玉米直链淀粉的制备及其特性

※工艺技术食品科学

2011, Vol. 32, No. 06

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玉米直链淀粉的制备及其特性

李德海1,2，马 莺1, *

(1.哈尔滨工业大学食品科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；2. 东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

摘　　　要：以普通玉米淀粉为原料，采用稀碱分散法制备玉米直链淀粉。以直链淀粉的得率和蓝值为评价指标，通过正交试验确定最佳分离工艺为NaOH 溶液浓度0.35～0.45mol/L、NaCl 溶液质量分数5%、离心力5439～7014×g 。该法制备的玉米直链淀粉与丁醇法和乙醇分散法制备的直链淀粉以及直链淀粉标准品的特性进行对比，根据其蓝值、特性黏度及特性分子质量、质构特性、相对分子质量分布结果可知，稀碱分散法制备直链淀粉的纯度高于乙醇分散法和丁醇法，并且直链淀粉的凝胶特性和相对分子质量分布情况接近直链淀粉标准品。关键词：玉米淀粉；直链淀粉；制备；分散剂；特性

Preparation and Characteristics of Corn Amylose

LI De-hai1,2，MA Ying1, *

(1. School of Food Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；

2. College of Forest, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract ：Corn starch was used as the raw material to prepare corn amylose by diluted alkaline dispersion method. Theoptimum conditions for preparing and separating corn amylose for improved amylose yield and blue value were deter-mined by orthogonal array design to be NaOH concentration of 0.35－0.45 mol/L, NaCl concentration of 5% andcentrifugation speed of 7000－8000 r/min. In addition, according to comparison on blue value, intrinsic viscosity andmolecular weight, texture properties and molecular weight distribution, diluted alkaline dispersion derived corn amylosewas more pure than n -butyl alcohol derived corn amylose and corn amylose obtained by ethanol method. The gelatinizationproperties and molecular weight distribution of diluted alkaline dispersion derived corn amylose were found to be assimilar as those of the amylose standard.

Key words ：corn starch ；amylose ；dispersant ；extraction ；property

中图分类号：TS231 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2011)06-0089-06

淀粉是一种天然高分子化合物，是由直链淀粉与支链淀粉组成。普通淀粉中直链淀粉的含量只有22%～27%，而高直链淀粉中直链淀粉含量一般为40%～70%[1]。研究发现，直链淀粉含量决定淀粉及其衍生物的分子结构、理化性质及应用价值。直链淀粉含量越高，淀粉颗粒越难糊化[2]，糊化后分子间越易结合、易发生凝沉[3]、抗剪切力强[4]、成膜性能好[5]。由于高直链淀粉具有特殊的功能特性，已成为国内外学者研究的热点，被广泛应用到各个领域，如药物缓释剂[6]、涂膜剂[7]、可降解塑料[8]等等。

目前，国外高直链淀粉的生产主要以基因改良的种质资源为主，也有研究从普通淀粉中分离制备高直链淀

收稿日期：2010-05-25

基金项目：黑龙江省“十一五”重大攻关项目(GA06B401-4)

粉。最早是Meyer 等采用温水抽提法分离制备直链淀粉和支链淀粉，并发现其结构差异[9]，后来逐渐发展为丁醇法[10]、色谱法[11]、酶脱支法[12]等。其中丁醇法是分离制备直链淀粉的经典方法，其原理是在淀粉糊液中，直链淀粉与丁醇能够螯合形成复合物，在冷却的过程中复合物沉淀析出，实现直链淀粉和支链淀粉的分离。但是以上这些方法普遍存在成本较高、操作繁琐、纯度不高和结构破坏等问题。淀粉样品的预处理是影响直链淀粉纯度和结构的主要因素，目前水、二甲基亚砜、醇[13]和稀碱[14]是淀粉样品预处理中常使用的溶剂，能够使淀粉颗粒快速润胀崩解，使淀粉以分子形式分散在溶液中，但是在分离制备直链淀粉的方法中很少使用这些

作者简介：李德海(1976—) ，男，讲师，博士研究生，研究方向为食品化学与淀粉化学。E-mail ：[email protected]*通信作者：马莺(1961—) ，女，教授，博士，研究方向为农产品贮藏与加工。E-mail ：mayin [email protected]

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食品科学※工艺技术

溶剂处理原淀粉。

本实验在综合国内外该领域研究的基础上，在分离制备直链淀粉中使用稀碱处理淀粉样品，使原淀粉在常温下能够快速分散，提高直链淀粉的纯度以及降低对直链淀粉结构的破坏程度。因此本实验以普通玉米淀粉为原料，研究稀碱分散法制备玉米直链淀粉，旨在建立一种经济实用的高直链淀粉的制备方法，为进一步研究玉米淀粉的性质和淀粉类产品的开发奠定基础。1

材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

玉米淀粉(食用级) 吉林大成食品有限公司；玉米直链淀粉标准品 美国Sigma 公司；右旋糖苷标准品 瑞典Pharmacia 公司。无水乙醇、氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、碘化钾、碘、正丁醇、盐酸、二甲基亚砜、硝酸钠等(均为分析纯) 。

D-37520型高速离心机 德国Sigma LaborzentrifugenGmbH 公司；80-2112-43紫外分光光度计 美国GE Healthcare 公司；DHG-9240电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；乌氏黏度计(毛细管直径0.75mm) 上海玻璃仪器一厂；TA-XTZi 型质构仪 英国SMS 公司；1100型高效液相色谱仪 美国安捷伦公司。1.2方法

1.2.1

玉米直链淀粉的制备

1.2.1.1稀碱分散法制备玉米直链淀粉

稀碱分散法的原理是基于稀碱溶液在常温下能使淀粉快速分散以及支链淀粉不溶于稀盐溶液的特点而建立的一种直链和支链淀粉分离的方法。在分离过程中影响分离效果的主要因素有碱和盐的浓度，以及离心分离的离心力。因此，在单因素试验的基础上，采用正交设计优化直链淀粉和支链淀粉的分离条件。

将原淀粉溶于水中制成质量分数10%的淀粉乳，取20mL 淀粉乳，在沸水浴中糊化30min ，然后慢慢加入NaOH 溶液(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mol/L)260mL，并轻轻搅拌均匀，静置5min 后加入72mL NaCl溶液(3%、4%、5%、6%、7%)。再用盐酸中和至pH6.5～7.5，在室温条件下放置15h 静止分层，分离上清液，上清液即为直链淀粉粗提液，下层胶体为支链淀粉粗提液[15]。将直链淀粉粗提液按10:1体积比加入正丁醇，在常温下搅拌1h ，静置3h ，离心(1776、3358、5439、8020、11100×g )20min ，沉淀物再用正丁醇搅拌饱和1h 、静置、离心，重复4次后，将沉淀物转至无水乙醇中浸泡24h ，再用无水乙醇洗涤4次，沉淀物在50℃烘箱干燥，即为直链淀粉[10]。以直链淀粉的得率和蓝值[16]为评价指标，在单因素试验的基础上，采用三因素三水平

的正交试验确定NaOH 浓度、NaCl 质量分数和离心力的最优水平。1.2.1.2

采用其他方法制备玉米直链淀粉

采用高炜丽等[17]和洪雁等[18]方法制备玉米直链淀粉，并测定直链淀粉的得率和蓝值。1.2.2

玉米直链淀粉特性

精确称取淀粉0.6018g ，先用1mL 95%乙醇将其分散，然后加入60mL 0.5mol/L KOH，沸水浴中加热轻微搅拌10min ，冷却至室温，过夜，用0.5mol/L KOH 定容至100mL 容量瓶中。用乌氏黏度计测定特性黏度与特性分子质量[19]。

称取一定量玉米直链淀粉溶于水中制成质量分数6%的淀粉乳，以1.5℃/min的速度搅拌加热到95℃，然后保温30min ，冷却至室温，用质构仪测定其胶凝特性[20]。1.2.3

玉米直链淀粉相对分子质量分布

色谱条件：流动相为90%的二甲基亚砜(含0.03mol/L

NaNO 3) ；柱温45℃；色谱柱PL-gel mixed columns (300mm×7.5mm ，10μm ；检测器为示差折光检测器；流速1mL/min；进样量50μL 。

称取15～30mg 的淀粉样品，溶解于4mL ，90%的二甲基亚砜中(含0.03mol/L NaNO3) ，在75℃水浴中加热18h ，然后转移至25mL 容量瓶中，定容至刻度，摇匀后用0.45um 尼龙微孔膜过滤，待色谱仪运转稳定，在上述的色谱条件下进样测定。采用右旋糖苷标准品(M W 10000、40000、70000、190000、485000) 制作相对分子质量标准曲线[21]。1.2.4

数据分析

所得数据均为3次重复的平均值，采用SAS 8.0软

件进行Duncan s multiple-range test, 方法分析。2结果与分析

2.1稀碱分散法制备玉米直链淀粉2.1.1

氢氧化钠浓度的确定

%

15.5

1.0

/率15.014.50.8得粉14.013.50.6

淀链13.0直12.0玉米直链淀粉得率0.4米11.5玉米直链淀粉蓝值0.2玉玉米直链淀粉蓝值11.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.50.0

NaOH 浓度/(mol/L)

图1 N a O H 溶液浓度对玉米直链淀粉得率及蓝值的影响Fig.1 Effect of NaOH concentration on the yield and blue value of

corn amylose

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在氯化钠质量分数5%、离心力5439×g 条件下分离制备玉米直链淀粉，由图1可知，NaOH 溶液浓度为0.4mol/L时，分离制备的直链淀粉得率和蓝值均最高，说明此时对分离制备直链淀粉的结构破坏程度最轻。因为在碱性溶液中，淀粉分子上羟基的质子被解离，淀粉分子带负电，分子间相互排斥，随着碱浓度的增大，这种斥力也相应增强，最终导致螺旋区的展开甚至分子降解[22]。2.1.2

氯化钠质量分数的确定

%

16.51.0

/率16.0得15.50.8粉15.00.6淀14.5链直14.00.4

米13.5玉米直链淀粉蓝值13.0玉米直链淀粉得率

0.2玉玉米直链淀粉蓝值12.5

3

4

5

6

70.0

NaOH 质量分数/%

图2 NaCl 质量分数对玉米直链淀粉得率及蓝值的影响Fig.2 Effect of NaCl concentration on the yield and blue value of corn

amylose

在氢氧化钠浓度0.4mol/L、离心力5439×g 条件下分离制备玉米直链淀粉，由图2可知，NaCl 质量分数在5%～7%范围内，直链淀粉的得率达到最大值；但是在NaCl 质量分数5%时，制备的直链淀粉蓝值最高。由于在高NaCl 溶液中，直链淀粉分子与盐离子之间的相互作用力增强，这种作用力主要是钠离子、氯离子与淀粉分子中羟基离子、氢离子之间的作用，结果破坏了稳定直链淀粉分子螺旋结构的氢键[23]，导致结合碘分子数量下降，所以玉米直链淀粉的蓝值降低。因此以下实验选取NaCl 质量分数5%制备直链玉米淀粉。2.1.3

离心力的确定

%

/率得粉淀链直米玉玉米直链淀粉蓝值1776

3358

54398020

111000

离心力(×g )

图3　离心力对玉米直链淀粉得率及蓝值的影响

Fig.3 Effect of centrifugation speed on the yield and blue value of

corn amylose

在氢氧化钠浓度0.4mol/L、氯化钠质量分数5%的条件下分离制备玉米直链淀粉，由图3可知，离心力8020～11100×g 时，直链淀粉得率最高。在8020×g 时分离制备的直链淀粉蓝值最大，而在离心力11100×g 时，直链淀粉的蓝值降低。在高速离心力作用下，使得淀粉分子的构象尤其是直链淀粉的螺旋结构发生改变，导致直链淀粉与碘分子的结合能力下降[24]，所以直链淀粉的蓝值降低。因此，在离心力8020×g 时制备的直链淀粉具有较高的得率和较理想的蓝值。2.1.4

正交试验结果

正交试验因素水平见表1，试验安排及结果见表2。

表1　玉米直链淀粉正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels in orthogonal array design

水平A NaOH溶液浓度/(mol/L)B NaCl溶液质量分数/%C 离心力(×g ) 10.354543920.40580203

0.45

6

11100

表2　玉米直链淀粉L 9(33) 正交试验结果及极差分析表

Table 2 Orthogonal array design scheme, experimental results and

range analysis序号

NaOH 溶液浓NaCl 溶液离心力直链淀粉直链淀度/(mol/L)质量分数/%

(×g ) 得率/%粉蓝值10.354543914.050.82720.406543915.700.81330.455543915.900.89340.355802016.300.81750.404802014.950.82660.456802015.250.80770.3561110016.150.82580.4051110015.750.82790.4541110015.30

0.814

k 115.5014.7715.22k 215.4715.9815.50k 315.4815.7015.73R 0.031.2100.51k 1′0.8230.8220.844k 2′0.8220.8460.817k 3′0.8380.8150.822R ′

0.016

0.0307

0.0276

从直链淀粉得率方面考虑，A 1B 2C 3为最佳工艺参数，即最佳工艺参数为NaOH 浓度0.35mol/L、NaCl 质量分数5%、离心力11100×g 。从直链淀粉结构破坏程度考虑，A 3B 2C 1为最佳工艺参数，即N a OH 浓度0.45mol/L、NaCl 质量分数5%、离心力5439×g 。根据对直链淀粉得率(R B ＞R C ＞R A ) 和直链淀粉蓝值(R ′B ＞R ′C ＞R ′A ) 的极差分析，NaCl 质量分数是影响直链淀粉得率和蓝值的主要因素，其次为离心力，而Na OH 浓度对直链淀粉得率和蓝值的影响最小。由于较高离心力会破坏直链淀粉的螺旋结构，因此根据淀粉的特性以及

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食品科学※工艺技术

综合正交试验结果，最终确定制备玉米直链淀粉的最佳工艺为NaOH 浓度0.35～0.45mol/L、NaCl 质量分数5%、离心力5439～7014×g 。2.2

玉米直链淀粉制备方法的比较

在上述最佳条件下制备玉米直链淀粉，测定直链淀粉的得率、含量和蓝值，验证最佳制备工艺的合理性，同时与丁醇法和乙醇分散制备的直链淀粉以及直链淀粉的标准品进行对比(表3) 。

表3　不同制备方法的直链淀粉得率、含量和蓝值Table 3 Comparisons on yield, content and blue value of amyloes

prepared by different methods

样品得率/%直链淀粉含量/%

蓝值

原玉米淀粉

—

24.62±1.06d 0.28±0.10d

稀碱分散法制备的直链淀粉16.46±0.06b 94.88±0.80a 0.97±0.05b 丁醇法制备的直链淀粉18.46±0.43a 87.02±0.60c 0.91±0.07b 乙醇分散法制备的直链淀粉

14.79±0.30c 92.82±0.20b 0.80±0.03c

直链淀粉标准品

—

96.39±0.37a 1.15±0.01a

注：采用SAS 8.0软件Duncan s multiple-range test方法分析，相同列中相同小写字母表示差异不显著(P ＞0.05) 、不同则表示差异显著(P ＜0. 05) 。下同。

从表3可以看出，丁醇法制备的直链淀粉的得率高于稀碱溶液分散法和乙醇分散法(P ＜0.05) ，丁醇法制备的直链淀粉的含量低于后两者(P ＜0.05) 。由于丁醇法是基于丁醇和异戊醇直接与直链淀粉螯合的原理，该方法就有操作简单、得率高的优点，但是该法制备的直链淀粉的含量较低，并且异戊醇的毒性较强、有异味，不适于在食品中使用。稀碱分散法、丁醇法制备的直链淀粉的蓝值差异不显著，但是两者均显著高于乙醇分散法。结果说明丁醇法和稀碱分散法对淀粉结构的影响较小。乙醇分散法具有得率高、操作简单、使用的分散剂为无毒、易回收的乙醇，因而该法广为采用；但是乙醇能够破坏直链淀粉的结构，导致直链淀粉聚合度下降[25]，使得制备的直链淀粉的蓝值降低。尽管稀碱分散法制备直链淀粉的得率低于丁醇法，但是稀碱溶液作为一种温和、低廉的分散剂，对直链淀粉的结构产生的影响较小，可以最大限度地保持直链淀粉的结构，因此，作为一种高效、低廉的直链淀粉分离方法，稀碱分散法具有潜在的应用价值。2.3玉米直链淀粉特性的研究

2.3.1

玉米直链淀粉特性黏度和特性分子质量

淀粉中直链淀粉和支链淀粉含量及其分子质量大小

直接影响淀粉的流变性；而黏度是淀粉流变性的重要反映指标，因此测定淀粉的特性黏度及其特性分子质量可以反映直链淀粉的含量。本实验采用乌氏黏度计测定，使用Mark-Houwink 方程确定特性黏度平均分子质量，结果如表4所示。

表4　玉米直链淀粉的特性黏度和特性分子质量

Table 4 Intrinsic viscosity and molecular weight of corn amylose

淀粉样品特性黏度/(mL/g)特性分子质量(×104)

原玉米淀粉

256.65±9.79a 4.02±0.11a 稀碱分散法制备的直链淀粉152.93±1.71c 2.25±0.02d 丁醇法制备的直链淀粉180.04±3.19b 2.52±0.01c 乙醇分散法制备的直链淀粉

161.25±2.93c 2.31±0.01d 直链淀粉标准品

158.09±7.42c

2.92±0.03b

从表4可以看出，稀碱分散法和乙醇分散法制备的直链淀粉与直链淀粉标准品的特性黏度差异性不显著(P ＞0.05) ，但显著低于丁醇法和原玉米淀粉(P ＜0.05) 。稀碱分散法制备的直链淀粉与乙醇分散法制备的直链淀粉的特性分子质量异性不显著(P ＞0.05) ，但低于丁醇法、直链淀粉标准品和原玉米淀粉(P ＜0.05) 。淀粉的特性黏度与淀粉的相对分子质量以及直链淀粉含量有关，相对分子质量越大，淀粉的特性黏度越大，由于支链淀粉的相对分子质量大于直链淀粉，所以直链淀粉含量越高的淀粉特性黏度也越小，也就是特性分子质量也越小。因此，本研究采用稀碱分散法制备的直链淀

粉的纯度较高。2.3.2

玉米直链淀粉凝胶的质构分析(TPA)

淀粉的胶凝性质在淀粉及改性淀粉的发展及应用中起到至关重要的作用，因此本实验采用TPA 技术测定3种方法制备的直链淀粉的胶凝特性(表5) 。

表5　不同来源淀粉样品的TPA 数据

Table 5 Texture profile analysis of corn amylose from different

sources

样品硬度/N黏聚性弹性

黏附性指数

原玉米淀粉11.78±0.82

c

－26.59±1.03

a

421.34±4.21d

－41.10±0.71a

稀碱分散法制备的

直链淀粉22.95±1.07b －13.83±0.71c 478.28±3.05a －24.60±0.35b 丁醇法制备的直链淀粉24.19±1.98ab －15.65±1.32b 458.12±0.92c －24.01±0.70b 乙醇分散法制备的

直链淀粉21.41±0.27b －13.67±1.30c 466.42±1.95b －25.20±0.88b 直链淀粉标准品

27.13±0.10a －12.96±0.96c 488.36±9.09a －23.43±0.22b

表5给出了不同来源淀粉样品凝胶的TPA 的数据，可以看出，稀碱分散法制备玉米直链淀粉与丁醇法和乙醇分散法制备的玉米直链淀粉的硬度没有变化(P ＞0.05) ，但是稀碱分散法和乙醇分散法制备玉米直链淀粉的硬度均低于直链淀粉标准品的硬度(P ＜0.05) 。稀碱分散法制备的玉米直链淀粉与直链淀粉标准品的弹性差异不显著(P ＞0.05) ，而与丁醇法和乙醇分散法制备的玉米直链淀粉的弹性差异显著(P ＜0.05) ，原玉米淀粉的硬度

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和弹性最小(P ＜0.05) 。丁醇法制备玉米直链淀粉的黏聚性好于稀碱分散法和乙醇分散法制备玉米直链淀粉和直链淀粉标准品(P ＜0.05) ，而四者的黏附性指数没有显著差异(P ＞0.05) ，但是原玉米淀粉的黏聚性和黏附性指数最好(P ＜0.05) 。淀粉的质构特性与直链淀粉含量相关，淀粉的凝胶硬度、弹性随直链淀粉含量的增加而增大，黏度和黏附性指数随直链淀粉含量的增加而减小。如果淀粉颗粒中直链淀粉含量越多，分子间的间距就会变小，使淀粉分子更容易形成结晶，也就越容易形成凝胶，硬度、弹性就越高[26]，相反黏度、黏附性指数则降低。因此，从表5可以看出，稀碱分散法制备的直链淀粉凝胶性较好。2.3.3

玉米直链淀粉相对分子质量分布的测定

12001000a

值

800应c b

响[1**********]

5

1015

20

洗脱体积/mL

a. 普通玉米淀粉；b. 玉米直链淀粉标准品；c. 稀碱分散法制备的直链淀粉。

图4　淀粉样品的凝胶渗透色谱图

Fig.4 Gel permeation chromatogram of starch samples

图4给出了普通玉米淀粉、玉米直链淀粉标准品和稀碱分散法制备的玉米直链淀粉的凝胶渗透色谱图谱。普通玉米淀粉主要是由支链淀粉和直链淀粉等组成，支链淀粉的峰型比较窄，表明其相对分子质量分布集中；直链淀粉峰范围比较宽而高度较低，说明直链淀粉是由许多聚合度不同的直链淀粉分子组成，聚合度呈连续分布。在直链淀粉和支链淀粉之间有一个过度区，由中间级分构成，这与文献报道一致

[27]

。玉米直链淀粉标准

品与普通玉米淀粉直链淀粉部分相比，洗脱体积基本一致，峰范围相对比较窄，说明玉米直链淀粉标准品相对分子质量分布集中。稀碱分散法制备的玉米直链淀粉与普通玉米淀粉直链淀粉部分和玉米直链淀粉标准品相比，峰范围比玉米直链淀粉标准品的稍宽，说明稀碱分散法制备的玉米直链淀粉相对分子质量分布较宽，原因可能是在制备过程中引入了普通玉米淀粉的中间部分淀粉。但是三者直链淀粉部分的洗脱体积基本一致，表明相对分子质量大小基本一致。说明稀碱分散法制备的玉米直链淀粉基本上是普通玉米淀粉中的直链淀粉部分，而且纯度较高。

3

结　　论

根据稀碱分散法与丁醇法和乙醇分散法的比较，稀碱分散法制备直链淀粉的纯度优于其他两种方法，并且稀碱分散法对直链淀粉结构的影响程度最低。以玉米直链淀粉得率和蓝值为评价指标，稀碱分散法制备直链淀粉的最佳工艺参数为NaOH 溶液浓度0.35～0.45mol/L、NaCl 溶液质量分数5%、离心力5439～7014×g 。通过蓝值、黏度、特性分子质量、质构特性及相对分子质量分布的测定和结果讨论，证明了稀碱分散法制备直链淀粉的纯度和凝胶特性优于丁醇法和乙醇分散法制备的直链淀粉。因此，稀碱分散法作为一种直链淀粉的分离方法具有潜在的应用价值。

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