黃峻榕， 白 蕓， 馬 蕓， 郭 瑾， 蒲華寅*

(陜西科技大學 食品與生物工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

淀粉顆粒外殼，指包裹著內(nèi)部淀粉聚合物的顆粒最外層的硬殼層結(jié)構(gòu)，其與內(nèi)部殼層結(jié)構(gòu)有所不同，早期研究者將其描述為“空心囊”，用來指顆粒膨脹到最大極限破裂，釋放內(nèi)部淀粉分子后殘留的外殼[1,2].

通過高溫、低濃度、長時間、無(低)攪拌處理使顆粒逐漸糊化完全，可得到殘留的淀粉顆粒外殼.Obanni等[1]將0.2%的淀粉乳在121 ℃、140 MPa條件下糊化處理45 min，通過光學顯微鏡觀察到了馬鈴薯、綠豆和谷物類淀粉的外殼；Zhang等[3]將0.5%淀粉乳在95℃下糊化處理30 min，環(huán)境掃描電鏡下觀察到普通和蠟質(zhì)玉米淀粉、小麥淀粉和馬鈴薯淀粉的顆粒外殼.

現(xiàn)有研究主要對顆粒外殼形貌進行了觀察，其分離方法及分子結(jié)構(gòu)與其他性質(zhì)方面鮮有報道.顆粒外殼決定淀粉的膨脹性能和黏度特性[4]，因此，本研究結(jié)果能進一步完善淀粉顆粒結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的基礎理論.在課題組的前期研究中，對薯類、谷類及豆類淀粉進行不完全糊化處理后，發(fā)現(xiàn)薯類淀粉顆粒外殼韌性較好，完整度較高，便于分離觀察[5]；利用快速黏度分析儀，不完全糊化處理2%的馬鈴薯淀粉乳，觀察到了較為完整的馬鈴薯淀粉顆粒外殼的存在[2].本研究以三種薯類(馬鈴薯、紅薯、木薯)淀粉為原料，利用不完全糊化法探究淀粉顆粒外殼的分離條件，并對顆粒外殼的性質(zhì)與分子結(jié)構(gòu)進行研究.

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要材料

馬鈴薯淀粉，青海威思頓薯業(yè)集團有限責任公司；紅薯淀粉，北京德眾嘉鑫經(jīng)貿(mào)有限公司；木薯淀粉，上海禾煜貿(mào)易有限公司第一分公司.

1.1.2 主要儀器

RVA-TecMast型快速黏度分析儀，波通瑞華科學儀器(北京)有限公司；FEIQ45型環(huán)境掃描電子顯微鏡，日本日立集團；D8 Advance型X-射線衍射儀，德國布魯克公司；Series 1500型GPC色譜泵，美國Wyatt科技公司；DAWN HELEOS Ⅱ型多角度激光散射檢測器，美國Wyatt科技公司；Optilab Trex型示差折光檢測器，美國Wyatt科技公司；ICS5000型高效陰離子交換色譜儀，美國Dionex公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 淀粉顆粒外殼的分離方法

(1)淀粉顆粒外殼分離條件的確定

參照Huang等[6]的分離方法，利用快速黏度儀(RVA)標準程序(最高處理溫度95℃)測定5%濃度淀粉乳的糊化溫度，圖1所示.在此程序基礎上降低最高處理溫度及淀粉乳濃度，使淀粉顆粒不完全糊化.將處理后的淀粉乳在室溫下靜置1 h，待分層后收集下層沉淀進行冷凍干燥，通過環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察，根據(jù)形貌確定分離不同淀粉顆粒外殼的最佳條件.

圖1 快速黏度儀在標準程序下 的糊化特性曲線

(2)環(huán)境掃描電鏡觀察

取少量樣品粘在貼有導電膠的專用樣品臺上，真空條件下噴金處理，使用環(huán)境掃描電鏡進行觀察，選擇高真空模式下的二次電子成像，觀測電壓為25～30 kV.

(3)糊化程度測定

淀粉乳經(jīng)RVA設定程序處理后，轉(zhuǎn)移至50 mL離心管中，用10 mL蒸餾水將殘留樣品沖洗干凈倒入離心管中，靜置待溫度冷卻至室溫，離心15 min(4 000 r/min).分離上層清液并記錄體積，計算得到淀粉在設定的最高處理溫度下的膨脹體積.以相同濃度的淀粉乳在標準程序處理下的膨脹體積為最大膨脹體積，設定為100%，從而得出糊化程度.

V1=28-(V2-10)

(1)

A=V1/m

(2)

B=At/A95 ℃×100%

(3)

式(1)～(3)中：V1,沉淀體積，mL；V2,上清液體積，mL；A,膨脹體積，mL/g；m,淀粉干基質(zhì)量，g；B,糊化程度；At,一定溫度下的膨脹體積，mL/g；A95 ℃，95 ℃下的膨脹體積，mL/g.

1.2.2 淀粉顆粒外殼的表征方法

(1)直鏈淀粉含量測定

參照GB/T 15683-2008中的碘吸光光度法測定直鏈淀粉含量.

(2)結(jié)晶性質(zhì)測定

將淀粉樣品平鋪于X-射線衍射儀(XRD)樣品池中，采用波長為0.154 2 nm的單色Cu-Kα射線，測定條件為：管壓40 kV，管流40 mA，掃描區(qū)域2θ選擇4 °～30 °，步長為0.02 °，掃描速率為6 °/min.利用Jade 6.0軟件對圖譜進行分析得出結(jié)晶度.

(3)分子量測定

取10 mg淀粉樣品，加入1 mL 90%二甲基亞砜(DMSO)，100 ℃溶解過夜后，加3 mL無水乙醇，離心(12 000 rpm，10 min)去除上清，沉淀用無水乙醇洗兩遍，吹干后加3 mL 0.1 mol/L NaNO3(含0.02% NaN3)，在121 ℃下持續(xù)加熱20 min以保證樣品完全溶解后，12 000 rpm離心10 min，取上清進樣100μL于高效分子篩色譜、多角度激光散射分析儀和示差折光檢測儀串聯(lián)系統(tǒng)(HPSEC-MALLS-RI)進行分析.樣品數(shù)據(jù)用Astra軟件(Version 6.1，Wyatt Technology)進行處理.

(4)支鏈淀粉鏈長分布測定

稱取已純化淀粉樣品2 mg，先用500μL 95%乙醇重懸，再加4.5 mL去離子水，沸水浴60 min，間斷渦旋混勻，取2.5 mL糊化樣品，加入異淀粉酶脫分支.將樣品分裝成600μL每管，在室溫下真空干燥.用去離子水溶解后進樣25μL于高效陰離子色譜-脈沖安培檢測器系統(tǒng)(HPAEC-PAD)測定分析.色譜柱溫為30 ℃，流動相為NaOH/NaAc，洗脫速度0.5 mL/min.不同鏈長所對應的峰面積用PeakNet軟件(Dionex，CA，USA)進行處理.

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉顆粒外殼的分離方法

2.1.1 淀粉顆粒外殼分離條件的確定

RVA標準程序(最高處理溫度95 ℃)測得5%濃度淀粉乳的糊化溫度，得到馬鈴薯、紅薯、木薯淀粉的糊化溫度分別為70 ℃、74 ℃和72 ℃.通過研究發(fā)現(xiàn)，淀粉乳濃度由2%、1%、0.5%逐漸降低，觀察到顆粒外殼完整度逐漸增加；最高處理溫度在低于糊化溫度10 ℃到高于糊化溫度5℃的范圍內(nèi)進行試驗，觀察到設定溫度較低時仍有較為完整的顆粒存在，過高時則顆粒外殼破壞嚴重，呈碎片狀態(tài).最后確定淀粉乳濃度為0.5%，馬鈴薯、紅薯和木薯淀粉的最高處理溫度分別為低于糊化溫度5 ℃、2 ℃和5 ℃時，環(huán)鏡掃描電鏡下觀察到淀粉顆粒外殼完整度較高，且便于分離.

2.1.2 環(huán)境掃描電鏡觀察結(jié)果

圖2為三種薯類淀粉原淀粉及所分離顆粒外殼的掃描電鏡圖.三種薯類原淀粉顆粒表面光滑，無微孔或突出棱角.馬鈴薯原淀粉顆粒呈橢球形，紅薯原淀粉與木薯原淀粉顆粒一端呈橢球形，另一端則由多邊形組成凹陷的封閉端面.在水中逐漸加熱時，顆粒吸水膨脹，達到一定限度后在最薄弱處發(fā)生破裂，內(nèi)部淀粉聚合物由破裂處溢出與顆粒外殼分離.觀察到的淀粉顆粒外殼的尺寸膨脹為原淀粉顆粒的5～10倍.三種薯類淀粉顆粒外殼均呈現(xiàn)口袋狀，表面有孔洞和褶皺.Atkin等[7]在研究中也觀察到，淀粉顆粒在糊化過程中膨脹的淀粉顆粒外殼破裂釋放出內(nèi)部聚合物，成為空心囊結(jié)構(gòu).

(a)馬鈴薯原淀粉 (b)馬鈴薯淀粉顆粒外殼

(c)紅薯原淀粉 (d)紅薯淀粉顆粒外殼

(e)木薯原淀粉 (f)木薯淀粉顆粒外殼圖2 馬鈴薯、紅薯和木薯原淀粉及 顆粒外殼的環(huán)境掃描電鏡照片

2.1.3 糊化程度測定結(jié)果

表1為三種薯類淀粉顆粒的糊化程度.馬鈴薯淀粉適宜的最高處理溫度最低，其次是木薯和紅薯淀粉.在適宜的最高處理溫度下，馬鈴薯、紅薯和木薯淀粉顆粒的糊化程度均低于100%，發(fā)生了不完全糊化.其中，馬鈴薯淀粉顆粒的糊化程度最低，紅薯和木薯淀粉顆粒的糊化程度相近.淀粉顆粒的糊化程度與其膨脹難易密切相關(guān).在水中加熱糊化的過程中，馬鈴薯淀粉顆粒最易膨脹，在95 ℃時的膨脹體積遠大于紅薯和木薯淀粉顆粒的.膨脹后，淀粉顆粒外殼與內(nèi)部淀粉聚合物較易分離.

表1 三種淀粉顆粒外殼分離的 最佳條件及糊化程度

2.2 淀粉顆粒外殼的表征方法

2.2.1 直鏈淀粉含量測定結(jié)果

研究表明，直鏈淀粉與支鏈淀粉相互纏繞維持淀粉顆粒的完整性[8,9].表2中可見三種薯類淀粉原淀粉及顆粒外殼的直鏈淀粉含量.其中，馬鈴薯原淀粉的直鏈淀粉含量最高，與原淀粉相比，淀粉顆粒外殼的直鏈淀粉含量較低，說明外殼主要由支鏈淀粉構(gòu)成.Zhang等[3]通過對淀粉酶分解限度的測定，發(fā)現(xiàn)淀粉顆粒外殼的直鏈淀粉(6.7±0.4%)含量低于原淀粉的(18.3±0.4%).Jane等[10]對馬鈴薯淀粉顆粒外圍進行不同程度的化學糊化處理，分別測定糊化部分和殘存顆粒的直鏈淀粉含量，發(fā)現(xiàn)顆粒外圍的直鏈淀粉高于顆粒內(nèi)部.分析可能是由于顆粒外圍富集了一部分游離的直鏈淀粉，在顆粒膨脹時溢出.李玥等[11]表明，直鏈淀粉在一定的溫度下(起糊溫度到峰值溫度范圍之間)可以從淀粉顆粒中游離出來.

表2 三種原淀粉及顆粒外殼的直鏈 淀粉含量及相對結(jié)晶度

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2.2 結(jié)晶性質(zhì)測定結(jié)果

圖3為三種薯類淀粉原淀粉和顆粒外殼樣品的XRD圖譜.原淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高強度的尖峰衍射特征，無定形區(qū)為彌散峰衍射特征[12].馬鈴薯淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為典型的B型，在2θ為5.6 °、15.1 °、17.2 °、22.3 °、24.0 °出現(xiàn)衍射峰；紅薯、木薯淀粉在2θ為15.1 °、17.2 °、18.1 °、23.1 °出現(xiàn)衍射峰，屬于A型結(jié)晶[13].三種薯類淀粉顆粒外殼的XRD圖譜峰形與原淀粉的有明顯區(qū)別，尖峰消失，呈現(xiàn)出近乎無定形狀態(tài)的饅頭峰.Prentice等[14]通過廣角X射線衍射分析玉米淀粉和A型大麥淀粉的空心囊的結(jié)晶情況，其衍射圖譜也呈現(xiàn)無定形狀態(tài).

(a)馬鈴薯原淀粉及顆粒外殼

(b)紅薯原淀粉及顆粒外殼

(c)木薯原淀粉及顆粒外殼譜圖3 三種原淀粉及顆粒外殼的 X-射線衍射圖譜

由表2還可知，顆粒外殼的相對結(jié)晶度較原淀粉均明顯降低，說明淀粉顆粒外殼的有序結(jié)構(gòu)遭到破壞.這是因為RVA測定的糊化溫度高于差示掃描量熱儀(DSC)測定的糊化溫度，DSC測定的是結(jié)晶開始熔融的溫度，RVA測定的是起糊溫度，即體系黏度開始出現(xiàn)明顯增加的溫度，淀粉糊化過程中結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)生在體系黏度快速增加之前，三種薯類淀粉選定的最高處理溫度均高于DSC測定的糊化溫度(馬鈴薯57.6 ℃、紅薯64 ℃和木薯64.6 ℃[15])，因此，顆粒外殼的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被嚴重破壞，相對結(jié)晶度大幅下降.

2.2.3 分子量測定結(jié)果

表3、表4為分峰處理后三種薯類原淀粉及顆粒外殼的重均分子量及平均旋轉(zhuǎn)半徑.三種薯類淀粉分子量相近，Peak1為支鏈淀粉的峰，其分子量最大，Peak2和Peak3則分別為中間級分和直鏈淀粉的峰.馬鈴薯原淀粉含支鏈淀粉和直鏈淀粉兩個主要組分，而紅薯和木薯原淀粉均含有支鏈淀粉、中間級分和直鏈淀粉三個主要組分.同種淀粉的分子間Rz值與分子量的變化趨勢相反，分子量越大的級分，其Rz值越小.不同種類淀粉的分子量與旋轉(zhuǎn)半徑之間并不存在相關(guān)性.Rz為平均旋轉(zhuǎn)半徑，表示淀粉分子的尺寸，其與支鏈淀粉的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)[16].三種薯類淀粉顆粒外殼樣品均存在支鏈淀粉、中間級分和直鏈淀粉三個組分.淀粉顆粒外殼的分子量與原淀粉的相近，但外殼中淀粉分子的Rz值均明顯大于原淀粉的，這可能是由于顆粒外殼的分子構(gòu)象及直/支鏈淀粉比與原淀粉的不同.

表3 三種原淀粉及顆粒外殼的重均分子量

表4 三種原淀粉及顆粒外殼的平均旋轉(zhuǎn)半徑

2.2.4 支鏈淀粉鏈長分布測定結(jié)果

圖4、圖5是三種薯類原淀粉和顆粒外殼經(jīng)普魯蘭酶處理以后的高效陰離子色譜(HPAEC)圖及支鏈淀粉鏈長分布圖.最短鏈為DP 6被認為是目前已知的所有支鏈淀粉的共同特征[17].結(jié)果表明，在測定條件下原淀粉與顆粒外殼基線相對平穩(wěn)，不同聚合度的分離度較好，支鏈淀粉的最短鏈都為DP 6.根據(jù)聚合度的不同將六種淀粉的支鏈淀粉鏈長分為A鏈(DP 6-12)，B1鏈(DP 13-24)，B2鏈(DP 25-36)，B3鏈(DP >37)四部分.

(a)馬鈴薯原淀粉及顆粒外殼

(b)紅薯原淀粉及顆粒外殼

(c)木薯原淀粉及顆粒外殼圖4 三種原淀粉及顆粒外殼經(jīng)普魯蘭酶 處理后的高效陰離子色譜圖

(a)馬鈴薯原淀粉及顆粒外殼

(b)紅薯原淀粉及顆粒外殼

(c)木薯原淀粉及顆粒外殼圖5 三種原淀粉及顆粒外殼的 支鏈淀粉鏈長分布圖

由表5可以看出，三種原淀粉在DP 13-24所占比例最大，即B1鏈含量最多；其次是B3鏈含量較多，A鏈和B2鏈含量相對較少.外殼的四部分鏈段整體分布趨勢與原淀粉相同，但B2、B3鏈的含量有所增加，說明具有較長側(cè)鏈的支鏈淀粉參與了顆粒外殼分子結(jié)構(gòu)的組成.于軒等[18]測試了不同來源淀粉的平均鏈長，其中馬鈴薯淀粉的平均鏈長最長.

表5 三種原淀粉及顆粒外殼的支鏈 淀粉鏈長分布

注：DP為聚合度；CL為平均鏈長

3 結(jié)論

建立了不完全糊化法分離淀粉顆粒外殼的條件：淀粉乳濃度0.5%，馬鈴薯、紅薯和木薯淀粉最高處理溫度分別為低于糊化溫度5 ℃、2 ℃、5 ℃.三種薯類淀粉顆粒外殼主要由支鏈淀粉組成，且其中包含具有較長側(cè)鏈(DP>25)的支鏈淀粉.相較于原淀粉，淀粉顆粒外殼的分子量相近(4.4×107～5.2×107g/moL)，相對結(jié)晶度較低，有序結(jié)構(gòu)遭到破壞.