李德海，馬 鶯*

(1.哈爾濱工業(yè)大學食品科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.東北林業(yè)大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

玉米直鏈淀粉的制備及其特性

李德海1,2，馬 鶯1,*

(1.哈爾濱工業(yè)大學食品科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.東北林業(yè)大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

以普通玉米淀粉為原料，采用稀堿分散法制備玉米直鏈淀粉。以直鏈淀粉的得率和藍值為評價指標，通過正交試驗確定最佳分離工藝為NaOH溶液濃度0.35～0.45mol/L、NaCl溶液質(zhì)量分數(shù)5%、離心力5439～7014×g。該法制備的玉米直鏈淀粉與丁醇法和乙醇分散法制備的直鏈淀粉以及直鏈淀粉標準品的特性進行對比，根據(jù)其藍值、特性黏度及特性分子質(zhì)量、質(zhì)構(gòu)特性、相對分子質(zhì)量分布結(jié)果可知，稀堿分散法制備直鏈淀粉的純度高于乙醇分散法和丁醇法，并且直鏈淀粉的凝膠特性和相對分子質(zhì)量分布情況接近直鏈淀粉標準品。

玉米淀粉；直鏈淀粉；制備；分散劑；特性

淀粉是一種天然高分子化合物，是由直鏈淀粉與支鏈淀粉組成。普通淀粉中直鏈淀粉的含量只有22%～27%，而高直鏈淀粉中直鏈淀粉含量一般為40%～70%[1]。研究發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉含量決定淀粉及其衍生物的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及應(yīng)用價值。直鏈淀粉含量越高，淀粉顆粒越難糊化[2]，糊化后分子間越易結(jié)合、易發(fā)生凝沉[3]、抗剪切力強[4]、成膜性能好[5]。由于高直鏈淀粉具有特殊的功能特性，已成為國內(nèi)外學者研究的熱點，被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，如藥物緩釋劑[6]、涂膜劑[7]、可降解塑料[8]等等。

目前，國外高直鏈淀粉的生產(chǎn)主要以基因改良的種質(zhì)資源為主，也有研究從普通淀粉中分離制備高直鏈淀粉。最早是Meyer等采用溫水抽提法分離制備直鏈淀粉和支鏈淀粉，并發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)差異[9]，后來逐漸發(fā)展為丁醇法[10]、色譜法[11]、酶脫支法[12]等。其中丁醇法是分離制備直鏈淀粉的經(jīng)典方法，其原理是在淀粉糊液中，直鏈淀粉與丁醇能夠螯合形成復合物，在冷卻的過程中復合物沉淀析出，實現(xiàn)直鏈淀粉和支鏈淀粉的分離。但是以上這些方法普遍存在成本較高、操作繁瑣、純度不高和結(jié)構(gòu)破壞等問題。淀粉樣品的預處理是影響直鏈淀粉純度和結(jié)構(gòu)的主要因素，目前水、二甲基亞砜、醇[13]和稀堿[14]是淀粉樣品預處理中常使用的溶劑，能夠使淀粉顆?？焖贊櫭洷澜猓沟矸垡苑肿有问椒稚⒃谌芤褐?，但是在分離制備直鏈淀粉的方法中很少使用這些溶劑處理原淀粉。

本實驗在綜合國內(nèi)外該領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)上，在分離制備直鏈淀粉中使用稀堿處理淀粉樣品，使原淀粉在常溫下能夠快速分散，提高直鏈淀粉的純度以及降低對直鏈淀粉結(jié)構(gòu)的破壞程度。因此本實驗以普通玉米淀粉為原料，研究稀堿分散法制備玉米直鏈淀粉，旨在建立一種經(jīng)濟實用的高直鏈淀粉的制備方法，為進一步研究玉米淀粉的性質(zhì)和淀粉類產(chǎn)品的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

玉米淀粉(食用級) 吉林大成食品有限公司；玉米直鏈淀粉標準品 美國Sigma公司；右旋糖苷標準品 瑞典Pharmacia公司。無水乙醇、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鈉、碘化鉀、碘、正丁醇、鹽酸、二甲基亞砜、硝酸鈉等(均為分析純)。

D-37520型高速離心機 德國Sigma Laborzentrifugen GmbH公司；80-2112-43紫外分光光度計 美國GE Healthcare公司；DHG-9240電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；烏氏黏度計(毛細管直徑0.75mm) 上海玻璃儀器一廠；TA-XTZi型質(zhì)構(gòu)儀 英國SMS公司；1100型高效液相色譜儀 美國安捷倫公司。

1.2 方法

1.2.1 玉米直鏈淀粉的制備

1.2.1.1 稀堿分散法制備玉米直鏈淀粉

稀堿分散法的原理是基于稀堿溶液在常溫下能使淀粉快速分散以及支鏈淀粉不溶于稀鹽溶液的特點而建立的一種直鏈和支鏈淀粉分離的方法。在分離過程中影響分離效果的主要因素有堿和鹽的濃度，以及離心分離的離心力。因此，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用正交設(shè)計優(yōu)化直鏈淀粉和支鏈淀粉的分離條件。

將原淀粉溶于水中制成質(zhì)量分數(shù)10%的淀粉乳，取20mL淀粉乳，在沸水浴中糊化30min，然后慢慢加入NaOH溶液(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mol/L)260mL，并輕輕攪拌均勻，靜置5min后加入72mL NaCl溶液(3%、4%、5%、6%、7%)。再用鹽酸中和至pH6.5～7.5，在室溫條件下放置15h靜止分層，分離上清液，上清液即為直鏈淀粉粗提液，下層膠體為支鏈淀粉粗提液[15]。

將直鏈淀粉粗提液按10:1體積比加入正丁醇，在常溫下攪拌1h，靜置3h，離心(1776、3358、5439、8020、11100×g)20min，沉淀物再用正丁醇攪拌飽和1h、靜置、離心，重復4次后，將沉淀物轉(zhuǎn)至無水乙醇中浸泡24h，再用無水乙醇洗滌4次，沉淀物在50℃烘箱干燥，即為直鏈淀粉[10]。以直鏈淀粉的得率和藍值[16]為評價指標，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用三因素三水平的正交試驗確定NaOH濃度、NaCl質(zhì)量分數(shù)和離心力的最優(yōu)水平。

1.2.1.2 采用其他方法制備玉米直鏈淀粉

采用高煒麗等[17]和洪雁等[18]方法制備玉米直鏈淀粉，并測定直鏈淀粉的得率和藍值。

1.2.2 玉米直鏈淀粉特性

精確稱取淀粉0.6018g，先用1mL 95%乙醇將其分散，然后加入60mL 0.5mol/L KOH，沸水浴中加熱輕微攪拌10min，冷卻至室溫，過夜，用0.5mol/L KOH定容至100mL容量瓶中。用烏氏黏度計測定特性黏度與特性分子質(zhì)量[19]。

稱取一定量玉米直鏈淀粉溶于水中制成質(zhì)量分數(shù)6%的淀粉乳，以1.5℃/min的速度攪拌加熱到95℃，然后保溫30min，冷卻至室溫，用質(zhì)構(gòu)儀測定其膠凝特性[20]。

1.2.3 玉米直鏈淀粉相對分子質(zhì)量分布

色譜條件：流動相為90%的二甲基亞砜(含0.03mol/L NaNO3)；柱溫45℃；色譜柱PL-gel mixed columns(300mm×7.5mm，10μm；檢測器為示差折光檢測器；流速1mL/min；進樣量50μL。

稱取15～30mg的淀粉樣品，溶解于4mL，90%的二甲基亞砜中(含0.03mol/L NaNO3)，在75℃水浴中加熱18h，然后轉(zhuǎn)移至25mL容量瓶中，定容至刻度，搖勻后用0.45um尼龍微孔膜過濾，待色譜儀運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，在上述的色譜條件下進樣測定。采用右旋糖苷標準品(MW10000、40000、70000、190000、485000)制作相對分子質(zhì)量標準曲線[21]。

所得數(shù)據(jù)均為3次重復的平均值，采用SAS 8.0軟件進行Duncan ,s multiple-range test方法分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 稀堿分散法制備玉米直鏈淀粉

2.1.1 氫氧化鈉濃度的確定

圖1 NaOH溶液濃度對玉米直鏈淀粉得率及藍值的影響Fig.1 Effect of NaOH concentration on the yield and blue value of corn amylose

在氯化鈉質(zhì)量分數(shù)5%、離心力5439×g條件下分離制備玉米直鏈淀粉，由圖1可知，NaOH溶液濃度為0.4mol/L時，分離制備的直鏈淀粉得率和藍值均最高，說明此時對分離制備直鏈淀粉的結(jié)構(gòu)破壞程度最輕。因為在堿性溶液中，淀粉分子上羥基的質(zhì)子被解離，淀粉分子帶負電，分子間相互排斥，隨著堿濃度的增大，這種斥力也相應(yīng)增強，最終導致螺旋區(qū)的展開甚至分子降解[22]。

2.1.2 氯化鈉質(zhì)量分數(shù)的確定

圖2 NaCl質(zhì)量分數(shù)對玉米直鏈淀粉得率及藍值的影響Fig.2 Effect of NaCl concentration on the yield and blue value of corn amylose

在氫氧化鈉濃度0.4mol/L、離心力5439×g條件下分離制備玉米直鏈淀粉，由圖2可知，NaCl質(zhì)量分數(shù)在5%～7%范圍內(nèi)，直鏈淀粉的得率達到最大值；但是在NaCl質(zhì)量分數(shù)5%時，制備的直鏈淀粉藍值最高。由于在高NaCl溶液中，直鏈淀粉分子與鹽離子之間的相互作用力增強，這種作用力主要是鈉離子、氯離子與淀粉分子中羥基離子、氫離子之間的作用，結(jié)果破壞了穩(wěn)定直鏈淀粉分子螺旋結(jié)構(gòu)的氫鍵[23]，導致結(jié)合碘分子數(shù)量下降，所以玉米直鏈淀粉的藍值降低。因此以下實驗選取NaCl質(zhì)量分數(shù)5%制備直鏈玉米淀粉。

2.1.3 離心力的確定

圖3 離心力對玉米直鏈淀粉得率及藍值的影響Fig.3 Effect of centrifugation speed on the yield and blue value of corn amylose

在氫氧化鈉濃度0.4mol/L、氯化鈉質(zhì)量分數(shù)5%的條件下分離制備玉米直鏈淀粉，由圖3可知，離心力8020～11100×g時，直鏈淀粉得率最高。在8020×g時分離制備的直鏈淀粉藍值最大，而在離心力11100×g時，直鏈淀粉的藍值降低。在高速離心力作用下，使得淀粉分子的構(gòu)象尤其是直鏈淀粉的螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導致直鏈淀粉與碘分子的結(jié)合能力下降[24]，所以直鏈淀粉的藍值降低。因此，在離心力8020×g時制備的直鏈淀粉具有較高的得率和較理想的藍值。

企業(yè)獨特、稀有的能力能夠為企業(yè)發(fā)展帶來競爭優(yōu)勢，這一觀點目前被多數(shù)學者所認同。其中蘊含的企業(yè)能力的思想早在斯密的企業(yè)分工理論中已有萌芽，馬歇爾的企業(yè)內(nèi)部成長理論更是明確地指出，“企業(yè)內(nèi)部各職能部門之間、企業(yè)之間、產(chǎn)業(yè)之間存在著差異分工，這種分工源于其各自不同的知識和技能等能力”。而后，潘羅斯在《企業(yè)成長論》一書中指出，企業(yè)是個具有不同用途、隨時間推移并由一系列管理決策決定的生產(chǎn)性資源的集合體，而決策能力是企業(yè)自有的一種典型能力，因而企業(yè)能力是實現(xiàn)經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)。

2.1.4 正交試驗結(jié)果

正交試驗因素水平見表1，試驗安排及結(jié)果見表2。

表1 玉米直鏈淀粉正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels in orthogonal array design

表2 玉米直鏈淀粉L9(33)正交試驗結(jié)果及極差分析表Table 2 Orthogonal array design scheme, experimental results and range analysis

從直鏈淀粉得率方面考慮，A1B2C3為最佳工藝參數(shù)，即最佳工藝參數(shù)為NaOH濃度0.35mol/L、NaCl質(zhì)量分數(shù)5%、離心力11100×g。從直鏈淀粉結(jié)構(gòu)破壞程度考慮，A3B2C1為最佳工藝參數(shù)，即NaOH濃度0.45mol/L、NaCl質(zhì)量分數(shù)5%、離心力5439×g。根據(jù)對直鏈淀粉得率(RB＞RC＞RA)和直鏈淀粉藍值(R′B＞R′C＞R′A)的極差分析，NaCl質(zhì)量分數(shù)是影響直鏈淀粉得率和藍值的主要因素，其次為離心力，而NaOH濃度對直鏈淀粉得率和藍值的影響最小。由于較高離心力會破壞直鏈淀粉的螺旋結(jié)構(gòu)，因此根據(jù)淀粉的特性以及綜合正交試驗結(jié)果，最終確定制備玉米直鏈淀粉的最佳工藝為NaOH濃度0.35～0.45mol/L、NaCl質(zhì)量分數(shù)5%、離心力5439～7014×g。

2.2 玉米直鏈淀粉制備方法的比較

在上述最佳條件下制備玉米直鏈淀粉，測定直鏈淀粉的得率、含量和藍值，驗證最佳制備工藝的合理性，同時與丁醇法和乙醇分散制備的直鏈淀粉以及直鏈淀粉的標準品進行對比(表3)。

表3 不同制備方法的直鏈淀粉得率、含量和藍值Table 3 Comparisons on yield, content and blue value of amyloes prepared by different methods

從表3可以看出，丁醇法制備的直鏈淀粉的得率高于稀堿溶液分散法和乙醇分散法(P＜0.05)，丁醇法制備的直鏈淀粉的含量低于后兩者(P＜0.05)。由于丁醇法是基于丁醇和異戊醇直接與直鏈淀粉螯合的原理，該方法就有操作簡單、得率高的優(yōu)點，但是該法制備的直鏈淀粉的含量較低，并且異戊醇的毒性較強、有異味，不適于在食品中使用。稀堿分散法、丁醇法制備的直鏈淀粉的藍值差異不顯著，但是兩者均顯著高于乙醇分散法。結(jié)果說明丁醇法和稀堿分散法對淀粉結(jié)構(gòu)的影響較小。乙醇分散法具有得率高、操作簡單、使用的分散劑為無毒、易回收的乙醇，因而該法廣為采用；但是乙醇能夠破壞直鏈淀粉的結(jié)構(gòu)，導致直鏈淀粉聚合度下降[25]，使得制備的直鏈淀粉的藍值降低。盡管稀堿分散法制備直鏈淀粉的得率低于丁醇法，但是稀堿溶液作為一種溫和、低廉的分散劑，對直鏈淀粉的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響較小，可以最大限度地保持直鏈淀粉的結(jié)構(gòu)，因此，作為一種高效、低廉的直鏈淀粉分離方法，稀堿分散法具有潛在的應(yīng)用價值。

2.3 玉米直鏈淀粉特性的研究

2.3.1 玉米直鏈淀粉特性黏度和特性分子質(zhì)量

淀粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉含量及其分子質(zhì)量大小直接影響淀粉的流變性；而黏度是淀粉流變性的重要反映指標，因此測定淀粉的特性黏度及其特性分子質(zhì)量可以反映直鏈淀粉的含量。本實驗采用烏氏黏度計測定，使用Mark-Houwink方程確定特性黏度平均分子質(zhì)量，結(jié)果如表4所示。

表4 玉米直鏈淀粉的特性黏度和特性分子質(zhì)量Table 4 Intrinsic viscosity and molecular weight of corn amylose

從表4可以看出，稀堿分散法和乙醇分散法制備的直鏈淀粉與直鏈淀粉標準品的特性黏度差異性不顯著(P＞0.05)，但顯著低于丁醇法和原玉米淀粉(P＜0.05)。稀堿分散法制備的直鏈淀粉與乙醇分散法制備的直鏈淀粉的特性分子質(zhì)量異性不顯著(P＞0.05)，但低于丁醇法、直鏈淀粉標準品和原玉米淀粉(P＜0.05)。淀粉的特性黏度與淀粉的相對分子質(zhì)量以及直鏈淀粉含量有關(guān)，相對分子質(zhì)量越大，淀粉的特性黏度越大，由于支鏈淀粉的相對分子質(zhì)量大于直鏈淀粉，所以直鏈淀粉含量越高的淀粉特性黏度也越小，也就是特性分子質(zhì)量也越小。因此，本研究采用稀堿分散法制備的直鏈淀粉的純度較高。

2.3.2 玉米直鏈淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)分析(TPA)

淀粉的膠凝性質(zhì)在淀粉及改性淀粉的發(fā)展及應(yīng)用中起到至關(guān)重要的作用，因此本實驗采用TPA技術(shù)測定3種方法制備的直鏈淀粉的膠凝特性(表5)。

表5 不同來源淀粉樣品的TPA數(shù)據(jù)Table 5 Texture profile analysis of corn amylose from different sources

表5給出了不同來源淀粉樣品凝膠的TPA的數(shù)據(jù)，可以看出，稀堿分散法制備玉米直鏈淀粉與丁醇法和乙醇分散法制備的玉米直鏈淀粉的硬度沒有變化(P＞0.05)，但是稀堿分散法和乙醇分散法制備玉米直鏈淀粉的硬度均低于直鏈淀粉標準品的硬度(P＜0.05)。稀堿分散法制備的玉米直鏈淀粉與直鏈淀粉標準品的彈性差異不顯著(P＞0.05)，而與丁醇法和乙醇分散法制備的玉米直鏈淀粉的彈性差異顯著(P＜0.05)，原玉米淀粉的硬度和彈性最小(P＜0.05)。丁醇法制備玉米直鏈淀粉的黏聚性好于稀堿分散法和乙醇分散法制備玉米直鏈淀粉和直鏈淀粉標準品(P＜0.05)，而四者的黏附性指數(shù)沒有顯著差異(P＞0.05)，但是原玉米淀粉的黏聚性和黏附性指數(shù)最好(P＜0.05)。淀粉的質(zhì)構(gòu)特性與直鏈淀粉含量相關(guān)，淀粉的凝膠硬度、彈性隨直鏈淀粉含量的增加而增大，黏度和黏附性指數(shù)隨直鏈淀粉含量的增加而減小。如果淀粉顆粒中直鏈淀粉含量越多，分子間的間距就會變小，使淀粉分子更容易形成結(jié)晶，也就越容易形成凝膠，硬度、彈性就越高[26]，相反黏度、黏附性指數(shù)則降低。因此，從表5可以看出，稀堿分散法制備的直鏈淀粉凝膠性較好。

2.3.3 玉米直鏈淀粉相對分子質(zhì)量分布的測定

圖4 淀粉樣品的凝膠滲透色譜圖Fig.4 Gel permeation chromatogram of starch samples

圖4給出了普通玉米淀粉、玉米直鏈淀粉標準品和稀堿分散法制備的玉米直鏈淀粉的凝膠滲透色譜圖譜。普通玉米淀粉主要是由支鏈淀粉和直鏈淀粉等組成，支鏈淀粉的峰型比較窄，表明其相對分子質(zhì)量分布集中；直鏈淀粉峰范圍比較寬而高度較低，說明直鏈淀粉是由許多聚合度不同的直鏈淀粉分子組成，聚合度呈連續(xù)分布。在直鏈淀粉和支鏈淀粉之間有一個過度區(qū)，由中間級分構(gòu)成，這與文獻報道一致[27]。玉米直鏈淀粉標準品與普通玉米淀粉直鏈淀粉部分相比，洗脫體積基本一致，峰范圍相對比較窄，說明玉米直鏈淀粉標準品相對分子質(zhì)量分布集中。稀堿分散法制備的玉米直鏈淀粉與普通玉米淀粉直鏈淀粉部分和玉米直鏈淀粉標準品相比，峰范圍比玉米直鏈淀粉標準品的稍寬，說明稀堿分散法制備的玉米直鏈淀粉相對分子質(zhì)量分布較寬，原因可能是在制備過程中引入了普通玉米淀粉的中間部分淀粉。但是三者直鏈淀粉部分的洗脫體積基本一致，表明相對分子質(zhì)量大小基本一致。說明稀堿分散法制備的玉米直鏈淀粉基本上是普通玉米淀粉中的直鏈淀粉部分，而且純度較高。

3 結(jié) 論

根據(jù)稀堿分散法與丁醇法和乙醇分散法的比較，稀堿分散法制備直鏈淀粉的純度優(yōu)于其他兩種方法，并且稀堿分散法對直鏈淀粉結(jié)構(gòu)的影響程度最低。以玉米直鏈淀粉得率和藍值為評價指標，稀堿分散法制備直鏈淀粉的最佳工藝參數(shù)為NaOH溶液濃度0.35～0.45mol/L、NaCl溶液質(zhì)量分數(shù)5%、離心力5439～7014×g。通過藍值、黏度、特性分子質(zhì)量、質(zhì)構(gòu)特性及相對分子質(zhì)量分布的測定和結(jié)果討論，證明了稀堿分散法制備直鏈淀粉的純度和凝膠特性優(yōu)于丁醇法和乙醇分散法制備的直鏈淀粉。因此，稀堿分散法作為一種直鏈淀粉的分離方法具有潛在的應(yīng)用價值。

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Preparation and Characteristics of Corn Amylose

LI De-hai1,2，MA Ying1,*
(1. School of Food Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2. College of Forest, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Corn starch was used as the raw material to prepare corn amylose by diluted alkaline dispersion method. The optimum conditions for preparing and separating corn amylose for improved amylose yield and blue value were determined by orthogonal array design to be NaOH concentration of 0.35－0.45 mol/L, NaCl concentration of 5% and centrifugation speed of 7000－8000 r/min. In addition, according to comparison on blue value, intrinsic viscosity and molecular weight, texture properties and molecular weight distribution, diluted alkaline dispersion derived corn amylose was more pure thann-butyl alcohol derived corn amylose and corn amylose obtained by ethanol method. The gelatinization properties and molecular weight distribution of diluted alkaline dispersion derived corn amylose were found to be as similar as those of the amylose standard.

corn starch；amylose；dispersant；extraction；property

TS231

A

1002-6630(2011)06-0089-06

2010-05-25

黑龍江省“十一五”重大攻關(guān)項目(GA06B401-4)

李德海(1976—)，男，講師，博士研究生，研究方向為食品化學與淀粉化學。E-mail：lidehaineau@163.com

*通信作者：馬鶯(1961—)，女，教授，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工。E-mail：maying@hit.edu.cn