劉文靜，李兆豐1，，顧正彪1，，洪雁，程力，李才明

1(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無 錫，214122)

玉米淀粉具有原料充足、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)一步加工成淀粉糖、酒精、有機(jī)酸等［1］。在傳統(tǒng)的淀粉糖生產(chǎn)工藝中，玉米淀粉乳濃度一般控制在30%左右，相對(duì)較低的淀粉濃度造成水耗和能耗明顯偏高［2］，另外，在抗生素、氨基酸等發(fā)酵工藝中，要求補(bǔ)加高濃度糖液(40%以上)，而傳統(tǒng)工藝所得到的糖液濃度達(dá)不到要求，往往需要進(jìn)一步濃縮，這些均不利于產(chǎn)品生產(chǎn)成本的控制和可持續(xù)發(fā)展的要求。為了解決上述問題，提高淀粉乳的初始濃度可能是最有效的途徑之一［3］。然而，隨著初始濃度的提高，在加熱糊化、液化過程中，淀粉糊的粘度會(huì)過大，很難攪拌與混合均勻，使輸送、加熱、冷卻、反應(yīng)等變得十分困難［4-5］，因此，降粘是實(shí)現(xiàn)高濃度玉米淀粉液化的關(guān)鍵。本文主要采用微波對(duì)玉米淀粉進(jìn)行預(yù)處理，考察其對(duì)高濃度玉米淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%液化的影響，并分析相關(guān)機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉(水分含量10.25%)，山東恒仁工貿(mào)有限公司提供;耐高溫 α-淀粉酶(酶活18 000 U/mL)，無錫杰能科生物工程有限公司提供。

MZG1500S型微波實(shí)驗(yàn)儀，南京江研微波系統(tǒng)工程有限公司;Viscograph-PT100型布拉班德粘度儀，德國(guó)Brabender公司;D8 Advance型 X射線衍射儀，德國(guó) Bruker公司;S3500型激光粒度分析儀，美國(guó)Microtrac公司;Pyris-1 DSC型差示掃描量熱儀，美國(guó)Perkin Elmer公司;QUANTA-200型掃描電子顯微鏡，英國(guó)Malvery公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 淀粉的微波預(yù)處理

將200 g玉米原淀粉放入1 000 mL燒杯中，敞口置于微波實(shí)驗(yàn)儀中照射一定時(shí)間，功率按4 W/g玉米淀粉計(jì)算，取出后冷卻至室溫。

1.2.2 淀粉液化過程中粘度的測(cè)定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%(以干基計(jì))的玉米淀粉乳400 g，調(diào)節(jié)pH值至6.0，60℃下保溫 15 min，加入耐高溫α-淀粉酶10 U/g干淀粉，攪拌均勻后倒入布拉班德粘度儀的測(cè)量杯中。測(cè)定程序?yàn)?以1.0℃/min的速率從 60℃升溫至 90℃，保溫 40 min，再以3.0℃/min的速率降溫至 50℃，保溫 1 min，轉(zhuǎn)速為75 r/min，得到黏度曲線。

1.2.3 淀粉液化過程中還原糖含量的測(cè)定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%(以干基計(jì))的玉米淀粉乳400 g，調(diào)節(jié)pH值至6.0，60℃下保溫 15 min，加入耐高溫α-淀粉酶10 U/g干淀粉，以1.0℃/min的速率升至90℃，保溫，并準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。定時(shí)取樣并滅酶，定容至一定體積，采用DNS法［6-7］測(cè)定還原糖含量。

1.2.4 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

將一定量的待測(cè)淀粉樣品置于雙面膠上，放入鍍金器中噴涂鉑/鈀合金，然后放入掃描電子顯微鏡中觀察，并拍攝具有代表性的樣品顆粒微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.5 粒度分布的測(cè)定

將適量淀粉樣品置于樣槽中，使用激光粒度分布儀干法測(cè)定其粒度分布［8］。

1.2.6 X-射線衍射分析

采用連續(xù)掃描法，掃描速率為2°(2θ)/min，掃描范圍4～36°，步長(zhǎng)為0.02，管壓管流分別是40 kV和40 mA。

1.2.7 糊化特性的測(cè)定

稱取一定量的淀粉樣品，加入去離子水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(以干基計(jì))的淀粉乳460 g，混合均勻后置于布拉班德粘度儀的測(cè)量杯中。測(cè)定程序?yàn)?以3.0℃/min的速率從30℃升溫至95℃，保溫30 min，再以3.0℃/min的速率降溫至50℃，保溫30 min，轉(zhuǎn)速為75 r/min，得到淀粉糊化特性曲線。

1.2.8 熱力學(xué)性質(zhì)測(cè)定

準(zhǔn)確稱取總質(zhì)量為6 mg的干淀粉樣品與蒸餾水［m(固形物)∶m(水)=1∶2］于 DSC 專用坩堝內(nèi)，密封后置于4℃冰箱中預(yù)平衡22 h。設(shè)定DSC程序?yàn)?恒定速率(10℃/min)從30℃升溫至90℃，以空的坩堝作為DSC曲線的對(duì)照。從DSC曲線分析相變起始溫度TO、相變高峰溫度TP、相變終了溫度TC、熱焓值ΔH。

2 結(jié)果與討論

2.1 微波預(yù)處理對(duì)高濃度玉米淀粉液化的影響

2.1.1 黏度

在加熱糊化過程中，玉米淀粉乳的黏度會(huì)明顯升高，加入液化酶可以明顯降低峰值黏度及峰值黏度持續(xù)時(shí)間［9］。由圖1可知，當(dāng)玉米淀粉濃度為40%時(shí)，在糊化、液化過程中峰值黏度達(dá)到約11 000(mPa·s)，很難攪拌與混合均勻;淀粉經(jīng)微波預(yù)處理后，40%玉米淀粉乳在糊化、液化過程中的黏度明顯低于對(duì)照，峰值黏度相比于對(duì)照降低了約35%，且高黏度持續(xù)時(shí)間明顯縮短。說明微波預(yù)處理導(dǎo)致玉米淀粉液化速率加快，糊化過程中較低的黏度為實(shí)現(xiàn)高濃度玉米淀粉的液化創(chuàng)造了更好的條件。

圖1 玉米淀粉乳液化過程黏度變化曲線Fig.1 Viscosity curves of corn starch during liquefaction

2.1.2 還原糖含量

α-淀粉酶屬內(nèi)切型淀粉酶，作用于淀粉分子內(nèi)部切開α-1，4糖苷鍵，使淀粉分子迅速降解，水解產(chǎn)物的還原力增加［10］。由圖2可以看出，經(jīng)微波預(yù)處理后，在相同反應(yīng)條件下，40%玉米淀粉乳液化過程中還原糖含量明顯高于對(duì)照。在反應(yīng)時(shí)間為0.5、1.0、1.5 h時(shí)，其還原糖含量分別高于對(duì)照 90%、40%、25%。同樣說明微波預(yù)處理加快了玉米淀粉的液化，而且在酶反應(yīng)前期更加明顯。

圖2 耐高溫α-淀粉酶水解過程中還原糖含量Fig.2 Reducing sugar content during starch liquefaction by thermostable α-amylase

2.2 機(jī)理分析

2.2.1 微波預(yù)處理對(duì)玉米淀粉顆粒形態(tài)的影響

由圖3可知，經(jīng)微波預(yù)處理后，淀粉顆粒表面變得粗糙，出現(xiàn)很多空洞，部分顆粒表面呈現(xiàn)凹陷。可能原因是:在微波輻射過程中，淀粉顆粒內(nèi)部產(chǎn)生的熱量使表面受到由內(nèi)到外的作用力，沖破顆粒表面的束縛，形成小孔［11］。淀粉顆粒表面結(jié)構(gòu)的變化，增加了顆粒的比表面積，導(dǎo)致α-淀粉酶更容易與其接觸，而且，孔洞的出現(xiàn)使酶容易進(jìn)入顆粒內(nèi)部，因此，在升溫糊化、液化過程中，α-淀粉酶對(duì)未完全膨脹的淀粉顆粒的降解作用更加明顯，導(dǎo)致反應(yīng)體系的黏度相對(duì)較低。

2.2.2 微波預(yù)處理對(duì)玉米淀粉顆粒粒度的影響

玉米淀粉顆粒粒度分布呈單峰狀且分布范圍較窄，通常采用中位徑D50表示其平均粒徑。中位徑D50是分布曲線中累積分布為50%時(shí)最大顆粒的等效直徑［8］。從表1中可看出，經(jīng)微波處理后，玉米淀粉平均粒徑稍大于原淀粉，在大粒度范圍內(nèi)分布比例高于原淀粉，而在最小粒度范圍內(nèi)的分布比例相比原淀粉明顯降低。可能原因是:在微波輻射過程中，淀粉顆粒內(nèi)部的結(jié)合水在短時(shí)間內(nèi)受熱蒸發(fā)［12］，內(nèi)部所形成的壓力使淀粉顆粒有所膨脹，結(jié)構(gòu)變得疏松。相對(duì)松散的結(jié)構(gòu)使玉米淀粉顆粒更容易被α-淀粉酶所作用。

圖3 玉米淀粉微波處理前后的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM picture of native and microwave-treated corn starch

表1 微波處理前后玉米淀粉粒度分布值Table 1 Granule size distribution of native and microwave-treated corn starch

2.2.3 微波預(yù)處理對(duì)玉米淀粉顆粒結(jié)晶度的影響

淀粉顆粒的天然結(jié)晶結(jié)構(gòu)對(duì)酶作用有較強(qiáng)的抵抗力。由圖 4可知，玉米淀粉顆粒在 2θ為 15.3°、17.1°、18.2°和 23.5°時(shí)具有強(qiáng)的吸收峰，為谷物類淀粉常見的A型結(jié)晶;微波處理未改變淀粉的晶型，仍然是A型。采用MDI Jade 5.0軟件對(duì)XRD圖譜進(jìn)行分析，得到原淀粉的結(jié)晶度為33.0%;經(jīng)微波預(yù)處理后，淀粉的結(jié)晶度降低至26.7%，淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)約19%被破壞，說明部分淀粉分子排列的有序性下降，因此，淀粉顆粒對(duì)酶的抵抗作用減弱，導(dǎo)致淀粉糊化過程中的酶解速率加快。

圖4 玉米淀粉微波預(yù)處理前后的X射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction patterns of corn starch

2.2.4 微波預(yù)處理對(duì)玉米淀粉糊化特性的影響

根據(jù)Brabender黏度曲線的形狀，可將其分為A、B、C和D型［13］，由圖 5可看出，微波處理沒有改變玉米淀粉黏度特性曲線的形狀，仍為A型，但處理后玉米淀粉糊的黏度(峰值黏度、95℃黏度、95℃保溫0.5 h的黏度、50℃黏度、50℃保溫0.5 h后的黏度)有一定程度的降低。Lewandowicz等在研究微波對(duì)木薯和馬鈴薯淀粉性質(zhì)的影響時(shí)也得到同樣的結(jié)論［14］。微波產(chǎn)生的熱可能使淀粉鏈發(fā)生降解，部分淀粉分子鏈變短，導(dǎo)致糊化過程中的黏度相對(duì)較低，從而有助于淀粉的液化。

圖5 6%玉米淀粉乳的Brabender黏度曲線Fig.5 Brabender viscosity curves of 6%corn starch

2.2.5 微波預(yù)處理對(duì)玉米淀粉熱力學(xué)性質(zhì)的影響

差示掃描量熱儀(DSC)可以用來分析淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)。微波處理前后玉米淀粉的糊化起始溫度TO、峰值溫度TP和終止溫度TC以及相變過程中的糊化熱焓值ΔH，如表2所示。微波處理后玉米淀粉的TO、TP和ΔH值降低，而TC值升高。TC-TO反應(yīng)了淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)晶體的多樣化程度，值越大，異種化程度越高［15］。

微波處理后的玉米淀粉TC-TO值增加了5.45℃，表明在微波處理過程中有新的不同穩(wěn)定性結(jié)晶體出現(xiàn)，有利于在升溫過程中酶將其逐步降解。Cooke等［16］的研究指出，糊化焓ΔH主要反應(yīng)的是淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)的消失而不是結(jié)晶結(jié)構(gòu)。微波處理后淀粉的ΔH降低，表明微波處理使部分淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，有助于淀粉的糊化、液化。

表2 微波處理前后玉米淀粉的DSC參數(shù)值Table 2 Thermal properties of native and microwave-treated starch corn starch by differential scanning calorimetry

3 結(jié)論

微波預(yù)處理增強(qiáng)了玉米淀粉對(duì)酶的敏感性。經(jīng)微波預(yù)處理后，高濃度玉米淀粉在糊化、液化過程中的黏度低于對(duì)照，而還原糖含量明顯高于對(duì)照，為高濃度玉米淀粉的液化創(chuàng)造了更好的條件。其主要機(jī)理可能是:微波處理使玉米淀粉顆粒表面變得粗糙，且出現(xiàn)孔洞，增加了顆粒的比表面積，同時(shí)顆粒結(jié)構(gòu)變得疏松，結(jié)晶度下降，導(dǎo)致在升溫糊化過程中酶對(duì)淀粉顆粒的降解作用更加明顯;另外，微波處理也可能使部分淀粉鏈發(fā)生了一定程度的降解。

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