不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉分子質(zhì)量及其構(gòu)象

張攀峰，陳 玲，李曉璽*，李 琳，劉國(guó)琴，蘇健裕

不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉分子質(zhì)量及其構(gòu)象

張攀峰，陳 玲，李曉璽*，李 琳，劉國(guó)琴，蘇健裕

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640)

采用凝膠滲透色譜(GPC)和十八角度激光光散射(MALLS)技術(shù)，以二甲基亞砜為流動(dòng)相測(cè)定蠟質(zhì)玉米淀粉、普通玉米淀粉、直鏈/支鏈比1:1的高直鏈玉米淀粉(G50)、直鏈/支鏈比4:1的高直鏈玉米淀粉(G80)的分子質(zhì)量及其分布以及在二甲基亞砜(DMSO)溶液中的均方根旋轉(zhuǎn)半徑和構(gòu)象。結(jié)果表明：分子質(zhì)量最大的是蠟質(zhì)玉米淀粉，其重均分子質(zhì)量達(dá)到了1.416×108g/mol，其次是普通玉米淀粉2.744 ×107g/mol與G50 1.026×107g/mol，最小的是G80的3.992×106g/mol；均方根旋轉(zhuǎn)半徑也是隨著直鏈淀粉含量的增加依次減?。幌炠|(zhì)玉米淀粉在DMSO溶液中的構(gòu)象是較為緊密的無規(guī)則卷曲型，其他3種玉米淀粉的構(gòu)象均為球型。

玉米淀粉；凝膠滲透色譜；激光光散射；分子質(zhì)量分布；分子構(gòu)象

玉米淀粉是一種重要的工業(yè)原料，在食品、化工、醫(yī)藥、生物功能材料、降解塑料等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[1]。玉米淀粉中直鏈淀粉含量不同，淀粉的性質(zhì)也不同。直鏈淀粉含量超過40%的稱為高直鏈玉米淀粉。高直鏈玉米淀粉具有特殊的分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，已成為近年來國(guó)內(nèi)外食品科學(xué)界研究的熱點(diǎn)，并被廣泛用于食品、醫(yī)藥、紡織和塑料等工業(yè)。分子質(zhì)量是淀粉結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一，直接影響淀粉的黏度、流變特性、滲透壓、凝沉性和糊化性能等諸多性質(zhì)，甚至影響淀粉的深加工及用途[2]。而目前測(cè)量淀粉相對(duì)分子質(zhì)量常用的方法有黏度法、凝膠滲透色譜法(GPC)、光散射法等。黏度法是用烏氏黏度計(jì)測(cè)量其特性黏度值，根據(jù)特性黏度與相對(duì)分子質(zhì)量之間的關(guān)系式計(jì)算其黏均相對(duì)分子質(zhì)量，但該方法不能直接求出絕對(duì)平均分子質(zhì)量，而是間接地通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，所以黏度法測(cè)定的黏均分子質(zhì)量存在較大誤差[3]。凝膠滲透色譜法(GPC)是常用的檢測(cè)高聚物相對(duì)分子質(zhì)量大小的方法之一，但GPC法需要相同物質(zhì)作為標(biāo)樣，如用不同的標(biāo)準(zhǔn)品將有不同的結(jié)論，因此該法所給出的是相對(duì)分子質(zhì)量的相對(duì)值，而且對(duì)于淀粉這類大分子物質(zhì)，很難找到合適的標(biāo)品。而激光光散射法則是測(cè)定高聚物重均分子質(zhì)量的絕對(duì)方法[4]。其基本原理是在任何方向的光散射強(qiáng)度與分子質(zhì)量和溶液的濃度成正比；散射光角度的變化與分子的尺寸大小有關(guān)?？梢哉fGPC-MALLS聯(lián)用技術(shù)能快速、準(zhǔn)確地測(cè)定出高分子在不同溫度下的重均分子質(zhì)量、分子均方根旋轉(zhuǎn)半徑、構(gòu)象指數(shù)[5-7]。因此，本實(shí)驗(yàn)采用GPC-MALLS聯(lián)用法測(cè)定不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉的分子質(zhì)量分布及構(gòu)象，以期從分子結(jié)構(gòu)上說明不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉的性質(zhì)差別。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蠟質(zhì)玉米淀粉 山西晉利實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司；普通玉米淀粉 吉林黃龍食品工業(yè)有限公司；G50高直鏈玉米淀粉(直鏈/支鏈比為1:1)、G80高直鏈玉米淀粉(直鏈/支鏈比為4:1) 澳大利亞Penford公司。

二甲基亞砜(DMSO，色譜純) 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；溴化鋰(分析純) 天津市福晨化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

GPC(配有Waters 1515 色譜泵，Waters 717 自動(dòng)進(jìn)樣器) 美國(guó)Waters公司；MALLS(配有Wyatt-DAWN HELEOS十八角度激光光散射儀，Wyatt-OPTILAB rEx示差檢測(cè)器和Astra V激光光散射數(shù)據(jù)采集及處理軟件) 美國(guó)懷雅特公司；BP 211D半微量分析天平 德國(guó)Sartorius公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品預(yù)處理

分別稱取一定量的4種玉米淀粉，用添加LiBr (50mmol/L)的DMSO溶液分散，水浴5h后使樣品充分溶解[8]。樣品的質(zhì)量濃度為0.5mg/mL。將充分溶解的樣品過5μm膜(Millipore Co.，USA)后轉(zhuǎn)移至樣品瓶中，之后置于自動(dòng)進(jìn)樣器的樣品盤中。

1.3.2 GPC條件

色譜柱：Styragel HMW 7 DMF，7.8mm×300mm(分離范圍為500000～100000000g/mol)；檢測(cè)波長(zhǎng)為：658.0nm；流動(dòng)相：選用色譜純的添加50mmol/L LiBr的DMSO[9](經(jīng)過超聲過濾)；進(jìn)樣量：100L；流速：0.7mL/min；溫度：25℃；dn/dc：0.074mL/g[10]。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

利用Astra V數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)光散射數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉分子在DMSO溶液中的重均分子質(zhì)量(Mw)、平均旋轉(zhuǎn)半徑(Rg)按照Z(yǔ)imm方程進(jìn)行計(jì)算。數(shù)均分子質(zhì)量(Mn)根據(jù)公式ΣiNiMi/ΣiNi(Mi表示長(zhǎng)度i的分子質(zhì)量；Ni表示具有i長(zhǎng)度的分子數(shù)量)計(jì)算，由Astra V數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算得出。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的分子質(zhì)量分布比較

圖1 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的分子質(zhì)量分布Fig.1 Molar mass distribution of corn starches with different amylose/ amylopectin ratios

圖1 顯示了4種樣品的分子質(zhì)量大小和分子質(zhì)量分布，可以看出蠟質(zhì)玉米淀粉的分子質(zhì)量分布范圍為2.6× 107～6.1×109g/mol，普通玉米淀粉分子質(zhì)量分布范圍為5.0×106～9.3×108g/mol，G50高直鏈玉米淀粉的分子質(zhì)量分布范圍為1.5×106～4.1×107g/mol，G80的分子質(zhì)量分布范圍為5.2×105～1.4×107g/mol。

表1 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的分子質(zhì)量參數(shù)Table 1 Molecular characteristics of corn starches with different amylose/amylopectin ratios

從表 1可以看出，蠟質(zhì)玉米淀粉的重均分子質(zhì)量和數(shù)均分子質(zhì)量最大，其次分別是普通玉米淀粉、G50高直鏈玉米淀粉、G80高直鏈玉米淀粉。其中蠟質(zhì)玉米淀粉的重均分子質(zhì)量達(dá)到了1.416×108g/mol，數(shù)均分子質(zhì)量達(dá)到了5.166×107g/mol。而G80高直鏈玉米淀粉的重均分子質(zhì)量和數(shù)均分子質(zhì)量分別是3.992×106g/mol、1.404 ×106g/mol。其原因是蠟質(zhì)玉米淀粉、普通玉米淀粉、G50高直鏈玉米淀粉和G80高直鏈玉米淀粉中的直鏈淀粉含量依次增加，支鏈淀粉含量依次下降，而支鏈淀粉比直鏈淀粉的分子質(zhì)量大的多，故4種玉米淀粉的分子質(zhì)量逐漸下降。淀粉的分子質(zhì)量隨著支鏈淀粉含量的增多而變大。表中Mw/Mn是多分散指數(shù)，越接近于1，說明樣品的組分越單一，越大則說明樣品的組分越復(fù)雜，分子分布越寬。從表1可以看出，G80高直鏈玉米淀粉的分子分布最大，其次是蠟質(zhì)玉米淀粉，G50高直鏈玉米淀粉最小。

Yang等[11]用激光光散射法以DMSO-H2O(體積比90:10)為流動(dòng)相于室溫下測(cè)定蠟質(zhì)玉米淀粉的分子質(zhì)量和均方根旋轉(zhuǎn)半徑，結(jié)果分別為1.5×108g/mol、238nm，可以看出與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較接近。Mua等[12]曾用90% DMSO與10%的水為流動(dòng)相測(cè)定蠟質(zhì)玉米淀粉的相對(duì)分子質(zhì)量，結(jié)果為0.39×108g/mol，與本實(shí)驗(yàn)所測(cè)得結(jié)果之間的差異可能是由淀粉產(chǎn)地不同引起的。

2.2 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的均方根旋轉(zhuǎn)半徑的比較

圖2 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的均方根旋轉(zhuǎn)半徑分布Fig.2 Distribution of mean square radius of gyration of corn starches with different amylose/amylopectin ratios

表2 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的均方根旋轉(zhuǎn)半徑Table 2 Mean square radius of gyration of corn starches with different amylose/amylopectin ratios

從圖2可以看出，隨著洗脫時(shí)間的延長(zhǎng)，不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的均方根旋轉(zhuǎn)半徑逐漸減小，說明其分子大小逐漸降低。由表 2可以得出，均方根旋轉(zhuǎn)半徑最大的是蠟質(zhì)玉米淀粉，其次分別是普通玉米淀粉、G50高直鏈玉米淀粉、G80高直鏈玉米淀粉。這與其重均分子質(zhì)量的大小順序一致。其中蠟質(zhì)玉米淀粉的均方根旋轉(zhuǎn)半徑達(dá)到了252.8nm，最小的G80為80.9nm。原因是隨著直鏈淀粉含量依次增加，支鏈淀粉含量依次下降，而支鏈淀粉的分子粒徑比直鏈淀粉分子粒徑大，因此分子均方根旋轉(zhuǎn)半徑隨著直鏈/支鏈比的增大依次減小。Chung 等[13]以90% DMSO(添加50mmol/L LiBr)為流動(dòng)相測(cè)定的蠟質(zhì)玉米淀粉的均方根旋轉(zhuǎn)半徑為227.2nm，與表中的Rg相差不大。

2.3 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的分子形狀

通過lgRg對(duì)lgMw作圖，由其構(gòu)象圖中直線的斜率即可獲知分子的形狀，4種不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉分子在DMSO溶液中的構(gòu)象圖及直線斜率見圖3和表3。

圖3 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的lgRg與lgMw之間的關(guān)系Fig.3 lgRg-lgMwrelationships of corn starches with different amylose/ amylopectin ratios

表3 4種不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉的lgRg對(duì)lgMw的斜率Table 3 Slopes of curves of lgRgvs. lgMwof corn starches with different amylose/amylopectin ratios

當(dāng)斜率為1時(shí)，表示高分子在溶液中是棒狀排列，當(dāng)斜率為0.4～0.6時(shí)則表示高分子在溶液中呈線性無規(guī)則線團(tuán)，斜率約為0.33時(shí)則表示為球狀形態(tài)[14]。從圖3和表3可以看出，普通玉米淀粉、G50高直鏈玉米淀粉、G80高直鏈玉米淀粉在DMSO溶液中的構(gòu)象均是球型。而蠟質(zhì)玉米淀粉是無規(guī)則卷曲，而且是比較緊密的無規(guī)卷曲。Yang等[15]通過靜態(tài)光散射得出與直鏈淀粉相比，蠟質(zhì)玉米淀粉的分子結(jié)構(gòu)比較緊湊，像是一個(gè)膨脹的分支簇。而從圖2及表 2中的均方根旋轉(zhuǎn)半徑分布可以看出，蠟質(zhì)玉米淀粉的均方根旋轉(zhuǎn)半徑最大，達(dá)到252.8nm，其次是普通玉米淀粉、G50高直鏈玉米淀粉、G80高直鏈玉米淀粉，它們的均方根旋轉(zhuǎn)半徑分別是116.7、93.8、80.9nm，說明G80高直鏈玉米淀粉最緊密，其次是G50高直鏈玉米淀粉，最后是普通玉米淀粉。隨著玉米淀粉直鏈/支鏈比的逐步增大，淀粉分子的均方根旋轉(zhuǎn)半徑依次減小，這從另一個(gè)角度也能反映出玉米淀粉分子在DMSO溶液中所處的狀態(tài)。

3 結(jié) 論

利用GPC-MALLS方法，分析了4種不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉的分子質(zhì)量、分子均方根旋轉(zhuǎn)半徑及構(gòu)象，結(jié)果表明隨著直鏈淀粉含量的增加，玉米淀粉的分子質(zhì)量逐漸減小，分子的均方根旋轉(zhuǎn)半徑也隨之減小。蠟質(zhì)玉米淀粉的構(gòu)象是較緊密的無規(guī)卷曲，其他3種均為球型，致密程度依次是G80高直鏈玉米淀粉＞G50高直鏈玉米淀粉＞普通玉米淀粉。此結(jié)果可為從分子結(jié)構(gòu)上闡釋不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉性質(zhì)的差別提供依據(jù)。

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Molecular Mass and Conformation of Corn Starches with Ddifferent Amylose/Amylopectin Ratios

ZHANG Pan-feng，CHEN Ling，LI Xiao-xi*，LI Lin，LIU Guo-qin，SU Jian-yu
(College of Light Industry and Food Science, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The determination of molecular mass, molecular mass distribution, mean square radius of gyration and conformation using gel permeation chromatography coupled with multi-angle laser light scattering (GPC-MALLS) with refractive index detector with DMSO as the mobile phase was carried out for waxy, common, G50 (with 50% amylase content) and G80 (with 80% amylase content) corn starches. The results showed that the weight-average molecular masses (Mw) of waxy, normal, G50 and G80 corn starches were 1.416 × 108, 2.744 × 107, 1.026 × 107, 3.992 × 106g/mol, respectively. Similarly, higher-amylose corn starch had smaller mean square radius of gyration. The conformation of waxy corn starch was compact random coil and the three others were compact globular structure in DMSO.

corn starch；gel permeation chromatography；laser light scattering；molecular mass distribution；molecular conformation

TS231

A

1002-6630(2010)19-0157-04

2010-06-29

科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化基金項(xiàng)目(2009GB23600523)；國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA10Z312)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2009ZZ0021)；中國(guó)博士后基金項(xiàng)目(20070420775)

張攀峰(1987—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樘穷愇镔|(zhì)及其藥物的制備與生物利用。E-mail：zhangpanfeng0124@yahoo.com.cn

*通信作者：李曉璽(1977—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)樘穷愇镔|(zhì)及其藥物的制備與生物利用。E-mail：xxlee@scut.edu.cn