劉子雋 鄧 翀 胡秀婷 金征宇

(南昌大學食品學院，南昌 330047)(江南大學食品學院，無錫 214122)

將淀粉降解為分子量較小的糊精是提高淀粉水溶性的有效手段之一。廣義的非環(huán)狀糊精是指淀粉經(jīng)不同方法降解所得到的產(chǎn)物，但不包括單糖和低聚糖。淀粉的降解是制備糊精的經(jīng)典方法，包括淀粉的酶法降解和酸法降解。然后，淀粉酶對淀粉顆粒降解程度較低，而傳統(tǒng)水體系酸降解淀粉易產(chǎn)生較多的低分子糖。近年來，淀粉醇酸降解制備糊精引起學者們的興趣。淀粉的醇酸降解即將淀粉分散于小分子醇體系中，加入酸對淀粉進行降解，醇酸降解與傳統(tǒng)水介質(zhì)的淀粉降解相比具有產(chǎn)物得率高、產(chǎn)生的小分子量糖少、降解產(chǎn)物分子量分布窄等特點[1]。這表明醇酸降解淀粉可能是一種高效制備糊精的方法。研究表明，醇酸降解產(chǎn)物的最終平均分子量取決于醇的類型，相同降解條件下，不同醇酸降解淀粉的最終產(chǎn)物平均分子量順序如下：甲醇>乙醇>異丙醇>正丁醇，這可能是因為不同醇介質(zhì)體系導致滲入淀粉顆粒的酸濃度存在差異[2]。此外，醇酸降解淀粉的最終產(chǎn)物平均分子量還取決于淀粉來源、水分含量、酸的類型、酸的濃度和降解溫度[3-5]。目前，關于醇酸降解淀粉的研究主要集中于醇酸降解對不同來源淀粉理化性質(zhì)和結構的影響，包括流變性質(zhì)、糊化性質(zhì)、晶體結構、分子結構等[6-12]，然而采用醇酸降解淀粉制備糊精的研究主要集中于工藝的優(yōu)化[13]。因此，本研究以水溶性為指標，篩選適宜制備糊精的醇酸降解條件，從淀粉顆粒結構、晶體結構和分子結構等變化探究醇酸降解制備水溶性糊精的過程。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木薯淀粉、大米淀粉、高直鏈玉米淀粉；乙醇、異丙醇、正丁醇和鹽酸；分析純。

1.2 主要儀器

Quanta-200掃描電子顯微鏡，Laser S3500激光粒度分析儀，D8-Advance X射線衍射儀，高效尺寸排阻色譜聯(lián)合多角度激光檢測器和示差檢測器(HPSEC-MALLS-RI)：LC-10AD輸送泵、Dawn DSP-F多角度激光散射儀、Waters 2414示差折光檢測器，高效液相排阻色譜柱Styragel HMW7和Styragel HMW6串聯(lián)，TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的醇酸降解

稱取(25±0.01)g淀粉分散于無水醇(乙醇、異丙醇、正丁醇)，攪拌，水浴加熱至40 ℃，加入1 mL濃鹽酸，反應4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d和7 d。加入14 mL的1 mol/L NaHCO3溶液中和并且冰水浴以停止反應，然后將樣品進行離心(5 000 r/min，10 min)，收集沉淀后用50%乙醇溶液洗滌干燥，即可獲得醇酸降解的淀粉，稱重，計算糊精得率。

1.3.2 溶解性的測定

稱取(0.5±0.000 1)g醇酸降解的淀粉(干基)，加入10 mL蒸餾水，攪拌的同時加熱至90 ℃，在90 ℃繼續(xù)攪拌保溫30 min，使得降解的淀粉充分溶解，冷卻至25 ℃，置于25 ℃水浴鍋保溫4 h，在5 000 r/min下離心20 min，取上清液置于130 ℃烘箱干燥、稱重。溶解性定義為溶解的淀粉部分(上清液中的淀粉部分)與總淀粉質(zhì)量之比。

1.3.3 淀粉顆粒形貌分析

在室溫下，將木薯淀粉和干燥后的醇酸降解木薯淀粉分別固定在樣品臺上，鍍金(10 nm)處理后在加速電壓下用掃描電鏡觀察，并拍下掃描圖片。

1.3.4 淀粉顆粒粒徑分布測定

分別將約100 mg木薯淀粉和醇酸降解的木薯淀粉分散于5 mL蒸餾水中，在200 r/min下攪拌10 min。然后，分散液立刻轉(zhuǎn)移到激光粒度分析儀的樣品池中測定，水的流速為60 mL/s，運行30 s。通過該粒度分析儀可以獲得淀粉顆粒分布，包括體積平均尺寸(MV)，數(shù)均平均尺寸(MN)和面積平均尺寸(MA)。本研究采用體積平均尺寸代表淀粉顆粒的平均粒徑。

1.3.5 X-射線衍射儀分析

采用X-射線衍射儀(XRD)測定淀粉的晶型和相對結晶度。將淀粉樣品平鋪于樣品池中，置于X-射線衍射儀中，選用銅靶Cu Kα(λ=0.154 06 nm)，功率為1 600W(40 kV×40 mA)，采用NaI晶體閃爍計數(shù)器測量X-射線的強度，掃描范圍為4°～35°，掃描速度為4°/min。

1.3.6 分子質(zhì)量的測定

參考Yokoyam等[14]的方法測定淀粉的分子量，稱取木薯淀粉和醇酸降解淀粉溶于50 mmol/L NaNO3的DMSO溶液，沸水浴30 min使得淀粉完全溶解，再在25 ℃下攪拌24 h，配制合適的濃度，將得到的溶液過0.45 μm有機濾膜，采用HPSEC-MALLS-RI系統(tǒng)測定樣品的分子質(zhì)量。進樣量：0.1 mL；流動相：50 mmol/L NaNO3-DMSO溶液(過0.45 μm有機濾膜，超聲30 min脫氣)；柱溫：35 ℃；流速：0.6 mL/min。MALLS的光源氣體使用氦氣和氖氣，波長選用632.8 nm。流動相的折光指數(shù)取1.479，淀粉在溶液中的折光指數(shù)增量(dn/dc)為0.066。采用配套的Astra 5.3.4軟件對激光散射信號和示差折光檢測器信號進行采集，進而分析和計算淀粉的重均分子質(zhì)量(Mw)、數(shù)均分子質(zhì)量(Mn)和峰值分子質(zhì)量(Mp)。

1.3.7 淀粉-碘全波長掃描分析

分別稱取75 mg木薯淀粉和醇酸降解的木薯淀粉溶于15 mL DMSO溶液中，沸水浴1 h，取0.1 mL淀粉溶液加入0.2 mL碘溶液(1 mL碘液含有20 mg KI和2 mg I2)，加蒸餾水定容至10 mL，室溫下靜置15 min，以0.2 mL碘溶液直接加蒸餾水定容至10 mL為空白，采用可見光-紫外光掃描儀在400～800 nm進行全波長掃描。

1.3.8 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 7.0處理數(shù)據(jù)和繪制圖形。結果用平均值±標準差的形式表示，指標比較采用最小顯著差異法，取95%置信度(P<0.05)。所有實驗平行測定3次。

2 結果與討論

2.1 醇酸降解淀粉的溶解性

降解淀粉的得率均在90%以上，且在不同條件下無顯著差異，這與文獻報道一致，即醇酸降解淀粉的得率較高。如圖1所示，在大米淀粉、高直鏈玉米淀粉和木薯淀粉醇酸降解過程中，隨著降解時間的延長至3 d，淀粉的溶解性均顯著增加，而降解時間進一步延長，淀粉溶解性緩慢增加。對于同一種淀粉，經(jīng)正丁醇-鹽酸降解之后溶解性最高，經(jīng)異丙醇-鹽酸降解之后溶解性次之，而經(jīng)乙醇-鹽酸降解之后溶解性最低。在相同的醇酸降解條件下，三種淀粉中木薯淀粉溶解性最大，大米淀粉溶解性次之，高直鏈玉米淀粉溶解性最低。通過比較溶解性，選擇正丁醇-鹽酸降解的木薯淀粉實驗對象，闡明淀粉醇酸降解制備糊精的過程。

圖1 淀粉酸醇降解過程中溶解性的變化

2.2 SEM分析

如圖2所示，天然木薯淀粉顆粒呈橢球形，表面光滑。經(jīng)正丁醇-鹽酸降解4 h，淀粉顆粒保持原有的橢球形狀，但淀粉顆粒表面變得粗糙，出現(xiàn)些許碎片，這表明正丁醇-鹽酸降解破壞了木薯淀粉的顆粒結構。隨著降解時間延長至3 d，淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹陷，出現(xiàn)更多的碎片。隨著降解時間的進一步延長，木薯粉顆粒破壞程度更加嚴重，大部分淀粉顆粒均失去了原有的顆粒形狀。

圖2 木薯淀粉正丁醇-鹽酸降解過程中顆粒形態(tài)變化

2.3 淀粉粒徑分析

如圖3所示，天然木薯淀粉粒徑分布在2.75～73.99 μm范圍內(nèi)，平均粒徑為15.55 μm。經(jīng)正丁醇-鹽酸降解4 h后，木薯淀粉粒徑和平均粒徑均無顯著變化。隨著降解時間的進一步延長，大顆粒的木薯淀粉逐漸減少。經(jīng)正丁醇-鹽酸降解7 d后，木薯淀粉平均粒徑下降了42.0%。SEM和粒徑分析結果發(fā)現(xiàn)，木薯淀粉顆粒被正丁醇-鹽酸的破壞導致了淀粉粒徑的下降。然而與分散于水相中降解相比，木薯淀粉的粒徑變化輕微，這與文獻報道一致[7]。在醇酸降解過程中，糖苷鍵的斷裂需要水分子的參與，而醇酸降解淀粉體系中水分含量少，因而正丁醇-鹽酸只是輕微地破壞淀粉顆粒。然而與大米淀粉和高直鏈玉米淀粉相比，木薯淀粉的粒徑下降程度更高、顆粒破壞更顯著，這可能是因為三者淀粉顆粒結構不同導致正丁醇-鹽酸處理對木薯淀粉的降解程度更高，從而導致其產(chǎn)物水溶性更高。

圖3 木薯淀粉和正丁醇-鹽酸降解木薯淀粉的粒徑分布和平均粒徑

2.4 XRD分析

圖4為木薯淀粉在正丁醇-鹽酸降解過程中結晶性的變化。木薯淀粉在15.1°和22.9°處出現(xiàn)顯著的特征衍射峰，在17°和17.9°出現(xiàn)雙重峰。根據(jù)文獻報道，木薯淀粉作為薯類淀粉的一種，為C-型淀粉[15]。C-型淀粉被認為是A-型晶體和B-型晶體的混合體。由圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，木薯淀粉中A-型晶體含量遠多于B-型晶體，導致木薯淀粉特征衍射峰與A-型更接近，而無顯著的B-型晶體峰。木薯淀粉的降解過程中，其結晶含量先升高，這表明正丁醇-鹽酸降解了木薯淀粉的無定型區(qū)，隨后結晶含量略有下降，表明正丁醇-鹽酸破壞了木薯淀粉結晶區(qū)。降解后木薯淀粉在20°處出現(xiàn)特征峰，為V型晶體特征峰[16]。因此可以推斷，在木薯淀粉的正丁醇-鹽酸降解過程中形成了直鏈淀粉-正丁醇絡合物，該絡合物為V-型晶體，這與文獻報道一致[17]。此外，木薯淀粉在醇酸降解過程中，V-型淀粉含量呈先上升后下降的趨勢，這表明醇酸處理亦可破壞淀粉絡合物。

圖4 木薯淀粉和正丁醇-鹽酸降解木薯淀粉的XRD圖譜和相對結晶性

2.5 分子質(zhì)量的測定

木薯淀粉和醇酸降解的木薯淀粉分子質(zhì)量見表1。木薯淀粉的Mw為3.024e +7 u。經(jīng)正丁醇-鹽酸降解4 h后，Mw急劇下降到6.331e+5 u，隨著降解時間延長至3 d，Mw逐漸下降到2.308e+4 u，隨著降解時間的進一步增加，Mw無顯著變化。由此推測，鹽酸在4 h內(nèi)已經(jīng)擴散至整個淀粉顆粒，并且類似內(nèi)切酶作用于糊化淀粉的方式降解支鏈淀粉，從而導致淀粉平均分子質(zhì)量急劇下降。結合XRD分析結果發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)酸降解淀粉一樣，正丁醇-鹽酸以較快的速率降解淀粉無定型區(qū)的支鏈淀粉部分。此外，正丁醇-鹽酸對淀粉的降解作用在3 d后幾乎停滯。這可能有兩方面的原因，一方面，根據(jù)XRD結果，在淀粉的正丁醇-鹽酸過程形成直鏈淀粉-正丁醇絡合物，淀粉的無定型區(qū)被降解導致淀粉結晶性提高，直鏈淀粉-正丁醇絡合物和淀粉結晶區(qū)比游離的淀粉和淀粉的無定型區(qū)對酸更有抗性；另一方面，反應體系中水分子完全被消耗，在醇酸降解體系中，含水量非常有限，主要包括醇中的水分、淀粉中的水分和酸中的水分[18, 19]。

表1 木薯淀粉和正丁醇-鹽酸木薯淀粉的分子質(zhì)量信息

2.6 全波長掃描

淀粉與I2作用后可以形成顏色是淀粉重要的性質(zhì)之一。直鏈淀粉遇碘呈藍色，支鏈淀粉遇碘呈紅紫色，淀粉在逐漸降解過程中遇I2可能會呈現(xiàn)紫色、紅色，棕色，最后沒有顏色，不同的顏色在可見光范圍對應不同最大吸收波長(λmax)，因此，淀粉-I2復合物的λmax可以表征直鏈淀粉的聚合度和支鏈淀粉側鏈的平均鏈長[20]。因此，采用淀粉-I2復合物全波長光譜圖反映淀粉在醇酸降解過程中平均分子量的變化。圖5表明，經(jīng)正丁醇-鹽酸降解3 d后，木薯淀粉-I2復合物的λmax從584.1 nm藍移至517.1 nm，隨著降解時間的進一步延長，λmax無顯著變化。這與分子質(zhì)量的測定結果一致。而在相同條件下須降解4 d后大米淀粉和高直鏈玉米淀粉分子量趨于穩(wěn)定[18, 19]，表明醇酸處理對木薯淀粉降解的速率快于其對大米淀粉和高直鏈玉米淀粉的降解速率。

圖5 木薯淀粉和正丁醇-鹽酸降解木薯淀粉與I2復合物的可見光圖譜

3 結論

醇酸降解過程中，不同的醇對淀粉的溶解性影響如下：正丁醇>異丙醇>乙醇；在相同條件下，正丁醇-鹽酸降解的木薯淀粉溶解性最大，且在降解3 d時趨于穩(wěn)定。在正丁醇-鹽酸降解木薯淀粉過程形成了直鏈淀粉-正丁醇絡合物，這可能是淀粉醇酸降解產(chǎn)物小分子糖含量少、分子量分布窄的原因。木薯淀粉的分子量在正丁醇-鹽酸降解4 h后急劇下降，當降解時間進一步延長至3 d后，淀粉平均分子量無顯著變化。因此，采用正丁醇-鹽酸降解木薯淀粉3 d為制備糊精的最佳條件。