楊 麒 黃峻榕 嚴(yán) 青 馬 蕓 方晨璐 縱 偉

(1.陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院， 西安 710021； 2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院， 鄭州 450001)

0 引言

自然界淀粉主要由高等植物合成，可以被生物分解，從而提供生命過程中所需的能量[1]，對(duì)人類飲食和工業(yè)可再生原料具有重要意義。淀粉具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，可分為分子、小體、殼層和顆粒4個(gè)結(jié)構(gòu)層次，每個(gè)層次都影響淀粉的性質(zhì)和應(yīng)用[2]。自然界中的淀粉以顆粒形式存在，如球形、橢球形、多面體等[3-4]；淀粉的殼層結(jié)構(gòu)又稱生長(zhǎng)環(huán)結(jié)構(gòu)，是圍繞顆粒臍心交替排列的同心環(huán)狀空間結(jié)構(gòu)[5]；淀粉的小體是殼層和顆粒結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑單元，其直徑分布在10～500 nm之間[2]；淀粉分子包括直鏈和支鏈兩種，前者通過α-1、4糖苷鍵連接，后者通過α-1、4糖苷鍵和α-1、6糖苷鍵連接[6]。

淀粉顆粒在水中受熱會(huì)吸水膨脹，控制加熱條件可實(shí)現(xiàn)顆粒的有限膨脹。淀粉的外殼結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成不同，顆粒外層較內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密，在受到外力作用時(shí)更易于保持原有形貌，外殼對(duì)淀粉溶液的黏度貢獻(xiàn)更大[7]。直鏈淀粉主要集中在淀粉顆粒內(nèi)部，隨著淀粉的膨脹會(huì)游離而出進(jìn)入溶液[8]。目前，對(duì)淀粉殼層結(jié)構(gòu)的研究較少。本課題組前期研究已證實(shí)淀粉具有外殼結(jié)構(gòu)，并探索了觀察馬鈴薯原淀粉顆粒外殼的方法[9]。本文以薯類(紅薯、木薯)、豆類(豌豆、綠豆)、谷類(玉米、小麥)三大類原淀粉作為研究對(duì)象，探索不同種類淀粉顆粒外殼的分離方法，研究淀粉的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉、玉米淀粉、小麥淀粉購(gòu)自上海禾煜貿(mào)易有限公司第一分公司；紅薯淀粉購(gòu)自北京德眾嘉鑫經(jīng)貿(mào)有限公司；綠豆淀粉購(gòu)自西安香再來調(diào)味品廠；豌豆淀粉購(gòu)自成都楊天食品有限公司；無水乙醇、冰乙酸(色譜純)購(gòu)自天津市天力化學(xué)試劑有限公司；DMSO(二甲基亞砜)、NaNO3(色譜純)購(gòu)自德國(guó)Merck公司。

TecMaster型快速黏度分析儀(RVA)，波通瑞華科學(xué)儀器(北京)有限公司；HITACHI S-4800型掃描電鏡，日本日立集團(tuán)；LSM 800型激光共聚焦熒光顯微鏡，德國(guó)ZEISS公司；D/max×2200 PC型X-射線衍射儀，日本理學(xué)公司；Q2000型差示掃描量熱儀，美國(guó)TA公司；Mastersizer 2000型激光粒度儀，英國(guó)馬爾文公司；Series 1500 GPC型色譜泵，DAWN HELEOS型多角度激光光散射儀，Optilab Trex型示差折光檢測(cè)器，美國(guó)Wyatt科技公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1淀粉熱學(xué)特性測(cè)定

準(zhǔn)確稱量3 mg原淀粉(干基)置于差示掃描量熱儀(DSC)專用樣品盤，使用微量進(jìn)樣器加入蒸餾水，配制成30%的淀粉乳。壓盤后對(duì)其進(jìn)行DSC分析。測(cè)定溫度范圍設(shè)定為10～100℃，升溫速率設(shè)定為10℃/min。得到淀粉樣品的差示掃描量熱儀曲線，分析得到淀粉發(fā)生相變糊化過程中的相關(guān)參數(shù)。

1.2.2淀粉糊化溫度測(cè)定

在專用測(cè)量杯中加入1.4 g原淀粉樣品(干基)，加入蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的28 g淀粉乳。采用預(yù)先設(shè)定的13 min RVA標(biāo)準(zhǔn)程序處理淀粉乳：最初10 s轉(zhuǎn)速為960 r/min，之后轉(zhuǎn)速保持160 r/min至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。初始溫度設(shè)定為50℃保持1 min，經(jīng)3.7 min升高至95℃并保持2.5 min，再經(jīng)3.8 min降至50℃并保持2 min。通過TCW 3軟件分析淀粉在糊化過程中的糊化溫度。

1.2.3淀粉顆粒外殼分離方法

分別將紅薯、木薯、綠豆、豌豆、玉米、小麥6種淀粉在乙酸溶液(pH值分別為1、1.5、2、2.5、3)配置成5%的淀粉乳，取28 g于RVA專用測(cè)量杯中，在設(shè)定RVA程序下進(jìn)行處理。設(shè)定RVA程序：最初10 s轉(zhuǎn)速為960 r/min，之后實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速保持160 r/min。實(shí)驗(yàn)起始溫度為50℃保持1 min，然后經(jīng)3.7 min升高到設(shè)定的最高溫度并保持2.5 min，然后經(jīng)3.8 min降至30℃并保持2 min，整個(gè)過程歷時(shí)13 min。反應(yīng)結(jié)束后，立即取出測(cè)量杯，并將淀粉糊移入8倍體積無水乙醇充分洗滌，靜置去上清液。再分別用50 mL無水乙醇清洗3次，將沉淀置于表面皿中，于40℃下鼓風(fēng)干燥，得到處理后的淀粉樣品。通過光學(xué)顯微鏡觀察各個(gè)條件下淀粉顆粒的形貌，確定得到各淀粉相對(duì)完整外殼的條件。

1.2.4淀粉形貌觀察

(1)場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡觀察

將雙面導(dǎo)電膠固定于掃描電鏡專用的載物臺(tái)后，取少量原淀粉和處理過的淀粉(干燥)樣品于導(dǎo)電膠，用吸耳球?qū)悠反瞪⑹蛊渚鶆蝠じ接趯?dǎo)電膠上，并吹去多余部分。真空噴金(珀金)后，將載物臺(tái)放入樣品室進(jìn)行觀察并拍照。掃描電鏡電壓設(shè)置為3.0 kV，采用下探頭觀察。

(2)激光共聚焦顯微鏡觀察

通過激光共聚焦顯微鏡(CLSM)觀察處理前后淀粉的變化。淀粉的染色參照文獻(xiàn)[10]的方法并適當(dāng)修改。取原淀粉樣品10 mg，外殼樣品3 mg(處理后的淀粉外殼較原淀粉蓬松，密度小)，加入15 μL 8-氨基芘基-1,3,6-三磺酸三鈉鹽(APTS，10 mmol/L)乙酸溶液和15 μL的氰基硼氫化鈉(1 mol/L)水溶液混合，恒溫水浴(30℃、15 h)。然后用1 mL溶劑反復(fù)清洗樣品，離心去上層，再將染色后的樣品懸浮于100 μL甘油/水混合溶液(體積比為1∶1)。取適量懸浮液樣品置于載玻片，加蓋玻片，試用激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀察。觀察條件：20×鏡頭，Ar/Kr氣體激光器，488 nm激光發(fā)射波長(zhǎng)，500～600 nm波長(zhǎng)接收范圍。

1.2.5直鏈淀粉含量測(cè)定

采用GB/T 15683—2008中的碘比色法，對(duì)處理前后原淀粉和淀粉外殼的直鏈淀粉含量進(jìn)行測(cè)定[11]。

1.2.6粒徑測(cè)定

使用Mastersizer 2000型激光粒度儀測(cè)定原淀粉和外殼的粒度分布。將0.5%(以干基計(jì))質(zhì)量分?jǐn)?shù)的6種淀粉乳經(jīng)RVA程序處理，靜置后將下層外殼移入800 mL蒸餾水中，伴以2 250 r/min的攪拌；原淀粉中加入少許蒸餾水，分散后移入800 mL蒸餾水中。使用通用分析模式，其中顆粒折射率和吸收率分別為1.5和0.1，分散劑(水)的折射率為1.3，所有樣品測(cè)量的遮光度需大于10%。

1.2.7糊化程度測(cè)定

各稱取原淀粉樣品0.2 g(以干基計(jì))于離心管中，分別加入10 mL乙酸溶液(pH值為1.5，7.1 mol/L)，于室溫(25℃)下平衡30 min。在各淀粉對(duì)應(yīng)處理溫度下，加熱攪拌30 min后冷卻至室溫并離心15 min(4 000 r/min)。緩緩倒出上清液于量筒，計(jì)算下層凝膠體積，從而得到淀粉的膨脹體積。以在10 mL蒸餾水中95℃下測(cè)定的淀粉膨脹體積為最大膨脹體積，測(cè)定處理后樣品的膨脹體積與在蒸餾水條件下的比值來反映糊化程度。

1.2.8結(jié)晶性質(zhì)測(cè)定

將處理前后的淀粉樣品均勻平鋪在X-射線衍射儀的樣品槽中，玻片壓平后放入樣品臺(tái)中進(jìn)行測(cè)試。測(cè)定條件為：Cu-Kα射線，波長(zhǎng)1.542 ?，石墨單色器，測(cè)定的管壓40 kV，管流40 mA，連續(xù)掃描，掃描速度4(°)/min，掃描范圍2θ為4°～60°，發(fā)散狹縫1°，防散射狹縫1°，接收狹縫0.3 mm，得出淀粉的X-射線衍射圖譜。參照文獻(xiàn)[12]計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度的方法，得出淀粉樣品的相對(duì)結(jié)晶度。

1.2.9分子量測(cè)定

采用高效分子篩色譜(HPSEC)，聯(lián)用多角度激光散射分析儀(MALLS)和示差折光檢測(cè)器(RI)，對(duì)原淀粉和外殼的分子量進(jìn)行測(cè)定。

樣品處理：在10 mg淀粉樣品中加入1 mL 90%二甲基亞砜(DMSO)，100℃溶解12 h，加3 mL無水乙醇，離心除上清液(12 000 r/min，10 min)。無水乙醇洗滌沉淀兩次，風(fēng)干后加3 mL 0.1 mol/L NaNO3(含0.02% NaN3)，充分溶解樣品(121℃，加熱20 min)，離心(12 000 r/min，10 min)，取上清液100 μL上樣。樣品數(shù)據(jù)用ASTRA 6.1軟件分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉的熱學(xué)特性與糊化溫度

圖1為各原淀粉的差示掃描量熱(DSC)測(cè)試圖。可以看到，6種淀粉的DSC曲線都表現(xiàn)出單峰且出峰位置和峰的面積不同，即各淀粉結(jié)晶熔融溫度及糊化吸收焓值不同。紅薯、木薯淀粉的DSC曲線相近，結(jié)晶熔融溫度均為64℃左右，但紅薯淀粉的吸熱峰更窄，表明其淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)晶程度的分布更集中；綠豆、豌豆淀粉的DSC曲線也相近，結(jié)晶熔融溫度在60℃左右，略低于豆類淀粉。在6種淀粉中，谷類淀粉中玉米淀粉的DSC曲線峰強(qiáng)最大，吸熱焓最大，且結(jié)晶熔融溫度最高(65℃)，表明其顆粒內(nèi)部分子形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)更加緊密。從小麥淀粉的DSC曲線可以看出，其結(jié)晶熔融溫度最低(57℃)，這與其支鏈淀粉的短鏈(聚合度小于12)比例較高有關(guān)[13]。但小麥淀粉中含有兩種尺寸和結(jié)晶程度不同的顆粒[14]，因此吸熱峰較寬。

圖1 不同淀粉的差示掃描量熱曲線Fig.1 Differential scanning calorimeter curves of different starches

通過快速黏度分析儀(RVA)測(cè)得各個(gè)淀粉的糊化溫度分別為：紅薯74℃，木薯和綠豆72℃，豌豆71℃，玉米和小麥89℃?？梢钥闯鍪眍惡投诡惖暮瘻囟冉咏跍囟瘸^70℃后這兩類淀粉的膨脹顆粒在外力的擠壓下開始出現(xiàn)大量破裂，淀粉分子充分分散到水中，表現(xiàn)為淀粉乳黏度的急劇上升。而谷類淀粉在接近90℃時(shí)，才達(dá)到承受極限開始破裂，遠(yuǎn)高于薯類和豆類淀粉的糊化溫度。影響淀粉糊化溫度的因素很多，例如淀粉的種類、淀粉顆粒大小、淀粉的膨脹特性、淀粉直鏈/支鏈比例、淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和淀粉分子鏈長(zhǎng)分布等。有研究表明淀粉顆粒越小，水分子進(jìn)入顆粒內(nèi)部所需的能量越大，因此小顆粒的小麥淀粉需要在較高溫度條件下才能開始糊化[14]。另外，淀粉的糊化溫度與其膨脹特性直接相關(guān)，越容易膨脹的淀粉顆粒在攪拌作用下越容易發(fā)生糊化。以上原因可以解釋玉米淀粉和小麥淀粉的RVA糊化溫度較高。

可以看出不同淀粉的糊化溫度高于結(jié)晶的熔融溫度，這是因?yàn)榈矸垲w粒內(nèi)部結(jié)晶開始分解時(shí)，顆粒整體還比較完整，沒有發(fā)生大范圍的破裂，不會(huì)立即造成體系黏度的上升。比較各類淀粉的RVA糊化溫度和DSC熔融溫度規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)淀粉的結(jié)晶融化溫度越高，顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分子間結(jié)合力就越高，越有利于顆粒維持原有結(jié)構(gòu)并抵抗外力，糊化溫度也就越高[15-18]。

對(duì)淀粉樣品的處理和淀粉外殼的分離需在充分的水條件下進(jìn)行。相較于DSC，利用RVA可實(shí)現(xiàn)淀粉外殼的大量制備?；诖耍罄m(xù)實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整RVA的最高處理溫度，建立不同淀粉外殼的分離方法。

2.2 淀粉外殼分離方法

圖2為原淀粉和經(jīng)乙酸處理后(pH值1.5，7.1 mol/L)的淀粉外殼掃描電鏡圖?？梢钥吹?，原淀粉顆粒(圖2a～2f)表現(xiàn)出橢球形和多面體形，表面光滑。綠豆、玉米淀粉表面存在微孔，其中綠豆淀粉表面的微孔數(shù)量較多。研究表明，大部分的A型谷物淀粉表面含有微孔結(jié)構(gòu)，這些微孔會(huì)與顆粒內(nèi)部的蛇形通道相連，直通顆粒內(nèi)部[12]。這些淀粉顆粒的通道微觀結(jié)構(gòu)，可能有助于淀粉與酶和化學(xué)試劑的反應(yīng)。而在B型淀粉中，如馬鈴薯和高直鏈淀粉則很少觀察到這些結(jié)構(gòu)。對(duì)于谷物淀粉來說，表面小孔的直徑一般為0.1 μm左右，內(nèi)部通道的直徑為0.1～0.3 μm[19-20]。

圖2 原淀粉和淀粉外殼的掃描電鏡圖像Fig.2 Scanning electron microscope images of native starch and starch outer shells

圖2g～2l為在乙酸體系下，分別經(jīng)最高溫度處理后分離得到的6種淀粉外殼的掃描電鏡圖。最高處理溫度分別為：紅薯79℃、木薯77℃、綠豆87℃、豌豆81℃、玉米89℃、小麥73℃。所有溫度均比自身原淀粉的結(jié)晶熔融溫度高13～27℃(DSC測(cè)定結(jié)果，表1)，表明淀粉顆粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)都已遭到分解和破壞。相比于糊化溫度，薯類和豆類淀粉處理溫度比自身在水體系下的糊化溫度高5～15℃，這是由于低pH值會(huì)抑制淀粉顆粒的膨脹[21-22]，此時(shí)需高于糊化溫度才能提供足夠能量使顆粒破裂。而小麥淀粉的處理溫度比自身糊化溫度低16℃，卻比結(jié)晶熔融溫度高16℃，可能與較高的直鏈淀粉含量、顆粒內(nèi)部的分子鏈長(zhǎng)分布以及較低的淀粉糊黏度有關(guān)。

表1 不同淀粉的DSC熔融溫度、RVA糊化溫度和處理溫度Tab.1 Melting temperature, gelatinization temperature and treatment temperature of different starches ℃

由圖2可以看出，處理后的6種淀粉顆粒都已破裂，能清晰地觀察到很薄的外殼結(jié)構(gòu)，厚度都在1 μm以內(nèi)，顆粒內(nèi)部中空。這與之前報(bào)道的馬鈴薯淀粉外殼[9]相似(RVA不完全糊化處理，pH值1.5乙酸溶液)。同時(shí)，淀粉外殼的內(nèi)部也很少有附著物，說明在處理過程中淀粉顆粒內(nèi)部物質(zhì)隨著糊化過程的進(jìn)行幾乎全部游離到溶液中。乙酸會(huì)對(duì)淀粉的形貌造成影響，例如對(duì)小麥和玉米原淀粉的表面造成裂縫和斑點(diǎn)，使馬鈴薯淀粉和小麥淀粉顆粒表面變得不光滑[23-25]。

圖3 原淀粉和淀粉外殼的激光共聚焦顯微鏡圖像Fig.3 Confocallaser scanning microscope images of native starch and starch outer shells

所有淀粉的外殼結(jié)構(gòu)還部分保留原淀粉的部分形貌，說明淀粉外殼在處理過程中可以更好地維持自身結(jié)構(gòu)，與內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比差異很大。外殼較內(nèi)部具有更好的韌性，更加耐熱、耐酸和耐剪切。研究發(fā)現(xiàn)淀粉外殼的變形程度與淀粉的黏度呈正相關(guān)，也說明顆粒的內(nèi)外結(jié)構(gòu)不同[22]。在綠豆淀粉外殼和玉米淀粉外殼上看不到原淀粉上的小孔結(jié)構(gòu)，表明在糊化膨脹過程中外殼上的分子排布也發(fā)生了變化。玉米淀粉的外殼結(jié)構(gòu)更接近于原淀粉，在處理過程中遭到破壞較小，而其他5種淀粉的外殼破壞嚴(yán)重，說明玉米淀粉更適合作為加工淀粉外殼的原材料。

圖3為淀粉處理前后的激光共聚焦圖，可以在原淀粉(圖3a～3f)中明顯觀察到淀粉顆粒內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)、孔道結(jié)構(gòu)和明暗交替的層狀結(jié)構(gòu)。由于APTS可與淀粉分子的還原末端結(jié)合并在激光照射下發(fā)出綠色熒光[26]，所以在相同分子量的情況下，直鏈淀粉還原末端較支鏈淀粉還原末端更多，更易與APTS結(jié)合從而熒光強(qiáng)度更大。淀粉顆粒內(nèi)部的層狀熒光分布表明直鏈淀粉和支鏈淀粉有規(guī)律地周期分布排列。文獻(xiàn)[27]對(duì)不同直鏈淀粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、19%、42%)的玉米淀粉進(jìn)行CLSM觀察(沸水浴，0.5～4 min，尼羅藍(lán)染色)，發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉含量與顆粒內(nèi)部環(huán)狀結(jié)構(gòu)的分布無直接關(guān)系。

從淀粉外殼(圖3g～3l)染色圖中可以看到，處理后的淀粉外殼發(fā)生了有限膨脹，直徑為原淀粉顆粒的2～3倍；內(nèi)部無熒光，且外殼的熒光強(qiáng)度遠(yuǎn)低于原淀粉的熒光強(qiáng)度，表明在處理過程中淀粉顆粒內(nèi)部分子溶出或被破壞，淀粉外殼的分子分布隨著顆粒膨脹變得松散或部分溶出。文獻(xiàn)[28]研究了高直鏈玉米淀粉在加熱過程(70%直鏈淀粉，100～140℃，30 min，APTS染色)中的顆粒形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)高直鏈玉米淀粉在達(dá)到120℃時(shí)才開始出現(xiàn)明顯膨脹，此時(shí)淀粉顆粒的中心結(jié)構(gòu)開始破壞，在130℃加熱30 min后，其熒光強(qiáng)度逐漸減弱，暗區(qū)向外擴(kuò)展，說明直鏈淀粉組分已被破壞或移位。

總之，在乙酸體系(pH值1.5、濃度7.1 mol/L)中，通過快速黏度分析儀設(shè)置最高處理溫度與糊化溫度差值為-16～15℃對(duì)淀粉進(jìn)行處理(表1)，可以分別得到紅薯、木薯、綠豆、豌豆、玉米、小麥6種淀粉的外殼。在其他條件下均不能得到較為完整的外殼。

2.3 淀粉外殼的表征

表2為各淀粉外殼厚度、直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒徑、糊化程度、相對(duì)結(jié)晶度和分子量?？梢园l(fā)現(xiàn)不同淀粉的外殼厚度存在差異，6種淀粉的顆粒外殼厚度在50～470 nm之間，這些尺寸應(yīng)比原淀粉的外殼尺寸偏大，因?yàn)樵谔幚磉^程中淀粉外殼和淀粉顆粒都隨著糊化作用發(fā)生了不同程度的吸水膨脹。薯類和豆類淀粉的外殼厚度比較接近，在95～470 nm之間；玉米淀粉部分區(qū)域的顆粒外殼厚度較薄，僅50 nm左右；小麥淀粉的最薄外殼大于130 nm，可能與這種淀粉的處理溫度最低有關(guān)。淀粉顆粒不是均勻的大分子物質(zhì)，對(duì)于同種淀粉來說，顆粒的粒徑分布具有一定范圍，因此處理后得到的淀粉外殼厚度具有差異。

淀粉外殼的直鏈淀粉含量低于原淀粉，推測(cè)支鏈淀粉的側(cè)鏈形成大量雙螺旋結(jié)構(gòu)，相互緊密堆疊連接形成了能抵抗外力的外殼。適當(dāng)控制糊化條件，可使淀粉顆粒逐漸膨脹，顆粒內(nèi)部物質(zhì)轉(zhuǎn)移到溶液中。由于淀粉外殼中含有大量支鏈淀粉，結(jié)構(gòu)相對(duì)緊實(shí)，有助于保持原有的殼層形貌。文獻(xiàn)[29]對(duì)馬鈴薯原淀粉進(jìn)行化學(xué)糊化處理(4 mol/L CaCl2，21℃)后測(cè)定殘存顆粒的直鏈淀粉含量，發(fā)現(xiàn)淀粉外部的直鏈淀粉含量高于淀粉內(nèi)部。這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，可能是由于前者在高濃度的離子體系中處理淀粉時(shí)，顆粒內(nèi)部的直鏈淀粉會(huì)隨著攪拌游離到溶液中，導(dǎo)致殘存顆粒中的直鏈淀粉含量偏低。

原淀粉的平均粒徑范圍為13.1～27.4 μm，其中豌豆淀粉平均粒徑最大，為27.4 μm，木薯淀粉平均粒徑最小，為13.1 μm，這與掃描電鏡觀察的結(jié)果相匹配。同時(shí)，也與文獻(xiàn)[30-31]的測(cè)試結(jié)果一致。

表2 不同淀粉外殼厚度、直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒徑、糊化程度、相對(duì)結(jié)晶度及分子量Tab.2 Shell thickness, amylose content, particle size, gelatinization degree, relative crystallinity and molecular weight of different starch and starch outer shells

圖4 淀粉處理前后的X-射線衍射圖譜Fig.4 X-ray diffraction patterns of starch before and after treatment

分析各類淀粉的X-射線結(jié)果(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，薯類和谷類原淀粉在2θ為15.1°、17.2°、18.1°、23.1°附近出現(xiàn)明顯吸收峰，屬于明顯的A型晶體結(jié)構(gòu)。而豆類淀粉在2θ為5.5°、15.1°、17.2°、18.1°、23.1°附近出現(xiàn)明顯吸收峰，屬于C型晶體結(jié)構(gòu)。一些研究中的綠豆[32]、豌豆[33]、玉米[34]、小麥[35]淀粉的結(jié)晶類型與本文一致，但其他研究中[36-37]的紅薯、木薯淀粉為C型晶型，說明淀粉的晶型類別與淀粉種類，生長(zhǎng)環(huán)境密切相關(guān)。薯類淀粉(紅薯和木薯)與谷類淀粉(玉米、小麥)同為A型結(jié)晶，說明淀粉顆粒內(nèi)部的雙螺旋排列相似。

從表2看出，經(jīng)乙酸處理后，淀粉的相對(duì)結(jié)晶度明顯降低，說明結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大程度的變化，這與淀粉的糊化程度有關(guān)。6種淀粉外殼的糊化程度分布在19%～56%，相對(duì)結(jié)晶度分布在5%～34%。其中，玉米淀粉外殼的糊化程度最低，綠豆淀粉外殼的糊化程度最高，而二者的相對(duì)結(jié)晶度變化均最大(處理后下降了83%)，這可能是由于這兩種淀粉顆粒表面特有的微孔使結(jié)晶結(jié)構(gòu)更易與水分子結(jié)合而遭到破壞。

對(duì)比淀粉外殼和原淀粉的相關(guān)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)6種淀粉顆粒的外殼厚度(50～470 nm)與其淀粉粒徑(13.1～27.4 μm)、直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(23.3%～37.6%)以及相對(duì)結(jié)晶度(18%～49%)沒有明顯相關(guān)性。

6種原淀粉的淀粉分子量分布在3.8×107～2.4×108g/mol。其中綠豆淀粉的分子量最高。文獻(xiàn)[38-39]分別測(cè)定了豆類淀粉、薯類淀粉和玉米淀粉的分子量，前者發(fā)現(xiàn)薯類淀粉的分子量較大，而后者發(fā)現(xiàn)玉米淀粉的分子量最大，說明淀粉分子量同樣與種類和來源密切相關(guān)。

在淀粉外殼中，淀粉分子量分布在4.3×107～1.2×108g/mol之間?？梢园l(fā)現(xiàn)，除綠豆淀粉外，其他淀粉外殼的分子量明顯高于原淀粉，說明參與形成外殼的淀粉分子更大，具有更強(qiáng)的分子間作用力、內(nèi)作用力和空間效應(yīng)，使淀粉外殼更耐剪切，具有黏彈性。以上結(jié)果說明，低pH值會(huì)抑制淀粉顆粒的膨脹，可以通過控制溫度和pH值調(diào)節(jié)淀粉的糊化程度，實(shí)現(xiàn)淀粉顆粒外殼的分離。

2.4 討論

目前微米級(jí)的包膜材料非常少見。淀粉外殼這種微米級(jí)的天然包囊結(jié)構(gòu)，具有天然高分子材料的大部分優(yōu)點(diǎn)，且非常容易被生物體消化利用。它還具有自身獨(dú)特的生物特性：吸水易膨脹成網(wǎng)絡(luò)口袋結(jié)構(gòu)，可通過收縮改變內(nèi)部容積，易與其他淀粉顆粒黏連等。因此，淀粉外殼不僅能被用作食品功能成分的穩(wěn)定劑和緩釋劑，而且仍有其他巨大的應(yīng)用價(jià)值有待開發(fā)?？梢酝ㄟ^改變淀粉外殼內(nèi)外層的親水性，使其具有自組裝特性。另外，由于純天然淀粉的熱塑性比較差，可通過引入其他基團(tuán)對(duì)外殼改性，以實(shí)現(xiàn)不同的包材硬度需求，將來可用于生物傳感器、分子器件、高效催化材料和醫(yī)用生物材料等。

3 結(jié)束語

通過控制淀粉的糊化條件、降低體系的pH值和處理溫度，研究了6種原淀粉顆粒外殼的分離方法。結(jié)果顯示，在pH值為1.5的乙酸體系中，通過對(duì)淀粉進(jìn)行不完全糊化處理，可以得到較完整的不同淀粉外殼，厚度為50～470 nm，淀粉外殼的分子量高于原淀粉(除綠豆淀粉外)。淀粉外殼相對(duì)結(jié)晶度顯著降低，但還保留原淀粉顆粒的部分形貌，淀粉表面的微孔可以加劇外殼結(jié)晶度的降低。淀粉外殼厚度與其淀粉粒徑、直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及相對(duì)結(jié)晶度沒有明顯相關(guān)性。玉米淀粉的外殼結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，更適合用于微米級(jí)包膜材料。