淀粉糊透明度随分级转速的增加而显著增大。淀粉分子的链长逐渐变短，更易扩散，凝沉性下降。由于气流超微粉碎产生的静电力作用，导致小颗粒附着至大颗粒表面形成非共价键大分子颗粒，导致3600、3900 r/min的马铃薯淀粉热稳定性高于原淀粉；淀粉表观粘度值随分级转速的增加而降低，流动的粘性阻力减小。综上所述，气流超微粉碎技术显著改善了马铃薯淀粉的理化特性和加工特性，为马铃薯淀粉物理改性技术研究及其在食品、医药等工业中的应用提供技术参考。
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图 1 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉的扫描电镜图
注：图a~f分别为分级转速为0、1800、2400、3000、3600和3900 r/min超微粉碎处理得到的淀粉；0、1表示不同放大倍数下超微粉碎处理得到的淀粉。
Figure 1. Scanning electron micrographs of native and jet milled potato starch
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图 4 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉的膨胀度
Figure 4. Expansibility of native and jet milled potato starch
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图 5 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉热重分析曲线
Figure 5. Typical TG diagram of native and jet milled potato starch
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图 6 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉糊的流变特性
Figure 6. Rheological characteristics of native and jet milled potato starch
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图 7 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉糊表观黏度变化
Figure 7. Apparent viscosity characteristics of native and jet milled potato starch
表 1 不同分级转速马铃薯淀粉粒径大小
Table 1 Potato starch particle size at different grading speeds
分级转速（r/min） 0 1800 2400 3000 3600 3900 D50（μm） 39.75±0.07a 19.60±0.03b 18.85±0.05c 13.59±0.04f 14.64±0.06e 15.43±0.05d 注：同行字母不同表示差异显著（P<0.05）。 
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表 2 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉O/C元素比和C1s峰面积百分比
Table 2 Analysis of O/C ratios and C1s peaks of native and jet milled potato starch
分级转速（r/min） O/C C-C（C-H）（%） C-O（%） C=O（%） O=C-OH（%） 0 0.46 44.22 33.80 12.48 9.51 1800 0.48 41.77 34.06 15.39 8.78 2400 0.51 38.17 37.25 16.81 7.78 3000 0.52 35.19 39.80 18.52 6.49 3600 0.55 31.97 42.26 19.82 5.96 3900 0.57 31.48 44.69 19.07 4.75
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表 3 气流超微粉碎处理前后马铃薯淀粉流变参数
Table 3 Rheological parameters of native and jet milled potato starch
分级转速（r/min） 稠度系数K 流动系数m 决定系数R2 0 87.49 0.2717 0.9894 1800 46.69 0.3494 0.9907 2400 35.25 0.3862 0.9922 3000 27.12 0.4129 0.9952 3600 19.69 0.4761 0.9966 3900 15.37 0.5154 0.9971
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1. 胡玥，孙红男，张苗，木泰华. 食物源肽与淀粉相互作用的研究进展. 食品科学. 2023(09): 163-169 . 
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