（应用化学专业论文）酸水解淀粉制备淀粉微晶及其结晶结构与性质的研究.pdf

中文摘要 本文首先将玉米淀粉或马铃薯淀粉在3 5 下经2 4 m o l l 的h c l 温和水解： 然后将酸解后的淀粉进行溶解和结晶化处理，寻找制各a 一型和b _ 型淀粉微晶的 最佳实验方法。采用碘量法、x 射线衍射( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 、差热( d 1 1 a ) 和热重( t g ) 等分析方法对酸解后的淀粉颗粒和重结晶制备的淀粉微晶进行结 构分析，并进一步研究了淀粉微晶的热稳定性、抗酶解性和耐回生性，以期为 淀粉微晶的开发应用提供理论借鉴。 论文得到以下三方面研究结果： l 、淀粉的酸解过程分为两个阶段，分别为无定型结构和结晶结构的水解。 玉米淀粉和马铃薯淀粉无定型结构的水解速率常数分别为2 2 7 ( t 9 6 h ) 和0 9 4 ( 2 4 h t ( 1 4 4 h ) 。二者在结晶度变化转折点的失重量分别为3 0 署d3 5 左右，此 时结晶度分别为5 9 和5 6 。 2 、采用直接冷冻、非均相脱支冷冻和均相脱支冷冻的方法制各了淀粉微晶， 研究显示均相脱支冷冻是制备b 一型淀粉微晶的最佳方法。这种b 一型微晶在 3 5 4 5 。c 恒温重结晶，当浓度3 0 左右即转变为a 一型微晶。实验中所得a 型和 b 一型微晶的相对结晶度为8 0 左右，外形多数为球形，直径一般在2 1 0 m 之间， 峰值聚合度d p 在1 4 1 9 之间。 3 、对酸解淀粉微晶和结晶化处理制备的淀粉微晶的一些性质进行了研究： 发现温和水解制备的淀粉微晶，由于其主要保留了天然淀粉的结晶区域，其热 稳定性和抗酶解性比原淀粉有所提高；结晶化处理制备的a 一型和b 一型淀粉微晶 由于分子链结构和分子量分布的不同，微晶形貌、热稳定性和抗酶解性产生了 明显的差别。 关键词：玉米淀粉；马铃薯淀粉；酸水解；重结晶；a 一型微晶；b 一型微晶 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o nm a i z eo rp o t a t os t a r c hw e r ef i r s t l yh y d r o l y z e dw i t h24 m o l l h y d r o c h l o r i ca c i da t3 5 ：t h e na c i d h y d r o l y z e ds t a r c hc r y s t a l l i t ew a sd i s s o l v e da n d c r y s t a l l i z e do rr e - c r y s t a l l i z e df o rg a i n i n go p t i m a lm e t h o d o f a t y p ea n db t y p es t a r c h c r y s t a l l i t e t h ef r o z e np r e p a r a t i o nw a sa v a i l a b l e t h er e m a i n i n gs t a r c hg r a n u l e sa f t e r a c i dh y d r o l y s i sa n dt h es t a r c hc r y s t a i l i t eb yc r y s t a l l i z a t i o nw e r ea n a l y z e df o rt h e i n c r e a s i n go fa l d e h y d eg r o u pb yi o d i n e t i t r a t i o n ，t h ec r y s t a l l i n i t yb yx r a yd i f f r a c t i o n ， t h em i c r o s t r u c t u r eb ys e ma n dt h et h e r m a l s t a b i l i t yb yd t aa n dt ga n dt h e nt h e t h e r m a l s t a b i l i t y , t h ee n z y m er e s i s t a n c ea n dr e t r o g r a d a t i o nr e s i s t a n c ew e r ed i s c u s s e d ， e x p e c t i n g t o p r o v i d e t h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h e e x p l o t u r e a n du s e so fs t a r c h c r y s t a l l i t e t h er e s u l to fr e s e a r c hi n c l u d e st h r e ea s p e c t sa sf o l l o w i n g ： 1 t h ea c i d - h y d r o l y s i so fs t a r c hp r o c e s s e dt w od i s t i n c ts t e p s ，t h eq u i c k h y d r o l y s i s o ft h ea m o r p h o u sa r e a sa n dt h el o w e rh y d r o l y s i so ft h eg r a n u l ec r y s t a l l i n er e g i o n s t h eh y d r o l y s i sr a t ec o n s t a n t so ft h e a m o r p h o u sa r e a so fm a i z ea n dp o t a t ow e r e 2 2 7 ( t 9 6 h 1a n do 9 4 ( 2 4 h t 1 4 4 h ) r e s p e c t i v e l y t h ew e i g h tl o s so f m a i z ea n dp o t a t o w e r ea b o u t3 0 a n d3 5 ，a tt h et r a n s i t i o no fr e l a t i v ec r y s t a l l i n i t y , r e s p e c t i v e l y , a n d t h e yc o r r e s p o n d e d t oc r y s t a l l i n i t y5 9 a n d 5 6 ，r e s p e c t i v e l y 2 b t y p e s t a r c h c r y s t a l l i t e c a nb e p r e p a r a t e db yf r e e z i n gc r y s t a l l i z i o n o f a c i d h y d r o l y s i ss t a r c h e s ，o rb yf r e e z i n gc r y s t a l l i z i o n o fd e b r a n c h e ds t a r c hi n h o m o g e n e o u s a n d u n _ h o m o g e n e o u sp h a s e t h es t u d y s h o w e d t h a t ，f r e e z i n g c r y s t a l l i z i o n o fd e b r a n c h e ds t a r c hi n h o m o g e n e o u sp h a s e i s o p t i m a lm e t h o d o f p r e p a r a t i o nb t y p e s t a r c h c r y s t a l l i n e t h i sb - t y p e s t a r c h c r y s t a l l i n e c a nb e t r a n s f o r m e dt o a t y p ec r y s t a l l i t eb yr e - - c r y s t a l l i z i n g a t3 5 - 4 5o ca n d3 0 c o n c e n t r a t i o n ( w v ) t h es h a p eo fa t y p ea n db t y p ec r y s t a l l i t ei sb a s i c a l l ys p h e r i c a l a n dt h e i rd i a m e t e ri s2 - 1o 岣t h e i rr e l a t i v e c r y s t a l l i n i t y i s8 0 a n dt h e p o l y m e r i z a t i o nd e g r e e ( d p ) o f p e a kv a l u e si s1 4 - 1 9 3 t h es t u d i e so ns o m e p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fa c i d - h y d r o l y s i ss t a r c ha n d s t a r c h e s c r y s t a l l i t eb yr e c r y s t a l l i z i n g s h o wt h a ts t a r c h c r y s t a l l i t eb y m i l d a c i d h y d r o l y s i sp r e p a r a t i o no n l yr e m a i nc r y s t a l l i n er e g i o no f n a t i v es t a r c h ，t h e r e b yi t s t h e r m a l s t a b i l i t ya n de n z y m er e s i s t a n c ew a sb e t t e rt h a nn a t i v es t a r c h ；a - t y p ea n d b - t y p e s t a r c h c r y s t a l l i t e w i t hs h o r t a m y l o s eb yr e c r y s t a l l i z i n g h a v ed i f f e r e n t m o l e c u l ec h a i ns t r u c t u r ea n dm o l e c u l a r w e i g h td i s t r i b u t i o n ，s ot h em i c r o s t r u c t u r ea n d t h e r m a l - s t a b i l i t yw a s s od i s t i n c td i f f e r e n ta f t e rs t a r c hi sd e b r a n c h e d k e y w o r d s ：m a i z es t a r c h ；p o t a t os t a r c h ；a c i d h y d r o l y z e d , c r y s t a l l i z i o n ；a t y p e c r y s t a l l i t e ；b t y p ec r y s t a l l i t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位沦文作者签名：导师签名 签字日期：年月日签字日期： 年月日 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 1 1 引言 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 淀粉作为植物中贮藏的主要的碳水化合物，它是一种重要的可再生和可 生物降解的天然资源，同时也是人和动物的主要营养源，其在食品工业和其 它领域有着广阔的应用前景。淀粉的发展史源远流长，人们对淀粉的认识也 在不断的加深，涉及淀粉的组成、连接的化学键到基本结构单元，从淀粉的 平面结构到空阳j 立体结构。随着人们对淀粉结构认识的加深，越来越多淀粉 结构改性的新产品被开发出来。我们期待着更加深入的认识淀粉的结构，从 而使淀粉更好的为人类服务。 a 8 一拶媒拶豁一 裂摧粼 器粼杂媒豁 图1 - 1 直链淀粉( a ) 和支链淀粉( b ) 的糖链排列及构象 f i g 1 - 1 g l u c o s ea r r a n g e m e n ta n dc o n f o r m a t i o n o fa m y l o s ea n d a m y l o p e c t i n 淀粉颗粒有直链和支链两种主要成分1 1 4 。直链淀粉是一个线性高分子， 其中包含有数百个n 一1 ，4 连接的d 一吡喃葡萄糖单元。而支链淀粉与直链淀 粉不同，它是一种高度支化的由短链多糖( 1 0 5 0 残基) 通过l 一6 支化点( 5 6 的总链段) 连接到一起的分子，是一种树形结构( 如图1 - 1 所示) 。二者在天 然淀粉中形成了三维的半结晶网状结构，目前广泛接受的结构模型是无定型 区和结晶片层相互交替排列。一般认为淀粉的结晶区主要由支链成分构成， 直链成分主要构成无定型区。 以前人们都认为淀粉的结晶区域是由直链淀粉的双螺旋结构通过相互靠 近和排列形成的，但是最近的研究实验表明，随着直链淀粉含量的增加，颗 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 粒的结晶度却下降了，这说明淀粉中的结晶部分更多的是由支链淀粉形成的 5 - 6 1 。有实验证明在淀粉颗粒内部，直链淀粉多数没有卷入所形成的有序结构 中，一般认为直链淀粉在天然淀粉颗粒中以无规线团形式存在，形成了部分 无定型区域【7 引。也有学者认为直链淀粉也参与了结晶区域的形成，在高直链 淀粉的淀粉颗粒中直链淀粉比支链淀粉更具结晶性。出现以上两种看起来似 乎相互矛盾洗法的实质在于淀粉链是否易于结晶取决于其聚合度的大小，与 分子链排列不存在必然联系。直链淀粉难以结晶是因为它的分子链太丝状过 长，聚合度在1 0 2 0 左右的短直链淀粉就能很好的结晶，可以认为支链淀粉 容易结晶是每个侧链的聚合度适度的缘故。这就提示我们改变分子链长度在 合适的范围将会提高淀粉颗粒的结晶度。 天然淀粉颗粒的结晶度一般在1 5 4 5 之间 9 ，如果用酸或酶将天然淀 粉颗粒中的无定型区除去得到高结晶度的固体基质，或者把淀粉糖链变短后 进行结晶化或提高结晶度的处理，得到的淀粉固体基质均称为微晶淀粉。所 谓微晶淀粉即是上述方法所制备的具有较高结晶度的淀粉微晶束、片晶或其 它晶型的聚集体l 1 0 1 。 1 2 淀粉颗粒的结构 1 2 1 微观结构 淀粉结构由4 个尺寸范围组成：分子范围( 一a ) ；片层结构( 9 0 a ) ：生长 环( - 0 ，1 ”m ) 和整个颗粒结构( 一肛1 ) 【6 。在天然淀粉的颗粒中，直链淀粉被 认为是处在双螺旋结构中1 。”j ，因为有较强的和特殊的相互作用在每刺相似 的大分子之间发生作用，对双螺旋结构的形成是有利的【1 2 】。对直链淀粉而言， 分子内部羟基和氧原子之间周期性氢键的形成和双螺旋结构核心疏水结构的 接触排列都支持双螺旋结构的形成。关于支链淀粉的描述多种多样，如梳型 结构、侧链液晶模型和簇状模型等。目前流行的颗粒模型是把大多数淀粉颗 粒内部描述为由直链淀粉和支链淀粉的轴以放射状排列 1 3 - 1 4 。在超微水平结 构上，支链淀粉的短链部分包含在颗粒的结晶区域部分，但支链淀粉枝权点 包含在无定型区域中。 1 2 2 淀粉颗粒的结构模型 1 2 2 1 淀粉颗粒内部的生长环结构模型 2 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 淀粉颗粒结构的生长环模型是1 9 8 0 年k a i n u m a 根据双螺旋结构的排列理 论并结合生长周期提出的，如图1 2 所示i l ”，其中包含了支链淀粉在一个生 长环内的示意图。在一个生长环内部，支链淀粉的结晶片层厚6 6 5 a ，无定型 片层( 支化点结构) 的厚度为2 0 a 。每个生长环需要大概1 6 个这样的片层重 复结构，每个片层中的结晶“簇”相互邻近形成了密实的高结晶区域，其中 的“簇”是由支链淀粉的短链形成的双螺旋结构堆积而成。另外，有科学工 作者 1 6 - 1 7 】通过光学显微镜观测到了淀粉颗粒的内部层状结构，这是一种由半 晶体和大多数无定型材料组成的交替排列的同心球壳。在密实的结晶环层之 间有无定型区域，相对较容易受到酸和酶的侵蚀。可能有许多或是全部淀粉 分子在环的截面上终止，因此淀粉分子的长度在数值上就等于生长环的厚度。 一个单层的厚度大约在1 2 0 0 到4 0 0 0 a 之间。淀粉颗粒中的环代表着其折射率、 密度、结晶度及对化学和酶侵蚀的抵抗力高低交替的同心壳层。密实的结晶 区，由于受到垂直生长于生长环之间的分子链的限制，较难发生径润涨。但 无定区却很易为水所浸透，而且这个区域的润涨同时降低了其折射率，使生 长环变得可见。最外层的生长环总是与颗粒的外表面平行。 图1 2 在生长环密实的壳层中支链淀粉排 列的示意图( 图中的小插图显示了较大规 模上的单个的簇) 1 1 5 f i g 1 2 s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o ft h e a r r a n g e m e n to fa m y l o p e c t i nm o l e c u l e sw i t h i n t h ed e n s es h e l lo fag r o w t hr i n g ( t h ei n s e t s h o w si n d i v i d u a lc l u s t e r so na l a r g e rs c a l e ) n5 、 = ：竺! ：! ! ! ：譬： i ”誓；i ；0 i 缸跚酱f 黔留 图1 3 支链淀粉的烈螺旋平面图 2 1 】 f i g 1 - 3 p l a no ft h e a m y l o p e c t i n d o u b l eh e l l c e s 2 1 1 糯 i trfyi ry 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 12 2 2 支链淀粉和直链淀粉结合的双螺旋结构模型 直链淀粉一般主要形成无定型区域，但是在淀粉颗粒中，并不是所有的 直链淀粉都处于无定型区域，许多学者认为直链淀粉也参与到了微晶的形成 中d6 - 1 9 1 。k o z h e v n i k o v 等人1 提出在同一层面上的支链淀粉的双螺旋链相互 之间形成结晶片层，在颗粒处于生长初期的乳状态时，根据其焓变计算出其 具有6 3 n m 厚的结晶片层，直链淀粉穿插在其间。对于成熟的淀粉，j e n k i n 和d o n a l d f 2 1j 认为直链淀粉链和支链淀粉链之间形成了双螺旋结构( 图1 3 ) ， 共同参与到结晶区域中，微晶片层厚度为7 2 n m 。但k o z h e v n i k o v 等人1 2 0 1 则认 为可能是直链淀粉本身首先形成双螺旋结构，然后再与支链淀粉的双螺旋结 构一起组成结晶片层，并计算出其片层厚度为8 1 n l n 。直链淀粉的双螺旋结构 长度要比由支链淀粉形成的双螺旋结构长度长很多。在上述的双螺旋结构模 型中，不管直链淀粉和支链淀粉如何结合，它们都形成了无定型片层和结晶 片层的交替排列状态。 1 2 2 3 支链淀粉的片层模型 图卜4 所提出的马铃薯支链淀粉的 结构模型。l = 紧密排列区域：2 = 支化 点较多的非紧密排列区域”l 。 f i g 1 4p r o p o s e ds t r u c t u r ef o rp o t a t o a m y l o p e c t i n 1 = c o m p a c ta r e a ；2 = l e s s c o m p a c ta r e ar i c hi nb r a n c h i n gp o i n t s ； 中= r e d u c i n gu n i t 4 图1 - 5 直链淀粉断裂模型 直链淀粉( 厂) ，支链淀粉( ) f i g1 - 5m o d e lo f a m y l o s ef i s s i o n l 2 9 】 a m y l o s e ( 八) ，a m y l o p e c t i n ( ) 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 支链淀粉是一种树形结构，对其中枝链的分布有着各种各样的说法。1 9 7 4 年，r o b i n 等人u s 提出了马铃薯支链淀粉的可能的结构模型( 图卜4 ) ，并将 其分为紧密排列的区域( 微晶区域) 和非紧密排列的区域。酸水解后再进行 进一步的结构分析，得出淀粉微晶区域是由链长度1 5 个葡萄糖单元的淀粉链 紧密排列而形成的。根据每个葡萄糖单元的高度为4 a ，可以计算出d p 为1 5 的紧密排列的链在沿着链轴方向的厚度为6 0 a 。这种观点按照糖单元的高度计 算出的结晶片层区域的厚度与实际的结构有一定的偏差。从图卜4 中可以看 出，他们将支链淀粉的结构按生长方向和次序分成了交替排列的无定型片层 和结晶片层。紧密排列在一起的短枝链相互靠近形成微晶“簇”，簇和簇相互 靠近形成了微晶片层，无定型区域主要是由支化点组成。在此基础上， h iz u k u r i i i 9 j 根据所测定的链长度分布图形，将模型进行了修正，并将连接的 支化链分为了a 链( 仅连接在其它链上的糖链) 和b 链( 链上有分支的糖链， 仅在一个片层中出现的称为b 1 链，在两个片层中同时出现的称为b 2 链，等 等。) ，颗粒的结晶区域主要是由模型中的a 链和一部分外部的b 链构成，这 些链的长度范围为1 2 1 6 ( 主要是指a 链的长度) 。目本学者t a m a k i 1 7 1 则认为 在这种支链淀粉的片层结构中，还穿插着直链淀粉链直链淀粉的部分链段也 可能参与到了结晶片层中了( 见图1 - 5 ) 。 1 3 微晶淀粉的晶型和结构 我们通常所涉及到的微晶淀粉包括抗温和酸解淀粉( 1 i n t n e r s ) 、回生的抗酶 解淀粉( 抗消化淀粉r s 3 ) 、淀粉球晶和球粒、葡聚糖微晶和抗酶解糊精等。 从晶体结构方面看，微晶淀粉是淀粉链之间按照某种方式结合在一起形成的 立体结构，但是由于淀粉链长短不一，使得形成的晶格很不完整，而且存在 许多缺陷，因而许多微晶都无一定的结晶形态。不论微晶淀粉的外观如何， 它们都是以淀粉为原料通过一定的方法制备出来的，在其主要结构中都含有 短链直链淀粉的微晶结构。 1 - 3 1 微晶淀粉的分类与晶型 2 2 - 2 4 基于淀粉的分类方法，根据微晶的晶型，可以将微晶淀粉分为以下几类 a 一型微晶淀粉：a 一型微晶淀粉通常可以从a - 型淀粉的l i n t n e r i z a t i o n 来制 各，也可以通过短链葡聚糖的结晶化来得到。用x r a y 衍射法对其分析，其最 强的衍射峰所对应的2e 角分别为：9 9 。、1 1 2 。、1 5 。、1 7 。、1 8 。和2 3 3 。 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 b 一型微晶淀粉：b 一型微晶淀粉一般可以通过b - 型淀粉的l i n t n e r i z a t i o n 来 制备，也可以通过短链葡聚糖的结晶化，或通过凝沉回生方法得到。用x r a y 衍射对其结构进行分析发现，其最强的衍射峰所对应的20 角分别为：5 6 。、 1 5 。、1 7 。、2 2 。、2 4 。与a 一型微晶相比，其在5 6 。的峰是b 型微晶的标记， 同时在1 5 。的峰强度相应地降低了。图1 - 6 为a 一型和b - 型微晶的x r a y 衍射 曲线。 51 0152 02 53 03 5 20 图1 - 6 a 、b 型微晶的x 一射线衍射图1 8 】 f i g1 6x - r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n so f a t y p ea n db - t y p ee r y s t a l l i t e 【1 8 c 型微晶淀粉：c 型微晶淀粉可由c 型淀粉的l i n t n e r i z a t i o n 来制备，但 在制各过程中，有向b 一型转化的趋势。其x r a y 衍射的图形是a 一型和b 型的 综合。 v 型微晶淀粉：v 型是由直链淀粉和化合物( 如碘、醇或脂肪) 的络合 所形成的。其x 射线衍射峰在2o = 7 4 。，1 3 o 。，和2 0 ，5 。1 2 5 。 1 3 2 微晶的立体结构 长期以来，人们对淀粉中微晶区域的结构进行了多种猜测，也对其可能的 晶格进行了各种描述。对于a 和b 一型结构，w u 和s a r k o t 2 6 。2 7 1 提出了直链淀粉 链的双螺旋构象。许多实验表明，在a 型或b 一型微晶中直链淀粉在其螺旋几 何中的构造几乎是一定的( 定向扭曲和双螺旋的手性) 。水含量的变化影响双 螺旋结构的组合排列，在某种程度上，还影响每个葡萄糖单元的螺旋上升和 扭曲的参数。 1 3 2 1a 型和b 型微晶的几何结构 a 一型淀粉微晶的新模型由k a i n u m aa n df r e n c h 2 7 1 提出( 图1 7 ) 。他们认 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 为a 一型结晶是一种单斜对称的新型晶胞单元( a = 2 1 2 4 r i m ，b = 1 1 7 2 r a n ， c = 1 0 6 9 r i m ，y = 1 2 3 5 。) 。由结晶区域计算出的密度( d = 1 4 8 ) 与纤维状淀粉 微晶的表观密度( d = 1 5 1 ) 相当接近。这表明在晶胞单元内有1 2 个葡萄糖单 元和一些水分子。计算分子间和分子内的能量值表明，最合适的链结构模型 是左旋平行缠绕的双螺旋结构1 1 ”。每一个扭曲在2 1 3 8 n m 内重复，并与通过 一个二重旋转轴的其它扭曲相联系，产生明显的1 0 6 9 n m 的纤维重复距离。 在双螺旋之间有氢键，这些氢键直接连接或者通过中间的四个水分子形成。 这些水分子深深地埋在结晶结构中，不完全破坏微晶结构就不可能将它们释 放出来。 图卜7a 一型淀粉微晶的结构。a ) 沿着纤维轴向的三维立体图象。b ) ( a ，b ) 平面上的结构俯视图，其 中的虚线表示氢键，黑点表示水分 子f ”1 。 f i g 1 7a s t a r c hc r y s t a l l i n es t r u c t u r e a ) t h r e e d i m e n s i o n a l r e p r e s e n t a t i o n a l o n gt h ef i b e ra x i s b ) p r o j e c t i o no f t h es t r u c t u r eo n t o t h e ( a , b ) p l a n e h y d r o g e n b o n d sa r ei n d i c a t e da s b r o k e nl i n e s ，( ) i n d i c a t ew a r e r 2 ” 图卜8b 一型淀粉微晶的结构。a ) 沿着纤 维轴向的三维立体图象。双螺旋链之f 司的 以及与水分子之间的氢键用虚线表示。仅 由水分子形成的氢键未在图中显示出来。 b ) ( a ，b ) 平面上的结构俯视图 2 8 1 f i g 1 8b - s t a r c hc r y s t a l l i n es t r u c t u r e a 1t h r e e - d i m e n s i o n a lr e p r e s e n t a t i o n a l o n g t h ef i b e ra x i s h y d r o g e nb o n d sb e t w e e nt h e t w os t r a n d so ft h ed o u b l eh e l i c e sa n d b e t w e e nt h ew a t e rm o l e c u l e s ( ) a r es h o w na s d a s h e dl i n e b 1p r o j e c t i o no ft h es t r u c t u r e o n t ot h e 札b ) p l a n e b 一型和a 型淀粉中的双螺旋结构本质上是一样的，包括其相同的内扭转 氢键。b 型通常认为是六边形单元晶胞( a = b = 1 8 5 n m ，c = l0 4 r i m ) ，单元晶胞 中固定着3 6 个水分子( 图卜8 ) 。b 型结构组成的是一个p 6 ，空间群，其中的 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 双螺旋通过氢键的网络相互连接，这些氢键只在其六个双螺旋的六角形排列 的中心留下一个通道。水分子就位于这个通道内的固定位置上，一半是直链 淀粉链的氢键，另外一半是其它的水分子。这些水分子没有产生无序的信号， 与n m r 研究中【2 9 l 表明的“冷冻态“的水是一致的，只有在水合度大于3 3 时才 能观测到。b 一型直链淀粉每个葡萄糖单元上升0 3 7 n m 。 1 3 2 2 微晶结构的链长分布与晶型转化 a 、b 和c 一型淀粉的支链淀粉链长不同。a 一型淀粉的支链淀粉的侧链较 短，b 型淀粉的支链淀粉的侧链较长，c 型居于中间状态。a 、b 一和c 型 淀粉的支链淀粉的重均链长度分别是2 3 2 9 ，3 0 一4 4 和2 6 2 9 ，有学者认为微品 的晶型由支链淀粉的链长度决定。二者具有相同的结晶片层周期，均为9 n m 口”。a 型淀粉中短的直链淀粉链允许有效的双螺旋堆积，每个a 一型单元中只 有4 个结晶水，另一方面，由于b 型淀粉有较长的支链淀粉枝杖，表现出双 螺旋的低有效堆积，导致每个b 一型单元结合3 6 个水分子。 a 一、b 型微晶结构之间的基本不同是前者采用的是在双螺旋结构之间与水 分子更紧密地结合和排列。b 型结构更开放些，有更多的水分子，尤其是多 数都位于六双螺旋结构和空洞的中心。当然a 一、b 一型结晶并不是完全不可转 化的。在脱水水合的循环中能观测到b 一型和a 一型之间的转换，对这种现象的 解释是，认为b 型结构具有较小的流动间隔，a 型淀粉有较大的流动间隔。 水分含量大的时候，水分子能使破坏氢键作用的分子热运动变得容易。另外 结晶条件改变也可能得到不同的结晶，如奈格里糊精易溶于热水，不形成糊 浆或凝胶，但将热浓溶液冷却时形成半固体结晶物。此粗料或其精制成分可 采用在其热水溶液中加入甲醇或其它类似的有机液体的方法结晶析出1 3 2 1 ，然 后冷却。当从水中结晶时，它具有b 型x 衍射图；从含水乙醇中结晶，得到 的结晶给出a 型x 衍射图。 1 4 微晶淀粉的制备方法 1 4 1 水解法1 0 ，3 3 。7 1 和结晶法 1 , 3 1 , 3 3 , 3 4 , 3 6 韦 j 备微晶淀粉 水解法制备微晶淀粉的原理是利用无定型结构和结晶结构对酸和酶降解 灵敏性的差别实现的。脱脂和脱蛋白的天然淀粉在室温或稍高于室温的条件 下，用盐酸或硫酸长时间温和水解，得到的固体基质用蒸馏水洗涤至中性( 离 心分离) ，然后干燥；或者采用脱脂和脱蛋白的天然淀粉用淀粉酶温和水解5 0 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 以后，得到的固体基质。这两种方法所得固体基质与原淀粉相比都有较高的 结晶度，即称为微晶淀粉或原微晶淀粉。 通过对水解得到的淀粉固体基质进行处理，选出某一平均聚合度范围的 直链淀粉分子，然后使其凝沉进行重结晶，改善了结晶结构和晶体形状。此 方法即称为结晶法制备微晶淀粉，主要过程是对葡聚糖水溶液先加热，然后 再缓慢冷却，使得葡聚糖链可以重新排列成规整结构【3 4 ，刨 1 4 2 回生法制备微晶淀粉 3 8 - 4 4 回生法制各微晶淀粉一般包括以下5 个步骤 淀粉的水合：1 0 - 4 0 淀粉乳，9 0 1 6 0 i 迅速冷却并在低温下恒温同生，或以极缓慢的速度冷却到低温进行吲生 上 脱支化处理 退火和回生【 上 水解无定型区 上 纯化和干燥 在上述回生制各淀粉微晶的实验中，水合是为了增加分子链的运动，使 之形成更多的双螺旋结构；回生是让双螺旋聚集成微晶的必要步骤；对回生 淀粉链进行酶法脱支可以在一定程度上脱去枝权结构，形成直链分子，有利 于聚集成微晶，从而增进回生化过程。经过退火处理的淀粉，再用酸或酶进 行消化处理，目的是把无定型区域水解成葡萄糖和短链低聚糖，只留下抗酶 解的微晶区域。 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 1 5 微晶淀粉的用途 研究微晶淀粉的合成和结构有利于进一步研究淀粉的天然结构。微品淀 粉包含的种类很多，最常涉及到的是抗酶解淀粉( r s 3 ) ，它和微晶纤维素具 有相似的结构和功能特性3 4 。因此，它还是一种非常有价值的产品，广泛应 用于医药、食品、化妆品、轻化工、农业等各个领域中。 1 5 1 微晶淀粉在食品中的应用阢4 0 ，4 9 微晶淀粉可以作为食品添加剂因其天然纯净，无毒无味，不影响色、味、 形，而具有独特的优势。在食品中，它可以用作高温稳定剂、非营养性填充 物、增稠剂、悬浮剂、保形剂和控制冰晶形成剂等。和微晶纤维素相比，微 晶淀粉由于原料来源即是可食用的天然产物，因而更加受到消费者的青睐。 1 5 2 微晶淀粉的生理生化功能和保健作用4 0 , 4 5 - 4 9 1 微晶淀粉都有一定的抗酶解功能，它在食品中的作用类似于抗消化淀粉 和食用纤维素。微晶淀粉具有抗消化淀粉和食用纤维素的大多数特性，从理 论上来说，主要是因其在小肠中不分解或缓慢分解，而在大肠中被缓慢分解。 首先，消化淀粉转变成抗消化，不再能完全供给热能，看起来是一种损 失，但微晶淀粉和膳食纤维具有类似的功能，有利于身体健康。其次，微晶 淀粉的摄入可防止肠道疾病的发生。第三，早期对回生直链淀粉消化性的研 究表明其没有营养，但是最近的研究表明淀粉结构是被淀粉酶缓慢进攻的。 因而，在持续的正常消化过程中，回生淀粉释放出葡萄糖和寡糖。第四，抗 消化淀粉可降低血液中胆固醇和患心脏病的危险。 另外，抗消化淀粉对维生素、矿物质吸收也有影响。饮食中的天然抗消 化淀粉( r s 2 ) 能在回肠中经肠内微生物发酵生成短链脂肪酸而降低p h 值， 促使镁、钙等矿物质溶解，形成可溶性钙镁，经扩散与主动吸收作用而易通 过上皮细胞为人体所吸收。 1 6 本论文的研究目的、意义及方法 1 6 1 研究目的 第一章淀粉和微晶淀粉的结构与性质综述 微晶淀粉具有广泛的应用前景，国外于8 0 年代初开始研究，但在国内尚 属起步阶段。目前微晶淀粉的制备方法复杂，不适宜大量生产，另外，虽然 许多学者都在对微晶淀粉的结构、组成、链长度分布、空间排列以及晶格形 式进行研究，但是对微晶淀粉的结晶结构的了解还不全面，其结晶结构和性 质还需要进一步进行研究。 本论文探索了制备微晶淀粉的新方法，研究淀粉微晶晶型和影响因素之 间的相互关系，寻找良好的制备条件。进一步研究所制备的淀粉微晶的结构 和性质，以期为开发和利用提供理论依据和实验数据。 1 6 2 研究意义 淀粉是人和动物的主要营养源，认识其结晶结构对于改善淀粉本身的性 质、开发其新性能和新用途具有重要意义。目前微晶淀粉已经开始在许多领 域得到了应用，但是在我国还只是处于初步研究阶段。随着我国人民生活水 平的不断提高，微晶淀粉作为具有生理活性功能的、天然的保健食品和医药 辅助物，将逐渐走进人们的生活。微晶淀粉的开发应用对人类膳食的发展将 产生深远的影响。 1 6 3 研究方法 我们首先通过对天然淀粉进行酸水解，得到具有良好可溶性的淀粉固体 基质，将其进行结晶和重结晶处理。探索结晶条件，并进一步研究其影响因 素。拟从以下三个方面进行探讨： 1 、将天然淀粉温和酸解不同时间，得到结晶度提高的酸解淀粉。对天然 玉米和马铃薯淀粉的酸水解过程进行动力学分析，并研究淀粉酸水解提高结 晶度的规律从而选择制备高结晶度酸解淀粉即淀粉微晶的适宜条件。 2 、对酸解得到的淀粉固体基质进行结晶和重结晶处理，制备淀粉微品。 对淀粉微晶的结构和性能进行表征，并分析影响结晶结构和性能的因素，选 择最佳的制备方法和可行的制备条件。 3 、探讨a 、b 一型淀粉微晶的转化关系，对酸解淀粉微晶和结晶化处理制 备的淀粉微晶进行热稳定性、抗酶解性和耐回生性等性能研究。 第二章酸水解淀粉制备淀粉微晶 2 1 引言 第二章酸水解淀粉制备淀粉微晶 淀粉颗粒结构主要由结晶区域和无定型区域构成。结晶区的分子链有规则 地排列在一起使得结构紧密而严实，外部的小分子或离子很难渗透到其中， 只有过分干燥时样品中的结晶区域内部会被破坏掉一部分，而化合物则只能 从其外部开始反应或溶解。无定型区域结构比较松散，能够被水所溶胀或浸 入，即水分子能够渗透到其中，因此如果水中溶解有其它的小分子或离子， 则这些小分子也可以进入到淀粉的无定型区域中去对其中的分子链进行侵蚀 水解。正因为这两种不同的区域结构有着不同的小分子反应活性，采用盐酸 或硫酸对淀粉颗粒进行温和水解，其中的无定型区域基本上可以被水解掉， 而其中的结晶区可以以反应残余物的形式保留下来( 称为l i n t n e r s 或n a e g e l i s 淀粉) 。不同植物来源的天然淀粉颗粒的结晶度在1 5 一4 5 i 叭。高结晶度的淀 粉可由天然淀粉在低于其糊化温度( 4 0 6 0 。c ) 时用无机酸处理一定浓度的 淀粉浆( 3 6 4 0 w v ) 一段时间得到。经2 4 m 0 1 lh c l 温和酸解，时间从 0 到2 4 天时，玉米淀粉颗粒结晶度从3 6 增加到6 9 ；马铃薯淀粉颗粒结晶 度从4 3 增加到6 3 ，证明了酸水解制备淀粉微晶的可行性。 与原淀粉相比，酸解淀粉具有较低的固有黏度和良好的可溶性，广泛用 于食品、造纸、纺织和其它领域。酸通过选择性地水解颗粒的某一部分暴露 出残余结构，可作为一种探索淀粉结构与功能特性的方法。 高结晶度的酸解淀粉具有广阔的应用前景，因而有科学工作者从结晶度 变化的宏观角度对淀粉的酸解过程及酸解淀粉的一些结构和性质进行了研究 5 0 4 2 1 。而我们以广泛应用的玉米淀粉( a 一型) 和马铃薯淀粉( b 一型) 作为研 究对象，从微观的还原端基增加角度对a 一型和b 一型淀粉的酸解历程的进行了 分析，探讨了结晶度的变化规律，以期为生产应用寻求适宜条件提供依据。 利用酸解淀粉的可溶解特性，可将其用于重结晶得到a 型和b 一型微晶的 ”。sg r i n g 等人【5 3 】采用缓慢降低温度的方法，把l i n t n e r s 的水溶液从9 5 降低到5 ，经过滤和洗涤后制备得到了b 一型淀粉微晶；v e r o n i q u ep l a n c h o t 等人口2 】也用r i n g 的方法，但是在把l i n t n e r s 的水溶液从9 5 降低到7 8 时， 加入等体积的热乙醇，然后继续缓馒冷却，隔夜沉淀后经过滤和洗涤就制备 出了a 一型淀粉微晶：wh e l b e r t 和hc h a n z y 5 4 】采用类似的方法也制备出了 第二章酸水解淀粉制各淀粉微晶 a ，型微晶，并将a 一型微晶分散到三聚氰胺树脂中，待树脂固化后进行切片， 观测分析了微晶的内部结构，证明这种方法得到的微晶是一种微晶。 在上述关于淀粉微晶制备的文献中，主要是通过调节结晶溶液中溶剂 ( 水) 的相对含量以及缓慢降低温度的方法来制备淀粉微晶的。本文采用酸 解方法降低了淀粉的分子量，提高了淀粉的溶解性和结晶度，并首先采用一 种简便新颖的方法一冷冻结晶，由酸解淀粉( 1 i n t n e r s ) 制备淀粉微晶，并对 淀粉在酸解过程中的结构变化进行了系统研究。采用x r a y 分析、s e m 分析 和g p c 技术对得到的b 一型和a 一型淀粉微晶结构进行了分析和表征。 2 2 实验部分 2 2 1 实验仪器和药品 w d p 型微生物多用培养箱 w s 3 0 2 型恒温恒湿箱 z k 3 5 分析天平 l g l 0 - 24 a 离心机 2 x 4 型旋片式真空泵 2 x z 2 型旋片真空泵 b d x 3 3 0 0 型x 一射线衍射仪 玉米淀粉药用级 马铃薯淀粉药用级 可溶性淀粉a r 盐酸a r 碘a r 硫代硫酸钠a r a 一淀粉酶4 0 0 0 u g 普鲁兰酶1 0 0 0 u