淀粉與改性淀粉表征的研究進(jìn)展*

劉華玲

（1.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品工程學(xué)院，河南 鶴壁 458000；2.鶴壁市綠色食品精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鶴壁 458000）

淀粉由葡萄糖單元連接而成，是生命活動(dòng)主要能量來源[1]，在人類飲食中提供50%～70%的能量，遠(yuǎn)超其它食物提供能量的總和。淀粉是提供葡萄糖的直接來源，葡萄糖是大腦和紅細(xì)胞產(chǎn)生代謝能量的必需底物[2]。根據(jù)X-射線衍射圖譜，淀粉可分成A型淀粉、B 型淀粉、C 型淀粉和V 型淀粉。V 型淀粉為單螺旋直鏈淀粉，中間有相對(duì)較大的疏水性螺旋空腔，能夠包裹多種配體形成復(fù)合物[3]。根據(jù)消化速度，淀粉可分為快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉。淀粉的結(jié)構(gòu)決定其消化性能，A 型淀粉易于消化，B 型淀粉難于消化，C 型淀粉的消化性介于兩者之間，V 型直鏈淀粉復(fù)合物具有較強(qiáng)的耐酶解性，不能在小腸中分解，但可在大腸中緩慢降解[4]。降低淀粉消化率有助于維持血糖平衡，對(duì)治療和減少肥胖病具有特別重要的意義。天然淀粉和改性淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度大小，對(duì)淀粉制品的應(yīng)用性能有著直接的影響。通過對(duì)淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)等表征的研究，有利于人們了解天然淀粉和改性淀粉的性質(zhì)，擴(kuò)大淀粉的應(yīng)用范圍。

1 淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)

淀粉以顆粒的形式存在于植物種子、根、塊莖中，是大多數(shù)植物的重要儲(chǔ)存物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)緊密，不溶于冷水。淀粉的顆粒形態(tài)多樣，不同植物和器官形成的淀粉顆粒形態(tài)也存在差別，總體上有4 種形狀，圓球形、橢球型、卵圓形和不規(guī)則的多角形[5]，淀粉顆粒大小為直徑1～100 μm[6]。植物及其生長(zhǎng)環(huán)境決定了淀粉顆粒的大小和形狀，淀粉顆粒的大小和形狀也可以用來區(qū)分淀粉的種類。

通過酶解和酸水解反應(yīng)，利用掃描電鏡和透射電鏡觀察淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)半結(jié)晶天然淀粉是分層結(jié)構(gòu)，每一層叫做生長(zhǎng)環(huán)。通過SAXS 分析在半結(jié)晶層之間可以快速分解的一層為無定型區(qū)。生長(zhǎng)環(huán)是結(jié)晶區(qū)域和無定型區(qū)域相互交錯(cuò)形成的，每9～10 nm 一個(gè)周期。

目前已使用各種成像技術(shù)研究淀粉顆粒的分子結(jié)構(gòu)，偏光光學(xué)顯微鏡顯示淀粉顆粒為具有正雙折射和徑向分子取向的變形球晶；透射電子顯微鏡圖像證實(shí)淀粉微晶的取向垂直于生長(zhǎng)環(huán)和顆粒表面；原子力顯微鏡用于對(duì)切片淀粉顆粒中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像；掃描電子顯微鏡用于淀粉外觀形貌的表征。

圖1 依次是玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、A 型微晶淀粉、B 型微晶淀粉、直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物的掃描電子顯微鏡圖，觀察發(fā)現(xiàn)，玉米淀粉呈多棱形，形似玉米顆粒；馬鈴薯淀粉呈橢圓形，形似馬鈴薯；A 型微晶淀粉呈圓球狀，顆粒之間粘連嚴(yán)重；B 型微晶淀粉呈圓球狀，大小一致，顆粒分明；V 型直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物呈圓餅狀，形似紅細(xì)胞，說明直鏈淀粉與正辛醇不是簡(jiǎn)單的混合，而是經(jīng)過化學(xué)方法處理使得淀粉的形貌發(fā)生變化，部分顆粒中心有裂紋，可能是凍干復(fù)合物后研磨時(shí)破壞了復(fù)合物表面結(jié)構(gòu)[7]。通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，不同天然淀粉的顆粒形貌和大小差異較大，可能是植物在形成淀粉時(shí)形成機(jī)理不一樣造成的。不同微晶淀粉的顆粒形貌差異也較大，說明重結(jié)晶后形成的微晶淀粉的結(jié)構(gòu)經(jīng)過重新排列使得淀粉顆粒形貌完全改變。

2 淀粉的類型

α-淀粉酶和其他相關(guān)酶能將淀粉消化分解形成葡萄糖，根據(jù)其消化速率不同，將淀粉分為3 類：快速消化淀粉、緩慢消化淀粉和抗性淀粉?？焖傧矸蹖?dǎo)致血漿葡萄糖水平迅速升高，緩慢消化淀粉導(dǎo)致中度血糖反應(yīng)，抗性淀粉對(duì)消化具有“抗性”并在結(jié)腸中發(fā)酵，可以改善腸道菌群，降低患肥胖癥、心臟病、糖尿病和癌癥等疾病的風(fēng)險(xiǎn)?？剐缘矸鄯譃? 種類型：RS1，RS2，RS3，RS4 和RS5。RS1 是不能被消化酶酶解的淀粉，如部分磨碎的谷物和種子。RS2 是天然、未經(jīng)烹煮的淀粉，如生馬鈴薯或生香蕉淀粉，其結(jié)晶對(duì)酶水解有抗性。RS3 是老化淀粉，淀粉膠凝后冷卻，發(fā)生老化所形成的淀粉[8]。RS4 是化學(xué)改性淀粉，包括酯化、醚化或交聯(lián)等改性，阻止淀粉消化。RS5 是直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合淀粉等復(fù)合物[9]。

從淀粉的結(jié)晶態(tài)上來說，顆粒中的大部分淀粉多聚物都是以無定形態(tài)存在的，約占70%?？梢越柚鶻-射線衍射對(duì)淀粉的形態(tài)進(jìn)行分類。根據(jù)X-射線衍射圖譜，淀粉顆?；究煞殖葾 型、B 型、C 型和V 型[10]。通常來說，大部分的谷物淀粉，其X-射線的衍射圖形特征峰顯示為A 型，如普通玉米、大米和小麥等；塊莖類淀粉的衍射特征峰顯示為B 型，如馬鈴薯、百合等；C 型淀粉是A 型和B 型淀粉的混合物，根莖類淀粉和豆類淀粉大都屬于C 型。此外，還可以通過一些特殊方法得到其他類型的晶型，例如V 型結(jié)構(gòu)，V 型淀粉是由直鏈淀粉與脂質(zhì)、乳化劑、醇類以及碘[11]等物質(zhì)復(fù)合反應(yīng)制得的，V 型淀粉復(fù)合物與其它淀粉結(jié)構(gòu)不同，它是單螺旋結(jié)構(gòu)[12]，而A 型和B 型淀粉是雙螺旋結(jié)構(gòu)，V 型淀粉單螺旋空腔更大[13]，因此V 型淀粉更容易與其它配體復(fù)合。

衍射圖譜可以用來表征淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。圖2是玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、A 型微晶淀粉、B 型微晶淀粉、直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物的X 射線衍射圖。玉米淀粉和A 型微晶淀粉，X 射線衍射圖譜在15°，17°，18°和23°附近有特征衍射峰，表明這兩種淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)是A 型結(jié)構(gòu)。馬鈴薯淀粉和B 型微晶淀粉的X 射線衍射圖譜在5.8°，15°，17°，22°和24°附近有特征衍射峰，表明這兩種淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)是B型結(jié)構(gòu)。直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物的X 射線衍射圖譜在7.5°，13°和20°附近有特征衍射峰，表明它為V型結(jié)構(gòu)[14]，不同晶體結(jié)構(gòu)的淀粉，衍射峰的位置差異很大[15]。

圖2 X-射線衍射圖

3 淀粉的分子結(jié)構(gòu)

淀粉主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成[16]。一般天然淀粉中直鏈淀粉占15%～35%，支鏈淀粉占65%～85%[1]，剩余的部分包含少量的脂類、礦物質(zhì)以及磷形成的磷酸酯類[17]。

直鏈淀粉大多是D-吡喃葡萄糖單元通過α-(1-4) 糖苷鍵連接形成的線性大分子[18]，只有小于0.5%的葡萄糖通過α-(1-6)糖苷鍵連接，主要存在于無定形區(qū)。直鏈淀粉的分子構(gòu)象是在不同葡萄糖單元中的氫鍵相互作用下，直鏈淀粉鏈通過卷曲形成的螺旋狀結(jié)構(gòu)。在淀粉的晶體結(jié)構(gòu)中，V 型直鏈淀粉是單螺旋結(jié)構(gòu)，能夠與多種無機(jī)物和有機(jī)物形成復(fù)合物。支鏈淀粉是高度支化的大分子，主要是由葡萄糖單元通過α-(1-4)糖苷鍵和α-(1-6)糖苷鍵連接而成[19]。支鏈淀粉按鏈長(zhǎng)分布分為A 鏈、B 鏈和C 鏈三種類型。支鏈淀粉是一種樹形結(jié)構(gòu)，根據(jù)淀粉種類的不同，其樹枝狀結(jié)構(gòu)也有很大差異。支鏈淀粉對(duì)淀粉顆粒的形成有很大的影響，淀粉顆粒形態(tài)的不同主要由支鏈淀粉的含量不同引起的[20]。

通過紅外光譜和拉曼光譜分析表征淀粉的分子結(jié)構(gòu)。紅外光譜分析技術(shù)在食品的應(yīng)用中具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)：不損耗樣品；檢測(cè)速度快，所需時(shí)間短；不污染環(huán)境[21]。紅外光譜技術(shù)已成功應(yīng)用于淀粉分析，Kaczmarska Karolina 等[22]利用紅外光譜、拉曼光譜和X 射線衍射比較了馬鈴薯淀粉和3 種不同取代度的羧甲基淀粉在微波輻射作用前后變化；Ramazan 等[23]應(yīng)用紅外光譜和拉曼光譜對(duì)輻射淀粉樣品進(jìn)行快速表征和分類；王廣等[24]利用傅里葉衰減全反射中紅外光譜建模定量分析直鏈淀粉的含量；宋光均等[25]采用紅外光譜和角度度量法建立了硬脂酸木薯淀粉酯取代度快速預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬脂酸木薯淀粉酯取代度的快速分析。

拉曼光譜是一種散射光譜，通過拉曼峰強(qiáng)度和位置反映分子的振動(dòng)，分析復(fù)合物中不同官能團(tuán)或化學(xué)鍵來獲得分子結(jié)構(gòu)的信息[26]，實(shí)現(xiàn)快速分析或鑒定的目的。拉曼光譜在食品的表征中具有許多優(yōu)點(diǎn)，如不具有破壞性，不需要樣品制備，可同時(shí)測(cè)定多個(gè)樣品組分，水分不會(huì)干擾其分析等[27]。拉曼光譜已成功應(yīng)用于淀粉分析，F(xiàn)lores-Morales 等[28]利用拉曼光譜表征回生淀粉的分子結(jié)構(gòu)變化，有助于解釋直鏈淀粉和支鏈淀粉的變化；Maria 等[29]通過拉曼光譜研究了谷物淀粉結(jié)構(gòu)的熱效應(yīng)。

圖3為玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、A 型微晶淀粉、B 型微晶淀粉及直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物的紅外光譜圖，用來分析淀粉的化學(xué)鍵及官能團(tuán)，表征淀粉的分子結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為，紅外光譜中4 000～1 500 cm-1區(qū)域?yàn)楣倌軋F(tuán)區(qū)；1 500～400 cm-1區(qū)域?yàn)橹讣y區(qū)。800～1500 cm-1區(qū)域的光譜高度重疊，主要是由于葡萄糖分子的振動(dòng)造成的[30]。表1 為天然淀粉和不同微晶淀粉的紅外吸收結(jié)果。在紅外光譜中，3 316 cm-1的峰為淀粉-OH 的伸縮振動(dòng)峰，1 643 cm-1的峰是羥基彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的，與淀粉無定形區(qū)域和水分子的羥基有關(guān)[31]，1 338 cm-1的峰與CH2的彎曲振動(dòng)和扭曲振動(dòng)有關(guān)，1 078 cm-1的峰與葡萄糖環(huán)中的C-O 振動(dòng)有關(guān)，930 cm-1的峰對(duì)應(yīng)于α-1,4-糖苷鍵(C-O-C)的骨架振動(dòng)[32]。如圖3 所示，天然淀粉與不同微晶淀粉的主要衍射吸收峰的位置沒有發(fā)生明顯變化，均為淀粉官能團(tuán)的吸收峰，直鏈淀粉-正辛醇復(fù)合物的主要衍射峰強(qiáng)度明顯小于其它4 種淀粉，而B 型微晶淀粉的主要衍射峰強(qiáng)度明顯高于其它淀粉。

圖3 紅外光譜圖

4 淀粉的功能性質(zhì)

淀粉的結(jié)構(gòu)決定淀粉的功能性質(zhì)。淀粉在水中加熱時(shí)，淀粉顆粒的膨脹性、糊化性、回生以及粘彈性會(huì)發(fā)生改變，從而影響淀粉在食品行業(yè)和其它行業(yè)的應(yīng)用范圍。

大多數(shù)淀粉的加工，通常涉及到在水分存在下加熱及冷卻。熱處理使得淀粉顆粒凝膠化，失去結(jié)晶結(jié)構(gòu)組織，冷卻使得解聚的淀粉分子先形成凝膠，后形成與天然淀粉顆粒結(jié)構(gòu)不同的半結(jié)晶聚合物。了解特定淀粉的凝膠化和回生過程中發(fā)生的步驟,能根據(jù)天然淀粉顆粒結(jié)構(gòu)更好預(yù)測(cè)淀粉功能性質(zhì)[33]。天然淀粉在水分存在下加熱糊化。淀粉顆粒吸收水分，水進(jìn)入無定形生長(zhǎng)環(huán)，并在一定程度上膨脹，破壞力從非晶態(tài)向結(jié)晶區(qū)域傳遞。糊化是淀粉的一個(gè)重要性質(zhì)，其研究有助于淀粉在食品體系中的應(yīng)用。淀粉經(jīng)復(fù)合改性方法處理后，可以得到具有一定結(jié)構(gòu)和性能的微晶淀粉。如V 型直鏈淀粉復(fù)合物體系具有較強(qiáng)的耐酶解性，不能在小腸中分解，可在大腸中緩慢降解，對(duì)治療和減少肥胖病具有特別重要的意義。具有改善腸道菌群、降低糖尿病患者飯后的血糖值和促進(jìn)人體對(duì)飲食中維生素、礦物質(zhì)等微量營(yíng)養(yǎng)素吸收的作用。因此，V 型直鏈淀粉復(fù)合物可用于食品、醫(yī)藥、日用化工等領(lǐng)域，如食品穩(wěn)定劑、藥物控釋載體、化妝品組分等。

3 結(jié)論

通過對(duì)天然淀粉和改性淀粉的研究，有利于人們了解淀粉及改性淀粉的性質(zhì)以及淀粉改性的機(jī)理，最終可以提高淀粉及改性淀粉的產(chǎn)品質(zhì)量和附加值，對(duì)整個(gè)淀粉工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的理論和經(jīng)濟(jì)意義。