蠟質(zhì)玉米淀粉微晶的理化性質(zhì)及其消化性研究*

李云云，盧未琴，高群玉

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州，510640)

蠟質(zhì)玉米淀粉微晶的理化性質(zhì)及其消化性研究*

李云云，盧未琴，高群玉

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州，510640)

以蠟質(zhì)玉米淀粉為原料，在酸醇介質(zhì)中制備淀粉微晶。對(duì)制得的不同水解率的蠟質(zhì)玉米淀粉微晶進(jìn)行了顆粒形貌、X射線衍射、DSC熱穩(wěn)定性分析，溶解度和消化性能的測(cè)定。結(jié)果表明:隨著酸醇水解程度的增加，淀粉顆粒形貌逐漸呈片晶狀，最終為碎片;淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)先被水解，結(jié)晶區(qū)后被水解，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒破裂;晶體形態(tài)仍為A型。與原淀粉相比，淀粉微晶的Tp和Tc均增大，糊化溫度范圍也有很大提高;不同水解率的淀粉微晶的熱焓(△H)先減小后增大。淀粉微晶的溶解度隨水解率的增加不斷增大。酸醇水解蠟質(zhì)玉米淀粉的水解率越高，其在in vitro模型中的消化產(chǎn)物也就越多，消化速度也越快。對(duì)于同一水解率的淀粉微晶，其消化速度隨時(shí)間的延長(zhǎng)先上升后下降。

蠟質(zhì)玉米淀粉，淀粉微晶，消化性

淀粉是碳水化合物在綠色植物中的儲(chǔ)藏形式，是一種可再生和生物降解的天然資源，在食品工業(yè)和其他各種實(shí)際應(yīng)用中非常重要，其顆粒由2部分組成，即有序的結(jié)晶區(qū)和無(wú)序的無(wú)定形區(qū)(非結(jié)晶區(qū))［1］。淀粉微晶是指具有較高結(jié)晶度的淀粉微晶束、片晶或其他晶形的聚集體［2］。通常所涉及到的如抗溫和酸解淀粉(lintners)、凝沉的抗酶解淀粉(抗性淀粉RS3)、淀粉球晶和球粒、葡聚糖微晶、抗酶解糊精等都屬于淀粉微晶的范疇。從晶體結(jié)構(gòu)方面看，淀粉微晶是淀粉鏈之間按照某種方式緊密結(jié)合在一起的，由于淀粉鏈的長(zhǎng)短不一樣，所形成的晶格也很不完整，而且存在許多缺陷，因而許多微晶都是無(wú)一定的結(jié)晶形態(tài)。

Tako等［3］認(rèn)為，在天然淀粉的微晶區(qū)域中，直鏈和支鏈淀粉共同形成了微晶結(jié)構(gòu)。二者之間是以氫鍵緊密結(jié)合的。微晶區(qū)域多數(shù)是由支鏈淀粉形成的。如果用酸或酶將天然淀粉顆粒中的無(wú)定形區(qū)域除去，或者把淀粉鏈變短后進(jìn)行結(jié)晶化或提高結(jié)晶度的處理，得到的就是淀粉微晶［4］。支鏈淀粉具有高度的結(jié)構(gòu)有序性，沒(méi)有隨機(jī)卷曲的直鏈以及分支鏈都成簇排列，高分支的部分和無(wú)分支的部分交替，使得結(jié)晶區(qū)相鄰的長(zhǎng)鏈分子間形成平行排列的雙螺旋結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)更加致密。Zhang等［5－6］在研究報(bào)告中提到，淀粉的消化性能由結(jié)晶區(qū)域的分布和完整性決定，與淀粉分子形狀、大小、表面細(xì)孔以及淀粉結(jié)晶度沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)。

本文利用掃描電鏡(SEM)、X-射線衍射、差示掃描量熱儀(DSC)等現(xiàn)代分析手段，探索蠟質(zhì)玉米淀粉微晶的理化性質(zhì)，采用in vitro模型研究其消化性與水解率的關(guān)系，為淀粉微晶的生產(chǎn)和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

蠟質(zhì)玉米淀粉，食用級(jí)，通遼萬(wàn)順達(dá)淀粉有限公司;麥芽糖，生化試劑，上海伯奧生物科技有限公司;豬胰α-淀粉酶，580U/mL，美國(guó)Sigma化學(xué)品公司;苯酚、葡萄糖、濃鹽酸、體積分?jǐn)?shù)95%乙醇、濃硫酸和碳酸氫鈉均為分析純。

TDA-5A型離心機(jī)，上海菲恰爾分析儀器有限公司;S3700型掃描電子顯微鏡，日本日立公司;D/Max2200VPC型 X衍射分析儀，日本理學(xué)公司;PerkinElmer DSC8000差示掃描量熱儀(DSC)，美國(guó)珀金埃爾默儀器(上海)有限公司;SHA-CA搖床，常州澳華儀器有限公司;721型分光光度計(jì)，上海菁華科技儀器有限公司;PHG-9140A型電熱恒溫干燥箱，上海申賢恒溫設(shè)備廠;XA-1型微型高速粉碎機(jī)，江蘇江堰市銀河儀器廠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 淀粉微晶制備

按照Lin［7］的方法制備淀粉微晶，一式3份。將25 g蠟質(zhì)玉米淀粉分散到100 mL一定濃度的醇溶液中，添加一定量鹽酸，在特定溫度下反應(yīng)一段時(shí)間。然后加入NaHCO3終止反應(yīng)。在冰浴中冷卻5 min，3 500 r/min離心5 min，將得到的淀粉沉淀用體積分?jǐn)?shù)75%乙醇洗滌4次，于40℃烘箱干燥12 h，經(jīng)粉碎，過(guò)篩。

1.2.2 水解率測(cè)定［8］

采用苯酚-硫酸法測(cè)定淀粉微晶的水解率。

1.2.3 掃描電子顯微鏡(SEM)分析

將待測(cè)淀粉樣品置于105℃的烘箱中干燥4～5 h，然后放在干燥器中冷卻，在紅外燈下用雙面膠將樣品固定在樣品臺(tái)上，進(jìn)行噴金處理。觀測(cè)并拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌。

1.2.4 X-射線衍射測(cè)定

測(cè)試條件:Cu-Kα輻射，管壓40 kV，管流30 mA，掃描速度 10 °/min，掃描范圍 2θ:4～60 °，步長(zhǎng)0.02°，Ni片濾波，波長(zhǎng)為1.540 6 ×10－10m，發(fā)射及防反射狹縫1°，接受狹縫0.2 mm。

1.2.5 DSC分析

將淀粉樣品配成質(zhì)量數(shù)30%的淀粉乳，稱取一定量的樣品用DSC盤密封，平衡2 h，在25～120℃以10℃/min進(jìn)行測(cè)定。

1.2.6 溶解度測(cè)定［9］

將1g淀粉(干基)溶于50 mL蒸餾水中，分別加熱至65、75、85和 95℃ 并保持?jǐn)嚢?0.5 h，然后以5 000 r/min離心15 min，倒出上清液，稱量沉淀物的質(zhì)量。將上清液在130℃下干燥，溶解度即為上清液干燥后淀粉質(zhì)量與淀粉樣品的干物質(zhì)的質(zhì)量之比，同一樣品進(jìn)行3次測(cè)定，取平均值。

式中:S，溶解度(%);m1，上清液蒸干恒重后的質(zhì)量(g);m2，絕干樣品質(zhì)量(g)。

1.2.7 消化性能的測(cè)定

采用Jenkins［10］提出的in vitro消化模型模擬人體消化道，研究不同水解率淀粉微晶的消化性能，探索酸醇處理對(duì)淀粉消化性能的影響規(guī)律。

1.2.7.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

稱取1 g麥芽糖于1 000 mL容量甁中制得1 mg/mL母液。分別吸取 1、2、3、4、6和 10 mL于 100 mL 容量瓶中配制成標(biāo)準(zhǔn)濃度(10、20、30、40、60 和100 μg/mL)溶液，分別吸取2 mL于具塞試管中，加5%苯酚溶液1 mL，搖勻，再迅速加入濃硫酸5 mL，搖勻，置25～30℃水浴20 min，取出至室溫，在波長(zhǎng)490 nm處測(cè)定吸光度。以標(biāo)準(zhǔn)糖濃度(μg/mL)為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(見(jiàn)圖1)。

圖1 麥芽糖溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.2.7.2 消化性測(cè)定

準(zhǔn)確稱量質(zhì)量為m(g)的不同水解率淀粉微晶樣品，加緩沖液混成均勻的淀粉乳，移入滲析管中，加緩沖液至總體積為20 mL。加5 mL 580 U/mL的豬胰α-淀粉酶，夾緊滲析管口，放入裝有400 mL緩沖液的燒杯中，恒溫水浴振蕩(37℃，100 r/min)。每小時(shí)從燒杯中取2 mL稀釋液于具塞試管中，共取7次，加5%苯酚溶液1 mL，搖勻，再迅速加入濃硫酸5 mL，搖勻，置于25～30℃水浴20 min，取出至室溫，在波長(zhǎng)490 nm處測(cè)定吸光度。以空白做對(duì)照。根據(jù)不同時(shí)間產(chǎn)生的水解糖含量計(jì)算消化速度。

其中:C，從標(biāo)準(zhǔn)曲線中算出的標(biāo)準(zhǔn)麥芽糖量(μg);D，滲析液稀釋倍數(shù);CHO，在in vitro模型整個(gè)體系中所產(chǎn)生的水解糖量(mg);425，在in vitro模型整個(gè)體系的溶液體積;S，每次從體系中取出的溶液體積;0.001，將微克換算成毫克的系數(shù);W，以干基計(jì)的樣品質(zhì)量(g);H，反應(yīng)時(shí)間(h)。

2 結(jié)果與分析

2.1 掃描電子顯微鏡結(jié)果分析

圖2是蠟質(zhì)玉米淀粉及其淀粉微晶的電鏡掃描照片。由圖2可以看出，蠟質(zhì)玉米原淀粉顆粒一部分呈球形或橢圓形，表面光滑、平整，另一部分呈多角形、不規(guī)則形狀，表面較粗糙、不平整;大多數(shù)不規(guī)則形狀的淀粉顆粒表面出現(xiàn)裂縫，少數(shù)淀粉顆粒內(nèi)部有孔洞;蠟質(zhì)玉米原淀粉顆粒粒徑大小不一，用掃描電子顯微鏡測(cè)得其粒徑分布范圍為 5～20 μm，平均粒徑12 μm(圖2-a)。經(jīng)酸醇處理后，水解率2.00%的大部分淀粉顆粒的形狀未發(fā)生明顯變化，但是淀粉顆粒表面孔洞增多(圖2-b)。水解率10.50%的淀粉顆粒形狀發(fā)生明顯變化，大多數(shù)為多角、不規(guī)則形狀，且部分淀粉顆粒破裂成碎片并粘連在一起，淀粉顆粒之間出現(xiàn)粘連，表明當(dāng)顆粒表面受到侵蝕時(shí)，表面上的部分淀粉鏈被舒展開(kāi)來(lái)，當(dāng)它們被重新干燥時(shí)就造成了顆粒之間鏈的相互纏繞和粘連(圖2-c)。水解率16.44%的大部分淀粉顆粒塌陷，說(shuō)明無(wú)定形結(jié)構(gòu)位于顆粒內(nèi)部，優(yōu)先被水解(圖2-d)。水解率27.24%的淀粉顆粒出現(xiàn)片晶，隨著酸解程度的加深，淀粉顆粒逐漸變小，表明此時(shí)已經(jīng)水解到微晶程度(圖2-e)。水解率36.22%時(shí)淀粉顆粒被破壞成更分散而小的片晶，淀粉完全失去原來(lái)的球形外貌(圖2-f)。圖2-a～圖2-f的變化趨勢(shì)表明，無(wú)定形區(qū)首先發(fā)生水解，結(jié)晶區(qū)后被水解，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒破裂。水解率越高，淀粉顆粒被破壞的程度越明顯。

圖2 蠟質(zhì)玉米原淀粉及酸醇處理淀粉的掃描電鏡(SEM)照片(×1 000)

圖3 蠟質(zhì)玉米原淀粉及酸醇處理淀粉的X-射線衍射圖

2.2 X-射線衍射結(jié)果分析

圖3是不同水解率蠟質(zhì)玉米淀粉的X-ray衍射圖。從圖3中可以看出，醇介質(zhì)中酸水解蠟質(zhì)玉米淀粉的X-ray衍射圖與其原淀粉極其相似。在2θ為15°、17°、18°、23°左右分別有較強(qiáng)吸收峰，這說(shuō)明它們的結(jié)晶型都為A型，在水解過(guò)程中蠟質(zhì)玉米淀粉并沒(méi)有發(fā)生晶型的轉(zhuǎn)變。酸醇處理后的蠟質(zhì)玉米淀粉在 2θ 為 15°、17°、18°和 23°的衍射峰和峰面積變化不太明顯。由表1知，相對(duì)結(jié)晶度隨水解率增加而增大。

2.3 DSC結(jié)果分析

圖4為蠟質(zhì)玉米原淀粉及其酸醇處理后淀粉微晶的DSC圖譜，淀粉在加熱過(guò)程中的熱性質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。由表2可以得出結(jié)論，蠟質(zhì)玉米原淀粉的熱解峰值(Tp)為71.6℃，熱焓(△H)為13.7 J/g。Tp反映了結(jié)晶熱穩(wěn)定性的大小，△H則體現(xiàn)了吸熱量的多少，其值與結(jié)晶物質(zhì)的量呈正比。比較表中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，蠟質(zhì)玉米淀粉微晶的Tp和Tc均高于相應(yīng)的原淀粉。其中水解率27.24%的淀粉微晶的Tp值最大，此時(shí)的淀粉微晶結(jié)晶熱穩(wěn)定性最高。

表1 蠟質(zhì)玉米原淀粉及醇介質(zhì)中酸水解淀粉的結(jié)晶度

圖4 蠟質(zhì)玉米原淀粉及酸醇處理淀粉的DSC圖

表2 蠟質(zhì)玉米原淀粉及酸醇處理后淀粉的糊化溫度和焓

淀粉顆粒中存在無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)，水解最初是在無(wú)定形區(qū)進(jìn)行，然后會(huì)侵蝕到結(jié)晶區(qū)，隨著無(wú)定型區(qū)和結(jié)晶區(qū)的水解，支叉結(jié)構(gòu)減少，淀粉鏈可以重排為很長(zhǎng)的雙螺旋，隨著結(jié)晶區(qū)水解不斷增加，支叉點(diǎn)繼續(xù)減少，將會(huì)生成更長(zhǎng)的雙螺旋。對(duì)于不同水解率的蠟質(zhì)玉米淀粉微晶，由于開(kāi)始時(shí)無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)水解速度大于雙螺旋重新生成速率，而后則小于，因此淀粉微晶的△H先減小后增大。

與原淀粉相比，醇酸水解處理后，蠟質(zhì)玉米淀粉微晶出現(xiàn)了較寬的糊化溫度范圍，這是因?yàn)楫a(chǎn)生了廣泛分布的鏈長(zhǎng)，糊化焓降低。

2.4 溶解度分析

表3為不同溫度(65～95℃)下蠟質(zhì)玉米淀粉的溶解度。酸醇處理后，蠟質(zhì)玉米淀粉的溶解度顯著增加，且同一水解率的淀粉，其溶解度均隨溫度升高而逐漸增加。說(shuō)明水解率增大，溶解度增加。酸醇處理的淀粉具有高溶解度，經(jīng)酸醇處理的蠟質(zhì)玉米淀粉在水中加熱時(shí)很容易就斷裂。

表3 不同溫度下蠟質(zhì)玉米原淀粉及酸醇處理淀粉的溶解度

2.5 消化性分析

蠟質(zhì)玉米淀粉及其微晶在不同時(shí)間內(nèi)的消化產(chǎn)物的量如表4所示，其消化速度見(jiàn)圖5。由表4可以發(fā)現(xiàn)，在in vitro消化體系中，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，所有淀粉微晶消化產(chǎn)物的量都增加，與原淀粉顆粒樣品相同。

圖5 蠟質(zhì)玉米原淀粉及酸醇處理淀粉微晶的消化速度

豬胰α-淀粉酶屬于內(nèi)切型淀粉酶，其水解淀粉的重要步驟之一是被淀粉分子吸附，淀粉吸附酶的面積越大，就越容易被酶水解。經(jīng)過(guò)酸醇處理的淀粉，其顆粒破裂并逐漸成片晶狀，且水解率越高，其顆粒表面的結(jié)構(gòu)被破壞得越厲害，顆粒表面積與表面活化能越大，使之更容易吸附豬胰α-淀粉酶，被酶水解，消化產(chǎn)物也不斷增加。另一方面，經(jīng)過(guò)酸醇處理后，淀粉大分子破碎成小分子，小分子碎裂為碎片，淀粉分子的親水性增加，更容易在水中伸展開(kāi)來(lái)，淀粉分子就更容易被豬胰α-淀粉酶水解，消化產(chǎn)物也就越多。

表4 蠟質(zhì)玉米原淀粉及酸醇處理淀粉的消化產(chǎn)物

由圖5可見(jiàn)，與原淀粉相比，蠟質(zhì)玉米淀粉微晶的消化速度增大，除水解率36.22%的淀粉微晶外，其他淀粉微晶的消化速度隨水解率的增加而升高，其中水解率27.24%的淀粉微晶在1h時(shí)的消化速度最快，達(dá)到203 mg/(g·h)。所有淀粉的消化速度呈先上升后下降的趨勢(shì)，這是由于剛開(kāi)始進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，豬胰α-淀粉酶作用于已被鹽酸處理所破壞的淀粉顆粒表面，使顆粒表面裂縫增加和擴(kuò)大，淀粉與豬胰α-淀粉酶接觸的面積增大，因此最初反應(yīng)時(shí)，消化速度增加;隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，玉米淀粉微晶結(jié)晶區(qū)開(kāi)始暴露出來(lái)，而豬胰α-淀粉酶對(duì)淀粉結(jié)晶區(qū)的作用比對(duì)無(wú)定形區(qū)困難得多，而且隨著消化不斷進(jìn)行，消化底物濃度逐漸變小，所以反應(yīng)速度也就逐漸開(kāi)始降低。

3 結(jié)論

本文以蠟質(zhì)玉米淀粉為原料對(duì)乙醇溶劑中的酸水解制備淀粉微晶的理化性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，淀粉在乙醇溶劑中的酸水解過(guò)程是一個(gè)2階段模型。淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)先被水解，然后結(jié)晶區(qū)被水解。隨著酸醇水解程度的增加，淀粉顆粒形貌逐漸呈片晶狀，最終為碎片。淀粉微晶的相對(duì)結(jié)晶度隨水解率增加而增大，淀粉微晶與原淀粉一樣都為A型。DSC分析結(jié)果顯示蠟質(zhì)玉米淀粉微晶的Tp和Tc均高于相應(yīng)的原淀粉，其中水解率27.24%的淀粉微晶的Tp值最大，此時(shí)的淀粉微晶結(jié)晶熱穩(wěn)定性最高;淀粉微晶的糊化溫度范圍有很大提高;不同水解率的淀粉微晶的△H先減小后增大。淀粉微晶的溶解度隨水解率的增加而不斷增大;對(duì)于同一水解率的淀粉微晶，其溶解度隨溫度升高而逐漸增大。淀粉微晶的消化性能主要取決于水解率和消化時(shí)間，水解率增加，消化速度和消化產(chǎn)物均相應(yīng)增加;隨著消化時(shí)間的延長(zhǎng)，其消化產(chǎn)物不斷增加，但消化速度先升高后降低。

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The Study on Physicochemical Properties and Digestibility of Waxy Corn Starch Crystallite

Li Yun-yun ，Lu Wei-qin，Gao Qun-yu
(College of Light Industry and Food Sciences，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Waxy corn starch crystallite was prepared with acid-alcohol hydrolysis.For different hydrolysis rate of starch crystallites，the properties such as granule morphology，X-ray diffraction pattern，DSC thermostability，solubility and digestibility were studied.As the degree of acid-alcohol hydrolysis increased，starch granules gradually became lamellae and finally debris;the amorphous areas of the starch were first hydrolyzed，then defective crystal areas was hydrolyzed，and breakdown;They were A-typed starch.Compared with native starch，Tp and Tc value of starch crystallites were all raised.the range of gelatinization temperature of treated starch crystallines became larger，and gel enthalpy with different hydrolysis rate were decreased and then increased.The solubility gradually increased with increasing hydrolysis rate of starch crystallites.In vitro，the digestion products and rates increased with increasing hydrolysis rate.The digestion rates were increased first and then decreased for the same hydrolysis rate of starch crystallit.

waxy corn starch，starch crystallite，digestibility

碩士研究生(高群玉教授為通訊作者，E-mail:qygao@scut.edu.cn)。

*國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007AA10Z309);廣東省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2009B090300274)

2011－12－29，改回日期:2011－04－01