蒸汽爆破對秈米淀粉分子結構的影響范文

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《現代食品科技雜志》2014年第七期

1材料與方法

1.1材料與試劑早秈米：湖北豐江米業有限公司；二甲基亞砜、氫氧化鈉等均為分析純；硝酸鈉、溴化鉀等為色譜純。

1.2主要儀器設備QBS-80型汽爆工藝試驗臺，河南鶴壁正道重型機械廠；Waters600高效凝膠色譜儀，美國Waters公司；TENSOR27傅立葉變換紅外光譜儀，德國Bruker公司；TU-1810PC紫外分光光度計，北京普析通用公司；BS124S電子天平，北京賽多利斯儀器系統有限公司；202-2型干燥箱，上海一恒科技有限公司；SHA-B恒溫振蕩器，常州國華電器有限公司。

1.3方法

1.3.1秈米淀粉制備將50g秈米清洗后在250mL蒸餾水中浸泡18h，勻漿后進行離心，棄去上層清液，將沉淀與0.2%的NaOH溶液以1:5的比例混勻，置于恒溫振蕩器中（37℃）反應48h，間隔24h換一次NaOH溶液，反應結束后過100目篩去粗粒，室溫下離心（3000×g，30min），棄去上清液，沉淀水洗多次至上層液的pH值為中性，淀粉濕塊烘干（40℃），粉碎，過篩（100目）[10]。

1.3.2秈米淀粉成分測定水分、脂肪、蛋白質、直鏈淀粉等秈米淀粉主要成分測定參照國標方法（GB/T12087-2008，GB/T22427.3-2008，GB/T5009.5-2010，GB/T15683-2008）。

1.3.3蒸汽爆破處理將200g秈米淀粉樣品加入汽爆缸中,合上蓋后,將高溫飽和蒸汽通入汽爆缸,使缸內壓力至設定壓力并保持一定的時間,維壓結束后打開氣動閥門（閥門打開時間為0.00875s），瞬間泄壓的同時完成物料的爆破，收集腔內噴出的物料即為蒸汽爆破后的樣品[9]。

1.3.4淀粉分子量的測定

1.3.4.1淀粉樣品溶液的制備稱取50mg秈米淀粉樣品（以干基計）溶于10mL90%的二甲亞砜溶液中，采用磁力加熱攪拌器于60℃下加熱攪拌1h，得到澄清透明的標樣溶液，3000r/min離心20min，取上清液，經0.45m的尼龍微孔膜過濾后進行凝膠過濾色譜分析，進樣量100L[11]。

1.3.4.2GPC測定方法采用Waters600高效凝膠過濾色譜測定秈米淀粉樣品的分子量。具體方法如下：色譜柱：UltrahydrogelTMLinear300mm×7.8mm；流動相：0.1mol/L硝酸鈉（過0.22m微濾膜）；流速：0.6mL/min，柱溫：45℃；進樣量：10L；檢測器：2410差式折光檢測器和Empower工作站。分別選用DextranT-2000（Mw2000000）、DextranT-580（Mw580000）、DextranT-190（Mw188000）、DextranT-70（Mw70000）、DextranT-10（Mw10000）、DextranT-5（Mw4600）作為標準分子量。

1.3.5淀粉紫外掃描圖譜分析稱取淀粉樣品20mg，加入0.5mL無水乙醇潤濕樣品，加入2mol/mL的KOH溶液1mL，使樣品充分溶解。加入10mL去離子水，用0.1mol/mL的HCl將pH調至6.0~7.0，加水定容至50mL。取10mL于100mL容量瓶，加入80mL去離子水和2mLI2-KI溶液（2mgI2/mL和20mgKI/mL），定容至100mL，立即混勻。用紫外分光光度計掃描，從波長400nm~800nm。

1.3.6淀粉紅外掃描圖譜分析紅外掃描圖譜采用KBr壓片法，具體過程為:稱取約2mg樣品，在紅外燈的照射下，置于瑪瑙研缽中研磨4~10min，再與150mg左右干燥的KBr粉末充分混合，繼續研磨2~5min。將研磨好的混合物粉末倒在硫酸紙上灌注于壓模中，抽真空，緩慢除去壓力，放入樣品架上，置于紅外譜儀內全波段掃描，繪出紅外光譜圖。

2結果與分析

2.1秈米淀粉成分分析秈米淀粉中主要化學成分含量見表1。

2.2蒸汽爆破處理對秈米淀粉分子量的影響由圖1可以看出，天然秈米淀粉的主要成分是直鏈淀粉、中間級分和支鏈淀粉。由于凝膠色譜中最先洗脫出的是分子量較大的分子，所以先洗脫出的是支鏈淀粉，隨后洗脫出的是中間級分和直鏈淀粉。將秈米淀粉進行蒸汽爆破處理，以考察爆破壓力、爆破時間以及樣品水分含量等汽爆參數對秈米淀粉分子量的影響，結果見表2、表3、表4。蒸汽爆破具有從分子水平上打破大分子晶格的效果，存在類似酸水解、熱降解、類機械斷裂、氧鍵破壞和結構重排等協同作用,原料物理結構和化學成分在加工過程中發生較大的變化。由表2、表3可以看出，秈米淀粉經蒸汽爆破處理后，其淀粉長鏈、短鏈以及中間級分的分子量均有較大程度的降低，且隨著爆破壓力、爆破時間的增加，中間級分的吸收峰峰逐漸消失，長鏈峰峰面積所占比例減小，短鏈峰峰面積所占比例增加。這可能是因為在蒸汽爆破作用下，淀粉分子α-1,6糖苷鍵部分遭到破壞，同時α-1,4糖苷鍵也產生裂解，結果產生更多的小分子淀粉，造成淀粉分子量下降。蒸汽爆破作用降解支鏈淀粉，切斷α-1,6糖苷鍵，形成新的短直鏈淀粉，同時長直鏈淀粉中α-1,4糖苷鍵遭到破壞，長直鏈淀粉形成短直鏈淀粉，造成短鏈峰峰面積所占比例增加。蒸汽爆破處理前物料中的含水率對蒸汽爆破有較大影響，合適的含水率更有利于高壓蒸汽滲透至生物質細胞內部，從而提高蒸汽爆破效果。由表4可知，隨著樣品水分含量由3%增加至20%，秈米淀粉分子量下降，短鏈片段增加。

2.3蒸汽爆破處理對秈米淀粉紫外吸收光譜的影響秈米淀粉經蒸汽爆破處理后，其紫外吸收光譜見圖2、圖3、圖4。紫外光譜是電子光譜，由電子躍遷作用而產生。這種電子躍遷包括振動躍遷和轉動躍遷，紫外光譜不像振動光譜和轉動光譜那樣細窄，而是寬闊的譜帶。淀粉分子的空間構象是由α-D-葡萄糖殘基之間的相對排列方式決定的。由于空間位阻和能量的關系限制了α-1,4糖苷鍵內旋轉自由度，使得相鄰葡萄糖殘基的空間排列方式只有寥寥幾種。這種情況下，直鏈淀粉采取螺旋形結構。鏈淀粉與脂肪酸或碘形成結晶性的絡合物（V-鏈淀粉），碘或有機物分子位于鏈淀粉螺旋結構的腔中。鏈淀粉-碘絡合物在620~680間呈現最大的紫外光譜吸收峰。V-鏈淀粉絡合物的吸收波長與鏈淀粉的聚合度密切相關。聚合度小于6無色，7~13為淡紅色，20為紫色，30為藍紫色，40以上為藍色。由圖2、圖3、圖4可知，秈米淀粉經蒸汽爆破處理后其紫外吸收光譜和原淀粉基本一致，但最大吸收波長發生了變化。由圖2可以看出，隨著汽爆壓力的增加，秈米淀粉最大紫外吸收波長減小，由原淀粉的616nm~620nm減小到了567nm~570nm（2.0MPa）。由圖3可以發現，隨著維壓時間的延長，秈米淀粉最大吸收波長由原淀粉的616nm~620nm下降到了587nm~591nm（90s）。由圖4可知，隨著樣品水分含量的增加，其最大吸收波長發生較小程度的蘭移，由602nm~611nm（3.29%）蘭移到了590nm~594nm（22.15%）。這是由于在蒸汽爆破的作用下，秈米淀粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉分子發生降解，淀粉鏈斷裂，淀粉分子聚合度減小的緣故。

2.4蒸汽爆破處理對秈米淀粉紅外吸收光譜的影響淀粉的基本組成單元是α-D-葡萄糖殘基，主要特征基團是C2和C3所連接的仲醇羥基以及α-D-吡喃環結構。淀粉的紅外吸收光譜可以劃分成4個主要的區域：800cm-1以下（葡萄糖吡喃糖環骨架模式振動區域），800~1500cm-1（指紋區），2800~3000cm-1（C-H伸縮區域），和3000~3600（O-H伸縮區域）[10]。從圖5、圖6、圖7可以看出，與原淀粉的紅外光譜相比，蒸汽爆破處理后的秈米淀粉并無新的吸收峰產生，也就是說秈米淀粉分子骨架上沒有產生新的官能團，表明蒸汽爆破處理沒有改變秈米淀粉的化學結構。1650cm-1附近為醛基的吸收峰，隨著汽爆壓力、維壓時間、樣品水分含量的增加，秈米淀粉汽爆作用增強，淀粉的分子鏈斷裂產生的醛基增多，因而該區域吸收峰的強度增大。

在淀粉的紅外吸收光譜中，1158cm-1處的吸收峰代表C-O-C的不對稱伸縮振動，2930-1處的吸收峰代表C-CH2-C的不對稱伸縮振動，兩者強度的比值表示淀粉顆粒的結晶程度，用淀粉結晶指數（ICI）表示。由表5可以看出，隨著汽爆壓力的增加，秈米淀粉結晶指數隨之增加，由原淀粉的0.1638增加到了0.6019（2.0MPa）。由表6可以發現，隨著維壓時間的延長，秈米淀粉結晶指數由原淀粉的0.1638上升到了0.5752（90s）。由表7可知，隨著樣品水分含量的增加，其淀粉結晶指數由0.2424（3.29%）增長到了0.5418（22.15%）。這說明在蒸汽爆破的作用下，秈米淀粉分子鏈發生斷裂，產生的短鏈片段易形成淀粉分子結晶結構，使得淀粉結晶層的結構特征逐漸增強，而無定型片層的結構特征逐漸減弱。

3討論

目前關于大米淀粉預處理國內外主要采用微波、輻射、生物技術等方法，通過微波、脈沖電場等預處理技術，降低大米淀粉分子聚合度，改變淀粉分子構象以及物理化學特性[12~14]。蒸汽爆破技術是一種能在毫秒級（0.00875s）完成蒸汽爆破過程的彈射式汽爆技術，具有從分子水平上打破大分子晶格的效果。由于汽爆技術具有處理時間短、能耗低、無污染等優點，近年來越來越多的研究將其應用于天然產物原料的預處理。將蒸汽爆破技術引入秈米淀粉預處理，使其淀粉分子發生降解，淀粉分子聚合度減小，目前在國內外還沒有見到相關文獻。蒸汽爆破預處理對秈米淀粉其他物化特性的影響還需進一步研究。

4結論

4.1秈米淀粉經蒸汽爆破處理后，隨著爆破壓力、爆破時間以及樣品水分含量的增加，秈米淀粉分子量下降，短鏈片段所占比例增加。

4.2秈米淀粉經蒸汽爆破處理后其紫外吸收光譜和原淀粉基本一致，但其最大吸收波長發生蘭移現象，表明淀粉分子鏈聚合度降低。

4.3秈米淀粉經蒸汽爆破處理后其紅外吸收光譜和原淀粉相比沒有新的吸收峰產生，隨著爆破壓力、爆破時間以及樣品水分含量的增加，1650cm-1處吸收峰強度增大，淀粉結晶指數增加。

作者：李光磊張國叢劉本國李飛馬漢軍孫俊良單位：河南科技學院食品學院石家莊市農林科學研究院