李曉娜，張莉力，楊 強，李新華,*

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院，遼寧 沈陽 110866；2.遼寧醫(yī)學院食品科學與工程學院，遼寧 錦 州 121001）

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L-半胱氨酸與發(fā)酵酸漿協(xié)同分離玉米淀粉的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)

李曉娜1，張莉力2，楊 強1，李新華1,*

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院，遼寧 沈陽 110866；2.遼寧醫(yī)學院食品科學與工程學院，遼寧 錦 州 121001）

摘 要：研究L-半胱氨酸與具有絮凝活性的發(fā)酵酸漿協(xié)同分離玉米淀粉（starch isolated by L-cysteine and fermented acid liquid，LFS） 的結(jié)構(gòu)以及直鏈淀粉含量、凝沉性、透明度、質(zhì)構(gòu)特性等理化性質(zhì)。同時測定了SO2和發(fā)酵酸漿分離玉米淀粉（starch isolated by SO2a nd fe rmented acid liquid，SFS）和商業(yè)玉米淀粉（c ommercial starc h，CS）的結(jié)構(gòu)和理化 性質(zhì)，比較不同分離方法對理化性質(zhì) 的影響。結(jié)果表明：LFS產(chǎn)生了許多分子間的羥基，SFS中的部 分C—O伸縮振動的結(jié)構(gòu)遭到破壞；LFS的直鏈淀粉含量低于SFS和CS；LFS的沉降體積小于CS；LFS的凍融穩(wěn)定性好、透明度最高，有較好的彈性與內(nèi)聚性。

關(guān)鍵詞：L-半胱氨酸；酸漿；玉米淀粉；結(jié)構(gòu)；理化性質(zhì)

淀粉主要用于食品加工、制糖、生產(chǎn)味精、氨基酸、檸檬酸、酒精等，也可用于醫(yī)藥行業(yè)、造紙業(yè)、紡織業(yè)等。淀粉的種類和分離方法影響著淀粉的理化性質(zhì)和應用。目前，市場上80%～90%的淀粉是采用濕磨工藝生產(chǎn)的玉米淀粉。玉米粒浸泡在50 ℃左右，含有0.2% SO2的亞硫酸水溶液中40～60 h，經(jīng)過粗破碎、細磨、麩質(zhì)分離等工藝得到玉米淀粉[1]。在浸泡的過程中，亞硫酸可以阻止腐敗微生物的生長，且SO2作為還原劑能夠還原包裹在玉米淀粉顆粒外層的蛋白質(zhì)的二硫鍵，破壞蛋白質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使玉米淀粉游離出來[2-4]。傳統(tǒng)的濕磨工藝中采用的SO2對設備和管道有強烈腐蝕作用，生產(chǎn)過程中揮發(fā)的SO2造成大氣嚴重污染，是導致霧霾天氣的原因之一。為了改進玉米濕磨工藝的環(huán)境污染問題，找到環(huán)境友好型的玉米淀粉生產(chǎn)方法，本實驗采用L-半胱氨酸作為還原劑與發(fā)酵酸漿協(xié)同作用分離玉米淀粉[5]。酸漿是傳統(tǒng)的甘薯淀粉生產(chǎn)中自然形成的具有微酸味的淡乳白色液體，具有凝集淀粉的能力。在生產(chǎn)淀粉的過程中加入酸漿，不但能防止腐敗微生物生長繁殖，還能加速淀粉與麩質(zhì)分離[6-12]。L-半胱氨酸是具有還原性巰基（—SH）的氨基酸，酸性環(huán)境中穩(wěn)定，中性及堿性條件下易氧化生成胱氨酸[13]。將L-半胱氨酸作為新型的還原劑替代SO2應用到玉米濕磨工藝中，不但能夠還原玉米蛋白質(zhì)分子間和分子內(nèi)的二硫鍵，釋放玉米淀粉，同時也減少了由SO2引起的環(huán)境污染問題。

酸漿不僅有利于淀粉與蛋白質(zhì)的快速分離，還有助于改善玉米淀粉的性質(zhì)，使玉米淀粉更適合粉絲的生產(chǎn)。Yuan Meilan等[14]表明玉米淀粉發(fā)酵后制得的粉絲有著較高的最大張力和應變力。劉文菊[15]指出酸漿法生產(chǎn)淀粉制成的粉絲有較高的耐煮性和柔韌性。有研究表明氨基酸的添加也影響著淀粉的理化性質(zhì)，盧靜靜[16]指出在玉米淀粉中添加賴氨酸，玉米淀粉的峰值黏度和崩解值升高，回生值降低。方玲[17]將不同類型的氨基酸加入到馬鈴薯淀粉中，采用紅外光譜測定基團變化，結(jié)果表明添加氨基酸的馬鈴薯淀粉凝膠與原淀粉凝膠相比氫鍵締合狀態(tài)的O—H伸縮振動峰型變寬，但沒有生成新的基團。由此可見，不同的分離方式影響著淀粉的性質(zhì)。本實驗采用L-半胱氨酸與酸漿協(xié)同作用分離玉米淀粉，測定了淀粉的結(jié)構(gòu)以及凝沉性、透明度、質(zhì)構(gòu)特性等理化性質(zhì)，為L-半胱氨酸與酸漿協(xié)同作用分離的玉米淀粉進一步應用提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料、試劑與培養(yǎng)基

玉米，產(chǎn)地錦州；商業(yè)淀粉（commercial starch，CS） 長春大成玉米開發(fā)有限公司；副干酪乳桿菌副干酪亞種L1，生產(chǎn)甘薯淀粉用酸漿中提取，遼寧醫(yī)學院食品科學與工程學院微生物實驗室保存。

亞硫酸、氫氧化鈉、鹽酸、L-半胱氨酸、碘、碘化鉀、乙醇、醋酸、可溶性淀粉、磷酸氫二鉀、乙酸鈉、檸檬酸氫二銨、硫酸錳、硫酸鎂、葡萄糖、吐溫-80均為分析純，溴化鉀為光譜純 國藥集團化學試劑有限公司；蛋白胨、牛肉膏、酵母膏 北京奧博星生物技術(shù)有限責任公司。

MRS培養(yǎng)基配方：蛋白胨10.0 g、牛肉膏10.0 g、酵母膏5.0 g、檸檬酸氫二銨2.0 g、乙酸鈉5.0 g、磷酸氫二鉀2.0 g、硫酸錳0.25 g、硫酸鎂0.58 g、葡萄糖20.0 g、吐溫-80 1.0 mL，水1 000 mL，pH值為6.8。

1.2儀器與設備

pHS-3C型pH計 上海雷磁儀器廠；WFJ7200型分光光度計 尤尼柯（上海）儀器有限公司；DHG恒溫鼓風干燥箱 上海精密儀器儀表有限公司；UV1600型紫外分光光度計 北京瑞麗分析儀器公司；TDL-5-A型離心機 上海安亭科學儀器廠；CT3質(zhì)構(gòu)儀 美國博勒飛公司；IR200傅里葉紅外光譜分析儀 美國尼高力儀器公司。

1.3方法

1.3.1 副干酪乳桿菌副干酪亞種L1培養(yǎng)方法

將保存在MRS固體斜面的副干酪乳桿菌副干酪亞種L1接種在無菌的MRS液體培養(yǎng)基中，30 ℃培養(yǎng)48 h[7]。

1.3.2 自然發(fā)酵玉米酸漿的制作

玉米粒加水浸泡12 h后磨漿（1∶3，m/V），用200 目篩子過濾。濾液煮沸后，冷卻，接入10% MRS培養(yǎng)基活化的副干酪乳桿菌副干酪亞種L1發(fā)酵液，使玉米漿呈酸性，除去玉米漿中的蛋白質(zhì)，靜置12 h，取上清液，調(diào)pH值至6.8左右，制成培養(yǎng)酸漿用的玉米汁。玉米汁中接入10% MRS培養(yǎng)基活化的副干酪乳桿菌發(fā)酵液，30 ℃培養(yǎng)48 h，制成玉米酸漿。之后每隔2 d，倒出2/3體積的玉米酸漿，分別兌入玉米酸漿1/3體積的玉米汁和提取淀粉后的廢棄的玉米酸漿，反復發(fā)酵培養(yǎng)[7-8]。

1.3.3 L-半胱氨酸與酸漿協(xié)同作用分離玉米淀粉（starch isolated by L-cysteine and fermented acid liquid，LFS）

50 g玉米粒破碎成6～8 瓣→加入酸漿（1∶3，m/V）→加入酸漿體積1%的L-半胱氨酸→30 ℃浸泡48 h→充分攪拌，除去浮于液面上層的胚→加入1 000 mL水磨漿→200 目過濾→濾液30 ℃攪拌1 h→靜置→除去上層漿液及麩質(zhì)→加入清水洗滌→收集淀粉→烘干→細磨后過200 目篩[5]

1.3.4 SO2與酸漿協(xié)同作用分離玉米淀粉（starch isolated by SO2and fermented acid liquid，SFS）

按1.3.3節(jié)的方法中用0.2 g/100 mL的亞硫酸取代L-半胱氨酸提取玉米淀粉，其他步驟不變。

1.3.5 直鏈淀粉含量測定

參照GB/T 15683—2008《大米 直鏈淀粉含量的測定》[18]方法測定。

1.3.6 紅外光譜分析

稱取少量樣品，放于瑪瑙研缽中研磨，再放入溴化鉀繼續(xù)研磨至混合均勻。將研磨好的混合物粉末壓片后進行紅外光譜掃描。

1.3.7 淀粉糊凝沉性質(zhì)和沉降體積測定

取1 g淀粉樣品加入100 mL蒸餾水配制成淀粉乳，在沸水浴中糊化20 min，冷卻至室溫，將淀粉乳倒入100 mL具塞量筒中，在室溫下分別放置 2、4、6、12、24、36 h記錄上清液體積。24 h后下沉的體積為淀粉糊的沉降體積。

1.3.8 淀粉糊的凍融穩(wěn)定性測定

將淀粉樣品配成6 g/100 mL的淀粉乳，取50 mL加入到塑料離心管中，在沸水浴中加熱糊化，冷卻至室溫后，加蓋置于－18 ℃冰箱中冷卻，24 h后取出室溫下自然解凍，然后在3 000 r/min條件下離心20 min，反復凍融5 次，記錄析出水的體積，計算析水率。

1.3.9 淀粉糊的透明性測定

配制質(zhì)量濃度為1.0 g/100 mL的淀粉乳，于沸水浴中加熱攪拌糊化20 min，不斷補充蒸餾水保持淀粉糊的原有體積，冷卻至室溫。在620 nm波長處以蒸餾水為空白對照，測定淀粉糊的透光率。

1.3.10 淀粉-碘復合物可見光吸收光譜分析

稱取0.5 g碘和1.0 g碘化鉀，用少量蒸餾水溶解后用蒸餾水定容至25 mL。稱取淀粉樣品 0.200 0 g，用少量體積分數(shù)為90%二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）溶液分散，溶解后用90% DMSO溶液定容至50 mL。取淀粉溶液樣品1 mL，加0.2 mL碘顯色液，用蒸餾水定容到100 mL；0.2 mL碘顯色液用蒸餾水定容到100 mL，作為空白樣。處理的淀粉樣品在420～800 nm的可見光波段進行掃描，得到淀粉-碘復合物的可見光吸收光譜圖。

1.3.11 淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)分析

取10 g/100 mL淀粉乳在100 ℃的水浴中糊化20 min，冷卻形成凝膠后用質(zhì)構(gòu)儀測定硬度、黏性、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性。測定速率0.5 mm/s，返回速率0.5 mm/s，觸發(fā)點負載3 g，探頭TA3/100，高度10 mm。

1.4數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，所有實驗重復3 次。實驗數(shù)據(jù)采用表示，數(shù)據(jù)間的差異性采用單向方差分析（one-way ANOVA），采用Duncan’s多重比較法進行顯著性檢驗（P＜0.05）。

2　結(jié)果與分析

2.1直鏈淀粉含量

表1　不同淀粉的直鏈淀粉含量Table 1 Amylose contents of different starches

直鏈淀粉含量影響淀粉的溶解度、凝膠與糊化性質(zhì)。由表1可知，LFS中直鏈淀粉含量最低，為30. 32%。這可能是由于副干酪乳桿菌L1產(chǎn)生的胞外酶導致部分淀粉水解所致。L-半胱氨酸作為氮源，有利于副干酪乳桿菌L1的生長，酸漿中加入L-半胱氨酸活性增強[19]。最適合副干酪乳桿菌L1生長的初始pH值為7.0，SO2的加入降低了酸漿的初始pH值，阻止了 副干酪乳桿菌L1的生長與代謝[7]。因此，加入L-半胱氨酸的酸漿活性高于加入SO2的酸漿，可能使水解作用增大，導致LFS的直鏈淀粉含量低于SFS。鄧福明[20]采用酸漿法分離甘薯淀粉，結(jié)果表明直鏈淀粉含量顯著降低。然而，Chang Yungho等[21]指出乳酸菌發(fā)酵沒有顯著影響綠豆直鏈淀粉的含量。這可能是由于淀粉來源不同，且采用的菌種和浸泡條件不同造成的。

2.2紅外光譜分析

圖1　直鏈淀粉的紅外光譜分析Fig.1 Infrared spectral analysis of amylose

碳水化合物中典型的締合O—H伸縮振動吸收的位移為3 434 cm－1，在締合峰中，尖銳峰型反映分子內(nèi)羥基基團和自由羥基基團的伸縮運動，寬型峰表明 淀粉分子間羥基基團的復雜伸縮振動[18,22]。由圖1可知，3 種淀粉的3 434 cm－1譜帶峰強度大而且寬，商業(yè)玉米淀粉（CS）的峰型較尖，而LFS、SFS的峰型較寬，說明加入酸漿分離玉米淀粉產(chǎn)生的許多分子間的羥基。2 930 cm－1為—CH2—伸縮振動，此峰沒有明顯的差別。2 357 cm－1是空氣中二氧化碳的振動吸收峰，這可能是測定的過程中引入的空氣 造成的。1 648 cm－1是吸附水中 H—O—H彎曲振動，1 458 cm－1是—CH2—彎曲振動，1 369 cm－1是—CH—彎曲振動，由圖1可知，不同的淀粉分離方法對這些峰值的影響較小。1 157 cm－1附近的吸收峰是C—O—C伸縮振動，1 080 cm－1為與仲醇羥基相連的C—O的伸縮振動吸收峰，1 016 cm－1是D-吡喃葡萄糖環(huán)中C—O—C基團上的C—O伸縮振動[23]。SFS樣品在1 157～1 016 cm－1區(qū)域的吸收峰消失，可能是淀粉分離過程中C—O伸縮振動的結(jié)構(gòu)遭到破壞。925 cm－1是C—O—C的對稱伸縮振動，SFS此處的吸收峰較弱，860 cm－1是D-吡喃糖苷鍵特征吸收，765 cm－1是吡喃糖環(huán)呼吸振動此區(qū)域3 種淀粉的吸收峰基本相同。575 cm－1是—CH2—搖擺振動吸收峰，SFS此處的吸收峰強度低于其他兩種樣品。與商業(yè)淀粉的紅外光譜相比，L-半胱氨酸與酸漿協(xié)同作用分離的玉米淀粉沒有新的基團產(chǎn)生。

2.3淀粉糊凝沉性質(zhì)和沉降體積

淀粉糊的凝沉性反映了淀粉糊的老化程度。淀粉糊化后，在冷卻的過程中，分子進行重排，直鏈淀粉分子和支鏈淀粉分子上的直鏈通過氫鍵互相結(jié)合，使淀粉分子脫水收縮，持水能力 降低[24]。影響淀粉糊凝沉性質(zhì)的因素包括淀粉分子的大小、直鏈淀粉含量以及聚合度等。直鏈淀粉含量越高越易發(fā)生老化，凝沉性越強[25]。由圖2可知，LFS的沉降體積最小（75%），CS的最大（80%）。而CS凝沉性質(zhì)始終強于酸漿分離的玉米淀粉。當靜置24 h之后，凝沉體積趨于穩(wěn)定。這主要是由于酸漿降低了直鏈淀粉的含量和淀粉結(jié)晶度，淀粉與水分子間的結(jié)合能力增強。

圖2　不同淀粉糊的凝沉性Fig.2 Retrogradation of different starches

2.4淀粉糊的凍融穩(wěn)定性

淀粉糊凍融穩(wěn)定性反映了淀粉應用到冷凍制品或低溫冷藏制品的能力。解凍過程中，由于淀粉鏈中分子內(nèi)和分子間氫鍵的相互作用，淀粉分子締合形成分子聚合體，淀粉分子的持水能力降低，淀粉糊脫水收縮[26]。解凍后的析水率是評價淀粉凍融穩(wěn)定性的 重要指標，析水率越低，凍融穩(wěn)定性越好。淀粉糊凍融穩(wěn)定性與直鏈淀粉含量有關(guān)，直鏈淀粉含量高，凍融穩(wěn)定性差[27]。由圖3可知，隨著凍融次數(shù)的增加，析水率增加。在不同的凍融次數(shù)中，LFS的析水率最低，CS的析水率最高，因此CS的凍融穩(wěn)定性最差。這可能是由于直鏈淀粉含量高，淀粉糊在解凍過程中更容易重新排列和締合而發(fā)生凝沉現(xiàn)象[27-28]所致。

圖3　淀粉糊析水量與凍融次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Effect of freeze-thaw cycles on the syneresis of starch pastes

2.5淀粉糊的透明性

淀粉糊的透明性影響著淀粉的加工品質(zhì)。透明性與淀粉的凝沉性質(zhì)有關(guān)，易凝沉淀粉的透明性差。通常采用透光率來表示淀粉糊透明度。透光率高，表示淀粉與水結(jié)合能力強，透明度大[20]。影響透明度因素包括膨脹顆粒的大小及直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例，膨脹顆粒尺寸越大，支鏈淀粉含量越多，透明度越高[26-28]。由表2可知，LFS的透光率最高，CS的透光率最低，這主要是由于LFS的直鏈淀粉含量較低，糊化后不易發(fā)生老化，透明度增大所致。

表2　淀粉糊的透明度Table 2 Transparency of starch pastes

2.6淀粉-碘復合物可見光吸收光譜分析

淀粉-碘復合物可見光吸收光譜反映了淀粉與碘的結(jié)合能力。最大吸收波長能夠反映淀粉中直/支鏈淀粉比例，這是由于直鏈淀粉與碘形成螺旋絡合結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)深藍色；支鏈淀粉每個分支平均長度較短，與碘分子絡合的數(shù)目較少，顏色較直鏈淀粉淺，直鏈淀粉分子鏈越長，最大吸收波長越大[29]。由表3可知，LFS的淀粉-碘復合物的最大吸收波長為610 nm，低于SFS與CS，其對應的吸光度為0.24。這是由于在L-半胱氨酸與酸漿的作用下，LFS的直鏈淀粉含量降低，因而最大吸收波長減小。

表3　淀粉-碘復合物吸收特征值Table 3 Absorption characteristics of starch-iodine complexes

2.7淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)分析結(jié)果

淀粉凝膠的硬度、彈性、咀嚼性等特性影響著淀粉凝膠產(chǎn)品的加工品質(zhì)。通常采用質(zhì)構(gòu)儀測定淀粉凝膠在受壓后的特征值變化。硬度是第一次壓縮時的最大感應力。直鏈淀粉的含量影響淀粉凝膠的硬度，直鏈淀粉含量越高，硬度越大。內(nèi)聚性是指對二次壓縮的相對抵抗能力，直鏈淀粉含量越多，內(nèi)聚性就越大，淀粉凝膠口感越差。黏性是反映探頭由于測試樣品的黏著作用所消耗的功，支鏈淀粉的含量越高，淀粉凝膠的黏性越大。而彈性是指樣品經(jīng)過首次壓縮后能夠再恢復的程度[31-33]。3 種樣品的質(zhì)構(gòu)特征值見表4，LFS的硬度最小，黏性最大，這是由于LFS的直鏈淀粉含量降低，淀粉不易回生，因此淀粉凝膠的硬度降低，黏性減小。LFS有較好的彈性，內(nèi)聚性也高于CS與SFS。LFS與SFS的咀嚼性低于CS，可見酸漿處理后的樣品咀嚼性略有下降。

表4　淀粉質(zhì)構(gòu)特征值Table 4 Textural parameters of corn starch gels

3　結(jié) 論

L-半胱氨酸與發(fā)酵酸漿協(xié)同分離的玉米淀粉沒有新的基團產(chǎn)生，但部分C—O伸縮振動的結(jié)構(gòu)被破壞。與商業(yè)淀粉相比，酸漿與L-半胱氨酸協(xié)同作用分離的玉米淀粉直鏈淀粉含量降低。LFS的沉降體積小，凍融穩(wěn)定性提高，透明度增大。質(zhì)構(gòu)分析表明LFS的硬度較小，彈性較高。由實驗結(jié)果可以看出，L-半胱氨酸與發(fā)酵改善了玉米淀粉的性質(zhì)，使玉米淀粉適合應用于冷凍制品、冷飲以及面條制品中。酸漿與L-半胱氨酸協(xié)同作用分離的玉米淀粉的功能性以及在產(chǎn)品中的應用有待進一步研究。

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Structure and Physico-chemical Properties of Corn Starch Separated by Synergis tic Reaction of L-Cysteine and Fermented Acid Liquid

LI Xiaona1, ZHANG Lili2, YANG Qiang1, LI Xinhua1,*
(1. College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China;2. College of Food Science and Engineering, Liaoning Medical University,Jinzhou 1 21001, China)

Abstract:The structure and physico-ch emical properties inclu ding amylose content, retrogradation, transparency and texture properties of corn starch separated by a combination of L-cysteine and fermented acid liquid (LFS) with flocculating activity were studied. Also, we compared the effects of different se paration methods on starch properties by determining the structure and physico-chemical properties of corn starch separated by SO2and fermented acid liquid (SFS) and commercial corn starch (CS). The results showed that LFS could form many intermolecular hydroxyls and the C—O stretching vibration of SFS was partially destroyed. Amylose content of LFS was lower than that of SFS and CS. The sedimentation volume of CS was higher than that of LFS. The freeze-thaw stability and transparency of LFS was greatest. LFS had a good gumminess and cohesiveness. These results provide a theoretical basis for the application of LFS.

Key words:L-cysteine; fermented acid liquid; corn starch; structure; physico-chemical properties

doi:10.7506/spkx1002-6630-201507001

中圖分類號：TS231

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6630（2015）07-0001-05

*通信作者：李新華（1955—），男，教授，博士，研究方向為糧油加工與轉(zhuǎn)化。E-mail：lixh.syau@163.com

作者簡介：李曉娜（1983—），女，博士研究生，研究方向為糧油加工與轉(zhuǎn)化。E-mail：lxn830427@163.com

基金項目：國家自然科學基金面上項目（31171782）

收稿日期：2014-05-19