全 文 ：现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2014, Vol.30, No.7
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蒸汽爆破处理对籼米淀粉分子结构的影响

李光磊 1，张国丛 2，刘本国 1，李飞 1，马汉军 1，孙俊良 1
（1.河南科技学院食品学院，河南新乡 453003）（2.石家庄市农林科学研究院，河北石家庄 050041）
摘要：本文研究了蒸汽爆破作用强度对籼米淀粉分子结构的影响。采用蒸汽爆破的方法对籼米淀粉进行处理，利用凝胶色谱、
紫外光谱和红外光谱等分析手段研究汽爆压力、维压时间和淀粉样品水分含量对籼米淀粉分子结构的影响。结果表明，籼米淀粉经蒸
汽爆破处理后，随着爆破压力、爆破时间以及样品水分含量的增加，籼米淀粉分子量下降，短链片段所占比例增加，中间级分吸收峰
逐渐消失；汽爆处理后的籼米淀粉分子链聚合度降低，紫外光谱最大吸收波长发生兰移现象；随着汽爆强度增加，淀粉分子链断裂产
生的醛基增多，红外光谱 1650 cm-1处醛基吸收峰强度增大，有序化结构与无序化结构的比例（结晶指数）变大。研究表明蒸汽爆破
技术作为一种预处理方法可以有效的降解籼米淀粉分子链聚合度，增加淀粉结晶度。
关键词：籼米淀粉；蒸汽爆破；淀粉分子结构
文章篇号：1673-9078(2014)7-136-141
Effect of Steam Explosion Treatment on Starch Molecular Structure of
Indica Rice Starch
LI Guang-lei1, ZHANG Guo-cong2, LIU Ben-guo1, LI Fei1, MA Han-jun1, SUN Jun-liang1
(1.School of Food Science, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China)
(2. Shijiazhuang Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Shijiazhuang 050041, China)
Abstract: The influences of steam exploded pressure, retained time, and sample moisture content on starch molecular structure of indica
rice starch treated with steam explosion were analyzed by gel chromatography (GPC), ultraviolet–visible spectroscopy (UV), and Fourier
transform infrared spectroscopy (FT-IR). The results showed that, with the increase of steam exploded pressure, retained time, and sample
moisture content, molecular weight of indica rice starch were decreased, and the proportion of starch short chain pieces was increased. In
addition, the intermediate absorption peak gradually disappeared, and the degree of polymerization of indica rice starch chains was decreased.
The maximum absorption wavelength of UV spectrum showed a blue shift. As the intensity of steam explosion treatment increased, the intensity
of aldehyde group absorption peak at 1650 cm-1 in the infrared absorption spectrogram increased, and starch infrared crystallization index (ICI)
increased. Steam explosion technology effectively degraded the polymerization degree of indica rice starch chains and increased the crystallinity
starch granule .
Key words: indica rice starch; steam explosion; starch molecular structure

水稻是我国第一大粮食作物，常年稻谷产量约占
粮食总产量的 40%[1]。籼稻是我国南方地区的主要种
植品种，占稻谷产量的 70%左右。随着我国城市化、
商品化和市场化长度的提高，我国粮食消费结构正在
逐年变化，表现为城镇居民优质粳籼米及其产品代替
中低品质籼米的消费格局，因而降低了籼米尤其是早
籼米在大米口粮消费中的比重。同时由于早籼米直链
淀粉的含量较高，使得其粘性低、加工中易产生碎米，
极大限制了早籼米的加工利用和转化增值[2~3]。
收稿日期：2014-04-22
基金项目：河南省高校科技创新团队支持计划（13IRTSTHN006）
作者简介：李光磊（1970-），男，博士，副教授，研究方向为淀粉科学与
技术
蒸汽爆破（Steam Explosion，SE）是 1928 年由
W H Mason 发展起来的[4]，采用 160~260 ℃饱和水蒸
汽加热原料至 0.69~4.83 MPa，作用时间为几秒到几分
钟，然后骤然减压至大气压的预处理生物质手段。其
主要工作原理是将原料置于高温、高压的环境中，原
料被过热液体润胀，孔隙中充满蒸汽，当瞬间解除高
压时（毫秒级，0.00875 秒以内），原料空隙中的过热
液体迅速气化，体积急剧膨胀而使细胞“爆破”，细胞
壁破裂形成多孔，小分子物质从细胞内释放[5~6]。
蒸汽爆破技术的提出虽已有 80 年的历史，但多
是用于木质纤维的处理，实现纤维原料的组分分离与
结构变化，提高纤维素对酶及化学试剂的可及性[7~8]。
龚凌霄[9]将蒸汽爆破技术引入青稞全谷物和青稞麸皮
DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2014.07.032
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的加工中，对青稞全谷物的营养和保健作用进行系统
研究，首次将汽爆技术应用于谷物食品中。
蒸汽爆破技术由于在处理过程中只需高温蒸气，
不添加任何化学物质，即可造成物料发生多种化学物
理变化，因此被认为是最具发展前景的生物质资源转
换预处理方法。本文利用汽爆技术对籼米淀粉进行处
理，采用凝胶色谱、紫外光谱和红外光谱等分析手段
考察汽爆强度（爆破压力和维压时间）和淀粉样品水
分含量对淀粉分子结构的影响，为籼米淀粉精深加工
中汽爆技术的应用提供理论支持。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
早籼米：湖北丰江米业有限公司；二甲基亚砜、
氢氧化钠等均为分析纯；硝酸钠、溴化钾等为色谱纯。
1.2 主要仪器设备
QBS-80 型汽爆工艺试验台，河南鹤壁正道重型
机械厂；Waters 600 高效凝胶色谱仪，美国 Waters 公
司；TENSOR27 傅立叶变换红外光谱仪，德国 Bruker
公司；TU-1810PC 紫外分光光度计，北京普析通用公
司；BS124S 电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限
公司；202-2 型干燥箱，上海一恒科技有限公司；
SHA-B 恒温振荡器，常州国华电器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 籼米淀粉制备
将50 g籼米清洗后在250 mL蒸馏水中浸泡18 h，
匀浆后进行离心，弃去上层清液，将沉淀与 0.2%的
NaOH 溶液以 1:5 的比例混匀，置于恒温振荡器中
（37 ℃）反应 48 h，间隔 24 h 换一次 NaOH 溶液，
反应结束后过 100 目筛去粗粒，室温下离心（3000×g，
30 min），弃去上清液，沉淀水洗多次至上层液的 pH
值为中性，淀粉湿块烘干（40 ℃），粉碎，过筛（100
目）[10]。
1.3.2 籼米淀粉成分测定
水分、脂肪、蛋白质、直链淀粉等籼米淀粉主要
成分测定参照国标方法（GB/T 12087-2008，GB/T
22427.3-2008，GB/T 5009.5-2010，GB/T 15683-2008）。
1.3.3 蒸汽爆破处理
将 200 g 籼米淀粉样品加入汽爆缸中,合上盖后,
将高温饱和蒸汽通入汽爆缸,使缸内压力至设定压力
并保持一定的时间,维压结束后打开气动阀门（阀门打

开时间为 0.00875 s），瞬间泄压的同时完成物料的爆
破，收集腔内喷出的物料即为蒸汽爆破后的样品[9]。
1.3.4 淀粉分子量的测定
1.3.4.1 淀粉样品溶液的制备
称取 50 mg 籼米淀粉样品（以干基计）溶于 10 mL
90%的二甲亚砜溶液中，采用磁力加热搅拌器于60 ℃
下加热搅拌 1 h，得到澄清透明的标样溶液，3000 r/min
离心 20 min，取上清液，经 0.45 m 的尼龙微孔膜过
滤后进行凝胶过滤色谱分析，进样量 100 L[11]。
1.3.4.2 GPC 测定方法
采用 Waters 600 高效凝胶过滤色谱测定籼米淀粉
样 品的 分子 量。 具体 方法 如下 ：色 谱柱 ：
UltrahydrogelTM Linear 300 mm×7.8 mm；流动相：0.1
mol/L 硝酸钠（过 0.22 m 微滤膜）；流速：0.6 mL/min，
柱温：45 ℃；进样量：10 L；检测器：2410 差式折
光检测器和 Empower 工作站。分别选用 Dextran
T-2000（Mw2000000）、Dextran T-580（Mw580000）、
DextranT-190（Mw188000）、Dextran T-70（Mw70000）、
Dextran T-10（Mw10000）、Dextran T-5（Mw4600）作
为标准分子量。
1.3.5 淀粉紫外扫描图谱分析
称取淀粉样品 20 mg，加入 0.5 mL 无水乙醇润湿
样品，加入 2 mol/mL 的 KOH 溶液 1 mL，使样品充
分溶解。加入 10 mL 去离子水，用 0.1 mol/mL 的 HCl
将 pH 调至 6.0~7.0，加水定容至 50 mL。取 10 mL 于
100 mL 容量瓶，加入 80 mL 去离子水和 2 mL I2-KI
溶液（2 mg I2/mL 和 20 mg KI/mL），定容至 100 mL，
立即混匀。用紫外分光光度计扫描，从波长 400
nm~800 nm。
1.3.6 淀粉红外扫描图谱分析
红外扫描图谱采用 KBr 压片法，具体过程为:称取
约 2 mg 样品，在红外灯的照射下，置于玛瑙研钵中
研磨 4~10 min，再与 150 mg 左右干燥的 KBr 粉末充
分混合，继续研磨 2~5 min。将研磨好的混合物粉末
倒在硫酸纸上灌注于压模中，抽真空，缓慢除去压力，
放入样品架上，置于红外谱仪内全波段扫描，绘出红
外光谱图。
2 结果与分析
2.1 籼米淀粉成分分析
籼米淀粉中主要化学成分含量见表 1。
2.2 蒸汽爆破处理对籼米淀粉分子量的影响

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籼米淀粉的高效凝胶色谱图见图 1。
表1 籼米淀粉主要化学成分表
Table 1 Main chemical compositions of indica rice starch
水分/% 脂肪/% 蛋白质/% 直链淀粉/%
籼米淀粉 12.57±0.02 0.70±0.00 0.41±0.00 29.25±0.03
注：表中的数值均是占淀粉湿基重，平均值±SD。

图1 籼米淀粉凝胶过滤色谱图
Fig.1 HPLC gel chromatogram diagram of indica rice starch
由图 1 可以看出，天然籼米淀粉的主要成分是直
链淀粉、中间级分和支链淀粉。由于凝胶色谱中最先
洗脱出的是分子量较大的分子，所以先洗脱出的是支
链淀粉，随后洗脱出的是中间级分和直链淀粉。
表2 爆破压力对籼米淀粉分子量分布的影响
Table 2 Effect of steam exploded pressure on molecular weight
of indica rice starch
爆破压力
/MPa
峰 1 峰 2 峰 3
Mw 面积比 /% Mw
面积比
/% Mw
面积比
/%
原淀粉 1555415 46.57 32940 19.14 3037 34.29
0.5 1104997 32.74 15817 9.87 2716 57.39
1.0 986285 27.87 - - 2236 72.13
1.5 750492 15.71 - - 1921 84.29
2.0 558179 9.89 - - 1440 90.11
注：维压时间 30S，样品水分含量 12.57%
表3 爆破时间对籼米淀粉分子量分布的影响
Table 3 Effect of steam exploded retained time on molecular
weight of indica rice starch
爆破时
间/S
峰 1 峰 2 峰 3
Mw
面积比
/%
Mw
面积比
/%
Mw
面积比
/%
原淀粉 1555415 46.57 32940 19.14 3037 34.29
10 1307150 40.26 26736 11.81 2873 47.93
30 1185414 35.43 21579 7.19 2797 57.38
60 1031805 26.26 - - 2622 73.74
90 989276 17.97 - - 2457 82.03
注：爆破压力 0.8 MPa，样品水分含量 12.57%。
将籼米淀粉进行蒸汽爆破处理，以考察爆破压力、
爆破时间以及样品水分含量等汽爆参数对籼米淀粉分
子量的影响，结果见表 2、表 3、表 4。
表4 样品水分含量对籼米淀粉分子量分布的影响
Table 4 Effect of sample moisture content on molecular weight
of indica rice starch
水分含
量/%
峰 1 峰 2 峰 3
Mw
面积比
/%
Mw
面积比
/%
Mw
面积比
/%
原淀粉 1555415 46.57 32940 19.14 3037 34.29
3.29 1266924 39.18 25762 10.97 2851 49.85
12.57 1185574 35.61 21522 7.21 2815 57.18
22.15 1012801 25.43 - - 2583 74.57
注：爆破压力 0.8 MPa，维压时间 30 s。
蒸汽爆破具有从分子水平上打破大分子晶格的效
果，存在类似酸水解、热降解、类机械断裂、氧键破
坏和结构重排等协同作用,原料物理结构和化学成分
在加工过程中发生较大的变化。由表 2、表 3 可以看
出，籼米淀粉经蒸汽爆破处理后，其淀粉长链、短链
以及中间级分的分子量均有较大程度的降低，且随着
爆破压力、爆破时间的增加，中间级分的吸收峰峰逐
渐消失，长链峰峰面积所占比例减小，短链峰峰面积
所占比例增加。这可能是因为在蒸汽爆破作用下，淀
粉分子 α-1,6 糖苷键部分遭到破坏，同时 α-1,4 糖苷键
也产生裂解，结果产生更多的小分子淀粉，造成淀粉
分子量下降。蒸汽爆破作用降解支链淀粉，切断 α-1,6
糖苷键，形成新的短直链淀粉，同时长直链淀粉中
α-1,4 糖苷键遭到破坏，长直链淀粉形成短直链淀粉，
造成短链峰峰面积所占比例增加。
蒸汽爆破处理前物料中的含水率对蒸汽爆破有较
大影响，合适的含水率更有利于高压蒸汽渗透至生物
质细胞内部，从而提高蒸汽爆破效果。由表 4 可知，
随着样品水分含量由 3%增加至 20%，籼米淀粉分子
量下降，短链片段增加。
2.3 蒸汽爆破处理对籼米淀粉紫外吸收光谱
的影响
籼米淀粉经蒸汽爆破处理后，其紫外吸收光谱见
图 2、图 3、图 4。
紫外光谱是电子光谱，由电子跃迁作用而产生。
这种电子跃迁包括振动跃迁和转动跃迁，紫外光谱不
像振动光谱和转动光谱那样细窄，而是宽阔的谱带。
淀粉分子的空间构象是由 α-D-葡萄糖残基之间的相
对排列方式决定的。由于空间位阻和能量的关系限制
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了 α-1,4 糖苷键内旋转自由度，使得相邻葡萄糖残基
的空间排列方式只有寥寥几种。这种情况下，直链淀
粉采取螺旋形结构。链淀粉与脂肪酸或碘形成结晶性
的络合物（V-链淀粉），碘或有机物分子位于链淀粉螺
旋结构的腔中。链淀粉-碘络合物在 620~680 间呈现最
大的紫外光谱吸收峰。V-链淀粉络合物的吸收波长与
链淀粉的聚合度密切相关。聚合度小于 6 无色，7~13
为淡红色，20 为紫色，30 为蓝紫色，40 以上为蓝色。

图2 爆破压力对籼米淀粉紫外吸收光谱的影响
Fig.2 Effect of steam exploded pressure on ultraviolet absorption
spectrum of indica rice starch
注：0-籼米原淀粉，1-爆破压力 0.5 MPa，2-爆破压力 1.0
MPa，3-爆破压力 1.5 MPa，4-爆破压力 2.0 MPa。维压时间 30
s，样品水分含量 12.57%。

图3 爆破时间对籼米淀粉紫外吸收光谱的影响
Fig.3 Effect of steam exploded retained time on ultraviolet
absorption spectrum of indica rice starch
注：0-籼米原淀粉，5-维压时间 10 s，6-维压时间 30 s，7-
维压时间 60 s，8-维压时间 90 s。爆破压力 0.8 MPa，样品水分
含量 12.57%。
由图 2、图 3、图 4 可知，籼米淀粉经蒸汽爆破处
理后其紫外吸收光谱和原淀粉基本一致，但最大吸收
波长发生了变化。由图 2 可以看出，随着汽爆压力的
增加，籼米淀粉最大紫外吸收波长减小，由原淀粉的
616 nm~620 nm 减小到了 567 nm~570 nm（2.0 MPa）。
由图 3 可以发现，随着维压时间的延长，籼米淀粉最
大吸收波长由原淀粉的 616 nm~620 nm 下降到了 587
nm~591 nm（90 s）。由图 4 可知，随着样品水分含量
的增加，其最大吸收波长发生较小程度的兰移，由 602
nm~611 nm（3.29%）兰移到了 590 nm~594 nm
（22.15%）。这是由于在蒸汽爆破的作用下，籼米淀
粉中直链淀粉和支链淀粉分子发生降解，淀粉链断裂，
淀粉分子聚合度减小的缘故。

图4 样品水分含量对籼米淀粉紫外吸收光谱的影响
Fig.4 Effect of sample moisture content on ultraviolet
absorption spectrum of indica rice starch
注：0-籼米原淀粉，9-水分含量3.29%，10-水分含量12.57%，
11-水分含量 22.15%。爆破压力 0.8 MPa，维压时间 30 s。
2.4 蒸汽爆破处理对籼米淀粉红外吸收光谱
的影响
淀粉的基本组成单元是 α-D-葡萄糖残基，主要特
征基团是 C2 和 C3 所连接的仲醇羟基以及 α-D-吡喃
环结构。淀粉的红外吸收光谱可以划分成 4 个主要的
区域：800 cm-1 以下（葡萄糖吡喃糖环骨架模式振动
区域），800~1500 cm-1（指纹区），2800~3000 cm-1（C-H
伸缩区域），和 3000~3600（O-H 伸缩区域）[10]。

图5 爆破压力对籼米淀粉红外吸收光谱的影响
Fig.5 Effect of steam exploded pressure on FTIR spectrum of
indica rice starch
注：0-籼米原淀粉，1-爆破压力 0.5 MPa，2-爆破压力 1.0
MPa，3-爆破压力 1.5 MPa，4-爆破压力 2.0 MPa。维压时间 30S，
样品水分含量 12.57%。
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图 6 爆破时间对籼米淀粉红外吸收光谱的影响
Fig.6 Effect of steam exploded retained time on FTIR spectrum
of indica rice starch
注：0-籼米原淀粉，5-维压时间 10 s，6-维压时间 30s，7-
维压时间 60 s，8-维压时间 90 s。爆破压力 0.8 MPa，样品水分
含量 12.57%。

图 7 样品水分含量对籼米淀粉红外吸收光谱的影响
Fig.7 Effect of sample moisture content on FTIR spectrum of
indica rice starch
注：0-籼米原淀粉，9-水分含量 3.29%，10-水分含量
12.57%，11-水分含量 22.15%。爆破压力 0.8 MPa，维压时间
30 s。
从图 5、图 6、图 7 可以看出，与原淀粉的红外光
谱相比，蒸汽爆破处理后的籼米淀粉并无新的吸收峰
产生，也就是说籼米淀粉分子骨架上没有产生新的官
能团，表明蒸汽爆破处理没有改变籼米淀粉的化学结
构。1650 cm-1附近为醛基的吸收峰，随着汽爆压力、
维压时间、样品水分含量的增加，籼米淀粉汽爆作用
增强，淀粉的分子链断裂产生的醛基增多，因而该区
域吸收峰的强度增大。
在淀粉的红外吸收光谱中，1158 cm-1处的吸收峰
代表 C-O-C 的不对称伸缩振动，2930-1处的吸收峰代
表 C-CH2-C 的不对称伸缩振动，两者强度的比值表示
淀粉颗粒的结晶程度，用淀粉结晶指数（ICI）表示。
2930
1158
λ
λ
T
TICI  （1）
其中：ICI 为淀粉结晶指数，Tλ1158为淀粉样品红外图谱在
1158 cm-1处的吸收峰峰强，Tλ2930为淀粉样品红外图谱在 2930
cm-1处的吸收峰峰强。
籼米淀粉经蒸汽爆破处理后，其淀粉结晶指数的
变化见表 5、表 6、表 7。
表5 爆破压力对籼米淀粉结晶指数的影响
Table 5 Effect of steam exploded pressure on ICI of indica rice
starch
爆破压力/MPa Tλ1158 Tλ2930 ICI
原淀粉 0.0570 0.3480 0.1638
0.5 2.5450 5.6610 0.4496
1.0 3.9730 7.4530 0.5331
1.5 5.8220 9.9190 0.5869
2.0 8.4100 13.9720 0.6019
注：维压时间 30 s，样品水分含量 12.57%。
表6 爆破时间对籼米淀粉结晶指数的影响
Table 6 Effect of steam exploded retained time on ICI of indica
rice starch
爆破时间/S Tλ1158 Tλ2930 ICI
原淀粉 0.0570 0.3480 0.1638
10 0.8450 3.6610 0.2308
30 3.8950 9.5370 0.4084
60 7.0310 12.6030 0.5579
90 7.9860 13.8830 0.5752
注：爆破压力 0.8 MPa，样品水分含量 12.57%。
表7 样品水分含量对籼米淀粉结晶指数的影响
Table 7 Effect of sample mositure content on ICI of indica rice
starch
水分含量/% Tλ1158 Tλ2930 ICI
原淀粉 0.0570 0.3480 0.1638
3.29 0.6450 2.6610 0.2424
12.57 3.0510 6.4900 0.4701
22.15 7.9810 14.7300 0.5418
注：爆破压力 0.8 MPa，维压时间 30 S。
由表 5 可以看出，随着汽爆压力的增加，籼米淀
粉结晶指数随之增加，由原淀粉的 0.1638 增加到了
0.6019（2.0 MPa）。由表 6 可以发现，随着维压时间
的延长，籼米淀粉结晶指数由原淀粉的 0.1638 上升到
了 0.5752（90 s）。由表 7 可知，随着样品水分含量的
增加，其淀粉结晶指数由 0.2424（3.29%）增长到了
0.5418（22.15%）。这说明在蒸汽爆破的作用下，籼米
淀粉分子链发生断裂，产生的短链片段易形成淀粉分
子结晶结构，使得淀粉结晶层的结构特征逐渐增强，
而无定型片层的结构特征逐渐减弱。
3 讨论
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目前关于大米淀粉预处理国内外主要采用微波、
辐射、生物技术等方法，通过微波、脉冲电场等预处
理技术，降低大米淀粉分子聚合度，改变淀粉分子构
象以及物理化学特性[12~14]。蒸汽爆破技术是一种能在
毫秒级（0.00875 s）完成蒸汽爆破过程的弹射式汽爆
技术，具有从分子水平上打破大分子晶格的效果。由
于汽爆技术具有处理时间短、能耗低、无污染等优点，
近年来越来越多的研究将其应用于天然产物原料的预
处理。将蒸汽爆破技术引入籼米淀粉预处理，使其淀
粉分子发生降解，淀粉分子聚合度减小，目前在国内
外还没有见到相关文献。蒸汽爆破预处理对籼米淀粉
其他物化特性的影响还需进一步研究。
4 结论
4.1 籼米淀粉经蒸汽爆破处理后，随着爆破压力、爆
破时间以及样品水分含量的增加，籼米淀粉分子量下
降，短链片段所占比例增加。
4.2 籼米淀粉经蒸汽爆破处理后其紫外吸收光谱和
原淀粉基本一致，但其最大吸收波长发生兰移现象，
表明淀粉分子链聚合度降低。
4.3 籼米淀粉经蒸汽爆破处理后其红外吸收光谱和
原淀粉相比没有新的吸收峰产生，随着爆破压力、爆
破时间以及样品水分含量的增加，1650 cm-1处吸收峰
强度增大，淀粉结晶指数增加。
参考文献
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