大米淀粉及其磷酸酯的理化性質(zhì)研究

毛海鋒 吳衛(wèi)國 胡元斌 曾端輝

大米淀粉及其磷酸酯的理化性質(zhì)研究

毛海鋒1吳衛(wèi)國2胡元斌1曾端輝1

(湖南省糧油科學(xué)研究設(shè)計院1，長沙 410201)
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院2，長沙 410128)

對大米淀粉進(jìn)行酯化，通過改變溫度得到不同取代度的大米淀粉磷酸酯，使用掃描電子顯微鏡、質(zhì)構(gòu)儀、快速黏度分析儀、流變儀對大米淀粉及其不同取代度的淀粉磷酸酯的理化性質(zhì)進(jìn)行了測定。結(jié)果顯示:大米磷酸酯淀粉的硬度、回復(fù)性、膠性和咀嚼性要低于大米原淀粉，凝聚性和黏著性要高于原淀粉，取代度越大硬度、回復(fù)性、膠性和咀嚼性越小，凝聚性和黏著性越大;大米淀粉磷酸酯的開始糊化溫度要小于大米原淀粉，峰值黏度、最低黏度、最終黏度、崩解值、消減值要小于大米原淀粉，取代度增大，開始糊化溫度降低，峰值黏度、最低黏度、最終黏度、崩解值、消減值增大。大米淀粉經(jīng)過磷酸酯變性后，黏度增加了，不易回生，穩(wěn)定性加強(qiáng)了，凝沉性減弱了，且取代度越高，這些性質(zhì)越明顯;大米淀粉磷酸酯和大米淀粉屬于剪切稀化流體，在相同剪切速率下，取代度越大的大米淀粉磷酸酯表觀黏度越大。

磷酸酯淀粉 取代度 質(zhì)構(gòu)性 糊化特性 流變性

大米淀粉、大米變性淀粉及大米淀粉衍生物都是重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于造紙、食品、紡織、醫(yī)藥、膠黏劑、水產(chǎn)和飼料行業(yè)以及選礦、廢水處理、油田開采等多個領(lǐng)域。淀粉的糊化有著廣泛的意義:作為食品，淀粉必須糊化后才能被淀粉酶作用，作為施膠劑或漿料，成糊的淀粉才能供涂抹，因此認(rèn)識淀粉糊化性質(zhì)是其應(yīng)用的依據(jù)［1］。質(zhì)構(gòu)儀是在一定條件下測定固體或半固體食品的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，進(jìn)而分析其質(zhì)地特性的儀器分析方法，這種方法可以進(jìn)行咀嚼模擬，獲得表達(dá)淀粉凝膠質(zhì)地特性的物理指標(biāo)，以減少由于人的感觀評價而造成的應(yīng)用限制。流變性質(zhì)對大米淀粉的運(yùn)輸、傳送和加工工藝等都起到非常重要的作用。通過對流變性質(zhì)的研究不僅能夠了解大米淀粉組織結(jié)構(gòu)的變化情況，還可以找出與加工過程有關(guān)的力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，從而可以控制大米淀粉的質(zhì)量，鑒別優(yōu)劣，還可以為工藝及設(shè)備的設(shè)計提供有關(guān)數(shù)據(jù)［2］。本文就對大米淀粉及其磷酸酯的電鏡結(jié)構(gòu)、質(zhì)構(gòu)性、糊化特性和流變特性進(jìn)行了分析研究，為大米淀粉及其磷酸酯的應(yīng)用提供了更多的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1．1 原料與設(shè)備

大米:湖南金健桃花香米。

氫氧化鈉、磷酸二氫鈉、尿素:均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

DELTA－320pH計:上海梅特勒－托利多儀器有限公司;ZN－400A組織粉碎機(jī):長沙市岳麓區(qū)中南制藥機(jī)械場;101A－3ET電熱鼓風(fēng)干燥箱:上海試驗儀器廠有限公司制造;722S分光光度計:上海棱光技術(shù)有限公司制造;JJ－1型定時電動攪拌器:上海浦東物理光學(xué)儀器廠制造;HH－S8數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋:上海精宏實驗設(shè)備有限公司;TA動態(tài)流變儀:美國ARES，TA公司;6380LV掃描電子顯微鏡:日本電子公司;LXJ－Ⅱ離心機(jī):上海安亨科學(xué)儀器廠;TEE32質(zhì)構(gòu)儀:英國SMSTA公司;RVA Super 4型快速黏度分析儀:澳大利亞Newport Scientific儀器公司。

1．2 試驗方法

1．2．1 大米淀粉的提取

大米→組織粉碎機(jī)粉碎→0．4%的NaOH溶液浸泡24 h(堿液的量以淹沒原料為準(zhǔn))→HCl中和→水洗3次→5 000 r/min離心5 min取下層淀粉→在電熱干燥箱45℃干燥［3］。

1．2．2 大米淀粉磷酸酯的制備

采用浸泡法工藝，首先將磷酸鹽與尿素在蒸餾水中溶解，加入干大米淀粉調(diào)節(jié)pH值到5．8，再攪拌半小時，濾干，在低溫下干燥水分至10%左右，然后分別在130、140、150℃溫度下酯化，其得到大米淀粉磷酸酯的取代度分別為 0．021 5、0．030 3、0．046 8。

1．2．3 電鏡掃描試驗

取5 mg淀粉放入5 mL的玻璃試管中，加入90 mL的乙醇溶液，超聲波振蕩20 min。用微量進(jìn)樣器取8μL含樣品的乙醇溶液滴入邊長為4 mm的ITO玻璃片上，室溫自然干燥3 h。干燥后的ITO玻璃片固定在樣品臺上后噴鉑(增加樣品的導(dǎo)電性)，電流設(shè)置為3 mA，時間為15 min。重復(fù)4次，注意每次要間隔5 min(使樣品冷卻)。噴鉑后可進(jìn)行電鏡觀察。

1．2．4 淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)測定

淀粉凝膠的制備:配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的淀粉溶液，邊攪拌邊加熱至淀粉溶液糊化，冷卻后用塑料薄膜封口，在4℃溫度下放置24 h，取出，膠體取1．5 cm 長，待測。

測定參數(shù)的設(shè)定備:測試探頭采用5 mm的平底探頭，觸發(fā)力 5 g，測前速度 1．0 mm/s，測量速度1．0 mm/s，測后速度1．0 mm/s，壓縮距離20 mm。試驗結(jié)果可以得到7個指標(biāo):彈性是兩次壓縮時間比t2/t1，硬度是第一次壓縮所用最大力;凝聚性是第二次峰面積與第一次峰面積的比值;黏著性是兩峰間的負(fù)面積;膠性是硬度和凝聚性的乘積值;咀嚼性是硬度、凝聚性和彈性的乘積值;回復(fù)性是由第一壓縮周期而成的，等于曲線中回彈曲線與橫軸所包圍的面積比［4］。

1．2．5 糊化特性測定

采用快速黏度分析儀進(jìn)行測定，用TCW(Thermal Cycle For Windows)配套軟件進(jìn)行分析。根據(jù)AACC(美國谷物化學(xué)協(xié)會)操作規(guī)程，稱取淀粉樣品3．00 g，蒸餾水25．00 mL。測定過程中，加熱過程是從50℃開始以每分鐘增加5℃至95℃，然后在95℃保溫2．7 min，冷卻過程是從95℃開始以每分鐘降低5℃至50℃，然后在50℃保溫2 min。攪拌器初始10 s內(nèi)轉(zhuǎn)速為960 r/min，之后維持在160 r/min。

1．2．6 大米淀粉糊的流變性測定

將8%的淀粉糊化后冷卻12 h后，放入ARES流變儀測定平臺，選擇直徑為40 mm的平板模具和穩(wěn)態(tài)測試程序，啟動流變儀，設(shè)置間隙(1 mm)，刮去平板外多余淀粉糊，加上蓋板，并加入硅油防止水分蒸發(fā)，然后在20 ℃下，剪切速率(γ)從0 ～500 s－1遞增，測定糊隨剪切速率上升的表觀黏度(η)和剪切應(yīng)力(τ)。

1．2．7 分析方法

本文采用DPS和excel數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2．1 電鏡試驗結(jié)果

圖1、圖2分別是大米淀粉和大米淀粉磷酸酯在10 000倍和15 000倍下的電鏡圖。

圖1 大米淀粉的電鏡圖

圖2 大米淀粉磷酸酯的電鏡圖

不同類型淀粉立體形貌不同，觀察上面的電鏡圖中可以看出，大米淀粉顆粒為不規(guī)則多面體，表面光滑，顆粒大小明顯比其他淀粉要小，且顆粒間排列不緊密。從圖2可以看出，淀粉磷酸酯的表面有不同程度的損傷，出現(xiàn)了凹陷、裂紋，甚至團(tuán)粒破裂，而原淀粉表面很光華，這是因為淀粉顆粒具有獨特的層狀結(jié)構(gòu)，顆粒內(nèi)部主要是非結(jié)晶區(qū)，外層為結(jié)晶區(qū)且結(jié)構(gòu)相當(dāng)牢固，對化學(xué)試劑及酶有較強(qiáng)的抵抗能力，所以淀粉顆粒很難受到破壞［5］。原淀粉經(jīng)過酯化反應(yīng)后，其表面形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度的損傷或侵蝕，表面出現(xiàn)凹陷、裂紋，甚至團(tuán)粒破裂，其破壞程度會隨熱處理強(qiáng)度增大而增大［6］。這是因為在酯化過程中淀粉層狀結(jié)構(gòu)的層間質(zhì)點結(jié)合力較弱，容易受到破壞，產(chǎn)生晶格缺陷，導(dǎo)致結(jié)晶度降低［7］?；瘜W(xué)作用對顆粒內(nèi)部和表面的侵蝕表明酯化反應(yīng)不僅發(fā)生在淀粉的無定型區(qū)，對結(jié)晶區(qū)也有一定的破壞。

2．2 淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)測定

表1為其凝膠質(zhì)構(gòu)圖譜特征。硬度表示使淀粉凝膠發(fā)生形變所需要的力，反映淀粉凝膠對變形抵抗的性質(zhì);彈性是指淀粉凝膠在外力作用下形變后恢復(fù)原來狀態(tài)的能力;黏著性反映淀粉凝膠表面和其他物體黏附著時，脫離它們所需要的力;凝聚性是淀粉凝膠保持完整的性質(zhì);膠性是用于反映半固態(tài)物質(zhì)的特性;咀嚼性即口語中所說的咬勁，反映了食品對咀嚼的持續(xù)抵抗力;回復(fù)性反映了凝膠以彈性變形保存的能量，是凝膠受壓后快速恢復(fù)變形的能力［4］。

從表1中可以看出，大米磷酸酯淀粉硬度、回復(fù)性、膠性和咀嚼性要低于大米原淀粉，且隨著取代度的增加，硬度、回復(fù)性、膠性和咀嚼性降低。這是淀粉分子中引入磷酸基團(tuán)之后，阻礙了淀粉鏈之間氫鍵的形成，降低了分子間的結(jié)合力，使淀粉顆粒結(jié)構(gòu)變得松弛，結(jié)晶區(qū)變少，淀粉顆粒原有的緊密結(jié)構(gòu)遭到破壞。另外大米淀粉凝膠實際上是互相纏繞的直連淀粉分子的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包括分散膨脹、破裂的淀粉顆粒，大米淀粉經(jīng)過磷酸酯化反應(yīng)后直鏈淀粉含量顯著降低，直鏈淀粉分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)不能有效地纏繞其他破裂的淀粉顆粒形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在一定壓力下淀粉凝膠變得很脆弱。凝聚性和黏著性隨著取代度的上升而增大，這可能是因為隨著取代度的增加，粉中的磷酸基團(tuán)越多，分子體積越大，也可能是高溫下酯化反應(yīng)伴隨的副反應(yīng)交聯(lián)反應(yīng)造成的。

2．3 糊化性質(zhì)分析

有研究指出將磷酸鹽添加進(jìn)大米粉里，將顯著影響大米粉的糊化特性［8］，而本研究是將大米淀粉做磷酸酯化變性，通過改變反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間得到不同取代度的磷酸酯淀粉，利用快速黏度分析儀測定淀粉的糊化特性，進(jìn)一步研究取代度對大米淀粉糊化特性的影響。

快速黏度分析儀(RVA)可以完整地記錄整個加熱升溫、熱保溫、降溫及冷保溫中的黏度與時間的變化。曲線上反映的是淀粉與水整個混合物體系即淀粉糊的糊化狀態(tài)，而不是某個淀粉顆粒的溶脹情況。

RVA譜特征用最高黏度、最低黏度、最終黏度、崩解值(最高黏度與最低黏度之差)、消減值(最終黏度與最高黏度之差)、糊化溫度來表示。

圖3 不同取代度的大米淀粉磷酸酯的RVA黏度曲線

圖3 是不同取代度的大米淀粉磷酸酯的RVA黏特征變化趨勢。大米淀粉和磷酸酯淀粉的變化趨勢基本上是一致的，都呈馬鞍形，在溫度小于糊化溫度時，由于淀粉粒僅作有限膨脹［9］，淀粉黏度較低，曲線平坦。隨加熱時間延長，支鏈淀粉微晶束首先熔融［10］，淀粉粒劇烈膨脹，導(dǎo)致黏度的突然上升;隨后，直鏈淀粉向水中擴(kuò)散，形成膠體網(wǎng)絡(luò)，淀粉粒充分膨脹，從而使糊化曲線上升至最高峰，并形成淀粉糊。然后，淀粉粒中支鏈淀粉分子鏈進(jìn)一步伸展，顆粒破裂，直鏈淀粉進(jìn)一步向水中分散［11］，導(dǎo)致黏度下降。到達(dá)最低黏度后，隨溫度下降，淀粉糊的流動阻力增大，導(dǎo)致黏度又呈現(xiàn)上升趨勢。

表1 不同取代度磷酸酯的質(zhì)構(gòu)圖譜特征

表2是大米淀粉和不同取代度大米淀粉磷酸酯的黏度特征值，從表2可知，不同取代度的大米淀粉磷酸酯的峰值黏度、最低年度、崩解值、最終黏度、消減值、成糊溫度都具有顯著性差異。

表2 不同取代度大米淀粉磷酸酯的黏度特征值

大米淀粉的糊化溫度比大米淀粉磷酸酯的要高，而且隨著取代度的增加，糊化溫度降低，這可能與淀粉中的直鏈淀粉的含量有關(guān)，直鏈淀粉之間是以氫鍵結(jié)合，結(jié)合力較強(qiáng)［12］。淀粉的糊化實際上就是隨著溫度的升高，淀粉分子內(nèi)的一些化學(xué)鍵開始不穩(wěn)定，斷裂，淀粉吸水膨脹引起的，所以直鏈淀粉含量高的淀粉比直鏈淀粉含量低的淀粉更難糊化。而隨著取代度的增加，淀粉內(nèi)的直鏈淀粉含量是降低的，這是由于直鏈淀粉是一種線形多聚物，都是由葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的鏈狀分子，大米淀粉經(jīng)過磷酸酯化變性后，磷酸根取代了淀粉鏈上羥基中的氫，淀粉分子中的氫鍵受到了破壞，隨著取代度的增加，這種受破壞程度增強(qiáng)，因而導(dǎo)致直鏈淀粉含量的降低，所以大米淀粉的糊化溫度是高于淀粉磷酸酯，且隨著取代度的增加其糊化溫度越低。

取代度越高，峰值黏度、最低黏度、最終黏度越大，淀粉的黏度與直鏈淀粉含量是成相反關(guān)系的，溫度升高，淀粉顆粒膨脹，直鏈淀粉阻止顆粒膨脹，所以直鏈淀粉含量高的淀粉的峰值黏度、最低黏度、最終黏度應(yīng)該是小于直鏈淀粉含量低的淀粉的，但磷酸酯淀粉的氫鍵被磷酸基團(tuán)破壞，反而是直鏈淀粉與支鏈淀粉之間形成更大更穩(wěn)定的基團(tuán)，或是支鏈分子之間形成更大的分子［13］，使淀粉的平均分子質(zhì)量提高了，增加了溶液黏度，因此淀粉磷酸酯在糊化過程中，峰值黏度、最低黏度、最終黏度反而增加了。

崩解值是由淀粉顆粒吸水膨脹引起的［14］，大米淀粉磷酸酯的崩解值是大于大米淀粉，且取代度越高的崩解值越大，這是因為磷酸基是親水基團(tuán)，大米淀粉磷酸酯比大米淀粉更容易吸收水分。消減值表示淀粉糊的凝沉性，變化為正值時，越大則表示凝沉性越強(qiáng)，變化為負(fù)值時，表示凝沉性弱，負(fù)值的絕對值越小則表示凝沉性越弱［13］，原淀粉的消減值為－2 847，隨著取代度的增大，消減值的絕對值也減小，取代度為0．468時絕對值為－1 791，說明取代度越大，大米淀粉磷酸酯的凝沉性減弱了。這是因為磷酸酯淀粉在同樣的受熱條件下容易糊化，淀粉分子鏈可以充分分散于大量的水中而舒展，成為均相的分散系統(tǒng)，然后在淀粉分子間的氫鍵締合作用下開始凝沉，其沉積平衡的時間更長。

2．4 流變性

從圖4可以看出，大米淀粉磷酸酯和大米淀粉一樣都具有剪切稀化現(xiàn)象，表觀黏度隨剪切速率的升高而降低，開始時表觀黏度下降較快，后面接近平坦，這是因為淀粉在成糊過程中，由于淀粉顆粒的碰撞、溶解、水合等作用，淀粉顆粒形成許多巨大的鏈狀分子，在靜止或低流速時，他們互相鉤掛纏結(jié)，黏度較大，顯得黏稠。但當(dāng)流速增大時，也就是由于流體之間剪切應(yīng)力的作用，使比較散亂的鏈狀分子滾動旋轉(zhuǎn)而收縮成團(tuán)減少了相互鉤掛或分子鏈斷裂減小了分子間作用力，造成了黏度下降，經(jīng)過一段時間的剪切后，部分鏈狀分子收縮成團(tuán)、部分淀粉分子鏈變短，繼續(xù)剪切的效果變得不明顯，淀粉糊黏度變化小。

圖4 不同取代度大米淀粉磷酸酯的表觀黏度與剪切速率關(guān)系圖

同時可以看出，取代度對淀粉的表觀黏度是有顯著影響的，在相同剪切速率下，隨著取代度的上升表觀黏度增加，這是因為取代度越大，淀粉中的磷酸基團(tuán)越多，分子體積越大，所以黏度上升;還可能是取代度高的淀粉磷酸酯中的更多的發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，分子間纏結(jié)更大，導(dǎo)致黏度變大。取代度為0．021 5的大米淀粉磷酸酯的表觀黏度卻小于大米淀粉，取代度低的淀粉磷酸酯表觀黏度更低可能因為酯化反應(yīng)都是在高溫下進(jìn)行的，會造成分子間淀粉鏈斷裂，由取代引起的黏度上升低于淀粉鏈斷裂引起的黏度降低。

3 結(jié)論

3．1 大米淀粉顆粒多為不規(guī)則多面體，表面光滑，顆粒大小明顯比其他淀粉要小，且顆粒間排列不緊密，大米淀粉經(jīng)過酯化反應(yīng)后，其表面形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度的損傷或侵蝕，表面出現(xiàn)凹陷、裂紋，甚至團(tuán)粒破裂。

3．2 隨著取代度的增加，膠體的硬度、回復(fù)性、膠性和咀嚼性降低，凝聚性和黏著性隨著取代度的上升而增大。

3．3 大米淀粉和大米磷酸酯淀粉的RVA黏度曲線變化趨勢都呈馬鞍形，在達(dá)到糊化溫度之前黏度很小，到了糊化溫度后黏度迅速上升，達(dá)到最高黏度后開始下降，降到最低黏度后又緩慢的升高。取代度(也就是結(jié)合磷的含量)對大米淀粉和大米磷酸酯淀粉的糊化特性有顯著影響，隨著取代度的增大，峰值黏度、最低黏度、最終黏度、崩解值、消減值都隨之增大，開始糊化溫度隨著取代度的增大而減小。大米淀粉經(jīng)過磷酸酯變性后，黏度增加了，不易回生，穩(wěn)定性加強(qiáng)了，凝沉性減弱了，且取代度越高，這些性質(zhì)越明顯。

3．4 大米淀粉磷酸酯和大米淀粉一樣，屬于剪切稀化流體，表觀黏度隨剪切速率的增大而下降，開始下降比較快，后面下降趨勢接近平坦。在相同剪切速率下，取代度越大的大米淀粉磷酸酯表觀黏度越大，但取代度為0．020 2的淀粉磷酸酯的表觀黏度小于大米淀粉，因為取代引起的黏度上升低于淀粉鏈斷裂引起的黏度降低。

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Study on Preparation and Physicochemical Properties of Rice Starch and its Phosphate Ester

Mao Haifeng1Wu Weiguo2Hu Yuanbin1Zeng Duanhui1
(Hunan Provincial Cereals and Oils Scientific Research ＆ Design Institute1，Changsha 410201)
(College of Food Science and Tech－nology，Hunan Agricultural University2，Changsha 410128)

Esterfying the starch phosphste to different degrees of substitution，the esterification reaction may be gotten for changing the temperature．The preparation and physicochemical properties of Rice Starch and its Phosphate Ester with different degrees of substitution(DS)were determined using scanning electron microscopy，texture analyzer，rapid viscosity analyzer(RVA)and rheometer．The results were as follows:the hardness，recovery，colloidal and chewing of rice starch phosphate ester were less than those of rice starch，but the cohesion and adhesion were higher than those of rice starch．With the increase in the degree of DS，the hardness，recovery，colloidal and chewing of rice starch phosphate este reduced，and the cohesion and adhesion of the increase with the degree of DSwere increased;the gelatinization temperature of the rice starch phosphate ester was less than that of rice starch，and the values of peak viscosity，minimum viscosity，final viscosity，and breakdown and absolute values were less than those of rice starch;with the increase in the degree of DS，the gelatinization temperature of the rice starch phosphate ester was reduced and the values of peak viscosity，minimum viscosity，final viscosity and breakdown and absolute values were increased．Through esterification，the viscosity of the rice starch was increased，it was not easy for retrogradation，its stability was increased and its retrogradation was weakened．The higher the degree of substitution was，the more obvious these natures became．Rice starch and its phosphate belonged to shear－ thinning fluid．At the same shear rate，the degree of substitution was higher and the viscosity was more apparent．

starch phosphate ester，degree of substitution，textural sexual，pasting property，rheological property

TS231

A

1003－0174(2012)01－0033－06

2010－11－15

毛海鋒，男，1982年出生，碩士，食品科學(xué)