白酒釀造中原糧淀粉水解的影響因素研究

田海霞 張宇 楊彤彤

前言

淀粉作為一種葡萄糖分子聚合而成的多糖，是糧食的主要組成成分，因其是一種植物體內(nèi)儲藏的高分子碳水化合物，可被作為人體的主要能源物質(zhì)，淀粉具有較高的營養(yǎng)價值和利用價值，不僅可以為人體供能，還可以緩解低血糖;在體內(nèi)轉(zhuǎn)化成脂肪，起到增肥作用;還可以在生活中被作為調(diào)味品進行提味增鮮。淀粉在各類植物中的含量都較高，制酒時所用的原料中的淀粉含量數(shù)據(jù)是判斷其品質(zhì)是否合格和對其定等定級，從而確定是否可以被利用的重要依據(jù)。因此，其測定方法也一直在被不斷地探索研究。糧食中淀粉的測定方法有多種，可以分為直接測定法和間接測定法。因為間接測定法適用于所有食品基質(zhì)，具有較好的實驗室間重現(xiàn)性，是淀粉測定的經(jīng)典方法，所以在GB 5009.9-2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》中為糧食的測定提供酶水解法和酸水解法兩種。淀粉一般有直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種。直鏈淀粉為無分支的螺旋結(jié)構(gòu)，不利于和水分子形成氫鍵，而支鏈淀粉則由于其同時含有α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵，其可以與水分子結(jié)合形成氫鍵。一般來說，這兩種淀粉都可以被水解。蔣雁等人通過用酶水解法和酸水解法兩種方法對高粱、小麥、大麥、玉米和稻谷進行對比實驗后發(fā)現(xiàn)，用酸水解法得到的淀粉回收率更高，而酶水解法在樣液制備時所用試劑較酸水解法更多，操作更復(fù)雜，時間更長，成本也較高。所以，在測定淀粉時，酸水解法被廣泛使用。但是酸水解法中仍然有很多細節(jié)問題需要探討，淀粉在水解反應(yīng)時先生成分子量較小的糊精（淀粉不完全水解的產(chǎn)物），糊精持續(xù)水解生成麥芽糖，最終水解產(chǎn)物是葡萄糖，加入鹽酸的主要作用是使淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)發(fā)生微調(diào)，引起水溶液或者使溶膠體系中離子強度發(fā)生變化，使得淀粉糊化時黏度降低，崩解值增高，從而降低反應(yīng)的活化，催化淀粉水解。蔡晶等人通過GPC方法，以葡聚糖為標樣，對淀粉水解得到的產(chǎn)物分子量進行計算得出，在水解反應(yīng)各因素中反應(yīng)溫度的影響最大 ，但是鹽酸濃度的高低和水解時間的長短對淀粉水解也會存在一定影響。一般來說，鹽酸濃度和水解溫度越高，水解速度也越快，但是高濃度或低濃度對淀粉的具體影響還未可知。另外，目前暫無研究人員通過單因素實驗對淀粉水解的影響因素進行判斷，因此，本文通過使用不同濃度鹽酸在不同溫度、不同時間下對小麥中的淀粉進行水解，再根據(jù)淀粉水解成葡萄糖后利用葡萄糖分子所含醛基的還原性，與斐林氏劑及指示劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的原理來進行定量測定，從而確定可以使淀粉達到最大水解的最佳鹽酸濃度、最佳處理時間和最佳處理溫度。

一、材料與方法

（一） 材料與試劑

顆粒飽滿，完整的新鮮小麥（產(chǎn)地：張掖民樂）。

濃鹽酸（36.5%）分析純度，臨沂東毅化工有限公司。

氫氧化鈉（20%）分析純度，濟寧輝鵬化工有限公司。

1%次甲基藍指示劑，按標準配制方法配制。菲林試劑甲、乙液，現(xiàn)配現(xiàn)用。

（二）主要儀器

玻璃器具：250mL三角瓶，250mL容量瓶，50mL量筒，5mL吸管，漏斗，250mL大口碘量瓶，50mL反滴定管。

（三）實驗方法

本實驗將所用鹽酸的濃度及其對淀粉水解處理時間和處理溫度設(shè)置為可變因素進行單因素實驗，從而確定用鹽酸水解淀粉時，可以使淀粉達到最大水解的最佳工藝。

（四）預(yù)處理

試樣粉碎：取100g試樣，使用小型高速粉碎機粉碎至粉末狀，通過40目分樣篩。

（五）水解液的制備

稱取1.5g麥粉于250g的錐形瓶中，加入一定濃度的鹽酸，放入數(shù)顯六孔水浴鍋中水解一定時間后取出，冷卻，使用NaoH溶液調(diào)節(jié)其pH至中性（黎威巍等人在優(yōu)化鹽酸濃度、水解時間和NaoH量時提出，中和時所用的NaoH有一個最佳用量，這個最佳用量要根據(jù)顏色反應(yīng)和試紙反應(yīng)進行及時判斷），所以在此實驗中使用20%的NaoH溶液，中和后定容至250mL，用脫脂棉或濾紙過濾得到水解液。

（六）滴定分析

吸取斐林試劑甲、乙液各5mL，加20mL水，共2組。第一組加入15mL水解液，放置可調(diào)式封閉電爐上煮沸2min，溶液由藍色變至鮮紅色，加入次甲基藍指示劑，恢復(fù)藍紫色，開始進行預(yù)滴定，直至藍紫色消失表示滴定完成，記錄消耗水解液體積。在第二組中加入比消耗體積少1mL的水解液后，依照預(yù)滴定方法進行正式滴定，滴定完成后根據(jù)葡萄糖產(chǎn)率折算出淀粉含量。

（七）計算

（八）正交實驗

加入適量鹽酸開始水解后，以水解溫度、酸的濃度和水解時間為因素，分別取60℃、100℃;1mol/L、2mol/L和1.5h、2h三個水平做正交實驗考察水解反應(yīng)的影響因素。通過表2中的極差分析得出結(jié)論：相比濃度和時間，處理溫度對淀粉水解影響較大。由此得出，常壓條件下，在100℃下可以使淀粉達到最大水解，見表2。

（九）單因素試驗

通過正交實驗確定最佳水解溫度后，考慮到鹽酸濃度和水解時間對淀粉水解率也會有影響，此時將鹽酸的處理濃度、水解時間作為變量進行單因素實驗，從而確定淀粉可以達到最大水解的鹽酸濃度和水解時間，同時將水解溫度也設(shè)為變量，進一步驗證淀粉的最佳水解溫度。

變量處理：將鹽酸的處理濃度、處理時間、處理溫度設(shè)為變量，見表3。

二、結(jié)果與分析

通過圖1分析得出，淀粉水解完全所需時間長短與所用鹽酸的濃度相關(guān)，且成正比，1.5g麥粉分別用0.5mol/L、2mol/L、2.5mol/L、3mol/L、4mol/L、6mol/L的鹽酸在100℃下水解2h后，測定的淀粉含量分別是36.1%、63.97% 、63.68%、 63.85%、60.3%、51.2%;用0.5mol/L的鹽酸水解反應(yīng)2h 后，淀粉基本未被水解;用2mol/L的鹽酸水解可以使淀粉含量高達63.97%。所以，可以得出水解淀粉時所用的最佳濃度為2mol/L，用稀釋定律C1V1=C2V2轉(zhuǎn)換計算體積為1：5（實驗所用鹽酸物質(zhì)的量濃度一般為12mol/L）。由圖2分析得出，1.5g麥粉用2mol/L的鹽酸分別在50℃、60℃、75℃、88℃、100℃的溫度下水解2h后得到的淀粉含量為別為1.12%、28.5%、34.6%、56.4%、63.97%，在50℃下淀粉基本未被水解，淀粉含量隨水解溫度升高不斷增加。由此可以得出，在100℃下對淀粉進行水解可以使淀粉達到完全水解。由圖3分析得出，淀粉是否水解完全與水解時間也相關(guān)。實驗表明，用2mol/L的鹽酸在100℃分別水解1.5h、2h、 2.5h、3h后，得到的淀粉含量分別為59.2%、63.97%、61.5%、60.8%，水解1.5h時淀粉含量明顯偏低，水解3h淀粉含量也會降低。由此得出，水解2h即可達到完全水解。

結(jié)語

實驗表明，過低的鹽酸濃度會大大降低水解反應(yīng)的速度，導(dǎo)致淀粉不能被完全水解;過高的鹽酸濃度，淀粉含量會出現(xiàn)先高后低的情況，可能因為糊化黏度隨著鹽酸濃度的增加而降低，也可能因為鹽酸濃度過高出現(xiàn)了相應(yīng)的副反應(yīng)，給后面的中和以及脫鹽步驟帶來壓力，消耗部分淀粉，從而導(dǎo)致淀粉含量出現(xiàn)相應(yīng)的降低。此外，淀粉在水解時所用的時間不能過長也不能過短，由于氫離子能腐蝕非結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶片層間的直鏈淀粉和支鏈淀粉，從而使淀粉破碎質(zhì)量減小而使水解率增大。而時間過長則會因為分子間氫鍵的增強導(dǎo)致淀粉不易被完全水解。汪鐵橋等人也在研究中指出，在一定濃度下，水解完全后，延長水解時間會在一定程度上增加副反應(yīng)產(chǎn)物。由此可以得出，水解時間與水解時所用的鹽酸濃度相關(guān)，增加鹽酸濃度即要相應(yīng)縮短水解時間，在水解淀粉時要根據(jù)鹽酸與淀粉比例確定適當(dāng)?shù)乃鈺r間。根據(jù)實驗結(jié)果，淀粉水解程度與水解溫度呈正相關(guān)。當(dāng)水解溫度過低時，淀粉水解速率會大大降低。Jheng Hua Lin等人將淀粉在含一定濃度鹽酸的甲醇中45℃下處理1h后發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉浸出程度與鏈長發(fā)生變化，但是支鏈淀粉沒有改變。在這里理解到的一種可能性為此種條件下只對淀粉的無定形區(qū)域進行了水解，對淀粉的結(jié)晶區(qū)產(chǎn)生的作用極小，所以水解溫度低于50℃，淀粉水解含量極低，隨著溫度上升，水解速率增加，淀粉含量也會不斷增加。由于小麥淀粉中的淀粉有兩種不同大小的顆粒，小顆粒易糊化，在較低溫度下即可糊化，而大顆粒需要在較高溫度下糊化，所以小麥淀粉水解時對應(yīng)的溫度也需相應(yīng)偏高。綜上，在100℃下，使用2mol/L的鹽酸對麥粉水解2h即可使淀粉達到完全水解，得到最大葡萄糖產(chǎn)率。