白酒酿造中原粮淀粉水解的影响因素研究

田海霞 张宇 杨彤彤

前言

淀粉作为一种葡萄糖分子聚合而成的多糖，是粮食的主要组成成分，因其是一种植物体内储藏的高分子碳水化合物，可被作为人体的主要能源物质，淀粉具有较高的营养价值和利用价值，不仅可以为人体供能，还可以缓解低血糖;在体内转化成脂肪，起到增肥作用;还可以在生活中被作为调味品进行提味增鲜。淀粉在各类植物中的含量都较高，制酒时所用的原料中的淀粉含量数据是判断其品质是否合格和对其定等定级，从而确定是否可以被利用的重要依据。因此，其测定方法也一直在被不断地探索研究。粮食中淀粉的测定方法有多种，可以分为直接测定法和间接测定法。因为间接测定法适用于所有食品基质，具有较好的实验室间重现性，是淀粉测定的经典方法，所以在GB 5009.9-2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》中为粮食的测定提供酶水解法和酸水解法两种。淀粉一般有直链淀粉和支链淀粉两种。直链淀粉为无分支的螺旋结构，不利于和水分子形成氢键，而支链淀粉则由于其同时含有α-1，4-糖苷键和α-1，6-糖苷键，其可以与水分子结合形成氢键。一般来说，这两种淀粉都可以被水解。蒋雁等人通过用酶水解法和酸水解法两种方法对高粱、小麦、大麦、玉米和稻谷进行对比实验后发现，用酸水解法得到的淀粉回收率更高，而酶水解法在样液制备时所用试剂较酸水解法更多，操作更复杂，时间更长，成本也较高。所以，在测定淀粉时，酸水解法被广泛使用。但是酸水解法中仍然有很多细节问题需要探讨，淀粉在水解反应时先生成分子量较小的糊精（淀粉不完全水解的产物），糊精持续水解生成麦芽糖，最终水解产物是葡萄糖，加入盐酸的主要作用是使淀粉颗粒的结构发生微调，引起水溶液或者使溶胶体系中离子强度发生变化，使得淀粉糊化时黏度降低，崩解值增高，从而降低反应的活化，催化淀粉水解。蔡晶等人通过GPC方法，以葡聚糖为标样，对淀粉水解得到的产物分子量进行计算得出，在水解反应各因素中反应温度的影响最大 ，但是盐酸浓度的高低和水解时间的长短对淀粉水解也会存在一定影响。一般来说，盐酸浓度和水解温度越高，水解速度也越快，但是高浓度或低浓度对淀粉的具体影响还未可知。另外，目前暂无研究人员通过单因素实验对淀粉水解的影响因素进行判断，因此，本文通过使用不同浓度盐酸在不同温度、不同时间下对小麦中的淀粉进行水解，再根据淀粉水解成葡萄糖后利用葡萄糖分子所含醛基的还原性，与斐林氏剂及指示剂发生化学反应的原理来进行定量测定，从而确定可以使淀粉达到最大水解的最佳盐酸浓度、最佳处理时间和最佳处理温度。

一、材料与方法

（一） 材料与试剂

颗粒饱满，完整的新鲜小麦（产地：张掖民乐）。

浓盐酸（36.5%）分析纯度，临沂东毅化工有限公司。

氢氧化钠（20%）分析纯度，济宁辉鹏化工有限公司。

1%次甲基蓝指示剂，按标准配制方法配制。菲林试剂甲、乙液，现配现用。

（二）主要仪器

玻璃器具：250mL三角瓶，250mL容量瓶，50mL量筒，5mL吸管，漏斗，250mL大口碘量瓶，50mL反滴定管。

（三）实验方法

本实验将所用盐酸的浓度及其对淀粉水解处理时间和处理温度设置为可变因素进行单因素实验，从而确定用盐酸水解淀粉时，可以使淀粉达到最大水解的最佳工艺。

（四）预处理

试样粉碎：取100g试样，使用小型高速粉碎机粉碎至粉末状，通过40目分样筛。

（五）水解液的制备

称取1.5g麦粉于250g的锥形瓶中，加入一定浓度的盐酸，放入数显六孔水浴锅中水解一定时间后取出，冷却，使用NaoH溶液调节其pH至中性（黎威巍等人在优化盐酸浓度、水解时间和NaoH量时提出，中和时所用的NaoH有一个最佳用量，这個最佳用量要根据颜色反应和试纸反应进行及时判断），所以在此实验中使用20%的NaoH溶液，中和后定容至250mL，用脱脂棉或滤纸过滤得到水解液。

（六）滴定分析

吸取斐林试剂甲、乙液各5mL，加20mL水，共2组。第一组加入15mL水解液，放置可调式封闭电炉上煮沸2min，溶液由蓝色变至鲜红色，加入次甲基蓝指示剂，恢复蓝紫色，开始进行预滴定，直至蓝紫色消失表示滴定完成，记录消耗水解液体积。在第二组中加入比消耗体积少1mL的水解液后，依照预滴定方法进行正式滴定，滴定完成后根据葡萄糖产率折算出淀粉含量。

（七）计算

（八）正交实验

加入适量盐酸开始水解后，以水解温度、酸的浓度和水解时间为因素，分别取60℃、100℃;1mol/L、2mol/L和1.5h、2h三个水平做正交实验考察水解反应的影响因素。通过表2中的极差分析得出结论：相比浓度和时间，处理温度对淀粉水解影响较大。由此得出，常压条件下，在100℃下可以使淀粉达到最大水解，见表2。

（九）单因素试验

通过正交实验确定最佳水解温度后，考虑到盐酸浓度和水解时间对淀粉水解率也会有影响，此时将盐酸的处理浓度、水解时间作为变量进行单因素实验，从而确定淀粉可以达到最大水解的盐酸浓度和水解时间，同时将水解温度也设为变量，进一步验证淀粉的最佳水解温度。

变量处理：将盐酸的处理浓度、处理时间、处理温度设为变量，见表3。

二、结果与分析

通过图1分析得出，淀粉水解完全所需时间长短与所用盐酸的浓度相关，且成正比，1.5g麦粉分别用0.5mol/L、2mol/L、2.5mol/L、3mol/L、4mol/L、6mol/L的盐酸在100℃下水解2h后，测定的淀粉含量分别是36.1%、63.97% 、63.68%、 63.85%、60.3%、51.2%;用0.5mol/L的盐酸水解反应2h 后，淀粉基本未被水解;用2mol/L的盐酸水解可以使淀粉含量高达63.97%。所以，可以得出水解淀粉时所用的最佳浓度为2mol/L，用稀释定律C1V1=C2V2转换计算体积为1：5（实验所用盐酸物质的量浓度一般为12mol/L）。由图2分析得出，1.5g麦粉用2mol/L的盐酸分别在50℃、60℃、75℃、88℃、100℃的温度下水解2h后得到的淀粉含量为别为1.12%、28.5%、34.6%、56.4%、63.97%，在50℃下淀粉基本未被水解，淀粉含量随水解温度升高不断增加。由此可以得出，在100℃下对淀粉进行水解可以使淀粉达到完全水解。由图3分析得出，淀粉是否水解完全与水解时间也相关。实验表明，用2mol/L的盐酸在100℃分别水解1.5h、2h、 2.5h、3h后，得到的淀粉含量分别为59.2%、63.97%、61.5%、60.8%，水解1.5h时淀粉含量明显偏低，水解3h淀粉含量也会降低。由此得出，水解2h即可达到完全水解。

结语

实验表明，过低的盐酸浓度会大大降低水解反应的速度，导致淀粉不能被完全水解;过高的盐酸浓度，淀粉含量会出现先高后低的情况，可能因为糊化黏度随着盐酸浓度的增加而降低，也可能因为盐酸浓度过高出现了相应的副反应，给后面的中和以及脱盐步骤带来压力，消耗部分淀粉，从而导致淀粉含量出现相应的降低。此外，淀粉在水解时所用的时间不能过长也不能过短，由于氢离子能腐蚀非结晶区和结晶片层间的直链淀粉和支链淀粉，从而使淀粉破碎质量减小而使水解率增大。而时间过长则会因为分子间氢键的增强导致淀粉不易被完全水解。汪铁桥等人也在研究中指出，在一定浓度下，水解完全后，延长水解时间会在一定程度上增加副反应产物。由此可以得出，水解时间与水解时所用的盐酸浓度相关，增加盐酸浓度即要相应缩短水解时间，在水解淀粉时要根据盐酸与淀粉比例确定适当的水解时间。根据实验结果，淀粉水解程度与水解温度呈正相关。当水解温度过低时，淀粉水解速率会大大降低。Jheng Hua Lin等人将淀粉在含一定浓度盐酸的甲醇中45℃下处理1h后发现，直链淀粉浸出程度与链长发生变化，但是支链淀粉没有改变。在这里理解到的一种可能性为此种条件下只对淀粉的无定形区域进行了水解，对淀粉的结晶区产生的作用极小，所以水解温度低于50℃，淀粉水解含量极低，随着温度上升，水解速率增加，淀粉含量也会不断增加。由于小麦淀粉中的淀粉有两种不同大小的颗粒，小颗粒易糊化，在较低温度下即可糊化，而大颗粒需要在较高温度下糊化，所以小麦淀粉水解时对应的温度也需相应偏高。综上，在100℃下，使用2mol/L的盐酸对麦粉水解2h即可使淀粉达到完全水解，得到最大葡萄糖产率。