不同类型大米淀粉物化特性的研究

蔡沙++何建军++徐瑾++施建斌++陈学玲++关健

摘要：以不同类型的大米为原料，采用碱提法制备大米淀粉，分析了大米和大米淀粉的成分以及大米淀粉的物化特性。结果表明，粳米中蛋白质及Ca含量最高，分别为7.51%和98.80 mg/kg，糯米中淀粉及Fe含量最高，分别为74.77%和14.00 mg/kg；糯米淀粉的水溶性蛋白质含量和透光率较高，分别为10.74 μg/g、48.60%，而直链淀粉含量及碘蓝值较低，仅为1.50%和0.05；3种淀粉平均粒径均为5 μm左右，平均聚合度在53左右；大米淀粉糊化后的黏度随着剪切应力的增大表现出假塑性流体的特征，不同类型淀粉黏弹性大小顺序为粳米淀粉>籼米淀粉>糯米淀粉；籼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值明显降低，重结晶的晶形完整程度不如原晶体，热稳定性也比原晶体差。

关键词：大米淀粉；物化特性；流变特性

中图分类号：TS232 文献标识码：A 文章编号：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

大米是世界半數以上人口的主要粮食，也是中国的重要农产品。近几年来，中国稻谷年产量连续稳定在1.8～2.0亿t，占全国粮食总产量的40%[1-3]。大米中含碳水化合物75%左右，蛋白质7%～8%，所含的蛋白质主要是米谷蛋白质，其次是米胶蛋白质和球蛋白质，其蛋白质的生物价和氨基酸的构成比例都比小麦、大麦、小米、玉米等谷类作物高，消化率介于66.8%～83.1%，也是谷类蛋白质中较高的一种，因此，大米具有很高的营养价值。

大米大致可分为籼米、粳米和糯米3种类型。不同类型的大米淀粉物化特性和流变特性存在一定的差异。大米淀粉的碘蓝值、酶解力与淀粉直链和支链的比例、分子量大小、颗粒的结构等有着密切的关系，这些差异导致在糊化升温的过程中直链淀粉溶出的难易程度不同，在冷却过程中淀粉分子重新缔合形成凝胶的能力不同，在糊化曲线上反映出不同的特性[4-6]。梁丽松等[7]在研究板栗的品种、粒径和糊化特性等的相关性时发现，板栗的直链淀粉含量和糊化峰值黏度可以作为衡量板栗糯性品质的指标。丁文平等[8]对8种大米淀粉的回生特性进行研究时发现，直链淀粉通过参与支链淀粉晶核的形成来影响支链淀粉的重结晶过程，但不参与支链淀粉后期晶体的生长和稳定。

本研究以3种不同类型大米为原料，测定大米中各成分的含量，并采用碱法得到高纯度大米淀粉，对大米淀粉进行理化指标的测试，比较它们在碘蓝值、透明度上的差异，利用旋转流变仪和DSC等测定其流变特性和糊化特性，研究大米淀粉碘蓝值对糊化过程中糊化温度、峰值黏度、最低黏度等参数的影响，为探寻大米淀粉糊化、老化的机理，抑制和利用大米淀粉糊化、老化特性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

粳米、籼米、糯米为市售（湖北）。MJ33型快速水分测定仪，瑞士梅特勒-托利多梅特勒公司；2300型全自动凯氏定氮仪，瑞典Foss公司；DSC200F3型差示量热扫描仪，德国耐驰科学仪器公司；FEI Quanta 200型扫描电镜，荷兰FEI公司；ICP6300型全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪，美国Thermo Jarrell公司；2 800 UV/VIS型紫外可见分光光度计，尤尼柯上海仪器有限公司；RU-200B/D/MAX-RB型转靶X射线衍射仪，日本理学株式会社；Mastersizer2000型马尔文粒度仪，英国马尔文仪器有限公司； Haake RheoStress 6000型旋转流变仪，Thermo Fisher Scientific公司。

1.2 方法

1.2.1 大米中各成分的测定 大米粉中水分、灰分、蛋白质、脂肪、淀粉、矿物质元素含量分别按照标准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进行测定。大米淀粉中水溶性蛋白质的测定参照史俊丽[1]的方法。配制2%的淀粉乳，搅拌30 min后于3 000 r/min离心20 min，取0.5 mL上清液加5 mL考马斯亮蓝，振荡均匀，2 min后于595 nm波长处测定吸光度。以牛血清蛋白质为样品制作标准曲线，得标准曲线方程为：y=0.005 7x+0.078 8（R2=0.993 3）。大米淀粉中直链淀粉含量的测定采用GB/T15683-2008的方法。

1.2.2 大米淀粉碱提工艺 大米清洗后，按1∶5的比例于蒸馏水中浸泡24 h，打浆，离心，弃上清液。收集沉淀并将之与0.2%的NaOH溶液以1∶5的比例混匀，于37 ℃下低速振荡反应24 h，反应液于5 000 r/min离心10 min，收集沉淀，反复水洗，室温下离心（5 000 r/min，10 min）弃去上清液，沉淀多次水洗至上清液为中性，沉淀冷冻干燥后粉碎过200目筛，即得大米淀粉。

1.2.3 大米淀粉透明度、碘蓝值测定

1）大米淀粉透明度的测定。配制0.2%的淀粉乳，在沸水浴中搅拌加热30 min，冷却至室温，振荡均匀，以蒸馏水作空白，用分光光度计于620 nm波长下测定透光率。

2）大米淀粉中碘蓝值的测定。取0.25 g淀粉，用1 mL无水乙醇润湿，加入10 mL 0.5 mol/L的KOH溶液，在沸水浴中振荡至样品完全分散溶解，冷却后定容至50 mL。取0.5 mL样液加入10 mL蒸馏水，调节pH至3.0，加入0.5 mL碘试剂，用蒸馏水定容至100 mL，静置15 min后用分光光度计于620 nm波长下比色。

空白对照蒸馏水中加入0.5 mL 0.1 mol/L的HCl和0.5 mL碘试剂后定容至100 mL。

1.2.4 大米淀粉结构特性

1）大米淀粉粒徑分布。采用Mastersizer 2000粒径分布仪测定，将一定量的样品加入到水中，在转速为2 000 r/min的条件下测定，得粒径分布图。

2）大米淀粉的颗粒形态。采用Quanta-200扫描电子显微镜观察淀粉的表面形态。将喷金的样品放于薄层双面胶上再进行真空镀膜，放大倍数为5 000倍。

3）大米淀粉平均聚合度的测定。采用还原末端法测定大米淀粉的平均聚合度。称取400 mg淀粉样品，溶解于2 mol/L的KOH溶液中，充分溶解，再用HCl调pH至中性，定容至100 mL。取1 mL溶液用3，5-二硝基水杨酸法测还原末端的数量，得到数据GR（以葡萄糖的量表示）。

平均聚合度=■

式中，W为淀粉样品的质量400 mg；1.1为淀粉换算成葡萄糖的系数；V为定容的体积100 mL。

4）X-射线衍射扫描。特征射线CuKα，管压40 kV，电流50 mA，扫描区域2θ（3～60°），扫描速度 10 °/min，射线波长λ=1.540 6？魡。

参照史俊丽[1]的方法计算相对强度、面间距、结晶度。相对强度I=2θ的衍射强度/最大衍射强度；面间距d（？魡）=λ/2sinθ；结晶度Wx=结晶区面积重量/（结晶区面积重量+非结晶区面积重量）。

1.2.5 大米淀粉流变特性的研究

1）大米淀粉黏弹性的测定。准确称取0.964 g淀粉，加入10 mL蒸馏水，配成8.8%的淀粉乳。将淀粉乳脱气后置于旋转流变仪测试平台。测定选用60 mm、1°的锥板，设置间隙为0.05 mm，剪切速率200 s-1，温度变化程序为：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。

将流变仪温度设为65 ℃，对糊化后的大米淀粉凝胶进行黏弹性扫描，范围为0.1～100 Pa，频率控制在1 Hz。

2）大米淀粉黏度的测定。由上述试验得出大米淀粉的线性黏弹区间在0.1～10 Pa，对糊化后的大米淀粉凝胶进行黏度测定，在稳态剪切模式下，夹具仍使用60 mm、1°的锥板，设置间隙为0.05 mm，温度保持在65 ℃。

1.2.6 大米淀粉的热特性分析 称取3 mg淀粉样品于杜邦液体坩埚中，按1∶2的比例（W/W）加入去离子水，密封后隔夜放置平衡。用DSC分析大米淀粉糊化的热特性，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 ℃；经DSC糊化后的样品在4 ℃下存放4 d和7 d以后再重新用DSC进行回生热特性的测定，测定程序同糊化热特性的测定。

利用DPS7.05软件进行数据统计分析，数据均以均值±标准差（mean±SD）表示，显著水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同类型大米主要成分含量

不同类型大米主要成分含量如表1所示，3种大米中水分和脂肪的含量相差不大，无显著性差异（P<0.05）。糯米中灰分含量显著高于粳米和籼米（P<0.05），达到1.44%。粳米和籼米中蛋白质含量显著高于糯米（P<0.05），而糯米中淀粉含量最高，为74.77%。所测定5种矿物元素中，大米中K含量最高，Ca次之，Zn、Mn、Fe含量较为相近，其中籼米中K含量高达680.00 mg/kg，粳米中Ca含量亦达到98.80 mg/kg。由表1可知，不同类型大米淀粉中水溶蛋白质、直链淀粉含量均存在显著性差异（P<0.05），糯米淀粉中水溶性蛋白质含量最高，达10.74 μg/g，粳米中水溶性蛋白质含量最低，仅为3.19 μg/g；籼米淀粉中直链淀粉含量最高，达23.90%，糯米淀粉中直链淀粉含量最低，仅为1.50%。

2.2 不同类型大米淀粉透明度、碘蓝值

不同类型大米淀粉中淀粉透明度和碘蓝值如表2所示。从表2中可以看出，不同類型大米淀粉中淀粉透光率和碘蓝值均存在显著性（P<0.05）差异。糯米淀粉透光率最高，达48.60%，粳米淀粉透光率最低，仅为43.80%；籼米淀粉碘蓝值最大，达0.67，糯米淀粉碘蓝值最小，仅有0.05。碘蓝值可间接表示淀粉中直链淀粉含量，碘蓝值越大，直链淀粉含量越高。

2.3 大米淀粉结构特性

2.3.1 大米淀粉粒径分布 图1为3种大米淀粉的粒径分布情况，3种大米淀粉的平均粒径分别为粳米5.40 μm，籼米5.36 μm，糯米5.06 μm。由图1可知，大米淀粉粒径绝大部分在15 μm以内，且3种大米淀粉均有两个粒径分布峰，糯米淀粉粒径较小峰分布范围为0.5～2.0 μm，峰值粒径约为1.50 μm，较大峰分布范围为2.0～15 μm，峰值粒径为约为6.5 μm；粳米和籼米粒径分布基本一致，较小峰分布范围为0.5～2.5 μm，峰值粒径约为1.50 μm，较大峰分布范围为2.5～15.0 μm，峰值粒径约为8.0 μm，位于粒径小峰区间内大米淀粉占总量的18%。李玥等[9]亦对大米淀粉粒径进行探讨，其研究结果相似，大米淀粉的颗粒粒径绝大部分在10 μm以内，并呈现两个粒径分布峰；第一个粒径分布峰平均粒径为1.25 μm，所占的百分比为20%左右；第二个粒径分布峰的平均粒径为4.5～5.6 μm，所占的百分比为80%左右。

2.3.2 大米淀粉电镜扫描情况 不同类型大米淀粉电镜扫描如图2所示。从图2中可以看出，大米淀粉颗粒均呈现多边形，3种类型大米淀粉中部分淀粉颗粒均呈现不同程度的破损。

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对分子质量大小的重要指标，分子聚合度越大，分子链越长。由表3可知，粳米、籼米、糯米淀粉的DP值分别为79.62、68.84、78.36，籼米淀粉的DP值和其他两种淀粉存在显著性差异（P<0.05）。与陈磊[10]所测定的结果相比偏小，其所测的大米淀粉的平均聚合度为183，淀粉热处理后的平均聚合度为175，不同用量的普鲁兰酶脱支处理8 h，样品的平均聚合度随着酶用量的增加而下降，平均聚合度为48.80～66.75。这主要是因为制备大米淀粉的方法不同，陈磊采用的是酶法制备大米淀粉，而本研究采用的是碱提法制备，同时大米的品种上也存在着一些区别，因此制备的大米淀粉在结构和性质上存在着不同。

2.3.4 大米淀粉的X-衍射射线图谱 由图3和表4可知，3种大米淀粉的特征衍射峰都是由4个峰组成，在2θ分别在15.00、16.90、17.80、22.80°附近有特征衍射峰，与余世峰[11]所报道的大米淀粉为典型的A型图谱且2θ在15、17、18°和23°基本一致。3种大米淀粉的结晶度不同，其中糯米淀粉>粳米淀粉>籼米淀粉，这可能是与直链/支链淀粉比例有关[12]。从图3还可以看出，糯米淀粉中的衍射峰较为尖锐，这是因为淀粉的微结晶结构主要是由支链淀粉分子外链平行排列，通过相邻羟基之间形成氢键组成的分子簇，而糯米淀粉中支链淀粉含量较高，因此结晶度高且晶粒较大，内部质点排列更规则[1]。

2.4 大米淀粉流变特性

振荡试验是测定试样黏弹性的方法之一，其中G′和G″分别代表储能模量（弹性）和损耗模量（黏性）。3种大米淀粉糊化后黏弹性曲线如图4所示。由图4可知，3种大米淀粉黏弹性大小顺序为粳米淀粉>籼米淀粉>糯米淀粉，说明粳米淀粉的交联程度和凝胶强度最大，与李玥等[9]测定的结果相同，可以看出淀粉糊化后的G′值随着直链淀粉含量的增大而升高，说明直链淀粉含量越高，淀粉糊化后的弹性特征越明显。

大米淀粉糊化后的黏度随剪切应力的变化曲线如图5所示，3种淀粉糊黏度随剪切应力变化趋势相同，均呈先趋于稳定后小幅下降最后急剧下降三个阶段变化趋势。在低剪切应力（1～10 Pa）下，剪切力对糊化后淀粉黏度影响较小，淀粉浆呈现牛顿流体特征。而在高剪切应力（10～1 000 Pa）下，随着剪切应力的增大，淀粉浆呈现出剪切变稀的假塑性流体特征。黏度开始下降时拐点处的剪切应力称为屈服应力，粳米淀粉屈服应力为52.82 Pa，籼米淀粉屈服应力为13.95 Pa，糯米淀粉屈服应力为13.95 Pa。在相同剪切应力下，粳米淀粉糊黏度更高。

2.5 大米淀粉的热特性分析

DSC可以用来测定淀粉的有序结构在被破坏的过程中热焓的变化情况。由表5可知，3种淀粉糊化的TO、TP、TC值大小顺序为籼米淀粉>粳米淀粉>糯米淀粉，这与3种淀粉中直链淀粉含量呈正比；而3种淀粉的ΔH值大小顺序则完全相反。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，仅为36.70 ℃，下降了28.60 ℃；籼米淀粉Tc值下降幅度最小，仍有77.10 ℃，仅下降11.30 ℃，与此同时，3种淀粉从To至Tp的温度范围变大。随着回生时间延长，籼米淀粉Tc值以及糯米淀粉To值变化较为明显，粳米和籼米淀粉ΔH值升高，而糯米淀粉ΔH值降低，其他指标无明显变化。同样的，糊化后的淀粉经过7 d存放，测定的回生TO、TP、TC和ΔH都有所下降，但下降趋势并不明显，说明回生4 d和回生7 d的差别并不大。与李玥等[9]的试验结果相似，不同类型的淀粉之间，糊化的To、Tp和Tc随着直链淀粉含量的增大而升高，但是ΔH没有明显的差异。糊化后的淀粉经过7 d存放，测得的回生To值在39.60～42.50 ℃之间，比糊化时的55.30～69.30 ℃要低，ΔH也由原来的3.65 J/g以上，降低至2.69 J/g以下，说明重结晶的晶形完整程度不如原晶体，热稳定性也比原晶体差。粳米淀粉、籼米淀粉和糯米淀粉因淀粉本身类型和直链淀粉含量的不同，表现出的淀粉的糊化特征也不尽相同，糊化特性参数与大米淀粉中直链淀粉含量存在相关性[13]。

3 结论

对于不同类型的大米，粳米中蛋白质含量最高为7.51%，其中含有3.19 μg/g（淀粉）的水溶性蛋白质；籼米中蛋白质含量为7.36%，其中含有5.65 μg/g（淀粉）的水溶性蛋白质；糯米中蛋白质含量为6.39%，其中含有10.74 μg/g（淀粉）的水溶性蛋白质。籼米和糯米中的淀粉含量分别为74.72%和74.77%，略高于粳米中淀粉含量（71.45%）。糯米中钙元素含量最低仅有53.80 mg/kg，铁元素含量最高达到14.00 mg/kg；碘蓝值也是最低的，为0.05。

对大米淀粉颗粒的形态和粒径进行分析发现，不同大米淀粉颗粒均呈现多边形，3种淀粉颗粒的粒径都在5 μm左右，聚合度在53左右，部分淀粉顆粒表面出现了凹坑。此外，还对3种大米淀粉的晶体结构进行分析发现，3种大米淀粉都是由4个衍射峰组成，分别在2θ=15.00、16.90、17.80、22.80°附近有特征衍射峰，糯米淀粉的结晶度>粳米>籼米。对于流变特性而言，大米淀粉糊化后的黏度随着剪切应力的增大表现出假塑性流体的特征，粳米淀粉黏弹性>籼米淀粉>糯米淀粉。通过比较大米淀粉的糊化特征参数和黏弹性特征曲线，并进行相关性分析，可以发现储能模量G′和屈服应力与大米淀粉的糊化峰值温度呈正相关，即糊化峰值温度越高，其G′和屈服应力的值也越高。说明淀粉颗粒越不容易膨胀破损，其形成的淀粉糊的弹性越大，抗剪切能力越强。对于糊化特性而言，3种淀粉糊化的TO、TP、TC随着直链淀粉含量的增大而升高，而ΔH则呈现相反的变化趋势。糊化后的淀粉经过4 d存放，测得的回生TO值比糊化时要低，ΔH也由原来的3.65 J/g以上降低至2.89 J/g以下，说明重结晶的晶形完整程度不如原晶体，热稳定性也比原晶体差。同样的，糊化后的淀粉经过7 d存放，测定的回生TO、TP、TC和ΔH都有所下降，但下降趋势并不明显，说明回生4 d和回生7 d的差别并不大。

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