蜡质玉米淀粉微晶的理化性质及其消化性研究*

李云云，卢未琴，高群玉

(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州，510640)

蜡质玉米淀粉微晶的理化性质及其消化性研究*

李云云，卢未琴，高群玉

(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州，510640)

以蜡质玉米淀粉为原料，在酸醇介质中制备淀粉微晶。对制得的不同水解率的蜡质玉米淀粉微晶进行了颗粒形貌、X射线衍射、DSC热稳定性分析，溶解度和消化性能的测定。结果表明:随着酸醇水解程度的增加，淀粉颗粒形貌逐渐呈片晶状，最终为碎片;淀粉颗粒的无定形区先被水解，结晶区后被水解，进而导致颗粒破裂;晶体形态仍为A型。与原淀粉相比，淀粉微晶的Tp和Tc均增大，糊化温度范围也有很大提高;不同水解率的淀粉微晶的热焓(△H)先减小后增大。淀粉微晶的溶解度随水解率的增加不断增大。酸醇水解蜡质玉米淀粉的水解率越高，其在in vitro模型中的消化产物也就越多，消化速度也越快。对于同一水解率的淀粉微晶，其消化速度随时间的延长先上升后下降。

蜡质玉米淀粉，淀粉微晶，消化性

淀粉是碳水化合物在绿色植物中的储藏形式，是一种可再生和生物降解的天然资源，在食品工业和其他各种实际应用中非常重要，其颗粒由2部分组成，即有序的结晶区和无序的无定形区(非结晶区)［1］。淀粉微晶是指具有较高结晶度的淀粉微晶束、片晶或其他晶形的聚集体［2］。通常所涉及到的如抗温和酸解淀粉(lintners)、凝沉的抗酶解淀粉(抗性淀粉RS3)、淀粉球晶和球粒、葡聚糖微晶、抗酶解糊精等都属于淀粉微晶的范畴。从晶体结构方面看，淀粉微晶是淀粉链之间按照某种方式紧密结合在一起的，由于淀粉链的长短不一样，所形成的晶格也很不完整，而且存在许多缺陷，因而许多微晶都是无一定的结晶形态。

Tako等［3］认为，在天然淀粉的微晶区域中，直链和支链淀粉共同形成了微晶结构。二者之间是以氢键紧密结合的。微晶区域多数是由支链淀粉形成的。如果用酸或酶将天然淀粉颗粒中的无定形区域除去，或者把淀粉链变短后进行结晶化或提高结晶度的处理，得到的就是淀粉微晶［4］。支链淀粉具有高度的结构有序性，没有随机卷曲的直链以及分支链都成簇排列，高分支的部分和无分支的部分交替，使得结晶区相邻的长链分子间形成平行排列的双螺旋结构，晶体结构更加致密。Zhang等［5－6］在研究报告中提到，淀粉的消化性能由结晶区域的分布和完整性决定，与淀粉分子形状、大小、表面细孔以及淀粉结晶度没有直接关联。

本文利用扫描电镜(SEM)、X-射线衍射、差示扫描量热仪(DSC)等现代分析手段，探索蜡质玉米淀粉微晶的理化性质，采用in vitro模型研究其消化性与水解率的关系，为淀粉微晶的生产和应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

蜡质玉米淀粉，食用级，通辽万顺达淀粉有限公司;麦芽糖，生化试剂，上海伯奥生物科技有限公司;猪胰α-淀粉酶，580U/mL，美国Sigma化学品公司;苯酚、葡萄糖、浓盐酸、体积分数95%乙醇、浓硫酸和碳酸氢钠均为分析纯。

TDA-5A型离心机，上海菲恰尔分析仪器有限公司;S3700型扫描电子显微镜，日本日立公司;D/Max2200VPC型 X衍射分析仪，日本理学公司;PerkinElmer DSC8000差示扫描量热仪(DSC)，美国珀金埃尔默仪器(上海)有限公司;SHA-CA摇床，常州澳华仪器有限公司;721型分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司;PHG-9140A型电热恒温干燥箱，上海申贤恒温设备厂;XA-1型微型高速粉碎机，江苏江堰市银河仪器厂。

1.2 试验方法

1.2.1 淀粉微晶制备

按照Lin［7］的方法制备淀粉微晶，一式3份。将25 g蜡质玉米淀粉分散到100 mL一定浓度的醇溶液中，添加一定量盐酸，在特定温度下反应一段时间。然后加入NaHCO3终止反应。在冰浴中冷却5 min，3 500 r/min离心5 min，将得到的淀粉沉淀用体积分数75%乙醇洗涤4次，于40℃烘箱干燥12 h，经粉碎，过筛。

1.2.2 水解率测定［8］

采用苯酚-硫酸法测定淀粉微晶的水解率。

1.2.3 扫描电子显微镜(SEM)分析

将待测淀粉样品置于105℃的烘箱中干燥4～5 h，然后放在干燥器中冷却，在红外灯下用双面胶将样品固定在样品台上，进行喷金处理。观测并拍摄具有代表性的淀粉颗粒形貌。

1.2.4 X-射线衍射测定

测试条件:Cu-Kα辐射，管压40 kV，管流30 mA，扫描速度 10 °/min，扫描范围 2θ:4～60 °，步长0.02°，Ni片滤波，波长为1.540 6 ×10－10m，发射及防反射狭缝1°，接受狭缝0.2 mm。

1.2.5 DSC分析

将淀粉样品配成质量数30%的淀粉乳，称取一定量的样品用DSC盘密封，平衡2 h，在25～120℃以10℃/min进行测定。

1.2.6 溶解度测定［9］

将1g淀粉(干基)溶于50 mL蒸馏水中，分别加热至65、75、85和 95℃ 并保持搅拌 0.5 h，然后以5 000 r/min离心15 min，倒出上清液，称量沉淀物的质量。将上清液在130℃下干燥，溶解度即为上清液干燥后淀粉质量与淀粉样品的干物质的质量之比，同一样品进行3次测定，取平均值。

式中:S，溶解度(%);m1，上清液蒸干恒重后的质量(g);m2，绝干样品质量(g)。

1.2.7 消化性能的测定

采用Jenkins［10］提出的in vitro消化模型模拟人体消化道，研究不同水解率淀粉微晶的消化性能，探索酸醇处理对淀粉消化性能的影响规律。

1.2.7.1 标准曲线的制作

称取1 g麦芽糖于1 000 mL容量甁中制得1 mg/mL母液。分别吸取 1、2、3、4、6和 10 mL于 100 mL 容量瓶中配制成标准浓度(10、20、30、40、60 和100 μg/mL)溶液，分别吸取2 mL于具塞试管中，加5%苯酚溶液1 mL，摇匀，再迅速加入浓硫酸5 mL，摇匀，置25～30℃水浴20 min，取出至室温，在波长490 nm处测定吸光度。以标准糖浓度(μg/mL)为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线(见图1)。

图1 麦芽糖溶液标准曲线

1.2.7.2 消化性测定

准确称量质量为m(g)的不同水解率淀粉微晶样品，加缓冲液混成均匀的淀粉乳，移入渗析管中，加缓冲液至总体积为20 mL。加5 mL 580 U/mL的猪胰α-淀粉酶，夹紧渗析管口，放入装有400 mL缓冲液的烧杯中，恒温水浴振荡(37℃，100 r/min)。每小时从烧杯中取2 mL稀释液于具塞试管中，共取7次，加5%苯酚溶液1 mL，摇匀，再迅速加入浓硫酸5 mL，摇匀，置于25～30℃水浴20 min，取出至室温，在波长490 nm处测定吸光度。以空白做对照。根据不同时间产生的水解糖含量计算消化速度。

其中:C，从标准曲线中算出的标准麦芽糖量(μg);D，渗析液稀释倍数;CHO，在in vitro模型整个体系中所产生的水解糖量(mg);425，在in vitro模型整个体系的溶液体积;S，每次从体系中取出的溶液体积;0.001，将微克换算成毫克的系数;W，以干基计的样品质量(g);H，反应时间(h)。

2 结果与分析

2.1 扫描电子显微镜结果分析

图2是蜡质玉米淀粉及其淀粉微晶的电镜扫描照片。由图2可以看出，蜡质玉米原淀粉颗粒一部分呈球形或椭圆形，表面光滑、平整，另一部分呈多角形、不规则形状，表面较粗糙、不平整;大多数不规则形状的淀粉颗粒表面出现裂缝，少数淀粉颗粒内部有孔洞;蜡质玉米原淀粉颗粒粒径大小不一，用扫描电子显微镜测得其粒径分布范围为 5～20 μm，平均粒径12 μm(图2-a)。经酸醇处理后，水解率2.00%的大部分淀粉颗粒的形状未发生明显变化，但是淀粉颗粒表面孔洞增多(图2-b)。水解率10.50%的淀粉颗粒形状发生明显变化，大多数为多角、不规则形状，且部分淀粉颗粒破裂成碎片并粘连在一起，淀粉颗粒之间出现粘连，表明当颗粒表面受到侵蚀时，表面上的部分淀粉链被舒展开来，当它们被重新干燥时就造成了颗粒之间链的相互缠绕和粘连(图2-c)。水解率16.44%的大部分淀粉颗粒塌陷，说明无定形结构位于颗粒内部，优先被水解(图2-d)。水解率27.24%的淀粉颗粒出现片晶，随着酸解程度的加深，淀粉颗粒逐渐变小，表明此时已经水解到微晶程度(图2-e)。水解率36.22%时淀粉颗粒被破坏成更分散而小的片晶，淀粉完全失去原来的球形外貌(图2-f)。图2-a～图2-f的变化趋势表明，无定形区首先发生水解，结晶区后被水解，进而导致颗粒破裂。水解率越高，淀粉颗粒被破坏的程度越明显。

图2 蜡质玉米原淀粉及酸醇处理淀粉的扫描电镜(SEM)照片(×1 000)

图3 蜡质玉米原淀粉及酸醇处理淀粉的X-射线衍射图

2.2 X-射线衍射结果分析

图3是不同水解率蜡质玉米淀粉的X-ray衍射图。从图3中可以看出，醇介质中酸水解蜡质玉米淀粉的X-ray衍射图与其原淀粉极其相似。在2θ为15°、17°、18°、23°左右分别有较强吸收峰，这说明它们的结晶型都为A型，在水解过程中蜡质玉米淀粉并没有发生晶型的转变。酸醇处理后的蜡质玉米淀粉在 2θ 为 15°、17°、18°和 23°的衍射峰和峰面积变化不太明显。由表1知，相对结晶度随水解率增加而增大。

2.3 DSC结果分析

图4为蜡质玉米原淀粉及其酸醇处理后淀粉微晶的DSC图谱，淀粉在加热过程中的热性质数据结果如表2所示。由表2可以得出结论，蜡质玉米原淀粉的热解峰值(Tp)为71.6℃，热焓(△H)为13.7 J/g。Tp反映了结晶热稳定性的大小，△H则体现了吸热量的多少，其值与结晶物质的量呈正比。比较表中数据发现，蜡质玉米淀粉微晶的Tp和Tc均高于相应的原淀粉。其中水解率27.24%的淀粉微晶的Tp值最大，此时的淀粉微晶结晶热稳定性最高。

表1 蜡质玉米原淀粉及醇介质中酸水解淀粉的结晶度

图4 蜡质玉米原淀粉及酸醇处理淀粉的DSC图

表2 蜡质玉米原淀粉及酸醇处理后淀粉的糊化温度和焓

淀粉颗粒中存在无定形区和结晶区，水解最初是在无定形区进行，然后会侵蚀到结晶区，随着无定型区和结晶区的水解，支叉结构减少，淀粉链可以重排为很长的双螺旋，随着结晶区水解不断增加，支叉点继续减少，将会生成更长的双螺旋。对于不同水解率的蜡质玉米淀粉微晶，由于开始时无定形区和结晶区水解速度大于双螺旋重新生成速率，而后则小于，因此淀粉微晶的△H先减小后增大。

与原淀粉相比，醇酸水解处理后，蜡质玉米淀粉微晶出现了较宽的糊化温度范围，这是因为产生了广泛分布的链长，糊化焓降低。

2.4 溶解度分析

表3为不同温度(65～95℃)下蜡质玉米淀粉的溶解度。酸醇处理后，蜡质玉米淀粉的溶解度显著增加，且同一水解率的淀粉，其溶解度均随温度升高而逐渐增加。说明水解率增大，溶解度增加。酸醇处理的淀粉具有高溶解度，经酸醇处理的蜡质玉米淀粉在水中加热时很容易就断裂。

表3 不同温度下蜡质玉米原淀粉及酸醇处理淀粉的溶解度

2.5 消化性分析

蜡质玉米淀粉及其微晶在不同时间内的消化产物的量如表4所示，其消化速度见图5。由表4可以发现，在in vitro消化体系中，随着反应时间的延长，所有淀粉微晶消化产物的量都增加，与原淀粉颗粒样品相同。

图5 蜡质玉米原淀粉及酸醇处理淀粉微晶的消化速度

猪胰α-淀粉酶属于内切型淀粉酶，其水解淀粉的重要步骤之一是被淀粉分子吸附，淀粉吸附酶的面积越大，就越容易被酶水解。经过酸醇处理的淀粉，其颗粒破裂并逐渐成片晶状，且水解率越高，其颗粒表面的结构被破坏得越厉害，颗粒表面积与表面活化能越大，使之更容易吸附猪胰α-淀粉酶，被酶水解，消化产物也不断增加。另一方面，经过酸醇处理后，淀粉大分子破碎成小分子，小分子碎裂为碎片，淀粉分子的亲水性增加，更容易在水中伸展开来，淀粉分子就更容易被猪胰α-淀粉酶水解，消化产物也就越多。

表4 蜡质玉米原淀粉及酸醇处理淀粉的消化产物

由图5可见，与原淀粉相比，蜡质玉米淀粉微晶的消化速度增大，除水解率36.22%的淀粉微晶外，其他淀粉微晶的消化速度随水解率的增加而升高，其中水解率27.24%的淀粉微晶在1h时的消化速度最快，达到203 mg/(g·h)。所有淀粉的消化速度呈先上升后下降的趋势，这是由于刚开始进行反应时，猪胰α-淀粉酶作用于已被盐酸处理所破坏的淀粉颗粒表面，使颗粒表面裂缝增加和扩大，淀粉与猪胰α-淀粉酶接触的面积增大，因此最初反应时，消化速度增加;随着反应时间的延长，玉米淀粉微晶结晶区开始暴露出来，而猪胰α-淀粉酶对淀粉结晶区的作用比对无定形区困难得多，而且随着消化不断进行，消化底物浓度逐渐变小，所以反应速度也就逐渐开始降低。

3 结论

本文以蜡质玉米淀粉为原料对乙醇溶剂中的酸水解制备淀粉微晶的理化性质进行了研究。结果表明，淀粉在乙醇溶剂中的酸水解过程是一个2阶段模型。淀粉颗粒的无定形区先被水解，然后结晶区被水解。随着酸醇水解程度的增加，淀粉颗粒形貌逐渐呈片晶状，最终为碎片。淀粉微晶的相对结晶度随水解率增加而增大，淀粉微晶与原淀粉一样都为A型。DSC分析结果显示蜡质玉米淀粉微晶的Tp和Tc均高于相应的原淀粉，其中水解率27.24%的淀粉微晶的Tp值最大，此时的淀粉微晶结晶热稳定性最高;淀粉微晶的糊化温度范围有很大提高;不同水解率的淀粉微晶的△H先减小后增大。淀粉微晶的溶解度随水解率的增加而不断增大;对于同一水解率的淀粉微晶，其溶解度随温度升高而逐渐增大。淀粉微晶的消化性能主要取决于水解率和消化时间，水解率增加，消化速度和消化产物均相应增加;随着消化时间的延长，其消化产物不断增加，但消化速度先升高后降低。

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The Study on Physicochemical Properties and Digestibility of Waxy Corn Starch Crystallite

Li Yun-yun ，Lu Wei-qin，Gao Qun-yu
(College of Light Industry and Food Sciences，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Waxy corn starch crystallite was prepared with acid-alcohol hydrolysis.For different hydrolysis rate of starch crystallites，the properties such as granule morphology，X-ray diffraction pattern，DSC thermostability，solubility and digestibility were studied.As the degree of acid-alcohol hydrolysis increased，starch granules gradually became lamellae and finally debris;the amorphous areas of the starch were first hydrolyzed，then defective crystal areas was hydrolyzed，and breakdown;They were A-typed starch.Compared with native starch，Tp and Tc value of starch crystallites were all raised.the range of gelatinization temperature of treated starch crystallines became larger，and gel enthalpy with different hydrolysis rate were decreased and then increased.The solubility gradually increased with increasing hydrolysis rate of starch crystallites.In vitro，the digestion products and rates increased with increasing hydrolysis rate.The digestion rates were increased first and then decreased for the same hydrolysis rate of starch crystallit.

waxy corn starch，starch crystallite，digestibility

硕士研究生(高群玉教授为通讯作者，E-mail:qygao@scut.edu.cn)。

*国家高技术发展计划资助项目(2007AA10Z309);广东省部产学研结合项目(2009B090300274)

2011－12－29，改回日期:2011－04－01