非晶化玉米淀粉的理化性質(zhì)

劉天一，馬 鶯，李德海，2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)食品與工程學(xué)院，哈爾濱150090，ltyone80@gmail.com; 2.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱150040)

淀粉是一種天然多晶化合物，包含結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)，結(jié)晶區(qū)主要由支淀粉分子以雙螺旋結(jié)構(gòu)形成，結(jié)構(gòu)較為致密，不易被外力和化學(xué)試劑作用;無定形區(qū)主要由直鏈淀粉分子以松散的結(jié)構(gòu)形成，容易受外力和化學(xué)試劑作用.淀粉的非晶化是采用外力破壞淀粉結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)，形成了一種介于淀粉的多晶顆粒態(tài)和糊化態(tài)的中間體系——非晶化淀粉，其具有非晶性，但不具有糊化性;具有顆粒性，但不具有結(jié)晶性［1-2］.非晶化淀粉的化學(xué)、物理和生物反應(yīng)活性明顯不同于原淀粉［3］.

其中球磨研磨法制備的非晶化淀粉最具有可行性，既不需添加任何試劑，且操作便利、環(huán)境污染小，因此，以球磨研磨法來制備非晶化淀粉.通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射法、差式掃描量熱計、快速黏度分析儀和全自動氣體吸附儀等分析手段討論其形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、熱特性、糊化特性以及其他性質(zhì)等的變化.

1 試驗

1.1 試驗材料和儀器

原料:食品級玉米淀粉:長春黃龍食品工業(yè)有限公司.

儀器:QM-DK2行星式低溫球磨機(jī);RVAEzi快速黏度分析儀;DSC-6差示掃描量熱儀; Autosorb-1-c全自動氣體吸附儀;BA300POL偏光顯微鏡;S-3400N掃描電鏡;Mastersizer S粒度分析儀;D-max-2500型X射線衍射儀;UV-754紫外可見分光光度計.

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 非晶化淀粉的制備

將定量的玉米淀粉和研磨球一起加入到陶瓷罐中，選用球數(shù)比Φ20 mm∶Φ10 mm=1∶2的陶瓷球，控制球磨罐的填料率在25%左右，球磨罐的內(nèi)容積約為500 mL，球料比即研磨球和淀粉的質(zhì)量比約為5.7∶1，在10～20℃、球磨機(jī)轉(zhuǎn)速約為480 r/min的條件下干法研磨2.35 h，制得樣品密封保存，并及時分析.

1.2.2 顆粒形貌與粒度分析

掃描電子顯微鏡(SEM):通過S-3400N型掃描電鏡觀察其表面結(jié)構(gòu)，并拍攝照片記錄，掃描電鏡加速電壓為15 kV.

偏光顯微鏡(PLM):將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉乳滴于載玻片上，于偏振光下觀察和拍攝淀粉顆粒的形貌及偏光十字的變化情況.

淀粉顆粒分布:在超聲波作用下以乙醇作為溶劑均勻分散淀粉后，將其倒入Mastersizer S粒度分析儀的大燒杯中測定粒度分布及粒度大小.

1.2.3 X射線衍射(XRD)分析

測試條件:衍射角2 θ，4°～37°;步長，0.02°;掃描速度，8°/min;積分時間，0.2 min;靶型，Cu;管壓、管流，40 kV、30 mA;狹縫，DS 1°，SS 1°，RS 0.3 mm;濾波片，Ni.淀粉相對結(jié)晶度(CR)的計算參照文獻(xiàn)［4］的方法，使用MDI Jade軟件進(jìn)行分析計算，取3次擬合結(jié)果平均值.

1.2.4 熱特性分析(DSC)

稱取淀粉樣品3.0 mg(干基)于鋁盤中，并以1∶3的比例加入去離子水，密封后平衡24 h，以水作為參比，加熱范圍為20～120℃，加熱速率10℃/min.相變參數(shù)分別用起始溫度(to)、峰值溫度(tp)、最終溫度(tc)和焓變(ΔH)表示.

1.2.5 糊化性質(zhì)分析(RVA)

測試過程的溫度采用Std1升溫程序進(jìn)行，具體步驟參照文獻(xiàn)［5］.RVA譜特征值用峰值黏度(υP)、谷值黏度(υT)代表熱糊黏度、最終黏度(υF)代表冷糊黏度、衰減度(υB=υP-υT)和回生值(υS=υF-υT)表示.粘滯值單位用cP表示.

1.2.6 比表面積及孔徑的測定

將樣品在70℃下真空脫氣處理24 h以去除樣品表面吸附的空氣，采用 Micromertics ASAP 2000系統(tǒng)在液氮溫度(77.35 K)下，以高純N2做吸附質(zhì)測定樣品的吸附-脫吸等溫線，由BET (Brunauer-Emmett-Teller)方程計算比表面積，BHJ(Barrett-Joyner-Halenda)法分析孔比表面積、孔容、孔徑和孔分布.N2的分子截面積為16.2［6］.

1.2.7 非晶化玉米淀粉特性研究

以原玉米淀粉為對照樣品，分別測定非晶化玉米淀粉的溶解度、膨脹度、濁度和持水能力.溶解度和膨脹度的測定參照Clement等［7］的方法;濁度測定參照singh等［8］的方法，連續(xù)觀測17 d;持水能力測定參照singh等［9］的方法.

1.2.8 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，所有數(shù)據(jù)均重復(fù)3次.

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒形態(tài)與粒度分布

非晶化玉米淀粉的顆粒形貌、偏光十字如圖1所示.原玉米淀粉顆粒為圓形或多角形，表面光滑且有細(xì)小的微孔存在，在偏光顯微鏡下觀察時，淀粉的雙折射現(xiàn)象明顯，可看到淀粉顆粒臍點(diǎn)處有交叉的偏光十字.而非晶化玉米淀粉由于受到機(jī)械活化作用，淀粉顆粒表面破裂、發(fā)生變形、顆粒膨脹，部分顆粒出現(xiàn)層狀剝落現(xiàn)象，雙折射現(xiàn)象幾乎完全消失，觀察不到偏光十字的存在，這種現(xiàn)象是非晶化淀粉的典型特征之一.Stolt等人用超過550 MPa超靜壓力處理大麥淀粉時發(fā)現(xiàn)，淀粉的雙折射現(xiàn)象也完全消失，證實(shí)此時淀粉已經(jīng)從多晶態(tài)轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)［10］.

非晶化玉米淀粉顆粒的中位徑(D50)和顆粒分布情況如表1所示.原玉米淀粉顆粒分布比較集中，約70%的顆粒都分布在10～20 μm范圍內(nèi)，中位徑為13.81 μm;而非晶化玉米淀粉顆粒粒徑分布范圍則變寬(1～80 μm)，顆粒從集中分布轉(zhuǎn)向均勻分布，顆粒尺寸變大，中位徑增大到18.13 μm.這是因為在研磨球與粉末的碰撞、摩擦、沖擊、剪切作用下淀粉顆粒發(fā)生脆性斷裂，而當(dāng)?shù)矸垲w粒尺寸小于其韌-脆半徑時則向韌性破裂轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生能量弛豫現(xiàn)象，淀粉顆粒表面活性能增高，出現(xiàn)“閾效應(yīng)”使得顆粒內(nèi)部出現(xiàn)斷層流動，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒變形，內(nèi)部產(chǎn)生晶格缺陷，結(jié)晶程度降低，向大顆粒尺寸方向移動，粒徑分布變得均勻而廣泛［11］.

圖1 非晶化玉米淀粉的SEM(×3 000)和POM(×600)

表1 淀粉顆粒粒度分布

2.2 X射線衍射分析

XRD主要用來研究淀粉的聚集狀態(tài)，即淀粉的結(jié)晶性.那些晶粒線度大、晶形完整即長程有序的區(qū)域在XRD曲線上表現(xiàn)出明顯的尖峰衍射特征，稱為結(jié)晶區(qū);而那些處于短程有序、長程無序的區(qū)域在XRD曲線上表現(xiàn)出明顯的彌散衍射特征，稱為無定形區(qū)(即非晶區(qū)).

非晶化玉米淀粉的XRD曲線如圖2所示，原玉米淀粉分別在衍射角2 θ為15.28°、17.32°、18.10°和22.98°處有幾個特征峰，這是典型的A -型衍射結(jié)構(gòu)特征，而非晶化玉米淀粉的XRD圖中尖峰衍射特征消失轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)出彌散峰，相對結(jié)晶度由原來的23.4%下降到1.91%.說明淀粉中結(jié)晶結(jié)構(gòu)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形結(jié)構(gòu)，淀粉從多晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)［2］.這一結(jié)論也證實(shí)了偏光顯微鏡的觀察結(jié)果.在機(jī)械力強(qiáng)烈的研磨作用下，淀粉顆粒層狀結(jié)構(gòu)的層間質(zhì)點(diǎn)結(jié)合力因相對較弱而容易受到破壞，產(chǎn)生晶格缺陷，形成非晶態(tài)層且逐步變厚，最后整個結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，淀粉由多晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)［12］.

圖2 非晶化玉米淀粉的XRD曲線

2.3 熱特性分析

DSC主要用來測量淀粉的物理性質(zhì)與溫度的關(guān)系，通過研究在一定溫度范圍內(nèi)淀粉顆粒的熱相變過程來判定淀粉的結(jié)構(gòu)變化.

從圖3可見，原玉米淀粉在30～120℃范圍內(nèi)存在一個明顯的吸熱峰，該吸熱峰的熱焓約為14.07 J/g，糊化溫度為61.6～72.6℃.而非晶化淀粉在測量溫度內(nèi)觀察不到吸收峰，檢測不到糊化溫度和熱焓.原玉米淀粉顆粒是由無定形區(qū)與結(jié)晶區(qū)連結(jié)，在其發(fā)生水合/溶脹的同時伴隨著微晶的融化，因而產(chǎn)生了吸熱峰，此吸熱峰是淀粉顆粒由多晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變引起的，而不是由顆粒態(tài)向糊化態(tài)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的，因此，該吸收峰也是淀粉多晶體系發(fā)生了明顯相變的一個標(biāo)志［2，13］，而非晶化淀粉在此溫度范圍內(nèi)的吸收峰完全消失，這一現(xiàn)象再次證實(shí)了以上的試驗結(jié)果，淀粉已由多晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài).

圖3 非晶化玉米淀粉的DSC曲線

2.4 顆粒糊化特性分析

圖4所示為非晶化玉米淀粉的RVA曲線，RVA曲線是一定質(zhì)量濃度的淀粉溶液在加熱、高溫、冷卻過程中，其黏滯性發(fā)生一系列變化的過程曲線，其在加熱、高溫和冷卻過程中的特征黏度值依次為υP、υT和υF，分別代表淀粉溶液在加溫過程中因微晶束熔融形成膠體網(wǎng)絡(luò)時的最高黏度值，保溫過程中淀粉從凝膠態(tài)漸變?yōu)槿苣z態(tài)出現(xiàn)稀懈現(xiàn)象時的最低黏度值，以及在冷卻過程中，淀粉分子因重新締合出現(xiàn)膠凝現(xiàn)象時黏度回升后的最終值［8］;還有兩個特征黏度值為υB和υS，其中υB為υP與 υT的差值，反映了淀粉的熱糊穩(wěn)定性［14］.υS為υF與υT的差值，這一特征值反映了淀粉糊的穩(wěn)定性和老化趨勢［15］.非晶化后的淀粉結(jié)晶度低、顆粒破裂程度大，形成淀粉糊的流動阻力下降，因此特征黏度值υP、υT和υF相應(yīng)分別低于原淀粉2 916 cP、1 988 cP和3 301 cP，并且非晶化玉米淀粉的υB值和υS分別小于原淀粉4.2倍和6.9倍，這一現(xiàn)象說明非晶化玉米淀粉的熱糊穩(wěn)定性要優(yōu)于原淀粉，且此種淀粉不易老化、回生，提高了淀粉顆粒的冷糊力學(xué)穩(wěn)定性.因此，非晶化玉米淀粉的黏度均低于原玉米淀粉，更適用于應(yīng)用到高濃低黏的體系中，且非晶化玉米淀粉的熱糊穩(wěn)定性和冷糊穩(wěn)定性都優(yōu)于原玉米淀粉.

圖4 非晶化玉米淀粉的RVA曲線

2.5 N2吸－脫附等溫線、比表面積和孔徑的測定

非晶化玉米淀粉的N2吸-脫附等溫線、孔徑微分分布圖分別如圖5，6所示.圖5中等溫線曲線呈現(xiàn)上凸的形狀，且兩種淀粉吸附和脫附時等溫線均不重合，分別在分壓段出現(xiàn)對應(yīng)的滯后環(huán)，而非晶化玉米淀粉的滯后環(huán)要相對大于原玉米淀粉的滯后環(huán).根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會IUPAC分類方法，此類等溫線均屬于第Ⅱ類多層吸附［16］，表明吸附劑具有5 nm以上的孔，發(fā)生吸附時吸附劑上的第一層吸附熱要大于吸附質(zhì)的凝聚熱.滯后環(huán)的產(chǎn)生則是由于N2在淀粉內(nèi)產(chǎn)生毛細(xì)凝聚的結(jié)果，環(huán)越大表示孔徑越大，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，酶解多孔淀粉也會出現(xiàn)相同的結(jié)果，且淀粉顆粒表面可見清晰的孔洞存在［6］.孔徑的微分分布能反映出淀粉中大小孔徑的分布幾率，由圖6可知非晶化玉米淀粉的孔徑分布曲線幾乎都在原淀粉的上方，且兩種淀粉的孔均為中孔(2～50 nm).因為兩種淀粉對N2吸附在低壓區(qū)服從BET二常數(shù)方程，由BJH法計算得出兩種淀粉的孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果見表2.非晶化玉米淀粉的比表面積和平均孔徑分別大于原淀粉2.9倍和1.2倍.

圖5 非晶化玉米淀粉N2吸附-脫附等溫曲線

圖6 非晶化玉米淀粉孔徑微分分布圖

表2 淀粉孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.6 淀粉的溶解性和膨脹性

由圖7可知，原玉米淀粉和非晶化玉米淀粉的溶解度和膨脹度都隨著溫度的提高而增大，這是因為隨著溫度的提高，淀粉分子結(jié)晶區(qū)中被切斷的氫鍵數(shù)目增多，結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞加劇，使得游離水更易于滲入淀粉分子內(nèi)部.因此，淀粉的溶解度和膨脹度越來越大［17］;且圖中非晶化玉米淀粉的溶解度與膨脹度均高于原淀粉，原玉米淀粉在機(jī)械力作用下，淀粉顆粒外殼逐漸破裂，比表面積增大，導(dǎo)致表面能增加，活性點(diǎn)增多，同時機(jī)械作用也破壞了淀粉的晶格結(jié)構(gòu)，解離了淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這些機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)極大地促進(jìn)了水分子和淀粉分子游離羥基的結(jié)合，所以非晶化玉米淀粉的溶解度和膨脹度均大于原淀粉［7］.這一特性說明非晶化玉米淀粉與水這種溶劑的親和力更強(qiáng)，反應(yīng)活性更高.

圖7 非晶化玉米溶解度和膨脹度的變化

2.7 淀粉的濁度和持水能力

非晶化玉米淀粉的持水能力和濁度的變化見圖8所示，與原淀粉相比，非晶化玉米淀粉的持水能力增加明顯，是其持水能力的5.3倍.非晶化玉米淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)受到破壞，使得水分子更容易與其直鏈和支鏈淀粉形成氫鍵，從而引起淀粉持水能力的提高［7］.隨著貯藏時間的延長，淀粉糊的濁度逐漸增大，但非晶化淀粉糊濁度變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原淀粉.在第17天時，原玉米淀粉的濁度是非晶化玉米淀粉濁度的2.6倍.淀粉糊的濁度不但與顆粒大小有關(guān)，還與顆粒膨脹能力、浸出直鏈、支鏈淀粉含量、淀粉直鏈和支鏈鏈長以及淀粉鏈在分子內(nèi)和分子間結(jié)合方式等有關(guān)［8］.濁度的增加說明淀粉在貯藏期間發(fā)生了老化，分子發(fā)生重新排列生成重結(jié)晶結(jié)構(gòu).與原淀粉相比非晶化淀粉顆粒尺寸增大，顆粒發(fā)生形變，膨脹度大，在水中易成為伸展的分子狀態(tài)，對光的反射減小，吸光度小而表現(xiàn)出較低的濁度［18］.因此，非晶化玉米淀粉的濁度低于原玉米淀粉說明非晶化玉米淀粉不易回生，這一結(jié)果又與糊化特性研究結(jié)果相一致.

圖8 非晶化玉米淀粉持水能力和濁度的變化

3 結(jié)論

1)非晶化玉米淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和顆粒形貌都受到了破壞，相對結(jié)晶度由原玉米淀粉的23.4%下降到1.91%，顆粒偏光十字消失，淀粉顆粒從多晶態(tài)轉(zhuǎn)至無定形態(tài)，顆粒比表面積從原玉米淀粉的0.212 5 m2/g增大到0.633 7 m2/g，粒徑分布拓寬到1～80 μm，中位徑增大到18.13 μm，顆粒中平均孔徑增大1.2倍.

2)非晶化玉米淀粉的糊化溫度、熱焓值都降低無法檢測，表明支鏈淀粉中雙螺旋結(jié)構(gòu)被打開，淀粉已轉(zhuǎn)至非晶化狀態(tài);非晶化玉米淀粉的υP、υT和υF均低于原玉米淀粉，原玉米淀粉的υB和υS分別是非晶化玉米淀粉的4.2倍和6.9倍，說明非晶化玉米淀粉的熱糊穩(wěn)定性和冷糊力學(xué)穩(wěn)定性都強(qiáng)于原淀粉.

3)非晶化玉米淀粉的溶解度、膨脹度比原玉米淀粉要高，且都隨著溫度的增加而增大;濁度低于原淀粉，隨著貯藏時間的延長增加緩慢，至第17天時原玉米淀粉的濁度是非晶化玉米淀粉濁度的2.6倍.其持水能力是原玉米淀粉的5.3倍.

［1］ TANG H，MITSUNAGA T，KAWAMURA Y.Molecular arrangement in blocklets and starch granule architecture［J］.Carbohydrate Polymers，2006，63(4): 555-560.

［2］ HUANG Z Q，LU J P，LI X H，et al.Effect of mechanical activation on physico-chemical properties and structure of cassava starch［J］.Carbohydrate Polymers，2007，68(1):128-135.

［3］ 劉培玲，張本山.非晶顆粒態(tài)淀粉［J］.中國糧油學(xué)報，2006，21(2):18-22.

［4］ NARA S，KOMIYA T.Studies on the relationship between water-satured state and crystallinity by the diffraction method for moistened potato starch［J］. Starch，1983，35(12):407-410.

［5］ YAO N，PAEZ A V，WHITE P J.Structure and function of starch and resistant starch from corn with different doses of mutant amylose-extender and floury-1 alleles［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2009，57(5):2040-2048.

［6］ 徐忠，王鵬，嵺銘.玉米多空淀粉吸附性能研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，39(4):581-585.

［7］ CLEMENT A O，VASUDEVA S.Physico-chemical properties of the flours and starches of two cowpea varieties(Vigna unguiculata(L.)Walp)［J］.Innovative Food Science＆Emerging Technologies，2008，9(1): 92-100.

［8］ SINGH J，SINGH N.Studies on the morphological，thermal and rheological properties of starch separated from some Indian potato cultivars［J］.Food Chemistry，2001，75(1):67-77.

［9］ SINGH N，SINGH S K，KAUR M.Characterization of starches separated from Indian chickpea(Cicer arietinum L.)cultivars［J］.Journal of Food Engineering，2004，63(4):441-449.

［10］ STOLT M，OINONEN S，AUTIO K.Effect of high pressure on the physical properties of barley starch［J］.Innovative Food Science＆Emerging Technologies，2001，1(1):167-175.

［11］ BOLDYREV V V，PAVLOV S V，GOLDBERG E L. Interrelation between fine grinding and mechanical activation［J］.International Journal of Mineral Processing，1996，44/45:181-185.

［12］ MORRISON W R，TESTER R F，GIDLEY M J. Properties of damaged starch granules.II.crystallinity，molecular order and gelatinisation of ballmilled starches［J］.Journal of Cereal Science， 1994，19(3):209-217.

［13］ 張本山，徐立宏，高大維.用差示掃描量熱法研究高交聯(lián)非糊化淀粉的物態(tài)性質(zhì)［J］.食品科學(xué)，2002，23(5):91-93.

［14］ VITURAWONG Y，ACHAYUTHAKAN P，SUPHANTHARIKA M.Gelatinization and rheological properties of rice starch/xanthan mixtures:Effects of molecular weight of xanthan and different salts［J］. Food Chemistry，2008，111(1):106-114.

［15］ JUHáSZ R，SALGó A.Pasting behavior of amylose，amylopectin and their mixtures as determined by RVA curves and first derivatives［J］.Starch，2008，60(2):70-78.

［16］ 傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng).物理化學(xué)［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.

［17］ Nú?EZ-SANTIAGO M C，BELLO-PéREZA L A，TECANTE A.Swelling-solubility characteristics，granule size distribution and rheological behavior of banana(Musa paradisiaca)starch［J］.Carbohydrate Polymers，2004，56(1):65-75.

［18］ JEONG H Y，LIM S T.Crystallinity and pasting properties of freeze-thawed high amylose maize starch［J］.Starch，2003，55(11):511-517.