酸解時間對B型玉米微晶淀粉結構的影響

閆溢哲 ，馮琳琳，周亞萍，史苗苗，劉延奇 *

1. 鄭州輕工業大學食品與生物工程學院（鄭州 450002）；2. 食品生產與安全河南省協同創新中心（鄭州 450002）

淀粉是一類非常重要的碳水化合物，也是地球上大多數生物最重要的能量來源。世界上三大農作物分別是玉米、小麥和水稻，它們的種植為人類提供了源源不斷的淀粉來源。眾所周知，天然淀粉受自身特性影響在實際應用中受限極大，如其在冷水中難溶、高黏度、低透明度、易回生、脫水收縮等[1]。從天然淀粉的片層結構模型可以看出，其主要是由有序的結晶區域和無序的無定型區域構成。Tako等[2]認為，在天然淀粉的結晶區域中，直鏈淀粉和支鏈淀粉共同形成微晶結構，二者之間是以氫鍵緊密結合的。如果用酸或酶將天然淀粉顆粒中的無定型區域除去，或者把淀粉鏈變短后進行結晶化或提高結晶度的處理，得到的就是淀粉微晶[3-4]。微晶淀粉主要是指具有較高結晶度的淀粉微晶束，片晶或其他晶形的聚集體。其結晶區域多數是由支鏈淀粉形成，支鏈淀粉具有更高的有序性，結晶結構更加致密。微晶淀粉包括抗溫和酸解淀粉（Lintners）、回生的抗酶解淀粉（抗消化淀粉RS3），淀粉球晶和球粒、葡聚糖微晶、抗酶解糊精等。根據X-射線衍射圖譜，可將微晶淀粉分為A型、B型和C型。A型在15°、17°、18°、23°等處呈現明顯的衍射峰；B型在5.9°、17.1°、22.3°和24°處有明顯的衍射峰；C型由天然的C型或由A型（B型）轉化而得，衍射峰包括A型與B型的峰型。微晶淀粉的用途也很廣，可廣泛應用于醫藥、食品、化妝品、輕化工、農業等各個領域中。在食品工業中，微晶淀粉可作為食品添加劑，具有天然純凈、不影響色香味形的優點。微晶淀粉不僅可用于食品中，還具有生理保健作用、抗消化作用。因微晶淀粉有著很大的應用價值，故對微晶淀粉的制備及結構研究有著重要的意義[5]。

試驗以玉米淀粉為原料，通過酸解不同天數、重結晶等步驟制得B型微晶淀粉，隨后采用電子掃描顯微鏡（SEM）、X-射線衍射儀（XRD）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）、便攜式拉曼光譜儀對制備的酸解不同天數的B型玉米微晶淀粉的顆粒形貌、長程有序結構、短程有序結構及分子結構等進行分析研究，揭示酸解時間對玉米微晶淀粉結構的影響規律。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉（食品級，秦皇島驪驊淀粉有限公司）；無水乙醇（分析純，天津富宇精細化工有限公司）；濃HCl（分析級，開封市芳晶化學試劑有限公司）。

1.2 儀器與設備

Philips XL-3型掃描電子顯微鏡（日本日立公司）；Burker D8型X-射線衍射儀（德國布魯克公司；Vertex 70型紅外光譜掃描儀（德國布魯克公司）；Acton Spectra Pro 500 i拉曼光譜儀（英國雷尼紹貿易有限公司）；SHB-Ⅲ型循環水式多用真空泵（鄭州長城科工貿有限公司）；LG 10-24高速離心機（北京醫用離心機廠）；YP 6102電子天平（上海光正醫療儀器有限公司）；PHS-3 C型PH計（儀電科學儀器）。

1.3 方法

1.3.1 酸解淀粉制備

將2.2 mol/L的鹽酸水溶液和玉米淀粉（干基）配制成50.0 g/L的淀粉懸浮液，在35 ℃的恒溫箱中分別酸解1，2，3，4，5，6和7 d。反應完畢后抽濾，濾餅用去離子水洗滌多次，直至濾液pH為7。殘余的固體物質再用無水乙醇淋洗3次，收集濾餅，在空氣中晾干，得到不同酸解天數的酸解玉米淀粉[6-7]。

1.3.2 B型微晶淀粉的制備

取20.0 g酸解玉米淀粉，加入200 mL去離子水攪拌均勻，在電爐上加熱溶解后冷卻至室溫，在4 500 r/min下離心6 min。取上清液到塑料瓶內，放置冰箱內-18 ℃下結晶12 h。取出在室溫下融化至冰水混合物，先用冰水沖洗抽濾，再用無水乙醇沖洗抽濾3次，取出濾餅在室溫下晾干得到B-型微晶淀粉[8]。

1.3.3 B型微晶淀粉的掃描電鏡（SEM）觀察

將待測淀粉樣品置于105 ℃的烘箱中干燥4 h，分別剪取導電膠粘取2.0 mg樣品于載物臺上，噴鉑金進行導電處理，將載物臺放在掃描電鏡下觀察，放大不同倍數，選擇合適的區域進行拍攝，得到具有代表性的淀粉樣品顆粒形貌[9]。

1.3.4 B型微晶淀粉的X-射線衍射（XRD）測定

所有淀粉樣品測試前用飽和NaCl溶液平衡水分一周。取0.5 g待測淀粉樣品置于模具的圓形螺紋處，用光滑的玻璃片壓平。用Burker D8型X-射線衍射儀測定，所用波長為0.154 2 nm的單色Cu-Kα射線。測試條件為：管壓30 kV，管流20 mA，掃描速度4°/min，掃描區域5°～60°，采樣步寬0.04°，掃描方式為連續，重復次數為1。

樣品結晶度按照Nara等提出的方法進行計算[10]。

1.3.5 B型微晶淀粉的傅里葉紅外光譜（FT-IR）測定

測試中所需溴化鉀在測試前要在45 ℃的烘箱中干燥5 h。取一定量溴化鉀，研細后加入少量淀粉樣品（約為溴化鉀用量1/100），混合均勻后取少許加入壓片槽。用壓片機手動加壓約10下后，靜置1～2 min，取出，置于測樣的卡槽中，進行測試。測試條件為：掃描波數范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描時間64 s后得到樣品的紅外光譜圖[11]。使用OMNIC 8.2軟件分析所有FTIR測量數據，光譜數據在800～1 200 cm-1的范圍內去卷積并歸一化，峰寬38 cm-1，增強因子1.9。

1.3.6 B型微晶淀粉的拉曼光譜（Raman）分析

拉曼光譜是一種散射光譜，通過拉曼散射峰的強度、位置來反映分子振動或轉動，分析化合物分子中不同的官能團或化學鍵，以此獲取化學物中分子結構的信息[12]。取待測淀粉樣品置于離心管瓶蓋中，用光滑的玻璃壓片壓平，再用保鮮膜封住形成一個光滑平面，用便攜式拉曼光譜儀測定。測定條件為：積分時間8 000～10 000 ms，激光功率100，平均測量3次后的樣品圖譜結果[13]。

1.4 數據處理

試驗數據均重復3次，采用Excel整理數據，用IBM SPSS Statistics 22.0軟件程序Duncan檢驗法進行顯著性分析（p＜0.05），并以表示。均采用Origin 6.1軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 酸解天數對B型微晶淀粉形貌的影響

天然玉米淀粉和不同酸解天數B型微晶淀粉樣品的掃描電鏡圖片如圖1所示。玉米原淀粉顆粒形狀大部分呈多面體形，棱角圓滑，部分呈球形，顆粒的表面不光滑。酸解1 d的B型玉米微晶淀粉呈片狀。酸解2 d的淀粉樣品大部分也呈片狀，但有少許處于黏連的淀粉小顆粒聚集態存在。酸解3 d的淀粉樣品顆粒呈球形，顆粒形狀不夠圓滑，晶體之間大部分呈粘連狀態。4～5 d淀粉顆粒形狀基本都是球形，晶體之間有輕微黏連，淀粉顆粒明顯較大。酸解6 d的淀粉樣品顆粒形狀較為均勻、圓滑。酸解7 d的淀粉樣品顆粒外形變化最為顯著，淀粉球晶越來越均勻、圓滑，顆粒越來越小。

圖1 天然淀粉和B型微晶淀粉的掃描電子顯微鏡照片（1 000×）

2.2 酸解天數對B型微晶淀粉結晶結構的影響

圖2 天然淀粉和B型微晶淀粉的X射線衍射圖譜

天然玉米淀粉和不同酸解天數B型微晶淀粉樣品的X射線衍射圖譜如圖2所示。從圖2中可以看出，天然玉米淀粉特征峰是15.3°，17.1°和18.2°，是典型的A型結晶結構。經過酸解處理，轉化成微晶淀粉后，在2θ為5.6°，17.1°，22.3°和24.0°處顯示出B型淀粉的特征衍射峰。在22.3°和24.0°的雙峰不能忽略，這2個峰也是高結晶度B型淀粉的特征衍射峰[14]。天然玉米淀粉和B型微晶淀粉結構的晶型存在較大差異。用Nara等[10]提出的方法是將圖2中各衍射峰曲線進行處理，計算得出結晶區、無定型區面積和產品相對結晶度。隨著酸解時間增加，相對結晶度越來越高，這可能是因為原淀粉中含有大量的無定型區，但在酸解過程中這些區域被破壞，分子變得更加有序；隨后在重結晶過程中，有序的淀粉在熱水中加熱時變成無序的淀粉溶液，冷卻時無序的結構發生重組，再聚集成有序結構[15]。2種有序結構是不同的，在這個過程中，水分滲出，結晶度增加，B型微晶形成，結晶度增加，另外，隨著時間的增加，重結晶程度增加，結晶度相對也會增加。

2.3 酸解天數對B型微晶淀粉分子結構的影響

2.3.1 紅外光譜分析

天然玉米淀粉和不同酸解天數B型微晶淀粉樣品的紅外圖譜如圖3所示。從圖3（a）中可以看出，峰形沒有明顯變化，說明沒有明顯的新官能團生成。在3 380和2 934 cm-1處的特征峰分別歸因于O—H伸縮振動和葡萄糖單元的C—H變形振動[16]。在1 649 cm-1處峰與水的O—H的彎曲振動相關聯，與淀粉的無定形區域有關。在1 156 cm-1峰為糖苷鍵C—O—C伸縮振動的特征峰，在1 019和1 080 cm-1處的峰分別歸因于葡糖酐環C—O—H的彎曲振動[18]。在562 cm-1處相關區域屬于骨架模式振動。

除過能表征分子官能團外，紅外光譜也可以提供接近淀粉顆粒表面淀粉鏈的結構有序信息，淀粉的紅外光譜對雙螺旋有序結構比較敏感，與和長程結構相關的雙螺旋組成無關[17]。為了研究淀粉的短程分子排列順序，通過軟件獲得淀粉在1 200～800 cm-1范圍內去卷積紅外光譜，如圖3（b）所示。在1 047和1 022 cm-1處的紅外譜帶分別與淀粉的有序和無定形結構相關。淀粉的短程有序性與1 047和1 022 cm-1處的紅外光譜帶密切相關，可使用兩者吸光度比作為雙螺旋的短程有序性的參數[19-21]。結果表明，隨著酸解天數延長，其比值持續增加（表1），表明其短程有序性也在增強，這一觀察結果與XRD的結果基本一致。

圖3 天然淀粉和B型微晶淀粉的紅外圖譜

表1 FTIR，Raman測定結構特征

2.3.2 拉曼光譜分析

天然玉米淀粉和不同酸解天數B型微晶淀粉樣品的拉曼圖譜如圖4所示。在這些譜帶中，480和2 900 cm-1處的譜帶通常被用來表征天然淀粉顆粒的分子有序性或淀粉樣品在糊化或老化過程中分子有序性的變化[22]。在波長約480 cm-1處為C—C—O伸縮振動的特征峰，2 900 cm-1處的峰歸因于C—H的伸縮振動，865 cm-1處的譜帶歸屬于C—O—C的對稱伸縮振動，943 cm-1處特征峰為α-1, 4糖苷鍵的伸縮峰。在1 260 cm-1處的譜帶與CH2的C—H的彎曲振動相關[23-24]。玉米淀粉、B型微晶淀粉的拉曼光譜圖很相似，這說明酸解和重結晶并沒有生成新的其他官能團例如羰基等，但峰強度和尖銳程度有很大區別。酸解1 d時，B型淀粉強度顯著降低，這是因為短時間酸解后分子鏈長度大小不一，B型微晶結構極不完整，導致散射峰強度較低[28]。但隨著酸解時間增加，分子鏈長度趨于一致，B型結構結晶度增加，散射峰強度增加，半高峰寬降低。

半高峰寬（FWHH）廣泛用于表征淀粉樣品的結構變化[25]，譜帶變窄是更有序樣本中鍵能分布更窄的指標[26]。一般而言，隨著淀粉短程有序性的增加，淀粉樣品在480 cm-1處FWHH降低[27]。對于酸解1～7 d的B型微晶淀粉，在480 cm-1處譜帶的FWHH如表1所示。B型微晶淀粉的FWHH明顯小于原淀粉[28]，且隨著酸解天數增加逐漸變小，表明淀粉短程有序性也在持續增加。這些結果與XRD和FTIR所得結果基本一致。

圖4 天然淀粉和B型淀粉的拉曼圖譜

3 結論

通過不同天數的酸解及重結晶所得B型淀粉的顆粒形態、長程有序及短程有序結晶結構有顯著不同。與原淀粉相比，隨著酸解時間增加，微晶淀粉顆粒逐漸成為球形，淀粉球晶越來越均勻圓滑，顆粒越來越小；雖然淀粉樣品均呈現B型，但相對結晶度越來越高。淀粉分子除糖苷鍵破壞外，沒有新的官能團產生，且隨酸解天數增加短程有序性逐漸增強。因此，酸解是制備B型玉米微晶淀粉的關鍵步驟，決定著微晶淀粉的結構及性能。