烤煙中支鏈與直鏈淀粉比例對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響

吳 俊，羅 丹，全學(xué)軍，戴 亞，馬擴(kuò)彥

(1.重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 400054; 2.重慶中煙工業(yè)有限公司， 重慶 400062)

烤煙中支鏈與直鏈淀粉比例對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響

吳 俊1，羅 丹1，全學(xué)軍1，戴 亞2，馬擴(kuò)彥2

(1.重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 400054; 2.重慶中煙工業(yè)有限公司， 重慶 400062)

為深入認(rèn)識(shí)烤煙中淀粉結(jié)構(gòu)形態(tài)，研究了淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例對(duì)其晶相結(jié)構(gòu)和形態(tài)的影響。結(jié)果表明：烤煙淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例一般在1∶1～3∶1之間變化；支鏈/直鏈淀粉比例對(duì)其晶相結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響，且烤煙淀粉的相對(duì)結(jié)晶度與晶粒尺寸隨支鏈淀粉含量的增加變化不明顯；隨著淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例的升高，出現(xiàn)圓球狀淀粉顆粒的數(shù)量逐漸減少，菱形狀淀粉顆粒的數(shù)量逐漸增多，并且顆粒表面上出現(xiàn)各向異性平面的現(xiàn)象。

烤煙淀粉; 組成結(jié)構(gòu); 淀粉晶相; 顆粒形態(tài)

淀粉是煙葉中重要的碳水化合物。在煙葉烘烤過(guò)程中，淀粉逐漸降解、轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，對(duì)煙草的色、香、味產(chǎn)生影響。淀粉含量的高低決定著煙葉內(nèi)在品質(zhì)和外觀等級(jí)質(zhì)量的優(yōu)劣[1-3]。目前，我國(guó)烤煙中淀粉含量為4%～6%，是國(guó)外優(yōu)質(zhì)烤煙淀粉含量的2～3倍[4]。相比之下，我國(guó)烤煙淀粉含量以及內(nèi)在協(xié)調(diào)性等方面還存在著較大差異。烤后煙葉淀粉殘留量過(guò)高已成為制約中國(guó)煙葉質(zhì)量提高的重要因素之一[5-6]。為降低烤后煙葉淀粉含量，研究人員進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)探索。目前，比較成熟的技術(shù)是在烘烤過(guò)程中外加淀粉類(lèi)酶來(lái)降低烤后煙葉中的淀粉含量[7-8]。為進(jìn)一步合理調(diào)控淀粉含量，研究人員對(duì)煙葉的淀粉顆粒結(jié)構(gòu)特征、透光率、晶體特性等微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[9-12]。當(dāng)前，關(guān)于淀粉結(jié)構(gòu)形態(tài)以及降低淀粉含量的研究較多，但對(duì)支鏈/直鏈淀粉比例與煙草淀粉結(jié)構(gòu)形態(tài)之間的關(guān)系研究較少。因此，本文對(duì)此進(jìn)行了探討，這對(duì)于采取措施降低煙草淀粉含量、提高煙草制品的質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 烤煙樣本的選取

為了研究烤煙淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例與其結(jié)構(gòu)形態(tài)的關(guān)系，首先選取不同的煙草樣品以獲得不同的支鏈/直鏈淀粉比例，并從中選取具有代表性比例的淀粉樣本進(jìn)行形態(tài)和結(jié)構(gòu)分析。為此，選取了紅花大金元、粵煙97、中煙100、云煙97、云煙87等10多種烤煙品種(重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供)。

1.2 試劑與分析測(cè)定方法

支鏈淀粉和直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)樣品(美國(guó)Sigma公司出品)；無(wú)水乙醇、氯化鈉、高氯酸、氫氧化鈉、碘、碘化鉀(AR，成都市科龍化工試劑廠出品)。

TU-1901雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn))；HFP-200型高速多功能粉碎機(jī)(永康市紅太陽(yáng)機(jī)電有限公司生產(chǎn))；JJ-2組織搗碎勻漿機(jī)(常州國(guó)華電器有限公司生產(chǎn))；離心機(jī)TDZ4-WS臺(tái)式低速離心機(jī)(湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn))；JSM-6460LV掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社生產(chǎn));XRD-7000型X射線衍射儀(日本島津公司生產(chǎn))。

1.2.1 測(cè)定淀粉含量

烤煙淀粉含量的測(cè)定參照文獻(xiàn)[13-14]進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)流程：煙草粉粹→過(guò)篩(40～100目)→除雜(飽和NaCl-乙醇溶液)→過(guò)濾(取濾渣)→提取(高氯酸溶液)→過(guò)濾(取濾液)→顯色反應(yīng)(I2/KI溶液)→測(cè)吸光度。最后，根據(jù)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)所測(cè)定吸光度，計(jì)算支鏈淀粉和直鏈淀粉的含量。

直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的計(jì)算方法如下：

a1表示以試樣計(jì)的直鏈淀粉含量比值，由式(1)計(jì)算。

(1)

a2表示以試樣計(jì)的支鏈淀粉含量比值，由式(2)計(jì)算。

(2)

式(1)～(2)中：C1為樣品溶液中直鏈淀粉的測(cè)定值(mg·mL-1)；C2為樣品溶液中支鏈淀粉的測(cè)定值(mg·mL-1)；V為待測(cè)溶液的定容體積(mL)；m為試樣的質(zhì)量(g)；N為提取液測(cè)定時(shí)的稀釋倍數(shù)。

1.2.2 淀粉晶體特性

烤煙淀粉采取堿式提取，參照文獻(xiàn)[15-16]進(jìn)行，將煙葉粉碎后使用0.3%的NaOH浸泡提取淀粉，過(guò)濾，離心后用50%乙醇洗滌，然后于30 ℃條件下烘干。采用日本XRD-7000型X射線衍射儀，衍射條件：CuKα輻射，管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描速度2(°)/min，掃描范圍10°～55°，步寬0.02°。用MDI Jade 6.0 分析軟件計(jì)算結(jié)晶度以及晶粒尺寸[17-18]。

平均晶粒尺寸根據(jù)謝樂(lè)(Scherrer)公式計(jì)算[19-20]：

(3)

式中：K為系數(shù)，取值0.89；β為最強(qiáng)衍射峰的半峰寬(rad)；λ為輻射波長(zhǎng)(nm)；θ為衍射峰位的布拉格(Bragg)角(°)。

1.2.3 淀粉顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用日本JSM-6460LV掃描電子顯微鏡，選取合適淀粉樣品，將其均勻平鋪于附有導(dǎo)電膠的載樣臺(tái)上，使用SBC12型離子濺射儀進(jìn)行噴金處理，將噴金后的樣品直接放入掃描電鏡樣品室進(jìn)行觀察。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003和MDI Jade 6.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，借助Microcal Origin 8.0對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1烤煙樣本中淀粉含量及其支鏈/直鏈淀粉比例

烤煙中淀粉含量是評(píng)判煙草品質(zhì)的重要依據(jù)[4]，表1是烤煙樣本中的淀粉含量及其支鏈/直鏈淀粉比例的測(cè)定結(jié)果。由表1可以看出：烤煙總淀粉含量在3.48%～8.44%之間，支鏈/直鏈淀粉比例在1.14∶1～3.03∶1之間，比例接近2∶1的樣品占多數(shù)。

表1 烤煙樣本中淀粉含量及其支鏈/直鏈淀粉比例測(cè)定結(jié)果

為了考察淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例與其結(jié)構(gòu)形態(tài)的關(guān)系，從中選取具有代表性比例的淀粉樣本進(jìn)行形態(tài)和結(jié)構(gòu)分析，即紅花大金元、粵煙97、中煙100、云煙97、云煙87五個(gè)品種作為具有不同支鏈/直鏈淀粉比例的樣品，其值分別為 1.14∶1、2.15∶1、2.09∶1、2.03∶1、3.03∶1。

2.2烤煙淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例對(duì)其XRD的影響

煙葉中的淀粉顆粒有結(jié)晶和無(wú)定形兩種結(jié)構(gòu)，由支鏈淀粉和直鏈淀粉組成[21]。結(jié)晶區(qū)主要由支鏈淀粉分子以雙螺旋結(jié)構(gòu)形成，結(jié)構(gòu)較為致密；無(wú)定形區(qū)主要由直鏈淀粉分子以松散的結(jié)構(gòu)形成[22-24]。根據(jù)XRD圖譜，淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)可分為“A”、“B”和“C”3種類(lèi)型。其中， A-型XRD波譜特征主要表現(xiàn)為2θ分別在15°、17°、18°、23°處有強(qiáng)的衍射峰，在20°有弱的衍射峰；B-型XRD波譜特征主要表現(xiàn)為2θ在5.6°、17°、22°、24°處有強(qiáng)的衍射峰，在15°、20°有弱的衍射峰；C-型由A-型和B-型組成[25-27]。紅花大金元、粵煙97、中煙100、云煙97、云煙87五個(gè)品種的烤煙淀粉的XRD圖譜，如圖1所示。5種不同支鏈/直鏈淀粉比例的XRD衍射峰出現(xiàn)位置基本一致，判斷5種淀粉具有相同的晶型結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例對(duì)其晶相結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的影響。5個(gè)樣品XRD的2θ分別在15°和23～24°之間有強(qiáng)衍射峰。因此，烤煙淀粉的晶型應(yīng)該具有A-型淀粉晶體結(jié)構(gòu)的特征。

圖1 支鏈/直鏈淀粉比例對(duì)XRD衍射圖譜的影響

2.3烤煙淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例對(duì)其結(jié)晶度及晶粒尺寸的影響

利用MDI Jade 6.0對(duì)不同支鏈/直鏈淀粉比例的XRD圖譜進(jìn)行相對(duì)結(jié)晶度以及晶粒尺寸分析，結(jié)果如表2所示。由此可以看出：當(dāng)烤煙淀粉樣品中的支鏈/直鏈淀粉比例相同時(shí)(如比例約為2∶1時(shí))，樣品的相對(duì)結(jié)晶度在19.58%～25.54%之間波動(dòng)，變化不太大。晶粒尺寸在51.5～60.06 nm之間波動(dòng)。當(dāng)樣品中的支鏈/直鏈淀粉比例由1.14∶1升高至3.03∶1時(shí)，相對(duì)結(jié)晶度和晶粒尺寸分別在19.58%～30.81% 和51.5～61.92 nm之間波動(dòng)。隨著樣品中支鏈淀粉比例的提高，烤煙淀粉的相對(duì)結(jié)晶度與晶粒尺寸隨支鏈淀粉含量的增加在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但不明顯。徐斌等[17]對(duì)不同直鏈淀粉含量的稻米淀粉的相對(duì)結(jié)晶度分析，表明相對(duì)結(jié)晶度與直鏈淀粉含量呈線性負(fù)相關(guān)。本文研究結(jié)果表明：烤煙淀粉的結(jié)晶度并未出現(xiàn)類(lèi)似明顯情況。

2.4烤煙淀粉中支鏈/直鏈比例對(duì)淀粉顆粒形態(tài)的影響

采用SEM對(duì)不同支鏈/直鏈比例的烤煙淀粉顆粒進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示。通過(guò)電鏡標(biāo)尺估測(cè)，烤煙煙葉淀粉顆粒粒徑大小為1.14～7.73 μm不等，主要集中在3.33～4.07 μm，結(jié)果與賀帆等[9,23]測(cè)得的結(jié)果相似。通過(guò)對(duì)比觀察分析可知：不同支鏈/直鏈比例的烤煙淀粉表現(xiàn)出的顆粒形貌特征不同，見(jiàn)表3?？傮w趨勢(shì)是：隨著支鏈/直鏈淀粉比例的增大，圓球狀淀粉顆粒數(shù)量逐漸減少，而表面平整光滑的菱形狀淀粉顆粒數(shù)量逐漸增多，顆粒上出現(xiàn)各向異性平面。從圖2(b)～(d)中可以看出：在淀粉中支鏈/直鏈比例接近時(shí)，淀粉結(jié)晶度提高，菱形狀淀粉顆粒數(shù)量也逐漸增多。

表2 支鏈/直鏈淀粉比例對(duì)結(jié)晶度、晶粒尺寸的影響

圖2 不同支鏈與直鏈比例的淀粉顆粒SEM圖

規(guī)格煙葉等級(jí)支鏈/直鏈粒徑/μm形貌特征紅花大金元C3F1.14∶11.59～5.91圓球狀和長(zhǎng)圓柱狀淀粉顆粒較多,表面光滑,個(gè)別呈現(xiàn)含有棱角的不規(guī)則形狀,飽滿度較高粵煙97C3F2.15∶11.29～6.48圓球狀和長(zhǎng)圓柱狀淀粉顆粒較多,表面光滑,少數(shù)顆粒出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)和孔洞中煙100C3F2.09∶11.36～6.82圓球狀淀粉顆粒減少,大部分顆粒出現(xiàn)孔洞以及裂口,淀粉顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則形狀且所占比例較大云煙97C3F2.03∶11.14～7.73棱形狀淀粉顆粒占主要部分,圓球狀淀粉顆粒少且出現(xiàn)孔洞,邊緣殘缺云煙87C3F3.03∶11.36～6.36棱形狀以及不規(guī)則的淀粉顆粒占主要,圓球狀淀粉顆粒很少且出現(xiàn)孔洞及裂口

3 結(jié)論

烤煙的主要化合物含量和性質(zhì)的變化對(duì)煙葉品質(zhì)有決定性作用，其中支鏈/直鏈淀粉比例的微弱變化可能導(dǎo)致品質(zhì)的不同[28]。采用XRD、SEM研究了支鏈/直鏈淀粉比例對(duì)淀粉晶相結(jié)構(gòu)和形態(tài)的影響。結(jié)果表明：烤煙淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例一般在1∶1～3∶1之間變化；支鏈/直鏈淀粉的比例對(duì)其晶相結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響，且烤煙淀粉的相對(duì)結(jié)晶度與晶粒尺寸隨支鏈淀粉含量的增加變化不明顯,但隨著淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例的升高，出現(xiàn)圓球狀淀粉顆粒的數(shù)量逐漸減少，菱形狀淀粉顆粒的數(shù)量逐漸增多，并且顆粒表面上出現(xiàn)各向異性平面的現(xiàn)象。

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(責(zé)任編輯林 芳)

EffectofAmylpectin/AmylaseRatioinFlue-CuredTobaccoonCrystalPhaseandMorphologyofTobaccoStarch

WU Jun1, LUO Dan1, QUAN Xuejun1, DAI Ya2, MA Kuoyan2

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China；2.Chongqing China Tobacco Industry Co., LTD., Chongqing 400062, China)

In order to understand the structure of starch in flue-cured tobacco, the effects of different ratios of amylopectin/amylose on the phase structure and morphology of flue-cured tobaccos were investigated. Research results showed that the amylpectin/amylase ratio of flue-cured tobacco starch varied from 1∶1 to 3∶1 and the ratio of amylopectin/amylose has little effect on the crystalline structure of the flue-cured tobacco starch. With the increase of amylopectin/amylose ratio, the crystallinity and crystal size of the flue-cured tobacco starch were not obviously changed, but spherical starch particles gradually were converted into diamond ones with smooth flat surfaces.

clue-cured tobacco starch; composition; starch crystal phase; particle morphology

2017-05-20

重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目“煙草中淀粉的存在形態(tài)及其分析方法研究”(hx201314)

吳俊(1991—)，女，四川遂寧人，碩士研究生，主要從事資源化工及納米材料研究，E-mail：wujun0210cq@163.com； 通訊作者 全學(xué)軍(1963—)，男，重慶潼南人，博士，教授，主要從事資源化工及納米材料研究，E-mail：hengjunq@cqut.edu.cn。

吳俊，羅丹，全學(xué)軍，等.烤煙中支鏈與直鏈淀粉比例對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(10):122-127，157.

formatWU Jun, LUO Dan, QUAN Xuejun,et al.Effect of Amylpectin/Amylase Ratio in Flue-Cured Tobacco on Crystal Phase and Morphology of Tobacco Starch[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):122-127，157.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.020

TS411.1

A

1674-8425(2017)10-0122-06