（应用化学专业论文）酸酶催化水解对淀粉结晶结构与性质的影响研究.pdf

中文摘要 本文用催化水解法对淀粉的结晶结构进行研究，以期为淀粉的开发和利用打 下坚实的理论基础。论文从以下几个方面对影响淀粉微晶及其晶型的因素进行了 探索： 1 、酸水解法。毛米淀粉和马铃薯淀粉随着酸解时问的延长，结晶度逐渐增 大，但是晶型不发生改变。酸解玉米淀粉经过溶解及冷冻结晶后可形成b 型淀粉 微晶。b 型微晶在较高浓度及窀温下藁结晶可得到a 型微晶。a 型和b 型微品的 结晶度分别达到7 5 和8 3 左右，重均分子量分别为2 3 0 0 和2 3 3 9 ，平均聚合度 为14 4 。马铃薯淀粉采取与玉米淀粉相同的处理质，也可得到b 型和a 型马铃 薯淀粉微晶。 2 、酶催化水解法。a 一淀粉酶催化水解时，玉米淀粉颗粒形成多孔状，马铃 薯淀粉只是颗粒表面被腐蚀水觯，酶解不能提高淀粉的结晶度。玉米淀粉、马铃 薯淀粉或酶解淀粉经过糊化、脱支牙口结晶化处理后能形成b 型微晶。 3 、酸一酶结合水解法。酸解淀粉经均相脱支和结晶化可以形成较好的微晶， 且酸解时间越长结晶度越高。微晶的颗粒直径均在4 微米左右，玉米和马铃薯淀 粉微晶的峰值聚合度分别约为1 4 和1 0 左右。b 型结构比a 型具有较强的抗酶解 性。酸解能提高淀粉对酶水解的敏感性，a 型微晶埘酶水解的敏感性最高。 4 、微晶晶型的影响因素。水分含鼙的多少可以导致淀粉或酸解淀粉颗粒中 无定型区域发生玻璃化转变的温度的改变，处于橡胶态的无定型区域不能产生弥 散衍射。a 型微晶中每个糖单元约需要1 个水分子；b 型微晶中每个糖鱼元约需 3 个水分子。结晶时较高的温度和浓度有利于形成a 型结构的微晶，相反，较低 的温度和浓度则有利于形成b 型微晶。 关键词：a 型微晶，b 型微晶，僵化水解，淀粉，结晶度，酸解，酶解 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nu s e s c a t a l y z e - h y d r o l y z e dm e t h o dt oi a v e s t i g a t et h ec r y s i a l s t r u c t u r eo fs t a r c h e s e x p e c t i n gt o f o r mt h et h e o r e t i c a l g r o u n d w o r ko ft h eh s c so f s t a r c h i nt h i sp a p e r , w em a k ee x p l o r a t i o no nt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ec r y s t a lt y p eo f s t a r c hc r y s t a l l i t ei nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a c i d - c a t a l y z eh y d r o l y s i s t h er e l a t i v ec r y s t a l l i n i t yo ft h er e s i d u e so fm a i z e s t a r c ha n dp o t a t os t a r c hg r a d u a l l yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f h y d r o l y s i st i m e ，b u t t h ec r y s t a lt y p eo fw h i c hd i d n tc h a n g e d b t y p es t a r c hc r y s t a l l i t e sc a l lb ef o r m e d f r o md i s s o l v i n ga n df r o z e n c r y s t a l l i z i n gt h e a c i d - h y d r o l y z e dm a i z es t a r c h b t y p e c r y s t a l l i t ec a nb em a d e i n t oa - t y p ec r y s t a l l i t eb y r e c r y s t a l l i z i n gu n d e r t h ec o n d i t i o n s o f h j 【g h e rc o n c e n t r a t i o na n dr o o mt e m p e r a t u r e t h ec r y s t a l l i n i t i e so f a a n db t y p e c r y s t a l l i t ea r er e s p e c t i v e l y7 5 a n d8 3 ，t h ea v e r a g em o l e c u l a rw e i g h to ft h e ma r c r e s p e c t i v e l y2 3 0 0a n d2 3 3 9 丽血a v e r a g ed e g r e eo f p o l y m e r i z a t i o n ( d p ) 1 4 4 a a n d b t y p ec r y s t a l l i t e o f p o t a t os t a r c hc o m ei n t ob e i n gb yt a k i n gt h es a m em e t h o da s m a i z es t a r c h 2 e n z y m e - c a t a l y z eh y d r o l y s i s l a c u n a r i am a i z es t a r c hc a nb er e s u l t e df r o mt h e n - a m y l o s e c a t a l y z eh y d r o l y s i s ，b u t t h es u r f a c eo f p o t a t os t a r c hw a sj u s te r o d e du n d e r t h es a m ec o n d i t i o n t h ec r y s t a l l i n i t yo fs t a r c h e sc a nn o tb ei n c r e a s e dt h r o u g ht h eq a r n y l o s e 。c a t a l y z eh y d r o l y s i s t h eb t y p ec r y s t a l l i t e c a nb ef o r m e d b yp a s t i n g ， d e b r a n c h i n ga n dc r y s t a l l i z i n gt h em a i z es t a r c h ，p o t a t os t a r c ha n de n z y m e - h y d r o l y z e d m a i z es t a r c h 3 a c i d e n z y m ec a t a l y z e sh y d r o l y s i s t h eb e t t e rc r y s t a l l i t ec a nb eo b t a i n e db y h o m o g e n e o u s l yd e b r a n c h i n ga n dc r y s t a l l i z m g t h ea c i d h y d r o l y z e ds t a r c h b e s i d e st h e c r y s t a l l i n i t yi n c r e a s e sa st h eh y d r o l y s i st i m el a s t s t h ec r y s t a l l i t ep r o d u c t so fm a i z e a n dp o t a t os t a r c hh a v et h es a m ea v e r a g ed i a m e t e ra b o u t4um ，r e s p e c t i v ed p o f p e a k v a l u e sb e i n g1 4a n d1 9 b - t y p ec r y s t a l l i t eh a ss t r o n g e re n z y m e h y d r o l y z i n gr e s i s t a n c e t h a na - t y p e t h es e n s i t i v i t yo fs t a r c h e si si m p r o v e da r e rb e i n ga c i d - h y d r o l y z e d ，a n d t h e a - t y p ec r y s t a l l i t eh a st h em a x i m a ls e n s i t i v i t yt oe n z y m e c a t a l y z eh y d r o l y s i s 4 t h ei n f l u e n c ef a c t o r so f c r y s t a l l i t et y p e t h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e s ( t g ) o fa m o r p h o u s r e g i o n s o fb o t hs t a r c h e sa n da c i d h y d r o l y z e ds t a r c h e sa r e h i g h l y d e p e n d e n to nt h ew a t e rc o n t e n t s h o w e v e rt h es t a r c ha m o r p h o u sr e g i o n si nar u b b e r s t a t ec a n n o t p r o d u c ed i s p e r s e d d i f f r a c t i o n d i a g r a m s i tn e a r l yn e e d s o n ew a t e r m o l e c u l ef o re a c hg l u c o s eu n i ti na - t y p ec r y s t a l l i t ea n dt h r e ew a t e rm o l e c u l e si n b t y p ec r y s t a l l i t e i ti sf a v o r a b l e t of o r m a t y p ec r y s t a l l i t ea tah i g h e rt e m p e r a t u r ea n d c o n c e n t r a t i o n o nt h ec o n t r a r y , i ti sf a v o r a b l et of o r mb t y p ec r y s t a l l i t ea tt h el o w e r t e m p e r a t u r ea n d c o n c e n t r a t i o n k e y w o r d s ：a - t y p ec 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 ，c a t a l y z e sh y d r o l y s i s ，s t a r c h ， c r y s t a l l i n i t y , a c i d h y d r o l y s i s ，e n z y m e - b y d r o l y s i s 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，也不包含为获得墨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。 学位论文作者签名日期 学位论文版权使用授权书 z 目习日 本学位论文作者完全了解垂鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘茎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) 学位论文作者签名： 签字日期：洲年 导师签名： 签字日期 加； 圩日 气刁目 镟， 第一章淀粉结晶结构的研究进展 11 引言 第一章淀粉结晶结构的研究进展 淀粉是碳水化合物在绿色植物中的储藏形式是一种重要的可再生的和可生 物降解的天然资源。淀粉是谷类和薯类作物的基本成分，它在食品工业上和其它 各种实际应用中非常重要。谷类、薯类是主要粮食，它提供给我们少量的蛋白质 和大量淀粉。这些淀粉作为主要的能源，在营养方面起着重要的作用；经过修饰 改性或化工处理的淀粉衍生物，也可以用于多种食品中，还可以用于纤维、造纸 等方面，或作为粘结剂，在工业上有着广泛的用途。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。从淀粉的组成、连接的化学键到基本结构单元， 从淀粉的平面结构到空间立体结构，随着人们对淀粉结构认识的加深，越来越多 的关于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，是因为我们想更好的运用这些知识来为人类服务。 到目前为止，我们己经知道，天然淀粉粒是由许多排列成放射状的微晶束构 成的球状体。从外观上看，不同品种的淀粉粒形状各异，总体上说有卵圆形、椭 球形、圆球形和不规则的多角形四种。淀粉粒的大小差别也很大。直链淀粉和支 链淀粉是淀粉颗粒的两种主要组份“1 1 。直链淀粉是一个线性高分子，其中包含 有数百个1 3 1 ，4 连接的d 一毗喃葡萄糖单元。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) 通过卜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。 在室温条件下，大多数淀粉形态( 颗粒、凝胶) 是不溶于水的。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 ”。支链淀粉的侧链排列 在一起形成了双螺旋结构，并在很大程度上组织在微晶中，而直链淀粉的部分链 段或部分直链淀粉也排列在晶体结构中它们单独地或者与支链淀粉共同形成双 螺旋结构，并进一步结合在微晶结构中。 淀粉颗粒中的直链淀粉和支链淀粉能够形成三维的半结晶状凝胶网状结构 淀粉颗粒可以用微晶区域和无定型区域两种结构来描述。对于淀粉颗粒中的结晶 结构，人们提出了多种观点来描述，也提供了许多相应的实验结果来支持各自提 出的观点。比如，结晶区域是不是由双螺旋结构组成的? 直链淀粉有没有参与到 结晶结构中? 结晶区域需要的最小链长度是多少? 不同结晶结构的淀粉的差异 第章淀粉结晶结构的研究进展 是什么? 等等。许多关于淀粉颗粒结晶结构的问题仍在争论之中。 关于淀粉的颗粒结构，一般认为直链淀粉在天然淀粉颗粒中是以无规线团的 形式存在的，主要形成无定型区域，其中的部分链段也可能参与到结晶区域中。 淀粉颗粒中的结晶区域则主要由支链淀粉形成。因此了解淀粉颗粒中支链淀粉的 结构及其特征是认识结晶结构的基本知识。 1 2 淀粉颗粒中的微晶结构和支链淀粉的结构模型 1 2 1 淀粉颗粒中的微晶结构 1 2 1 1 不同晶型淀粉的分类 长期以来，淀粉颗粒中的微晶区域的结构一直困扰着我们。人们根据天然淀 粉的x 一射线衍射图形的不同，将淀粉分为a 型、b 型和c 型淀粉三大类，这三种 衍射图形分别与不同的淀粉植物来源相联系。1 ：a 型主要来源于谷类淀粉，如 玉米淀粉、小麦淀粉等，其对应的x 一射线衍射图形中，在1 5 。、1 7 。、1 8 。和 2 3 。有较强的衍射峰( 如图 1 1 所示) ：b 型来源于块茎类 淀粉，如马铃薯淀粉、芭蕉芋 淀粉等，在其衍射图中的5 6 。、1 7 。、2 2 。和2 4 。有较强 的衍射峰出现；c 型包含有a 、 b 型两种晶型，如香蕉中的淀 粉和多数豆类淀粉”1 ，它的衍 射图形也显示了两种图形的 综合，与a 型相比，它在5 6 。处出现了衍射峰，而与b 型 相比，它在2 3 。却显示的是 个单峰：另外还有一种v 型结 d i f f r a c t i o na n g l e ( 2t h e t a ) 图1 1 不同晶型淀粉的x - 射线衍射图( 引自文献【8 】) f i 9 1 1x 。r a yd i f f r a c t i o nc u r v e so f s t a r c hw i t hd i f f e r e n tp o l y m o r p h 构则是由直链淀粉和脂肪酸、乳化剂、丁醇以及碘等物质混合得到的，在天然淀 粉中很少发现，在衍射图中的1 2 5 。和1 9 5 。有较强的特征衍射峰出现。 1212 淀粉晶型的影响因素 淀粉颗粒中的微晶区域受到淀粉来源、颗粒含水量、直链淀粉含量、基因种 类、脂质体含量、支链淀粉中的侧链长度、淀粉颗粒的大小、高低温作用经历以 及淀粉的成熟程度等因素的影响”。“2 - ts 2 。 第一章淀粉结晶结构的研究进展 l i2 1 2 1 水分含量“2 。” 在室温下，淀粉颗粒可以吸收水分达到一个极限的程度，而且这个过程是可 逆的。一般认为这种吸附是与非结晶区域相联系的，因为结晶区域有着严格的水 分含量要求。水分含量的增加一般不改变原淀粉的晶型，然而随着颗粒中水分含 量的增加，淀粉颗粒的总的结晶度也升高了( 见表1 1 ) “。 英国科学家b o g r a e h e v a 等人“2 1 通过研究发现，淀粉颗粒的水分含量和所处 的环境温度都会影响颗粒的结晶度。他们认为，当水分含量处于1 0 5 0 之间时 不影响淀粉颗粒中的双螺旋结构比例，其结晶度的提高只是由于原有的双螺旋结 构结合到了微晶结构中的原因。然而当水分含量降低到1 一3 时，就会导致双螺 旋结构比例的明显降低，而且对b 型淀粉的影响大于对a 型淀粉的影响。当水分 含量一定时，环境温度的差异也会影响淀粉颗粒的结晶度，这是由于淀粉作为一 个半结晶聚合物，其玻璃一橡胶态转变温度受到水分含量的影响，水分含量越高， 其转变温度就越低，而只有在玻璃态下淀粉颗粒的无定型区域才会产生核磁共振 ( n m r ) 图谱，所以淀粉颗粒产生的n m r 图谱中的峰的宽度、面积和位置都受到 水分含量和温度的影响。c h e e t h a m 等人。0 1 也发现当淀粉水合至3 0 的湿度水平 时，直链淀粉含量明显地影响”cc p m a sn m r 光谱的信号强度和线宽，他们 认为线宽变小是因为材料无定型部分的消失和结晶度的增加共同引起的。天然淀 粉的n m r 图谱分析也显示，颗粒中明显地有三种状态存在：无定型部分、部分 有序( 或称为缺陷微晶结构) 和微晶相。 对于不同晶型的淀粉如a 型淀粉和b 型淀粉，它们的含水量会有很大差异， 因为它们各自内部的晶体所需要的水分是不同的，其中的结构水含量相应地为a 型和b 型晶体质量百分比的4 - 7 和2 5 2 7 ，其它水分则分布在颗粒的非结晶区 域。b 型结构需要更多的水分，因此在干燥情况下，b 型淀粉比a 型淀粉更不稳 定1 。 1 2 1 2 2 链长度 h i z u k u r i 等。应用高效液相色谱( h p l c ) 对2 0 种不同的淀粉的支链淀粉链长 度分布进行了测定，得出了淀粉颗粒中支链淀粉的分子结构和晶体结构之间的关 系的特征。a 、b 、c 型淀粉的支链淀粉的重均链长度范围分别是2 3 2 9 、3 0 4 4 和2 6 2 9 。澳大利亚的n o r m a n 等人对不同直链淀粉含量的玉米淀粉的晶型和结 晶度进行了测定，也得出了链长度对晶型有明显的影响的结论。通常a 型淀粉中 的支链淀粉的侧链较短，它有更多的短链片段，b 型淀粉的支链淀粉的侧链较长， c 型淀粉中支链淀粉的侧链长度则处于二者的中间“”( 见表1 1 ) 。支链淀粉平均 链长从2 0 变化到2 5 ，晶型从a 到c 发生改变，在链长很小的变化中，晶型和结 第一章淀粉结晶结构的研究进展 晶度有很大的变化。随着链长度的增加，伴随着晶型从a 到c 到b 的变化。支链 淀粉短链( d p 为1 0 一1 3 ) 部分在结晶中起着重要的角色。短链的比例很可能表示 着原淀粉颗粒中相应的结晶度。随着直链淀粉含量的增加和支链淀粉平均链长的 增加，淀粉的结晶度降低了。这些淀粉的结晶结构的可能的比例和晶型依赖于环 境温度和其他因素，因此，a 、b 型淀粉对温度很敏感。同时，其他多数学者也 认为淀粉颗粒中的微晶的晶型由支链淀粉的侧链链长度决定。 1 2 1 2 3 直链淀粉含量”“1 表l - i 玉米淀粉的水含量、晶型和结晶度之间的关系”( f 2 f 1 表示的是短链和长链的 比例，f 2 是指d p 为1 0 1 3 的短链，f 1 是指d p 为2 0 2 5 的链) t a b l e1 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r y s t a lt y p e d e g r e eo f c r y s t a l l i n i t y , a n dh y d r a t i o nl e v e l s o fm a i z es t a r c h e s 一般来说，直链淀粉含量的高低，在很大程度上影响着淀粉的结晶度的大小。 从表1 1 也可以看出，随着支链淀粉含量的减少( 从1 0 0 降低到1 6 ，对应的就 是直链淀粉含量从o 提高到8 4 ) ，玉米淀粉的晶型从a 型经由c 型逐渐过度到 b 型，而其结晶度则从4 1 8 降低到1 7 2 。淀粉的晶型从a 到b 经c 型变化大 约发生在4 0 直链淀粉含量处。直链淀粉含量越高，其结晶度就越低。这也说明 直链淀粉在淀粉颗粒内部主要组成的是无定型区域，而支链淀粉则主要形成微晶 区域。直链淀粉含量与支链淀粉平均链长度、短链和长链的比率也有明显的关联 关系，这可能是其影响淀粉结晶度的直接原因。另外，直链淀粉含量还影响淀粉 颗粒的许多物理、化学和功能特性，如糊化温度、双折射结束点温度( b e p t ) 、 粘度、凝胶稳定性、水溶性和淀粉颗粒在体外被淀粉酶消化时的抗性等。“。 1 2 1 2 4 淀粉颗粒大小 t a n g 等人。”对大麦淀粉的颗粒进行了大小的分离，并对分离出的不同大小 第一章淀粉结晶结构的研究进展 的淀粉颗粒进行了研究。他们得出了如下的结论：淀粉的结晶度、凝胶化特性、 碘吸附光谱和直链淀粉含量都受到淀粉颗粒大小的影响。随着颗粒从大、中到小 的变化，淀粉的结晶度也从大到小变化。支链淀粉的结构也随着颗粒的大小而变 化，较大的颗粒含有较少的直链淀粉，而较小的颗粒则含有较多的直链淀粉。这 个结论与直链淀粉含量对淀粉微晶结构的影响是一致的。有研究表明”，不同的 植物来源和直链淀粉含量与明显不同的a 型淀粉颗粒在室温下的组成无相关性。 a 型淀粉的凝胶化特性也与各种室温水分布不相关。 1 2 1 2 5 作用温度 英国的p e t t y 和d o n a l d ”应用小角x 一射线散射、广角x 一射线散射和差扫描 量热法研究了低温作用对水合淀粉颗粒结构的影响。他们认为在冷冻过程和冰的 形成中，淀粉的片层结构发生完全可逆的压缩，这种压缩是由于水转化为冰时体 积的膨胀而引起的。在冷冻过程中，片层结构仍然能够保持周期性的变化，由于 冷冻和冰的形成，淀粉颗粒内、片层外面的水分膨胀，使得半结晶片层结构处于 被挤压状态。在冷冻下淀粉的无定型片层首先被压缩，而大部分结晶片层不受影 响。无定型片层表现为一种“强力吸收剂”，从而保护微晶的完整。在第二阶段， 可能发生片层的“b u c k l i n g ”和在与片层垂直方向的相关性的损失，尤其是在广 泛的片层紧密之后，如在腊玉米淀粉中观测到的那样。而低直链淀粉在很大程度 上会受到冷冻过程的影响。如图1 2 所示。图中a ) 表示的是半结晶生长环外部 的水的冷冻，片层处于受压状态。b ) 压力优先导致无定型片层被压紧，重叠的 片层厚度d 变小。c ) 超过片层的最大受压限度时，会使片层间相互“扣住”或 坍塌。 m- i_ 图1 2 冷冻过程中。淀粉片层水平上变化的示意性描述。 f i 9 1 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t , h ep r o c e s s e so c c u r r i n go n t h e l a m e l l a r l e v e ld u r i n g t h e f r e e z i n go fs t a r c h 5 第一章淀粉结晶结构的研究进展 土豆淀粉用热湿处理 h m t ( 1 0 0 度，1 6 小时，3 0 湿度) 和脱脂( 7 5 正 丙醇水溶液，7 小时) 进行物理变性【2 ”。热一湿处理降低了x 一射线衍射强度，使 x 一射线衍射图形发生从b 到a + b 的改变。凝胶化焓( h ) 、b r a b e n d e r 粘度( 9 5 度) 、溶胀系数( s f ) 和直链淀粉的浸提( a m l ) 都依热湿处理而降低。然而， 凝胶化转变温度( 0 t t ) 和热稳定性随着热湿处理却增加了。脱脂增加x 一射线 衍射强度，也使x 射线衍射图形发生从b 到a + b 改变。谷类淀粉和土豆淀粉以 及豌豆淀粉在低温和或稍微高于室温的情况下储藏一定时问后【1 ，在大多数情 况下，其熔融焓( x h ) 会有一定程度的降低。起始融化温度( t o ) 降低，融化 的温度范围( a t ，) 变窄。如果热一湿处理时的温度较高【2 ，使得淀粉发生了糊 化和凝沉，这个过程破坏了天然淀粉的颗粒结构，当然也会对结晶度和其热性质 有很大影响。 1 2 1 2 6 其它影响因素 对淀粉颗粒进行碘化作用时”，其作用效果会随直链淀粉含量的增高而加 大。碘化后，所有的淀粉仍表现出同样的衍射图形。但同时结晶度下降了1 。这 是因为如果碘分子结合在微晶区域，它们就会使存在的双螺旋结构破坏，导致微 晶区域的重组，从而使结晶向无定型转变。脂质体的含量多少也会影响到颗粒的 结晶度的大小，因为颗粒中脂肪和蛋白质可以与直链淀粉形成v 一型结构的晶体， 含量过多就会使淀粉颗粒的原有结构受到影响。 121 3 淀粉颗粒的内部结构 天然淀粉颗粒作为植物能量的储存形式，在生长过程中按照其自身的规律和 植物基因的控制形成一定的形状，这些我们都可以根据扫描电镜观测的结果来了 解。但是淀粉颗粒内部的微观结构却需要将颗粒切开或掰开后才能观测到。 1 2 1 3 1 淀粉颗粒内部的生长环结构 法国的h e l b e r t 等人将天然的小麦淀粉和玉米淀粉等以及其各自的 l i t n e r i z e d 的淀粉包埋到三聚氰胺树脂中，固化后将其切成超薄的切片，随后用 稀盐酸溶液对树脂进行腐蚀处理，最后置于显微镜下观测。部分颗粒被切开后， 结果发现在淀粉颗粒的断面上面有许多清晰的生长环结构，这表明淀粉颗粒的生 长过程与大多数植物一样也是从内部生长的，外部的环逐渐增大，内部的新的环 逐渐增加，而在颗粒的核心却没有生长环的存在，一般认为这是一个无定型的核。 用含2 5 k i 和1 o 的i z 溶液对小麦淀粉进行吸附处理，也证实在颗粒的核心 主要是由无定型区域组成的，因为颗粒的核心吸附碘后的颜色比较深，而颗粒的 其它部位的颜色则比较浅。对淀粉颗粒内部的生长环进行电子衍射分析，得 出的衍射图谱表明与a 型淀粉纤维的图谱相致，光纤的轴呈放射状且与生长环 第一章淀粉结晶结构的研究进展 相垂直。 日本科学家t a m a k i 等人”则用干燥加热和葡萄糖淀粉酶共同处理马铃薯淀 粉，然后用s e m 观测，发现马铃薯淀粉颗粒外层降解后露出了内部的同样的淀粉 球形颗粒结构，淀粉颗粒是层状结构组成的，当淀粉 被消化5 0 以上时，其x 一射线衍射图形不发生任何变 化。不管淀粉颗粒的大小如何，当其被淀粉酶消化后， 从其消化降解的缺口都会显示出淀粉的层状结构。 图13 大和小颗粒马铃薯淀粉的扫描电镜照片。( a 、 ( e ) 为小颗粒淀粉，( f ) 为大颗粒淀粉，均为热处理后再用 酶处理。 f i 9 1 3s e mo f l a r g ep o t a t os t a r c ha n ds m a l lp o t a t os t a r c h ( a ) 一( e ) a m y l a s et r e a t e ds m a l lp o t a t oa f t e rh e a tt r e a t m e n t ( t ) a m y l a s et r e a t e dl a r g ep o t a t os t a r c ha f t e rh e a t t r e a t m e n t 图1 4 热处理后的大和小颗粒马铃薯淀粉 的s e m 照片。( a ) 再经酶处理的火颗粒。( b ) 再 经酶处理的小颗粒淀粉。 f i 9 1 4s e mo fl a r g ea n ds m a l lp a r t i c l ep o t a t o s t a r c ha f t e rh e a tt r e a t m e n t ( a ) a m y l a s et r e a t e dl a r g e p a r t i c l es t a r c h ( b ) a m y l a s et r e a t e ds m a l lp a r t i c l e s t a r c h 原子力显微镜( a f m ) 能显示出淀粉颗粒内部更加精细的结构 3 0 1 。a f m 在 纳米级别上进行的结构分析，直接证明了直径约为3 0 n m 的精细颗粒存在于每一 个颗粒内部，有时形成链状结构。这些精细颗粒可能与个别的块或单个的簇相对 应，在先前讨论的淀粉结构模型中，这些簇已经被提出来了。切开的天然玉米淀 粉颗粒的原子力显微镜像给出了淀粉大分子闻名的辐射状排列的证据，在接近中 心的区域有较少的有序双螺旋1 3 1 1 。天然颗粒显示横跨生长环的大小为4 0 0 5 0 0n m 的块。酸水解被用于除去无定型相和少量颗粒的结晶部分，由温和的酸水解得到 的l i n t n e r i s e d 淀粉颗粒，在生长环内清楚地显示出较小的约为1 0 3 0 n m 的 “b l o c k l e t s ”。生长环内的这个结构水平与b l o c k l e t 或超螺旋结构相一致，超螺旋 第一章淀粉结晶结构的研究进展 结构已经在某些文献中提出了，用于解释支链淀粉双螺旋的簇或相互连结。 从图1 5 中可以看出，这些从四种不同植物中得到的淀粉，在其颗粒表面都 显示出大约2 0 4 0 n m 的细微颗粒。图中的扫描区域是l x lum 。 图1 6 中，a f m 图象中的力学性能的相的图象、力调制形态和振幅图象和l f m 形态以及摩擦力图象中均可以观测到1 0 - 3 0 n t o 大小的块状特征， 图1 5 使用物理方法破坏的玉米、甜土豆和小麦淀粉最外表面的a f m 形态图象 f i g l a f mt o p o g r a p h i c a li m a g e so f t h eo u t e r m o s ts u r f a c eo f t h ep h y s i c a l l yd e s t r u c t e dc o r n ，r i c e ， s w e e tp o t a t oa n dw h e a ts t a r c h e s 图1 6l i n t n e r 化的淀粉颗粒切片的力学性能影像。 ( a ) 和( b ) 分别是出渣模式的形态和相的图象。在相的 图象中可以观测到1 0 - 3 0n m 大小的块状特征。( c ) 和( d ) 分别是来自于与( a ) 和( b ) 同一区域的力调制形态和振 幅图象，在振幅图象中，通过比较可以观测到同样的 较大的块状特征。( e ) 和( o 分别是l f m 形态和摩擦力 图象，这里的块也很明显。 f i 9 1 6m e c h a n i c a lp r o p e r t yi m a g i n go fl i n t n e r i s e d s t a r c hg r a n u l es e c t i o n s ( a ) a n d ( b ) a l et a p p i n gm o d e t o p o g r a p h i ca n dp h a s ei m a g e s ，r e s p e c t i v e l y i nt h ep h a s e i m a g e ，b l o c k l e tf e a t u r e sl 旧on mi ns i z ec a nb es e e n ( c ) a n d ( d ) a r ef o r c em o d u l a t i o nt o p o g r a p h i ca n da m p l i t u d e i m a g e s ，r e s p e c t i v e l y ，f r o mt h es a m ea r e as h o w ni n ( a ) a n d ( b ) i nt h ea m p l i t u d ei m a g e ，t h es a m eb l o c k e tf e a t u r e sa p p e a rl a r g e rd u et ot h ec o m p r e s s i o no f 第一章淀粉结晶结构的研究进展 t h es t a r c h ( e ) a n d ( f ) a r el f mt o p o g r a p h i ca n df r i c t i o ni m a g e s ，r e s p e c t i v e l y ，w h e r eb l o e k l e t s t r u c t u r ei sa g a i ne v i d e n t 1 2 1 3 2 淀粉颗粒内部的精细结构 用小角x 射线微焦散射法可以对天然淀粉颗粒内部若干微米区域的结构进 行测试和分析 7 1 ，根据散射图形确定其结晶和无定型区域，以及其结晶的轴向， 在散射图形中的少量的反射代表着在薄层之间的相应的无序状态的存在，或者是 液晶，或者是支链淀粉螺旋组成中发展较好的缺陷结构。它可以为颗粒中的薄层 结构提供证据。同时根据散射图形中四点调幅的有角的位置，可以预测包含沿着 其轴向积累的无序的超螺旋薄层的相应的数据。从而确定晶面间距离( 9 n m ) 和 晶面的倾斜角度。用x 射线微焦衍射也可以对淀粉颗粒的天然结构进行分析【哼 ， 测试结果与提出的支链淀粉的双螺旋结构结晶模型进行对比，从而进一步证明了 结晶生长和晶轴的方向是从颗粒的核心指向颗粒的表面。 c n 图1 7 颗粒切面所显示的在结晶片层中的支链淀粉双螺旋的定向性 f i 9 1 7g r a n u l ei nc r o s ss e c t i o ns h o w i n gt h eo r i e n t a t i o no f a m y l o p o c t i nd o u b l eh e l i c e si nt h e c r y s t a l l i n el a m e l l a e ( n o tt os c a l e ) 1 9 】 淀粉的”cc p m a sn m r 谱图的所有特征都能用无定型( 单链) 和有序( 双 螺旋) 组份的结合来说明【3 ”，天然淀粉颗粒中的这些每一结构形态的比例都可以 用”cc p m a sn m r 光谱来估计。这提供了对淀粉分子结构进行定量分析的首 要途径；所获得的数值可以与从x 一射线粉末衍射估计的长程有序结构进行比较。 c 1 和c 4 碳原子( 这些碳原子包含在糖苷键中) 显示出较大的化学位移，在无定 型和结晶区域替换，表明物质的结构不同。在淀粉两种普通的晶型( a 、b ) 之 间进行的化学位移替换是非常小的，但是，模型晶体材料的c 1 多重峰显示出多 晶型变异，它可能是由于双螺旋包裹的对称的差异造成的。从无定型材料的光谱 第章淀粉结晶结构的研究进展 图形中观测到的化学位移转换建议，淀粉的无定型组份部分有一个很确定的结 构。湿润的淀粉颗粒在无定型区域的碳原子的共振，在”cc p m a sn m r 谱中 预期是看不见的【3 3 】。这些共振在用单脉冲、b l o c h - 衰减次序，用魔角旋转 ( s p m a s ) 上获得的光谱上能够观测到。这说明湿润的淀粉颗粒的无定型区域 是流动性的，有着与橡胶态聚合物相似的性质。在淀粉颗粒的内部结构由三个不 同的结构组份组成：( 1 ) 由双螺旋淀粉链形成的高结晶区域，( 2 ) 包含脂质体的 淀粉混合物形成的类固态区域，( 3 ) 完全无定型区域。与淀粉中支链淀粉组份的 支化区域和可能的脂质体游离的直链淀粉区域相对应，所有这些组份经过使用不 同的固态n m r 技术都能够独立地观测到，所有这些组份对淀粉颗粒的物理特性 都有贡献。 所有的c 型淀粉颗粒都包含有两种形态：b 型处于颗粒的中心，由周围的a 型结构包围着。当在过量的盐溶液中加热时，c 型颗粒中的a 、b 型形态独立融 化，与a 型和b 型淀粉的单变迁相比，它在热容方面给出一个双跃迁和一个两 不溶胀过程。它显示，b 型给出比a 型低的峰值温度的变迁。在凝胶化过程中， 晶体破坏是从螺旋区域开始的，然后沿着颗粒传播，伴随着破坏区域结构的溶胀 的发生。同时颗粒中被破坏的区域的溶胀降低了相邻微晶的融化温度，导致了微 晶区域破坏的进一步发生。c 型淀粉的凝胶化过程也依赖于颗粒中a 型和b 型 的排列。b 型淀粉( 土豆) 中支链淀粉的 侧链具有较小的流动间隔 7 】，当材料在干 燥情况下，刚性单元就被紧紧地连接在聚 合物骨架上。当水存在下发生塑料化作用 时，这种连接作用被降低了，允许增进双 螺旋结构的包裹作用。这样。在干淀粉中， 侧链只能表现为无序的n e m a t i c 包裹，但 是在水合作用下发生到s m e c t i c 转变，这与 s a x s 图形中明显的相应两个峰一致。作 为对比，a 型淀粉( 小麦，大麦，玉米) 有着较长的流动性间隔和在水合时有较低 的再构建过程，因为连接不强，所以a 型 与b 型相比，干的和水合的样品的w a x s 图形峰的差异为4 倍 1 9 】。 图1 8 有关马铃薯淀粉水合过程的漫画显示。其 中的每一个结构单元未进行详细描述 f i 9 1 8c a r t o o ni n d i c a t i n gt h ep r o c e s s e si n v o l v e dd u r i n gt h eh y d r a t i o no f p o t a t os t a r c h t h eu n 第一章淀粉结晶结构的研究进展 c e l li sn o tw e l ld e p i c t e d 对于淀粉微晶而言，由于微晶粒度大小的不同在x 衍射曲线上会表现出不 同的衍射特征”“1 ，因此根据在x 衍射曲线上所表现出的不同衍射特征来划分淀 粉微晶结构，那些晶粒线度大、晶型完整及长程有序的区域在x 衍射曲线上表 现出明显的尖峰衍射特征，称为结晶区，而那些处于短程有序，长程无序状态的 区域在x 衍射曲线上表现出明显的弥散衍射特征，称为无定型区【3 】。处于微晶和 非晶之间的结晶结构，这种结晶结构由于晶粒线度小、晶型不完整不会表现出尖 峰衍射特征，因此只表现出类似非晶结构的弥散衍射特征，这种结晶结构即是亚 微晶结构【7 】。任何淀粉颗粒的物态组成都可以看成是由微晶、亚微晶和非晶态三 者中的一种、两种或三种成分组合而成。在玉米淀粉颗粒的多晶体系中存在着链 链和链水两种不同组成和性质的结晶结构，而不同的水份含量对它们有不同的影 响。 1 2 2 支链淀粉的结构模型 对于淀粉颗粒结构，大家普遍接受的结构模型是：无定型薄层和结晶薄层交 替排列，直链淀粉和支链淀粉镶嵌在其中。大量的研究实验证明，淀粉颗粒中的 结晶区域主要是由支链淀粉构成的，而直链淀粉则主要形成无定型区域。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 种预测和实验验证，并建立了许多关于这些结晶结构的模型。 1 2 2 1 支链淀粉的片层模型 支链淀粉是一种树形结构，对其中的枝链的分布一开始就有着各种各样的说 法。1 9 7 4 年，r o b i n 等人“”提出了马铃薯支链淀粉的可能的结构模型( 见图1 9 ) ， 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为1 5 个葡萄糖单元的淀粉链 的紧密排列而形成的。根据每