白酒釀造中原糧淀粉水解的影響因素研究

田海霞 張宇 楊彤彤

前言

淀粉作為一種葡萄糖分子聚合而成的多糖，是糧食的主要組成成分，因其是一種植物體內(nèi)儲(chǔ)藏的高分子碳水化合物，可被作為人體的主要能源物質(zhì)，淀粉具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和利用價(jià)值，不僅可以為人體供能，還可以緩解低血糖;在體內(nèi)轉(zhuǎn)化成脂肪，起到增肥作用;還可以在生活中被作為調(diào)味品進(jìn)行提味增鮮。淀粉在各類植物中的含量都較高，制酒時(shí)所用的原料中的淀粉含量數(shù)據(jù)是判斷其品質(zhì)是否合格和對(duì)其定等定級(jí)，從而確定是否可以被利用的重要依據(jù)。因此，其測定方法也一直在被不斷地探索研究。糧食中淀粉的測定方法有多種，可以分為直接測定法和間接測定法。因?yàn)殚g接測定法適用于所有食品基質(zhì)，具有較好的實(shí)驗(yàn)室間重現(xiàn)性，是淀粉測定的經(jīng)典方法，所以在GB 5009.9-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中淀粉的測定》中為糧食的測定提供酶水解法和酸水解法兩種。淀粉一般有直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種。直鏈淀粉為無分支的螺旋結(jié)構(gòu)，不利于和水分子形成氫鍵，而支鏈淀粉則由于其同時(shí)含有α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵，其可以與水分子結(jié)合形成氫鍵。一般來說，這兩種淀粉都可以被水解。蔣雁等人通過用酶水解法和酸水解法兩種方法對(duì)高粱、小麥、大麥、玉米和稻谷進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，用酸水解法得到的淀粉回收率更高，而酶水解法在樣液制備時(shí)所用試劑較酸水解法更多，操作更復(fù)雜，時(shí)間更長，成本也較高。所以，在測定淀粉時(shí)，酸水解法被廣泛使用。但是酸水解法中仍然有很多細(xì)節(jié)問題需要探討，淀粉在水解反應(yīng)時(shí)先生成分子量較小的糊精（淀粉不完全水解的產(chǎn)物），糊精持續(xù)水解生成麥芽糖，最終水解產(chǎn)物是葡萄糖，加入鹽酸的主要作用是使淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)發(fā)生微調(diào)，引起水溶液或者使溶膠體系中離子強(qiáng)度發(fā)生變化，使得淀粉糊化時(shí)黏度降低，崩解值增高，從而降低反應(yīng)的活化，催化淀粉水解。蔡晶等人通過GPC方法，以葡聚糖為標(biāo)樣，對(duì)淀粉水解得到的產(chǎn)物分子量進(jìn)行計(jì)算得出，在水解反應(yīng)各因素中反應(yīng)溫度的影響最大 ，但是鹽酸濃度的高低和水解時(shí)間的長短對(duì)淀粉水解也會(huì)存在一定影響。一般來說，鹽酸濃度和水解溫度越高，水解速度也越快，但是高濃度或低濃度對(duì)淀粉的具體影響還未可知。另外，目前暫無研究人員通過單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)淀粉水解的影響因素進(jìn)行判斷，因此，本文通過使用不同濃度鹽酸在不同溫度、不同時(shí)間下對(duì)小麥中的淀粉進(jìn)行水解，再根據(jù)淀粉水解成葡萄糖后利用葡萄糖分子所含醛基的還原性，與斐林氏劑及指示劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的原理來進(jìn)行定量測定，從而確定可以使淀粉達(dá)到最大水解的最佳鹽酸濃度、最佳處理時(shí)間和最佳處理溫度。

一、材料與方法

（一） 材料與試劑

顆粒飽滿，完整的新鮮小麥（產(chǎn)地：張掖民樂）。

濃鹽酸（36.5%）分析純度，臨沂東毅化工有限公司。

氫氧化鈉（20%）分析純度，濟(jì)寧輝鵬化工有限公司。

1%次甲基藍(lán)指示劑，按標(biāo)準(zhǔn)配制方法配制。菲林試劑甲、乙液，現(xiàn)配現(xiàn)用。

（二）主要儀器

玻璃器具：250mL三角瓶，250mL容量瓶，50mL量筒，5mL吸管，漏斗，250mL大口碘量瓶，50mL反滴定管。

（三）實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)將所用鹽酸的濃度及其對(duì)淀粉水解處理時(shí)間和處理溫度設(shè)置為可變因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，從而確定用鹽酸水解淀粉時(shí)，可以使淀粉達(dá)到最大水解的最佳工藝。

（四）預(yù)處理

試樣粉碎：取100g試樣，使用小型高速粉碎機(jī)粉碎至粉末狀，通過40目分樣篩。

（五）水解液的制備

稱取1.5g麥粉于250g的錐形瓶中，加入一定濃度的鹽酸，放入數(shù)顯六孔水浴鍋中水解一定時(shí)間后取出，冷卻，使用NaoH溶液調(diào)節(jié)其pH至中性（黎威巍等人在優(yōu)化鹽酸濃度、水解時(shí)間和NaoH量時(shí)提出，中和時(shí)所用的NaoH有一個(gè)最佳用量，這個(gè)最佳用量要根據(jù)顏色反應(yīng)和試紙反應(yīng)進(jìn)行及時(shí)判斷），所以在此實(shí)驗(yàn)中使用20%的NaoH溶液，中和后定容至250mL，用脫脂棉或?yàn)V紙過濾得到水解液。

（六）滴定分析

吸取斐林試劑甲、乙液各5mL，加20mL水，共2組。第一組加入15mL水解液，放置可調(diào)式封閉電爐上煮沸2min，溶液由藍(lán)色變至鮮紅色，加入次甲基藍(lán)指示劑，恢復(fù)藍(lán)紫色，開始進(jìn)行預(yù)滴定，直至藍(lán)紫色消失表示滴定完成，記錄消耗水解液體積。在第二組中加入比消耗體積少1mL的水解液后，依照預(yù)滴定方法進(jìn)行正式滴定，滴定完成后根據(jù)葡萄糖產(chǎn)率折算出淀粉含量。

（七）計(jì)算

（八）正交實(shí)驗(yàn)

加入適量鹽酸開始水解后，以水解溫度、酸的濃度和水解時(shí)間為因素，分別取60℃、100℃;1mol/L、2mol/L和1.5h、2h三個(gè)水平做正交實(shí)驗(yàn)考察水解反應(yīng)的影響因素。通過表2中的極差分析得出結(jié)論：相比濃度和時(shí)間，處理溫度對(duì)淀粉水解影響較大。由此得出，常壓條件下，在100℃下可以使淀粉達(dá)到最大水解，見表2。

（九）單因素試驗(yàn)

通過正交實(shí)驗(yàn)確定最佳水解溫度后，考慮到鹽酸濃度和水解時(shí)間對(duì)淀粉水解率也會(huì)有影響，此時(shí)將鹽酸的處理濃度、水解時(shí)間作為變量進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，從而確定淀粉可以達(dá)到最大水解的鹽酸濃度和水解時(shí)間，同時(shí)將水解溫度也設(shè)為變量，進(jìn)一步驗(yàn)證淀粉的最佳水解溫度。

變量處理：將鹽酸的處理濃度、處理時(shí)間、處理溫度設(shè)為變量，見表3。

二、結(jié)果與分析

通過圖1分析得出，淀粉水解完全所需時(shí)間長短與所用鹽酸的濃度相關(guān)，且成正比，1.5g麥粉分別用0.5mol/L、2mol/L、2.5mol/L、3mol/L、4mol/L、6mol/L的鹽酸在100℃下水解2h后，測定的淀粉含量分別是36.1%、63.97% 、63.68%、 63.85%、60.3%、51.2%;用0.5mol/L的鹽酸水解反應(yīng)2h 后，淀粉基本未被水解;用2mol/L的鹽酸水解可以使淀粉含量高達(dá)63.97%。所以，可以得出水解淀粉時(shí)所用的最佳濃度為2mol/L，用稀釋定律C1V1=C2V2轉(zhuǎn)換計(jì)算體積為1：5（實(shí)驗(yàn)所用鹽酸物質(zhì)的量濃度一般為12mol/L）。由圖2分析得出，1.5g麥粉用2mol/L的鹽酸分別在50℃、60℃、75℃、88℃、100℃的溫度下水解2h后得到的淀粉含量為別為1.12%、28.5%、34.6%、56.4%、63.97%，在50℃下淀粉基本未被水解，淀粉含量隨水解溫度升高不斷增加。由此可以得出，在100℃下對(duì)淀粉進(jìn)行水解可以使淀粉達(dá)到完全水解。由圖3分析得出，淀粉是否水解完全與水解時(shí)間也相關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，用2mol/L的鹽酸在100℃分別水解1.5h、2h、 2.5h、3h后，得到的淀粉含量分別為59.2%、63.97%、61.5%、60.8%，水解1.5h時(shí)淀粉含量明顯偏低，水解3h淀粉含量也會(huì)降低。由此得出，水解2h即可達(dá)到完全水解。

結(jié)語

實(shí)驗(yàn)表明，過低的鹽酸濃度會(huì)大大降低水解反應(yīng)的速度，導(dǎo)致淀粉不能被完全水解;過高的鹽酸濃度，淀粉含量會(huì)出現(xiàn)先高后低的情況，可能因?yàn)楹ざ入S著鹽酸濃度的增加而降低，也可能因?yàn)辂}酸濃度過高出現(xiàn)了相應(yīng)的副反應(yīng)，給后面的中和以及脫鹽步驟帶來壓力，消耗部分淀粉，從而導(dǎo)致淀粉含量出現(xiàn)相應(yīng)的降低。此外，淀粉在水解時(shí)所用的時(shí)間不能過長也不能過短，由于氫離子能腐蝕非結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶片層間的直鏈淀粉和支鏈淀粉，從而使淀粉破碎質(zhì)量減小而使水解率增大。而時(shí)間過長則會(huì)因?yàn)榉肿娱g氫鍵的增強(qiáng)導(dǎo)致淀粉不易被完全水解。汪鐵橋等人也在研究中指出，在一定濃度下，水解完全后，延長水解時(shí)間會(huì)在一定程度上增加副反應(yīng)產(chǎn)物。由此可以得出，水解時(shí)間與水解時(shí)所用的鹽酸濃度相關(guān)，增加鹽酸濃度即要相應(yīng)縮短水解時(shí)間，在水解淀粉時(shí)要根據(jù)鹽酸與淀粉比例確定適當(dāng)?shù)乃鈺r(shí)間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，淀粉水解程度與水解溫度呈正相關(guān)。當(dāng)水解溫度過低時(shí)，淀粉水解速率會(huì)大大降低。Jheng Hua Lin等人將淀粉在含一定濃度鹽酸的甲醇中45℃下處理1h后發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉浸出程度與鏈長發(fā)生變化，但是支鏈淀粉沒有改變。在這里理解到的一種可能性為此種條件下只對(duì)淀粉的無定形區(qū)域進(jìn)行了水解，對(duì)淀粉的結(jié)晶區(qū)產(chǎn)生的作用極小，所以水解溫度低于50℃，淀粉水解含量極低，隨著溫度上升，水解速率增加，淀粉含量也會(huì)不斷增加。由于小麥淀粉中的淀粉有兩種不同大小的顆粒，小顆粒易糊化，在較低溫度下即可糊化，而大顆粒需要在較高溫度下糊化，所以小麥淀粉水解時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度也需相應(yīng)偏高。綜上，在100℃下，使用2mol/L的鹽酸對(duì)麥粉水解2h即可使淀粉達(dá)到完全水解，得到最大葡萄糖產(chǎn)率。