60Coγ輻照對馬鈴薯生料糖化的影響

胡婷春 ，熊興耀 ，王克勤 ，蘇小軍 ，鄒劍鋒 ，易錦瓊

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝園林學(xué)院，湖南 長沙 410128；2. 湖南省作物種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用重點實驗室，湖南 長沙410128；3.湖南省原子能農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究所，湖南 長沙410125)

中國是世界上最大的馬鈴薯(Solanum tuberosum L.)生產(chǎn)國，種植總面積約占世界馬鈴薯種植總面積的25.9%；年產(chǎn)量約占世界馬鈴薯總產(chǎn)量的22.3%.一般情況下，馬鈴薯作為淀粉質(zhì)原料被用于食品、化工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域.隨著當(dāng)前能源安全形勢的變化，燃料乙醇作為新型生物質(zhì)清潔能源已引起各國的高度重視[1-4].馬鈴薯以其較高的生物產(chǎn)量和淀粉含量被認(rèn)為是目前較理想的淀粉質(zhì)燃料乙醇工業(yè)化生產(chǎn)原料之一[5].

以淀粉質(zhì)為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，傳統(tǒng)工藝必須先通過高溫、高壓蒸煮工序，而該蒸煮工序消耗的能量占到整個生產(chǎn)過程總能耗的30%～40%[6].開發(fā)節(jié)能、低成本的淀粉質(zhì)生料無蒸煮乙醇發(fā)酵技術(shù)已成為當(dāng)前研究的熱點[7-11].這類研究多數(shù)是以自制的特種曲為前提.采用普通糖化酶進(jìn)行無蒸煮乙醇發(fā)酵還存在耗酶量大、發(fā)酵時間長、效率低等問題，工業(yè)生產(chǎn)可行性不強(qiáng)[12].王克勤等[13-15]的試驗證實，輻照能促進(jìn)稻草秸稈等纖維質(zhì)材料的降解與糖化.筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，用60Coγ射線對馬鈴薯材料進(jìn)行輻照處理，首次采用掃描電鏡對輻照前、后樣品顆粒形態(tài)進(jìn)行觀察，旨在初步考察輻照對馬鈴薯淀粉的降解機(jī)理以及其對淀粉生料糖化的影響.

1 材料與方法

1.1 材 料

馬鈴薯由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院蔬菜基地提供，包括大西洋和湘馬鈴薯1號2個品種.大西洋為目前廣泛種植的優(yōu)質(zhì)高淀粉加工型馬鈴薯品種[16-17]，湘馬鈴薯1號為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)選育的優(yōu)質(zhì)早熟食用型馬鈴薯品種[18].

主要儀器為掃描電鏡(JSM-6380LV，日本電子株式會社)和可見光分光光度計(7200，美國尤尼柯儀器有限公司).

1.2 方 法

1.2.1 馬鈴薯淀粉的提取及干薯粒的制備

將馬鈴薯用自來水清洗干凈后用切絲機(jī)切成絲狀；將薯絲與自來水以體積比 1∶4混合后用磨漿機(jī)反復(fù)研磨3次，收集漿液；將漿液用4層紗布過濾，棄去濾渣后收集淀粉乳，以清水為流動相過120 μm篩，收集濾后淀粉乳；將濾后淀粉乳用鹽酸調(diào)節(jié)pH至4.0左右，靜置5 h；將沉淀好的淀粉乳上層液體倒去，加清水反復(fù)洗滌、沉淀2次；將洗凈的濕淀粉攤在白布上，置于隧道式烘干機(jī)中烘 8 h(為防止高溫淀粉變質(zhì)，將溫度保持在45～50 ℃)，即得干燥的馬鈴薯淀粉.

將馬鈴薯切成體積約0.5 cm3的粒狀，45～50 ℃烘8 h后干燥封存?zhèn)溆?

1.2.2 輻照處理

將大西洋和湘馬鈴薯1號2個品種的薯粒及淀粉分別裝入250 mL廣口瓶中，各6瓶.考慮到各樣品糖化效率可能隨著輻照劑量的增大而上升，淀粉粒在受到輻照時其斷裂掉的糖苷鍵也可能發(fā)生轉(zhuǎn)移和再聚反應(yīng)[19]，因此，分別用 0、50、100、500、1 000、1 200 kGy 6個劑量的60Co γ射線進(jìn)行輻照，輻照鈷源強(qiáng)度9.99×1015Bq，劑量率2 kGy/h.每個試驗重復(fù)3次.用干料粉碎機(jī)將不同劑量輻照后的馬鈴薯粒分別磨碎，得馬鈴薯干粉，封存?zhèn)溆?

1.2.3 電子顯微鏡鏡檢

將上述各樣品用導(dǎo)電性良好的黏合劑黏在金屬樣品臺上，置于真空蒸發(fā)器中噴鍍一層5～30 nm厚的金屬膜.用掃描電鏡進(jìn)行觀察.

1.2.4 還原糖測定

分3次重復(fù)稱取馬鈴薯淀粉、干粉各2 g，常溫下溶于50 mL蒸餾水，攪拌均勻后3 000 r/min離心5 min，取上清液定容于50 mL容量瓶，即得待測溶液.取待測液2 mL、DNS溶液3 mL于10 mL試管中混勻，沸水浴5 min后迅速流水冷卻，轉(zhuǎn)入25 mL容量瓶定容至刻度.用可見光分光光度計在540 nm波長下測定其ABS值，與標(biāo)準(zhǔn)曲線對照后計算樣品中還原糖含量[20-21].

1.2.5 可溶性總糖測定

在一定條件下，硫酸能將可溶性糖全部轉(zhuǎn)化為還原糖，因此可用被轉(zhuǎn)化后還原糖含量來表示樣液中可溶性總糖的含量：分3次重復(fù)稱取淀粉、干粉樣品各1 g，常溫下溶于20 mL蒸餾水并攪拌均勻，用布氏漏斗抽濾，收集濾液于250 mL三角瓶，加入25%的硫酸溶液10 mL混合后置于電爐上加熱，沸騰5 min后冷卻，加20%的NaOH溶液中和，將溶液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶蒸餾水定容，即得待測溶液.按1.2.4中DNS法測定可溶性總糖含量[22].

用完全隨機(jī)設(shè)計方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[23].

2 結(jié)果與分析

2.1 輻照對淀粉顆粒形態(tài)的影響

高能輻照處理可以直接打斷淀粉分子鏈，使其聚合度下降.由圖1可見，未經(jīng)輻照的馬鈴薯淀粉顆粒表面光滑，干粉顆粒表面因附著有其他非淀粉質(zhì)有機(jī)物而呈現(xiàn)不定形態(tài).經(jīng)500 kGy劑量輻照后，顆粒表面可見小范圍裂紋，當(dāng)輻照劑量增大到1 200 kGy時，淀粉與干粉顆粒表面龜裂范圍增加，程度加深，裂痕清晰可見.

2.2 輻照對還原糖含量的影響

如表1所示，對于淀粉樣品，未經(jīng)輻照處理和經(jīng)50 kGy輻照后，大西洋和湘馬鈴薯1號淀粉均不含還原糖；經(jīng)100 kGy輻照后檢出有還原糖，但輻照劑量0～100 kGy還原糖含量差異不顯著；當(dāng)劑量為100～1 200 kGy時，隨著輻照劑量的增大，還原糖含量顯著性提高.對于干粉樣品，未經(jīng)輻照時，大西洋和湘馬鈴薯 1號干粉還原糖含量分別為1.791、5.267 mg/g；大西洋干粉0～100 kGy輻照劑量下還原糖含量增加不顯著，此后還原糖含量隨著輻照劑量的增大顯著提高；湘馬鈴薯1號干粉0～50 kGy輻照劑量下還原糖含量增加不顯著，此后還原糖含量隨輻照劑量的增大顯著提高.

表1 輻照對馬鈴薯淀粉和干粉還原糖含量的影響Table 1 Effects of irradiation on contents of reducing sugar in starch and powder of potato mg/g

由表1可知，無論是淀粉還是干粉，2個品種樣品的還原糖含量都隨著輻照劑量的增加而不斷上升，中低劑量時增幅不大；當(dāng)劑量超過1 000 kGy時，各樣品中還原糖含量急劇上升，在1 200 kGy時達(dá)到最大.

2.3 輻照處理對可溶性總糖含量的影響

由表2可見，2個品種淀粉樣品未經(jīng)輻照處理時不含可溶性總糖；經(jīng)50～1 200 kGy輻照處理后，淀粉樣品可溶性總糖含量隨著輻照劑量的增大顯著增加.2個品種干粉樣品未經(jīng)輻照處理時測出有可溶性總糖，大西洋干粉0～50 kGy輻照劑量下可溶性總糖含量差異不顯著，50～1 200 kGy 輻照劑量下可溶性總糖含量隨著輻照劑量的增大顯著增加；湘馬鈴薯1號干粉0～1 200 kGy輻照劑量下可溶性總糖含量隨著輻照劑量的增大顯著增加.

表2 輻照對馬鈴薯淀粉和干粉可溶性總糖含量的影響Table 2 Effects of irradiation on contents of total soluble sugar in starch and powder of potato mg/g

馬鈴薯淀粉和干粉樣品中可溶性總糖含量隨輻照劑量的增加均呈不斷上升的趨勢，2個馬鈴薯品種淀粉和干粉可溶性總糖含量的變化趨勢基本相同，都在劑量1 200 kGy時達(dá)到最高.

3 結(jié)論與討論

a. 輻照對淀粉糖化的影響.經(jīng)掃描電鏡測定，馬鈴薯淀粉與干粉顆粒經(jīng)一定劑量輻照后，表面均出現(xiàn)裂痕.隨著輻照劑量的增加，馬鈴薯淀粉的還原糖與可溶性總糖含量均從無到有增加，當(dāng)輻照劑量達(dá)500 kGy時，其糖化效率大幅度升高.同樣，馬鈴薯干粉的糖化效率也隨著輻照劑量的增大不斷升高.這說明輻照可能通過破壞淀粉顆粒結(jié)構(gòu)促進(jìn)其降解，形成還原糖及其他可溶性糖類.此外，經(jīng)相同輻照劑量處理后，2個品種馬鈴薯淀粉和干粉的可溶性總糖含量始終高于還原糖含量.這說明60Coγ輻照除了將淀粉降解成還原糖外，還可將其降解成其他非還原可溶性糖類.

b. 輻照促進(jìn)馬鈴薯淀粉糖化的原因.淀粉經(jīng)60Coγ射線輻照后發(fā)生分解反應(yīng)，且伴隨著氧化、水解等過程.淀粉分子的 α-1,4糖苷鍵在吸收輻射能后發(fā)生斷裂和氧化，有時甚至能切斷C2—C3鍵的連接，并將其氧化成羧基，形成的自由基往往還會引發(fā)糖苷鍵的轉(zhuǎn)移和再聚[24].從掃描電鏡測定結(jié)果來看，60Coγ輻照對馬鈴薯淀粉和干粉顆粒結(jié)構(gòu)均有一定的影響，隨著輻照劑量的不斷增大，龜裂程度不斷加深，這些裂紋的產(chǎn)生是由于淀粉顆粒中α-1,4糖苷鍵斷裂所致.化學(xué)鍵的斷裂直接促進(jìn)了淀粉的降解，進(jìn)而表現(xiàn)出樣品的糖化率隨著輻照劑量的加大而不斷升高的現(xiàn)象.從糖化的結(jié)果也可以看出，經(jīng)100 kGy劑量處理后，還原糖和可溶性總糖含量急劇上升，表明此劑量下淀粉結(jié)構(gòu)開始被破壞；當(dāng)劑量增加到1 200 kGy時，糖化效率達(dá)到最高，表明此劑量下淀粉被破壞的程度最嚴(yán)重.這一結(jié)論與電鏡測定結(jié)果相符.

c. 輻照劑量的選取.從理論上講，繼續(xù)增加輻照劑量可能有利于糖化效率的進(jìn)一步提高.筆者之所以未進(jìn)一步增大輻照劑量，是由于輻照劑量與輻照源本身的強(qiáng)度有關(guān).當(dāng)輻照源強(qiáng)度一定時，輻照劑量直接由輻照時間控制.考慮到實際生產(chǎn)效率，輻照處理的時間不宜過長.在1 200 kGy的基礎(chǔ)上如果繼續(xù)增大輻照劑量是否會進(jìn)一步提高馬鈴薯淀粉、干粉的糖化效率，尚有待探討.

當(dāng)前，淀粉糖化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品、化工等領(lǐng)域的工業(yè)生產(chǎn)[25-26]，在當(dāng)前生物質(zhì)燃料乙醇生產(chǎn)中作為關(guān)鍵技術(shù)也具有重要地位[27-28].60Coγ輻照作為一種有效的淀粉生料糖化技術(shù)，不但節(jié)約能源，且安全環(huán)保，有望在今后的食品、化工以及新型生物質(zhì)燃料乙醇等領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用，具有良好的發(fā)展前景.

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