蒸汽爆破對秈米淀粉分子結(jié)構(gòu)的影響范文

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《現(xiàn)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(yè)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(shè)備QBS-80型汽爆工藝試驗(yàn)臺，河南鶴壁正道重型機(jī)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(jì)，北京普析通用公司；BS124S電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)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(jìn)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(yīng)48h，間隔24h換一次NaOH溶液，反應(yīng)結(jié)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(zhì)、直鏈淀粉等秈米淀粉主要成分測定參照國標(biāo)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(nèi)壓力至設(shè)定壓力并保持一定的時(shí)間,維壓結(jié)束后打開氣動閥門（閥門打開時(shí)間為0.00875s），瞬間泄壓的同時(shí)完成物料的爆破，收集腔內(nèi)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(jì)）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(biāo)樣溶液，3000r/min離心20min，取上清液，經(jīng)0.45m的尼龍微孔膜過濾后進(jìn)行凝膠過濾色譜分析，進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(diào)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(jì)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(xù)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(nèi)全波段掃描，繪出紅外光譜圖。

2結(jié)果與分析

2.1秈米淀粉成分分析秈米淀粉中主要化學(xué)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(jìn)行蒸汽爆破處理，以考察爆破壓力、爆破時(shí)間以及樣品水分含量等汽爆參數(shù)對秈米淀粉分子量的影響，結(jié)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(jī)械斷裂、氧鍵破壞和結(jié)構(gòu)重排等協(xié)同作用,原料物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分在加工過程中發(fā)生較大的變化。由表2、表3可以看出，秈米淀粉經(jīng)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(shí)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?yàn)樵谡羝谱饔孟拢矸鄯肿应?1,6糖苷鍵部分遭到破壞，同時(shí)α-1,4糖苷鍵也產(chǎn)生裂解，結(jié)果產(chǎn)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(shí)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(zhì)細(xì)胞內(nèi)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(jīng)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(chǎn)生。這種電子躍遷包括振動躍遷和轉(zhuǎn)動躍遷，紫外光譜不像振動光譜和轉(zhuǎn)動光譜那樣細(xì)窄，而是寬闊的譜帶。淀粉分子的空間構(gòu)象是由α-D-葡萄糖殘基之間的相對排列方式?jīng)Q定的。由于空間位阻和能量的關(guān)系限制了α-1,4糖苷鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。鏈淀粉與脂肪酸或碘形成結(jié)晶性的絡(luò)合物（V-鏈淀粉），碘或有機(jī)物分子位于鏈淀粉螺旋結(jié)構(gòu)的腔中。鏈淀粉-碘絡(luò)合物在620~680間呈現(xiàn)最大的紫外光譜吸收峰。V-鏈淀粉絡(luò)合物的吸收波長與鏈淀粉的聚合度密切相關(guān)。聚合度小于6無色，7~13為淡紅色，20為紫色，30為藍(lán)紫色，40以上為藍(lán)色。由圖2、圖3、圖4可知，秈米淀粉經(jīng)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(fā)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(fā)現(xiàn)，隨著維壓時(shí)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(fā)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(fā)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(tuán)是C2和C3所連接的仲醇羥基以及α-D-吡喃環(huán)結(jié)構(gòu)。淀粉的紅外吸收光譜可以劃分成4個(gè)主要的區(qū)域：800cm-1以下（葡萄糖吡喃糖環(huán)骨架模式振動區(qū)域），800~1500cm-1（指紋區(qū)），2800~3000cm-1（C-H伸縮區(qū)域），和3000~3600（O-H伸縮區(qū)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(chǎn)生，也就是說秈米淀粉分子骨架上沒有產(chǎn)生新的官能團(tuán)，表明蒸汽爆破處理沒有改變秈米淀粉的化學(xué)結(jié)構(gòu)。1650cm-1附近為醛基的吸收峰，隨著汽爆壓力、維壓時(shí)間、樣品水分含量的增加，秈米淀粉汽爆作用增強(qiáng)，淀粉的分子鏈斷裂產(chǎn)生的醛基增多，因而該區(qū)域吸收峰的強(qiáng)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(qiáng)度的比值表示淀粉顆粒的結(jié)晶程度，用淀粉結(jié)晶指數(shù)（ICI）表示。由表5可以看出，隨著汽爆壓力的增加，秈米淀粉結(jié)晶指數(shù)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(fā)現(xiàn)，隨著維壓時(shí)間的延長，秈米淀粉結(jié)晶指數(shù)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(jié)晶指數(shù)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(fā)生斷裂，產(chǎn)生的短鏈片段易形成淀粉分子結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使得淀粉結(jié)晶層的結(jié)構(gòu)特征逐漸增強(qiáng)，而無定型片層的結(jié)構(gòu)特征逐漸減弱。

3討論

目前關(guān)于大米淀粉預(yù)處理國內(nèi)外主要采用微波、輻射、生物技術(shù)等方法，通過微波、脈沖電場等預(yù)處理技術(shù)，降低大米淀粉分子聚合度，改變淀粉分子構(gòu)象以及物理化學(xué)特性[12~14]。蒸汽爆破技術(shù)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(shù)，具有從分子水平上打破大分子晶格的效果。由于汽爆技術(shù)具有處理時(shí)間短、能耗低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，近年來越來越多的研究將其應(yīng)用于天然產(chǎn)物原料的預(yù)處理。將蒸汽爆破技術(shù)引入秈米淀粉預(yù)處理，使其淀粉分子發(fā)生降解，淀粉分子聚合度減小，目前在國內(nèi)外還沒有見到相關(guān)文獻(xiàn)。蒸汽爆破預(yù)處理對秈米淀粉其他物化特性的影響還需進(jìn)一步研究。

4結(jié)論

4.1秈米淀粉經(jīng)蒸汽爆破處理后，隨著爆破壓力、爆破時(shí)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(jīng)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(fā)生蘭移現(xiàn)象，表明淀粉分子鏈聚合度降低。

4.3秈米淀粉經(jīng)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(chǎn)生，隨著爆破壓力、爆破時(shí)間以及樣品水分含量的增加，1650cm-1處吸收峰強(qiáng)度增大，淀粉結(jié)晶指數(shù)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(xué)院食品學(xué)院石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院