掃描電鏡法分析常見可食用淀粉顆粒的超微形貌_王紹清

1、752011, Vol. 32, No. 15食品科學(xué)基礎(chǔ)研究掃描電鏡法分析常見可食用淀粉顆粒的超微形貌王紹清，王琳琳，范文浩，曹紅，曹寶森（北京市海淀區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，國家食品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗中心，北京100094）摘要運用掃描電鏡對多種常見可食用淀粉顆粒的超微形貌進行觀察，按照淀粉顆粒形貌差別，將考察的所有種類淀粉顆粒分為：塊莖形、棒形、球形、扁平形、復(fù)粒結(jié)構(gòu)、棱角圓滑和棱角尖銳多面體形及腎形等類別， 對每一類及每一種淀粉顆粒超微形貌的特征都分別進行分析和總結(jié)，并歸納淀粉顆粒超微形貌特征規(guī)律。在本研究 成果的基礎(chǔ)上初步形成可食用淀粉顆粒超微形貌電鏡照片集錦，為從淀粉顆粒超微形貌特征上加

2、強國內(nèi)淀粉產(chǎn)品的 質(zhì)量監(jiān)管提供可靠參考。關(guān)鍵詞：淀粉顆粒；超微形貌；掃描電鏡；食品摻假；檢測Morphological An alysis of Common Edible Starch Granu les by Scanning Electr on MicroscopyWANG Shao-qing ， WANG Lin-lin ， FAN Wen-hao ，CAO Hong ， CAO Bao-sen(Beijing Bureau of Quality and Technical Supervision, China National Food Quality & Safety Su

3、pervision and Inspection Center,Beijing 100094, China)Abstract : The ultrastructural morphology of common edible starch granules was analyzed by scanning electron microscopy (SEM). Starch granules under investigation were observed to have different shapes such as tube-like, stick-like, ball, flat-di

4、sklike, complex type, polyhedron with smooth or pointed edges and corners and kidney-like and were classified according to these shapes. Meanwhile, a detail analysis was performed on the morphological characteristics of each type of starch granule in this study. Accordingly, the development rules fo

5、r different starch granule shapes were summarized for further research on the morphology of starch granules. The gallery for the microscopic morphology of edible starch granules presented in this study is a reliable reference for the product quality supervision of domestic starch.Key words : starch

6、granule ； microscopic morphology ； scanning electron microscopy (SEM) ； food adulteration ； detection中圖分類號：TS210.1文獻標識碼：A文章編號：1002-6630(2011)15-0074-06淀粉作為自然界植物儲藏能量和碳水化合物的主要形式，承擔(dān)著能量從植物到動物傳遞的主要載體作用1。研究者通過多種手段對淀粉的含量、糊化、結(jié)晶結(jié)構(gòu) 以及顆粒超微形貌等性質(zhì)進行了研究，以揭示淀粉的組 成結(jié)構(gòu)與其內(nèi)在性質(zhì)和功能的關(guān)系2-7。隨著掃描電鏡技 術(shù)的普及和應(yīng)用，通過掃描電鏡對淀粉顆粒超微形貌進 行

7、觀察，已經(jīng)成為對淀粉顆粒的性質(zhì)進行全面研究時必 不可少的一種輔助考察手段7-10。但迄今為止，運用掃描電鏡對大量植物淀粉顆粒的超微形貌展開對比研究的 事例卻很稀少。只有美國愛荷華州立大學(xué)的Jane等11研究人員通過掃描電子顯微鏡對50多種市售或其他實驗室制備的不同植物來源的淀粉顆粒進行了詳細的超微形貌 觀察和總結(jié)。但由于技術(shù)限制，資料中給岀的大部分淀粉顆粒的掃描電鏡照片都不夠清晰，關(guān)于每種淀粉顆 粒的表述也過于簡約，部分淀粉顆粒形貌的描述不夠準 確，因此資料中所給岀的研究成果只能作為科學(xué)研究的 參考，很難用于淀粉質(zhì)量鑒別檢驗。近年來伴隨國內(nèi)淀粉生產(chǎn)加工貿(mào)易的發(fā)展，市場上 食用淀粉摻假現(xiàn)象越來越

8、嚴重。雖然國家已岀臺多項標 準方法，以加強國內(nèi)淀粉產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管，但針對市場 上新岀現(xiàn)的價格差異較大的不同種類淀粉之間的摻假現(xiàn) 象，尚無可行鑒別方法，也無國家標準方法可依。因 為無論是普通感官檢驗還是理化分析指標上，不同種類 的淀粉之間的差別都很小，難以作為鑒別依據(jù)。本研究充分運用掃描電鏡高分辨、高放大倍率、 景深大、立體感強等特點，開發(fā)依據(jù)常見可食用淀收稿日期：2010-08-08基金項目：國家質(zhì)檢總局科技計劃項目(2008QK28)作者簡介：王紹清(1 97 2 )，男，高級工程師，博士，研究方向為食品檢驗。E-mail : wwwshq y aho 994-2014 CniTtci Aca

9、demic Journal EltiCt'ranic Publiining HoiUAl AOl rights reserved. MtpiA/wwwfeCfiki基礎(chǔ)研究食品科學(xué)2011, Vol. 32, No. 15 #粉顆粒的超微形貌特征進行鑒別的檢驗方法。根 據(jù)不同種類的淀粉顆粒之間在超微形貌上的明顯差 異，不同種類淀粉之間的摻假現(xiàn)象在掃描電鏡下昭然 若揭。運用掃描電鏡對不同種類淀粉之間摻假行為進 行鑒別的方法的開發(fā)，將彌補國家標準檢驗方法的缺 陷，為打擊市場上用廉價淀粉向高價淀粉摻假行為提 供技術(shù)支持。差別也清晰可鑒8-11。為了清晰展示每一種淀粉顆粒在 超微形貌上的特征，

10、圖1中針對每種淀粉顆粒，給岀了不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡照片，同時也給岀了每種淀 粉顆粒的典型形貌特寫。表1總結(jié)了考察的所有種類淀粉顆粒的超微形貌特 征。同時為給質(zhì)量監(jiān)管作參考，對所列淀粉顆粒種類 按照超微形貌或結(jié)構(gòu)的特征進行了分類?；A(chǔ)研究食品科學(xué)2011, Vol. 32, No. 15 #基礎(chǔ)研究食品科學(xué)2011, Vol. 32, No. 15 #1 材料與方法1.1 材料與試劑所用淀粉為本實驗室從可食用原料中自行提取；所 用原料除養(yǎng)麥、豌豆和高粱外，均購于北京農(nóng)貿(mào)市場； 養(yǎng)麥、豌豆和高粱原料來自于國家糧食局科學(xué)研究院。所用化學(xué)試劑均為分析純北京化工試劑公司。1.2 儀器與設(shè)備S3400

11、N型掃描電子顯微鏡、 E-1045型離子濺射儀 日本日立高新技術(shù)有限公司； GZX-9140 MBE 鼓風(fēng)干燥 箱上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。1.3 方法1.3.1 淀粉提取稱取50g原料，經(jīng)去離子水洗滌干凈后，于100mL1g/100mL 的亞硫酸氫鈉溶液中浸泡過夜。樣品粉碎 后，漿液過1 0 0目標準篩，篩下的淀粉懸濁液經(jīng) 4000r/min離心20min，分離得淀粉沉淀。所得淀粉沉 淀用超純水反復(fù)洗滌、離心 3次后，分散于0.2g/100mL 的氫氧化鈉溶液中放置35h。在同樣離心條件下分離出淀粉，并用去離子水反復(fù)清洗、離心3遍，最后所得沉淀再分散于去離子水中，靜置沉降，倒掉上 清液

12、后，除去上面有顏色部分，將剩余的淀粉置于烘 箱中，4 0 C烘干過夜。1.3.2 掃描電鏡觀察稱取5mg淀粉樣品于1mL 50%乙醇溶液中，超聲 勻化成淀粉懸濁液。將潔凈的鋁箔片粘附在樣品臺上， 將上述淀粉懸濁液滴于潔凈鋁箔片上，在紅外燈下烘干 液體后，置于E-1045型離子濺射儀的樣品艙中，在15mA的電流下噴金90s。樣品取岀后，裝入 S-3400N掃描電 鏡觀察室，進行觀察。2 結(jié)果與分析2.1常見可食用淀粉顆粒超微形貌觀察與普通光學(xué)顯微鏡相比，掃描電子顯微鏡（掃描電鏡，SEM）具有更高的放大倍率和分辨率。肉眼難以辨 別的不同種類的淀粉顆粒在掃描電鏡下不僅可以分辨每 一個淀粉顆粒，而且不

13、同種類淀粉在顆粒超微形貌上的基礎(chǔ)研究食品科學(xué)2011, Vol. 32, No. 15 #基礎(chǔ)研究食品科學(xué)2011, Vol. 32, No. 15 777194-201cLin】1底 Hou強 All rishis iteser基礎(chǔ)研究食品科學(xué)2011, Vol. 32, No. 15 #基礎(chǔ)研究食品科學(xué)2011, Vol. 32, No. 15 79JIA.馬鈴薯；a.馬鈴薯；B.蓮藕；b.蓮藕；C.紅薯；c.紅薯；D.木薯；d.木薯；E.小麥；e.小麥；F.山藥；f.山藥；G.蓮子；g.蓮子；H.荸薺；h.荸薺；I.燕麥；i.燕麥；丄玉米；j.玉米；K.糯玉米；k.糯玉米；L. 高粱；I

14、.高粱；M.糯高粱；m.糯高粱；N.甜養(yǎng)麥；n.甜養(yǎng)麥；O.苦養(yǎng) 麥；o.苦養(yǎng)麥；P.大米；p.大米；Q.糯米；q.糯米；R.紫米；r.紫米； S.芋頭；s.芋頭；T.綠豆；t.綠豆；U.大白豆；u.大白豆；V.紅豆；v. 紅豆；W.花蕓豆；w.花蕓豆；X.豌豆；x.豌豆；Y.蠶豆；y.蠶豆。圖1淀粉顆粒的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.lScanning electron microscope pic迢All ri.Kh基礎(chǔ)研究食品科學(xué)2011, Vol. 32, No. 15 #基礎(chǔ)研究食品科學(xué)2011, Vol. 32, No. 15 81表1所考察可食用淀粉顆粒超微形貌分類和超微形貌特征分析Tab

15、le 1Classification and microscopic characteristics of ed形貌淀粉種類電鏡照片塊莖形馬鈴薯圖 1A、a棒形蓮藕圖 1 B、b球形紅薯圖 1 C、c木薯圖 1 D、c小麥B型圖 1 E、e小麥A型圖 1 E、e山藥圖 1F、f扁平形蓮子圖 1G、g荸薺圖 1 H、h復(fù)粒結(jié)構(gòu)燕麥圖 1I、i玉米圖 1J、j糯玉米圖 1 K、k棱角圓滑的多面體形高粱圖1L、丨糯高粱圖 1M、m甜養(yǎng)麥圖 1 N、n苦養(yǎng)麥圖 10、o大米圖 1 P、p糯米圖 1Q、q棱角尖銳的多面體形紫米圖 1 R、r芋頭圖 1S、s綠豆圖 1T、t大白豆圖 1 U、u腎形或卵形紅

16、豆圖 1 V、v花蕓豆圖 1W、w綠豌豆圖 1X、x蠶豆圖 1Y、y淀粉顆粒超微形貌特征尺寸/m?194-2014 Chir顆粒表面光滑大的典型顆粒形似馬鈴薯塊莖，無固定形狀，小的近似卵形未成熟的小顆粒呈球形典型顆粒呈棒形，形似藕節(jié)，一端有瘤狀突起，象藕節(jié)斷面的孔被一層膜蓋住的樣子, 顆粒的另一端和側(cè)面都比較光滑部分稍小顆粒未成熟呈矮錐形錐頂和錐面光滑， 底面呈瘤狀突起還有部分形貌與紅薯和木薯淀粉相似的極小淀粉顆粒包括3種典型形貌的淀粉顆粒：1）半球體顆粒，圓形底面中心凹陷，部分顆粒的球面略陡，形似椎體。2）大半個球體顆粒少數(shù)底面為中心凹陷的圓形多數(shù)底面為多面體錐形或梯形，每個多邊形面的中心稍

17、有凹陷3）顆粒小于半個球體形似球體碎塊,一面為球面,其他面為多面體錐形或梯形!個多邊形面的中心稍有凹陷與紅薯淀粉顆粒的形貌特征類似大部分顆粒呈較小的圓球形顆粒形似鐵餅，呈扁平狀，赤道線上有凹槽，也有研究者發(fā)現(xiàn)凹槽上有細孔通向顆粒中心顆粒呈扁平狀，扁平盤形狀不規(guī)則多近似多邊形，少數(shù)近似三角形，赤道線上有凹槽其余表面較圓滑顆粒呈扁平狀，扁平盤形狀多不規(guī)則，有的近似多邊形，有的近似三角形赤道線上有細凹槽結(jié)構(gòu)其余表面圓滑長軸:1575;短軸:1050長軸：2050;短軸：1030直徑：5-30直徑：5-27直徑：2 -3扁平面寬度：22-36;厚度：5 -15扁平面寬度:扁平面寬度:5- 25;5-

18、20;厚度:厚度:3-53-5顆粒呈扁平狀大顆粒形狀與山藥淀粉顆粒形貌類似，但部分小顆粒形似葵花籽呈水滴狀未成熟的燕麥淀粉顆粒的復(fù)粒呈球形或卵成熟的燕麥顆粒沒有固定形態(tài)。表面光滑，但凹凸不平，象鼓起的大小不一的包但燕麥復(fù)粒極容易分裂破碎，形成大小不一的具有尖銳棱角的多面體形小顆粒即燕麥顆粒的二級結(jié)構(gòu)。多面體形二級小顆粒的一面是復(fù)粒結(jié)構(gòu)平滑的表余，各面為斷裂性多邊形平面典型顆粒呈多面體形，棱角圓滑，部分未成熟顆粒呈球形。顆粒的表面稍有凹凸不平（小坑和通向顆粒中心的細孔典型顆粒形貌與玉米的相似但棱角更加圓滑許多顆粒甚至看不出棱角，而且表面更加凹凸不平疙疙瘩瘩典型顆粒形貌與玉米的類似棱角較圓滑且顆粒

19、表面上的細孔更加明顯部分顆粒沿棱角分布著許多凹陷小坑典型顆粒形貌與高粱的類似只是顆粒表面更加凹凸不平，疙疙瘩瘩顆粒表面有膜膜下分布著致密且大小不一細孔部分典型顆粒棱角圓滑部分典型顆粒棱角清晰還有部分小顆粒近似球形顆粒表面有疏散的細孔分布典型顆粒形貌與甜養(yǎng)麥的相似但棱角更加圓滑顆粒表面也有疏散細孔分布典型顆粒形貌呈多面體形棱角異常尖銳突出部分顆粒有一個多邊形面稍平滑,其余各面都是比較平整的多邊形平面顆粒表面稍有凹陷且分布著疏散的細孔典型顆粒形貌與大米的類只是顆粒的多邊形平面中心都有明顯凹陷扁平面寬度:5- 30;厚度:3-5直徑：1 -5等同直徑：5-20等同直徑：5-15等同直徑：1030等同

20、直徑：1030等同直徑：2-10等同直徑：5-20等同直徑:等同直徑:3-83-8典型顆粒形貌特征與大米的類似典型顆粒具有明顯的多面體形形貌特征棱角稍鈍，平面的中心也有較深凹陷呈干癟狀典型顆粒呈腎形,部分小顆粒呈卵形顆粒表面光滑在垂直于顆粒長軸方向的一側(cè)有折痕結(jié)構(gòu)， 或在顆粒腰部或偏向一端小顆粒呈卵形,一側(cè)有凹槽狀結(jié)構(gòu)沿垂直折痕的平面方向顆粒形態(tài)略扁典型顆粒形貌與綠豆淀粉的基本相似但尺寸稍大，并且沿垂直于折痕的平面方向顆粒形態(tài)更扁典型顆粒形貌與綠豆的相似形態(tài)略胖，更加接近于卵形,還有部分顆粒形態(tài)不規(guī)貝有多道折痕典型顆粒形貌呈腎形特征要部折痕較舒展部分顆粒的縱向側(cè)面有赤道凹槽結(jié)構(gòu)典型顆?；拘蚊?/p>

21、呈卵形多數(shù)折痕更加舒展形似充分發(fā)酵的面包烤熟后漲開的裂紋”顆粒表面橫向有多道“裂紋”，部分延伸相交，將顆粒表面分成多個凸起包凸起表面仍較光滑典型顆粒形貌與豌豆的相似，只是顆粒表面“裂紋”更加明顯，因“裂紋”較多，顆粒表面疙疙瘩瘩，極不平整；局部顆粒凸起表面粗糙象石灰脫落的墻面。cumal Eltjctioiiic Pijhlishint Housed All vighiji reser等同直徑:等同直徑:等同直徑:等同直徑:等同直徑:等同直徑:3-81-41027105027-451050等同直徑：5-35等同直徑：1029#2011, Vol. 32, No. 15食品科學(xué)基礎(chǔ)研究2.2 淀

22、粉顆粒超微形貌特征分析如上所述，不同植物來源的淀粉顆粒，在顆粒大 小和超微形貌上，有著不同的特征。從顆粒形態(tài)上看， 有球形、半球形、橢球形、棒形、腎形和多面體形等， 從顆粒大小來看，小的只有幾微米，大的有 1 00卩m， 從顆粒結(jié)構(gòu)來看，有單粒的、有復(fù)粒的，但綜合分析 本項目中考察的所有淀粉顆粒的超微形貌特征，可以發(fā) 現(xiàn)以下規(guī)律。2.2.1 淀粉顆粒與淀粉來源（如植物的根莖或種子等）在 形貌上的相似性在所考察的淀粉中，馬鈴薯淀粉與馬鈴薯塊莖相 似，棒狀的蓮藕淀粉與藕節(jié)相似，多數(shù)豆類淀粉，如 綠豆、紅豆、花蕓豆和大白豆、綠豌豆和蠶豆等都與 相應(yīng)的種子形貌相似等。這與Jane等11的研究結(jié)果一致。

23、目前，研究者正試圖從淀粉顆粒的生物合成途徑 上研究這種自然界中的微觀子體與宏觀母體在形貌上的 一致性。研究證明淀粉顆粒的超微形貌是由植物生理學(xué) 和葉綠體及淀粉質(zhì)粒的生物化學(xué)過程決定的12-15。2.2.2 相近科屬的淀粉種類之間，在淀粉顆粒的超微 形貌上具有相似性。最典型的例子就是豆類淀粉、米類淀粉及谷物類的 玉米與糯玉米淀粉、高梁與糯高粱淀粉及甜養(yǎng)麥與苦養(yǎng) 麥淀粉等。綠豆、紅豆、花蕓豆、大白豆、綠豌豆 和蠶豆的淀粉顆粒的基本形狀都像腎形，與其種子形貌 相似。蠶豆淀粉顆粒表面裂紋較多，與凹凸不平的蠶 豆顆粒表面很像。玉米與糯玉米、高粱與糯高粱及苦 養(yǎng)麥與甜養(yǎng)麥的淀粉顆粒都屬于棱角圓滑的多面體顆

24、 粒，每個多邊形面都呈凹凸不平現(xiàn)象，并且表面有細 孔，相應(yīng)糯性種類的淀粉顆粒的棱角更加圓滑，顆粒 表面更加凹凸不平。這可能是因為糯性種類支鏈淀粉含 量高的原因2。米類淀粉，如大米、糯米、紫米等淀 粉顆粒都具有棱角尖銳的多面體形，顆粒尺寸極小，只有 幾微米。這與其米類淀粉中的直鏈淀粉含量高有關(guān)14,9。2.2.3 未成熟的淀粉顆粒多呈球形或不完全球形。如以上觀察，未成熟馬鈴薯淀粉顆粒、B型小麥淀粉顆粒及小的豆類淀粉顆粒和藕粉中的小顆粒等都呈 球形或不完全球形。這可能與淀粉顆粒在生物合成初 期，在物理結(jié)晶結(jié)構(gòu)上主要以支鏈淀粉構(gòu)成的無定形結(jié) 構(gòu)為主有關(guān)16-20。2.2.4 不同種類的淀粉顆粒之間的

25、差異性部分種類的淀粉顆粒在超微形貌上具有獨特的特 征。如馬鈴薯塊莖狀的馬鈴薯淀粉、棒形的蓮藕淀粉、 鐵餅形的A型小麥淀粉等。根據(jù)這些淀粉顆粒的獨特超 微形貌特征，可以通過掃描電鏡進行確切的淀粉種類鑒 定。但同科屬的不同種類淀粉顆粒之間，多具有部分相似的超微形貌特征，但不同科屬的淀粉顆粒之間，在 超微形貌上卻具有明顯的差異，如豆類、米類、玉米 類和薯類淀粉，同科屬的顆粒形貌具有一定的相似性， 但不同科屬之間，在淀粉顆粒超微形貌上又具有明顯的 差別，分別呈腎形、棱角尖銳多面體形、棱角圓滑的 多面體形和不規(guī)則球體碎塊狀顆粒等特征。據(jù)此可以判 定所檢驗淀粉種類的科屬類別。對于來源于同一科屬的 形貌相似

26、的不同種類淀粉顆粒之間，仔細觀察和比較， 也可以找出它們的差別。如紅薯淀粉與木薯淀粉顆粒， 從超微形貌上看，二者都具有半球形、大半球形、球 形碎塊樣的顆粒和非球面表面中心凹陷的特征。但在紅 薯類淀粉中，半球形的淀粉顆粒的數(shù)量相對多一些，而 木薯淀粉中，底面是多梯形側(cè)面組成的梯形凸起的大半 個球形狀顆粒的數(shù)量相對多一些。不同種類的豆類淀粉 顆粒都具有腎形的基本形狀，但不同種類的淀粉顆粒卻 具有不同特征，如蠶豆和豌豆淀粉顆粒就具有不同于其 他豆類淀粉顆粒的多道折痕（“裂紋”）特征，而且多道“裂紋”將淀粉顆粒表面分成多個凸包。豌豆淀粉顆 粒的凸包表面光滑，而蠶豆淀粉顆粒的凸包表面卻凹凸 不平，象石灰

27、脫落的墻面。3 結(jié) 論綜上所述，本研究運用掃描電鏡對多種常見可食用 淀粉顆粒的超微形貌進行觀察發(fā)現(xiàn)，根據(jù)淀粉顆粒與植 物根莖或種子的形貌相似性、同科屬淀粉顆粒形貌的類 似特征、不同科屬淀粉顆粒之間的形貌差別及同屬不同 種類淀粉顆粒之間的形貌特征差別，可以通過掃描電鏡 成功鑒別不同種類的淀粉顆粒。這一方法的開發(fā)，將 彌補國家標準檢驗方法的缺陷，為打擊市場上用廉價淀 粉向高價淀粉摻假行為提供技術(shù)支持。同時，本研究 給出的所考察的各種淀粉顆粒的掃描電鏡照片集錦及每 種淀粉顆粒超微形貌特征的分析，為從淀粉顆粒超微形 貌特征上加強國內(nèi)淀粉產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)管提供了可靠參考 資料。參考文獻：1 LEEMAN W

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