（食品科学专业论文）马铃薯淀粉颗粒结构及性质的研究.pdf

s t u d yo nt h eg r a n u l es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fp o t a t os t a r c h at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h e s i ss u p e r v i s o r s ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r 丛坠垒坠g 坠坠：壁q 望g p r o f e s s o r 坠q 塾g 里篁旦坠：坠i 望 m a y ，2 0 1 0 马铃薯淀粉颗粒结构及性质的研究 摘要 淀粉是马铃薯的主要成分之一，在食品及其他工业领域中有广泛的应 用。目前，对马铃薯淀粉颗粒结构的研究大多基于完整颗粒，对其性质的研 究也基本以完整颗粒作为研究对象。本课题主要从残存颗粒( 去除淀粉颗粒 外围糊化部分后获得的颗粒内部) 入手，测定马铃薯淀粉的性质，分析酶水 解作用对颗粒结构的影响；还研究了乙酰化后马铃薯淀粉性质的变化。这不 仅完善了马铃薯淀粉知识体系，而且为提高马铃薯淀粉的经济价值及新产品 开发提供了理论基础。 室温下，用4 m o l l 的c a c l 2 溶液，对3 0 岬5 0 岬的窄分布马铃薯淀粉 颗粒进行不同时间的外围糊化，机械搅拌去除外围糊化物，获得质量分别约 为原颗粒7 0 和5 0 的残存颗粒。 原颗粒及所得7 0 和5 0 残存颗粒平均粒径分别为4 2 岬、3 3 9 m 和 2 1 9 m ；糊化时间越长，所获得残存颗粒的粒径越小。扫描电镜观察到残存颗 粒表面有明显的片层结构。直链淀粉含量测定结果表明马铃薯淀粉原颗粒中 间层直链淀粉含量高于外层和内层。x 一射线衍射分析显示残存颗粒与原颗粒 均为b 一型结晶结构，说明马铃薯淀粉颗粒外层、中间层和内层具有相同的结 晶类型；同时测得颗粒中间层的相对结晶度最小，这与中间层直链淀粉含量 最高的结果一致。 采用差示扫描量热( d s c ) 法以及快速黏度分析( r 、，a ) 法对马铃薯淀 粉原颗粒及残存颗粒的糊化温度和黏度性质进行测定。7 0 和5 0 残存颗粒 的糊化温度均比原颗粒的高，而峰值黏度均比原颗粒的低。对淀粉糊的透明 度和凝沉性进行测定，结果显示残存颗粒淀粉糊的透明度比原颗粒的低，凝 沉速率比原颗粒的大。这些结果说明马铃薯淀粉颗粒的外层、中间层和内层 的直链淀粉和支链淀粉分子结构存在差异。 在2 5 下用僻淀粉酶对马铃薯淀粉原颗粒及残存颗粒进行水解，偏光显 微镜和扫描电镜观察酶解后的颗粒显示，原颗粒表面出现了不同程度的侵蚀 痕迹：部分颗粒表面被酶侵蚀程度较大，出现了很大的凹陷和裂痕；还有部 分颗粒内部被酶水解形成了空洞。残存颗粒除发生上述现象外，部分颗粒在 形成凹陷后出现了裂痕和颗粒破裂。天然马铃薯淀粉颗粒并不存在孔洞和裂 痕。空洞的形成说明部分颗粒表面存在构造相对疏松的区域。酶水解结果表 明不仅在不同的马铃薯淀粉颗粒之间而且在同一颗粒内构造紧密度都存在 差异。 乙酰化后马铃薯淀粉颗粒性质的变化表明，在低取代度( d s 0 1 ) 范 围内，用马铃薯原淀粉制备的四个不同取代度的乙酰化淀粉中，取代度为 0 0 7 4 3 的样品的透明度最高，抗凝沉性最强。 关键词：马铃薯淀粉，残存颗粒，颗粒结构，乙酰基团 s t u d yo nt h eg r a n u l es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fp o t a t os t a r c h a b s t r a c t s t a r c hw a so n eo ft h ep r i n c i p a li n g r e d i e n t si np o t a t oa n dw i d e l yu s e di nf o o d a n do t h e ri n d u s t r i e s c u r r e n t l y , t h es t u d yo ft h es t m c t u r ea n dp r o p e r t i e so fp o t a t o s t a r c hg r a n u l e sa r em o s t l yb a s e do nt h ew h o l eg r a n u l e s i nt h i sp a p e r , r e m a i n i n g g r a n u l e s ( o b t a i n e da f t e rt h er e m o v a lo fs u r f a c eg e l a t i n i z e ds t a r c h ) w e r eu s e dt o d e t e r m i n et h ep r o p e r t i e sa n dt h ee f f e c to fe n z y m a t i ch y d r o l y s i so ng r a n u l e s t r u c t u r eo fp o t a t os t a r c h t h ep r o p e r t i e so fp o t a t os t a r c ha f t e ra c e t y l a t i o nw e r e a l s oi n v e s t i g a t e d i tn o t o n l yi m p r o v e dt h ek n o w l e d g es y s t e mo fp o t a t os t a r c hb u t a l s os u p p l i e dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rr a i s i n gt h ev a l u eo fp o t a t os t a r c ha n d t h ed e v e l o p m e n to fn e wp r o d u c t s 3 0 9 mt o5 0 9 i nn a r r o wd i s t r i b u t i o no fp o t a t os t a r c hg r a n u l e sw e r et r e a t e d w i t ha q u e o u sc a l c i u mc h l o r i d e ( 4 m o l l ) f o rs u r f a c eg e l a t i n i z a t i o ni nd i f f e r e n t t i m ea tr o o mt e m p e r a t u r e t h ew e i g h t so fr e m a i n i n gg r a n u l e sa f t e rr e m o v a lo f t h es u r f a c eg e l a t i n i z e ds t a r c hw e r ea b o u t7 0 a n d5 0 o fo r i g i n a lg r a n u l e s ， r e s p e c t i v e l y t h ea v e r a g es i z eo fo r i g i n a lg r a n u l e s ，7 0 a n d5 0 r e m a i n i n gg r a n u l e s w e r e4 2 9 m ，3 3 g i na n d2 1g m ，r e s p e c t i v e l y t h el o n g e rg e l a t i n i z e dt i m e ，t h e s m a l l e rt h er e m a i n i n gg r a n u l es i z e t h eo b v i o u sl a m e l l aw a sv i s i b l eo n r e m a i n i n gg r a n u l e s s u r f a c eb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y t h ea m y l o s e c o n t e n to ft h em i d d l el a y e rw a sh i g h e rt h a nt h a to ft h eo u t e rl a y e ra n di n n e rl a y e r o fp o t a t os t a r c hg r a n u l e s t h ec r y s t a l l i n ep r o p e r t i e so fo r i g i n a la n dr e m a i n i n g g r a n u l e sf r o mp o t a t os t a r c hw e r ed e t e r m i n e db yx r a yd i f f r a c t i o n t h ec r y s t a l s t r u c t u r e so ft h er e m a i n i n ga n do r i g i n a lg r a n u l e sw e r ea l lb t y p e ，i n d i c a t i n gt h a t t h eo u t e rl a y e r , m i d d l el a y e ra n di n n e rl a y e ro fp o t a t os t a r c hg r a n u l e sh a dt h e s a m et y p eo fc r y s t a l t h er e l a t i v ec r y s t a l l i n i t yo fm i d d l el a y e rw a st h el o w e s t ， w h i c hw a sc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l tt h a tt h ea m y l o s ec o n t e n to ft h em i d d l el a y e r w a st h eh i g h e s t t h eg e l a t i n i z a t i o nt e m p e r a t u r ea n dv i s c o s i t yo fo r i g i n a la n dr e m a i n i n g g r a n u l e sf r o mp o t a t os t a r c hw e r ea n a y l i z e db yd i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y i i i ( d s c ) a n dr a p i dv i s c o s i t ya n a l y z e r ( r v a ) c o m p a r e dt oo d 西n a lg r a n u l e s ，t h e 7 0 a n d 5 0 r e m a i n i n gg r a n u l e ss h o w e dh i g h e rg e l a t i n i z a t i o nt e m p e r a t u r ea n d l o w e rp e a kv i s c o s i t y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m a i n i n gg r a n u l e sh a dl o w e r t r a n s p a r e n c ya n ds t r o n g e rr e t r o g r a d a t i o n a 1 1t h e s es u g g e s t e dt h a tt h em o l e c u l a r s t r u c t u r eo fa m y l o s ea n da m y l o p e c t i nw e r ed i f f e r e n ta m o n gt h eo u t e rl a y e r , m i d d l el a y e ra n di n n e rl a y e ro fp o t a t os t a r c hg r a n u l e s r t 啊 lh eo n g m a la n dr e m a l m n gg r a n u l e sf r o mp o t a t os t a r c hw e r eh y d r o l y s e db y 0 【a m y l a s ea t2 5 。c s o m es l i g h tt r a c e so na l lg r a n u l e sa n daf e wl a r g eg r o o v e so n s o m eo r i g i n a la n dr e m a i n i n gg r a n u l e sw h i c hw e r ee r o d e db y e n z y m ew e r e o b s e r v e db yp o l a r i z e dl i g h tm i c r o s c o p ya n d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y s o m e c a v i t i e sw e r ef o r m e di no r i g i n a la n dr e m a i n i n g g r a n u l e sb ye n z y m a t i ch y d r o l y s i s af e wc r a c k sa p p e a r e do nt h er e m a i n i n gg r a n u l e s ，a n ds o m e r e m a i n i n gg r a n u l e s w e r ed i s r u p t i o n t h e r ew e r en oc h a n n e l sa n dc a v i t i e si nt h en a t u r a lp o t a t os t a r c h g r a n u l e s ，s ot h ec a v i t i e ss u g g e s t e dt h a ts o m el o o s er e g i o n sw e r eo nt h es u r f a c eo f s o m eg r a n u l e s ，n l eg r o o v e sa n dc a v i t i e si n d i c a t e dt h a tt h ed e n s i t yo f p o t a t os t a r c h w a sd i f f e r e n tn o to n l ya m o n g g r a n u l e sb u ta l s ow i t h i no n eg r a n u l e f o u rd i f f e r e n td e g r e e so fs u b s t i t u t i o no fa c e t y l a t e ds t a r c hw e r ep r e p a r e di n t h er a n g eo fl o wd e g r e eo fs u b s t i t u t i o n ( d s 0 1 ) t h ea c e t y l a t e ds t a r c h ，s h o w e d t h eh i g h e s td e g r e eo ft r a n s p a r e n c ya n dt h es t r o n g e s ta n t i r e t r o g r a d a t i o n ，h a da d e g r e eo fs u b s t i t u t i o no f0 0 7 4 3 k e y w o r d s ：p o t a t os t a r c h ，r e m a i n i n gg r a n u l e ，g r a n u l es t r u c t u r e ，a c e t y lg r o u p i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 了j i 乏i l 引言1 1 1 淀粉的分类1 1 2 淀粉的组成1 1 2 1 直链淀粉2 1 2 2 支链淀粉3 1 3 淀粉颗粒5 1 3 1 淀粉颗粒形态5 1 3 2 淀粉颗粒结构6 1 3 3 生长环、脐点、微孔和空腔9 1 4 马铃薯淀粉1 1 1 5 乙酰化淀粉1 2 1 5 1 乙酰化淀粉的合成1 2 1 5 2 乙酰化淀粉在食品工业中的应用1 3 1 5 3 乙酰化淀粉的现状1 4 1 6 本课题的主要目的、意义和研究内容1 5 2 材料与方法1 6 2 1 材料与仪器1 6 2 1 1 原料与试剂1 6 2 1 2 主要仪器与设备1 6 2 2 实验方法1 7 2 2 1 淀粉的筛分。1 7 2 2 2 淀粉化学糊化过程中偏光显微镜观察1 7 2 2 3 残存颗粒的制备1 7 2 2 4 粒径分析1 8 2 2 5 直链淀粉含量测定18 2 2 6 淀粉颗粒的形态观察。1 8 2 2 7 淀粉颗粒结晶特性分析1 9 2 2 8 热性质分析1 9 2 2 9 淀粉糊的性质1 9 2 2 1 0 淀粉颗粒的酶水解2 0 2 2 1 1 乙酰基团对马铃薯淀粉性质的影响2 0 3 结果与讨论2 3 3 1 残存颗粒制备2 3 3 1 1 温度对淀粉颗粒糊化的影响2 3 3 1 2 化学糊化形态观察2 3 3 1 3 残存颗粒质量百分比2 6 3 2 粒径分布2 6 3 2 1 未筛分样品的粒径分布2 6 3 2 2 筛分后原颗粒样品的粒径分布2 7 3 2 3 残存颗粒的粒径分布2 8 3 3 直链淀粉含量2 9 3 4 原颗粒及残存颗粒的电镜观察3 0 3 5 结晶特性3 3 3 5 1x 射线衍射图谱3 3 3 5 2 相对结晶度分析。3 4 3 6 热性质3 5 3 7 淀粉糊的性质3 6 3 7 1 黏度性质3 6 3 7 2 透明度3 9 3 7 3 凝沉性4 0 3 8 淀粉颗粒的酶解4 1 3 8 1 酶用量的确定4 1 3 8 2 酶解时间的确定4 2 3 8 3 残存颗粒的酶解4 3 3 9 乙酰基团对马铃薯淀粉性质的影响4 7 3 9 1 取代度4 7 3 9 2 红外光谱定性4 7 3 9 3 淀粉颗粒形貌观察一4 8 3 9 4 黏度性质定性比较一4 8 3 9 5 糊化温度4 9 3 9 6 透明度5 0 3 9 7 凝沉性5 0 4 结论5 2 5 论文创新之处5 3 至l c 谢5 4 参考文献5 5 攻读学位期间发表的学术论文目录6 l 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明6 2 i i 屿铃薯淀粉颗粒结构及性质的研究 1 引言 淀粉是自然界中绿色植物贮存能量的主要形式，主要贮存于绿色植物的种子、果实、 块根( 茎) 等组织和器官中1 1 , 2 1 。此外，在某些原生动物、藻类以及细菌中也都可以找到 淀粉粒口1 。绿色植物在白天利用日光的能量，将大气中的二氧化碳和水转化成糖，进而形 成淀粉，所形成的淀粉以颗粒的形式存在于叶绿素的微粒中；夜间光合作用停止，生成 的淀粉被植物中的糖化酶分解成单糖，渗透到植物的其他部分，作为植物生长的养料， 因呼吸作用而消耗掉，未利用的糖重新转变成淀粉颗粒，贮存于植物的种子、果实、块 根( 茎) 以及细胞的白色体中。在种子或块茎发芽或萌发时，或果实成熟时，在这些组 织中则发生淀粉降解反应，其代谢产物为植株提供碳源和能量 2 1 。植物淀粉是人类最重要 的能量来源，它不仅是自然界中存在的最丰富的碳水化合物之一，而且是一种可再生的 资源，新的淀粉在植物中不断生长形成，以保证新淀粉的供应。淀粉具有独特化学性质， 在自然界中可被生物降解，因而在食品和非食品领域都有着巨大的应用潜力。 1 1 淀粉的分类 根据生产淀粉的植物的多样性，不同来源的淀粉具有不同的功能性质，目前市场上 已有许多不同用途的淀粉品种 2 , 4 1 。淀粉品种一般根据其来源命名，如马铃薯淀粉、玉米 淀粉、木薯淀粉等。按不同来源可将淀粉分为以下几类嘲： 第一类：薯类淀粉主要包括块茎( 如马铃薯、山药等) 和根类( 如木薯、甘薯、 葛根等) 淀粉。目前淀粉工业上的薯类淀粉主要以马铃薯和木薯淀粉为主。 第二类：谷类淀粉主要包括大米、玉米、大麦、小麦、燕麦、养麦、黑麦和高粱 等，主要存在于谷物的种子和胚乳细胞中。这类淀粉与薯类淀粉在化学组成和物理性质 方面有显著的不同。 第三类：豆类淀粉主要来源有绿豆、豌豆、蚕豆、豇豆和赤豆等，淀粉主要存在 于豆类的种子中。这类淀粉直链淀粉含量高，一般用于制作粉丝的原料。 第四类：乔木庳本类作物淀粉如香蕉、芭蕉、芒果、西米、车前草等也含有淀粉。 另外，一些细菌、藻类中亦有淀粉存在。 1 2 淀粉的组成 淀粉分子最基本的组成单位为a - d 一葡萄糖，葡萄糖之间由a 1 ，4 糖苷键和* 1 ，6 糖苷 键连接而形成的共价聚合物就是所谓的淀粉分子。淀粉中主要包含两种聚合物，线性直 链淀粉分子和高度支化的支链淀粉分子。两种分子在分子量大小、非还原端数量、平面 和空间构象以及各自空间分布等方面均有较大差异。 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 1 直链淀粉 所谓的直链淀粉分子中也存在分支部分，只是分支较短较少而已，且其分支的程度 与淀粉的来源有关瞪，。淀粉根据其来源不同，直链淀粉含量在0 - - - - , 3 0 之间1 6 。测定直链淀 粉含量的常规方法有：淀粉一碘复合物吸收光值法、碘电位滴定法、刚果红滴定法等；新 的测定方法有伴刀豆球蛋白( c o n a ) 法、色谱分析法、近红外光谱分析法和差示扫描量 热法等1 7 ，s 】。伴刀豆球蛋白( c o n a ) 法是在一定的p h 值、温度和离子强度下，c o n a 能与 支链淀粉非还原端的伍d 一葡萄糖残基特定的结合生成沉淀；除去沉淀下来的支链淀粉后， 可通过测定上清液中碳水化合物的量来确定直链淀粉含量。 直链淀粉的分离提纯是对其进行性质、结构和空间构象研究的必要前提。直链淀粉 的分离常采用水滤出法和化学试剂沉淀法，然后通过色谱法进行纯化或用正丁醇洗涤纯 化。c h e n 等人【9 1 采用水滤出法将直链淀粉分离，通过高效排阻色谱法( h p s e c ) 测定了 其纯度。直链淀粉分子量的测定方法有甲基化法、高碘酸氧化法、d 一淀粉酶水解法和物理 法( 如渗透压法、光散射法、黏度法和高速离心沉降法) 等。其中较直接的甲基化法主 要是将直链淀粉甲基化后水解，通过测定反应生成的2 ，3 ，4 ，6 一四甲氧基葡萄糖和2 ，3 ，6 一三甲 氧基葡萄糖的量即可计算出直链淀粉的分子量。研究结果表明，直链淀粉分子的相对分 子量约为l x l 0 5 l x l 0 6 ，含有大约9 9 的o 【1 ，4 糖苷键和1 的c 【1 ，6 糖苷键，并有9 - - 2 0 个分支点。直链淀粉分子的连接形式如图1 所示，每个分子的数均聚合度( d p n ) 为6 9 0 ( 玉米淀粉) - - 4 9 2 0 ( 马铃薯淀粉) ，平均每个普通的淀粉颗粒约含有1 8 x 1 0 9 个直链淀 粉分子。直链淀粉分子的大小、结构及其多分散性随植物来源不同而不同 1 0 1 。 ? 镥喧删 图1 - 1 直链淀粉分子【1 1 1 f i g 1 1m o l e c u l eo fa m y l o s e 【1 1 】 直链淀粉分子链的形态学是分子水平上研究的热点。关于直链淀粉分子在溶液中的 形态，研究者提出了部分螺旋型和不规则的线团状等模型 1 0 1 。郭云昌利用原子力显微镜 ( a f m ) 对淀粉样品溶液进行观测，发现原淀粉、直链淀粉、羧甲基淀粉存在着可观测、 可分离的链，链的长度可达微米级，直径为1 0 2 0 n m 。同时观察到直链淀粉在溶液中为 螺旋或线形构型。但其在淀粉颗粒中的天然形态还有待研究。 2 马铃薯淀粉颗粒结构及性质的研究 1 2 2 支链淀粉 支链淀粉分子是自然界中已知分子量最大的生物多聚物。虽然目前对其精细结构的 了解还不完善，但可以肯定其为高度支化的分子，其主链为以洳1 ，4 糖苷键连接的分子链， 由c t 1 ，6 糖苷键连接形成支链。 支链淀粉含量可以通过测定直链淀粉的含量粗略计算： 支链淀粉含量( ) = 1 0 0 一直链淀粉含量( ) 此外还有基于淀粉与碘的颜色反应的双波长法、多波长法等直接测定法，其中双波长法 可同时测定直、支链淀粉的含量，多波长法测量复杂、计算繁琐，应用较少。 关于支链淀粉的分离还没有一个比较直接的方法，一般从纯度较高的淀粉中先将直 链淀粉离心沉淀出来，上清液即为支链淀粉溶液，通过正丁醇和无水乙醇的洗涤纯化， 真空干燥即可得到支链淀粉纯品。然后通过高效液相色谱或质谱法直接测定其分子量。 支链淀粉分子的相对分子量比直链淀粉要大得多，约为l x l 0 7 l x l 0 8 ，其分支程度也较 直链分子高，含有约9 5 的o 【一1 ，4 糖苷键和5 的甜1 ，6 糖苷键，分子连接形式如图1 2 所 示。各种己测得植物淀粉的支链淀粉分子的聚合度( d p n ) 约为4 0 0 0 - - - 4 0 0 0 0 ，大部分在 5 0 0 0 13 0 0 0 。 n 一婚一 图1 2 支链淀粉分子1 f i g 1 2m o l e c u l eo fa m y l o p e c t i n 【1 1 】 还可采用酸水解m ，或酶( c t - 淀粉酶、p 一淀粉酶、普鲁兰酶或异淀粉酶、葡萄糖淀粉酶) 水解1 5 , 1 卅等，将分支复杂的支链分子降解为简单结构，例如普鲁兰酶或异淀粉酶将支链分 子降解为直链来进行研究( 图1 3 ) ，然后通过色谱( 凝胶渗透色谱、阴离子交换色谱) 法和，或质谱法刀测定酶解产物的链长、分子量等，根据酶解产物的结构来分析推断支链 淀粉分子的结构。 陕西科技大学硕士学位论文 图1 - 3 支链淀粉的酶解示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed e g r a d a t i o no fa m y l o p e c t i nb ye n z y m e s 目前，支链淀粉的簇状结构模型( 图1 4 ) 被普遍接受，簇状结构中的链大多呈双螺 旋排列u s l 。在支链分子中没有其他链相连的链定义为a 链，有其他链相连的链定义为b 一 链。该大分子中还有一个c 一链，带有唯一一个还原性末端。但是在绝大多数实验中无法 区分b 链和c 一链。根据b 链在簇状结构中的位置，将它们进一步细分为b 1 、b 2 、b 3 、 b 4 。b 1 链较短，是一个簇的组成部分，链长约为2 0 , - 一2 4 个葡萄糖残基；b 2 链是贯穿于 两个簇并连接它们的长链，链长约为4 2 - - 一4 8 个葡萄糖残基；b 3 链是贯穿于三个簇并连接 它们的长链，链长约为6 9 - - - 7 5 个葡萄糖残基( 图1 4 ) ；b 4 链一般在1 左右，是支链分 子中最长的链，数量较少，其链长约为8 5 - - 一1 0 0 个葡萄糖残基r l s - 2 0 | 。 一一西 还原端 图1 4 支链淀粉的簇状结构模型【擂1 f i g 1 _ 4t h es c h e m a t i c a lc l u s t e rm o d e lo fa m y l o p e c t i n 【1 8 1 b e r t o f t t l 7 0 2 2 研究了支链淀粉分子中链的种类及其超螺旋结构，揭示了分子链的骨架及 其链的构成；并采用酶水解、高效阴离子交换色谱法对马铃薯支链淀粉簇状结构的组成、 构成链的链长进行了研究，结果表明，簇状结构组成随分支程度的不同而不同，相互之 间以b 2 一链连接，聚合度较小的簇状结构含侧链较少。支链淀粉的侧链还可以简单地划分 4 一一|一二一二黼一 一 一一 一一一 一 一 一一一 一 刻引引 马铃薯淀粉颗粒结构及性质的研究 为短链和长链，8 0 - 9 0 的链是短链，一般存在于一个簇中。另外1 0 2 0 的链是长 链，链长约是短链的两倍；还有1 3 的超长链，链长为短链的3 - - 一4 倍，但是对它们 的链长没有明确定义。应该注意到的是，短链和长链的概念在直链淀粉中应用时与在支 链淀粉中应用时完全不同。 支链淀粉分子的侧链还可以从另一个角度划分为特征性的片断，即外链和内链。外 链是从最外面的分支点到非还原性末端的链段。因此所有a 链都是外链，含有约1 2 - - 1 6 个葡萄糖残基，而b 一链的一部分( 即b l 一链) 是外链，外链含量在8 0 - - - - 9 0 。b 一链其它 的部分称为整个内链，包括分支点的所有葡萄糖残基。郭云昌m - 利用a f m 对淀粉样品溶 液进行观n - n 支链淀粉在溶液中呈现糜状和菊花状的显微结构。安红杰【2 3 1 利用a f m 观察 到溶液中淀粉颗粒轻度糊化后的分子链( 图l 一5 ) ，同时测量了淀粉中各种链的数据，各种 链的链径既有微米水平，也有纳米水平。大多数纳米水平的链以双螺旋形式存在，链径 为2 2 n m ，同时还存在葡萄糖单链，平均链径为0 5 n m 左右。 图1 - 5 淀粉溶液中的分子链【2 3 1 f i g 1 5t h em o l e c u l a rc h a i ni ns t a r c hs o l u t i o n 【瑚 支链淀粉簇状结构，是淀粉精细结构研究中的难点。簇的构成是否与淀粉颗粒的结 晶区域的组成相同，簇状结构内部各种链的分布和数量，簇状结构在淀粉颗粒中的自然 形态等问题，还需进一步研究。 1 3 淀粉颗粒 1 3 1 淀粉颗粒形态 淀粉颗粒的形状、大小及其内部组成，随着淀粉来源的不同而存在着差异，即使是 同种类的淀粉，所在植物体的部位不同，颗粒的大小和组成也会不同。通过光学显微镜 或电子显微镜均能观察到不同种类淀粉颗粒的形状，而淀粉颗粒大小( 表1 1 ) 可以用粒 5 陕西科技大学硕士学位论文 径分析仪来测定。根据颗粒的形状和大小，可初步判断其来源。 由表l 一1 可以看出淀粉颗粒粒径分布范围较大，其中粒径最小的是大米淀粉；马铃薯 淀粉颗粒最大。g o n z a l e z 等，研究了玉米淀粉不同粒径颗粒的组成，结果表明小颗粒组分 中的支链淀粉包含的侧链较长，而大颗粒组分中的支链淀粉包含的侧链较短。此外淀粉 颗粒粒径大小还会影响淀粉的性质，c h e n 等研究了马铃薯和甘薯淀粉的颗粒大小对粉 丝品质的影响，结果表明小颗粒淀粉制备的粉丝品质较大颗粒制备的粉丝品质高得多。 表1 1 淀粉颗粒的形状和大小【2 4 1 t a b 1 1s i z ea n ds h a p eo fs t a r c hg r a n u l e s 2 4 j 1 3 2 淀粉颗粒结构 1 3 2 1 淀粉颗粒表面的细微结构 近年来，显微镜技术的快速发展，在淀粉颗粒结构的研究中发挥了巨大作用，尤其 是原子力显微镜( a f m ) 的出现，使得淀粉颗粒结构的研究能够达到一个更高的层次。 庄海宁1 2 7 1 ，黄强1 2 8 1 等介绍了a f m 在淀粉颗粒结构研究中的应用，通过a f m 能够观察淀 粉颗粒表面的拓扑结构，且随淀粉来源的不同而具有不同的拓扑结构。如马铃薯和小麦 淀粉颗粒的表面拓扑形貌就具有显著差异：马铃薯淀粉颗粒在一个较平的表面上具有许 多1 0 0 3 0 0 n m 的突起，小麦淀粉颗粒表面有较少的1 0 - - 一5 0 n m 的突起。a f m 在淀粉研 究中的应用，为淀粉颗粒表面结构的研究以及化学试剂在淀粉颗粒表面的作用位点的研 究奠定了基础。 6 - 屿铃薯淀粉颗粒结构及性质的研究 1 3 2 2 淀粉颗粒的内部结构 近几十年，对淀粉颗粒构造的研究取得了长足进展。这得益于现代化分析及检测技 术( 如t e m a f m 显微技术、n m r 技术等) 的发展，使分析淀粉颗粒精细结构成为可能。 目前，高分辨率电子显微镜是研究淀粉颗粒超级结构中的主要工具，应用高分辨率t e m 甚至可以观察到颗粒结晶区域堆积的簇状结构。n o r d m a r k 等利用a f m 观察了高直链玉 米淀粉的结晶区域，发现结晶区域呈放射状。这与早期提出的淀粉分子在淀粉颗粒内沿 径向呈放射状分布的假设相一致。 在淀粉颗粒中，结晶( 硬) 和半结晶( 软) 壳层交互排列。虽然壳层的厚度和硬度 随淀粉植物来源的不同而有差异，但在一般情况下，越靠近颗粒外部边缘的壳层厚度越 小，硬度越大。t a n g 等利用电子显微镜( s e m t e m ) 和a f m 对酶作用前后的淀粉颗 粒的观察，提出了“微粒( b l o c k e t ) 结构模型和淀粉颗粒构造模型( 图1 6 ) 。“微粒 是一种半结晶的超微结构。他们假设有两种“微粒”存在于同一个淀粉颗粒中，一种是 “常规微粒 ，另一种是“残缺微粒”。常规微粒主要是由支链淀粉分子的簇形成的结晶 片层和无定形片层构成。分支程度低的分子( 如直链淀粉) 的参与会形成残缺微粒。常 规微粒构成硬壳层，残缺微粒构成软壳层。一般认为淀粉颗粒的表层为硬壳层。残缺微 粒的松散结合形成淀粉颗粒表面的小孔。一般来说，一个常规微粒中包含有几个支链淀 粉分子。这些支链淀粉分子的还原性末端朝向淀粉颗粒的粒心。直链淀粉可能分散于微 粒之间，使淀粉颗粒既有强度又有柔韧性。 微粒的侧视图 图1 - 6 淀粉颗粒构造示意图1 1 6 1 f i g 1 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t a r c hg r a n u l e 1 司 7 陕西科技大学硕士学何论文 1 3 2 3 颗粒的结晶区与无定形区 在偏光显微镜下观察淀粉颗粒时，淀粉颗粒呈现特征偏光十字。这一现象主要是由 于淀粉颗粒的高度有序性( 方向性) 所引起的，而这种高度有序的物质即为支链淀粉分 子的有序排列所形成的结晶区域。在研究淀粉糊化性质时，便可根据偏光十字的消失情 况来判断糊化程度。不同种类淀粉，其偏光十字位置不同。在所有种类的淀粉中，马铃 薯淀粉颗粒的偏光十字最为明显。 淀粉颗粒中的结晶区和无定形区交替构成了淀粉颗粒的结构。1 9 3 7 年，k a t z 等从完 整的淀粉颗粒所呈现的三种特征性的x 射线衍射图谱上分辨出三种不同的晶体结构类 型，即a 、b 、c 一型。大多数禾谷类淀粉具有a 一型图谱；马铃薯等块茎淀粉、高直链玉 米和回生淀粉具有b 型图谱；竹芋、甘薯等块根、某些豆类淀粉呈现c 一型图谱p o ! 。后来 又发现了两种类型，淀粉与脂质物质形成的复合物为e 型，直链淀粉同各种有机极性分 子形成的复合物为v - 型，叠加在a 或b 一型上】。 在研究淀粉颗粒结晶结构中，除了直接用偏光显微镜对结晶区作定性分析和x 一射线 衍射技术作定性定量分析外，n m r 和瓜技术等分析技术也在淀粉颗粒结晶结构研究中 得到广泛应用。n m r 用于淀粉颗粒结构研究的主要原理是淀粉颗粒的结晶区和无定形区 在n m r 图谱上的化学位移和驰豫时间不同。吴磊等 3 h 详述了n m r 在淀粉研究中应用， 这种技术不仅能直接观察淀粉颗粒的结晶区域、无定形区域，还能观察到直链淀粉胡旨复 合物构成的类似固态物质的区域。瓜技术现已应用于合成高分子结晶结构的表征，但用 于天然高分子淀粉结晶结构的表征较少。因m 技术对分子的构象和螺旋结构的改变十分 敏感，可利用其定量技术研究淀粉的结晶结构，以弥补x 一射线衍射技术在研究淀粉多晶 体系时存在结晶度定量计算困难的难题 3 2 1 。 对于淀粉颗粒结晶区域，多数研究者认为，结晶区域主要由呈双螺旋结构的支链淀 粉分子构成，直链淀粉主要分布于无定形区域。也有人认为结晶区由支链淀粉和少量穿 插于其中的直链淀粉分子共同组成，共同构成所谓的半结晶结构。支链淀粉分子较直链 淀粉分子大得多，穿插于结晶区和无定形区，构成淀粉颗粒的骨架( 图1 7 ) 1 。n o r d m a r k 等m ，利用a f m 观察高直链玉米淀粉颗粒球晶时，发现球晶是由大量线性或轻微支链化的 淀粉高分子构成的。由此证明淀粉颗粒的结晶区域确有直链分子穿插其中，与支链分子 共同构成结晶区域。而且t h w a 等人，利用n m r 对淀粉双螺旋结构进行了深入的分析， 提出淀粉中存在v - 型单螺旋