（食品科学专业论文）大米淀粉物化特性、分子结构及其相关性研究.pdf

华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 是否保密 否 如需保密，解密时间年月日 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说职，并表示了谢意 研究生签名： 旌相时间：力彳年f 月伽日 学位论文使用授权书 本人完全了解。华中农业大学关于保存，使用学位论文的规定”，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供日录检索和阅览服务，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表传播学位论 文的全部或部分内客 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书 学位论文作者签名：辛呈科 导师签名：趣磐憾 签名日期：年月弘日 签名日期： 年 月 日 注；请将本表宜接装订在学位论文的扉页和目录之阃 大米淀粉物化特性、分子结构及其相关性研究 摘要 以不同品种( 品牌) 大米淀粉为原料，采用快速粘度测定仪( r v a ) 、激光光 散射仪及凝胶色谱等，对不同品种大米淀粉的分子量分布、物化特性、溶液性质等 进行了研究，探索大米淀粉特性与分子结构的关系，为淀粉质食品原料的选择提供 理论依据。主要结论如下： 1 大米淀粉的分子量分布：大米淀粉主要由支链淀粉、中间级分和直链淀粉组成， 大米支链淀粉的平均相对分子质量为4 9 6 7 1 0 6 9 m o l , - - 9 5 7 6 9 x 1 0 6 9 t o o l ，大米直链淀 粉的平均相对分子质量为1 9 0 x 1 0 6 9 m o l 5 9 1 x 1 0 6 9 t o o l ，支链淀粉的分子量分布比 直链淀粉窄。大米淀粉的各级分含量不同，其中中间级分含量最大，在研究范围内， 支链淀粉含量为1 1 5 2 - - 4 8 6 2 ，中间级分含量为2 8 7 4 - 6 9 3 3 ，直链淀粉含量为 6 2 6 - - 4 0 7 7 。 2 大米淀粉的物化特性：籼米淀粉的碘兰值大于粳米淀粉和糯米淀粉的，糯米淀粉 和粳米淀粉的酶解力比籼米淀粉大；大米淀粉立体形貌为正六面体或球形，粒径集 中分布在2 6 t i n 范围内，其粒度累计分布用罗森函数来描述达到很高的拟合精度。 不同类型的大米淀粉凝胶的质构图谱存在较大差异，用淀粉凝胶的质构图谱可 以近似判断大米淀粉的类型。碘兰值和酶解力对大米淀粉凝胶的质构特性有较大的 影响，采用指数模型可以较好的描述相关特征值与碘兰值、酶解力之间的关系。 不同类型大米淀粉的糊化曲线存在较大差异，碘兰值和酶解力对大米淀粉糊化 过程中的特征值有较大的影响，采用指数模型可以较好的描述相关特征值与碘兰 值、酶解力之间的关系；籼米淀粉糊热糊稳定性较好，粳米淀粉和糯米淀粉冷糊稳 定性较好。 3 大米淀粉溶液性质：天然淀粉的浓溶液具有假塑性流体特征，大米品种、温度、 浓度对秸度系数和流变指数有较大影响。温度上升，粘度系数下降，流变指数逐渐 恒定，浓度下降，粘度系数下降，流变指数稍有上升，流体趋向牛顿流体特征 天然淀粉在二甲亚砜稀溶液中的特征粘度比相同品种( 品牌) 大米直链淀粉的 特征粘度大，天然淀粉的特征粘度与直链淀粉及支链淀粉的平均分子量、摩尔比之 间呈较好的指数模型。 直链淀粉在二甲亚砜稀溶液中的m a r k - h o u w i n k 方程为h i = 0 0 0 6 3 xm w ”，其 单位长度摩尔质量m l 为1 6 8 0 9 r i m 1 ，持久长度q 为3 7 3 r i m ，直链淀粉在二甲亚砜 稀溶液中为半柔顺链。 关键词：大米淀粉；直链淀粉；分子量分布；物化特性；溶液性质 华中农业大学2 0 0 6 届硕士学位论文 a b s t r a c t m o l e c u l a rd i s t r i b u t i o n ，p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dp a s t i n gp r o p e r t i e so fr i c e s t a r c hf r o md i f f e r e n tt y p e sw e r es t u d i e db yr a p i dv i s c o a n a l y z e r ( r v a ) ，l a s e rl i g h t s c a t t e r i n g , g e lp e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y r e s u l ti n d i c a t e d ： 1 m o l e c u l a rd i s t r i b u t i o no fr i c es t a r c h r i c es t a r c hh a s3m a i nf r a c t i o n s ，a m y l o s e ，i n t e r m e d i a t ea n da m y l o p e c f i n r e l a t i v e m o l e c u l a rw e i g h to f r i c ea m y l o p e c f i ni sa b o u t4 9 6 7 x 1 0 6 9 t o o l 9 5 7 6 9 x 1 0 6 9 t o o l ，w h i l e r i c ea m y l o s e i sa b o u t l 9 0 x 1 0 6 9 t o o l 5 9 1 x 1 0 6 昏m 0 1 t h e m o l e c u l a r w e i g h t d i s t r i b u t i o n o fr i c ea m y l o p e c f i ni sn a r r o w e rt h a nt h a to fr i c ea m y l o s e a m y l o s e ，i n t e r m e d i a t ea n d a m y l o p e c t i n a c c o u n tf o r11 5 2 4 8 6 2 ，2 8 7 4 - - 6 9 3 3 a n d6 2 6 4 0 7 7 ，r e s p e c t i v e l y 2 p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so f r i c es t a r c h b l u ev a l u ea n de n z y m eh y d r o l y s a b i l i t yd i f f e r e df r o md i f f e r e n tr i c es t a r c h e s 1 1 b e b l u ev a l u eo fi n d i c ar i c es t a r c hw a sg r e a t e rt h a nt h a to f j a p o n i c aa n dg l u t i n o u sr i c e s t a r c h e s ，w h i l et h ee n z y m eh y d r o l y s a b i l i t yo f j a p o n i c aa n dg l u t i n o u sr i c es t a r c h e sw e r e g r e a t e rt h a nt h a to fi n d i c ar i c es t a r c h g r a n u l a r i t yo fr i c es t a r c h , w h o s ed i m e n s i o n a l a p p e a r a n c ew a sh e x a h e d r o no rg l o b e ，2 6 l _ t m ，c o u l db ew e l ls i m u l a t e db yf u n c t i o n r o s i n - r - a i y l m l e rd i s t r i b u t i o n g e lt e x t u r ep l o td i f f e r e df r o md i f f e r e n tr i c es t a r c hg e l g e lt e x t u r ep r o p e r t i e sw e r e g r e a t l yi n f l u e n c e db yb l u ev a l u ea n de n z y m eh y d r o l y s a b i l i t y , w h i c hc o u l db ed e s c r i b e d b ya l le x p o n e n t i a lm o d e l p a s t ec u r v ed i f f e r e df r o md i f f e r e n tr i c et y p e s ，i n s t e a do fd i f f e r e n tr i c ev a r i e t i e s p a s t i n gp a r a m e t e r sw a sg r e a t l ya f f e c t e db yb l u ev a l u ea n de n z y m eh y d r o l y s a b i l i t y , w h i c h c o u l db ed e s c r i b e db ya ne x p o n e n t i “m o d e l h o tp a s t es t a b i l i t yo fi n d i c ar i c es t a r c hw a s b e t t e rt h a nt h a to fj a p o n i c aa n dg l u t i n o u sr i c es t a r c h e s ，w h i l ec o l dp a s t es t a b i l i t yo f j a p o n i c aa n dg l u t i n o u sr i c es t a r c h e sw e r eb e u e rt h a nt h a to f i n d i c ar i c es t a r c h 3 s o l u t i o np r o p e r t i e so fr i e es t a r c h r i c es t a r c h e sp a s t ew a sp s e u d o p l a s 6 c v i s c o u sc o e f f i c i e n ta n dr h e o l o g i ci n d e x e s w e r eo b v i o u s l yi n f l u e n c e db yv a r i e t i e s ，t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a f i o no fr i c es t a r c h e s p a s t e a st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h ec o n s i s t e n c yc o e f f i c i e n to fr i c es t a r c hp a s t e d e c r e a s e da n df l o wb e h a v i o ri n d e xw e r ei n c l i n e dt oi n v a r i a b l e n e s s a sc o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e d ，c o n s i s t e n c yc o e f f i c i e n to f f i c es t a r c hp a s t ed e c r e a s e da n df l o wb e h a v i o ri n d e x i n c r e a s e ds l i g h t l y i m r i n i s i cv i s c o s i t yf o rr i c es t a r c ho fl o wc o n c e n t r a t i o ni nd m s ow a s g r e a t e rt h a nt h a to fa m y l o s e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t r i n i s i cv i s c o s i t ya n da v e r a g e 2 大米淀粉物化特性分子结构及其相关性研究 m o l e c u l a rw e i g h to f a m y l o s ea n da m y l o p e c t i nw a se s t a b i s h e db ya ne x p o n e n t i a lm o d e l m a r k - h o u w i n kf o r m u l af o ra m y l o s eo f l o wc o n c e n l r a t i o ni nd m s ow a s q 卜o 0 0 6 3 膨。”w h o s em o l a rm a s sp e r u n i tw a s1 6 8 0 9 n r n 1 ，p e r s i s t e n c el e n g t hq w a s3 7 3 眦t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a td e ea m y l o s ew o u l db es e m i f l e x i b l ei nd m s o k e y w o r d s ：r i c es t a r c h ；a m y l o s e ；m o l e c u l a rd i s t r i b u t i o n ；p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s ； s o l u t i o np r o p e r t i e s 大米淀粉物化特性分子结构及其相关性研究 1 刖盖 1 1 研究目的和意义 我国是大米的最大产国和消费国，年产稻谷1 7 2 0 亿吨折合大米产量1 2 1 4 亿吨，占全匡粮食总产量的4 0 ，世界稻谷总产量的3 5 以上( 笑然，2 0 0 5 ) 。目 前世界各国共收集了约8 万份稻种资源。不同国家采用的稻米分类标准不同，我国 按外观等指标把稻米分为三类：籼米、粳米和糯米，大米品种不同，加工特性也不 一样。 大米中淀粉含量高达9 0 ( 干基) 以上。淀粉作为一种重要的生物多糖大分子， 在人体内不仅参与能量的贮存与传递，而且也作为细胞骨架材料和参与细胞识别等 多种生命功能活动。因此，淀粉的特性和结构结构的研究一直是科学界比较感兴趣 的内容之一。 淀粉的糊化和老化是淀粉质食品加工和贮藏过程中的重要现象，直接影响食品 的性质。淀粉的糊化与老化程度与淀粉的酶解力、支链及直链的比例、淀粉分子量 分布、淀粉的溶解性等理化特性等有很密切的关系，另外直链淀粉和支链淀粉在溶 液中的构象对淀粉质食品品质也有较大影响。虽然，科学家通过间接的方法证明淀 粉不是一种均一多糖结构，分为直链淀粉和支链淀粉，但淀粉在溶液中的构型还没 有达到共识。 不同类型的大米淀粉有着不同的分子量大小、分子量分布以及溶液性质。近年 来由于稻米品种的改良，相同类型的不同品种的大米淀粉的分子量大小、分子量分 布以及在不同溶剂中的分子形态各不相同，导致其加工适应性各不相同，作为食品 高分子物质，研究其物化特性、分子特性以及溶液性质对稻米深加工有极其重要意 义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 大米淀粉的提取 在提取淀粉的过程中除蛋白是关键。国内外常用的淀粉提取方法主要有碱浸法 和酶法。 工业最常用的大米淀粉制备方法是碱浸法，先用0 3 0 5 的o h 浸泡大 米，碱液的量约为米的2 倍，浸泡温度为室温到5 0 。浸泡过程中，每隔6h 搅拌1 次，共浸泡2 4h 。浸泡后去掉浸泡液，加入新的碱液湿磨，然后放入沉淀槽通过沉 淀法进行粒度分级，除去上部澄清部分将水洗过的淀粉乳液经离心脱水分离出淀 华中农业大学2 0 0 6 届硕士学位论文 粉，干燥粉碎即得成品，但在大型的工业生产中对环境造成了污染。 酶法提取即加入一定量的蛋自酶将蛋白质酶解得到较纯的淀粉。此法制备大米 淀粉的成本约为碱法的两倍，这主要是由于蛋白酶的成本较高。 1 2 2 大米淀粉的物化特性 1 2 2 1 大米淀粉的颖粒形貌 淀粉颗粒形貌的研究方法主要是显微镜法，主要有光学显微镜( 普通显微镜， 偏光显微镜) 、扫描电镜、原子力显微镜。在偏光显微镜下，在淀粉粒表面上可以 看到以颗粒中心的偏光十字。与玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯、藕淀粉相比，大米 淀粉颗粒比较小，平均粒径在3 s g 【i n ，在普通光学显微镜下，偏光十字不是很清晰。 与偏光显微镜相比，扫描电镜能够得到更多立体形貌方面的信息。 a s p r e e t s i n g h 等利用扫描电镜观察了不同品种的玉米淀粉和马铃薯淀粉的颗粒结构 ( j a s p r e c te ta 1 ，2 0 0 3 ) ，观察到采用醇碱法提取可溶性马铃薯淀粉和玉米淀粉颗粒 的立体形状，发现不同品种的可溶性然淀粉的大小和形状也不一样。醇碱处理对小 颗粒较小的淀粉影响较小，而对颗粒较大的淀粉影响较大。 原子力显微镜可进行表面拓扑形貌分析，在研究分子的大小尺寸、原子排列、 以及构象中的应用也比较广泛。1 9 9 4 年英国的汤姆逊等人利用a f m 拍摄到了酶作用 于淀粉颗粒表面的图像( 1 3 1 0 m s o ne ta 1 ，1 9 9 4 ) 。同时，国外专家将大米淀粉作为 骨质填充剂，利用原子力显微镜观察淀粉分子与骨质中钙的连接，及其相互作用力 ( l e o n o r ae t a l ，2 0 0 3 ) ；国内学者也利用原子力显微镜观察燕麦葡聚糖的长、宽、高 以及燕麦分子的聚集态，发现葡聚糖单分子链长度约为2 5 0 h m ，分子链宽度约为 5 - 1 0 n t o ，分子链高2 - 3 n m ，没有支链结构存在( 王海波，2 0 0 4 ) 。 1 2 2 2 大米淀粉晶体结构和热特性的的研究 天然淀粉主要产生两种类型的x 射线衍射图。一类是以谷类如玉米、小麦、稻 米淀粉为特征的a 型，在1 5 。、1 7 。、1 8 。和2 3 。有较强的衍射峰；一类是以如 马铃薯、西米以及香蕉等块茎、果实、和茎的淀粉为特征的b 型，在其衍射图中在 6 6 。、1 7 。、2 2 。和2 4 。有较强的衍射峰出现；另外还有一种处在a 型和b 型之 间的c 型淀粉，它的衍射图形显示了两种图形的综合，与a 型相比，它在5 6 。 处出现了衍射峰，而与b 型相比，它在2 3 。却显示的是一个单峰；另外还有一种 v 型结构则是由直链淀粉和脂肪酸、乳化剂、丁醇等物质混合得到的，在天然淀粉 中很少发现，在衍射图中的1 2 5 。和1 9 5 。有较强的特征衍射峰出现( w h i s t l e r , 1 9 8 7 ) 。大米淀粉的衍射图在1 5 。、1 7 。、2 3 6 。附近有特征衍射峰( 史俊丽，2 0 0 5 ) ， 6 大米淀粉物化特性、分子结构及其相关性研究 是典型的a 型x 射线衍射图。 x 射线衍射和差示扫描量热仪( d s c ) 是目前测定晶体结构和晶体热特性的重要 手段。张本山等人采用广角x 射线衍射对淀粉颗粒中介于结晶与非品之间的过渡区 亚微晶结构进行研究( 梁勇和张本山，2 0 0 3 ) 。淀粉多晶体系都可以看成是由微晶、 亚微晶和非晶中的一种或多种结构形成的。淀粉多晶体系中存在着大量介于微晶和 非晶之间的亚微晶结构，利用x 衍射测定淀粉的结晶区，以及晶体类型的同时，d s c 也常用作研究淀粉晶体的热焓特性。淀粉糊化就是颗粒状淀粉在水中因受热吸水膨 胀，分子间和分子内氢键断裂，淀粉分子扩散的过程，在此过程中伴随着能量变化， 在d s c 分析图谱上表现为吸热峰。对与晶体结构，在d s c 曲线中有3 个特征参数： l 表示相交( 或化学反应) 的起始温度，t ，表示相交( 或化学反应) 的高峰温度，t c 表 示相变( 或化学反应) 的终了温度，这些特征参数反映了所测组分的热力学性质。有 关应用d s c 研究淀粉的报道很多，c gb i l i a d e r i s 等人应用d s c 对玉米淀粉，马铃 薯淀粉、酸改性玉米淀粉、豌豆及多种豆类淀粉的糊化现象进行了研究。根据淀粉 的d s c 分析过程中吸热峰面积( 即热焓) 的大小可估测淀粉糊化程度的大小。淀粉糊 回生时分子重排形成晶体结构，要破坏这些晶体结构使淀粉分子重新熔融需要外加 能量。因此回生后的淀粉糊在d s c 分析中出现吸热峰，且吸热峰的大小随回生程度 增加而增大，由此可估测淀粉回生程度的大小。f e r m a n d o 和a n n 应用d s c 测定了马 铃薯一蜡质玉米，马铃薯一大麦和蜡质玉米一大麦的淀粉混合物在多种重量比下的回 生焓的t o 、t p 、t c 值。 1 2 2 3 大米淀粉糊特性研究 大米淀粉糊的特性与大米的加工适应性有很密切的关系。流变性是淀粉糊的基 本特性。常采用运动粘度计、旋转粘度仪来测定淀粉糊的流变性。大米的品种、直 链淀粉以及支链淀粉的含量、分子结构、淀粉糊的浓度、温度对糊的流变性均有较 大的影响。 目前国内主要研究了大米淀粉的糊化机理( 熊善柏等，2 0 0 1 ) ，淀粉糨物系特 性，淀粉糊的老化特性( 赵思明等，2 0 0 2 ) ，研究证明淀粉糊为由直链淀粉胶体溶 液和支链淀粉团块为主要结构的较均匀的两相体系，其糊化过程符合一级化学反应 模型，在存放过程中淀粉糊发生凝聚并产生胶体网络结构出现老化现象( 赵思明等， 2 0 0 3 ) 。浓度、p h 及淀粉中的其它组分如糖、盐等对大米淀粉糊的流交特性有一定 的影响，酸性条件下，淀粉糊黏度下降：碱性条件下，黏度升高，稳定性增强。黄 原胶、食盐、单甘酯对板栗淀粉糊的冷稳定性有增强作用，磷酸盐、单甘酯对热稳 定性有改善作用 李志西等，2 0 0 1 ) 。羟丙基化对淀粉糊的流变性也有一定的影响， 7 华中农业大学2 0 0 6 届硕士学位论文 羟丙基程度升高，淀粉糊的假塑性增强( 高群玉等，1 9 9 9 ) ，并建立了淀粉糊在不 同浓度下的流变模型。酶处理对淀粉糊流变特性有影响，酶解后的淀粉呈假塑性流 体特征，具有触变性和剪切稀化性质，淀粉含量、浓度、温度等因素对淀粉糊的表 观黏度有较大的影响( 马彦颜等，2 0 0 2 ) 。分子结构对淀粉糊流变特性也有一定的 影响，国内对稻米支链淀粉糊的流交特性，淀粉糊的流动规律和淀粉糊老化过程中 的流变特性( 赵思明等，2 0 0 2 ) 以及支链淀粉分子的摩尔质量和流变特性影响也有 了相关的研究( 赵思明等，2 0 0 3 ) ，发现淀粉的糊化能耗主要用于淀粉晶体的熔解、 颗粒的膨胀和直链淀粉分子从淀粉颗粒中的脱离稻米，支链淀粉水溶液呈假塑性流 体，随摩尔质量的增大，流动能也逐渐增大。国外主要研究了淀粉颗粒大小对淀 粉糊流变特性的影响( j a s p r e e te ta l ，2 0 0 3 ) ，直链淀粉的含量与品种之间的关系 ( h e r m a n s s o ne ta 1 ，1 9 9 6 ) ，淀粉流变特性与淀粉颗粒的结构、直链淀粉和支链淀 粉的比例的关系( c a s t l e k n o c ke ta 1 ，2 0 0 0 ) 以及贮藏过程中，淀粉粘稠度的变化( l i e ta 1 ，2 0 0 3 ；n e h d ie ta 1 ，2 0 0 4 ) 等。发现淀粉的性质与其天然淀粉的形貌有关，颗粒 越大，颗粒膨胀的越厉害，淀粉的流变特性跟天然淀粉的来源有关，不同来源的淀 粉流变特性不同。 不同品种大米淀粉由于分子结构的差异，其糊化、老化及流变特性也存在较大 差异。目前我国对不同品种大米淀粉糊的流变特性的研究仍较少，从而难以对大米 淀粉的流变特性作全面的评价和比较。 1 2 3 大米淀粉的分子结构 淀粉的级分组成、分子结构、分子量分布等对其凝胶特性、流变特性、热特性 和形貌有较大影响，从而影响到淀粉食品的深加工。国内外学者对荞麦( y o s h i m o t o ， e t 8 上，2 0 0 4 ) 、玉米( n a k a z a w ag t a l ，2 0 0 3 ；l i ne l a l ，2 0 0 3 ) 、小麦( y o oe t a l ，2 0 0 2 ) 、 大麦( y o ue t a l ，2 0 0 2 ) 和大米( c h i o ue t a l ，2 0 0 5 ) 等不同来源的谷物淀粉的分子 特性进行过相关性研究，认为谷物淀粉一般含有2 3 个淀粉级分( 直链淀粉、中 间级分、支链淀粉) 。直链淀粉是由0 【一( 1 寸4 ) 一d 糖苷键组成的较长的线性分子。 除旷( 1 4 ) 一d 糖苷键外，支链淀粉还有多分支的妒( 1 专6 ) 一d 糖苷键。中间级分 为短链的直链淀粉和分支较少的支链淀粉。不同品种谷物直链淀粉含量有较大差 异，非糯性谷物直链淀粉含量一般为1 5 2 8 ，其中，荞麦直链淀粉的含量较低 ( 1 5 6 1 7 9 ) ，而大麦真链淀粉的含量较高( 2 3 2 8 ) 。谷物庭链淀粉 通常含有i 8 6 5 个分支，外链平均含有5 7 9 7 个葡萄稽单元( s v i h u se ta 1 ， 2 0 0 5 ) ，其平均相对分子量约为4 1 0 5 9 m o l 1 7 x1 0 6 9 m o l ( s u o r t t ie ta 1 ，1 9 9 8 ； h a n a s h i r o 。e t 以，1 9 9 8 ) 。谷物支链淀粉的含量一般为9 1 l o o ，对于高直链淀 8 大米淀粉物化特性、分子结构及其相关性研究 粉含量的谷物，为3 0 5 0 ，通过品种的改良，支链淀粉含量可达到1 0 以下。 支链淀粉具有高度分支的结构，其平均分子量为7 0 1 07 9 m o l 5 7 x 1 0 9 9 m o l ( j a n ee ta 1 ，2 0 0 2 ) ，每个支链平均含有1 8 2 4 个葡萄糖单元，其中，莽麦 支链淀粉的支链较长，平均为2 3 2 4 个葡萄糖单元。 1 2 4 直链淀粉、支链淀粉的分离 大米淀粉一般由支链淀粉、中间级分和直链淀粉组成，s c h o c h 于1 9 4 1 年首先 提出的分离淀粉的方法，即正丁醇异戊醇结晶法。利用直链淀粉能和正丁醇结合 成直链一正丁醇配合物这一性质分离淀粉中的支链淀粉和直链淀粉。 h i s t l e r 也指出，直链淀粉分子可与大量的各类有机分子形成配合物，其中有 些有机物仅需很低的浓度就可以达到配合。同时h e w o r t h 等也常采用麝香草酚作分 机级剂进行直链淀粉和支链淀粉淀粉的分离。 除了结晶法、分级剂等方法外，重力沉降方法也用在淀粉的淀粉分离中。 在国内，正丁醇一异戊醇结晶法应用较广，许时婴等国内学者也采用该方法分 离出了葛根的直链淀粉和支链淀粉。 1 2 5 直链淀粉的溶液构象 直链淀粉在溶液中的构型一直是一个争论的话题，目前直链淀粉在溶液中的模 型有螺旋、间断式螺旋和无规线团三种( w h i m l e r 甜a l ，1 9 8 4 ) 。直链淀粉在溶液中 的构型与淀粉的分子量大小有密切的关系。在利用光散射一沉降平衡法研究时，发 现如果直链淀粉超出了可溶区间的范围( 6 5 0 0 1 6 0 ，0 0 0 ) 则分子呈无规线团，若 直链淀粉分子处于可溶区间，则分子聚集成刚性线团，也可认为是双螺旋性。淀粉 水溶液在加热以后，分子在水溶液中呈无规线团状( g a r c i ae t a l ，1 9 9 7 ) 。 溶剂组成浓度对直链淀粉的构象也有着较大的影响( w b j s t l e r , 1 9 8 6 ) 。在不同 溶剂中，淀粉的伸展程度不同。常使用马克方程的指数判断高分子化合物在溶液中 的构象。在二甲亚砜水的混合溶剂中，二甲亚砜和水的比例对直链淀粉的构象有 较大影响，当水含量超过3 3 6 6 6 时，随含水量的增加，特征粘度逐渐减小。 在o 6 6 6 的水含量变化中直链淀粉的构象变化为；螺旋一松弛螺旋一随机卷曲 ( n o r m a n 甜a 1 ，1 9 9 8 ) 。另外，溶剂的p h 值对淀粉级分的构象也有较大影响，中 性溶液中直链淀粉是以相当刚性的蠕虫状线团的形态存在，该线团主要由有缺陷或 变形的螺旋形主链构成。在碱性溶液中直链淀粉链比在水中柔软，p h 值接近1 2 时， 螺旋结构开始断裂，形成带羟基的离子，增大了链的柔顺性，并使流体动力学体积 缩小了。在更高的p h 值时，由于离子化程度提高，使聚合物分子上的负电荷不断 增多，结果使线团因电荷排斥丽舒展开来。 9 华中农业大学2 0 0 6 届硕士学位论文 此外，离子浓度对直链淀粉的构象也有一定的影响。盐能减少淀粉分子的伸展， 使得直链淀粉的构象发生改变( l a r s s o ne fa 1 ，1 9 9 9 ) 。在氯化钠存在条件下，直链 淀粉的构象由螺旋向无规现团转变。 近年来，国内外对大米直链淀粉分子特性的研究逐渐深入，从基本的理化特性 到精细结构，研究方法也逐渐多元化。先后用粘度法、凝胶过滤法、排阻高效液相 色谱法、凝铰过滤色谱法、激光光散射法等研究大米直链淀粉分子结构。大米淀粉 的理化特性加工适应性取决于大米淀粉的分子结构，因此研究淀粉的分子结构可 以从分子水平判断淀粉的物化特性，指导大米深加工。 1 3 研究内容 综上所述，基于本实验室的研究基础上，本课题以不同品中的大米为原料，主 要从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 大米淀粉分子量分布： ( 2 ) 大米淀粉的物化特性研究； ( 3 ) 大米淀粉溶液性质的研究。 提取不同品种( 品牌) 的大米淀粉，研究大米淀粉的物化特性、分子结构及其 相关性，为大米淀粉质食品原料的选择和品种选育提供参考数据。 l o 大米淀粉物化特性、分子结构及其相关性研究 2 材料与方法 2 1 实验材料 表1 不同品种( 品牌) 大米原料的类型和生产厂家 t a b l e1t y p l ea n df a c t o r yo f f i c em a t e r i a lw i t hd i f f e r e n tv a r i e t i e s 注：i 为籼米，j 为粳米，为香米g 为糯米； 文中的品种( 品牌) 在下文中均简写为品种。 2 2 化学试剂 氯化钠，分析纯，广东汕头西陇化工厂生产 碘化钾，分析纯，武汉市江北化学试剂厂生产 碘，分析纯，武汉市江北化学试剂厂生产 硫酸铜，分析纯，西安化学试剂厂生产 硫酸钾，分析纯，河南焦作市化工三厂生产 氢氧化钾，分析纯，北京化工厂生产 硼酸，分析纯，武汉市中南化学试剂厂生产 盐酸，分析纯，武汉市亚泰化工试剂有限公司生产 硫酸，分析纯，武汉市亚泰化工试剂有限公司生产 葡萄糖，分析纯，上海化学试剂站分装厂生产 迭氮钠，化学纯，浙江东阳市天宇化工有限公司生产 无水乙醇，分析纯，上海振兴化工一厂生产 苯酚，分析纯，广东西陇化工厂生产 考马斯亮蓝，生化试剂，武汉生命技术有限公司生产 糖化酶，生化试剂，无锡酶制剂厂生产 正丁醇，分析纯，上海试剂一厂 华中农业大学2 0 0 6 届硕士学位论文 异戊醇，分析纯，上海试剂一厂 3 ，5 二硝基水杨酸，生化试剂，中国医药集团上海化学试剂公司生产 二甲亚砜，分析纯，中国医药( 集团) 上海化学试剂公司 s e p h a r o s ec l 2 b 3 0 0 ，s i g m a 公司生产 2 3 实验仪器 分光光度计，7 2 2 s 型，上海精密科学仪器有限公司生产 电子精密天平，j a l 2 0 0 2 型，上海天平仪器厂生产 分析天平，b s 2 1 0 s 型，s a r t o r i u si n s t r u m e n t sl t d 生产，日本 台式离心机，t d l 8 0 2 8 型，上海安亭科学仪器厂生产 数显恒温水浴锅，姗6 型，国华电器有限公司生产 偏光显微镜，x o - 2 0 1 型，江南光电( 集团) 股份有限公司生产 自动收集器，d b s 1 0 0 、恒流泵b t - 1 0 0 ：上海沪西仪器厂生产 电热干燥箱，上海实验仪器总厂生产 普通光学显微镜，x s p 1 8 s 型，江南光电集团股份有限公司生产，中国南京 旋转粘度计，h a k k p ，德国 气流涡流微粉机，a c m 型，浙江省嵊州市化工设备厂生产 胶体磨，g m 。w z l 5 0 ，石首市第四机械厂生产 质构仪，x t p l u st e x t u r ea n a l y s e r ，t a x t 2 型，s t a b l em i c r os y s t e m sl t d ，美国 红外光谱仪，4 7 0 f t - i r 型，n i c o l e t n e x u s ，日本 紫外可见光谱仪，u v - 2 6 5 f w 型，s h i m a d z uc o r p ，日本 快速粘度检测仪，3 d 型，n e w p o r ts c i e n t i f i c 仪器公司生产，澳大利亚 扫描电镜，a m r a y l 0 0 0 b ，美国 激光光散射仪，d l s 7 0 0 型，o t s u k ae l e c t r o n i c s 公司生产，美国 乌氏粘度计，直径0 4 m m ，浙江椒江市玻璃仪器厂 2 4 实验方法 2 4 1 淀粉的提取 大米一o 4 的n a o h 溶液浸泡2 4 h ( 碱溶液的量以淹没原料为准) 一胶体磨粉碎 - - - , 0 4 的n a o h 溶液浸泡2 4 h ( 碱溶液的量以淹没原料为准) - - - * h c l 中和一水洗5 次 - - , 4 0 0 0 r r a i n 离心1 0 m i n 取下层淀粉一自然风干( 王立和姚惠源，2 0 0 4 ；于混鹏和高 群玉，2 0 0 4 ；l u m d u b w o n g e ta 1 2 0 0 0 ) 1 2 大米淀粉物化特性分子结构及其相关性研究 2 4 2 碘兰值测定 取0 2 5 9 ( 干基) 淀粉，用l m l 无水乙醇润湿，加入1 0 m l 0 5 m o l l 的k o h 溶液， 在沸水浴中振荡至样品完全分散溶解( 约1 5 m i n ) ，冷却后定容至5 0 m l 。取出0 5 m l 样液加入1 0 m l 蒸馏水，用o 1 m o l l 的h c l 调至p h 值为3 左右，加入o 5 m l 碘试 剂，用蒸馏水定容至1 0 0 m l ，静置1 5 m i n ，用分光光度计于6 2 0 n m 波长下比色。空 白用蒸馏水中加入0 5 m l0 1 m o l l 的h c i 和0 5 m l 碘试剂后定容至1 0 0 m l 。( 蔡武 城和袁厚德，1 9 8 2 ) 2 4 3 酶解率测定 取淀粉0 2 9 于5 0 m l 的比色管中，加2 0 m l 蒸馏水，5 的淀粉酶2 m l ，3 9 3 2 水浴9 0 m i n ，不断振荡。加l m o l l 的h c l l m l ，定容至5 0 m l ，摇匀后过滤，滤液 稀释6 倍，取0 5 m l 稀释液和0 5 m l d n s ( 3 ，5 - 二硝基水杨酸) 于试管中，沸水浴 5 m i n ，快速冷却，加4 m l 蒸馏水，于5 4 0 n m 处比色。( 以蒸馏水代替淀粉其他处理 步骤同，做空白) 。从d n s 标曲中计算出被酶解的淀粉量。 2 4 4 分子量分布测定 参考s h i n l u 的方法，使用凝胶色谱法测定大米淀粉的分子量分布。 凝胶色谱法( s h i n l ue t a l ，1 9 9 6 ) ：取1 0 0 m g 淀粉，加入lm l 无水乙醇( 使样品润 湿) ，2 m l 的蒸馏水，2 m l 的3 m o l l n a o h ，将所得的溶液充分振动均匀，再逐渐 加入5 m l 蒸馏水，于沸水浴中加热3 0 m i n ，至样品完全溶解，用盐酸中和至p h 7 0 ， 再用蒸馏水定容至5 0 m l ，用0 2 5 1 a m 的微孔滤膜过滤，取滤液4 m l 上柱( 层析柱： 1 7 c m x 7 5 c m ，装有s e p h a r o s ec l - 2 b 3 0 0 ) ，用5 0 m m o l l 的n a c l 洗脱液( 含0 0 2 的迭氮钠) 洗脱，洗脱流速为1 6 m i f n 。用自动部分收集器进行收集，每管收集4 m l 。 取i m l ，加l m l h 2 0 、l m l 苯酚、5 m l 浓硫酸，静置1 0 m i n 后振荡均匀，再静置 2 0 m i n ，于4 9 0 r i m 波长下测定吸光值。用吸光值表示淀粉含量。 2 4 5 淀粉粒径分布的测定 将少量的淀粉置于载玻片上，用无水乙醇分散，盖上盖玻片，利用莱卡显微镜 进行观察，并利用配套软件统计处大米淀粉的相关尺寸。 2 4 6 淀粉颗粒形貌观察 i 玟5 m g 的淀粉放a 5 m l 的玻璃试管中，加入9 0 的乙醇溶液，超声波振荡2 0 m i n 。 用微量进样器取8 止，含样品的乙醇溶液滴入边长为4 m m 的i t o 玻璃片上，室温自 然干燥3 h 。干燥后的i t o 玻璃片固定在样品台上后喷铂( 增加样品的导电性) ，电 华中农业大学2 0 0 6 届硕士学位论文 流设置为3 m a ，时间为1 5 m i r d 每次。重复4 次，注意每次要间隔5 m i n 左右( 使样 品冷却) 。喷铂后即可进行电镜观察。 2 。4 7 糊化曲线测的测定 采用澳大利亚n e w p o r ts c i e n t i f i c 仪器公司生产的3 d 型r v a ( r a p i dv i s c o s i t y a n a l y s i s ) 进行快速测定，用t c w ( t h e r m a lc y c l ef o rw i n d o w s ) 配套软件进行分析。 根据a a c c ( 美国谷物化学协会) 操作规程，称取淀粉3 9 ，加入蒸馏水2 5 m l ，制备测 试样品。在搅拌过程中，罐内温度变化如下：5 0 0 下保持i m i n ；以1 2 c r a i n 的速率 上升多j 9 5 c ( 3 7 5 m i n ) ；9 5 下保持2 5 m i n ；1 2 c m i n t 降到5 0 c ( 3 7 5 m i n ) ；5 0 c 下保持1 4 r a i n 。搅拌器在起始1 0 s 内转动速度为9 6 0 r r a i n ，之后保持在1 6 0 r r a i n 。 r v a 谱特征除用最高粘度，保持粘度和最终粘度描述外，还用降落值( 最高粘 度与保持粘度之差) 、回升值( 最终粘度与最高粘度之差) 、最高粘度时日j 、糊化温度 来表示。粘度单位为c p 。 2 4 8 淀粉凝胶质构测定 配置1 0 淀粉乳，放入1 0 m l 的烧杯中，沸水浴搅拌1 5 r a i n ，室温冷却，密封， 分别置于4 c 和2 5 c 的恒温箱中，贮存2 4 h 和5 d 后测定。测试探头采用p o 5 ：探 头测试前下压速度l m m s ；测试速度和测试后的上升速度均为o 5 m m s ；测试压力 为5 9 ；探头感受到力后下压距离1 0 r a m ： 数据采集速度为1 0 p p s 。 回弹性= s 2 s 1 黏聚性= s 3 s1 黏附性= s 4 弹性= l 2 几1 硬度= f 咀嚼度= 硬度弹性黏聚性 r a m ) 胶稠度= 硬度黏聚性 2 4 9 流变特性测定 采用赵思明的方法( 赵思明，2 0 0 3 ) 。用流变仪( h a a k p 型旋转流变仪，转子型 号：m v s i n ) ，在转速n 为4 r r a i n 、$ r r n i n ，1 6 r r a i n 、3 2 r r a i n 、6 4 r r a i n 和1 2 8 r m i n 时，子5 c - - 6 0 c 下测定淀粉溶液的s 值，并计算出各自对应的剪切速率y ( y = m s ，s 一，m 为常数) 和剪切应力z ( r = a s ，p a a 为常数) 。采用幂率定律计算流变指 数q 和稠度度系数q ( p a s 。 1 4 大米淀粉物化特性、分子结构及其相关性研究 a t = 7 7 y 式中卜速度梯度或剪切速率，对于m v s i n 型转子，a - - - - - 3 0 1 ，m = 7 7