曾紅華,胡 蝶,吳 平,左 健,謝 濤

(湖南工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,湘潭411104)

直鏈淀粉與支鏈淀粉的分離方法有很多,常用的有選擇瀝濾法、完全分散法、鹽析法、凝沉分離法、酶脫支法、電泳法和纖維素柱色譜分離法等[1,2].采用不同方法分離所到的直鏈淀粉、中間成分和支鏈淀粉的比例、支鏈長(zhǎng)度、支化度及分子量分布等結(jié)構(gòu)特性也會(huì)發(fā)生很大的變化,而這些結(jié)構(gòu)特性直接影響直鏈淀粉和支鏈淀粉的物化特性及其在工業(yè)上的應(yīng)用[3～5].因此,本文將以玉米淀粉為原料,選用三種方法分離得到玉米直鏈淀粉、中間成分和支鏈淀粉,并通過掃描電子顯微鏡(SEM)和X-射線衍射技術(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行表征.

1 材料與方法

1.1 原料

精制玉米淀粉(市售,直鏈與支鏈淀粉含量分別為26.75%、65.39%).

1.2 直鏈、支鏈淀粉分離

方法一(楊澤敏法[6]):①稱10 g淀粉,加入到300 mL二甲基亞砜(AR)中緩緩攪動(dòng)24 h后2000 g離心15 min.上清液用于分離3種淀粉成分,沉淀為非淀粉成分,加無水乙醇(AR)洗滌除去DMSO,烘干稱重,稱作DMSO不溶物.②將上清液注入2倍量的正丁醇(AR)中,不攪拌,靜止24 h后4000 g離心.沉淀用無水乙醇洗滌數(shù)次除去DMSO后轉(zhuǎn)入到1000 mL蒸餾水中,加熱使其連續(xù)沸騰1 h,冷卻至60℃時(shí)加1 g百里酚(AR),攪拌均勻,室溫下放置3天.③2000 g離心15 min分離沉淀I,上清在0～4℃預(yù)冷1 h后加入適量乙醚,劇烈振蕩后靜置片刻,萃取百里酚,重復(fù)3次后加入過量酒精,放置24 h.④4000 g離心15 min,沉淀烘干稱重即為支鏈淀粉.⑤將沉淀I轉(zhuǎn)入700 mL蒸餾水中,加熱使之連續(xù)沸騰45 min,冷卻后加入10mL正丁醇,攪拌均勻,放置 24 h.⑥2000 g離心分離沉淀 II,上清在0～4℃下預(yù)冷1 h后加入適量乙醚,振蕩后靜置片刻,萃取百里酚,重復(fù)3次后加過量酒精,放置24 h.⑦4000 g離心15 min,沉淀烘干稱重即為中間成分;沉淀II用酒精洗滌除去正丁醇,烘干即為直鏈淀粉.

方法二:在方法一基礎(chǔ)上略做改動(dòng),只將方法一②中的“2倍量的正丁醇”改成“過量的無水乙醇”,③和⑥中的“上清在0～4℃預(yù)冷1 h后加入適量乙醚,劇烈振蕩后靜置片刻,萃取百里酚,重復(fù)3次后加入過量酒精”改為“先在0℃冰凍、然后室溫自然溶解分層,傾出上層清液,下層用乙醚萃取,最后再用無水乙醇沉淀”,其余不變.

方法三:正丁醇法,參考文獻(xiàn)[7].

1.3 測(cè)定方法

掃描電子顯微鏡(SEM)分析:將干燥樣品充分混合隨機(jī)取樣,再將樣品粒子均勻撒在貼有雙面膠的樣品臺(tái)上,用離子濺射儀噴金固定8 min,在日立S-570型掃描電子顯微鏡(日本)觀察攝像.

X-射線衍射分析:采用TTRAX3型X-射線衍射儀(美國(guó)),分析條件:特征射線CuKa,石墨單色器 ,管壓 40 k V,電流25 mA,測(cè)量角度 2θ=10°～60°,步長(zhǎng) 0.02 °/步,掃描速度 2 °/min.按參考文獻(xiàn)[8,9]的方法計(jì)算結(jié)晶度.碘親和力的測(cè)定:按Schoch法[10]測(cè)定,并按式

本文試驗(yàn)均重復(fù)三次,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值.

2 結(jié)果與分析

淀粉-碘復(fù)合物最大吸收波長(zhǎng)測(cè)定:按參考文獻(xiàn)[12]的方法測(cè)定.

平均聚合度(DP)、平均鏈長(zhǎng)(CL)和摩爾平均鏈數(shù)(NC)的測(cè)定:按Hizukuri和Suzuki等人[13-15]的方法測(cè)定,并按算.

2.1 分離方法對(duì)玉米淀粉分離組分微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖1 為三種方法分離得到的玉米淀粉組分的電子顯微圖像.由方法一得到的玉米直鏈淀粉聚集成比較致密的單層塊狀(圖1B11),表面布滿裂縫(圖1B12);中間成分呈塊狀(圖1C11),塊狀物由大小比較均勻的片狀物層層堆積而成(圖1C12);支鏈淀粉則聚集成團(tuán)(圖1D11、圖1D12).由方法二得到的玉米直鏈淀粉同樣堆積成單層塊狀(圖1E21、圖1E22),中間成分形成結(jié)構(gòu)比較疏松的層狀物(圖1F21～圖1F23),支鏈淀粉絮凝成團(tuán)(圖1G21、圖1G22).由方法三得到的玉米直鏈淀粉呈橢球狀(圖1H31),由片狀物堆積而成(圖1H32、圖1H33),而支鏈淀粉則形成疏松多孔的團(tuán)塊(圖1I31～圖1I33).

圖1 分離方法對(duì)玉米淀粉分離組分微觀結(jié)構(gòu)的影響

2.2 分離方法對(duì)玉米淀粉分離組分結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響

圖2 不同分離方法得到玉米淀粉分離組分的X-射線衍射圖譜

圖2 為不同方法分離得到的玉米淀粉分離組分的X-射線衍射圖譜,其具體計(jì)算結(jié)果見表1.玉米原淀粉為典型的A-型晶體,在其X-衍射圖譜上15.3°、17.1°、18.2°和 23.5°衍射角處分別存在比較強(qiáng)的吸收峰.由圖2可看出,分離方法對(duì)玉米原淀粉組成成分的影響很大,玉米直鏈淀粉、中間成分和支鏈淀粉結(jié)晶相的晶型均轉(zhuǎn)變?yōu)镃-型.與玉米原淀粉相比,分離方法主要導(dǎo)致玉米直鏈淀粉、中間成分和支鏈淀粉的微晶相比例下降,非晶相比例稍有增加,因而它們的結(jié)晶度也有所降低(表1).

表1 分離方法對(duì)玉米淀粉分離組分結(jié)晶度的影響

2.3 分離方法對(duì)玉米淀粉分離組分分子結(jié)構(gòu)的影響

碘親和力通常用來確定淀粉中直鏈淀粉的含量及評(píng)定直鏈淀粉純度,用碘電位滴定法測(cè)定各種直鏈淀粉的碘親和力如小麥直鏈淀粉為19.9%、馬鈴薯直鏈淀粉19.9%、木薯直鏈淀粉18.6%和銀杏直鏈淀粉19.2%,而支鏈淀粉的碘親和力一般在0.5%～1.0%以下.藍(lán)值是表示淀粉碘結(jié)合性能的一個(gè)指標(biāo),直鏈淀粉由于其線性聚合度很高(800～1200個(gè)葡萄糖單元),故其藍(lán)值很大,一般為0.8～1.2;支鏈淀粉由于其側(cè)鏈鏈長(zhǎng)只有20～30個(gè)葡萄糖基,藍(lán)值僅在0.08～0.22之間.三種分離方法對(duì)玉米淀粉分離組分碘親和力、藍(lán)值、平均聚合度和平均鏈長(zhǎng)等分子結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響見表2.由表2可看出,分離方法對(duì)玉米直鏈淀粉、中間成分和支鏈淀粉與碘形成復(fù)合物的λmax有影響,方法一和方法二的λmax相同,而方法三的λmax則相差較大.就碘親和力和藍(lán)值來說,方法三分離得到的玉米直鏈淀粉和支鏈淀粉的最大,方法二分離得到的玉米直鏈淀粉和支鏈淀粉的最小;但玉米淀粉中間成分的碘親和力和藍(lán)值,方法一分離得到的比方法二分離得到的要低.無論選用哪種分離方法,直鏈淀粉的聚合度均要低于支鏈淀粉的聚合度,相反直鏈淀粉的分子鏈長(zhǎng)度比支鏈淀粉的要長(zhǎng).

表2 玉米淀粉分離組分的分子結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 論

(1)分離方法對(duì)玉米直鏈淀粉、中間成分和支鏈淀粉微觀結(jié)構(gòu)影響較大,特別地由方法三得到的玉米支鏈淀粉形成內(nèi)部疏松多孔的團(tuán)塊.

(2)分離方法使玉米直鏈淀粉、中間成分和支鏈淀粉結(jié)晶相由A型轉(zhuǎn)變?yōu)镃型,并降低它們的微晶相比例和結(jié)晶度.

(3)分離方法對(duì)玉米直鏈淀粉、中間成分和支鏈淀粉碘親和力、藍(lán)值、平均聚合度、平均鏈長(zhǎng)和摩爾平均鏈數(shù)的影響較大,而對(duì)它們與碘形成復(fù)合物的λmax影響較大的是方法三.

[1]Tadeda Y,Hizukuri S,Juliano BO,et al.Purification and Structure of Amylase from Rice Starch Carbohydrate[J].Res,1986,148:299-308.

[2]Hung PV,Maeda T,Miskelly D,et al.Physicochemical Characteristics and Fine Structure of High-amylose Wheat Starches Isolated from Australian Wheat Cultivars[J].Carbohydrate Polymers,2007,66:236-248.

[3]Shao YY,Tseng YH,Chang YH,et al.Rheological Properties of Rice Amylose Gels and Their Relationships to the Structures of Amylose and its Subfractions[J].Food Chemistry,2007,103:1324-1329.

[4]Chang YH,Lin JH.Effects of Molecular Size and Structure of Amylopectin on the Retrogradation Thermal Properties of Waxy Rice and Waxy Corn Starches[J].Food Hydrocolloids,2007,21:645-653.

[5]Kuakpetoon D,Wang YJ.Structural Characteristics and Physicochemical Properties of Oxidized Corn Starches Varying in Amylose Content[J].Carbohydrate Research,2006,341:1896-1915.

[6]楊澤敏,王維金,藍(lán)盛銀,等.稻米三種淀粉成分的分離及其蒸煮前后結(jié)構(gòu)差異[J].電子顯微學(xué)報(bào),2003,22(4):286-292.

[7]謝 濤,陳建華,謝碧霞.橡實(shí)直鏈淀粉與支鏈淀粉的分離純化[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào),2002,12(2):30-34.

[8]張本山,張友全,楊連生,等.淀粉多晶體系結(jié)晶度測(cè)定方法研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(5):55-58.

[9]謝碧霞,謝 濤.橡實(shí)淀粉多晶體系結(jié)晶度測(cè)定[J].食品科學(xué),2004,25(1):56-58.

[10]Schoch TJ.Iodimetric Determination of Amylase Potentiometric Titration:Standard Method in Methods in Carbohydrate ChemistryⅣStarch ed(Whistler RI)[M].New York and London:Academic Press,1964.157-160.

[11]Takeda C,Takeda Y,Hizukuri S.Physicochemical Properties of Lily Starch[J].Cereal Chemistry,1983,60:212-216.

[12]Hung PV,Morita N.Physicochemical Properties of Hydroxypropylated and Cross-Linked Starches from A-type and B-type Wheat Starch Granules[J].Carbohydrate Polymers,2005,59:239-246.

[13]Hizukuri S.Relationship Between the Distribution of the Chain Length of Amylopectin and the Crystalline Structure of Starch Granules[J].Carbohydrate Research,1985,141:295-306.

[14]Hizukuri S,Takeda Y,Yasuda M,et al.Multibranched Nature of Amylose and the Action of Debranching Enzymes[J].Carbohydrate Research,1981,94:205-213.

[15]Suzuki A,Hizukuri S,Takeda Y.Physicochemical Studies of Kudzu Starch[J].Cereal Chemistry,1981,58:286-290.