酸預處理對蠟質玉米乙酰化淀粉性質的影響

李佳佳，高群玉

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州510640)

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蠟質玉米淀粉淀粉 德州大成食品有限公司;醋酸酐 廣州化學試劑廠;鹽酸、氫氧化鈉 均為分析純。

JB-50D 型增力電動攪拌機 上海標本模型廠;HH-2 型數顯恒溫水浴鍋 江蘇金壇市富華儀器有限公司;JC303-AO 型電熱鼓風干燥箱 重慶實驗設備廠;721 型可見分光光度計 上海菁華科技公司;803201 型Micro-Brabender 黏度儀 德國Brabender公司;D/Max2200 型X 射線衍射儀 日本Rigaku 公司;NEXUS-670 型傅里葉紅外光譜儀 美國Thermo Electron 公司。

1.2 制備方法

1.2.1 酸解淀粉的制備［2］準確稱取一定量的蠟質玉米淀粉加入到一定濃度的HCl 水溶液中，配成濃度為40%的淀粉乳，置于50℃的恒溫水浴鍋中進行酸解1h 后，用1.0mol/L NaOH 溶液調節pH5.5，抽濾，洗滌2～3 次，干燥，粉碎得到成品。

1.2.2 乙酰化淀粉的制備［3］配制35%的蠟質玉米淀粉乳，用1mol/L 的NaOH 溶液調pH8.0～8.4，逐滴加入6%的醋酸酐同時滴加NaOH 使體系pH 維持在8.0～8.4，于25℃條件下反應1h。反應結束后，用稀鹽酸將反應混合物中和至pH6.5，抽濾、洗滌、干燥、粉碎、過篩后得到乙酰化淀粉。采用Sodhi［4］等的方法測定其乙酰基含量及取代度。

1.2.3 酸解乙酰化淀粉的制備 準確稱取一定量的蠟質玉米酸解淀粉，配制成35%的淀粉乳，用1mol/L的NaOH 溶液調pH8.0～8.4，逐滴加入6%的醋酸酐同時滴加NaOH 使體系pH 維持在8.0～8.4，于25℃條件下反應1h。反應結束后實驗方法同1.2.2。文中:NS，蠟質玉米原淀粉;0.1AT，HCl 濃度為0.1mol/L的酸解淀粉;0.5AT，HCl 濃度為0.5mol/L 的酸解淀粉;0.75AT，HCl 濃度為0.75mol/L 的酸解淀粉;AC，乙酰化淀粉，取代度為0.0891;1AT-AC，HCl 濃度為0.1mol/L 的酸解乙酰化淀粉，取代度為0.0864;0.5AT-AC，HCl 濃度為0.5mol/L 的酸解乙酰化淀粉，取代度為0.0873;0.75AT-AC，HCl 濃度為0.75mol/L 的酸解乙酰化淀粉，取代度為0.0867。

1.3 淀粉糊性質的測定

1.3.1 淀粉糊透明度的測定［5］準確稱取1.00g 的樣品加入100mL 蒸餾水，調成1.0%(m/v)的淀粉乳于沸水浴中加熱30min 并不斷攪拌，充分糊化樣品，然后冷卻至室溫，以蒸餾水為空白(設蒸餾水的透光率為100%)，1cm 比色皿，在波長620nm 處測定樣品的透光率，同一樣品測定三次。

1.3.2 淀粉糊溶脹性質的測定［6］配制質量濃度為10g/L 的淀粉乳50mL 于離心管中，在95℃條件下加熱30min 并不時振蕩，待淀粉乳充分糊化，冷卻至室溫后于離心機中以3500r/min 離心20min，將上清液置于105℃烘箱中烘至恒重，稱其質量記為B，離心管中膨脹淀粉的質量記為C，計算溶解度S 和膨脹度P。

三系雜交種皖芝10號參加2013年安徽省芝麻新品種區試，產量為1 498.50 kg/hm2，比對照品種豫芝4號增產2.04%，2014年通過安徽省鑒定。2015—2016年全國(江淮片)芝麻品種區域試驗，兩年平均產量1 261.65 kg/hm2，比豫芝4號(CK)增產2.54%；含油量為58.18%，蛋白質含量20.97%；莖點枯和枯萎病病情指數分別為5.07和0.85。該品種具有優質、高油、高產、多抗、綜合性狀優于全國對照品種豫芝4號等特點，適合制油、食品保健。

式中:B-被溶解的淀粉質量，g;C-沉淀物質量，g;m-淀粉干基質量，g。

1.3.3 淀粉糊黏度性質的測定 準確稱取一定量的樣品于Brabender 黏度儀的回轉杯中，然后加入100mL 蒸餾水，配成6%(w/w)的淀粉乳，設置扭矩為350cmg，回轉杯的轉速為250r/min。淀粉乳從30℃開始升溫，以7.5℃/min 速度升溫至95℃后保溫5min，然后以7.5℃/min 的速度降溫至50℃并保溫5min，在整個過程中連續記錄淀粉糊黏度的變化，得到Brabender 黏度曲線。

1.3.4 淀粉糊凝沉性的測定 用蒸餾水配制質量分數為1%的淀粉乳(以淀粉干基計)于沸水浴中糊化20min，冷卻至室溫后將淀粉糊轉移至100mL 的具塞量筒中，定容至100mL，搖勻，室溫下靜置，24h 后記錄上清液體積，用上清液的體積占總體積的百分比隨時間變化來表示淀粉糊的凝沉性質。

1.3.5 凍融穩定性的測定［7］稱取絕干淀粉樣品6g，加蒸餾水94mL，配成6%的淀粉乳，在沸水浴中加熱30min，并不斷攪拌，完全糊化后轉移至離心管中，加蓋，于-18℃條件下冷凍24h，取出于室溫下自然解凍6h，在3500r/min 下離心20min。棄去上清液，稱沉淀物質量，計算凍融后的析水率。

式中:Y 為析水率(%);m1為淀粉糊的質量(g);m2為沉淀物的質量(g)。

以同樣的方法反復凍融，直到有清水洗出或變成海綿狀為止，凍融的次數代表淀粉糊的凍融穩定性。

1.4 淀粉顆粒結構的測定

1.4.1 X-射線衍射 將樣品在相對濕度為100%的條件下平衡24h 后進行X-射線衍射分析。測試條件為:測量角度2θ =4～35°，步長為0.05°，掃描速度為12°/min，靶型:Cu，電壓:40kV，電流:40mA。

1.4.2 紅外光譜 將樣品干燥并用KBr 壓片，用紅外光譜儀測定，掃描范圍為4000～500cm-1，得到紅外圖譜。

1.5 數據分析處理

實驗中所用到的各組數據均重復3 次，用origin 8.0 作圖。

2 結果與分析

2.1 酸預處理對淀粉糊黏度及糊化性質的影響

由圖1 與表1 可知，酸預處理后，蠟質玉米淀粉的峰值黏度顯著降低，糊化溫度升高且隨著酸濃度的增加而逐漸升高，酸解淀粉的冷、熱糊穩定性與原淀粉相比均有所改善;乙酰化淀粉與原淀粉相比具有較低的起糊溫度和較高的峰值黏度，但是乙酰化淀粉的冷、熱糊穩定性比原淀粉差;酸預處理蠟質玉米淀粉再進行乙酰化改性后的淀粉有著較低的糊化溫度，峰值黏度也顯著降低，崩解值比原淀粉降低且隨著酸濃度的增大而逐漸降低，凝沉性也有所改善，復合改性淀粉兼具酸解淀粉與乙酰化淀粉的優點。酸預處理后淀粉糊黏度的降低主要是因為:一方面，酸水解產生了大量的直鏈淀粉片段，這些直鏈淀粉片段重結晶形成的類雙螺旋結構在淀粉糊化過程中很難被溶解［5］;另一方面，酸水解使淀粉顆粒的無定形區被破壞，淀粉顆粒結構變弱，在外力作用下更容易破壞［8］。酸解淀粉經乙酰化后，淀粉分子上引入了親水性的乙酰基團，使得淀粉分子之間的氫鍵作用力減弱，淀粉更容易吸水膨脹，故糊化溫度降低。酸水解蠟質玉米淀粉產生的更多的短的直鏈淀粉分子之間相互形成的穩定的連續網狀結構［9］以及乙酰基的引入施加的空間位阻作用和分子作用力這兩方面因素使得酸預處理后的乙酰化蠟質玉米淀粉體系更加穩定，故冷、熱糊穩定性增強。

表1 蠟質玉米原淀粉及其改性淀粉糊的性質Table 1 Paste properties of native waxy maize starch and modified starch

圖1 蠟質玉米原淀粉及其改性淀粉的糊黏度曲線Fig.1 Viscosity curves of native waxy maize starch and modified starch

2.2 透明度和凝沉性

淀粉糊的透明度是食品加工上的重要品質因素之一，常用透光率來反映淀粉糊透明度的高低，透明度越高，與水結合能力就越強。由表2 可知，酸預處理后淀粉的透光率顯著增加且隨著酸濃度的增加透光率逐漸增加。淀粉經酸解后淀粉分子之間的氫鍵作用力被破壞，分子之間的締合作用減弱，降低了光的散射和反射強度。蠟質玉米淀粉經乙酰化后，乙酰基團的親水性及空間位阻作用使透光率提高。酸解淀粉經乙酰化后透光率與原酸解淀粉相比，進一步提高。這可能是因為酸水解淀粉顆粒的無定型區使顆粒結構變弱，乙酰化進一步削弱了淀粉的顆粒結構［10］，使得糊化變得更加容易，減少了光的折射和反射，故透明度增加。

酸解淀粉的凝沉性比原蠟質玉米淀粉增強，且隨著酸濃度的增加凝沉性逐漸增強，這是因為蠟質玉米原淀粉中直鏈淀粉含量很低，抗凝沉性好，酸預處理后支鏈淀粉被水解產生很多的直鏈淀粉片段促進了淀粉鏈的締合及支鏈淀粉自身的聚集，從而形成更多的雙螺旋結構，容易凝沉。酸解淀粉經乙酰化后，與相應的酸解淀粉相比凝沉性有所改善，這可能是因為向支鏈淀粉中引入的乙酰基團空間位阻比較大，阻止了淀粉糊中分子鏈之間的重結晶，故凝沉性得到改善。

2.3 膨脹度與溶解度

淀粉的溶解特性和膨脹特性是十分重要的理化性質，溶解度與膨脹度反映的是淀粉與水之間相互作用的大小。

表2 蠟質玉米原淀粉及其改性淀粉的透光率與凝沉性Table 2 Light transmittance and retrogradation of native waxy maize starch and modified starch

從圖2 可以看到，蠟質玉米原淀粉在95℃加熱條件下具有較高的溶解度，酸預處理后溶解度顯著增加且隨著酸濃度的增加而增加，經過0.75mol/L 酸處理后，蠟質玉米原淀粉的溶解度由原來的30.39%提高到70.74%。溶解度增加的原因可能是酸水解形成了很多的直鏈淀粉片段，這些直鏈淀粉片段在溫水條件下能夠形成更多的氫鍵促進了淀粉與水的結合［9］。比較酸解淀粉與相應的酸解乙酰化淀粉發現，酸解淀粉經乙酰化處理后溶解度與相應的乙酰化淀粉相比明顯增加，說明酸預處理能夠顯著增加蠟質玉米乙酰化淀粉的溶解度。

圖2 蠟質玉米原淀粉及其改性淀粉的溶解度Fig.2 Solubility of native waxy maize starch and modified starch

由圖3 知，經過0.75mol/L 酸處理后，蠟質玉米原淀粉的膨脹度由原來的35.31g · g-1降低到7.45g·g-1，且膨脹度隨著酸濃度的增加而逐漸降低。這個原因可能是酸解作用產生了很多直鏈淀粉片段，這些片段之間重結晶形成的雙螺旋結構在淀粉糊化過程中很難遭到破壞，從而能有效地抑制淀粉分子的膨脹。蠟質玉米淀粉先酸預處理再進行乙酰化改性后的膨脹度比原淀粉降低，但是比相應的酸解淀粉有微弱升高，這可能是因為酸解淀粉中引入乙酰基團后，能夠使乙酰基團更加深入的進入到淀粉結構中，這些大的乙酰基團能夠阻止淀粉分子鏈間的締結，促使直鏈淀粉溶出［8］，故膨脹度升高。

圖3 蠟質玉米原淀粉及其改性淀粉的膨脹度Fig.3 Swelling power of native waxy maize starch and modified starches

2.4 凍融穩定性分析

凍融穩定性反映淀粉分子的持水能力，和淀粉的分子結構有很大的關系。淀粉的凍融穩定性用析水率來表征，析水率越大表示凍融穩定性越差。由表3 可知，凍融24h 后，蠟質玉米原淀粉與乙酰化淀粉的析水率均為0，凍融穩定性最好;酸解淀粉的凍融穩定性降低且隨著酸濃度的增加凍融穩定性逐漸降低，這是因為酸水解產生了很多的直鏈淀粉和短鏈淀粉，在低溫下，這些分子間易于取向排列形成氫鍵，把淀粉分子結合的水排擠出來，氫鍵結合成束狀結構而發生凝沉［11］。酸預處理后再經過乙酰化改性后的淀粉，在酸濃度較低時，與相應的酸解淀粉相比，凍融穩定性有顯著改善。這可能由兩方面原因造成的:一方面，乙酰化作用向酸水解產生的直鏈淀粉及短鏈淀粉上引入了乙酰基團，親水性的乙酰基團能很好地保持水分，維持良好的淀粉糊狀態，淀粉糊體系不易分散。另一方面，乙酰基團的引入形成的空間位阻作用以及分子斥力降低了淀粉上的氫鍵作用，抑制了淀粉的聚集和凝沉。但是，隨著酸濃度的增加，經過酸處理后的乙酰化淀粉的凍融穩定性與相應的酸解淀粉相比有所降低且隨著酸解程度的增加凍融穩定性降低的越多。這可能是因為高濃度酸解后淀粉的顆粒結構變弱而乙酰基的引入更加深入的進入到淀粉的顆粒結構中進一步削弱了淀粉的結構，從而使保水力降低，凍融穩定性下降。淀粉經乙酰化后凍融四次之后依舊有水析出，輕度酸水解對乙酰化淀粉的凍融穩定性沒有很大影響。

2.5 X-射線衍射

蠟質玉米原淀粉、酸解淀粉、乙酰化淀粉及酸解乙酰化淀粉的X 射線衍射圖譜如圖4 所示。

由圖4 可知，蠟質玉米原淀粉在15.3、17.1、18.2、23.5°附近分別有強吸收峰，屬于明顯的A 型衍射。淀粉經過酸解改性、乙酰化改性和酸解乙酰化復合改性后，晶型沒有發生改變，結晶度也沒有明顯的變化，可見酸預處理并不會改變蠟質玉米淀粉的晶型，對蠟質玉米淀粉的乙酰化也沒有顯著影響。這可能是由兩方面造成的:一方面，A 型淀粉支鏈淀粉的支點不僅分布在無定形區，也分布在結晶區，對酸水解不敏感，故不易被水解［12］。另一方面，也有可能是酸解時間太短，還沒有破壞淀粉的結晶結構。

圖4 蠟質玉米原淀粉及其改性淀粉的X-射線衍射圖譜Fig.4 X-ray diffraction patterns of native waxy maize starch and modified starch

表3 蠟質玉米原淀粉及其改性淀粉的析水率(%)Table 3 Syneresis of native waxy maize starch and modified starch(%)

2.6 紅外光譜分析

圖5 為蠟質玉米原淀粉、酸解淀粉、乙酰化淀粉和酸解乙酰化淀粉的紅外光譜圖。由圖5 可知，577、765、861、930cm-1是蠟質玉米淀粉的特征吸收峰，在3346cm-1處出現締合羥基的吸收峰，1643cm-1附近為多糖類羥基的吸收峰，2931cm-1附近為-CH2-的C-H 不對稱伸縮振動吸收峰。與蠟質玉米原淀粉相比，酸解淀粉的紅外圖譜并沒有明顯變化，可見酸預處理對蠟質玉米原淀粉的基本結構并無顯著影響，酸解反應只是使淀粉分子中的糖苷鍵斷裂，降低了淀粉的分子量［13］。比較酸解乙酰化淀粉與乙酰化淀粉的紅外圖譜，發現這兩種淀粉均增加了三個吸收峰，分別為1731、1371、1250cm-1。1730cm-1是C = O的特征吸收峰，1370cm-1和1248cm-1附近對應的是乙酰基的特征吸收峰，由此說明蠟質玉米淀粉酸預處理后成功引入了乙酰基團，說明乙酰基團已成功引入到酸解淀粉上。

圖5 蠟質玉米原淀粉及其改性淀粉的紅外圖譜Fig.5 Fourier transforms infrared spectra of native waxy maize starch and modified starch

3 結論

對蠟質玉米淀粉采用先酸預處理再進行乙酰化改性后，復合改性淀粉的黏度與起始糊化溫度顯著降低，冷、熱糊穩定性增強，糊的抗凝沉性與透明度得到改善，溶解度增加且隨著酸濃度的增加而增加，膨脹度顯著降低;低濃度酸處理對復合改性淀粉的凍融穩定性影響較小，高濃度酸處理降低了復合改性淀粉的凍融穩定性;酸預處理沒有改變復合改性淀粉的結晶結構與基本結構。

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