扫描电镜法分析常见可食用淀粉颗粒的超微形貌_王绍清

1、752011, Vol. 32, No. 15食品科学基础研究扫描电镜法分析常见可食用淀粉颗粒的超微形貌王绍清，王琳琳，范文浩，曹红，曹宝森（北京市海淀区产品质量监督检验所，国家食品质量安全监督检验中心，北京100094）摘要运用扫描电镜对多种常见可食用淀粉颗粒的超微形貌进行观察，按照淀粉颗粒形貌差别，将考察的所有种类淀粉颗粒分为：块茎形、棒形、球形、扁平形、复粒结构、棱角圆滑和棱角尖锐多面体形及肾形等类别， 对每一类及每一种淀粉颗粒超微形貌的特征都分别进行分析和总结，并归纳淀粉颗粒超微形貌特征规律。在本研究 成果的基础上初步形成可食用淀粉颗粒超微形貌电镜照片集锦，为从淀粉颗粒超微形貌特征上加

2、强国内淀粉产品的 质量监管提供可靠参考。关键词：淀粉颗粒；超微形貌；扫描电镜；食品掺假；检测Morphological An alysis of Common Edible Starch Granu les by Scanning Electr on MicroscopyWANG Shao-qing ， WANG Lin-lin ， FAN Wen-hao ，CAO Hong ， CAO Bao-sen(Beijing Bureau of Quality and Technical Supervision, China National Food Quality & Safety Su

3、pervision and Inspection Center,Beijing 100094, China)Abstract : The ultrastructural morphology of common edible starch granules was analyzed by scanning electron microscopy (SEM). Starch granules under investigation were observed to have different shapes such as tube-like, stick-like, ball, flat-di

4、sklike, complex type, polyhedron with smooth or pointed edges and corners and kidney-like and were classified according to these shapes. Meanwhile, a detail analysis was performed on the morphological characteristics of each type of starch granule in this study. Accordingly, the development rules fo

5、r different starch granule shapes were summarized for further research on the morphology of starch granules. The gallery for the microscopic morphology of edible starch granules presented in this study is a reliable reference for the product quality supervision of domestic starch.Key words : starch

6、granule ； microscopic morphology ； scanning electron microscopy (SEM) ； food adulteration ； detection中图分类号：TS210.1文献标识码：A文章编号：1002-6630(2011)15-0074-06淀粉作为自然界植物储藏能量和碳水化合物的主要形式，承担着能量从植物到动物传递的主要载体作用1。研究者通过多种手段对淀粉的含量、糊化、结晶结构 以及颗粒超微形貌等性质进行了研究，以揭示淀粉的组 成结构与其内在性质和功能的关系2-7。随着扫描电镜技 术的普及和应用，通过扫描电镜对淀粉颗粒超微形貌进 行

7、观察，已经成为对淀粉颗粒的性质进行全面研究时必 不可少的一种辅助考察手段7-10。但迄今为止，运用扫描电镜对大量植物淀粉颗粒的超微形貌展开对比研究的 事例却很稀少。只有美国爱荷华州立大学的Jane等11研究人员通过扫描电子显微镜对50多种市售或其他实验室制备的不同植物来源的淀粉颗粒进行了详细的超微形貌 观察和总结。但由于技术限制，资料中给岀的大部分淀粉颗粒的扫描电镜照片都不够清晰，关于每种淀粉颗 粒的表述也过于简约，部分淀粉颗粒形貌的描述不够准 确，因此资料中所给岀的研究成果只能作为科学研究的 参考，很难用于淀粉质量鉴别检验。近年来伴随国内淀粉生产加工贸易的发展，市场上 食用淀粉掺假现象越来越

8、严重。虽然国家已岀台多项标 准方法，以加强国内淀粉产品质量监管，但针对市场 上新岀现的价格差异较大的不同种类淀粉之间的掺假现 象，尚无可行鉴别方法，也无国家标准方法可依。因 为无论是普通感官检验还是理化分析指标上，不同种类 的淀粉之间的差别都很小，难以作为鉴别依据。本研究充分运用扫描电镜高分辨、高放大倍率、 景深大、立体感强等特点，开发依据常见可食用淀收稿日期：2010-08-08基金项目：国家质检总局科技计划项目(2008QK28)作者简介：王绍清(1 97 2 )，男，高级工程师，博士，研究方向为食品检验。E-mail : wwwshq y aho 994-2014 CniTtci Aca

9、demic Journal EltiCt'ranic Publiining HoiUAl AOl rights reserved. MtpiA/wwwfeCfiki基础研究食品科学2011, Vol. 32, No. 15 #粉颗粒的超微形貌特征进行鉴别的检验方法。根 据不同种类的淀粉颗粒之间在超微形貌上的明显差 异，不同种类淀粉之间的掺假现象在扫描电镜下昭然 若揭。运用扫描电镜对不同种类淀粉之间掺假行为进 行鉴别的方法的开发，将弥补国家标准检验方法的缺 陷，为打击市场上用廉价淀粉向高价淀粉掺假行为提 供技术支持。差别也清晰可鉴8-11。为了清晰展示每一种淀粉颗粒在 超微形貌上的特征，

10、图1中针对每种淀粉颗粒，给岀了不同放大倍数下的扫描电镜照片，同时也给岀了每种淀 粉颗粒的典型形貌特写。表1总结了考察的所有种类淀粉颗粒的超微形貌特 征。同时为给质量监管作参考，对所列淀粉颗粒种类 按照超微形貌或结构的特征进行了分类。基础研究食品科学2011, Vol. 32, No. 15 #基础研究食品科学2011, Vol. 32, No. 15 #1 材料与方法1.1 材料与试剂所用淀粉为本实验室从可食用原料中自行提取；所 用原料除养麦、豌豆和高粱外，均购于北京农贸市场； 养麦、豌豆和高粱原料来自于国家粮食局科学研究院。所用化学试剂均为分析纯北京化工试剂公司。1.2 仪器与设备S3400

11、N型扫描电子显微镜、 E-1045型离子溅射仪 日本日立高新技术有限公司； GZX-9140 MBE 鼓风干燥 箱上海博迅实业有限公司医疗设备厂。1.3 方法1.3.1 淀粉提取称取50g原料，经去离子水洗涤干净后，于100mL1g/100mL 的亚硫酸氢钠溶液中浸泡过夜。样品粉碎 后，浆液过1 0 0目标准筛，筛下的淀粉悬浊液经 4000r/min离心20min，分离得淀粉沉淀。所得淀粉沉 淀用超纯水反复洗涤、离心 3次后，分散于0.2g/100mL 的氢氧化钠溶液中放置35h。在同样离心条件下分离出淀粉，并用去离子水反复清洗、离心3遍，最后所得沉淀再分散于去离子水中，静置沉降，倒掉上 清液

12、后，除去上面有颜色部分，将剩余的淀粉置于烘 箱中，4 0 C烘干过夜。1.3.2 扫描电镜观察称取5mg淀粉样品于1mL 50%乙醇溶液中，超声 匀化成淀粉悬浊液。将洁净的铝箔片粘附在样品台上， 将上述淀粉悬浊液滴于洁净铝箔片上，在红外灯下烘干 液体后，置于E-1045型离子溅射仪的样品舱中，在15mA的电流下喷金90s。样品取岀后，装入 S-3400N扫描电 镜观察室，进行观察。2 结果与分析2.1常见可食用淀粉颗粒超微形貌观察与普通光学显微镜相比，扫描电子显微镜（扫描电镜，SEM）具有更高的放大倍率和分辨率。肉眼难以辨 别的不同种类的淀粉颗粒在扫描电镜下不仅可以分辨每 一个淀粉颗粒，而且不

13、同种类淀粉在颗粒超微形貌上的基础研究食品科学2011, Vol. 32, No. 15 #基础研究食品科学2011, Vol. 32, No. 15 777194-201cLin】1底 Hou強 All rishis iteser基础研究食品科学2011, Vol. 32, No. 15 #基础研究食品科学2011, Vol. 32, No. 15 79JIA.马铃薯；a.马铃薯；B.莲藕；b.莲藕；C.红薯；c.红薯；D.木薯；d.木薯；E.小麦；e.小麦；F.山药；f.山药；G.莲子；g.莲子；H.荸荠；h.荸荠；I.燕麦；i.燕麦；丄玉米；j.玉米；K.糯玉米；k.糯玉米；L. 高粱；I

14、.高粱；M.糯高粱；m.糯高粱；N.甜养麦；n.甜养麦；O.苦养 麦；o.苦养麦；P.大米；p.大米；Q.糯米；q.糯米；R.紫米；r.紫米； S.芋头；s.芋头；T.绿豆；t.绿豆；U.大白豆；u.大白豆；V.红豆；v. 红豆；W.花芸豆；w.花芸豆；X.豌豆；x.豌豆；Y.蚕豆；y.蚕豆。图1淀粉颗粒的扫描电镜照片Fig.lScanning electron microscope pic迢All ri.Kh基础研究食品科学2011, Vol. 32, No. 15 #基础研究食品科学2011, Vol. 32, No. 15 81表1所考察可食用淀粉颗粒超微形貌分类和超微形貌特征分析Tab

15、le 1Classification and microscopic characteristics of ed形貌淀粉种类电镜照片块茎形马铃薯图 1A、a棒形莲藕图 1 B、b球形红薯图 1 C、c木薯图 1 D、c小麦B型图 1 E、e小麦A型图 1 E、e山药图 1F、f扁平形莲子图 1G、g荸荠图 1 H、h复粒结构燕麦图 1I、i玉米图 1J、j糯玉米图 1 K、k棱角圆滑的多面体形高粱图1L、丨糯高粱图 1M、m甜养麦图 1 N、n苦养麦图 10、o大米图 1 P、p糯米图 1Q、q棱角尖锐的多面体形紫米图 1 R、r芋头图 1S、s绿豆图 1T、t大白豆图 1 U、u肾形或卵形红

16、豆图 1 V、v花芸豆图 1W、w绿豌豆图 1X、x蚕豆图 1Y、y淀粉颗粒超微形貌特征尺寸/m?194-2014 Chir颗粒表面光滑大的典型颗粒形似马铃薯块茎，无固定形状，小的近似卵形未成熟的小颗粒呈球形典型颗粒呈棒形，形似藕节，一端有瘤状突起，象藕节断面的孔被一层膜盖住的样子, 颗粒的另一端和侧面都比较光滑部分稍小颗粒未成熟呈矮锥形锥顶和锥面光滑， 底面呈瘤状突起还有部分形貌与红薯和木薯淀粉相似的极小淀粉颗粒包括3种典型形貌的淀粉颗粒：1）半球体颗粒，圆形底面中心凹陷，部分颗粒的球面略陡，形似椎体。2）大半个球体颗粒少数底面为中心凹陷的圆形多数底面为多面体锥形或梯形，每个多边形面的中心稍

17、有凹陷3）颗粒小于半个球体形似球体碎块,一面为球面,其他面为多面体锥形或梯形!个多边形面的中心稍有凹陷与红薯淀粉颗粒的形貌特征类似大部分颗粒呈较小的圆球形颗粒形似铁饼，呈扁平状，赤道线上有凹槽，也有研究者发现凹槽上有细孔通向颗粒中心颗粒呈扁平状，扁平盘形状不规则多近似多边形，少数近似三角形，赤道线上有凹槽其余表面较圆滑颗粒呈扁平状，扁平盘形状多不规则，有的近似多边形，有的近似三角形赤道线上有细凹槽结构其余表面圆滑长轴:1575;短轴:1050长轴：2050;短轴：1030直径：5-30直径：5-27直径：2 -3扁平面宽度：22-36;厚度：5 -15扁平面宽度:扁平面宽度:5- 25;5-

18、20;厚度:厚度:3-53-5颗粒呈扁平状大颗粒形状与山药淀粉颗粒形貌类似，但部分小颗粒形似葵花籽呈水滴状未成熟的燕麦淀粉颗粒的复粒呈球形或卵成熟的燕麦颗粒没有固定形态。表面光滑，但凹凸不平，象鼓起的大小不一的包但燕麦复粒极容易分裂破碎，形成大小不一的具有尖锐棱角的多面体形小颗粒即燕麦颗粒的二级结构。多面体形二级小颗粒的一面是复粒结构平滑的表余，各面为断裂性多边形平面典型颗粒呈多面体形，棱角圆滑，部分未成熟颗粒呈球形。颗粒的表面稍有凹凸不平（小坑和通向颗粒中心的细孔典型颗粒形貌与玉米的相似但棱角更加圆滑许多颗粒甚至看不出棱角，而且表面更加凹凸不平疙疙瘩瘩典型颗粒形貌与玉米的类似棱角较圆滑且颗粒

19、表面上的细孔更加明显部分颗粒沿棱角分布着许多凹陷小坑典型颗粒形貌与高粱的类似只是颗粒表面更加凹凸不平，疙疙瘩瘩颗粒表面有膜膜下分布着致密且大小不一细孔部分典型颗粒棱角圆滑部分典型颗粒棱角清晰还有部分小颗粒近似球形颗粒表面有疏散的细孔分布典型颗粒形貌与甜养麦的相似但棱角更加圆滑颗粒表面也有疏散细孔分布典型颗粒形貌呈多面体形棱角异常尖锐突出部分颗粒有一个多边形面稍平滑,其余各面都是比较平整的多边形平面颗粒表面稍有凹陷且分布着疏散的细孔典型颗粒形貌与大米的类只是颗粒的多边形平面中心都有明显凹陷扁平面宽度:5- 30;厚度:3-5直径：1 -5等同直径：5-20等同直径：5-15等同直径：1030等同

20、直径：1030等同直径：2-10等同直径：5-20等同直径:等同直径:3-83-8典型颗粒形貌特征与大米的类似典型颗粒具有明显的多面体形形貌特征棱角稍钝，平面的中心也有较深凹陷呈干瘪状典型颗粒呈肾形,部分小颗粒呈卵形颗粒表面光滑在垂直于颗粒长轴方向的一侧有折痕结构， 或在颗粒腰部或偏向一端小颗粒呈卵形,一侧有凹槽状结构沿垂直折痕的平面方向颗粒形态略扁典型颗粒形貌与绿豆淀粉的基本相似但尺寸稍大，并且沿垂直于折痕的平面方向颗粒形态更扁典型颗粒形貌与绿豆的相似形态略胖，更加接近于卵形,还有部分颗粒形态不规贝有多道折痕典型颗粒形貌呈肾形特征要部折痕较舒展部分颗粒的纵向侧面有赤道凹槽结构典型颗粒基本形貌

21、呈卵形多数折痕更加舒展形似充分发酵的面包烤熟后涨开的裂纹”颗粒表面横向有多道“裂纹”，部分延伸相交，将颗粒表面分成多个凸起包凸起表面仍较光滑典型颗粒形貌与豌豆的相似，只是颗粒表面“裂纹”更加明显，因“裂纹”较多，颗粒表面疙疙瘩瘩，极不平整；局部颗粒凸起表面粗糙象石灰脱落的墙面。cumal Eltjctioiiic Pijhlishint Housed All vighiji reser等同直径:等同直径:等同直径:等同直径:等同直径:等同直径:3-81-41027105027-451050等同直径：5-35等同直径：1029#2011, Vol. 32, No. 15食品科学基础研究2.2 淀

22、粉颗粒超微形貌特征分析如上所述，不同植物来源的淀粉颗粒，在颗粒大 小和超微形貌上，有着不同的特征。从颗粒形态上看， 有球形、半球形、椭球形、棒形、肾形和多面体形等， 从颗粒大小来看，小的只有几微米，大的有 1 00卩m， 从颗粒结构来看，有单粒的、有复粒的，但综合分析 本项目中考察的所有淀粉颗粒的超微形貌特征，可以发 现以下规律。2.2.1 淀粉颗粒与淀粉来源（如植物的根茎或种子等）在 形貌上的相似性在所考察的淀粉中，马铃薯淀粉与马铃薯块茎相 似，棒状的莲藕淀粉与藕节相似，多数豆类淀粉，如 绿豆、红豆、花芸豆和大白豆、绿豌豆和蚕豆等都与 相应的种子形貌相似等。这与Jane等11的研究结果一致。

23、目前，研究者正试图从淀粉颗粒的生物合成途径 上研究这种自然界中的微观子体与宏观母体在形貌上的 一致性。研究证明淀粉颗粒的超微形貌是由植物生理学 和叶绿体及淀粉质粒的生物化学过程决定的12-15。2.2.2 相近科属的淀粉种类之间，在淀粉颗粒的超微 形貌上具有相似性。最典型的例子就是豆类淀粉、米类淀粉及谷物类的 玉米与糯玉米淀粉、高梁与糯高粱淀粉及甜养麦与苦养 麦淀粉等。绿豆、红豆、花芸豆、大白豆、绿豌豆 和蚕豆的淀粉颗粒的基本形状都像肾形，与其种子形貌 相似。蚕豆淀粉颗粒表面裂纹较多，与凹凸不平的蚕 豆颗粒表面很像。玉米与糯玉米、高粱与糯高粱及苦 养麦与甜养麦的淀粉颗粒都属于棱角圆滑的多面体颗

24、 粒，每个多边形面都呈凹凸不平现象，并且表面有细 孔，相应糯性种类的淀粉颗粒的棱角更加圆滑，颗粒 表面更加凹凸不平。这可能是因为糯性种类支链淀粉含 量高的原因2。米类淀粉，如大米、糯米、紫米等淀 粉颗粒都具有棱角尖锐的多面体形，颗粒尺寸极小，只有 几微米。这与其米类淀粉中的直链淀粉含量高有关14,9。2.2.3 未成熟的淀粉颗粒多呈球形或不完全球形。如以上观察，未成熟马铃薯淀粉颗粒、B型小麦淀粉颗粒及小的豆类淀粉颗粒和藕粉中的小颗粒等都呈 球形或不完全球形。这可能与淀粉颗粒在生物合成初 期，在物理结晶结构上主要以支链淀粉构成的无定形结 构为主有关16-20。2.2.4 不同种类的淀粉颗粒之间的

25、差异性部分种类的淀粉颗粒在超微形貌上具有独特的特 征。如马铃薯块茎状的马铃薯淀粉、棒形的莲藕淀粉、 铁饼形的A型小麦淀粉等。根据这些淀粉颗粒的独特超 微形貌特征，可以通过扫描电镜进行确切的淀粉种类鉴 定。但同科属的不同种类淀粉颗粒之间，多具有部分相似的超微形貌特征，但不同科属的淀粉颗粒之间，在 超微形貌上却具有明显的差异，如豆类、米类、玉米 类和薯类淀粉，同科属的颗粒形貌具有一定的相似性， 但不同科属之间，在淀粉颗粒超微形貌上又具有明显的 差别，分别呈肾形、棱角尖锐多面体形、棱角圆滑的 多面体形和不规则球体碎块状颗粒等特征。据此可以判 定所检验淀粉种类的科属类别。对于来源于同一科属的 形貌相似

26、的不同种类淀粉颗粒之间，仔细观察和比较， 也可以找出它们的差别。如红薯淀粉与木薯淀粉颗粒， 从超微形貌上看，二者都具有半球形、大半球形、球 形碎块样的颗粒和非球面表面中心凹陷的特征。但在红 薯类淀粉中，半球形的淀粉颗粒的数量相对多一些，而 木薯淀粉中，底面是多梯形侧面组成的梯形凸起的大半 个球形状颗粒的数量相对多一些。不同种类的豆类淀粉 颗粒都具有肾形的基本形状，但不同种类的淀粉颗粒却 具有不同特征，如蚕豆和豌豆淀粉颗粒就具有不同于其 他豆类淀粉颗粒的多道折痕（“裂纹”）特征，而且多道“裂纹”将淀粉颗粒表面分成多个凸包。豌豆淀粉颗 粒的凸包表面光滑，而蚕豆淀粉颗粒的凸包表面却凹凸 不平，象石灰

27、脱落的墙面。3 结 论综上所述，本研究运用扫描电镜对多种常见可食用 淀粉颗粒的超微形貌进行观察发现，根据淀粉颗粒与植 物根茎或种子的形貌相似性、同科属淀粉颗粒形貌的类 似特征、不同科属淀粉颗粒之间的形貌差别及同属不同 种类淀粉颗粒之间的形貌特征差别，可以通过扫描电镜 成功鉴别不同种类的淀粉颗粒。这一方法的开发，将 弥补国家标准检验方法的缺陷，为打击市场上用廉价淀 粉向高价淀粉掺假行为提供技术支持。同时，本研究 给出的所考察的各种淀粉颗粒的扫描电镜照片集锦及每 种淀粉颗粒超微形貌特征的分析，为从淀粉颗粒超微形 貌特征上加强国内淀粉产品的质量监管提供了可靠参考 资料。参考文献：1 LEEMAN W

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