基于紅外光譜技術(shù)的淀粉種類的快速鑒別研究

張金亞，李海洋，孟紅娟，閆君廉

（洋縣食品藥品檢測檢驗(yàn)中心，陜西洋縣 712100）

目前，市場上的淀粉原料主要分為禾谷類作物、薯類作物、豆類作物以及其他作物。常見主要有玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、紅薯淀粉和大米淀粉等，不同種類的淀粉價(jià)格差別較大，有的相差高達(dá)10 倍以上[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中上會(huì)有不法商家將廉價(jià)淀粉摻入高品質(zhì)淀粉中以次充好，欺騙消費(fèi)者[2]，但是不同種類淀粉顆粒的外觀和普通物化指標(biāo)差別不明顯，無法辨認(rèn)。

目前真假鑒別方法有感官法和理化鑒別法。感官方法是通過淀粉的觸感和口感鑒別；形態(tài)法鑒別的依據(jù)是根據(jù)不同植物的淀粉粒在大小、形態(tài)、類型、層紋、臍點(diǎn)位置以及偏光下的形態(tài)等方面都各具特征，依據(jù)這些特征?？膳卸ㄆ渲参飦碓?，主要是根據(jù)淀粉粒的特殊結(jié)構(gòu)在正交偏光下呈現(xiàn)消光十字的特征；在國內(nèi)有利用紅外和SVM 相結(jié)合的方法準(zhǔn)確將淀粉進(jìn)行真假與種類鑒別：利用短波近紅外光譜技術(shù)對(duì)淀粉種類進(jìn)行鑒別，分別采用馬氏距離判別法、C-支持向量機(jī)（C-SVM）、ν-支持向量機(jī)（ν-SVM）建立淀粉種類鑒別的短波近紅外光譜模型[3]。國外用SDS-PAGE 分析淀粉中的蛋白質(zhì)來鑒別不同種類的淀粉[4]，也可以用液相做淀粉鑒別[5]。但這些方法比較復(fù)雜。因此，需要一種快速、簡單的方法來鑒別各種淀粉。淀粉種類鑒別的研究將會(huì)規(guī)范淀粉市場，減少以次充好或以劣冒優(yōu)的不法行為，使消費(fèi)者的利益得到保障。

1 材料與方法

1.1 材料、實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

1.1.1 材料：玉米淀粉、小麥淀粉、大米淀粉、豌豆淀粉、紅苕淀粉、土豆淀粉、木薯淀粉、蕨根淀粉，冷凍干燥、粉碎、過篩（120 目），然后密封于玻璃瓶內(nèi)，置冰箱中備用。

1.1.2 試劑：葡萄糖分析純，中國醫(yī)藥公司北京采購供應(yīng)站經(jīng)銷；直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品，上海源葉生物科技有限公司；支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品，上海源葉生物科技有限公司；無水乙醇、碘化鉀、碘、石油醚、堿性蛋白酶、氫氧化鈉、氫氧化鉀、濃鹽酸、濃硫酸、蒽酮、高氯酸，天津天力。

1.1.3 儀器：紫外分光光度計(jì)，日立U-2900；Nicolet6700紅外光譜儀，美國Thermo 公司；FA2004N 分析天平、離心機(jī)，科大創(chuàng)新股份有限公司；水浴鍋，上海安亭；烘箱、電爐，北京科偉。

1.2 方法

1.2.1 淀粉的純化。稱取淀粉100g，通過石油醚浸泡和堿性蛋白酶水解得到脫脂脫蛋白的淀粉。

1.2.2 透明度測定。在620nm 波長下測定淀粉糊的透光率。

1.2.3 雙波長測直支比。①取1mg/mL 直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)溶液，在紫外可見分光光度計(jì)上進(jìn)行400～960nm 光譜掃描，繪制出直鏈淀粉吸收曲線[4]。制備濃度為0、4、12、20、28、36μg/mL 的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。②取1mg/mL 支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)液，操作同直鏈淀粉。在同一坐標(biāo)內(nèi)獲得支鏈淀粉可見光波段吸收曲線，并制備濃度為0、60、100、140、180、220μg/mL 的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。③樣品處理：精確稱取脫脂脫糖樣品0.100g，在50mL 燒杯中加入1mL 無水乙醇潤濕，加0.5mol/L KOH 溶液10mL，在80（±1）℃水浴中分散溶解10min，加雙蒸水定容至50.00mL，混勻。吸取樣品液2.50mL，加20～30mL 雙蒸水，用0.1mol/L HCL 調(diào)pH 值至3.0，加0.5mL 碘試劑，定容至50.00mL，混勻，靜置20min[5]。④樣品測定及結(jié)果計(jì)算。分別以雙蒸水和加入0.1mol/L HCL 和碘試劑的雙蒸水為空白，用1cm 比色杯，測定吸光度值。再根據(jù)回歸方程分別求出樣品溶液中直鏈淀粉濃度Y 直（μg/mL）和支鏈淀粉濃度Y 支（μg/mL），計(jì)算試驗(yàn)原料中直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉的含量：

直鏈淀粉（%）=Y直×50×50/（2.5×0.1000×1000000）；支鏈淀粉（%）=Y支×50×50/（2.5×0.1000×1000000）；淀粉含量（%）=直鏈淀粉+支鏈淀粉；回收率（%）=（混和后測定量-原料樣品中的直或支鏈淀粉含量）/淀粉標(biāo)準(zhǔn)品加入量×100。

1.2.4 紅外光譜掃描。淀粉樣品不作任何處理直接進(jìn)行紅外光譜采集。測量時(shí)將樣品裝入樣品杯，采用漫反射光譜法，掃描范圍4000～9999cm-1，分束器CaF2，分辨率8cm-1，掃描次數(shù)為64 次。每個(gè)樣品重復(fù)掃描3 次，取平均值[6]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 透明度測定

在620nm 波長下測定淀粉糊的透光率，以蒸餾水為空白，設(shè)蒸餾水的透光率為100%。

表1 淀粉的透光率

淀粉糊透明度的差異是由于當(dāng)一束光碰到淀粉粒子時(shí)，粒子對(duì)光線的反射、折射以及透射程度不同引起的。各種淀粉的透光率見表1。直鏈淀粉含量少可以使得淀粉的透明度好[7]，由表可以看出透光率最大的淀粉是玉米淀粉，透光率最小的是蕨根淀粉。

淀粉的透明度影響因素有以下2 點(diǎn)：一是直鏈淀粉含量影響透光率。直鏈淀粉分子量小，易相互締合使淀粉回生，光線發(fā)生反射，透明度下降。二是淀粉粒的大?。捍蟮牡矸垲w粒較易吸水膨脹，糊化后所形成的糊液比較透明。三是淀粉中磷的含量：較高的含磷量使淀粉分子帶同種電荷，導(dǎo)致分子之間相互排斥而增大光線的穿透力，糊液的透明度因而得以提高[8]。蕨根透光率低的原因可能有2 點(diǎn)：一是其原本顏色為黑褐色，不利于透光；二是由于其難溶，造成其含量過低。

2.2 雙波長測直支比

雙波長法扣除了兩類淀粉吸收背景的相互影響，消除了這兩者引起的誤差，克服了單波長法的局限性，能大幅度提高測定的靈敏度、選擇性和準(zhǔn)確度，可以同時(shí)測定直、支鏈淀粉的含量，進(jìn)而計(jì)算總淀粉含量[9]。在實(shí)驗(yàn)采用0.5 mol/L 的KOH 溶液通過沸水浴來溶解淀粉，溶解過程中，淀粉顆粒吸水溶脹，直鏈淀粉和支鏈淀粉之間的氫鍵被打斷，2 種淀粉相互分散開。

2.2.1 吸收光譜圖及測定波長的選擇。將直鏈淀粉和直鏈淀粉的掃描液在紫外可見分光光度計(jì)上進(jìn)行400～960 nm 光譜掃描，分別得到直鏈淀粉和支鏈淀粉的吸收曲線。直鏈淀粉和支鏈淀粉的最大吸收波長分別是647.5nm 和534nm。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備。用紫外分光光度計(jì)在測定波長647.5nm，參比波長707nm 處分別測定直鏈淀粉的吸光度值。以吸光度差對(duì)直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)液的濃度進(jìn)行一元線性回歸，得到直鏈淀粉的回歸方程：y=0.0139x+2.7E-5（y 的單位為ug/mL），相關(guān)系數(shù)R2=0.9997。以直鏈淀粉的濃度為橫坐標(biāo)，以吸光度差為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.2.3 支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備。用紫外分光光度計(jì)在測定波長534nm，參比波長494nm 處分別測定支鏈淀粉的吸光度值。以吸光度差對(duì)支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)液的濃度進(jìn)行一元線性回歸，得到支鏈淀粉的回歸方程：y=0.0024x+0.0056（y 的單位為ug/mL），相關(guān)系數(shù)R2=0.9994。以支鏈淀粉的濃度為橫坐標(biāo)，以吸光度差為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.2.4 直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量。根據(jù)樣品測得的ΔA 直和ΔA 支分別計(jì)算出樣品中直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量以及支直比。

表2 淀粉的支直比

2.3 紅外測各種淀粉

圖1 各種淀粉樣品的紅外光譜

紅外吸收峰的位置與強(qiáng)度反映了分子結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，可以用來鑒別未知物的化學(xué)基團(tuán)；由上圖可以看出，由于都是淀粉，所以出峰幾乎一樣，很難辨別。但是蕨根淀粉在1083cm-1左右處沒有峰，由這點(diǎn)可以將蕨根淀粉與其他淀粉區(qū)分出來。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)淀粉的光譜圖進(jìn)行處理，得到紅外光譜數(shù)據(jù)，在SVM 工具包可以對(duì)樣品進(jìn)行準(zhǔn)確的鑒別[10]。

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明：透光率在1 以下的是蕨根淀粉；透光率在1～5 之間的是土豆淀粉、木薯淀粉和紅苕淀粉；透光率在14～15 之間的是大米淀粉和小麥淀粉，其中透光率在15 左右的是小麥淀粉；透光率在20～30 之間的是玉米淀粉和豌豆淀粉，相對(duì)較大的是玉米淀粉。直鏈與支鏈淀粉比值進(jìn)一步判斷，直鏈淀粉含量在20%左右的是紅苕淀粉；在15%左右的是土豆淀粉；支直比在6～7 之間的是木薯淀粉。各種淀粉的紅外圖譜基本接近，只能區(qū)別出蕨根淀粉，其它淀粉需要用SVM 數(shù)模才能進(jìn)行區(qū)別。

本試驗(yàn)中未知的單一淀粉可以根據(jù)其透光率和直支比相結(jié)合做出鑒別。但是，在對(duì)于混合淀粉的鑒別目前還沒有快速有效的方法，還需更深入細(xì)致的研究和探討。