玉米淀粉在DMSO/水體系中溶解性與精細結構變化

王 瑞田耀旗 謝正軍

(1. 江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122)

玉米淀粉在DMSO/水體系中溶解性與精細結構變化

王 瑞1,2田耀旗1,2謝正軍1,2

WANG Rui1,2TIANYao-qi1,2XIEZheng-jun1,2

(1. 江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122)

二甲亞砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)是淀粉精細結構分析中溶解淀粉的關鍵試劑。以普通玉米淀粉為原料，研究其在DMSO/水體系中的溶解性與精細結構變化。結果表明，當溶解時間達到12 h后，普通玉米淀粉在90% DMSO溶液中溶解性達到最大值97.15%；隨著溶解時間的延長，溶解性無顯著變化。掃描電鏡(SEM)結果表明，90%的DMSO對淀粉顆粒結構破環最大，證明90% DMSO是淀粉的最佳溶劑。然而進一步通過高效液相體積排阻色譜聯用系統(HPSEC)、陰離子色譜(HPAEC)等技術研究發現，淀粉溶于90% DMSO后，隨著溶解時間的延長，其分子量和回旋半徑逐漸下降，在溶解過程中淀粉分子發生了降解，主要降解部分為支鏈淀粉的B2、B3鏈，而B1鏈相對穩定。

二甲亞砜；分子量；側鏈分布

淀粉是綠色植物中重要的儲能物質，其精細結構的表征是淀粉資源開發利用的必要基礎[1]。在淀粉分子結構分析過程中需破壞淀粉的顆粒結構，分散其分子鏈從而使淀粉充分溶解。常用的淀粉溶劑包括DMSO和堿液。然而淀粉在低濃度堿液中溶解不佳，高濃度又易發生降解，導致淀粉的結構分析不準確[2]。有機溶劑DMSO能夠充分分散、溶解淀粉分子，是目前淀粉溶解、精細結構分析中使用最普遍的有效溶劑。研究[3]發現，當DMSO溶解淀粉時，淀粉易發生快速溶脹，形成表面凝膠層，阻止DMSO穿透淀粉顆粒，影響溶解效果，因此需要加入水以阻止淀粉顆粒的快速溶脹。例如，Sang-Ho Yoo[4]選用90% DMSO溶解淀粉研究不同植物來源淀粉的分子特征；Ju Hun Lee等[5]用50%，70%，90% DMSO溶液溶解淀粉研究支鏈淀粉的分子構象。然而，在何DMSO/水體系條件下淀粉溶解性最佳，在最佳體系中淀粉精細結構如何變化均需要深入研究。

本試驗以普通玉米淀粉為原料，研究其在不同DMSO/水體系中溶解性及顆粒形貌變化，并研究DMSO/水體系是否會對淀粉分子結構產生影響，為獲得溶解淀粉的最佳溶劑提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

普通玉米淀粉：天津頂峰淀粉有限公司；

異淀粉酶：1 000 U/mL，愛爾蘭Megazyme公司；

二甲亞砜、無水乙醇、苯酚、濃硫酸等：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

掃描電子顯微鏡：Quanta-200型，荷蘭FEI公司；

高效液相排阻色譜柱：Shodex OHpak SB-804 HQ與Shodex OHpak SB-806串聯，日本昭和電工科學儀器有限公司；

輸送泵：Binary HPLC Pump Waters 1525型，美國Waters公司；

多角度激光檢測儀：DAWN HELEOSⅡ型，美國Wyatt公司；

示差折光檢測器：2414型，美國Waters公司；

高效陰離子交換色譜(配有脈沖電流檢測器)：ICS-5000型，美國Dionex公司；

陰離子交換柱：250 mm × 4 mm，美國Spectra-Physics公司；

高速離心機：RG-TDL-50A型，無錫瑞江分析儀器有限公司；

雙光束紫外可見分光光度計：TU-1901型，北京普析通用儀器有限責任公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 DMSO溶解普通玉米淀粉樣品的制備 準確稱取普通玉米淀粉0.5 g于3組100 mL錐形瓶中，分別加入20 mL 90% DMSO溶液。一組不加熱，直接放入50 ℃恒溫震蕩水浴鍋中，一組加熱煮沸30 min后放入，第三組加熱煮沸60 min 中放入，分別震蕩0，4，8，12，24，36 h后取出，加入5倍體積無水乙醇靜置30 min，離心(5 000 r/min，10 min)，洗滌3次后烘干，研磨過篩備用。

1.2.2 普通玉米淀粉在不同濃度DMSO溶液中溶解性測定

稱取普通玉米淀粉樣品(200.0±0.1) mg若干于25 mL具塞試管中，分別加入100%，90%，80%，70% DMSO溶液10 mL，然后將試管放入水浴鍋中分別在50 ℃下恒溫震蕩0，4，8，12，24，36 h。然后將樣品離心(5 000 r/min，10 min)。準確吸取1.0 mL離心后的上清液用苯酚-硫酸法[2]測定其總糖含量，將測定得到的葡萄糖含量換算成淀粉含量。根據葡萄糖標準曲線方程y=3.310 7x+0.000 02，淀粉溶解性指數(Solubility Index，SI)按式(1)計算：

(1)

式中：

SI——淀粉溶解性指數，%；

A490——樣品在490 nm處的吸光值；

k——溶液的稀釋倍數；

m——玉米淀粉的質量，mg；

0.9——葡萄糖與淀粉的質量換算系數；

10——溶劑為10 mL。

1.2.3 普通玉米淀粉顆粒形貌分析 將100%，90%，80%，70% DMSO溶液50 ℃恒溫震蕩4 h后的樣品醇沉、洗滌、烘干、研磨、過篩，分別固定在樣品臺上，鍍金(10 nm)處理后在加速電壓下用掃描電鏡觀察，并拍下掃描圖片。

1.2.4 分子結構測定

(1) 分子量測定：稱取適量1.2.1制備樣品，溶解于0.1 mol/L 的NaNO3溶液(含0.02%的NaN3)中，配成適宜濃度的溶液。樣品經充分溶解后過0.45 μm微孔濾膜，采用HPSEC-MALLS-RI系統分析。

色譜條件：流動相為0.1 mol/L NaNO3溶液(含0.02% NaN3)，流速為0.6 mL/min，柱溫為50 ℃，色譜柱Shodex OHpak SB-806 HQ與Shodex OHpak SB-804 HQ串聯。氖氣和氦氣為多角度光散射儀的光源氣體，波長設定為632.8 nm。使用Astra數據分析軟件處理所得數據。

(2) 鏈長分布測定：分別稱取5 mg 1.2.1制備樣品和原玉米淀粉，分散于5 mL檸檬酸鈉緩沖液(0.1 mol/L，pH 3.5)中，沸水浴加熱糊化30 min，冷卻至室溫，加入50 μL稀釋后的異淀粉酶(1 000 U/mL)，37 ℃恒溫震蕩反應12 h后置于沸水浴中煮沸15 min，滅酶，離心(5 000 r/min，10 min)，取上清液過0.45 μm微濾膜，采用HPAEC-PAD檢測樣品側鏈分布。

檢測條件：GP40型梯度泵與ED40型脈沖安培檢測器，CarboPacPA200色譜柱；進樣量25 μL；流動相A：150 mmol/L NaOH，流動相B：含500 mmol/L NaAc的NaOH(150 mmol/L)溶液；流速為1 mL/min。

2 結果與分析

2.1 普通玉米淀粉在不同濃度DMSO溶液中處理不同時間的溶解性

由圖1可見，隨著溶解時間的增加，淀粉的溶解性逐漸增加，不同DMSO/水體系中淀粉的最大溶解性分別為91.5%(100% DMSO)，97.15(90% DMSO)，68.97%(80% DMSO)，2.35%(70% DMSO)，根據文獻[6]報道，為了提高淀粉在DMSO中的溶解性，使用DMSO溶解淀粉時需加入少量的水抑制淀粉顆粒凝膠層的形成，因為凝膠層會阻止DMSO穿透整個淀粉顆粒，但是過量的水亦會阻止淀粉溶解。普通玉米淀粉在90% DMSO/水體系中溶解性最大，當溶解時間達到12 h后，隨著溶解時間進一步延長，溶解性緩慢增加，因此為了有效溶解淀粉，應選擇90% DMSO/水體系溶解來達到最大溶解性。

2.2 普通玉米淀粉在不同濃度DMSO溶液中顆粒形貌變化

對用不同濃度DMSO溶液溶解的淀粉顆粒形貌(見圖2)進行分析，可以發現當分散在70% DMSO溶液中時，有些淀粉顆粒表面孔洞變多，淀粉亦出現淺的凹陷。當DMSO濃度為80%時，顆粒表面有明顯的裂痕和凹陷。當DMSO濃度達到90%時，整個淀粉顆粒結構被侵蝕，無完整顆粒存在。在100% DMSO中，可以看到淀粉顆粒表面也逐漸被破壞，淀粉由一個個小圓球聚集成為較大的一整塊，逐漸形成淀粉糊，同時可以觀察到部分顆粒表面形成了凝膠層，證明使用DMSO溶解淀粉時需加入水，與文獻[6]報道一致。淀粉顆粒形貌的變化進一步說明普通玉米淀粉在不同DMSO/水體系中的溶解性不同，在90% DMSO中溶解性最大。上述結果與2.1中溶解性測定結果相一致：淀粉在90% DMSO中溶解性最大，其顆粒完全被破壞。

2.3 普通玉米淀粉經90% DMSO不同條件溶解后的分子量分布

圖3和表1顯示了普通玉米淀粉經不同條件溶解后的重均分子質量(Weight-average molecular weight，Mw)和分子旋轉半徑(Z-average radius of gyration，Rz)分布。結果顯示，當樣品不加熱，置于恒溫震蕩水浴鍋中溶解4 h時，所測得分子量為1.045E+08 g/mol，這是由于不完全的溶解導致淀粉顆粒殘留物或未溶解的支鏈簇發生聚集，從而使測得的分子量偏大，隨著溶解時間的延長，淀粉分子之間逐漸分離，淀粉充分溶解，導致Mw和Rz下降，達到24 h后，淀粉分子的Mw和Rz顯著下降，分別為4.672E+07 g/mol和179.3 nm，推測此時淀粉分子發生降解。當樣品加熱30 min，溶解4 h后，所測得分子量為8.008E+07 g/mol，低于未經加熱處理的，說明加熱促進了淀粉溶解，當溶解時間達到24 h時亦觀察到Mw和Rz顯著下降，測得數值同不加熱溶解的相近。進一步延長加熱時間至60 min，將樣品溶解4～36 h，發現溶解8 h后，樣品的Mw和Rz分別為5.213E+07 g/mol和178.5 nm，說明此時淀粉分子已經開始有所降解。表1中PI(Polydispersity，PI)是淀粉的多分散指數，PI越接近1表明樣品組分越單一，越大說明分子量分布越寬[7]，當樣品煮沸60 min，溶解36 h后，分子量達到最低，此時PI值為1.855顯著大于其他樣品所測得PI值，推測此時淀粉分子已經發生了嚴重降解。綜上，使用90% DMSO溶解淀粉時，隨著溶解時間的延長，淀粉分子的Mw和Rz逐漸下降，表明淀粉在溶解過程中由顆粒溶解為單獨的分子甚至發生了降解。

? 括號中的百分數為試驗誤差，由軟件統計得出。

2.4 普通玉米淀粉經90% DMSO不同條件溶解后的側鏈分布

選取2.2.1中用90% DMSO加熱煮沸30 min，溶解4～36 h的樣品，采用HPAEC-PAD對其鏈長分布進行分析(表2)。根據鏈長的聚合度(DP)淀粉分支分為4種類型，鏈上不再有分支的為A鏈，B鏈有多個分支點，根據其DP值的大小可細分為B1、B2和B3鏈，其中A、B1、B2和B3的鏈長分布分別為6～12，13～24，25～36，>37[8-9]。

經90% DMSO加熱30 min，震蕩不同時間后樣品支鏈鏈長分布見圖4。結合圖4和表2表明，與原淀粉比較，所有樣品的鏈長分布均發生了變化，尤其是A鏈和B2、B3鏈變化較顯著，A鏈顯著增多，峰面積約為原淀粉的1.7～2.4倍，而B2、B3減少，說明DMSO對B2、B3降解較嚴重，當溶解時間達36 h后，B1鏈亦出現明顯下降，說明DMSO亦對B1鏈降解，綜上所述，采用90% DMSO溶解淀粉時，DMSO對B1、B2和B3鏈均有一定程度的降解，而降解B1所需的時間比降解B2、B3的時間長，因此在溶解過程中B1鏈是支鏈淀粉中相對穩定的鏈。上述結果表明，當淀粉在90% DMSO/水體系中溶解性最大時，淀粉分子發生了降解。

3 結論

DMSO濃度對玉米淀粉溶解有很大影響，當DMSO濃度為90%時，玉米淀粉溶解性最大，掃描電鏡結果亦表明90% DMSO溶液對玉米淀粉顆粒結構的破壞最嚴重。此外，研究表明90% DMSO溶液對淀粉分子具有降解作用：隨著溶解時間的延長，淀粉分子的分子量和回旋半徑逐漸下降；DMSO對B2、B3降解較嚴重，而B1鏈相對穩定。綜上，雖然90% DMSO為溶解淀粉的最佳溶劑，但是對淀粉分子結構亦有破壞作用。因此需找適合溶解淀粉的溶劑仍是食品領域一項艱巨的任務。

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Solubility and structural changes of corn starch in DMSO / water system

(1.StateKeyLaboratoryofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.SchoolofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Dimethyl sulfoxide (DMSO) is the key reagent to dissolve starch in the starch structural analysis. In this paper, solubility and structural changes of corn starch in DMSO/water system were studied. Corn starch achieved maximum solubility of 97.15% in 90% DMSO solution when the dissolution time reaches 12 h. With the excessive dissolution, no significant change in solubility was detected. Scanning electron microscopy (SEM) analysis showed that starch granules structure were the largest damaged in 90% DMSO, which confirmed that 90% DMSO was the best solvent for starch. High performance size exclusion chromatography (HPSEC) and high performance anion-exchange chromatography (HPAEC) found that the molecular weight and radius of gyration of starch dissolved in 90% DMSO gradually decreased with the extension of the dissolution time, which indicated that starch molecules were degraded. Furthermore, theB2and B3chains of amylopectin were more easily to degrade, and the B1chains were relatively stable.

dimethyl sulfoxide; molecular weight; chain-length distribution

江蘇省產學研前瞻性聯創項目(編號：BY2016022-06)；江蘇省優秀青年基金項目(編號：BK20160052)

王瑞，女，江南大學在讀碩士研究生。

謝正軍(1964—)，男，江南大學副教授，博士。 E-mail: xiezj@jiangnan.edu.cn

2016—08—12

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.006