B型微晶山藥淀粉的表征

周曉微 杭書揚(yáng) 薛夢豪 張家瑞 劉延奇

摘要：為改善山藥淀粉的性質(zhì)，以山藥淀粉為原料，在35 ℃條件下經(jīng)鹽酸（2.2 mol/L）水解96 h得酸解山藥淀粉，再經(jīng)溶解、離心和冷凍結(jié)晶得到微晶山藥淀粉。通過對山藥淀粉、酸解山藥淀粉和微晶山藥淀粉進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，得到結(jié)果：山藥淀粉、酸解山藥淀粉呈鵝卵石狀，粒徑約為5～25 μm，微晶山藥淀粉是直徑3～8 μm的球形顆粒；山藥淀粉、酸解山藥淀粉晶型為C型，結(jié)晶度分別為42.4%和45.1%，而微晶山藥淀粉晶型為B型，結(jié)晶度提高至45.8%；酸解和結(jié)晶化處理未使淀粉引入新的官能團(tuán)，但其短程有序性得到了進(jìn)一步提升；與山藥原淀粉相比，酸解山藥淀粉和B型微晶山藥淀粉的起始分解溫度越來越低，分解速率最大時溫度逐步上升，微晶淀粉的熱穩(wěn)定性提高；在微晶化過程中山藥淀粉分子量不斷減小，所形成的酸解淀粉和B型微晶淀粉的葡萄糖聚合度分別為123.27和49.55。

關(guān)鍵詞：山藥淀粉；酸解淀粉；微晶淀粉；結(jié)晶度；短程有序性

中圖分類號：TS235.2????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號：1000-9973（2023）08-0168-05

Characterization of B-Type Microcrystalline Yam Starch

ZHOU Xiao-wei1，2，3， HANG Shu-yang1， XUE Meng-hao1， ZHANG Jia-rui1， LIU Yan-qi1，2，3*

（1.College of Food and Biological Engineering， Zhengzhou University of Light Industry，

Zhengzhou 450001， China; 2.Henan Collaborative Innovation Center of Food Production

and Safety， Zhengzhou 450001， China; 3.Henan Key Laboratory of Cold Chain

Food Quality and Safety Control， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： In order to improve the properties of yam starch， yam starch is used as the raw material and is hydrolyzed with hydrochloric acid （2.2 mol/L） at 35 ℃ for 96 h to obtain acid hydrolyzed yam starch. The microcrystalline yam starch is then obtained by dissolution， centrifugation and freezing crystallization. Through the structure characterization of yam starch， acid hydrolyzed yam starch and microcrystalline yam starch， the results are obtained： the shape of yam starch and acid hydrolyzed yam starch is like a cobblestone， with the particle size of 5～25 μm， and microcrystalline yam starch is spherical particle with the diameter of 3～8 μm. The crystal form of yam starch and acid hydrolyzed yam starch is C type， with crystallinity of 42.4% and 45.1% respectively， while the crystal form of microcrystalline yam starch is B type， and the crystallinity increases to 45.8%. Acid hydrolysis and crystallization treatment do not introduce new functional groups into the starch， but its short-range order is further improved. Compared with the original yam starch， the initial decomposition temperature of acid hydrolyzed yam starch and B-type microcrystalline yam starch is lower and lower， and the temperature gradually increases when the decomposition rate reaches its maximum， resulting in the improvement in the thermal stability of microcrystalline starch. During the process of microcrystallization， the molecular weight of yam starch decreases continuously， and the glucose polymerization degrees of the formed acid hydrolyzed starch and B-type microcrystalline starch are 123.27 and 49.55 respectively.

Key words： yam starch; acid hydrolyzed starch; microcrystalline starch; crystallinity; short-range order

收稿日期：2023-02-22

基金項(xiàng)目：河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（222300420580）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（222102110337）

作者簡介：周曉微（1978－），女，河南南陽人，講師，碩士，研究方向：天然多糖的研究與開發(fā)。

通信作者：劉延奇（1964－），男，河南鄭州人，教授，博士，研究方向：淀粉及功能性食品。

天然淀粉經(jīng)過溫和酸解，或者經(jīng)過進(jìn)一步的結(jié)晶化處理得到的具有較高結(jié)晶度的淀粉微晶束、片晶或其他晶形的短鏈直鏈淀粉的聚集體稱為微晶淀粉[1]。雖然微晶體系中可能殘余少量的α-1，6-糖苷鍵，但是絕大多數(shù)微晶淀粉的葡萄糖單元仍是通過α-1，4-糖苷鍵組成。根據(jù)淀粉X射線衍射圖強(qiáng)衍射峰的不同，微晶淀粉分為A、B、C、V型，A型微晶淀粉強(qiáng)衍射峰位于9.9°、11.2°、15°、17°、18°、23.3°；B型微晶淀粉強(qiáng)衍射峰位于5.6°、15°、17°、22°、24°；C型微晶淀粉結(jié)合了A、B兩種淀粉，在趨勢上更趨向于B型；V型微晶淀粉是人工合成的一種淀粉。不同方法制備的微晶淀粉的晶型結(jié)構(gòu)也不盡相同，一般情況下，溫和酸催化水解并不會改變淀粉的晶型結(jié)構(gòu)[2-4]，而經(jīng)過重結(jié)晶制備的微晶淀粉的晶型結(jié)構(gòu)則與制備條件有關(guān)。與天然淀粉相比，微晶淀粉有著更高的熱穩(wěn)定性、耐壓性和耐剪切性，可彌補(bǔ)天然淀粉在某些理化性質(zhì)上的不足，因此，近年來被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域中[5]。

淀粉是山藥中主要的有效成分，山藥淀粉與普通玉米、小麥、馬鈴薯淀粉相比有較高的變性溫度，但有關(guān)山藥微晶淀粉的研究卻鮮有報道[6]，因此本試驗(yàn)以山藥淀粉為原料，經(jīng)鹽酸水解、結(jié)晶制成相對結(jié)晶度較高的B型微晶山藥淀粉，采用掃描電鏡（SEM）、X-射線衍射儀（XRD）、傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）、差示掃描量熱分析儀（DSC）、同步熱重分析（TG）以及多角度激光散射凝膠滲透色譜等方法，對微晶淀粉、酸解淀粉與山藥原淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異進(jìn)行分析，為將來更好地應(yīng)用山藥淀粉資源提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試劑

實(shí)驗(yàn)試劑表見表1。

1.2 儀器與設(shè)備

儀器與設(shè)備表見表2。

1.3 方法

1.3.1 制備方法

酸解山藥淀粉制備：參考文獻(xiàn)[7]的方法并稍加修改。取20 g山藥淀粉，用鹽酸（2.2 mol/L）配成淀粉懸浮液（30%），在35 ℃恒溫條件下用鹽酸酸解96 h，抽濾，用去離子水洗滌3次后用NaOH溶液中和至pH值為7，再用無水乙醇洗滌3次，收集固體，室溫晾干備用。

B型微晶山藥淀粉制備：將得到的酸解山藥淀粉配成懸浮液（10%），加熱煮沸使其充分溶解，自然冷卻到室溫，室溫下離心（4 000 r/min，10 min），除去不溶物，上層清液在－18 ℃下冷凍12 h。將冷凍樣品在室溫下緩慢解凍，當(dāng)殘余少量冰晶時，及時抽濾，并用冷水洗滌，然后用無水乙醇洗滌3次，收集濾餅，在室溫下晾干即得B型微晶山藥淀粉[8]。

1.3.2 掃描電鏡（SEM）觀察

采用SEM對淀粉樣品進(jìn)行形貌和微觀結(jié)構(gòu)研究，用膠帶粘取干燥的淀粉均勻涂開，并吹去表面多余的淀粉顆粒，然后在真空環(huán)境下進(jìn)行噴金，圖像采集的加速電壓為3.0 kV，在放大倍數(shù)為1 000倍的條件下進(jìn)行拍攝[9]。

1.3.3 X-射線衍射儀（XRD）測試

采用XRD，在工作電壓、電流和衍射角（2θ）的掃描范圍分別為30 kV、20 mA和5°～35°的條件下，得到淀粉樣品的XRD譜圖。樣品結(jié)晶度按照文獻(xiàn)[10]的方法進(jìn)行計(jì)算。

1.3.4 傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）測試

參考文獻(xiàn)[11]的方法，通過FT-IR光譜儀分析淀粉樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)，1 mg樣品與100 mg溴化鉀（烘箱干燥4～6 h）混合、研磨、壓片，分辨率設(shè)置為0.4 cm-1，光譜記錄范圍為400～4 000 cm-1。

1.3.5 同步熱重分析（TG）測試

根據(jù)文獻(xiàn)[12]的方法，采用TG方法對淀粉樣品的熱性能進(jìn)行測定，升溫范圍為50～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min，負(fù)載氣體為N2。

1.3.6 差示掃描量熱儀（DSC）測試

各準(zhǔn)確稱量3種淀粉樣品3.0 mg加入鋁盤中，補(bǔ)加純凈水至10 mg，室溫下靜置過夜。升溫范圍為20～120 ℃，設(shè)定程序，將升溫速率控制在10 ℃/min，以不含樣品的空鋁盤作對照，從而測得3種淀粉樣品的吸熱變化趨勢，同時采用TA軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.3.7 分子量測定

采用多角度激光散射凝膠滲透色譜法對淀粉樣品進(jìn)行分子量測定，將樣品溶解于去離子水中，配制成0.3%（質(zhì)量和體積比）的水溶液，流動相為50 mmol/L NaNO3和0.02% NaN3的混合溶液，待測樣品及流動相經(jīng)超聲、抽濾（0.2 μm抽濾膜）后進(jìn)行分析測定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均重復(fù)3次，采用Excel整理數(shù)據(jù)，用IBM SPSS Statistics 22.0軟件程序Duncan檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性分析（P<0.05），并以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，均采用Origin 6.1軟件作圖。FT-IR數(shù)據(jù)經(jīng)OMNIC軟件進(jìn)行短程有序性分析，DSC數(shù)據(jù)采用TA軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM結(jié)果分析

山藥淀粉、酸解淀粉和B型微晶淀粉的掃描電子顯微鏡照片（1 000倍）見圖1。

由圖1可知，天然的山藥淀粉為厚片鵝卵石形狀，顆粒分散，表面光滑，粒徑約為5～25 μm；經(jīng)鹽酸恒溫水解4 d后，淀粉顆?？傮w形貌仍為厚片鵝卵石狀，顆粒分布、大小也與原淀粉相似，但表面經(jīng)鹽酸作用變得粗糙，光澤下降，甚至部分淀粉出現(xiàn)了顆粒斷裂現(xiàn)象；酸解淀粉經(jīng)溶解、冷凍、結(jié)晶形成B型微晶淀粉后，淀粉顆粒外觀發(fā)生明顯的改變，為小球體，粒徑約為3～8 μm，顆粒之間發(fā)生了粘連現(xiàn)象。

2.2 XRD圖譜分析

山藥淀粉、酸解淀粉、B型微晶山藥淀粉的XRD圖譜見圖2。

由圖2可知，山藥淀粉的特征衍射峰分別在2θ為6.07°、15.18°、17.22°、18.09°、23.14°處，兼有A型淀粉和B型淀粉的特征，即山藥淀粉是C型淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度為42.4%。經(jīng)酸水解后，淀粉晶型幾乎沒有發(fā)生改變，但相對應(yīng)特征衍射峰的強(qiáng)度都有所增強(qiáng)，相應(yīng)的結(jié)晶度大（45.1%），這是因?yàn)闇睾退崴庵饕l(fā)生在天然淀粉的無定形區(qū)域，導(dǎo)致淀粉中非結(jié)晶區(qū)減少。酸解淀粉進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成微晶淀粉后，在2θ為6.07°、17.22°、19.98°、22.33°、24.12°處有特征衍射峰，在15.18°處的衍射峰有分化為兩個峰的趨勢，6.07°處的峰強(qiáng)度更高，這是B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)獨(dú)有的特征衍射峰，此外，在22.33°和24.12°處的這2個峰也印證了微晶淀粉是B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)[14]，微晶淀粉的結(jié)晶度（45.8%）也較酸解淀粉有進(jìn)一步的提高。

2.3 FT-IR圖譜分析

紅外光譜能夠表現(xiàn)出分子結(jié)構(gòu)間的差異，通常用于研究官能團(tuán)的組成[15]，3種淀粉樣品的FT-IR光譜在500～4 000 cm-1處的結(jié)果見圖3。

由圖3可知，3種淀粉樣品的紅外光譜上都存在著相同的特征峰，表明微晶淀粉在生產(chǎn)過程中并沒有其他的官能團(tuán)產(chǎn)生。O－H基團(tuán)的伸縮振動產(chǎn)生在3 430 cm-1附近的較寬的特征峰，在2 930 cm-1附近的特征峰則是由C－H在糖基甲基和亞甲基上的變形振動而產(chǎn)生的[16]。在1 650 cm-1附近的峰值與O－H的變形振動密切相關(guān)，與淀粉的不定形區(qū)域也相關(guān) [17]。

通過對紅外光譜的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理還可得淀粉的短程有序性，紅外中1 047 cm-1和1 022 cm-1處的吸光度值與淀粉的短程有序性呈正相關(guān)關(guān)系[18]。通過OMNIC軟件對淀粉紅外圖譜在1 200～800 cm-1范圍內(nèi)去卷積化，進(jìn)一步進(jìn)行峰擬合，從而得到3種淀粉樣品在1 047 cm-1和1 022 cm-1處的吸光度值。山藥淀粉、酸解淀粉、B型微晶淀粉的短程有序性分別為0.78±0.08，0.86±0.05，0.96±0.03，表明微晶山藥淀粉制備過程中，其短程有序性不斷增強(qiáng)，微晶淀粉具有更緊密、有序的結(jié)構(gòu)。

2.4 TG結(jié)果分析

3種淀粉的TG和DTG結(jié)果見圖4～圖6。

由圖4～圖6可知，圖形具有相似的曲線形態(tài)，可分為3個階段：第一階段50～250 ℃，樣品的質(zhì)量略有下降，這一階段主要涉及樣品中水分的蒸發(fā)；從第二階段250～350 ℃可以觀察到淀粉的快速失重，這可能是淀粉的熱解分解所致；在最后階段350～600 ℃，由于淀粉完全分解，樣品的失重變得緩慢[19]。

3種淀粉對應(yīng)的熱降解數(shù)據(jù)見表3。

由表3可知，B型微晶淀粉的起始分解溫度最低，其在230.86 ℃就開始分解失重，山藥淀粉的外延起始溫度最高，在272.14 ℃才開始分解，酸解山藥淀粉處于二者之間，這是因?yàn)橥庋悠鹗紲囟扰c淀粉的分子量有關(guān)[20]，在微晶淀粉制備過程中，淀粉的分子量不斷減小，從而使得外延起始溫度逐步降低。由DTG圖可知，山藥淀粉、酸解淀粉和B型微晶淀粉分別在308.94，314.53，316.25 ℃達(dá)到峰值，此時主要涉及淀粉的分解，B型微晶山藥淀粉的峰值溫度最高，這可能與其高結(jié)晶度指數(shù)有關(guān)，高結(jié)晶度的樣品具有較高的熱穩(wěn)定性[21]。

2.5 DSC圖譜分析

3種淀粉的DSC圖譜見圖7。淀粉糊化的實(shí)質(zhì)是充足水分條件下淀粉顆粒內(nèi)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)被破壞，由有序向無序的熔融相變過程，而DSC可對淀粉糊化過程中起始溫度（T0）、糊化溫度（TP）、最終溫度（TC）和糊化焓值（ΔH）進(jìn)行表征。其相對應(yīng)的熱特性參數(shù)見表4，微晶淀粉的熔融參數(shù)高于原淀粉，但焓值卻降低了，上述結(jié)果表明經(jīng)過酸解重結(jié)晶處理后，聚合物重新組裝形成了更致密的晶體結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性提高，這與紅外、XRD和TG的分析結(jié)果一致。焓值降低可能是酸解使原淀粉中支鏈淀粉降解形成更多的短鏈分子，在重結(jié)晶過程中，其雙螺旋穩(wěn)定性下降，雙螺旋解旋及晶體破壞所需能量相對較小所導(dǎo)致[22]。

2.6 分子量分析

3種不同淀粉的分子量分布見圖8，其中橫坐標(biāo)對應(yīng)的是重均分子量的對數(shù)值。

由圖8可知，山藥淀粉的兩個峰分別為104.993 78 =98 578和105.852 18 =711 508，其峰值聚合度分別為608和4 392，重均分子量為405 043，相當(dāng)于平均聚合度為2 500.27左右；經(jīng)過鹽酸酸解96 h后，酸解淀粉的分子量為104.300 38=19 970，聚合度約為123.27；隨后重結(jié)晶得到B型微晶淀粉的分子量為103.904 54=8 027，聚合度在49.55左右。在B型微晶淀粉制備過程中淀粉分子的分子量和聚合度不斷減小，這可能是因?yàn)榈矸鄯肿又写蠖鄶?shù)分子量較大的長鏈經(jīng)過離心分離除去，這也使得B型微晶淀粉熱不溶物質(zhì)減少[20]。

3 結(jié)論

山藥淀粉為C型晶型結(jié)構(gòu)，經(jīng)溫和酸水解得到酸解山藥淀粉，再經(jīng)溶解、離心和冷凍結(jié)晶化處理得到微晶山藥淀粉。微晶山藥淀粉為直徑3～8 μm的球形顆粒，XRD測試顯示其為標(biāo)準(zhǔn)的B型微晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度為45.8%；FT-IR檢測表明，酸解和結(jié)晶化處理未引入新的官能團(tuán)，但其短程有序性得到進(jìn)一步的提升；TG、DTG和DSC測試結(jié)果表明，與山藥原淀粉相比，酸解淀粉和B型微晶淀粉的起始分解溫度越來越低，但最大分解速率時的溫度則逐步上升，微晶的熱穩(wěn)定性提高；在微晶化過程中山藥淀粉分子量不斷減小，所形成酸解淀粉和B型微晶淀粉的葡萄糖聚合度分別為123.27和49.55。綜上，山藥淀粉經(jīng)微晶化可得到一種結(jié)晶度高、短程有序性強(qiáng)、顆粒更小、熱穩(wěn)定性更高、分子量更小的B型微晶淀粉，這為山藥淀粉的改性研究及產(chǎn)品開發(fā)提供了新的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]LIU Y Q， XIE H F， SHI M M. Effect of ethanol-water solution on the crystallization of short chain amylose from potato starch[J].Starch-Strke，2016，68（7-8）：683-690.

[2]周亞萍，閆溢哲，史苗苗，等.等離子體對不同濃度微晶淀粉結(jié)構(gòu)的影響[J].食品工業(yè)，2019，40（8）：175-179.

[3]HONG J， AN D， ZENG X A， et al. Behaviors of large A-type and small B-type wheat starch granules esterified by conventional and pulsed electric fields assisted methods[J].International Journal of Biological Macromolecules，2020，155：516-523.

[4]SHI M M， LIANG X W， YAN Y Z， et al. Influence of ethanol-water solvent and ultra-high pressure on the stability of amylose-n-octanol complex[J].Food Hydrocolloids，2018，74：315-323.

[5]LIN N， HUANG J， CHANG P R， et al. Effect of polysaccharide nanocrystals on structure， properties， and drug release kinetics of alginate-based microspheres[J].Colloids and Surfaces B： Biointerfaces，2011，85（2）：270-279.

[6]陳佳希，李多偉.山藥的功能及有效成分研究進(jìn)展[J].西北藥學(xué)雜志，2010，25（5）：398-400.

[7]劉延奇，于九皋，孫秀萍.B-型淀粉球晶的制備及表征[J].精細(xì)化工，2004，21（2）：31-34.

[8]劉延奇，楊留枝，于九皋，等.微晶淀粉的制備及影響微晶晶型的因素研究[J].中國糧油學(xué)報，2007（1）：56-59.

[9]GAN J P， HUANG Z Y， YU Q， et al. Microwave assisted extraction with three modifications on structural and functional properties of soluble dietary fibers from grapefruit peel[J].Food Hydrocolloids，2020，101：105549.

[10]MA Q Y， MA Z Y， WANG W X， et al. The effects of enzymatic modification on the functional ingredient-dietary fiber extracted from potato residue[J].LWT-Food Science and Technology，2021，153：112511.

[11]WANG K L， LI M， WEN X， et al. Optimization of ultrasound-assisted extraction of okra （Abelmoschus esculentus （L.） Moench） polysaccharides based on response surface methodology and antioxidant activity[J].International Journal of Biological Macromolecules，2018，114：1056-1063.

[12]DU X J， BAI X P， GAO W， et al. Properties of soluble dietary fibre from defatted coconut flour obtained through subcritical water extraction[J].International Journal of Food Science & Technology，2019，54（4）：1390-1404.

[13]JIA M Y， CHEN J F， LIU X Z， et al. Structural characteristics and functional properties of soluble dietary fiber from defatted rice bran obtained through Trichoderma viride fermentation[J].Food Hydrocolloids，2019，94：468-474.

[14]史苗苗，李丹，解慧芳，等.油炸對馬鈴薯淀粉特性的影響[J].食品工業(yè)科技，2018，39（1）：6-10.

[15]GAWKOWSKA D， CYBULSKA J， ZDUNEK A. Structure-related gelling of pectins and linking with other natural compounds： a review[J].Polymers，2018，10（7）：762.

[16]MA M M， MU T H. Modification of deoiled cumin dietary fiber with laccase and cellulase under high hydrostatic pressure[J].Carbohydrate Polymers，2016，136：87-94.

[17]閆溢哲，馮琳琳，周亞萍，等.酸解時間對B型玉米微晶淀粉結(jié)構(gòu)的影響[J].食品工業(yè)，2019，40（7）：80-84.

[18]婁雪，楊留枝，史苗苗，等.小麥直鏈淀粉-單甘酯復(fù)合物的制備及表征[J].食品科技，2020，45（11）：243-249.

[19]劉華玲，史苗苗，周亞萍，等.茶多酚對馬鈴薯淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響[J].食品工業(yè)，2019，40（4）：128-132.

[20]劉延奇.酸酶催化水解對淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響研究[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[21]LUO X L， WANG Q， FANG D Y， et al. Modification of insoluble dietary fibers from bamboo shoot shell： structural characterization and functional properties[J].International Journal of Biological Macromolecules，2018，120：1461-1467.

[22]SHI M M， CHEN Y， YU S J， et al. Preparation and properties of RS Ⅲ from waxy maize starch with pullulanase[J].Food Hydrocolloids，2013，33（1）：19-25.