马铃薯淀粉结构的激光散射分析

马铃薯淀粉结构的激光散射分析

甘薯是多种作物。这是继小麦、水稻和玉米之后的第四个主要农作物。鲜甘薯的总含量通常为9%25%。这是提取淀粉的重要原料之一。甘薯粉的性能和应用差异很大。由于其高粘度高、不易老化、弹性好等特点，广泛应用于食品、药物、化工、纺织、造纸、饲料、精炼、石油开采等许多行业。这是目前的研究热点之一。马铃薯淀粉品种较多,不同品种的马铃薯淀粉在结构上存在着差异,并影响其应用性能.淀粉具有多尺度结构,主要包括淀粉的分子链结构、支链淀粉的簇状结构、半结晶的层状结构、生长环结构和淀粉颗粒结构共5种.虽然目前国内外对淀粉颗粒的结构研究逐渐深入,并提出了系列模型来解释淀粉颗粒中分子的聚集堆砌,但关于淀粉颗粒中的层状结构、生长环结构层次上淀粉分子的有序和无序结构的分布仍未探明.文中选择10种不同品种的马铃薯淀粉作为研究对象,从淀粉颗粒的形貌、结晶结构、半结晶层结构、直链淀粉含量、相对分子质量大小及分布、分子构象等几个方面进行了系统的研究,以期为探讨其结构与性质间的内在联系以及获取更好的应用提供理论依据.1材料和方法1.1青10、青715、下伞65、费乌瑞它10种不同品种的马铃薯淀粉:青2、青5、青6、青8、青9、青10、青168、陇3、下寨65、费乌瑞它,均来自青海.其水分含量18.2%～19.3%,灰分含量0.3%～0.4%,蛋白质含量0.1%～0.2%,淀粉含量80.3%～81.2%.1.2pol偏光显微SAXSess小角X射线散射仪(SAXS),奥地利AntonPaar公司;Axioskop40Pol偏光显微镜,德国Zeiss公司;X’PertProxX射线衍射仪(XRD),荷兰Panalytial公司;1515凝胶渗透色谱(GPC),美国Waters公司;DAWNHELEOS十八角度激光光散射仪(MALS),美国Wyatt公司;Optilabrex示差检测器,美国Wyatt公司.1.3分析1.3.1马铃薯淀粉颗粒散射强度iq的确定将不同品种的马铃薯淀粉颗粒配置成含水60%的淀粉乳,置于直径1mm的毛细管样品皿中,放入SAXS的样品台中进行SAXS分析,控制温度为26℃.测试条件:波长=0.1542nm的单色Cu-Kα射线,管压40kV,管流50mA,样品与影像板间距为261.2mm,测试时间为10min.由此得到不同品种马铃薯淀粉颗粒的散射强度I(q)与散射矢量的模q之间的关系.1.3.2偏振光法测量淀粉颗粒将适量淀粉样品按一定比例配成1%的淀粉乳,滴一滴于载玻片上,盖上盖玻片,放在显微镜载物台上,选择500倍的放大倍数,在偏振光下观察和拍摄淀粉颗粒的偏光十字照片.1.3.3cu-k射线采用粉末法进行XRD测定,测试条件:波长0.1542nm的单色Cu-Kα射线,管压40kV,管流40mA,起始角4°,终止角40°,步长0.033°,扫描速度10°/min,连续扫描.1.3.4测定了直接淀粉含量根据GB7648—87标准方法测定直链淀粉的含量.1.3.5高效液相色谱法分别称取一定量的马铃薯淀粉,用添加LiBr(50mmol/L)的二甲基亚砜(DMSO)溶液分散,水浴5h后使样品充分溶解,所得样品的质量浓度为0.5g/L.将充分溶解的样品经5μm滤膜(美国Millipore公司)过滤后转移至样品瓶中,之后置于自动进样器的样品盘中.GPC条件:色谱柱为StyragelHMW7DMF(7.8mm×300mm);检测波长658.0nm;流动相选用添加50mmol/LLiBr的DMSO(色谱纯);进样量100L;流速0.7mL/min;温度25℃;dn/dc值(折光指数增量)为0.074mL/g.利用AstraV数据处理软件对光散射数据进行采集和分析.不同品种的马铃薯淀粉分子在DMSO溶液中的重均分子质量(Mw)、平均旋转半径(Rg)按照Zimm方程进行计算.2结果与讨论2.1不同品种马铃薯淀粉的saxs分析淀粉颗粒属于低结晶度和不完整结晶的大分子聚集物,即半结晶聚合物,SAXS方法可直接有效地了解淀粉颗粒内由结晶层与无定形层交替而成的层状结构信息,如半结晶层的厚度、双螺旋结构的一致性等.分形几何学是研究在形态、功能和信息等方面具有自相似性的对象的一门学科,可以用来描述一组无序目标体介于几何有序与几何无序之间的自相似结构.淀粉的分形分为质量分形和表面分形,分别对应质量分形维数Dm和表面分形维数Ds.SAXS的强度I与分形的关系可以用Power定理(I-q-α)来解释,当3<α<4时,散射体是表面分形,此时物体本身致密,表面粗糙,其分形维数Ds=6-α,一般介于2和3之间,分形维数越接近2则表面越光滑,越接近3则表面越粗糙;当1<α<3时,散射体是质量分形,物体本身疏松,其分形维数Dm=α,越接近1则本身越疏松,越接近3则本身越致密.对于质量分形而言,线性排列、表面相似排列和规则排列的散射体的Dm分别等于1、2和3.图1(a)是样品的SAXS谱图(I-q图),图中实线表示I-q-α的关系,表1给出了样品的SAXS参数.由表1可以看出,α的值均大于3,所有样品均呈现表面分形结构,颗粒本身较为致密,表面光滑,青10的颗粒致密程度和表面光滑程度最小,这可能是由于其在前处理过程中吸收了更多水分而变得较为松散;青2、陇3、下寨65和费乌瑞它的α值均大于4,这是由于在样品前处理过程中淀粉颗粒表面和水相体系之间形成了明显的过渡层.依据Woolf-Bragg公式(d=2/q),SAXS谱图中约0.6nm-1处峰的位置(q1处)可以用来计算淀粉颗粒中半结晶层状结构的厚度(d1).半结晶层状结构越明显峰越尖锐,半结晶层状结构排列的有序程度越高峰面积越大,半结晶层中结晶层的双螺旋结构排列的一致性越好峰的强度越大,由图1(a)可知,不同品种马铃薯淀粉之间峰的尖锐程度没有明显区别,由此可知10个品种的马铃薯淀粉的半结晶层结构的完整程度接近.由表1可知,陇3的淀粉颗粒半结晶层厚度最小,青2和青6的最大;这10个品种淀粉颗粒半结晶层中双螺旋结构排列最为一致的是陇3,而青6、青168中双螺旋结构的一致性较差;青2的半结晶层状结构排列的有序程度最高,而青5的最低.图1(b)反映了经过Lorentz修正的不同品种马铃薯淀粉的SAXS图(Iq2-q).所有样品均出现了第2个较弱的峰(图1(b)中短竖线标记处),这反映了样品颗粒内部有第2个有序结构,该有序结构的尺寸在6nm左右,目前未见报道指明该峰所反映的淀粉颗粒内部的具体结构.由于其与淀粉颗粒内部5～7nm的结晶层厚度比较相似,因此,可认为第2个峰是淀粉颗粒内部的半结晶层的结晶层的反映.由表1可知,青10的结晶层厚度最大,陇3的最小.2.2马铃薯淀粉的晶体结构及结晶性能淀粉颗粒属于球晶体系,其内部存在着两种不同结构,即结晶结构(微晶和亚微晶)和无定形结构.在结晶区淀粉分子链有序排列,而在无定形区淀粉分子链无序排列,两种结构在密度和折射率上存在差别,产生各向异性现象,从而在偏振光通过淀粉颗粒时形成偏光十字.图2是10个品种的马铃薯淀粉颗粒在偏振光下所观察到的颗粒形态.从图中可看出,所有的马铃薯淀粉颗粒的偏光十字非常清晰,说明其有完整的结晶结构;偏光十字的中心即为淀粉颗粒的脐点,较大颗粒的脐点偏向于颗粒的一端,而较小颗粒的脐点位于颗粒中心处.淀粉结晶结构和非结晶结构在XRD谱图上的表现特征不同,结晶区呈现尖峰特征,而非晶区呈现弥散特征.通过对比衍射特征及其比例变化规律可了解淀粉颗粒的结晶性能.淀粉有A、B、C3种结晶结构,A型在2θ为15.3°、17.0°、18.0°、19.7°、22.2°、23.4°处有特征衍射峰,B型在5.5°～5.6°、15.0°、17.0°、19.7°、22.2°和24.0°处有特征衍射峰,而C型在5.5°、17.0°、18.0°、20.0°和23.5°处有特征衍射峰.图3为不同品种马铃薯淀粉的XRD谱图.从图中可以看出,10个品种的马铃薯淀粉均同时呈现尖峰衍射和弥散衍射特征,可见马铃薯淀粉颗粒由结晶区和非结晶区两部分组成,属于多晶体系,在2θ为5.6°、15.0°、17.2°、22.2°、24.0°处出现了明显的尖峰衍射,属于典型的B型结构.淀粉结晶度是衡量淀粉晶体特性的另一个重要指标,它是指淀粉中晶体所占的比率,一般通过积分法求峰面积来获得.表2是不同品种马铃薯淀粉的结晶度,数据表明,下寨65、青6、费乌瑞它、陇3、青8样品的结晶度相对较高,青2、青168样品的结晶度较低,其余3个品种样品的结晶度相差不大.淀粉的结晶度是由支链结构的双螺旋结构排列的一致性决定的,正如SAXS分析所得,陇3的双螺旋结构排列较为有序,相对应结晶度较高,而青168样品中双螺旋结构一致性较差,故结晶度较低.2.3不同马铃薯淀粉的以淀粉为原料的马铃薯淀粉马铃薯是由直链淀粉和支链淀粉组成的,直链淀粉含量是影响淀粉理化性质的主要因素之一.直链淀粉含量较高的品种,其糊化温度较高,而峰值黏度和破损值降低,而且直链淀粉的含量会对淀粉的抗消化性能产生影响.表3是不同品种马铃薯淀粉的直链淀粉含量,由表中数据可知,直链淀粉含量相对较高的是青168、陇3、青9、下寨65、青5;直链淀粉含量相对较低的是青2、青8、费乌瑞它.2.4般热性能分析表4为不同品种马铃薯淀粉的重均分子质量和分子构象类型.从表中可以看出,费乌瑞它、青5、青8的重均分子质量相对较大,而青168、青10、陇3的重均分子质量相对较小.其原因是青168、陇3样品中的直链淀粉分子含量相对较大,支链淀粉含量相对较小,而费乌瑞它、青8中的直链淀粉含量相对较小,支链淀粉含量相对较大,而支链淀粉比直链淀粉的相对分子质量大得多,故呈现出了表中的各品种重均分子质量大小规律.由lgMw对lgRg的斜率可获知分子的形状,当斜率为1时,表示高分子在溶液中呈棒状排列,当斜率为0.4～0.6时表示高分子在溶液中呈线性无规则线团,斜率约为0.33时则表示为球型,且随着斜率的不断减小,分子形状变得更致密.由表中数据可得仅青5在DMSO中的构象为无规则卷曲,其余均为球型,青2、青10、青168的分子结构较为致密,而青5、费乌瑞它的结构松散.3半结晶层厚度不同品种马铃薯淀粉的结构存在着显著的差异.文中通过SAXS分析可知,不同品种马铃薯淀粉颗粒的半结晶层结构不同,陇3的半结晶层厚度最小,其双螺旋结构的一致性最强,而青2和青6的半结晶层厚度最大