幾種淀粉的相對分子質(zhì)量分布、微晶結(jié)構(gòu)及形貌的研究

陳 穎 陳 勉 王 瓛 趙思明

幾種淀粉的相對分子質(zhì)量分布、微晶結(jié)構(gòu)及形貌的研究

陳 穎 陳 勉 王 瓛 趙思明

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070）

以小麥、馬鈴薯、甘薯、玉米、芋頭為原料提取淀粉。采用碘蘭值法、凝膠色譜、X衍射和掃描電鏡，研究淀粉組成及淀粉級分的特性、淀粉的晶體特性和微觀形態(tài)，為淀粉類食品的深加工提供理論基礎(chǔ)。研究表明，芋頭淀粉的碘蘭值最小，其他4種淀粉碘蘭值相差不大。玉米淀粉為高直鏈淀粉，小麥淀粉的3個級分較明顯。馬鈴薯淀粉表現(xiàn)為B型X衍射圖譜的特征，甘薯淀粉表現(xiàn)為C型X衍射圖譜的特征，而小麥淀粉、玉米淀粉和芋頭淀粉表現(xiàn)為A型X衍射圖譜的特征，馬鈴薯淀粉的結(jié)晶度最小，玉米淀粉的結(jié)晶度最大、微晶尺寸最小，甘薯淀粉的微晶尺寸最大。

淀粉 直鏈淀粉 支鏈淀粉 相對分子質(zhì)量分布 晶體特性 掃描電鏡

淀粉是由直鏈淀粉（Am）和支鏈淀粉（Ap）組成的天然高分子化合物。天然淀粉來源于植物的種子和塊莖中，常見的如谷類淀粉（如小麥、稻米淀粉）、薯類淀粉（如馬鈴薯、甘薯淀粉）、豆類淀粉（如豌豆、綠豆淀粉），還有一些其他的植物淀粉（如蓮藕淀粉）。

不同來源的淀粉，其物化性質(zhì)不同，淀粉的級分組成、分子結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量分布等對其晶體特性、形貌等有很大的影響，進(jìn)而影響到淀粉質(zhì)食品的深加工。國內(nèi)外已有不少學(xué)者做過有關(guān)淀粉相對分子質(zhì)量分布的研究，掌握了小麥［1］、玉米［2］、馬鈴薯［3］、芋頭［4］、荸薺［5］等單一淀粉的相對分子質(zhì)量分布特征。針對淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)，在廣角X衍射技術(shù)的應(yīng)用、處于不同時期淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)的形成與特性、以及微晶結(jié)構(gòu)的影響因素等方面也開展了大量的研究［6-8］。此外，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡或偏光顯微鏡，從整體形態(tài)、顆粒大小、輪紋特點、臍點位置等方面對一些常見淀粉的微觀形貌進(jìn)行的研究也有報道［9］。國內(nèi)外雖然對馬鈴薯、玉米、小麥等淀粉進(jìn)行了各方面的研究，但是還沒有結(jié)合多種不同來源的淀粉的分子特性進(jìn)行詳細(xì)的概括和對比。

本研究對馬鈴薯、小麥、玉米、甘薯和芋頭淀粉的相對分子質(zhì)量分布、晶體特性和顆粒形態(tài)進(jìn)行了較全面的概括和比較研究，為淀粉的加工利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

鄂麥18型小麥、鄂玉11型玉米、中薯3號型馬鈴薯、甘薯鄂薯3號、武芋一號：武漢市售。

1.1.2 主要試劑與儀器

Sepharose CL-2B-300：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乳酸，化學(xué)純：天津市東麗區(qū)泰蘭德化學(xué)試劑廠。

D／max-RA型X衍射儀：日本島津有限公司；721型分光光度計：上海第三分析儀器廠；BT-100型恒流泵、DBS-100型自動部分收集器：上海瀘西分析儀器廠；JSM-6390／LV型掃描電鏡（SEM）（Amray1000B）：美國 Amray公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 天然淀粉的提取

采用水磨法提取馬鈴薯［10］、小麥［11］、玉米［12］、甘薯［13］和芋頭淀粉［14］，在 40℃烘箱中干燥約 48 h，經(jīng)干燥后的淀粉含水量在14%以下。

1.2.2 碘蘭值（blue value，BV）的測定

取樣品0.125 g于25 mL比色管中，加10滴無水乙醇潤濕樣品，加2.5 mL 2.5 mol／L KOH溶液，沸水浴振蕩至完全分散（約15 min），蒸餾水定容搖勻。吸取2.5 mL待測液于100 mL容量瓶中，加10 mL蒸餾水，用0.1 mol／L鹽酸溶液調(diào)pH 3，加0.5 mL碘試劑，用蒸餾水定容、靜置15 min，在620 nm處，讀取吸光值。以吸光值作BV，用OD620／0.1 g表示。

1.2.3 淀粉相對分子質(zhì)量分布的測定

采用參考文獻(xiàn)［15］的凝膠色譜法進(jìn)行測定。

1.2.4 晶體特性的測定

采用參考文獻(xiàn)［16］的方法。

結(jié)晶度（Wx）的計算：

式中：L為垂直與晶面的微晶尺寸／nm；λ為射線波長，λ＝154 nm；β＝H（H為半高寬／°）；k＝0.89；θ＝衍射角度／°。

式中：d為面間距／nm；λ為射線波長，λ＝154 nm；θ＝衍射角度／°。

1.2.5 微觀形貌

利用掃描電鏡觀察。將粉狀樣品干燥后，用導(dǎo)電膠粘在樣品座上，把樣品座置于離子濺射儀中，在樣品表面蒸鍍一層10～20 nm厚的鉑金膜后，在不同放大倍數(shù)下進(jìn)行電鏡觀察并拍攝照片。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用EXCEL和SAS8.1軟件進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 碘蘭值

碘蘭值可反映直鏈淀粉含量及其鏈長的變化，當(dāng)直鏈淀粉的含量較高或鏈長較長時，BV較大。圖1反映了不同來源的淀粉的BV。由圖1可知，小麥淀粉的BV最大，其次是甘薯、馬鈴薯和玉米淀粉，芋頭淀粉的BV最小，說明芋頭的直鏈淀粉含量或鏈長較小麥、馬鈴薯、甘薯和玉米小或短。

2.2 相對分子質(zhì)量分布

圖1 不同來源淀粉的碘蘭值

淀粉在極稀溶液中經(jīng)sepharose CL-2B-300洗脫分級后，得到3個主要級分。其中，相對分子質(zhì)量最大的支鏈淀粉最先洗脫出來，隨后為中間級分，最后洗脫出來的是相對分子質(zhì)量最小的直鏈淀粉。不同來源的淀粉相對分子質(zhì)量分布存在較大差異（圖2和表1），小麥淀粉的圖譜與大米淀粉的類似［15］，3個級分比較明顯。甘薯、芋頭和馬鈴薯相似，均在60 mL左右洗脫出支鏈淀粉。而玉米的支鏈淀粉物質(zhì)的量的比最小，其直鏈淀粉的峰最明顯、出峰范圍和物質(zhì)的量的比最大，說明玉米淀粉3個級分中以直鏈淀粉所占比例最高，玉米直鏈淀粉含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其支鏈淀粉含量。芋頭支鏈淀粉出峰最早（約40 mL左右出峰），且出峰范圍最大。大米淀粉中間級分的出峰范圍（56～116 mL）［17］相較于這5種淀粉更寬，說明這幾種淀粉的中間級分所占比例比大米淀粉小。各支鏈淀粉的出峰范圍比直鏈淀粉的出峰范圍小，表明支鏈淀粉分子的相對分子質(zhì)量分布范圍較直鏈淀粉的窄。各直鏈淀粉的物質(zhì)的量的比按由小到大的順序依次為小麥＜甘薯＜馬鈴薯＜芋頭＜玉米，與淀粉BV的大小順序不同（見圖1），小麥直鏈淀粉的物質(zhì)的量的比最小，其BV卻是最大，玉米直鏈淀粉的物質(zhì)的量的比大于其他4種，其BV和甘薯、馬鈴薯沒有明顯差異。原因可能是本試驗選用的小麥、甘薯、馬鈴薯品種的支鏈淀粉（或中間級分）中含有較多的長支鏈，淀粉與碘的顯色反應(yīng)，呈現(xiàn)的顏色深淺與淀粉相對分子質(zhì)量的大小有關(guān)，由于支鏈淀粉僅外鏈與碘作用，較多的長支鏈能夠使淀粉整體的藍(lán)色加深，故造成這3種淀粉的BV值偏大。

圖2 不同來源淀粉的相對分子質(zhì)量分布

表1 不同來源淀粉級分的相對分子質(zhì)量分布特性

2.3 晶體特性

淀粉的結(jié)晶性質(zhì)是在植物生長過程中受基因調(diào)控以及所處環(huán)境條件所決定的，并且受到結(jié)晶區(qū)中淀粉分子鏈的長短以及支鏈淀粉的支叉程度的影響［18-19］。天然淀粉顆粒通常可以產(chǎn)生A、B和C型3種X-衍射光譜。不同來源淀粉的X-衍射圖譜見圖3，晶體參數(shù)見表2。由圖3和表2可知，馬鈴薯淀粉在 21.24°附近出現(xiàn)最強(qiáng)峰，微晶尺寸約為0.24～1.01 nm，表現(xiàn)為典型的根莖薯類淀粉的B型X-衍射圖譜特征。小麥淀粉在29.28°附近出現(xiàn)最強(qiáng)峰，微晶尺寸約為0.05～1.00 nm。芋頭淀粉在18.96°附近出現(xiàn)最強(qiáng)峰，微晶尺寸為0.01～0.88 nm。小麥和芋頭淀粉均表現(xiàn)為與大米淀粉等典型谷物淀粉的A型X衍射圖譜特征。玉米淀粉在22.48°附近出現(xiàn)最強(qiáng)峰，微晶尺寸約為0.01～0.80 nm。不同品種的谷物的晶型結(jié)構(gòu)不同，通常，蠟玉米和普通玉米淀粉多為A型X衍射圖譜特征，高直鏈玉米淀粉大多表現(xiàn)為B型［20-21］，法國的一種高直鏈玉米淀粉呈Vh型，美國的一種高直鏈玉米淀粉呈C型［22］。本試驗選用的鄂玉11型玉米淀粉的X衍射圖譜表現(xiàn)出A型特征。甘薯淀粉表現(xiàn)為綜合了A、B型圖譜特點的C型X衍射圖譜特征，但與A型不同，在5.6°處出現(xiàn)了衍射峰，也與B型有差別，在23°處只出現(xiàn)一單峰［23-25］。本試驗的甘薯淀粉在21.28°附近出現(xiàn)最強(qiáng)峰，微晶尺寸約為0.02～1.15 nm，但在略大于18°處出現(xiàn)肩峰，表現(xiàn)出一定的A型特征，為Ca型（C接近A）。有研究指出早期收獲的甘薯，其淀粉的X-衍射圖譜會表現(xiàn)出這種特征［26］。5種淀粉以馬鈴薯淀粉的結(jié)晶度較低（25%），玉米淀粉的結(jié)晶度較高（39%）。

圖3 不同來源淀粉的X-衍射圖譜

表2 不同來源淀粉的結(jié)晶特性

2.4 淀粉的微觀形貌

馬鈴薯、小麥、玉米、甘薯和芋頭淀粉的顆粒形貌特征見圖4。從圖4a可以看出，馬鈴薯淀粉顆粒較大，呈圓球形和橢球形，表面光滑完整、結(jié)構(gòu)緊密。從圖4b可以看出，小麥淀粉顆粒大小差異較明顯，大粒的A型淀粉被少量小顆粒的B型淀粉所包圍，其中A型淀粉顆粒與馬鈴薯淀粉顆粒較相似，顆粒普遍較大，呈不規(guī)則橢球形，表面光滑，結(jié)構(gòu)緊密。從圖4c可以看出，玉米淀粉顆粒較小，與大米淀粉顆粒的多面體形貌稍有類似［27-28］，但大米淀粉顆粒棱角分明，而玉米淀粉顆粒的棱角圓滑，部分顆粒呈球形。從圖4d可以看出，甘薯淀粉顆粒大小居于馬鈴薯淀粉和玉米淀粉之間，呈圓球形、橢圓形、多角形或表面內(nèi)凹的大半個圓球體，表面光滑，無裂紋，與木薯淀粉顆粒的形貌特征類似［29］。從圖4e可以看出，芋頭淀粉顆粒呈多面體，復(fù)粒，粒徑小，大小較整齊，表面光滑而均勻，結(jié)構(gòu)緊密，這可能是由于芋頭生長過程中淀粉粒被蛋白質(zhì)包裹較緊，擠壓較大，造成淀粉粒結(jié)構(gòu)緊實、堅硬［4］。5種淀粉的顆粒形貌均有不同，其中芋頭淀粉的顆粒形貌與其他4種相比差異最明顯。

圖4 淀粉掃描電鏡圖

3 結(jié)論

小麥、馬鈴薯、甘薯和芋頭淀粉主要分為支鏈淀粉、中間級分和直鏈淀粉3個級分，玉米淀粉只有直鏈淀粉1個主要級分。芋頭淀粉的BV最小，其他4種淀粉BV相差不大（0.2～0.4 OD／0.1 g淀粉）。馬鈴薯淀粉的X-衍射圖譜表現(xiàn)為B型圖譜的特征，結(jié)晶度最小（25%），甘薯淀粉表現(xiàn)為C型圖譜的特征，而小麥、玉米和芋頭表現(xiàn)為A型圖譜的特征，玉米淀粉的結(jié)晶度最大（39%）。馬鈴薯和小麥淀粉的微觀形貌為橢球形，而玉米和甘薯淀粉則為多邊形，這幾種淀粉顆粒大小相差不大，而芋頭淀粉顆粒最小，排列整齊。

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Molecular Weight Distribution，Structures and Microscopic Morphology of Several Different Starches

Chen Ying Chen Mian Wang Huan Zhao Siming
（College of Food Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070）

The characteristics of the composition of starch and their fractions which extracted from wheat，potato，sweet potato，corn and taro have been studied by Iodine blue value method，gel chromatography；the structural properties of five starches have been studied through X-ray diffraction；their morphology through scanning electron microscopy.The testing provided a theoretical basis for the deep processing of starchy foods.The researches showed that the iodine blue value of taro starch was lower than that of the other four starches which had little difference in iodine blue value.Corn starch was a high amylose starch，which was easier to distinguish the three fractions of wheat starch.The results showed that the structure of the potato starch was B-type crystals and that of sweet potato starch was C-type crystals；while that of wheat starch，corn starch and taro starch were A-type crystals.Potato starch＇s crystallinity was the smallest while that of corn starch was the biggest.Corn starch had a smallest crystallite size，while sweet potato starch had the biggest one.

starch，amylose，amylopectin，molecular weight distribution，structural properties，scanning electron microscopy

TS231

A

1003-0174（2014）03-0019-05

2013-05-03

陳穎，女，1988年出生，碩士，食品科學(xué)

趙思明，女，1963年出生，教授，食品大分子結(jié)構(gòu)與功能特性