雙鏈淀粉淀粉結(jié)構(gòu)及性能研究

雙鏈淀粉淀粉結(jié)構(gòu)及性能研究

又名芋頭、土芝，俗稱芋頭，屬于天南星科。芋頭主產(chǎn)區(qū)在非洲、亞洲的中國(guó)、日本、印度、菲律賓等地?，F(xiàn)在栽培的芋頭品種有數(shù)千種。與其他塊莖和塊根植物相比,芋頭具有更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,芋頭是非洲和亞洲太平洋島國(guó)居民的主要糧食。芋頭不僅可食用,也可藥用,它味甘辛、平、性滑,其葉、花、塊莖均可入藥,具有寬腸胃、補(bǔ)脾胃、消癆散結(jié)等作用,主治腫毒、腹中癖塊、牛皮癬、燙火傷等癥。據(jù)聯(lián)合國(guó)農(nóng)業(yè)組織報(bào)告,近年來(lái),全世界芋頭產(chǎn)量有顯著增加,每年全世界產(chǎn)量約為530～580萬(wàn)噸,這為芋頭的深加工打下了牢固的基礎(chǔ)。芋頭資源極為豐富,但開發(fā)的程度遠(yuǎn)不及山藥、甘薯、馬鈴薯等,所以對(duì)芋頭的認(rèn)識(shí)和進(jìn)一步開發(fā)是有意義的。芋頭在我國(guó)栽培歷史悠久,種植范圍廣泛,具有較好的開發(fā)應(yīng)用前景。鑒于國(guó)內(nèi)外有關(guān)于芋頭淀粉性質(zhì)方面的報(bào)道很少,本研究將為芋頭資源進(jìn)一步的開發(fā)利用從理論上提供依據(jù)和指導(dǎo),促進(jìn)我國(guó)芋頭深加工業(yè)的發(fā)展。1試驗(yàn)材料和方法1.1均漿、過(guò)濾、純化供試材料:在實(shí)驗(yàn)室自制淀粉樣品,芋頭采于當(dāng)?shù)厥袌?chǎng),清洗芋頭球莖,削皮,切割成薄片,再清洗一遍。薄片浸入0.03md/L氨水中2～3min,在有稀氨水溶液或足夠的水覆蓋的情況下用植物組織搗碎機(jī)在較低的速度下均漿,此漿在0.03md/L氨水溶液中浸泡約2h。然后,分別用80目和260目的篩子過(guò)濾。濾液沉降48h。除去上層及底部殘?jiān)?水洗淀粉數(shù)次,在40℃干燥48h。另用大米淀粉進(jìn)行比較。分子量測(cè)試用淀粉:實(shí)驗(yàn)室制備的淀粉樣品均進(jìn)行水洗、除砂、脫脂和乙醇洗滌等純化處理。標(biāo)樣:葡聚糖標(biāo)樣的分子量有200萬(wàn)、50萬(wàn)、20萬(wàn)、10萬(wàn)、7萬(wàn)、4萬(wàn)、2萬(wàn)和990(瑞典pharmacia公司)。麥芽糖由上海葡萄糖廠提供。1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法1.2.1蒸鍍金屬膜的制備將粉狀樣品干燥后,用導(dǎo)電膠黏在樣品座上。把樣品座置于離子濺射儀中,在樣品表面蒸鍍一層10～20nm厚的鉑金膜后。不同放大倍數(shù)下進(jìn)行電鏡觀察并拍攝照片。1.2.2研究參數(shù)用美國(guó)Malvern公司Mastersizer2000式粒度分析儀測(cè)定芋頭淀粉乳當(dāng)中芋頭淀粉的體-面平均粒徑d3,2(d3,2=∑inid3ii3/∑inid2ii2,μm)和體積平均粒徑d4,3(d4,3=∑inid4ii4/∑inid3ii3,μm),其中ni為直徑di的芋頭淀粉顆粒的數(shù)量。設(shè)置的參數(shù)為:分析模式:通用模式;進(jìn)樣器名稱:Hydro2000MU(A);水折射率:1.330;測(cè)定粒徑范圍:0.020～20000.000μm。1.2.3x-射線衍射分析樣品準(zhǔn)備:稱取樣品2g,用無(wú)水乙醇洗滌后在50℃干燥5h,研磨后用自動(dòng)X-射線衍射儀分析。測(cè)定條件:粉末法,特征射線CuKα,管壓40kV,電流100mA,掃描范圍10°～70°。1.2.4鏈?zhǔn)降矸叟c支鏈?zhǔn)降矸鄣姆蛛x和提取1.2.4.粗支鏈淀粉的制備稱取10g芋頭淀粉,放人500mL燒杯中,加少量的無(wú)水乙醇,使樣品濕潤(rùn),再加入0.5mol/L氫氧化鈉溶液200mL。在沸水浴中加熱攪拌20～30min至完全分散。冷卻后離心(4000r/min,20min),去除未分散的殘?jiān)?沉淀部分)。用2mol/L鹽酸中和離心液,并加入100mL正丁醇-異戊醇(3∶1,v/v)混合液,然后在沸水浴中加熱攪拌20min,此時(shí)溶液透明,冷卻至室溫,移入2～4℃冰箱靜置24h,離心(4000r/min)20min,沉淀物即為粗直鏈淀粉,上清液即為粗支鏈淀粉溶液。分別收集備用。1.2.4.直流淀粉的制備將沉淀物即粗直鏈淀粉全部轉(zhuǎn)移至裝有120mL正丁醇飽和水溶液,然后置沸水浴中攪拌直至溶液分散透明,再逐漸冷卻至室溫,移入冰箱內(nèi)(2～4℃)保持24h,取出離心(4000r/min,20min),將得到的沉淀重復(fù)上述操作6次,然后將沉淀物浸入無(wú)水乙醇中24h,以無(wú)水乙醇洗滌沉淀數(shù)次,該沉淀于室溫下真空干燥,即得直鏈淀粉純品。無(wú)水乙醇沉淀的目的是除去直鏈淀粉中絡(luò)合的正丁醇。1.2.4.支鏈淀粉的制備支鏈淀粉溶液置于分液漏斗中靜置,取下層溶液加40mL正丁醇-異戊醇(1∶1,v/v)混合液,在沸水浴中加熱攪拌直至溶液分散透明,冷卻至室溫,移入冰箱于2～4℃靜置48h,離心(4000r/min,20min),去除沉淀物,用上清液重復(fù)上述操作3～5次,所得上清液減壓濃縮至原體積的一半,加入2倍體積的無(wú)水乙醇沉淀,離心,將沉淀溶于熱的200mL0.5mol/L氫氧化鈉溶液中,離心去沉淀,離心液中再加入2倍體積的無(wú)水乙醇,將沉淀溶于200mL的蒸餾水中,用2倍體積的無(wú)水乙醇再沉淀,以無(wú)水乙醇洗滌數(shù)次,室溫下真空干燥,即得支鏈淀粉純品。1.2.4.反應(yīng)液和甲苯的制備取純化的芋頭支鏈淀粉22mg分散于5mL濃度為0.05mol/L的pH值5.0的醋酸緩沖溶液中,加入異淀粉酶,同時(shí)滴加2滴甲苯,防止微生物生長(zhǎng),然后將反應(yīng)液置于40℃水浴保溫。在反應(yīng)過(guò)程中,不斷檢測(cè)反應(yīng)體系的還原力(以葡萄糖計(jì)),當(dāng)還原力達(dá)到一個(gè)恒定值時(shí)(約24h),將反應(yīng)液置于沸水浴中20min滅酶,冷卻,得到芋頭支鏈淀粉的脫支水解產(chǎn)物。1.2.5通過(guò)祠堂測(cè)定淀粉和直接、支鏈測(cè)定淀粉的含量分布用美國(guó)Waters公司W(wǎng)aters600高效液相色譜儀測(cè)定,配2410折光檢測(cè)器和M32工作站。1.2.5.流動(dòng)相及流速色譜柱:UltrahydrogelTMLinear300mm×7.8mm;流動(dòng)相:0.1mol/LNaNO3;柱溫:45℃;流速:0.9mL/min;進(jìn)樣量:10uL。1.2.5.摩爾分子量的測(cè)定用10mL含量為90%的DMSO溶液在60℃的水中溶解20～50μg的標(biāo)樣,得到澄清透明的標(biāo)樣溶液,用臺(tái)式離心機(jī)以3000r/min離心20min,取上層清液,過(guò)0.45μm的濾膜。待色譜儀運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后,取約10μL經(jīng)過(guò)濾的樣液進(jìn)行測(cè)定,記錄各個(gè)標(biāo)樣分子量相對(duì)應(yīng)的保留時(shí)間RT和分子量分布圖。把標(biāo)樣的摩爾分子量數(shù)值MolWt和相應(yīng)的保留時(shí)間T(min)按微處理器的GPC法輸入計(jì)算,得相關(guān)系數(shù)為0.995709的回歸方程:LogMolWt=1.32×10-4.73×10-1T式中:MolWt為摩爾分子量;T為保留時(shí)間,min。1.2.5.3.樣品分析淀粉樣品也按1.2.5.2所述方法制成溶液,依標(biāo)定柱的色譜條件進(jìn)樣,儀器自動(dòng)繪出被測(cè)試樣品的分子量分布圖和分子量等結(jié)果。1.2.6淀粉糊溫度的測(cè)定準(zhǔn)確稱取一定量的樣品,倒入MicroVisco-Amylo-Graph黏度計(jì)的測(cè)量杯中,加入100mL的蒸餾水,充分?jǐn)嚢?。?0℃開始升溫,以3℃/min的速率加熱到95℃,保溫30min,再以3℃/min的速率冷卻到50℃,在此溫度保溫30min,黏度計(jì)自動(dòng)繪制一條隨時(shí)間和溫度變化的連續(xù)黏度曲線。測(cè)量盒扭矩為700cmg,轉(zhuǎn)速250r/min,曲線上的黏度單位為BU?？梢栽谇€上得到6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):A為成糊溫度,即最初達(dá)到10BU時(shí)的溫度,℃;B為最高熱黏度,即升溫期間淀粉糊達(dá)到的最高黏度,BU;C為升溫到95℃時(shí)的黏度,BU;D為淀粉糊在95℃保溫30min的黏度值,BU;E為淀粉糊稱為降落值或破損值,表示淀粉糊的熱穩(wěn)定性,變化小則黏度熱穩(wěn)定性高;E-D的差值反映淀粉糊的老化或回生的程度,也可表示冷卻時(shí)形成凝膠的強(qiáng)弱,差值大則凝膠性強(qiáng),易于老化;E-F的差值反映淀粉糊的冷穩(wěn)定性,變化越小,冷穩(wěn)定性越好。2結(jié)果與分析2.1粉顆粒的測(cè)定根據(jù)掃描式電子顯微鏡分析的結(jié)果顯示(圖1),芋頭淀粉顆粒較小且表面光滑、均勻。顆粒形狀呈多面體。芋頭淀粉顆粒大小的不同,可能導(dǎo)致芋頭淀粉加熱糊化過(guò)程中物性的差異,特別是芋頭淀粉對(duì)不同溫度的吸水膨潤(rùn)力的影響。2.2饅頭淀粉粒尺寸分布用美國(guó)Malvern公司Mastersizer2000式粒度分析儀測(cè)定芋頭淀粉和大米淀粉粒度分布,其結(jié)果如圖2。從圖2上可以看出,芋頭淀粉呈雙峰的顆粒尺寸分布,芋頭淀粉的平均粒徑比米淀粉的小,芋頭淀粉的平均直徑為4.358μm,大米淀粉的平均直徑為18.461μm。芋頭淀粉粒徑小,大小整齊,這可能是芋頭生長(zhǎng)過(guò)程中淀粉粒被蛋白質(zhì)包的較緊,擠壓較大,造成淀粉粒結(jié)構(gòu)緊實(shí)、堅(jiān)硬,這使得芋頭淀粉較玉米、馬鈴薯等大顆粒淀粉要難糊化。顆粒的大小是由遺傳因素決定的,它與淀粉的生物合成機(jī)理有關(guān),淀粉粒的性質(zhì)及其成分的性質(zhì)與淀粉粒的大小也有關(guān)系。2.3饅頭淀粉和大米淀粉的結(jié)晶性用粉末衍射法測(cè)定淀粉樣品的結(jié)晶結(jié)構(gòu),得到淀粉顆粒衍射圖樣,其試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見圖3和表1及表2。從圖3和表1及表2可以看出,芋頭淀粉在2-Theta為15.220、17.219、17.981、20.019、23.079、26.540、31.340和大米淀粉在2-Theta為15.159、17.180、18.081、20.000、22.980、32.540處分別有強(qiáng)吸收峰,這說(shuō)明芋頭淀粉和大米淀粉的結(jié)晶性均為A型。2.4結(jié)晶藥物的性質(zhì)直鏈淀粉和支鏈淀粉不是單一的化合物,化學(xué)結(jié)構(gòu)不同,性質(zhì)也有差異;直鏈淀粉在溶液狀態(tài)下分子伸展,很容易與一些極性有機(jī)化合物如正丁醇、百里酚、異戊醇等通過(guò)氫鍵締合,形成結(jié)晶性化合物而沉淀。支鏈淀粉在溶液中呈分枝狀,當(dāng)溶液中有極性有機(jī)化合物存在時(shí),由于有較大的空間位阻,不易形成復(fù)合物沉淀。因此,利用這種性質(zhì)可以將直鏈淀粉和支鏈淀粉分開。2.4.1響應(yīng)應(yīng)值-電壓mv芋頭和大米直鏈淀粉的分子量分布見圖4,色譜圖以保留時(shí)間(min)為橫坐標(biāo),以響應(yīng)值-電壓(MV)為縱坐標(biāo)。表3數(shù)據(jù)表明,重均聚合度和分散度,芋頭直鏈淀粉>大米直鏈淀粉;數(shù)均聚合度,大米直鏈淀粉>芋頭直鏈淀粉>;分散度,芋頭直鏈淀粉>大米直鏈淀粉。表明芋頭直鏈淀粉的分子大小的差別比大米直鏈淀粉分子大小的差別大。2.4.2饅頭支鏈淀粉分子量分布芋頭支鏈淀粉的分子量分布色譜圖見圖5,色譜圖以保留時(shí)間(min)為橫坐標(biāo),以響應(yīng)值-電壓(MV)為縱坐標(biāo)。芋頭支鏈淀粉的分子量分布色譜圖出現(xiàn)三個(gè)峰,其中一個(gè)為大峰,另外兩個(gè)是小峰。芋頭支鏈淀粉的分子量具有較寬的分布。2.4.3支鏈淀粉的聚合度芋頭和大米支鏈淀粉的脫支水解產(chǎn)物的分子量分布色譜圖見圖6,色譜圖以保留時(shí)間(min)為橫坐標(biāo),以響應(yīng)值-電壓(MV)為縱坐標(biāo)。由表5可以看到,芋頭支鏈淀粉中,長(zhǎng)支鏈所占比例大于短支鏈;分散度,長(zhǎng)支鏈大于短支鏈;大米支鏈淀粉中,長(zhǎng)支鏈所占比例大于短支鏈;分散度,長(zhǎng)支鏈大于短支鏈;重均聚合度,芋頭支鏈淀粉的長(zhǎng)支鏈>大米支鏈淀粉的長(zhǎng)支鏈>芋頭支鏈淀粉的短支鏈>大米支鏈淀粉的短支鏈;數(shù)均聚合度,大米支鏈淀粉的長(zhǎng)支鏈>芋頭支鏈淀粉的長(zhǎng)支鏈>大米支鏈淀粉的短支鏈>芋頭支鏈淀粉的短支鏈。2.4.4響應(yīng)應(yīng)值-電壓mv芋頭淀粉的分子量分布色譜圖見圖7,色譜圖以保留時(shí)間(min)為橫坐標(biāo),以響應(yīng)值-電壓(MV)為縱坐標(biāo)。對(duì)于工業(yè)使用來(lái)說(shuō),感興趣的是淀粉的性質(zhì),例如糊的黏度特性、膨脹度、糊化性能和凝沉性等,而這些性質(zhì)都與淀粉的分子量分布有關(guān)。芋頭淀粉的高分子量部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,為40.69%。2.5采用鈉淀粉法分析了潘石屹引起的性能用黏度計(jì)測(cè)定淀粉樣品黏度曲線,結(jié)果表示于圖8、圖9和圖10。2.5.1h黏度曲線配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0%、8.0%、10.0%的芋頭淀粉乳,分別測(cè)定其黏度曲線。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的芋頭淀粉乳的MicroVisco-Amylo-Graph黏度曲線如圖8所示。從圖8可以看出,芋頭淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)其黏度性質(zhì)影響很大。在測(cè)定的芋頭淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi),隨著芋頭淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,成糊溫度降低,最高熱黏度升高,淀粉糊冷、熱穩(wěn)定性減弱,凝膠性增加。當(dāng)芋頭淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí),為B型淀粉黏度圖樣,即出現(xiàn)一個(gè)較低的黏度峰,但繼續(xù)加熱后黏度會(huì)略降低;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)升至8%和10%,熱穩(wěn)定性差,但其黏度較6%的糊的黏度高,為A型淀粉黏度圖樣,即出現(xiàn)一個(gè)很高的黏度峰,但繼續(xù)加熱后黏度會(huì)明顯降低。2.5.2ph值對(duì)饅頭淀粉糊黏度性質(zhì)的影響淀粉應(yīng)用的領(lǐng)域不同,pH值常不相同。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的芋頭淀粉乳,用0.1mol/LHCl或0.1mol/LNaOH調(diào)節(jié)芋頭淀粉乳的pH值(3.0～11.0),用MicroVisco-Amylo-Graph黏度計(jì)測(cè)定黏度曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9。圖9顯示,pH值對(duì)芋頭淀粉糊黏度性質(zhì)的影響很大。在測(cè)定的pH值范圍內(nèi),與pH值7.0處芋頭淀粉糊的成糊溫度相比,pH值5.0和9.0處的成糊溫度均略降低,pH值11.0處,成糊溫度有較大增長(zhǎng),而pH值3.0處,成糊溫度有較大的降低;芋頭淀粉糊的最高熱黏度在pH值11.0處有較大的降低,在其他處變化不大;芋頭淀粉糊的熱穩(wěn)定性在pH值3.0處最差,在其它pH值處變化不大;淀粉糊的冷穩(wěn)定性和凝膠性均在pH值3.0處最好,而在其它pH值處相差不大。在較低的pH值(如pH值為3.0),糊黏度急劇減小,表明芋頭淀粉糊抗酸能力差。2.5.3蔗糖黏度曲線在食品制造過(guò)程中,芋頭淀粉為食品原料,常加入蔗糖作為甜味劑,使用在其中的淀粉受到影響,故研究蔗糖對(duì)淀粉糊黏度性質(zhì)的影響很重要。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的芋頭淀粉乳,分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、12%的蔗糖,用MicroVisco-Amylo-Graph黏度計(jì)測(cè)定黏度曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖10。由圖10可看出,在本課題研究的范圍內(nèi),蔗糖的存在并未改變曲線類型,但使冷黏度均有所增加,且隨