蒸汽爆破对籼米淀粉分子结构的影响范文

《现代食品科技杂志》2014年第七期

1材料与方法

1.1材料与试剂早籼米：湖北丰江米业有限公司；二甲基亚砜、氢氧化钠等均为分析纯；硝酸钠、溴化钾等为色谱纯。

1.2主要仪器设备QBS-80型汽爆工艺试验台，河南鹤壁正道重型机械厂；Waters600高效凝胶色谱仪，美国Waters公司；TENSOR27傅立叶变换红外光谱仪，德国Bruker公司；TU-1810PC紫外分光光度计，北京普析通用公司；BS124S电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司；202-2型干燥箱，上海一恒科技有限公司；SHA-B恒温振荡器，常州国华电器有限公司。

1.3方法

1.3.1籼米淀粉制备将50g籼米清洗后在250mL蒸馏水中浸泡18h，匀浆后进行离心，弃去上层清液，将沉淀与0.2%的NaOH溶液以1:5的比例混匀，置于恒温振荡器中（37℃）反应48h，间隔24h换一次NaOH溶液，反应结束后过100目筛去粗粒，室温下离心（3000×g，30min），弃去上清液，沉淀水洗多次至上层液的pH值为中性，淀粉湿块烘干（40℃），粉碎，过筛（100目）[10]。

1.3.2籼米淀粉成分测定水分、脂肪、蛋白质、直链淀粉等籼米淀粉主要成分测定参照国标方法（GB/T12087-2008，GB/T22427.3-2008，GB/T5009.5-2010，GB/T15683-2008）。

1.3.3蒸汽爆破处理将200g籼米淀粉样品加入汽爆缸中,合上盖后,将高温饱和蒸汽通入汽爆缸,使缸内压力至设定压力并保持一定的时间,维压结束后打开气动阀门（阀门打开时间为0.00875s），瞬间泄压的同时完成物料的爆破，收集腔内喷出的物料即为蒸汽爆破后的样品[9]。

1.3.4淀粉分子量的测定

1.3.4.1淀粉样品溶液的制备称取50mg籼米淀粉样品（以干基计）溶于10mL90%的二甲亚砜溶液中，采用磁力加热搅拌器于60℃下加热搅拌1h，得到澄清透明的标样溶液，3000r/min离心20min，取上清液，经0.45m的尼龙微孔膜过滤后进行凝胶过滤色谱分析，进样量100L[11]。

1.3.4.2GPC测定方法采用Waters600高效凝胶过滤色谱测定籼米淀粉样品的分子量。具体方法如下：色谱柱：UltrahydrogelTMLinear300mm×7.8mm；流动相：0.1mol/L硝酸钠（过0.22m微滤膜）；流速：0.6mL/min，柱温：45℃；进样量：10L；检测器：2410差式折光检测器和Empower工作站。分别选用DextranT-2000（Mw2000000）、DextranT-580（Mw580000）、DextranT-190（Mw188000）、DextranT-70（Mw70000）、DextranT-10（Mw10000）、DextranT-5（Mw4600）作为标准分子量。

1.3.5淀粉紫外扫描图谱分析称取淀粉样品20mg，加入0.5mL无水乙醇润湿样品，加入2mol/mL的KOH溶液1mL，使样品充分溶解。加入10mL去离子水，用0.1mol/mL的HCl将pH调至6.0~7.0，加水定容至50mL。取10mL于100mL容量瓶，加入80mL去离子水和2mLI2-KI溶液（2mgI2/mL和20mgKI/mL），定容至100mL，立即混匀。用紫外分光光度计扫描，从波长400nm~800nm。

1.3.6淀粉红外扫描图谱分析红外扫描图谱采用KBr压片法，具体过程为:称取约2mg样品，在红外灯的照射下，置于玛瑙研钵中研磨4~10min，再与150mg左右干燥的KBr粉末充分混合，继续研磨2~5min。将研磨好的混合物粉末倒在硫酸纸上灌注于压模中，抽真空，缓慢除去压力，放入样品架上，置于红外谱仪内全波段扫描，绘出红外光谱图。

2结果与分析

2.1籼米淀粉成分分析籼米淀粉中主要化学成分含量见表1。

2.2蒸汽爆破处理对籼米淀粉分子量的影响由图1可以看出，天然籼米淀粉的主要成分是直链淀粉、中间级分和支链淀粉。由于凝胶色谱中最先洗脱出的是分子量较大的分子，所以先洗脱出的是支链淀粉，随后洗脱出的是中间级分和直链淀粉。将籼米淀粉进行蒸汽爆破处理，以考察爆破压力、爆破时间以及样品水分含量等汽爆参数对籼米淀粉分子量的影响，结果见表2、表3、表4。蒸汽爆破具有从分子水平上打破大分子晶格的效果，存在类似酸水解、热降解、类机械断裂、氧键破坏和结构重排等协同作用,原料物理结构和化学成分在加工过程中发生较大的变化。由表2、表3可以看出，籼米淀粉经蒸汽爆破处理后，其淀粉长链、短链以及中间级分的分子量均有较大程度的降低，且随着爆破压力、爆破时间的增加，中间级分的吸收峰峰逐渐消失，长链峰峰面积所占比例减小，短链峰峰面积所占比例增加。这可能是因为在蒸汽爆破作用下，淀粉分子α-1,6糖苷键部分遭到破坏，同时α-1,4糖苷键也产生裂解，结果产生更多的小分子淀粉，造成淀粉分子量下降。蒸汽爆破作用降解支链淀粉，切断α-1,6糖苷键，形成新的短直链淀粉，同时长直链淀粉中α-1,4糖苷键遭到破坏，长直链淀粉形成短直链淀粉，造成短链峰峰面积所占比例增加。蒸汽爆破处理前物料中的含水率对蒸汽爆破有较大影响，合适的含水率更有利于高压蒸汽渗透至生物质细胞内部，从而提高蒸汽爆破效果。由表4可知，随着样品水分含量由3%增加至20%，籼米淀粉分子量下降，短链片段增加。

2.3蒸汽爆破处理对籼米淀粉紫外吸收光谱的影响籼米淀粉经蒸汽爆破处理后，其紫外吸收光谱见图2、图3、图4。紫外光谱是电子光谱，由电子跃迁作用而产生。这种电子跃迁包括振动跃迁和转动跃迁，紫外光谱不像振动光谱和转动光谱那样细窄，而是宽阔的谱带。淀粉分子的空间构象是由α-D-葡萄糖残基之间的相对排列方式决定的。由于空间位阻和能量的关系限制了α-1,4糖苷键内旋转自由度，使得相邻葡萄糖残基的空间排列方式只有寥寥几种。这种情况下，直链淀粉采取螺旋形结构。链淀粉与脂肪酸或碘形成结晶性的络合物（V-链淀粉），碘或有机物分子位于链淀粉螺旋结构的腔中。链淀粉-碘络合物在620~680间呈现最大的紫外光谱吸收峰。V-链淀粉络合物的吸收波长与链淀粉的聚合度密切相关。聚合度小于6无色，7~13为淡红色，20为紫色，30为蓝紫色，40以上为蓝色。由图2、图3、图4可知，籼米淀粉经蒸汽爆破处理后其紫外吸收光谱和原淀粉基本一致，但最大吸收波长发生了变化。由图2可以看出，随着汽爆压力的增加，籼米淀粉最大紫外吸收波长减小，由原淀粉的616nm~620nm减小到了567nm~570nm（2.0MPa）。由图3可以发现，随着维压时间的延长，籼米淀粉最大吸收波长由原淀粉的616nm~620nm下降到了587nm~591nm（90s）。由图4可知，随着样品水分含量的增加，其最大吸收波长发生较小程度的兰移，由602nm~611nm（3.29%）兰移到了590nm~594nm（22.15%）。这是由于在蒸汽爆破的作用下，籼米淀粉中直链淀粉和支链淀粉分子发生降解，淀粉链断裂，淀粉分子聚合度减小的缘故。

2.4蒸汽爆破处理对籼米淀粉红外吸收光谱的影响淀粉的基本组成单元是α-D-葡萄糖残基，主要特征基团是C2和C3所连接的仲醇羟基以及α-D-吡喃环结构。淀粉的红外吸收光谱可以划分成4个主要的区域：800cm-1以下（葡萄糖吡喃糖环骨架模式振动区域），800~1500cm-1（指纹区），2800~3000cm-1（C-H伸缩区域），和3000~3600（O-H伸缩区域）[10]。从图5、图6、图7可以看出，与原淀粉的红外光谱相比，蒸汽爆破处理后的籼米淀粉并无新的吸收峰产生，也就是说籼米淀粉分子骨架上没有产生新的官能团，表明蒸汽爆破处理没有改变籼米淀粉的化学结构。1650cm-1附近为醛基的吸收峰，随着汽爆压力、维压时间、样品水分含量的增加，籼米淀粉汽爆作用增强，淀粉的分子链断裂产生的醛基增多，因而该区域吸收峰的强度增大。

在淀粉的红外吸收光谱中，1158cm-1处的吸收峰代表C-O-C的不对称伸缩振动，2930-1处的吸收峰代表C-CH2-C的不对称伸缩振动，两者强度的比值表示淀粉颗粒的结晶程度，用淀粉结晶指数（ICI）表示。由表5可以看出，随着汽爆压力的增加，籼米淀粉结晶指数随之增加，由原淀粉的0.1638增加到了0.6019（2.0MPa）。由表6可以发现，随着维压时间的延长，籼米淀粉结晶指数由原淀粉的0.1638上升到了0.5752（90s）。由表7可知，随着样品水分含量的增加，其淀粉结晶指数由0.2424（3.29%）增长到了0.5418（22.15%）。这说明在蒸汽爆破的作用下，籼米淀粉分子链发生断裂，产生的短链片段易形成淀粉分子结晶结构，使得淀粉结晶层的结构特征逐渐增强，而无定型片层的结构特征逐渐减弱。

3讨论

目前关于大米淀粉预处理国内外主要采用微波、辐射、生物技术等方法，通过微波、脉冲电场等预处理技术，降低大米淀粉分子聚合度，改变淀粉分子构象以及物理化学特性[12~14]。蒸汽爆破技术是一种能在毫秒级（0.00875s）完成蒸汽爆破过程的弹射式汽爆技术，具有从分子水平上打破大分子晶格的效果。由于汽爆技术具有处理时间短、能耗低、无污染等优点，近年来越来越多的研究将其应用于天然产物原料的预处理。将蒸汽爆破技术引入籼米淀粉预处理，使其淀粉分子发生降解，淀粉分子聚合度减小，目前在国内外还没有见到相关文献。蒸汽爆破预处理对籼米淀粉其他物化特性的影响还需进一步研究。

4结论

4.1籼米淀粉经蒸汽爆破处理后，随着爆破压力、爆破时间以及样品水分含量的增加，籼米淀粉分子量下降，短链片段所占比例增加。

4.2籼米淀粉经蒸汽爆破处理后其紫外吸收光谱和原淀粉基本一致，但其最大吸收波长发生兰移现象，表明淀粉分子链聚合度降低。

4.3籼米淀粉经蒸汽爆破处理后其红外吸收光谱和原淀粉相比没有新的吸收峰产生，随着爆破压力、爆破时间以及样品水分含量的增加，1650cm-1处吸收峰强度增大，淀粉结晶指数增加。

作者：李光磊张国丛刘本国李飞马汉军孙俊良单位：河南科技学院食品学院石家庄市农林科学研究院