蔡沙++何建軍++徐瑾++施建斌++陳學玲++關健

摘要：以不同類型的大米為原料，采用堿提法制備大米淀粉，分析了大米和大米淀粉的成分以及大米淀粉的物化特性。結果表明，粳米中蛋白質(zhì)及Ca含量最高，分別為7.51%和98.80 mg/kg，糯米中淀粉及Fe含量最高，分別為74.77%和14.00 mg/kg；糯米淀粉的水溶性蛋白質(zhì)含量和透光率較高，分別為10.74 μg/g、48.60%，而直鏈淀粉含量及碘藍值較低，僅為1.50%和0.05；3種淀粉平均粒徑均為5 μm左右，平均聚合度在53左右；大米淀粉糊化后的黏度隨著剪切應力的增大表現(xiàn)出假塑性流體的特征，不同類型淀粉黏彈性大小順序為粳米淀粉>秈米淀粉>糯米淀粉；秈米淀粉的糊化和回生的To、Tp和Tc值最大，回生后，大米淀粉TO、Tc、TP以及ΔH值明顯降低，重結晶的晶形完整程度不如原晶體，熱穩(wěn)定性也比原晶體差。

關鍵詞：大米淀粉；物化特性；流變特性

中圖分類號：TS232 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）22-5897-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.22.043

Study on the Physicochemical Properties from Different Types of Rice Starches

CAI Sha1，HE Jian-jun1，XU Jin2，SHI Jian-bin1，CHEN Xue-ling1，

GUAN Jian1，CAI Fang1，BAO Gang3，LI Jun-yu3，MEI Xin1

（1.Institute of Processing of Agricultural Produce and Nuclear-Agricultural Technology，Hubei Academy of Agricultural Science，Wuhan 430064， China；2.Wuhan Institute of Design and Science， Wuhan 430205， China；3.Wuhan Sixth Granary， Wuhan 430065，China）

Abstract： Rice starches were prepared by alkaline extraction method from different types of rice， the composition of rice and rice starches， the physicochemical properties of rice starches were investigated. The results showed that， Japonica rice had the highest protein and Calcium ion content， achieved 7.51% and 98.80 mg/kg respectively， while glutinous rice had the highest starch and iron content， achieved 74.77% and 14.00 mg/kg respectively. The water soluble protein content and transmittance in Japonica rice starch were higher as 10.74% and 48.60% respectively， while the amylose content and iodine blue value were lower， only 1.5% and 0.05. The mean particle size of three rice starches were about 5 μm， and the mean degree of polymerization were 53 around. The viscosity of rice starch after gelatinization showed the characteristic of pseudoplastic fluid with increase of shear stress， and the viscoelasticity of different types of starches were in order as japonica rice>indica rice>glutinous rice. The indica rice starch had the highest value of To， Tp and Tc during the process of gelatinization and retrogradation. After the retrogradation， the value of To， Tc， Tp and ΔH obviously reduced， and the shape of rice starch crystal descended in degree of integrity， and thermal stability got worse.

Key words： rice starch； physicochemical properties； rheological property

大米是世界半數(shù)以上人口的主要糧食，也是中國的重要農(nóng)產(chǎn)品。近幾年來，中國稻谷年產(chǎn)量連續(xù)穩(wěn)定在1.8～2.0億t，占全國糧食總產(chǎn)量的40%[1-3]。大米中含碳水化合物75%左右，蛋白質(zhì)7%～8%，所含的蛋白質(zhì)主要是米谷蛋白質(zhì)，其次是米膠蛋白質(zhì)和球蛋白質(zhì)，其蛋白質(zhì)的生物價和氨基酸的構成比例都比小麥、大麥、小米、玉米等谷類作物高，消化率介于66.8%～83.1%，也是谷類蛋白質(zhì)中較高的一種，因此，大米具有很高的營養(yǎng)價值。

大米大致可分為秈米、粳米和糯米3種類型。不同類型的大米淀粉物化特性和流變特性存在一定的差異。大米淀粉的碘藍值、酶解力與淀粉直鏈和支鏈的比例、分子量大小、顆粒的結構等有著密切的關系，這些差異導致在糊化升溫的過程中直鏈淀粉溶出的難易程度不同，在冷卻過程中淀粉分子重新締合形成凝膠的能力不同，在糊化曲線上反映出不同的特性[4-6]。梁麗松等[7]在研究板栗的品種、粒徑和糊化特性等的相關性時發(fā)現(xiàn)，板栗的直鏈淀粉含量和糊化峰值黏度可以作為衡量板栗糯性品質(zhì)的指標。丁文平等[8]對8種大米淀粉的回生特性進行研究時發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉通過參與支鏈淀粉晶核的形成來影響支鏈淀粉的重結晶過程，但不參與支鏈淀粉后期晶體的生長和穩(wěn)定。

本研究以3種不同類型大米為原料，測定大米中各成分的含量，并采用堿法得到高純度大米淀粉，對大米淀粉進行理化指標的測試，比較它們在碘藍值、透明度上的差異，利用旋轉(zhuǎn)流變儀和DSC等測定其流變特性和糊化特性，研究大米淀粉碘藍值對糊化過程中糊化溫度、峰值黏度、最低黏度等參數(shù)的影響，為探尋大米淀粉糊化、老化的機理，抑制和利用大米淀粉糊化、老化特性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

粳米、秈米、糯米為市售（湖北）。MJ33型快速水分測定儀，瑞士梅特勒-托利多梅特勒公司；2300型全自動凱氏定氮儀，瑞典Foss公司；DSC200F3型差示量熱掃描儀，德國耐馳科學儀器公司；FEI Quanta 200型掃描電鏡，荷蘭FEI公司；ICP6300型全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，美國Thermo Jarrell公司；2 800 UV/VIS型紫外可見分光光度計，尤尼柯上海儀器有限公司；RU-200B/D/MAX-RB型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀，日本理學株式會社；Mastersizer2000型馬爾文粒度儀，英國馬爾文儀器有限公司； Haake RheoStress 6000型旋轉(zhuǎn)流變儀，Thermo Fisher Scientific公司。

1.2 方法

1.2.1 大米中各成分的測定 大米粉中水分、灰分、蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、礦物質(zhì)元素含量分別按照標準GB/T 5009.3-2010、GB/T 5009.4-2010、GB/T 5009.5-2010、GB/T 5512.6-2008、GB/T 5009.9-2003、DB 53/T 288-2009進行測定。大米淀粉中水溶性蛋白質(zhì)的測定參照史俊麗[1]的方法。配制2%的淀粉乳，攪拌30 min后于3 000 r/min離心20 min，取0.5 mL上清液加5 mL考馬斯亮藍，振蕩均勻，2 min后于595 nm波長處測定吸光度。以牛血清蛋白質(zhì)為樣品制作標準曲線，得標準曲線方程為：y=0.005 7x+0.078 8（R2=0.993 3）。大米淀粉中直鏈淀粉含量的測定采用GB/T15683-2008的方法。

1.2.2 大米淀粉堿提工藝 大米清洗后，按1∶5的比例于蒸餾水中浸泡24 h，打漿，離心，棄上清液。收集沉淀并將之與0.2%的NaOH溶液以1∶5的比例混勻，于37 ℃下低速振蕩反應24 h，反應液于5 000 r/min離心10 min，收集沉淀，反復水洗，室溫下離心（5 000 r/min，10 min）棄去上清液，沉淀多次水洗至上清液為中性，沉淀冷凍干燥后粉碎過200目篩，即得大米淀粉。

1.2.3 大米淀粉透明度、碘藍值測定

1）大米淀粉透明度的測定。配制0.2%的淀粉乳，在沸水浴中攪拌加熱30 min，冷卻至室溫，振蕩均勻，以蒸餾水作空白，用分光光度計于620 nm波長下測定透光率。

2）大米淀粉中碘藍值的測定。取0.25 g淀粉，用1 mL無水乙醇潤濕，加入10 mL 0.5 mol/L的KOH溶液，在沸水浴中振蕩至樣品完全分散溶解，冷卻后定容至50 mL。取0.5 mL樣液加入10 mL蒸餾水，調(diào)節(jié)pH至3.0，加入0.5 mL碘試劑，用蒸餾水定容至100 mL，靜置15 min后用分光光度計于620 nm波長下比色。

空白對照蒸餾水中加入0.5 mL 0.1 mol/L的HCl和0.5 mL碘試劑后定容至100 mL。

1.2.4 大米淀粉結構特性

1）大米淀粉粒徑分布。采用Mastersizer 2000粒徑分布儀測定，將一定量的樣品加入到水中，在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的條件下測定，得粒徑分布圖。

2）大米淀粉的顆粒形態(tài)。采用Quanta-200掃描電子顯微鏡觀察淀粉的表面形態(tài)。將噴金的樣品放于薄層雙面膠上再進行真空鍍膜，放大倍數(shù)為5 000倍。

3）大米淀粉平均聚合度的測定。采用還原末端法測定大米淀粉的平均聚合度。稱取400 mg淀粉樣品，溶解于2 mol/L的KOH溶液中，充分溶解，再用HCl調(diào)pH至中性，定容至100 mL。取1 mL溶液用3，5-二硝基水楊酸法測還原末端的數(shù)量，得到數(shù)據(jù)GR（以葡萄糖的量表示）。

平均聚合度=■

式中，W為淀粉樣品的質(zhì)量400 mg；1.1為淀粉換算成葡萄糖的系數(shù)；V為定容的體積100 mL。

4）X-射線衍射掃描。特征射線CuKα，管壓40 kV，電流50 mA，掃描區(qū)域2θ（3～60°），掃描速度 10 °/min，射線波長λ=1.540 6？魡。

參照史俊麗[1]的方法計算相對強度、面間距、結晶度。相對強度I=2θ的衍射強度/最大衍射強度；面間距d（？魡）=λ/2sinθ；結晶度Wx=結晶區(qū)面積重量/（結晶區(qū)面積重量+非結晶區(qū)面積重量）。

1.2.5 大米淀粉流變特性的研究

1）大米淀粉黏彈性的測定。準確稱取0.964 g淀粉，加入10 mL蒸餾水，配成8.8%的淀粉乳。將淀粉乳脫氣后置于旋轉(zhuǎn)流變儀測試平臺。測定選用60 mm、1°的錐板，設置間隙為0.05 mm，剪切速率200 s-1，溫度變化程序為：50 ℃保持1 min；以12 ℃/min的速度上升到95 ℃；95 ℃保持2.5 min；以12 ℃/min下降到50 ℃；50 ℃保持1 min。

將流變儀溫度設為65 ℃，對糊化后的大米淀粉凝膠進行黏彈性掃描，范圍為0.1～100 Pa，頻率控制在1 Hz。

2）大米淀粉黏度的測定。由上述試驗得出大米淀粉的線性黏彈區(qū)間在0.1～10 Pa，對糊化后的大米淀粉凝膠進行黏度測定，在穩(wěn)態(tài)剪切模式下，夾具仍使用60 mm、1°的錐板，設置間隙為0.05 mm，溫度保持在65 ℃。

1.2.6 大米淀粉的熱特性分析 稱取3 mg淀粉樣品于杜邦液體坩堝中，按1∶2的比例（W/W）加入去離子水，密封后隔夜放置平衡。用DSC分析大米淀粉糊化的熱特性，程序如下：25 ℃保持1 min，以10 ℃/min的速率升至95 ℃，再以10 ℃/min的速率降至25 ℃；經(jīng)DSC糊化后的樣品在4 ℃下存放4 d和7 d以后再重新用DSC進行回生熱特性的測定，測定程序同糊化熱特性的測定。

利用DPS7.05軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)均以均值±標準差（mean±SD）表示，顯著水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 不同類型大米主要成分含量

不同類型大米主要成分含量如表1所示，3種大米中水分和脂肪的含量相差不大，無顯著性差異（P<0.05）。糯米中灰分含量顯著高于粳米和秈米（P<0.05），達到1.44%。粳米和秈米中蛋白質(zhì)含量顯著高于糯米（P<0.05），而糯米中淀粉含量最高，為74.77%。所測定5種礦物元素中，大米中K含量最高，Ca次之，Zn、Mn、Fe含量較為相近，其中秈米中K含量高達680.00 mg/kg，粳米中Ca含量亦達到98.80 mg/kg。由表1可知，不同類型大米淀粉中水溶蛋白質(zhì)、直鏈淀粉含量均存在顯著性差異（P<0.05），糯米淀粉中水溶性蛋白質(zhì)含量最高，達10.74 μg/g，粳米中水溶性蛋白質(zhì)含量最低，僅為3.19 μg/g；秈米淀粉中直鏈淀粉含量最高，達23.90%，糯米淀粉中直鏈淀粉含量最低，僅為1.50%。

2.2 不同類型大米淀粉透明度、碘藍值

不同類型大米淀粉中淀粉透明度和碘藍值如表2所示。從表2中可以看出，不同類型大米淀粉中淀粉透光率和碘藍值均存在顯著性（P<0.05）差異。糯米淀粉透光率最高，達48.60%，粳米淀粉透光率最低，僅為43.80%；秈米淀粉碘藍值最大，達0.67，糯米淀粉碘藍值最小，僅有0.05。碘藍值可間接表示淀粉中直鏈淀粉含量，碘藍值越大，直鏈淀粉含量越高。

2.3 大米淀粉結構特性

2.3.1 大米淀粉粒徑分布 圖1為3種大米淀粉的粒徑分布情況，3種大米淀粉的平均粒徑分別為粳米5.40 μm，秈米5.36 μm，糯米5.06 μm。由圖1可知，大米淀粉粒徑絕大部分在15 μm以內(nèi)，且3種大米淀粉均有兩個粒徑分布峰，糯米淀粉粒徑較小峰分布范圍為0.5～2.0 μm，峰值粒徑約為1.50 μm，較大峰分布范圍為2.0～15 μm，峰值粒徑為約為6.5 μm；粳米和秈米粒徑分布基本一致，較小峰分布范圍為0.5～2.5 μm，峰值粒徑約為1.50 μm，較大峰分布范圍為2.5～15.0 μm，峰值粒徑約為8.0 μm，位于粒徑小峰區(qū)間內(nèi)大米淀粉占總量的18%。李玥等[9]亦對大米淀粉粒徑進行探討，其研究結果相似，大米淀粉的顆粒粒徑絕大部分在10 μm以內(nèi)，并呈現(xiàn)兩個粒徑分布峰；第一個粒徑分布峰平均粒徑為1.25 μm，所占的百分比為20%左右；第二個粒徑分布峰的平均粒徑為4.5～5.6 μm，所占的百分比為80%左右。

2.3.2 大米淀粉電鏡掃描情況 不同類型大米淀粉電鏡掃描如圖2所示。從圖2中可以看出，大米淀粉顆粒均呈現(xiàn)多邊形，3種類型大米淀粉中部分淀粉顆粒均呈現(xiàn)不同程度的破損。

2.3.3 大米淀粉平均聚合度 聚合度（DP）是衡量高分子化合物相對分子質(zhì)量大小的重要指標，分子聚合度越大，分子鏈越長。由表3可知，粳米、秈米、糯米淀粉的DP值分別為79.62、68.84、78.36，秈米淀粉的DP值和其他兩種淀粉存在顯著性差異（P<0.05）。與陳磊[10]所測定的結果相比偏小，其所測的大米淀粉的平均聚合度為183，淀粉熱處理后的平均聚合度為175，不同用量的普魯蘭酶脫支處理8 h，樣品的平均聚合度隨著酶用量的增加而下降，平均聚合度為48.80～66.75。這主要是因為制備大米淀粉的方法不同，陳磊采用的是酶法制備大米淀粉，而本研究采用的是堿提法制備，同時大米的品種上也存在著一些區(qū)別，因此制備的大米淀粉在結構和性質(zhì)上存在著不同。

2.3.4 大米淀粉的X-衍射射線圖譜 由圖3和表4可知，3種大米淀粉的特征衍射峰都是由4個峰組成，在2θ分別在15.00、16.90、17.80、22.80°附近有特征衍射峰，與余世峰[11]所報道的大米淀粉為典型的A型圖譜且2θ在15、17、18°和23°基本一致。3種大米淀粉的結晶度不同，其中糯米淀粉>粳米淀粉>秈米淀粉，這可能是與直鏈/支鏈淀粉比例有關[12]。從圖3還可以看出，糯米淀粉中的衍射峰較為尖銳，這是因為淀粉的微結晶結構主要是由支鏈淀粉分子外鏈平行排列，通過相鄰羥基之間形成氫鍵組成的分子簇，而糯米淀粉中支鏈淀粉含量較高，因此結晶度高且晶粒較大，內(nèi)部質(zhì)點排列更規(guī)則[1]。

2.4 大米淀粉流變特性

振蕩試驗是測定試樣黏彈性的方法之一，其中G′和G″分別代表儲能模量（彈性）和損耗模量（黏性）。3種大米淀粉糊化后黏彈性曲線如圖4所示。由圖4可知，3種大米淀粉黏彈性大小順序為粳米淀粉>秈米淀粉>糯米淀粉，說明粳米淀粉的交聯(lián)程度和凝膠強度最大，與李玥等[9]測定的結果相同，可以看出淀粉糊化后的G′值隨著直鏈淀粉含量的增大而升高，說明直鏈淀粉含量越高，淀粉糊化后的彈性特征越明顯。

大米淀粉糊化后的黏度隨剪切應力的變化曲線如圖5所示，3種淀粉糊黏度隨剪切應力變化趨勢相同，均呈先趨于穩(wěn)定后小幅下降最后急劇下降三個階段變化趨勢。在低剪切應力（1～10 Pa）下，剪切力對糊化后淀粉黏度影響較小，淀粉漿呈現(xiàn)牛頓流體特征。而在高剪切應力（10～1 000 Pa）下，隨著剪切應力的增大，淀粉漿呈現(xiàn)出剪切變稀的假塑性流體特征。黏度開始下降時拐點處的剪切應力稱為屈服應力，粳米淀粉屈服應力為52.82 Pa，秈米淀粉屈服應力為13.95 Pa，糯米淀粉屈服應力為13.95 Pa。在相同剪切應力下，粳米淀粉糊黏度更高。

2.5 大米淀粉的熱特性分析

DSC可以用來測定淀粉的有序結構在被破壞的過程中熱焓的變化情況。由表5可知，3種淀粉糊化的TO、TP、TC值大小順序為秈米淀粉>粳米淀粉>糯米淀粉，這與3種淀粉中直鏈淀粉含量呈正比；而3種淀粉的ΔH值大小順序則完全相反。相比回生前大米淀粉，糊化后回生后大米淀粉，其TO、Tc、Tp及ΔH值均有不同程度下降，其中回生4 d后糯米淀粉To值下降幅度最大，僅為36.70 ℃，下降了28.60 ℃；秈米淀粉Tc值下降幅度最小，仍有77.10 ℃，僅下降11.30 ℃，與此同時，3種淀粉從To至Tp的溫度范圍變大。隨著回生時間延長，秈米淀粉Tc值以及糯米淀粉To值變化較為明顯，粳米和秈米淀粉ΔH值升高，而糯米淀粉ΔH值降低，其他指標無明顯變化。同樣的，糊化后的淀粉經(jīng)過7 d存放，測定的回生TO、TP、TC和ΔH都有所下降，但下降趨勢并不明顯，說明回生4 d和回生7 d的差別并不大。與李玥等[9]的試驗結果相似，不同類型的淀粉之間，糊化的To、Tp和Tc隨著直鏈淀粉含量的增大而升高，但是ΔH沒有明顯的差異。糊化后的淀粉經(jīng)過7 d存放，測得的回生To值在39.60～42.50 ℃之間，比糊化時的55.30～69.30 ℃要低，ΔH也由原來的3.65 J/g以上，降低至2.69 J/g以下，說明重結晶的晶形完整程度不如原晶體，熱穩(wěn)定性也比原晶體差。粳米淀粉、秈米淀粉和糯米淀粉因淀粉本身類型和直鏈淀粉含量的不同，表現(xiàn)出的淀粉的糊化特征也不盡相同，糊化特性參數(shù)與大米淀粉中直鏈淀粉含量存在相關性[13]。

3 結論

對于不同類型的大米，粳米中蛋白質(zhì)含量最高為7.51%，其中含有3.19 μg/g（淀粉）的水溶性蛋白質(zhì)；秈米中蛋白質(zhì)含量為7.36%，其中含有5.65 μg/g（淀粉）的水溶性蛋白質(zhì)；糯米中蛋白質(zhì)含量為6.39%，其中含有10.74 μg/g（淀粉）的水溶性蛋白質(zhì)。秈米和糯米中的淀粉含量分別為74.72%和74.77%，略高于粳米中淀粉含量（71.45%）。糯米中鈣元素含量最低僅有53.80 mg/kg，鐵元素含量最高達到14.00 mg/kg；碘藍值也是最低的，為0.05。

對大米淀粉顆粒的形態(tài)和粒徑進行分析發(fā)現(xiàn)，不同大米淀粉顆粒均呈現(xiàn)多邊形，3種淀粉顆粒的粒徑都在5 μm左右，聚合度在53左右，部分淀粉顆粒表面出現(xiàn)了凹坑。此外，還對3種大米淀粉的晶體結構進行分析發(fā)現(xiàn)，3種大米淀粉都是由4個衍射峰組成，分別在2θ=15.00、16.90、17.80、22.80°附近有特征衍射峰，糯米淀粉的結晶度>粳米>秈米。對于流變特性而言，大米淀粉糊化后的黏度隨著剪切應力的增大表現(xiàn)出假塑性流體的特征，粳米淀粉黏彈性>秈米淀粉>糯米淀粉。通過比較大米淀粉的糊化特征參數(shù)和黏彈性特征曲線，并進行相關性分析，可以發(fā)現(xiàn)儲能模量G′和屈服應力與大米淀粉的糊化峰值溫度呈正相關，即糊化峰值溫度越高，其G′和屈服應力的值也越高。說明淀粉顆粒越不容易膨脹破損，其形成的淀粉糊的彈性越大，抗剪切能力越強。對于糊化特性而言，3種淀粉糊化的TO、TP、TC隨著直鏈淀粉含量的增大而升高，而ΔH則呈現(xiàn)相反的變化趨勢。糊化后的淀粉經(jīng)過4 d存放，測得的回生TO值比糊化時要低，ΔH也由原來的3.65 J/g以上降低至2.89 J/g以下，說明重結晶的晶形完整程度不如原晶體，熱穩(wěn)定性也比原晶體差。同樣的，糊化后的淀粉經(jīng)過7 d存放，測定的回生TO、TP、TC和ΔH都有所下降，但下降趨勢并不明顯，說明回生4 d和回生7 d的差別并不大。

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