不同糊化度籼米淀粉的结构及理化性质研究

李江涛，周 巧，林亲录，杨琪琪，肖华西，杨 英，韩文芳

(稻米及副产物深加工国家工程研究中心;中南林业科技大学食品科学与工程学院，长沙 410004)

籼米是我国南方地区普遍种植和广泛食用的稻米品种。除日常煮饭，以早籼米为主要原料所制作的米粉(线)更是南方人所钟爱的米制主食食品[1]。此外，方便米饭、方便米粉(线)、速冻(保鲜)米发糕等便捷化食品以及糙米卷、米果等米制食品则是通过适宜的现代化加工技术实现了低值籼米的高值转化。

适中的淀粉糊化度是获得淀粉质食品期望质量(适口性、消化性等)的必要条件，在米制食品的制作尤其是大规模生产中，淀粉糊化度的测定和控制相当重要。对于米饭，淀粉糊化度大小直接反应其熟化程度[2]，一般认为米饭需糊化度大于85%才能具有米饭正常的口味和质地[3]。对于米粉(线)等需适度老化的米制品而言，糊化度过高会导致黏附性过大、延展性受损、成型较差，故需要含有部分未煮熟的淀粉颗粒以利于其质地的形成。但较低的糊化度不足以形成稳定的淀粉凝胶网络结构，蒸煮品质差，食用时会有夹生感[4,5]。对于方便米制品，淀粉的糊化度是影响其复水特性和感官品质的重要因素之一。一般糊化度越高，产品的组织结构更疏松，复水越快，食用品质越佳。对于休闲米制品，淀粉糊化程度直接影响着产品的品质，一般糊化度越高可具有更好的适口性和更高的消化率。当然，对于米茶等低水分米制食品，其淀粉所能达到糊化度通常较低[6]。

淀粉糊化过程中结构发生变化的程度是淀粉在食品加工和营养提供中所展现出所需功能特性的决定因素。目前，淀粉糊化度已经成为米饭、米粉、方便米制品、重组米等米制品加工过程中十分重要的质量控制指标，但国内外学者对不同糊化度籼米淀粉结构及理化性质所发生变化的研究尚且有限。

本研究以方便米饭、方便米粉、速冻米发糕及米粥等米制品加工中所涉及的低等程度糊化、中等程度糊化及完全糊化籼米淀粉为研究对象，分析了不同糊化度籼米淀粉的微观形貌、短程有序结构、层状结构、结晶结构、热特性和糊化性质的差异，以期探明处于不同糊化程度下籼米淀粉理化性质改变的结构本质，为米制品在加工过程中糊化度的控制以及籼米可作为预糊化淀粉原料可行性提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

洞庭春软米(籼米)；氢氧化钠、盐酸、溴化钾、碘、碘化钾、硫酸、无水碳酸钠，分析纯。

1.2 仪器与设备

JMS-30BX型胶体磨，L550型低速离心机，V1800型分光光度计，F05-4T型真空冷冻干燥机，RVA Super 4型快速黏度分析仪，SU8010型扫描电镜，IR Tracer-100型傅里叶红外光谱仪，SAXSess mc2型小角X射线散射仪，Empyrean锐影X射线衍射仪，DSC 2000型差示热量扫描仪。

1.3 方法

1.3.1 籼米淀粉的提取

参照文献[7]的方法提取籼米淀粉(indica rice starch, IRS)。

1.3.2 不同糊化度淀粉的制备

基于前期实验基础，选取不同的RVA加热程序制备糊化度分别为58%、80%、100%的籼米淀粉，依次命名为低等程度糊化淀粉(LDG)、中等程度糊化(MDG)及高度糊化(HDG)。不同糊化度籼米淀粉样品的制备实验重复5次并采用酶法进行糊化度的测定[8]。具体的样品制备方法：将3 g籼米淀粉与25 mL蒸馏水混匀于RVA专用圆筒铝盒中，以不同的RVA加热程序分别制备样品LDG、MDG和HDG。制备过程中，搅拌速率在0～10 s为960 r/min，其余时间保持在160 r/min。样品LDG的制备程序设置：首先在50 ℃保持60 s，然后于3.7 min内升至70 ℃并保持2 min，再于4.3 min内降至50 ℃并保持2 min。样品MDG的制备程序设置：首先在50 ℃保持60 s，然后于3.7 min内升至71 ℃并保持3 min，再于3.8 min内降至50 ℃并保持2 min。样品HDG的制备程序设置：首先在50 ℃保持60 s，然后于3.7 min内升至95 ℃并保持3 min，再于3.3 min内降至50 ℃并保持2 min。

待RVA所制备样品冷却至室温再经预冻后，采用真空冷冻干燥。冻干样品经碾磨过100目筛后保存于干燥器。

1.3.3 微观形貌的观察

取少量淀粉样品均匀置于导电胶上，进行离子溅射仪真空喷金，用扫描电子显微镜观察不同糊化度淀粉的微观形貌。测试加速电压为10 kV，放大倍数为5 000倍。

1.3.4 红外光谱的采集

精确称取2 mg淀粉样品与200 mg溴化钾于玛瑙研钵中充分研磨均匀，经压片后采用季寒一等[9]的方法进行红外光谱扫描。

1.3.5 层状结构的分析

采用SAXS分析不同糊化度淀粉中半结晶区和无定形区交替重复排列所形成的层状结构[10]。测试范围为0.1～25 nm-1，光子通量1013光子/s，波长λ=0.147 nm。通过Pilatus 1 M探测器(有效面积为169 mm×179 mm；像素为172 μm×172 μm)对样品的2D散射图样进行收集，并采用Scatter Brain软件获取0.001

1.3.6 结晶结构的表征

采用粉末衍射法对不同糊化度淀粉样品进行测试[9]，得到的X衍射图谱采用MDI Jade软件进行分析。淀粉的晶体结构主要由支链淀粉分支的外链经氢键所形成的双螺旋结构组成，相对结晶度能够反映淀粉糊的长程有序结构，其计算采用积分法[11]。

1.3.7 热特性的测定

精确称取3 mg样品置于专用坩埚，按照m样品∶m水=1∶3的比例加入重蒸水，压片密封后于室温平衡24 h。以空白坩埚为对照，采用DSC测定不同糊化度淀粉的热力学特性。扫描温度范围为10～100 ℃，升温速率10 ℃/min。其中，糊化起始温度(To)、峰值糊化温度(Tp)、糊化终止温度(Tc)、糊化焓(ΔH)等热特性参数采用仪器自带软件进行计算。

1.3.8 黏度特性的测定

精确称取3 g样品(含水量为12%)置于RVA专用圆筒铝盒，加入25 mL蒸馏水，混匀。采用升温—降温循环以测定淀粉的黏度特性，测试程序为：50 ℃保持1 min，于3.75 min内加热至95 ℃并保持3 min；再于3.75 min内降温至50 ℃并保持2.5 min。搅拌速率为0～10 s时为960 r/min，其余时间保持在160 r/min。采用仪器自带软件分析相关参数。

1.3.9 数据处理及分析

每个样品的各项指标均重复测定3次以上。实验数据用Excel、Origin进行数据处理与图表绘制，用SPSS19.0中的单因素对数据进行显著性差异分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同糊化度籼米淀粉的微观形貌

由图1可见，不同糊化度籼米淀粉的微观形貌存在明显差异，糊化程度越大，其颗粒形貌被破坏程度越大。IRS天然淀粉颗粒呈不规则多面体结构，表面平滑且棱角分明。LDG大部分颗粒因溶胀发生破损，出现多重褶皱，仅有少部分颗粒还能保持多边形结构，但表面变得粗糙。MDG大部分颗粒已因发生糊化而聚合黏连呈无定形团块状，但仍能观察到极少许形貌不再完整的颗粒结构。HDG的颗粒结构已被完全破坏并转变为无定形状态，其表面粗糙的状态则表明糊化所形成的热糊黏附性较大，冷却所形成的三维网状凝胶弹性可能不佳。

图1 不同糊化度籼米淀粉的微观形貌

籼米淀粉发生以上形貌特征的变化说明煮至半熟捞出待蒸的米粒(传统先煮后蒸工艺制作捞饭)、米茶、重组米[6]等低、中糊化度米制品可在后续加水加热的作用下吸水膨胀进一步糊化提高熟化程度。图1c的形貌特征表明米制品在糊化度为80%下直接食用可能会存在夹生感，从而也印证了为避免米饭、米粉等米制品夹生感存在所需糊化度应大于85%。

2.2 不同糊化度籼米淀粉的短程有序结构

淀粉红外光谱在1 200～800 cm-1区域出现的谱带主要反映C—C和C—O的伸缩振动以及C—H—O的弯曲振动，对淀粉的短程分子顺序变化敏感[12]。由图2可见，与IRS相比，不同糊化度籼米淀粉的红外光谱图中没有发生某个特征峰的消失或者出现新的吸收峰，说明糊化处理没有形成新的基团。LDG、MDG和HDG的吸收峰强度较IRS明显降低，且谱带都有所增宽，尤其是羟基的吸收峰明显向低波数方向移动。谱带增宽说明淀粉在加热糊化过程中，因淀粉分子与水分子以氢键结合发生水合作用导致其自身有序排列的结构遭到破坏，淀粉分子内部特定化学键的键能分布范围增大。糊化度越高，谱带增宽现象越明显，这表明淀粉分子的短程有序性随着糊化度的增加其被破坏程度增加[13]。

图2 不同糊化度籼米淀粉的红外图谱

2.3 不同糊化度籼米淀粉的层状结构

不同糊化度淀粉的SAXS散射图如图3所示，相关结构参数见表1。大米淀粉在0.697 nm-1处有一个较强的衍射峰，半结晶区片层厚度为9.014 nm。随着糊化度的增加，该散射峰明显弱化，片层厚度逐渐增加，表明籼米淀粉的半结晶层状结构的有序化程度会被加热糊化破坏[14]。HDG的散射峰完全消失，表明该样品淀粉颗粒中AP成簇侧链有序排列所形成的半结晶结构在95 ℃加热3 min的制备过程中被完全破坏，完全糊化导致淀粉分子链无序化，半结晶层状结构完全消失。由表1可知，所有样品的分形结构参数α均在-0.64～-1.68之间，表明天然籼米淀粉和不同糊化度籼米淀粉中的分形结构以质量分形结构为主，则其质量分形维数Dm=-α，淀粉经过糊化后其Dm值显著降低，且随着糊化度的增加，其Dm值降低越多，说明糊化会导致籼米淀粉颗粒中分子的规则排列逐渐受到破坏，淀粉分子排列的致密性因此不断降低[10,14]。

图3 不同糊化度籼米淀粉的小角X射线散射图谱

2.4 不同糊化度籼米淀粉的结晶特性

天然籼米淀粉和不同糊化度籼米淀粉的XRD图谱如图4所示。IRS的衍射峰出现在2θ为15°、17°、18°及23°附近，呈谷物淀粉典型的A型结晶[15]。

图4 不同糊化度籼米淀粉的XRD图谱

随着糊化度的升高，LDG、MDG的衍射峰强度明显下降，表明其结晶度降低、无定形程度增加。完全糊化HDG的结晶峰几乎完全消失，仅余20°的衍射峰，可归因于结晶直链淀粉-脂质复合物的存在，该复合物在约115～125 ℃时熔化[16,17]。这是因为淀粉在水热处理的糊化过程中，淀粉分子内和分子间的氢键被破坏被淀粉分子与水分子之间重新形成氢键取代，淀粉中双螺旋结构被破坏，导致晶体簇的松弛，晶格发生畸变而产生缺陷，最终部分晶体结构消失，有序排列的结晶结构向无定形态转变，结晶度下降。相对结晶度的计算结果(见表1)证实籼米淀粉随着糊化度的增加，其结晶度明显下降。

表1 不同糊化度籼米淀粉的晶层结构参数及结晶度

2.5 不同糊化度籼米淀粉的热特性

天然籼米淀粉和不同糊化度淀粉的热特性曲线如图5所示，在远高于天然籼米淀粉Tc的温度(95 ℃)下加热3 min所得到的HDG未检测到糊化峰，进一步证实该样品为完全糊化样品，其微晶结构已被完全破坏，双螺旋结构彻底解体。在低于天然籼米淀粉Tp的温度下所制得的LDG、MDG则属于未完全糊化的淀粉，再次加热其淀粉颗粒能够继续糊化。由表2可知，与IRS相比，部分糊化淀粉LDG、MDG的糊化温度范围(ΔT)变窄，说明样品中各种微晶结构的稳定性差异有所减小，即制备过程中部分微晶结构已被破坏从而提高了剩余微晶的均匀性。LDG、MDG的To显著增加则进一步表明籼米淀粉中不稳定的微晶在加热制备过程中已优先熔化，留下了具有更高熔化温度、更稳定的残留微晶[18]。而LDG、MDG有着较IRS更低的Tc、ΔH则可能与随着糊化程度的增加样品所剩余微晶的量有所减少有关[17]，该结果可由XRD所观察到的淀粉长程结构变化趋势得到证实。此外，LDG、MDG较IRS的Tp增加幅度较小则归因于未完全糊化淀粉中微晶结构量减少但所剩余的微晶稳定性相对更强。与制备时加热温度略低、加热时间稍短的LDG相比，MDG再次糊化所需的热量(ΔH)更低。该结果表明MDG在制备程序中其双螺旋结构和微晶结构被破坏的程度更大[18]，其所剩余有序排列的结晶结构相对更少，但需在更高的温度下熔融，表现出稍高的To、Tp。

表2 不同糊化度籼米淀粉的热特性参数

图5 不同糊化度籼米淀粉的热特性曲线

2.6 不同糊化度籼米淀粉的黏度特性

不同糊化度淀粉的RVA曲线如图6所示，RVA曲线反映的是淀粉悬浊液的体系黏度随温度的变化。由图6可见，完全糊化的HDG因微晶结构被完全破坏，在RVA曲线中表现出类似于预糊化淀粉的黏度性质，加水后仅经50 ℃保持1 min的分散和溶解即形成具有高黏度的溶液。在持续升温和高温保持阶段，随着搅拌剪切力的持续作用，淀粉分子链间作用力减弱，体系黏度迅速降低。随后，淀粉分子链在降温过程中重排引起黏度有所回升。尚余微晶结构的LDG、MDG表现出与天然籼米淀粉IRS相似的黏度曲线。相应的黏度参数见表3。

表3 不同糊化度淀粉的糊化黏度参数值

图6 不同糊化度籼米淀粉的RVA曲线

峰值黏度反映的是淀粉颗粒在晶体结构彻底破裂前的最大吸水膨胀能力。随着糊化度的增加，LDG、MDG的峰值黏度较IRS显著增加，可能归因于制备过程中淀粉颗粒微晶结构部分被破坏使得结构更为松散，再次加热时淀粉分子链更易溶出增强了与水分子的氢键结合。该结果与李云龙等[19]的研究结果存在差异，可能的原因是该文采用高温的挤压糊化来制备不同糊化度的苦荞全粉时，淀粉分子链受高温作用发生了降解。本研究中，LDG、MDG是以不含蛋白质等其他成分的籼米淀粉在低于糊化温度下制得，淀粉分子链无序化程度增加但尚未发生降解。但表3中崩解值的差异表明，随着糊化度的增加，淀粉分子在高温下发生分解使得淀粉糊体系的抗剪切能力减弱，即热糊稳定性变差。LDG、MDG较IRS更高的回升值表明部分糊化淀粉再次糊化后分子重新排列缔合形成结晶的趋势有所增加，这可能与热糊保持阶段淀粉分子降解溶出更多的直链淀粉在冷却过程中所发生的分子碰撞有关[5]。

3 结论

不同糊化度籼米淀粉在结构特性和热特性、黏度特性上表现出明显的差异。随着糊化度的增加，籼米淀粉表现出红外谱带变宽、SAXS散射峰弱化以及XRD衍射峰强度下降，这些变化表明随着糊化的进行，淀粉半结晶层状结构中分子排列的有序性逐渐被破坏，双螺旋结构逐渐解体。糊化度较大的籼米淀粉其热特性表现出较高的To、Tp和较低的ΔT和ΔH，表明其双螺旋结构和微晶结构被破坏的程度更大，且随着不稳定微晶的优先被熔化使其剩余微晶的均匀性和稳定性有所提高。完全糊化籼米淀粉的微晶结构被完全破坏，表现出类似于预糊化淀粉的黏度性质。在米制品加工中，针对不同米制品加工中所需糊化度会存在差异，如挤压重组米要求糊化度不易过高，方便米粉挤压糊化时糊化度不易超过80%，而速冻米发糕等产品则需要完全糊化才能达到较好品质。