双链淀粉淀粉结构及性能研究

双链淀粉淀粉结构及性能研究

又名芋头、土芝，俗称芋头，属于天南星科。芋头主产区在非洲、亚洲的中国、日本、印度、菲律宾等地。现在栽培的芋头品种有数千种。与其他块茎和块根植物相比,芋头具有更高的营养价值,芋头是非洲和亚洲太平洋岛国居民的主要粮食。芋头不仅可食用,也可药用,它味甘辛、平、性滑,其叶、花、块茎均可入药,具有宽肠胃、补脾胃、消痨散结等作用,主治肿毒、腹中癖块、牛皮癣、烫火伤等症。据联合国农业组织报告,近年来,全世界芋头产量有显著增加,每年全世界产量约为530～580万吨,这为芋头的深加工打下了牢固的基础。芋头资源极为丰富,但开发的程度远不及山药、甘薯、马铃薯等,所以对芋头的认识和进一步开发是有意义的。芋头在我国栽培历史悠久,种植范围广泛,具有较好的开发应用前景。鉴于国内外有关于芋头淀粉性质方面的报道很少,本研究将为芋头资源进一步的开发利用从理论上提供依据和指导,促进我国芋头深加工业的发展。1试验材料和方法1.1均浆、过滤、纯化供试材料:在实验室自制淀粉样品,芋头采于当地市场,清洗芋头球茎,削皮,切割成薄片,再清洗一遍。薄片浸入0.03md/L氨水中2～3min,在有稀氨水溶液或足够的水覆盖的情况下用植物组织捣碎机在较低的速度下均浆,此浆在0.03md/L氨水溶液中浸泡约2h。然后,分别用80目和260目的筛子过滤。滤液沉降48h。除去上层及底部残渣,水洗淀粉数次,在40℃干燥48h。另用大米淀粉进行比较。分子量测试用淀粉:实验室制备的淀粉样品均进行水洗、除砂、脱脂和乙醇洗涤等纯化处理。标样:葡聚糖标样的分子量有200万、50万、20万、10万、7万、4万、2万和990(瑞典pharmacia公司)。麦芽糖由上海葡萄糖厂提供。1.2实验设备和方法1.2.1蒸镀金属膜的制备将粉状样品干燥后,用导电胶黏在样品座上。把样品座置于离子溅射仪中,在样品表面蒸镀一层10～20nm厚的铂金膜后。不同放大倍数下进行电镜观察并拍摄照片。1.2.2研究参数用美国Malvern公司Mastersizer2000式粒度分析仪测定芋头淀粉乳当中芋头淀粉的体-面平均粒径d3,2(d3,2=∑inid3ii3/∑inid2ii2,μm)和体积平均粒径d4,3(d4,3=∑inid4ii4/∑inid3ii3,μm),其中ni为直径di的芋头淀粉颗粒的数量。设置的参数为:分析模式:通用模式;进样器名称:Hydro2000MU(A);水折射率:1.330;测定粒径范围:0.020～20000.000μm。1.2.3x-射线衍射分析样品准备:称取样品2g,用无水乙醇洗涤后在50℃干燥5h,研磨后用自动X-射线衍射仪分析。测定条件:粉末法,特征射线CuKα,管压40kV,电流100mA,扫描范围10°～70°。1.2.4链式淀粉与支链式淀粉的分离和提取1.2.4.粗支链淀粉的制备称取10g芋头淀粉,放人500mL烧杯中,加少量的无水乙醇,使样品湿润,再加入0.5mol/L氢氧化钠溶液200mL。在沸水浴中加热搅拌20～30min至完全分散。冷却后离心(4000r/min,20min),去除未分散的残渣(沉淀部分)。用2mol/L盐酸中和离心液,并加入100mL正丁醇-异戊醇(3∶1,v/v)混合液,然后在沸水浴中加热搅拌20min,此时溶液透明,冷却至室温,移入2～4℃冰箱静置24h,离心(4000r/min)20min,沉淀物即为粗直链淀粉,上清液即为粗支链淀粉溶液。分别收集备用。1.2.4.直流淀粉的制备将沉淀物即粗直链淀粉全部转移至装有120mL正丁醇饱和水溶液,然后置沸水浴中搅拌直至溶液分散透明,再逐渐冷却至室温,移入冰箱内(2～4℃)保持24h,取出离心(4000r/min,20min),将得到的沉淀重复上述操作6次,然后将沉淀物浸入无水乙醇中24h,以无水乙醇洗涤沉淀数次,该沉淀于室温下真空干燥,即得直链淀粉纯品。无水乙醇沉淀的目的是除去直链淀粉中络合的正丁醇。1.2.4.支链淀粉的制备支链淀粉溶液置于分液漏斗中静置,取下层溶液加40mL正丁醇-异戊醇(1∶1,v/v)混合液,在沸水浴中加热搅拌直至溶液分散透明,冷却至室温,移入冰箱于2～4℃静置48h,离心(4000r/min,20min),去除沉淀物,用上清液重复上述操作3～5次,所得上清液减压浓缩至原体积的一半,加入2倍体积的无水乙醇沉淀,离心,将沉淀溶于热的200mL0.5mol/L氢氧化钠溶液中,离心去沉淀,离心液中再加入2倍体积的无水乙醇,将沉淀溶于200mL的蒸馏水中,用2倍体积的无水乙醇再沉淀,以无水乙醇洗涤数次,室温下真空干燥,即得支链淀粉纯品。1.2.4.反应液和甲苯的制备取纯化的芋头支链淀粉22mg分散于5mL浓度为0.05mol/L的pH值5.0的醋酸缓冲溶液中,加入异淀粉酶,同时滴加2滴甲苯,防止微生物生长,然后将反应液置于40℃水浴保温。在反应过程中,不断检测反应体系的还原力(以葡萄糖计),当还原力达到一个恒定值时(约24h),将反应液置于沸水浴中20min灭酶,冷却,得到芋头支链淀粉的脱支水解产物。1.2.5通过祠堂测定淀粉和直接、支链测定淀粉的含量分布用美国Waters公司Waters600高效液相色谱仪测定,配2410折光检测器和M32工作站。1.2.5.流动相及流速色谱柱:UltrahydrogelTMLinear300mm×7.8mm;流动相:0.1mol/LNaNO3;柱温:45℃;流速:0.9mL/min;进样量:10uL。1.2.5.摩尔分子量的测定用10mL含量为90%的DMSO溶液在60℃的水中溶解20～50μg的标样,得到澄清透明的标样溶液,用台式离心机以3000r/min离心20min,取上层清液,过0.45μm的滤膜。待色谱仪运转稳定后,取约10μL经过滤的样液进行测定,记录各个标样分子量相对应的保留时间RT和分子量分布图。把标样的摩尔分子量数值MolWt和相应的保留时间T(min)按微处理器的GPC法输入计算,得相关系数为0.995709的回归方程:LogMolWt=1.32×10-4.73×10-1T式中:MolWt为摩尔分子量;T为保留时间,min。1.2.5.3.样品分析淀粉样品也按1.2.5.2所述方法制成溶液,依标定柱的色谱条件进样,仪器自动绘出被测试样品的分子量分布图和分子量等结果。1.2.6淀粉糊温度的测定准确称取一定量的样品,倒入MicroVisco-Amylo-Graph黏度计的测量杯中,加入100mL的蒸馏水,充分搅拌。从30℃开始升温,以3℃/min的速率加热到95℃,保温30min,再以3℃/min的速率冷却到50℃,在此温度保温30min,黏度计自动绘制一条随时间和温度变化的连续黏度曲线。测量盒扭矩为700cmg,转速250r/min,曲线上的黏度单位为BU。可以在曲线上得到6个关键点:A为成糊温度,即最初达到10BU时的温度,℃;B为最高热黏度,即升温期间淀粉糊达到的最高黏度,BU;C为升温到95℃时的黏度,BU;D为淀粉糊在95℃保温30min的黏度值,BU;E为淀粉糊称为降落值或破损值,表示淀粉糊的热稳定性,变化小则黏度热稳定性高;E-D的差值反映淀粉糊的老化或回生的程度,也可表示冷却时形成凝胶的强弱,差值大则凝胶性强,易于老化;E-F的差值反映淀粉糊的冷稳定性,变化越小,冷稳定性越好。2结果与分析2.1粉颗粒的测定根据扫描式电子显微镜分析的结果显示(图1),芋头淀粉颗粒较小且表面光滑、均匀。颗粒形状呈多面体。芋头淀粉颗粒大小的不同,可能导致芋头淀粉加热糊化过程中物性的差异,特别是芋头淀粉对不同温度的吸水膨润力的影响。2.2馒头淀粉粒尺寸分布用美国Malvern公司Mastersizer2000式粒度分析仪测定芋头淀粉和大米淀粉粒度分布,其结果如图2。从图2上可以看出,芋头淀粉呈双峰的颗粒尺寸分布,芋头淀粉的平均粒径比米淀粉的小,芋头淀粉的平均直径为4.358μm,大米淀粉的平均直径为18.461μm。芋头淀粉粒径小,大小整齐,这可能是芋头生长过程中淀粉粒被蛋白质包的较紧,挤压较大,造成淀粉粒结构紧实、坚硬,这使得芋头淀粉较玉米、马铃薯等大颗粒淀粉要难糊化。颗粒的大小是由遗传因素决定的,它与淀粉的生物合成机理有关,淀粉粒的性质及其成分的性质与淀粉粒的大小也有关系。2.3馒头淀粉和大米淀粉的结晶性用粉末衍射法测定淀粉样品的结晶结构,得到淀粉颗粒衍射图样,其试验测试结果见图3和表1及表2。从图3和表1及表2可以看出,芋头淀粉在2-Theta为15.220、17.219、17.981、20.019、23.079、26.540、31.340和大米淀粉在2-Theta为15.159、17.180、18.081、20.000、22.980、32.540处分别有强吸收峰,这说明芋头淀粉和大米淀粉的结晶性均为A型。2.4结晶药物的性质直链淀粉和支链淀粉不是单一的化合物,化学结构不同,性质也有差异;直链淀粉在溶液状态下分子伸展,很容易与一些极性有机化合物如正丁醇、百里酚、异戊醇等通过氢键缔合,形成结晶性化合物而沉淀。支链淀粉在溶液中呈分枝状,当溶液中有极性有机化合物存在时,由于有较大的空间位阻,不易形成复合物沉淀。因此,利用这种性质可以将直链淀粉和支链淀粉分开。2.4.1响应应值-电压mv芋头和大米直链淀粉的分子量分布见图4,色谱图以保留时间(min)为横坐标,以响应值-电压(MV)为纵坐标。表3数据表明,重均聚合度和分散度,芋头直链淀粉>大米直链淀粉;数均聚合度,大米直链淀粉>芋头直链淀粉>;分散度,芋头直链淀粉>大米直链淀粉。表明芋头直链淀粉的分子大小的差别比大米直链淀粉分子大小的差别大。2.4.2馒头支链淀粉分子量分布芋头支链淀粉的分子量分布色谱图见图5,色谱图以保留时间(min)为横坐标,以响应值-电压(MV)为纵坐标。芋头支链淀粉的分子量分布色谱图出现三个峰,其中一个为大峰,另外两个是小峰。芋头支链淀粉的分子量具有较宽的分布。2.4.3支链淀粉的聚合度芋头和大米支链淀粉的脱支水解产物的分子量分布色谱图见图6,色谱图以保留时间(min)为横坐标,以响应值-电压(MV)为纵坐标。由表5可以看到,芋头支链淀粉中,长支链所占比例大于短支链;分散度,长支链大于短支链;大米支链淀粉中,长支链所占比例大于短支链;分散度,长支链大于短支链;重均聚合度,芋头支链淀粉的长支链>大米支链淀粉的长支链>芋头支链淀粉的短支链>大米支链淀粉的短支链;数均聚合度,大米支链淀粉的长支链>芋头支链淀粉的长支链>大米支链淀粉的短支链>芋头支链淀粉的短支链。2.4.4响应应值-电压mv芋头淀粉的分子量分布色谱图见图7,色谱图以保留时间(min)为横坐标,以响应值-电压(MV)为纵坐标。对于工业使用来说,感兴趣的是淀粉的性质,例如糊的黏度特性、膨胀度、糊化性能和凝沉性等,而这些性质都与淀粉的分子量分布有关。芋头淀粉的高分子量部分质量分数较高,为40.69%。2.5采用钠淀粉法分析了潘石屹引起的性能用黏度计测定淀粉样品黏度曲线,结果表示于图8、图9和图10。2.5.1h黏度曲线配制质量分数为6.0%、8.0%、10.0%的芋头淀粉乳,分别测定其黏度曲线。不同质量分数的芋头淀粉乳的MicroVisco-Amylo-Graph黏度曲线如图8所示。从图8可以看出,芋头淀粉的质量分数对其黏度性质影响很大。在测定的芋头淀粉的质量分数范围内,随着芋头淀粉质量分数的增加,成糊温度降低,最高热黏度升高,淀粉糊冷、热稳定性减弱,凝胶性增加。当芋头淀粉乳质量分数为6%时,为B型淀粉黏度图样,即出现一个较低的黏度峰,但继续加热后黏度会略降低;当质量分数升至8%和10%,热稳定性差,但其黏度较6%的糊的黏度高,为A型淀粉黏度图样,即出现一个很高的黏度峰,但继续加热后黏度会明显降低。2.5.2ph值对馒头淀粉糊黏度性质的影响淀粉应用的领域不同,pH值常不相同。配制质量分数为10%的芋头淀粉乳,用0.1mol/LHCl或0.1mol/LNaOH调节芋头淀粉乳的pH值(3.0～11.0),用MicroVisco-Amylo-Graph黏度计测定黏度曲线,实验结果见图9。图9显示,pH值对芋头淀粉糊黏度性质的影响很大。在测定的pH值范围内,与pH值7.0处芋头淀粉糊的成糊温度相比,pH值5.0和9.0处的成糊温度均略降低,pH值11.0处,成糊温度有较大增长,而pH值3.0处,成糊温度有较大的降低;芋头淀粉糊的最高热黏度在pH值11.0处有较大的降低,在其他处变化不大;芋头淀粉糊的热稳定性在pH值3.0处最差,在其它pH值处变化不大;淀粉糊的冷稳定性和凝胶性均在pH值3.0处最好,而在其它pH值处相差不大。在较低的pH值(如pH值为3.0),糊黏度急剧减小,表明芋头淀粉糊抗酸能力差。2.5.3蔗糖黏度曲线在食品制造过程中,芋头淀粉为食品原料,常加入蔗糖作为甜味剂,使用在其中的淀粉受到影响,故研究蔗糖对淀粉糊黏度性质的影响很重要。配制质量分数为10%的芋头淀粉乳,分别添加质量分数为6%、12%的蔗糖,用MicroVisco-Amylo-Graph黏度计测定黏度曲线,实验结果见图10。由图10可看出,在本课题研究的范围内,蔗糖的存在并未改变曲线类型,但使冷黏度均有所增加,且随