pH 和NaCl對馬鈴薯、玉米淀粉黏度特性的影響

黃峻榕 薛 婷 魏寧果 李宏梁 劉樹興 楊大慶

（陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

淀粉是由葡萄糖單元組成的多糖，經(jīng)綠色植物利用二氧化碳與水進(jìn)行光合作用合成，在自然界中可形成良性循環(huán)，通常以顆粒的形式貯藏在大多數(shù)高等植物的器官中及某些原生動物、藻類和細(xì)菌中。淀粉顆粒一般不溶于冷水，在含水體系中加熱至一定溫度可發(fā)生糊化。淀粉糊化后形成淀粉糊，屬于非牛頓流體，該流體的黏度實(shí)際為表觀黏度，除了與溫度有關(guān)外，還與剪切速率、時間有關(guān)，并有剪切變稀或剪切變稠的變化［1］。不同來源的淀粉具有不同的黏度性質(zhì)，同一淀粉在不同條件下的黏度性質(zhì)也有較大差別［1，2］。大多數(shù)含淀粉食品（如方便面、酸奶、沙拉醬等）中，含有食鹽、乳酸、乙酸等成分，這些小分子電解質(zhì)會改變體系的pH 值和離子強(qiáng)度。

在已有關(guān)于pH 和NaCl對淀粉黏度性質(zhì)影響的研究報(bào)道中，有學(xué)者［3］認(rèn)為pH 是影響馬鈴薯淀粉黏度特性的重要因素，在pH＝7時，黏度最大。Muhrbeck等的研究［4］表明：pH 對馬鈴薯淀粉的凝膠性質(zhì)有很大影響，在pH 為8．5時，凝膠強(qiáng)度最大。Eliasson 等的研究結(jié)果［3］表明：對于NaCl而言，在NaCl的濃度為10－5mol／L 時，對馬鈴薯淀粉的黏度產(chǎn)生了很小但是很明顯的抑制效果；當(dāng)NaCl的濃度由10－5mol／L增加至0．1 mol／L 時，馬鈴薯淀粉的黏度增加；玉米淀粉的黏度在NaCl的濃度增加至10－3mol／L 時沒有變化。隨著NaCl的濃度由0．2mol／L增加至1．1mol／L，馬鈴薯淀粉的各點(diǎn)黏度值降低［5］。當(dāng)NaCl濃度由0．5%增加至2．5%時，玉米淀粉的黏度降低［6］。上述研究在分析pH和NaCl對淀粉黏度的影響時都沒有考慮離子強(qiáng)度這個因素。而相關(guān)研究［4，7］表明：離子強(qiáng)度對馬鈴薯淀粉的凝膠性質(zhì)有很大影響，隨著離子強(qiáng)度增大，其凝膠強(qiáng)度顯著降低。馬鈴薯淀粉的黏度特性對離子強(qiáng)度非常敏感，在最低離子強(qiáng)度條件下，馬鈴薯淀粉糊的黏度可達(dá)最高［3］。離子強(qiáng)度對于馬鈴薯淀粉黏度特性的影響只與離子強(qiáng)度有關(guān)而與離子類型無關(guān)，在同一離子強(qiáng)度下，所有離子的影響相同。其他淀粉則受離子類型的影響，即鹽的類型和濃度都會影響淀粉的黏度特性［3］。本課題擬在測定離子強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采用快速黏度分析儀，研究pH、NaCl對馬鈴薯淀粉、玉米淀粉黏度性質(zhì)的影響，研究結(jié)果將為進(jìn)一步分析復(fù)雜食品體系對淀粉黏度性質(zhì)的影響奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1．1 材料與儀器

1．1．1 材料與試劑

三邊馬鈴薯淀粉：陜西定邊源澤公司三邊裕豐精淀粉廠；

新田源馬鈴薯淀粉：榆林市新田源集團(tuán)富元淀粉有限公司；

玉米淀粉；北京可口林工貿(mào)有限公司；

純凈水：西航天鼎純凈水有限公司；

蒸餾水：本實(shí)驗(yàn)室自制；

乙酸、氫氧化鈉、氯化鈉：分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司。

1．1．2 主要儀器設(shè)備

分析天平：BS323S 型，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；

快速黏度分析儀：TechMaster型，RVA 波通瑞華科學(xué)儀器（瑞典）公司；

酸度計(jì)：PB－10型，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；

電導(dǎo)率儀：DDS－307 型，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；

斷水自控蒸餾水器：HS－Z68－5D 型，北京科偉永興儀器有限公司。

1．2 方法

1．2．1 溶液配制

（1）pH 緩沖液的配制：以蒸餾水分別配制0．01 mol／L乙酸溶液和氫氧化鈉溶液。0．01 mol／L 乙酸溶液的pH 值為3．4。pH 值為4，5，6，7，8，9，10，11的緩沖液用0．01mol／L乙酸溶液和氫氧化鈉溶液配制，并測定電導(dǎo)率。

（2）NaCl 溶液的配制：用蒸餾水分別配制濃度為0．5%，1．0%，1．5%，2．0%，2．5%，3．0%的NaCl溶液，并測定pH 值和離子強(qiáng)度。電導(dǎo)率儀所用的電極常數(shù)為1cm－1，電導(dǎo)率的測量范圍為2．0×10－3～10．0 mS／cm，1．0%及更高濃度的NaCl溶液的電導(dǎo)率超出了量程，所以根據(jù)式（1）進(jìn)行離子強(qiáng)度的計(jì)算：

式中：

I—— 溶液的離子強(qiáng)度，mol／L；

mi—— 離子的摩爾濃度，mol／L；

zi—— 離子的價數(shù)，取1，2，…，7；

n—— 代表各種離子。

1．2．2 淀粉水分含量的測定 參照GB／T 12087－2008的方法。

1．2．3 淀粉黏度特性曲線的測定 采用快速黏度儀（RVA）測定不同條件下淀粉的糊化特性。準(zhǔn)確稱取用相應(yīng)溶液配成的5% （DB，m／m）淀 粉 懸 浮 液28 g，最 初10 s 以960r／min攪拌，之后保持160r／min至測定結(jié)束。起始溫度為50 ℃保持1 min，然后經(jīng)3．7 min提高至95 ℃，并保持2．5min，在3．8min內(nèi)降至50 ℃并保持2min，整個測定過程歷時13min。由分析軟件獲得淀粉在糊化過程中的黏度變化曲線以及多個特征點(diǎn)，包括糊化溫度、峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、衰減值和回生值。

2 結(jié)果與分析

2．1 水、pH 緩沖液、NaCl溶液的pH 值和離子強(qiáng)度

由表1可知，蒸餾水、純凈水和自來水的pH 均在7 左右。液體的離子強(qiáng)度大小可用電導(dǎo)率表示，電導(dǎo)率越大，則離子強(qiáng)度越大。蒸餾水、純凈水的離子強(qiáng)度接近，顯著低于自來水的離子強(qiáng)度。自來水是經(jīng)過凈化、消毒等工序生產(chǎn)出來的符合國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)的生活、生產(chǎn)用水，里面含有Mg2＋，Ca2＋，Cl－，ClO－等離子［8］。蒸餾水是純凈水的一種，基本不含礦物質(zhì)離子，因而，本試驗(yàn)所有溶液的配制均采用離子強(qiáng)度最小的蒸餾水。

表1 水、NaCl溶液的pH 值和離子強(qiáng)度Table1 pH value and ionic strength of different water and NaCl solution

隨著pH 值的遞增，緩沖液的離子強(qiáng)度如表2 所示：pH 3．4～6．0 離子強(qiáng)度逐漸增大；pH 6．0～10．0 離子強(qiáng)度趨于平 穩(wěn)；pH 11．0 離 子 強(qiáng) 度 最 大。pH 3．4 的 溶 液 為0．01mol／L乙酸溶液，乙酸為弱酸，因而離子強(qiáng)度較弱；pH 4．0～6．0的溶液在配制時為堿加入酸，NaOH 為強(qiáng)堿，濃度為0．01mol／L 時，離 子 強(qiáng) 度 為2．03 mS／cm，遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 大 于0．01mol／L乙酸的離子強(qiáng)度，因而隨NaOH 加入量的增加，溶液的離子強(qiáng)度隨著pH 的增加逐漸增大；pH 7．0～11．0時，為酸加入堿，pH 7．0～10．0時，乙酸的加入，對溶液的離子強(qiáng)度影響較小，pH 11．0時，乙酸的加入量最小，因此離子強(qiáng)度最高。

隨著NaCl溶液濃度的升高，離子強(qiáng)度呈遞增趨勢，但pH 值變化不大。這主要是因?yàn)镹aCl為強(qiáng)酸強(qiáng)堿鹽，在水溶液中可以完全電離，因而NaCl溶液為中性，pH 值不隨濃度發(fā)生變化。

表2 pH 緩沖液的離子強(qiáng)度Table2 The ionic strength of the pH buffer solution

2．2 水對馬鈴薯、玉米淀粉黏度特性的影響

三邊馬鈴薯淀粉、新田源馬鈴薯淀粉和玉米淀粉的水分含量分別為16．5%，12．5%，8．6%。玉米淀粉的水分含量顯著低于馬鈴薯淀粉的，主要是因?yàn)轳R鈴薯淀粉分子中的羥基自行結(jié)合形成氫鍵的程度較小，所剩余的羥基數(shù)目相對較多，通過氫鍵與水分子相結(jié)合的機(jī)會較多，因而其結(jié)合水的能力較玉米淀粉的大［9］。

馬鈴薯淀粉在蒸餾水和純凈水中的黏度曲線接近（見圖1、2），在自來水中，三邊、新田源馬鈴薯淀粉的峰值黏度分別比在蒸餾水中的降低了26%和52%，谷值黏度和最終黏度也明顯降低，說明離子強(qiáng)度的增加可降低馬鈴薯淀粉的黏度。由于磷酸基團(tuán)的存在使得馬鈴薯淀粉在溶液中具有電荷性，并具有陽離子交換功能，對離子比谷物淀粉更加敏感，因而，加工過程中的水質(zhì)、離子會影響馬鈴薯淀粉的性質(zhì)［3］。在同樣的測試條件下，三邊、新田源馬鈴薯淀粉的峰值黏度、谷值黏度和最終黏度，以及回生值、衰減值都不相同，說明淀粉的黏度性質(zhì)受馬鈴薯品種、生長環(huán)境和淀粉生產(chǎn)工藝等因素的影響。

圖1 不同的水對三邊馬鈴薯淀粉黏度特性的影響Figure1 Effect of different water on pasting behaviors of Sanbian potato starch

圖2 不同的水對新田源馬鈴薯淀粉黏度特性的影響Figure2 Effect of different water on pasting behaviors of Xintianyuan potato starch

圖3 不同的水對玉米淀粉黏度特性的影響Figure3 Effect of different water on pasting behaviors of corn starch

玉米淀粉在蒸餾水、純凈水和自來水中的峰值黏度逐步降低（見圖3），在自來水中的最終黏度值最大，但總體黏度變化幅度不大，說明離子強(qiáng)度對玉米淀粉黏度特性影響較小。玉米淀粉的糊化溫度（93．7 ℃）高于三邊馬鈴薯淀粉（69．5 ℃）和新田源馬鈴薯淀粉（71．9 ℃）的糊化溫度，即馬鈴薯淀粉比玉米淀粉容易糊化。馬鈴薯淀粉的微結(jié)晶結(jié)構(gòu)具有弱的均一的結(jié)合力，玉米淀粉的微結(jié)晶結(jié)構(gòu)是弱力和強(qiáng)力兩種力結(jié)合，具有兩段膨脹的性質(zhì)，并且屬強(qiáng)力結(jié)合，需比馬鈴薯淀粉高10 ℃以上的溫度才能實(shí)現(xiàn)糊化［10］。此外，淀粉糊化的難易與淀粉的分子結(jié)構(gòu)和直鏈淀粉含量有直接關(guān)系，糊化的本質(zhì)是水分子進(jìn)入淀粉粒中使淀粉分子之間的氫鍵斷裂，破壞淀粉分子之間的締合狀態(tài)，一般顆粒大或結(jié)構(gòu)松散的淀粉比顆粒小、結(jié)構(gòu)緊密的淀粉易糊化，馬鈴薯淀粉顆粒較大，結(jié)構(gòu)較為松散，直鏈淀粉含量較低［11］，故比玉米淀粉易于糊化［12］。

7.1.3 Flood, mud-rock flow and countermeasures against them

目前最常用的淀粉糊化溫度測定方法有布拉本德黏度儀法和快速黏度儀法。Pérez等的測試［13］表明，用快速黏度儀法測定得到的糊化溫度都比布拉本德黏度儀法的測定值高。這是由于兩種方法采用的升／降溫速率以及攪拌速率都不同，而淀粉糊化受溫度和攪拌速率的影響都非常顯著［14］。本試驗(yàn)中淀粉糊化溫度由快速黏度儀法測定獲得，因而比采用布拉本德黏度儀法的測定值高。

2．3 pH 對馬鈴薯、玉米淀粉黏度特性的影響

在由0．01mol／L乙酸溶液和氫氧化鈉溶液配制的緩沖液中，隨著pH 值升高，三邊馬鈴薯淀粉黏度變化不大；新田源馬鈴薯淀粉黏度在pH 4．0～5．0有一定的波動，但pH 3．4和pH 6．0～11．0之間的黏度值相近，因此，總的趨勢為pH對馬鈴薯淀粉黏度的影響不大（見圖4、5）。而馬冰潔等［5］用強(qiáng)堿（氫氧化鈉）和強(qiáng)酸（鹽酸）配制pH 溶液，研究結(jié)果表明，在pH＜7時，隨著pH 值降低，馬鈴薯淀粉各點(diǎn)黏度值降低，pH≥7時，隨pH 值增加，馬鈴薯淀粉黏度增高。與本研究結(jié)果有所不同，這是由于所用pH 溶液的差異。在pH 3．4～11．0范圍內(nèi)，兩種馬鈴薯淀粉的糊化溫度變化不大，最終黏度都大于峰值黏度；但三邊馬鈴薯淀粉的衰減值大于新田源馬鈴薯淀粉的，而回生值則相反；說明兩種馬鈴薯淀粉的糊化難易程度相近，但三邊馬鈴薯淀粉的熱穩(wěn)定性較差，而凝膠性能較好。

圖4 pH 對三邊馬鈴薯淀粉黏度特性的影響Figure4 Effect of pH on pasting behaviors of Sanbian potato starch

圖5 pH 對新田源馬鈴薯淀粉黏度特性的影響Figure5 Effect of pH on pasting behaviors of Xintianyuan potato starch

由圖6可知，pH 由3．4升高至10．0時，玉米淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、衰減值的變化不大，pH 11．0時，玉米淀粉峰值黏度與pH 3．4～10．0相比略低，可能是由于pH 11．0時離子強(qiáng)度最大，對玉米淀粉黏度產(chǎn)生了影響。在pH 11．0時回生值與pH 3．4～10．0相比略高，說明此時玉米淀粉的凝膠強(qiáng)度最大。玉米淀粉在酸性條件下的衰減值略大于堿性條件下，這說明玉米淀粉在堿性條件下的黏度穩(wěn)定性比在酸性條件下的稍好。

2．4 NaCl對馬鈴薯、玉米淀粉黏度特性的影響

圖6 pH 對玉米淀粉黏度特性的影響Figure6 Effect of pH on pasting behaviors of corn starch

圖7 NaCl對三邊馬鈴薯淀粉黏度特性的影響Figure7 Effect of NaCl on pasting behaviors of Sanbian potato starch

圖8 NaCl對新田源馬鈴薯淀粉黏度特性的影響Figure8 Effect of NaCl on pasting behaviors of Xintianyuan potato starch

三邊、新田源馬鈴薯淀粉的峰值黏度隨NaCl濃度由0．5%增大至3．0%而逐漸升高，但所有值都比在蒸餾水中的低，谷值黏度和最終黏度也是如此（見圖7、8），即NaCl會使馬鈴薯淀粉的黏度降低，這是由于NaCl溶液的離子強(qiáng)度大于蒸餾水的且NaCl的相對分子質(zhì)量較水分子的大，其存在降低了體系的水分活度，影響了淀粉分子與水分子之間的相互作用［1］。不同NaCl濃度時，三邊馬鈴薯淀粉的衰減值相差不大；新田源馬鈴薯淀粉的衰減值比在蒸餾水中的低。呂振磊等的研究結(jié)果［1］表明，隨著NaCl濃度的逐漸增大，馬鈴薯淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、衰減值和回生值都顯著降低，與本試驗(yàn)結(jié)果的差異可能是由于本試驗(yàn)所用的NaCl為分析純，而該試驗(yàn)所用的NaCl為食品級，食品級試劑的純度低于分析純的；另外，兩個試驗(yàn)所使用的馬鈴薯淀粉乳濃度也存在差異，對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，因?yàn)榈矸廴闈舛炔煌瑫r，其黏度特性會有差別［1］。

玉米淀粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、衰減值和回生值隨著NaCl濃度的逐漸增大變化不大（見圖9），即NaCl的加入對玉米淀粉的黏度特性無明顯影響。而謝新華等的研究［6］表明：隨著NaCl濃度的增加，玉米淀粉的峰值黏度、衰減值、回生值和最終黏度都顯著降低。與本試驗(yàn)結(jié)果有所區(qū)別，因?yàn)樵撛囼?yàn)所用淀粉為從特定品種（豫單2001）玉米提取。淀粉品種不同，其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)存在差異［15］，兩個試驗(yàn)所使用的玉米淀粉乳濃度也存在差異。

圖9 NaCl對玉米淀粉黏度特性的影響Figure9 Effect of NaCl on pasting behaviors of corn starch

三邊、新田源馬鈴薯淀粉在NaCl溶液中的峰值黏度分別比在蒸餾水中的降低了23%～30%和50%～53%。在NaCl濃度為3%時，玉米淀粉的峰值黏度（463cP）比在蒸餾水中的（391cP）增加18%。不同濃度的NaCl溶液對馬鈴薯淀粉峰值黏度的影響比其對玉米淀粉的影響更顯著，這是因?yàn)轳R鈴薯淀粉的磷含量高于玉米淀粉的［16］，因而其黏度性質(zhì)更易受Na＋影響。

隨著NaCl濃度的增加，馬鈴薯淀粉、玉米淀粉的糊化溫度都升高，這是由于NaCl中的Na＋與淀粉中的羥基作用生成羥基鈉，導(dǎo)致淀粉糊化過程的活化能升高而引起糊化溫度升高［17］。Chiotelli等［17］研究表明：馬鈴薯淀粉的糊化溫度隨著NaCl濃度的增加而升高，當(dāng)NaCl濃度增加至7%時糊化溫度降低，本試驗(yàn)中NaCl的最高濃度為3%，未達(dá)到使糊化溫度降低的濃度，與該研究結(jié)果一致。此外，在對扁豆淀粉［18］、蕎麥 淀粉［19］、糜 子 淀 粉［20］的 相 關(guān) 研 究 中 也 有 相 似 的結(jié)論。

2．5 離子強(qiáng)度對馬鈴薯、玉米淀粉黏度特性的影響

在由0．01mol／L乙酸溶液和氫氧化鈉溶液配制的緩沖液中，隨著pH 值的增加，馬鈴薯淀粉的黏度變化不大，但都明顯低于在蒸餾水中的。這是由于pH 緩沖液的離子強(qiáng)度顯著高于蒸餾水的，說明與pH 值相比，離子強(qiáng)度對馬鈴薯淀粉黏度性質(zhì)的影響更重要，因此在研究pH 值對馬鈴薯淀粉黏度性質(zhì)影響時，應(yīng)同時分析離子強(qiáng)度的影響。pH 為6．0～11．0的緩沖液離子強(qiáng)度相近，馬鈴薯淀粉的黏度變化不大，說明離子強(qiáng)度一定時，pH 值對馬鈴薯淀粉的黏度無明顯影響。

蒸餾水、pH 7．0的緩沖液，以及0．5%的NaCl溶液，這3種不同體系的pH 值都在7左右，離子強(qiáng)度依次顯著增加，馬鈴薯淀粉在三種體系中的峰值黏度依次顯著降低；玉米淀粉在三種體系中的峰值黏度變化不大，即pH 一定時，隨離子強(qiáng)度的增加，馬鈴薯淀粉黏度特性的變化較大。再次說明離子強(qiáng)度對馬鈴薯淀粉黏度性質(zhì)的影響比pH 值對其的影響更重要，而且馬鈴薯淀粉比玉米淀粉對離子強(qiáng)度更敏感。

隨著NaCl濃度由0．5%升高至3%，溶液的離子強(qiáng)度顯著增加，但馬鈴薯淀粉的黏度變化幅度明顯小于離子強(qiáng)度的變化幅度，這說明離子強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)對馬鈴薯淀粉的黏度特性有顯著影響，超出該范圍后，影響就明顯減弱。

3 結(jié)論

（1）馬鈴薯淀粉在蒸餾水和純凈水中的黏度接近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其在自來水中的黏度。玉米淀粉在三種水中的黏度差異不大。說明在黏度性質(zhì)方面，水質(zhì)對馬鈴薯淀粉比對玉米淀粉更重要。

（2）pH 值對馬鈴薯淀粉的黏度特性無明顯的影響，而NaCl會降低馬鈴薯淀粉的黏度。pH 值和NaCl對玉米淀粉的黏度特性均無明顯影響。隨著NaCl濃度的增加，馬鈴薯淀粉和玉米淀粉的糊化溫度都升高。離子強(qiáng)度對馬鈴薯淀粉黏度性質(zhì)的影響比pH 值對其的影響更重要；馬鈴薯淀粉比玉米淀粉對離子強(qiáng)度更敏感。

（3）pH 一定時，隨離子強(qiáng)度的增加，馬鈴薯淀粉黏度的變化較大；離子強(qiáng)度一定時，隨pH 值增加，馬鈴薯淀粉的黏度無顯著變化。離子強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)對馬鈴薯淀粉的黏度特性有顯著影響，即增加離子強(qiáng)度可降低馬鈴薯淀粉的黏度；超出該范圍后，影響就明顯減弱。因此，在研究pH 值對馬鈴薯淀粉黏度性質(zhì)的影響時，應(yīng)同時分析離子強(qiáng)度的影響。

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