酸解时间对B型玉米微晶淀粉结构的影响

闫溢哲 ，冯琳琳，周亚萍，史苗苗，刘延奇 *

1. 郑州轻工业大学食品与生物工程学院（郑州 450002）；2. 食品生产与安全河南省协同创新中心（郑州 450002）

淀粉是一类非常重要的碳水化合物，也是地球上大多数生物最重要的能量来源。世界上三大农作物分别是玉米、小麦和水稻，它们的种植为人类提供了源源不断的淀粉来源。众所周知，天然淀粉受自身特性影响在实际应用中受限极大，如其在冷水中难溶、高黏度、低透明度、易回生、脱水收缩等[1]。从天然淀粉的片层结构模型可以看出，其主要是由有序的结晶区域和无序的无定型区域构成。Tako等[2]认为，在天然淀粉的结晶区域中，直链淀粉和支链淀粉共同形成微晶结构，二者之间是以氢键紧密结合的。如果用酸或酶将天然淀粉颗粒中的无定型区域除去，或者把淀粉链变短后进行结晶化或提高结晶度的处理，得到的就是淀粉微晶[3-4]。微晶淀粉主要是指具有较高结晶度的淀粉微晶束，片晶或其他晶形的聚集体。其结晶区域多数是由支链淀粉形成，支链淀粉具有更高的有序性，结晶结构更加致密。微晶淀粉包括抗温和酸解淀粉（Lintners）、回生的抗酶解淀粉（抗消化淀粉RS3），淀粉球晶和球粒、葡聚糖微晶、抗酶解糊精等。根据X-射线衍射图谱，可将微晶淀粉分为A型、B型和C型。A型在15°、17°、18°、23°等处呈现明显的衍射峰；B型在5.9°、17.1°、22.3°和24°处有明显的衍射峰；C型由天然的C型或由A型（B型）转化而得，衍射峰包括A型与B型的峰型。微晶淀粉的用途也很广，可广泛应用于医药、食品、化妆品、轻化工、农业等各个领域中。在食品工业中，微晶淀粉可作为食品添加剂，具有天然纯净、不影响色香味形的优点。微晶淀粉不仅可用于食品中，还具有生理保健作用、抗消化作用。因微晶淀粉有着很大的应用价值，故对微晶淀粉的制备及结构研究有着重要的意义[5]。

试验以玉米淀粉为原料，通过酸解不同天数、重结晶等步骤制得B型微晶淀粉，随后采用电子扫描显微镜（SEM）、X-射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、便携式拉曼光谱仪对制备的酸解不同天数的B型玉米微晶淀粉的颗粒形貌、长程有序结构、短程有序结构及分子结构等进行分析研究，揭示酸解时间对玉米微晶淀粉结构的影响规律。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米淀粉（食品级，秦皇岛骊骅淀粉有限公司）；无水乙醇（分析纯，天津富宇精细化工有限公司）；浓HCl（分析级，开封市芳晶化学试剂有限公司）。

1.2 仪器与设备

Philips XL-3型扫描电子显微镜（日本日立公司）；Burker D8型X-射线衍射仪（德国布鲁克公司；Vertex 70型红外光谱扫描仪（德国布鲁克公司）；Acton Spectra Pro 500 i拉曼光谱仪（英国雷尼绍贸易有限公司）；SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）；LG 10-24高速离心机（北京医用离心机厂）；YP 6102电子天平（上海光正医疗仪器有限公司）；PHS-3 C型PH计（仪电科学仪器）。

1.3 方法

1.3.1 酸解淀粉制备

将2.2 mol/L的盐酸水溶液和玉米淀粉（干基）配制成50.0 g/L的淀粉悬浮液，在35 ℃的恒温箱中分别酸解1，2，3，4，5，6和7 d。反应完毕后抽滤，滤饼用去离子水洗涤多次，直至滤液pH为7。残余的固体物质再用无水乙醇淋洗3次，收集滤饼，在空气中晾干，得到不同酸解天数的酸解玉米淀粉[6-7]。

1.3.2 B型微晶淀粉的制备

取20.0 g酸解玉米淀粉，加入200 mL去离子水搅拌均匀，在电炉上加热溶解后冷却至室温，在4 500 r/min下离心6 min。取上清液到塑料瓶内，放置冰箱内-18 ℃下结晶12 h。取出在室温下融化至冰水混合物，先用冰水冲洗抽滤，再用无水乙醇冲洗抽滤3次，取出滤饼在室温下晾干得到B-型微晶淀粉[8]。

1.3.3 B型微晶淀粉的扫描电镜（SEM）观察

将待测淀粉样品置于105 ℃的烘箱中干燥4 h，分别剪取导电胶粘取2.0 mg样品于载物台上，喷铂金进行导电处理，将载物台放在扫描电镜下观察，放大不同倍数，选择合适的区域进行拍摄，得到具有代表性的淀粉样品颗粒形貌[9]。

1.3.4 B型微晶淀粉的X-射线衍射（XRD）测定

所有淀粉样品测试前用饱和NaCl溶液平衡水分一周。取0.5 g待测淀粉样品置于模具的圆形螺纹处，用光滑的玻璃片压平。用Burker D8型X-射线衍射仪测定，所用波长为0.154 2 nm的单色Cu-Kα射线。测试条件为：管压30 kV，管流20 mA，扫描速度4°/min，扫描区域5°～60°，采样步宽0.04°，扫描方式为连续，重复次数为1。

样品结晶度按照Nara等提出的方法进行计算[10]。

1.3.5 B型微晶淀粉的傅里叶红外光谱（FT-IR）测定

测试中所需溴化钾在测试前要在45 ℃的烘箱中干燥5 h。取一定量溴化钾，研细后加入少量淀粉样品（约为溴化钾用量1/100），混合均匀后取少许加入压片槽。用压片机手动加压约10下后，静置1～2 min，取出，置于测样的卡槽中，进行测试。测试条件为：扫描波数范围4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描时间64 s后得到样品的红外光谱图[11]。使用OMNIC 8.2软件分析所有FTIR测量数据，光谱数据在800～1 200 cm-1的范围内去卷积并归一化，峰宽38 cm-1，增强因子1.9。

1.3.6 B型微晶淀粉的拉曼光谱（Raman）分析

拉曼光谱是一种散射光谱，通过拉曼散射峰的强度、位置来反映分子振动或转动，分析化合物分子中不同的官能团或化学键，以此获取化学物中分子结构的信息[12]。取待测淀粉样品置于离心管瓶盖中，用光滑的玻璃压片压平，再用保鲜膜封住形成一个光滑平面，用便携式拉曼光谱仪测定。测定条件为：积分时间8 000～10 000 ms，激光功率100，平均测量3次后的样品图谱结果[13]。

1.4 数据处理

试验数据均重复3次，采用Excel整理数据，用IBM SPSS Statistics 22.0软件程序Duncan检验法进行显著性分析（p＜0.05），并以表示。均采用Origin 6.1软件作图。

2 结果与分析

2.1 酸解天数对B型微晶淀粉形貌的影响

天然玉米淀粉和不同酸解天数B型微晶淀粉样品的扫描电镜图片如图1所示。玉米原淀粉颗粒形状大部分呈多面体形，棱角圆滑，部分呈球形，颗粒的表面不光滑。酸解1 d的B型玉米微晶淀粉呈片状。酸解2 d的淀粉样品大部分也呈片状，但有少许处于黏连的淀粉小颗粒聚集态存在。酸解3 d的淀粉样品颗粒呈球形，颗粒形状不够圆滑，晶体之间大部分呈粘连状态。4～5 d淀粉颗粒形状基本都是球形，晶体之间有轻微黏连，淀粉颗粒明显较大。酸解6 d的淀粉样品颗粒形状较为均匀、圆滑。酸解7 d的淀粉样品颗粒外形变化最为显著，淀粉球晶越来越均匀、圆滑，颗粒越来越小。

图1 天然淀粉和B型微晶淀粉的扫描电子显微镜照片（1 000×）

2.2 酸解天数对B型微晶淀粉结晶结构的影响

图2 天然淀粉和B型微晶淀粉的X射线衍射图谱

天然玉米淀粉和不同酸解天数B型微晶淀粉样品的X射线衍射图谱如图2所示。从图2中可以看出，天然玉米淀粉特征峰是15.3°，17.1°和18.2°，是典型的A型结晶结构。经过酸解处理，转化成微晶淀粉后，在2θ为5.6°，17.1°，22.3°和24.0°处显示出B型淀粉的特征衍射峰。在22.3°和24.0°的双峰不能忽略，这2个峰也是高结晶度B型淀粉的特征衍射峰[14]。天然玉米淀粉和B型微晶淀粉结构的晶型存在较大差异。用Nara等[10]提出的方法是将图2中各衍射峰曲线进行处理，计算得出结晶区、无定型区面积和产品相对结晶度。随着酸解时间增加，相对结晶度越来越高，这可能是因为原淀粉中含有大量的无定型区，但在酸解过程中这些区域被破坏，分子变得更加有序；随后在重结晶过程中，有序的淀粉在热水中加热时变成无序的淀粉溶液，冷却时无序的结构发生重组，再聚集成有序结构[15]。2种有序结构是不同的，在这个过程中，水分渗出，结晶度增加，B型微晶形成，结晶度增加，另外，随着时间的增加，重结晶程度增加，结晶度相对也会增加。

2.3 酸解天数对B型微晶淀粉分子结构的影响

2.3.1 红外光谱分析

天然玉米淀粉和不同酸解天数B型微晶淀粉样品的红外图谱如图3所示。从图3（a）中可以看出，峰形没有明显变化，说明没有明显的新官能团生成。在3 380和2 934 cm-1处的特征峰分别归因于O—H伸缩振动和葡萄糖单元的C—H变形振动[16]。在1 649 cm-1处峰与水的O—H的弯曲振动相关联，与淀粉的无定形区域有关。在1 156 cm-1峰为糖苷键C—O—C伸缩振动的特征峰，在1 019和1 080 cm-1处的峰分别归因于葡糖酐环C—O—H的弯曲振动[18]。在562 cm-1处相关区域属于骨架模式振动。

除过能表征分子官能团外，红外光谱也可以提供接近淀粉颗粒表面淀粉链的结构有序信息，淀粉的红外光谱对双螺旋有序结构比较敏感，与和长程结构相关的双螺旋组成无关[17]。为了研究淀粉的短程分子排列顺序，通过软件获得淀粉在1 200～800 cm-1范围内去卷积红外光谱，如图3（b）所示。在1 047和1 022 cm-1处的红外谱带分别与淀粉的有序和无定形结构相关。淀粉的短程有序性与1 047和1 022 cm-1处的红外光谱带密切相关，可使用两者吸光度比作为双螺旋的短程有序性的参数[19-21]。结果表明，随着酸解天数延长，其比值持续增加（表1），表明其短程有序性也在增强，这一观察结果与XRD的结果基本一致。

图3 天然淀粉和B型微晶淀粉的红外图谱

表1 FTIR，Raman测定结构特征

2.3.2 拉曼光谱分析

天然玉米淀粉和不同酸解天数B型微晶淀粉样品的拉曼图谱如图4所示。在这些谱带中，480和2 900 cm-1处的谱带通常被用来表征天然淀粉颗粒的分子有序性或淀粉样品在糊化或老化过程中分子有序性的变化[22]。在波长约480 cm-1处为C—C—O伸缩振动的特征峰，2 900 cm-1处的峰归因于C—H的伸缩振动，865 cm-1处的谱带归属于C—O—C的对称伸缩振动，943 cm-1处特征峰为α-1, 4糖苷键的伸缩峰。在1 260 cm-1处的谱带与CH2的C—H的弯曲振动相关[23-24]。玉米淀粉、B型微晶淀粉的拉曼光谱图很相似，这说明酸解和重结晶并没有生成新的其他官能团例如羰基等，但峰强度和尖锐程度有很大区别。酸解1 d时，B型淀粉强度显著降低，这是因为短时间酸解后分子链长度大小不一，B型微晶结构极不完整，导致散射峰强度较低[28]。但随着酸解时间增加，分子链长度趋于一致，B型结构结晶度增加，散射峰强度增加，半高峰宽降低。

半高峰宽（FWHH）广泛用于表征淀粉样品的结构变化[25]，谱带变窄是更有序样本中键能分布更窄的指标[26]。一般而言，随着淀粉短程有序性的增加，淀粉样品在480 cm-1处FWHH降低[27]。对于酸解1～7 d的B型微晶淀粉，在480 cm-1处谱带的FWHH如表1所示。B型微晶淀粉的FWHH明显小于原淀粉[28]，且随着酸解天数增加逐渐变小，表明淀粉短程有序性也在持续增加。这些结果与XRD和FTIR所得结果基本一致。

图4 天然淀粉和B型淀粉的拉曼图谱

3 结论

通过不同天数的酸解及重结晶所得B型淀粉的颗粒形态、长程有序及短程有序结晶结构有显著不同。与原淀粉相比，随着酸解时间增加，微晶淀粉颗粒逐渐成为球形，淀粉球晶越来越均匀圆滑，颗粒越来越小；虽然淀粉样品均呈现B型，但相对结晶度越来越高。淀粉分子除糖苷键破坏外，没有新的官能团产生，且随酸解天数增加短程有序性逐渐增强。因此，酸解是制备B型玉米微晶淀粉的关键步骤，决定着微晶淀粉的结构及性能。