淀粉颗粒超微形貌特征研究

淀粉颗粒超微形貌特征研究

作为自然界植物储存能量和养分的主要形式，淀粉作为植物传递能量的主要支撑。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。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。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,资料中给出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,因此资料中所给出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严重。虽然国家已出台多项标准方法,以加强国内淀粉产品质量监管,但针对市场上新出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。1材料和方法1.1原料及原料来源所用淀粉为本实验室从可食用原料中自行提取;所用原料除荞麦、豌豆和高粱外,均购于北京农贸市场;荞麦、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离子一、实验方法S3400N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-9140MBE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淀粉沉淀分离称取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100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3~5h。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,倒掉上清液后,除去上面有颜色部分,将剩余的淀粉置于烘箱中,40℃烘干过夜。1.3.2离子液体高压喷射法称取5mg淀粉样品于1mL50%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。样品取出后,装入S-3400N扫描电镜观察室,进行观察。2结果与分析2.1淀粉颗粒超微形貌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,而且不同种类淀粉在颗粒超微形貌上的差别也清晰可鉴。为了清晰展示每一种淀粉颗粒在超微形貌上的特征,图1中针对每种淀粉颗粒,给出了不同放大倍数下的扫描电镜照片,同时也给出了每种淀粉颗粒的典型形貌特写。2.2淀粉颗粒超微形貌的特征如上所述,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100μm,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与其他种子形貌相似的种类在所考察的淀粉中,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等的研究结果一致。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。2.2.2颗粒形状和尺寸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荞麦与苦荞麦淀粉等。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、高粱与糯高粱及苦荞麦与甜荞麦的淀粉颗粒都属于棱角圆滑的多面体颗粒,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。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。2.2.3藻类淀粉颗粒及政策如以上观察,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。2.2.4淀粉颗粒超微形貌的特征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,象石灰脱落的墙面。3淀粉颗粒的鉴定综上所述,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