糯小麥淀粉形態及內部結構的研究

陳 佩,張 曉,趙 冰,肖 南,李遠志

(華南農業大學 食品學院,廣東廣州 510642)

糯小麥淀粉形態及內部結構的研究

陳 佩,張 曉,趙 冰,肖 南,李遠志

(華南農業大學 食品學院,廣東廣州 510642)

利用偏光顯微鏡、掃描電鏡和X射線衍射儀和激光共聚焦顯微鏡對糯小麥淀粉和普通小麥淀粉的顆粒形貌、結晶性質和內部結構進行了對比研究和分析。結果表明:糯小麥淀粉和普通小麥在顆粒形貌、顆粒大小分布、結晶結構和內部結構方面具有相似的性質。與普通小麥淀粉相比,糯小麥淀粉顆粒表面不平滑,存在較多凹坑,且能夠觀察到明顯的微孔;兩種小麥淀粉A型顆粒直徑基本相同,但糯小麥淀粉B型顆粒直徑小于普通小麥淀粉;糯小麥淀粉和普通小麥淀粉均呈現典型的A型結晶特征,但糯小麥淀粉的相對結晶度高于普通小麥淀粉;兩種淀粉均呈現生長環結構,直鏈淀粉主要集中在顆粒中心部位。

糯小麥淀粉,形態,內部結構

淀粉是小麥籽粒的重要組成部分,約占小麥籽粒的60%～70%。淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉,普通小麥淀粉由20%～30%的直鏈淀粉和70%～80%的支鏈淀粉組成。糯小麥則是籽粒中淀粉不含直鏈淀粉或直鏈淀粉含量很低的小麥品種。至今,在普通小麥中尚未發現天然糯性突變體,主要原因可能是普通小麥為異源六倍體,具有三個染色體組,只有當三對與直鏈淀粉合成有關的基因(WX-A1、WX-B1、WX-D1)同時缺失時,才表現為糯性胚乳[1]。日本、澳大利亞等國自20世紀90年代初期就對糯小麥開展了研究,包括糯小麥資源鑒定、遺傳育種、加工品質評價、分子標記等[2]。而我們國家在20世紀90年代后期才開展對糯小麥的研究,但已在糯小麥育種和品質評價、糯小麥基因資源的篩選和鑒定和蠟質基因的遺傳等方面取得了可喜進展[3]。與普通小麥相比,糯小麥幾乎不含直鏈淀粉的特性使其在糊化、膨脹、凝膠、結晶等方面均具有獨特的物理和化學特性[4],故而在淀粉加工業、食品工業以及其他工業上有著重要的用途。我國有關糯小麥淀粉的研究主要集中在物理特性、深加工及食品加工品質應用上,而有關糯小麥淀粉形貌及內部結構的研究卻很少。本研究采用水洗和離心相結合的工藝提取糯小麥淀粉,對比研究糯小麥淀粉與普通小麥淀粉在形貌結構及內部結構上的差異,為糯小麥淀粉的工業化生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

糯質小麥面粉 江蘇楚龍面粉廠;普通小麥面粉 市售。

JA2003A電子分析天平 上海精科天平公司;DHG-9053BS電熱恒溫鼓風干燥箱 上海新苗醫療器械制造有限公司;TDL-5A臺式離心機 常州市凱航儀器有限公司;Axioskop 40 Pol/40 A Pol型偏光顯微鏡 德國ZEISS公司;Phillips XL-30 FEGSEM掃描電鏡 美國Phillips公司;XRD-6000粉末X射線衍射儀 日本島津公司;激光共聚焦顯微鏡 德國Leica公司,使用鏡頭為100 xPlan apo/1.4 oil,氣體激光器Ar/Kr激光發射波長為488nm。

1.2 淀粉提取

稱取約50g小麥面粉,邊攪拌邊加入適量蒸餾水,調制成面團。靜置20min后,加入500mL的蒸餾水,用手反復洗搓,將洗好的面筋置于50mL清水中反復揉洗,重復3～4次,直至洗出水用碘液測試不變色。將所有的淀粉漿經過100目篩過濾,然后以3000r/min轉速離心分離。提取分離液的下層,刮除表面黃色物質,取出下層白色淀粉,40℃烘干,粉碎過100目篩,即得小麥淀粉樣品。

1.3 直鏈淀粉含量測量

參照國標《直鏈淀粉含量測定方法》(GB7648287)對上述試制樣品直鏈淀粉含量測量。測得糯小麥淀粉直鏈淀粉含量為2.6%;普通小麥淀粉直鏈淀粉含量為27%。

1.4 偏光顯微鏡觀測顆粒形態

配制5%淀粉乳置于載玻片上,分別在普通光和偏光條件下觀察淀粉顆粒形態。

1.5 顆粒粒徑分布分析

淀粉顆粒的直徑通過Gun圖像處理程序進行計算。把淀粉顆粒看作球形,測量其最長軸的直徑。每一個樣品計算至少500個顆粒的直徑將直徑范圍歸類并計算其平均值。

1.6 掃描電鏡觀測顆粒形態

將粉狀樣品均勻固定于樣品臺上,噴金鍍膜,置于掃描電鏡下全方位觀測。

1.7 結晶度測定

采用連續掃描法,掃描速率為4°/min,步長為0.1,管壓管流分別為30kV和30mA,靶電極為Cu。采用Origin7.0軟件進行分析。

1.8 激光共聚焦顯微鏡觀測內部結構

染色步驟部分修改自Blennow[5]等。取2mg玉米淀粉與新鮮配制的3μL 10mmol/L APTS(醋酸為溶劑)及3μL 1mol/L氰基硼氫化鈉混合,于30℃下反應15h,接著以1mL溶劑清洗五次,再將淀粉顆粒懸浮于20μL 50%甘油、水混合液中。取一滴淀粉懸浮液于載玻片上,蓋上蓋玻片后觀察。

2 結果與分析

2.1 淀粉的顆粒形態及偏光十字

圖1為由顯微鏡觀察到的在同一視野的普通光和偏振光下糯小麥和普通小麥淀粉顆粒的照片。由圖中可以看出,糯小麥和普通小麥淀粉顆粒均呈現雙模型結構,即顆粒較大的A型與顆粒較小的B型。A型淀粉顆粒主要為橢圓形和圓形,B型淀粉形狀較為多樣,有多角形、橢圓形、圓形等,也有些是A型淀粉破碎的部分。B型淀粉顆粒的數量明顯多于A型。直鏈淀粉含量較高的普通小麥淀粉顆粒比糯小麥淀粉顆粒稍大,且更接近圓形,顆粒邊緣破碎較少。

圖1 糯小麥(a1,a2)和普通小麥(b1,b2)淀粉的顯微鏡照片Fig.1 Granular structure of waxy(a1,a2) and normal wheat starch(b1,b2)observed by microscope注：a1和b1為普通光下照片,a2和b2為偏正光下照片。

偏光十字是考察淀粉顆粒結晶結構完整性較為直觀的方法,由圖1偏光顯微鏡照片可以看出,糯小麥和普通小麥淀粉顆粒的偏光十字均較為完整,且交叉點基本在淀粉顆粒中央,但偏光十字的亮度有一定差異,糯小麥淀粉的偏光十字比普通小麥淀粉亮,且糯小麥淀粉A型顆粒中存在較多偏光十字亮度很強的顆粒,普通小麥淀粉顆粒的偏光十字亮度則較均勻。

圖2所示為糯小麥和普通小麥淀粉顆粒的掃描電鏡圖片,可以更加清晰地觀察到淀粉顆粒的表面結構和立體形態。可以觀察到兩種小麥淀粉顆粒的立體形態相似:A型顆粒主要呈現碟形或兩面凹陷的透鏡形狀,顆粒直徑分布在10～35μm;B型淀粉顆粒主要為球形、橢球形或不規則、有角的形狀,顆粒直徑大多在10μm以下。B型淀粉顆粒被損壞的較多,而A型顆粒則較完整。兩種小麥淀粉顆粒的表面結構形態存在較大差異:糯小麥淀粉顆粒表面不平滑,存在較多凹坑,且能夠觀察到明顯的微孔;普通小麥淀粉顆粒表面較平滑,有少量較小的凹坑,沒有觀察到微孔的存在。糯小麥和普通小麥淀粉顆粒表面均能觀察到較普遍存在的“赤道槽”[6]。

圖2 糯小麥(a)和普通小麥(b)淀粉的掃描電鏡圖片Fig.2 Granular structure of waxy(a)and normal wheat starch(b)observed by SEM

2.2 淀粉顆粒大小及粒徑分布

圖3是糯小麥淀粉和普通小麥淀粉顆粒直徑分布圖,橫坐標為顆粒直徑,縱坐標為顆粒數百分比。糯小麥和普通小麥淀粉顆粒直徑均呈現“雙峰型”分布,兩個峰值分別在顆粒直徑7μm和16μm處,這與小麥淀粉顆粒的雙模型結構相符合。對兩種小麥淀粉顆粒直徑及顆粒分布情況進行統計分析,得出兩種淀粉顆粒的平均粒徑約為:糯小麥淀粉A型顆粒為19.0μm,B型顆粒為6.0μm;普通小麥淀粉A型顆粒平均直徑為19.0μm,B型顆粒為7.6μm。可知兩種小麥淀粉A型顆粒直徑基本相同,但糯小麥淀粉B型顆粒直徑小于普通小麥淀粉。

圖3 糯小麥和普通小麥淀粉顆粒直徑分布圖Fig.3 Average particle size and size distribution(number)of different starches

2.3 淀粉的結晶結構及結晶度

圖4為糯小麥和普通小麥淀粉的X射線衍射圖譜。兩種淀粉均呈現典型的A型結晶特征,在2θ角為15°,17°和23°呈現較強的衍射峰。在2θ角為20°左右可觀察到一個較弱的峰,Zobel等人[7]的研究表明,這可能是由于直鏈淀粉-脂質復合物的存在而產生的。此峰在普通小麥淀粉的衍射圖譜中較強,在糯小麥淀粉的衍射圖譜中則較弱,原因可能是普通小麥淀粉中直鏈淀粉含量較高,可與較多脂質發生復合,產生較強的衍射峰;糯小麥淀粉中直鏈淀粉含量較低,形成的直鏈淀粉-脂質復合物較少,因此衍射峰也較弱。從兩種淀粉的X射線衍射圖譜中可看出,糯小麥淀粉比普通小麥淀粉的衍射峰強度高,表明糯小麥淀粉的結晶結構更強。對兩種小麥淀粉的X射線衍射圖譜分別進行積分計算,可知糯小麥淀粉的相對結晶度為22.35%,普通小麥淀粉的相對結晶度為19.64%。Hung[8]等人研究了不同直鏈淀粉含量小麥淀粉的相對結晶度,結果表明直鏈淀粉含量越高,相對結晶度越低,這與本論文的研究結果相一致。圖1中糯小麥淀粉的偏光十字亮度比普通小麥淀粉強,原因可能也是由于糯小麥淀粉的結晶結構較強。

圖4 糯小麥和普通小麥淀粉的X射線衍射圖譜Fig.4 WAXS patterns of waxy and normal wheat starch

2.4 淀粉顆粒的內部結構

在淀粉形態研究中,淀粉顆粒的內部結構是重要的未知內容,獲得淀粉顆粒內部結構圖像,一直是淀粉科學的研究重點。激光共聚焦顯微鏡(CLSM)是觀察淀粉內部結構最有效的工具之一[5]。激光共聚焦顯微鏡可以通過“光學切片”對被觀測樣品進行不同層面的連續逐層掃描,來獲得各個層面的圖像,而不需要進行物理切片的工作,這既簡化了樣品的前處理步驟,也避免了物理切片對樣品內部結構造成破壞[9]。激光共聚焦顯微鏡掃描的每個層面之間的距離可以達到0.1μm甚至更小,因此常用來觀察淀粉顆粒的生長環、通道、孔洞和直鏈淀粉分布情況等內部結構[10]。利用激光共聚焦顯微鏡觀察樣品時,被觀察的樣品必須有熒光現象。淀粉顆粒沒有自發熒光,所以需要用合適的熒光染色劑進行染色。本實驗采用熒光標記物8-氨基芘基-1,3,6-三磺酸(APTS)對淀粉顆粒進行染色。APTS是小分子染色劑,可以有效地標記淀粉顆粒的還原末端,使淀粉顆粒在488nm激發光下產生熒光現象。

圖5所示為糯小麥和普通小麥淀粉的激光共聚焦掃描層圖?？梢杂^察到大多數糯小麥淀粉顆粒的熒光強度較暗,而普通小麥淀粉顆粒的熒光強度較強,這是由于染色劑APTS是與淀粉鏈的還原性末端結合,同等重量下,直鏈淀粉含有較多的還原末端,可以與較多的APTS結合,因此顯示較強的熒光強度[5]。糯小麥淀粉幾乎不含有直鏈淀粉,而普通小麥淀粉的直鏈淀粉含量較高,因此普通小麥淀粉的熒光強度較強。同時可以看到兩種小麥淀粉顆粒的中心部位熒光強度均明顯高于其他區域,較強的熒光強度表明直鏈淀粉在此處的分布較多。糯小麥淀粉顆粒只有中心部位熒光較強,其他區域熒光較弱,表明糯小麥淀粉顆粒中的直鏈淀粉主要集中在顆粒中心部位。

圖5 糯小麥(a)和普通小麥(b)淀粉的CLSM掃描層圖 Fig.5 CLSM optical sections of waxy(a) and normal wheat(b)starch

在淀粉顆粒外層可看到明暗交替的環狀結構,各個環層共同圍繞著臍點,這種輪紋結構就是淀粉顆粒的生長環,是結晶層和無定形層的交替形成的。圖5的CLSM掃描層圖中可以清晰得觀察到普通小麥淀粉顆粒中的生長環呈現明顯的明暗交替結構,而糯小麥淀粉顆粒的生長環結構不明顯。原因是淀粉顆粒中的結晶區主要成分為支鏈淀粉,而直鏈淀粉則主要形成無定型區域,因此直鏈淀粉含量較高的普通小麥淀粉在染色后能夠更加清晰的觀察到結晶區和無定形區的交替情況。

3 結論

糯小麥淀粉和普通小麥在顆粒形貌,顆粒大小分布,結晶結構和內部結構方面有相似的性質。與普通小麥淀粉相比,糯小麥淀粉顆粒表面不平滑,存在較多凹坑,且能夠觀察到明顯的微孔;糯小麥和普通小麥淀粉顆粒均呈現雙模型結構,兩種小麥淀粉A型顆粒直徑基本相同,但糯小麥淀粉B型顆粒直徑小于普通小麥淀粉;糯小麥淀粉和普通小麥淀粉呈現典型的A型結晶特征,糯小麥淀粉的相對結晶度高于普通小麥淀粉;激光共聚焦顯微鏡結果表明兩種小麥淀粉顆粒的中心部位熒光強度均明顯高于其他區域,較強的熒光強度表明直鏈淀粉在此處分布較多。糯小麥淀粉顆粒只有中心部位熒光較強,其他區域熒光較弱,表明糯小麥淀粉顆粒中的直鏈淀粉主要集中在顆粒中心部位,兩種淀粉均呈現生長環結構。

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Morphological features and internal structure of waxy wheat starch

CHEN Pei,ZHANG Xiao,ZHAO Bing,XIAO Nan,LI Yuan-zhi

(College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Morphological features,crystalline properties and internal structure of waxy wheat starch were compared with those of normal wheat starch using polarization microscope,scanning electron microscopy(SEM),X ray diffraction(XRD)and confocal laser scanning microscope(CLSM). The morphologies,granule populations,crystalline properties and internal structure were found to be similar with the two starches. However,the surface of waxy wheat starch granules was not smooth,more holes were observed on the surface. A-type starch granules were basically the same,however,waxy wheat starch contained a smaller proportion of B-type granules. XRD results shows that both starches exhibit A type crystalline structure and waxy wheat starch had higher degree of crystallinity than normal wheat starch. Growth ring structures can be clearly identified by CLSM and amylose mainly concentrated in particles near the center.

waxy wheat starch;morphological features;internal structure

2014-03-27

陳佩(1983-)，女，博士，講師，主要從事農產品加工方向的研究。

國家自然科學基金資助項目(31101340)。

TS231

A

1002-0306(2015)01-0070-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.006