酸预处理对蜡质玉米乙酰化淀粉性质的影响

李佳佳，高群玉

(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640)

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蜡质玉米淀粉淀粉 德州大成食品有限公司;醋酸酐 广州化学试剂厂;盐酸、氢氧化钠 均为分析纯。

JB-50D 型增力电动搅拌机 上海标本模型厂;HH-2 型数显恒温水浴锅 江苏金坛市富华仪器有限公司;JC303-AO 型电热鼓风干燥箱 重庆实验设备厂;721 型可见分光光度计 上海菁华科技公司;803201 型Micro-Brabender 黏度仪 德国Brabender公司;D/Max2200 型X 射线衍射仪 日本Rigaku 公司;NEXUS-670 型傅里叶红外光谱仪 美国Thermo Electron 公司。

1.2 制备方法

1.2.1 酸解淀粉的制备［2］准确称取一定量的蜡质玉米淀粉加入到一定浓度的HCl 水溶液中，配成浓度为40%的淀粉乳，置于50℃的恒温水浴锅中进行酸解1h 后，用1.0mol/L NaOH 溶液调节pH5.5，抽滤，洗涤2～3 次，干燥，粉碎得到成品。

1.2.2 乙酰化淀粉的制备［3］配制35%的蜡质玉米淀粉乳，用1mol/L 的NaOH 溶液调pH8.0～8.4，逐滴加入6%的醋酸酐同时滴加NaOH 使体系pH 维持在8.0～8.4，于25℃条件下反应1h。反应结束后，用稀盐酸将反应混合物中和至pH6.5，抽滤、洗涤、干燥、粉碎、过筛后得到乙酰化淀粉。采用Sodhi［4］等的方法测定其乙酰基含量及取代度。

1.2.3 酸解乙酰化淀粉的制备 准确称取一定量的蜡质玉米酸解淀粉，配制成35%的淀粉乳，用1mol/L的NaOH 溶液调pH8.0～8.4，逐滴加入6%的醋酸酐同时滴加NaOH 使体系pH 维持在8.0～8.4，于25℃条件下反应1h。反应结束后实验方法同1.2.2。文中:NS，蜡质玉米原淀粉;0.1AT，HCl 浓度为0.1mol/L的酸解淀粉;0.5AT，HCl 浓度为0.5mol/L 的酸解淀粉;0.75AT，HCl 浓度为0.75mol/L 的酸解淀粉;AC，乙酰化淀粉，取代度为0.0891;1AT-AC，HCl 浓度为0.1mol/L 的酸解乙酰化淀粉，取代度为0.0864;0.5AT-AC，HCl 浓度为0.5mol/L 的酸解乙酰化淀粉，取代度为0.0873;0.75AT-AC，HCl 浓度为0.75mol/L 的酸解乙酰化淀粉，取代度为0.0867。

1.3 淀粉糊性质的测定

1.3.1 淀粉糊透明度的测定［5］准确称取1.00g 的样品加入100mL 蒸馏水，调成1.0%(m/v)的淀粉乳于沸水浴中加热30min 并不断搅拌，充分糊化样品，然后冷却至室温，以蒸馏水为空白(设蒸馏水的透光率为100%)，1cm 比色皿，在波长620nm 处测定样品的透光率，同一样品测定三次。

1.3.2 淀粉糊溶胀性质的测定［6］配制质量浓度为10g/L 的淀粉乳50mL 于离心管中，在95℃条件下加热30min 并不时振荡，待淀粉乳充分糊化，冷却至室温后于离心机中以3500r/min 离心20min，将上清液置于105℃烘箱中烘至恒重，称其质量记为B，离心管中膨胀淀粉的质量记为C，计算溶解度S 和膨胀度P。

三系杂交种皖芝10号参加2013年安徽省芝麻新品种区试，产量为1 498.50 kg/hm2，比对照品种豫芝4号增产2.04%，2014年通过安徽省鉴定。2015—2016年全国(江淮片)芝麻品种区域试验，两年平均产量1 261.65 kg/hm2，比豫芝4号(CK)增产2.54%；含油量为58.18%，蛋白质含量20.97%；茎点枯和枯萎病病情指数分别为5.07和0.85。该品种具有优质、高油、高产、多抗、综合性状优于全国对照品种豫芝4号等特点，适合制油、食品保健。

式中:B-被溶解的淀粉质量，g;C-沉淀物质量，g;m-淀粉干基质量，g。

1.3.3 淀粉糊黏度性质的测定 准确称取一定量的样品于Brabender 黏度仪的回转杯中，然后加入100mL 蒸馏水，配成6%(w/w)的淀粉乳，设置扭矩为350cmg，回转杯的转速为250r/min。淀粉乳从30℃开始升温，以7.5℃/min 速度升温至95℃后保温5min，然后以7.5℃/min 的速度降温至50℃并保温5min，在整个过程中连续记录淀粉糊黏度的变化，得到Brabender 黏度曲线。

1.3.4 淀粉糊凝沉性的测定 用蒸馏水配制质量分数为1%的淀粉乳(以淀粉干基计)于沸水浴中糊化20min，冷却至室温后将淀粉糊转移至100mL 的具塞量筒中，定容至100mL，摇匀，室温下静置，24h 后记录上清液体积，用上清液的体积占总体积的百分比随时间变化来表示淀粉糊的凝沉性质。

1.3.5 冻融稳定性的测定［7］称取绝干淀粉样品6g，加蒸馏水94mL，配成6%的淀粉乳，在沸水浴中加热30min，并不断搅拌，完全糊化后转移至离心管中，加盖，于-18℃条件下冷冻24h，取出于室温下自然解冻6h，在3500r/min 下离心20min。弃去上清液，称沉淀物质量，计算冻融后的析水率。

式中:Y 为析水率(%);m1为淀粉糊的质量(g);m2为沉淀物的质量(g)。

以同样的方法反复冻融，直到有清水洗出或变成海绵状为止，冻融的次数代表淀粉糊的冻融稳定性。

1.4 淀粉颗粒结构的测定

1.4.1 X-射线衍射 将样品在相对湿度为100%的条件下平衡24h 后进行X-射线衍射分析。测试条件为:测量角度2θ =4～35°，步长为0.05°，扫描速度为12°/min，靶型:Cu，电压:40kV，电流:40mA。

1.4.2 红外光谱 将样品干燥并用KBr 压片，用红外光谱仪测定，扫描范围为4000～500cm-1，得到红外图谱。

1.5 数据分析处理

实验中所用到的各组数据均重复3 次，用origin 8.0 作图。

2 结果与分析

2.1 酸预处理对淀粉糊黏度及糊化性质的影响

由图1 与表1 可知，酸预处理后，蜡质玉米淀粉的峰值黏度显著降低，糊化温度升高且随着酸浓度的增加而逐渐升高，酸解淀粉的冷、热糊稳定性与原淀粉相比均有所改善;乙酰化淀粉与原淀粉相比具有较低的起糊温度和较高的峰值黏度，但是乙酰化淀粉的冷、热糊稳定性比原淀粉差;酸预处理蜡质玉米淀粉再进行乙酰化改性后的淀粉有着较低的糊化温度，峰值黏度也显著降低，崩解值比原淀粉降低且随着酸浓度的增大而逐渐降低，凝沉性也有所改善，复合改性淀粉兼具酸解淀粉与乙酰化淀粉的优点。酸预处理后淀粉糊黏度的降低主要是因为:一方面，酸水解产生了大量的直链淀粉片段，这些直链淀粉片段重结晶形成的类双螺旋结构在淀粉糊化过程中很难被溶解［5］;另一方面，酸水解使淀粉颗粒的无定形区被破坏，淀粉颗粒结构变弱，在外力作用下更容易破坏［8］。酸解淀粉经乙酰化后，淀粉分子上引入了亲水性的乙酰基团，使得淀粉分子之间的氢键作用力减弱，淀粉更容易吸水膨胀，故糊化温度降低。酸水解蜡质玉米淀粉产生的更多的短的直链淀粉分子之间相互形成的稳定的连续网状结构［9］以及乙酰基的引入施加的空间位阻作用和分子作用力这两方面因素使得酸预处理后的乙酰化蜡质玉米淀粉体系更加稳定，故冷、热糊稳定性增强。

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

图1 蜡质玉米原淀粉及其改性淀粉的糊黏度曲线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质因素之一，常用透光率来反映淀粉糊透明度的高低，透明度越高，与水结合能力就越强。由表2 可知，酸预处理后淀粉的透光率显著增加且随着酸浓度的增加透光率逐渐增加。淀粉经酸解后淀粉分子之间的氢键作用力被破坏，分子之间的缔合作用减弱，降低了光的散射和反射强度。蜡质玉米淀粉经乙酰化后，乙酰基团的亲水性及空间位阻作用使透光率提高。酸解淀粉经乙酰化后透光率与原酸解淀粉相比，进一步提高。这可能是因为酸水解淀粉颗粒的无定型区使颗粒结构变弱，乙酰化进一步削弱了淀粉的颗粒结构［10］，使得糊化变得更加容易，减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蜡质玉米淀粉增强，且随着酸浓度的增加凝沉性逐渐增强，这是因为蜡质玉米原淀粉中直链淀粉含量很低，抗凝沉性好，酸预处理后支链淀粉被水解产生很多的直链淀粉片段促进了淀粉链的缔合及支链淀粉自身的聚集，从而形成更多的双螺旋结构，容易凝沉。酸解淀粉经乙酰化后，与相应的酸解淀粉相比凝沉性有所改善，这可能是因为向支链淀粉中引入的乙酰基团空间位阻比较大，阻止了淀粉糊中分子链之间的重结晶，故凝沉性得到改善。

2.3 膨胀度与溶解度

淀粉的溶解特性和膨胀特性是十分重要的理化性质，溶解度与膨胀度反映的是淀粉与水之间相互作用的大小。

表2 蜡质玉米原淀粉及其改性淀粉的透光率与凝沉性Table 2 Light transmittance and retrogradation of native waxy maize starch and modified starch

从图2 可以看到，蜡质玉米原淀粉在95℃加热条件下具有较高的溶解度，酸预处理后溶解度显著增加且随着酸浓度的增加而增加，经过0.75mol/L 酸处理后，蜡质玉米原淀粉的溶解度由原来的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链淀粉片段，这些直链淀粉片段在温水条件下能够形成更多的氢键促进了淀粉与水的结合［9］。比较酸解淀粉与相应的酸解乙酰化淀粉发现，酸解淀粉经乙酰化处理后溶解度与相应的乙酰化淀粉相比明显增加，说明酸预处理能够显著增加蜡质玉米乙酰化淀粉的溶解度。

图2 蜡质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

由图3 知，经过0.75mol/L 酸处理后，蜡质玉米原淀粉的膨胀度由原来的35.31g · g-1降低到7.45g·g-1，且膨胀度随着酸浓度的增加而逐渐降低。这个原因可能是酸解作用产生了很多直链淀粉片段，这些片段之间重结晶形成的双螺旋结构在淀粉糊化过程中很难遭到破坏，从而能有效地抑制淀粉分子的膨胀。蜡质玉米淀粉先酸预处理再进行乙酰化改性后的膨胀度比原淀粉降低，但是比相应的酸解淀粉有微弱升高，这可能是因为酸解淀粉中引入乙酰基团后，能够使乙酰基团更加深入的进入到淀粉结构中，这些大的乙酰基团能够阻止淀粉分子链间的缔结，促使直链淀粉溶出［8］，故膨胀度升高。

图3 蜡质玉米原淀粉及其改性淀粉的膨胀度Fig.3 Swelling power of native waxy maize starch and modified starches

2.4 冻融稳定性分析

冻融稳定性反映淀粉分子的持水能力，和淀粉的分子结构有很大的关系。淀粉的冻融稳定性用析水率来表征，析水率越大表示冻融稳定性越差。由表3 可知，冻融24h 后，蜡质玉米原淀粉与乙酰化淀粉的析水率均为0，冻融稳定性最好;酸解淀粉的冻融稳定性降低且随着酸浓度的增加冻融稳定性逐渐降低，这是因为酸水解产生了很多的直链淀粉和短链淀粉，在低温下，这些分子间易于取向排列形成氢键，把淀粉分子结合的水排挤出来，氢键结合成束状结构而发生凝沉［11］。酸预处理后再经过乙酰化改性后的淀粉，在酸浓度较低时，与相应的酸解淀粉相比，冻融稳定性有显著改善。这可能由两方面原因造成的:一方面，乙酰化作用向酸水解产生的直链淀粉及短链淀粉上引入了乙酰基团，亲水性的乙酰基团能很好地保持水分，维持良好的淀粉糊状态，淀粉糊体系不易分散。另一方面，乙酰基团的引入形成的空间位阻作用以及分子斥力降低了淀粉上的氢键作用，抑制了淀粉的聚集和凝沉。但是，随着酸浓度的增加，经过酸处理后的乙酰化淀粉的冻融稳定性与相应的酸解淀粉相比有所降低且随着酸解程度的增加冻融稳定性降低的越多。这可能是因为高浓度酸解后淀粉的颗粒结构变弱而乙酰基的引入更加深入的进入到淀粉的颗粒结构中进一步削弱了淀粉的结构，从而使保水力降低，冻融稳定性下降。淀粉经乙酰化后冻融四次之后依旧有水析出，轻度酸水解对乙酰化淀粉的冻融稳定性没有很大影响。

2.5 X-射线衍射

蜡质玉米原淀粉、酸解淀粉、乙酰化淀粉及酸解乙酰化淀粉的X 射线衍射图谱如图4 所示。

由图4 可知，蜡质玉米原淀粉在15.3、17.1、18.2、23.5°附近分别有强吸收峰，属于明显的A 型衍射。淀粉经过酸解改性、乙酰化改性和酸解乙酰化复合改性后，晶型没有发生改变，结晶度也没有明显的变化，可见酸预处理并不会改变蜡质玉米淀粉的晶型，对蜡质玉米淀粉的乙酰化也没有显著影响。这可能是由两方面造成的:一方面，A 型淀粉支链淀粉的支点不仅分布在无定形区，也分布在结晶区，对酸水解不敏感，故不易被水解［12］。另一方面，也有可能是酸解时间太短，还没有破坏淀粉的结晶结构。

图4 蜡质玉米原淀粉及其改性淀粉的X-射线衍射图谱Fig.4 X-ray diffraction patterns of native waxy maize starch and modified starch

表3 蜡质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 红外光谱分析

图5 为蜡质玉米原淀粉、酸解淀粉、乙酰化淀粉和酸解乙酰化淀粉的红外光谱图。由图5 可知，577、765、861、930cm-1是蜡质玉米淀粉的特征吸收峰，在3346cm-1处出现缔合羟基的吸收峰，1643cm-1附近为多糖类羟基的吸收峰，2931cm-1附近为-CH2-的C-H 不对称伸缩振动吸收峰。与蜡质玉米原淀粉相比，酸解淀粉的红外图谱并没有明显变化，可见酸预处理对蜡质玉米原淀粉的基本结构并无显著影响，酸解反应只是使淀粉分子中的糖苷键断裂，降低了淀粉的分子量［13］。比较酸解乙酰化淀粉与乙酰化淀粉的红外图谱，发现这两种淀粉均增加了三个吸收峰，分别为1731、1371、1250cm-1。1730cm-1是C = O的特征吸收峰，1370cm-1和1248cm-1附近对应的是乙酰基的特征吸收峰，由此说明蜡质玉米淀粉酸预处理后成功引入了乙酰基团，说明乙酰基团已成功引入到酸解淀粉上。

图5 蜡质玉米原淀粉及其改性淀粉的红外图谱Fig.5 Fourier transforms infrared spectra of native waxy maize starch and modified starch

3 结论

对蜡质玉米淀粉采用先酸预处理再进行乙酰化改性后，复合改性淀粉的黏度与起始糊化温度显著降低，冷、热糊稳定性增强，糊的抗凝沉性与透明度得到改善，溶解度增加且随着酸浓度的增加而增加，膨胀度显著降低;低浓度酸处理对复合改性淀粉的冻融稳定性影响较小，高浓度酸处理降低了复合改性淀粉的冻融稳定性;酸预处理没有改变复合改性淀粉的结晶结构与基本结构。

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