不同淀粉结构与特征粘结性的研究

不同淀粉结构与特征粘结性的研究

0支链淀粉含量和结构[研究意义]淀粉是一种天然的高化合物，由直链淀粉（pm）和支链淀粉（ap）组成。淀粉的级分组成、分子结构、分子量分布等对其凝胶特性、流变特性、热特性和形貌等有很大的影响,从而影响到淀粉质食品的深加工。【前人研究进展】国内外对荞麦、玉米、小麦、大麦和大米等不同来源谷物淀粉的分子特性进行过相关研究,认为谷物淀粉一般含有2~3个级分(直链淀粉、中间级分和支链淀粉)。不同品种的谷物直链淀粉的含量有较大的差异,非糯性谷物直链淀粉含量一般为15%~28%,其中,荞麦直链淀粉的含量较低(15.6%~17.9%),而大麦直链淀粉的含量较高(23%~28%)。谷物直链淀粉通常含有1.8~6.5个分支,外链平均含有5.7~9.7个葡萄糖单元,其平均相对分子质量约为4×105~1.7×106g·mol。谷物支链淀粉的含量一般为91%~100%,对于高直链淀粉含量的谷物,为30%~50%,通过品种的改良,支链淀粉的含量可达到10%以下。支链淀粉具有高度分支的分子结构,其平均相对分子质量为7.0×107~5.7×109g·mol-1,每个支链平均含有18~24个葡萄糖基单元,其中,荞麦支链淀粉的支链较长,平均为23~24。特征粘度能反映出淀粉在极稀溶液中的流变学特性,与淀粉的分子特性有密切的关系,本实验室对分离后的大米支链淀粉和直链淀粉在二甲亚砜(DMSO)溶液中的特征粘度进行研究,认为比浓粘度-浓度关系曲线表现出二次曲线的特征。【本研究切入点】国内外对不同品种大米淀粉的颗粒结构、凝胶特性、流变特性、热特性和形貌特征等进行了较多的研究。不同品种的大米淀粉的性质存在较大的差异,这些差异多与淀粉的分子量分布、支链淀粉的精细结构有关。特征粘度可以较好地反映高分子的分子结构。以往的研究主要针对纯物质或单个级分的淀粉的结构和特征粘度来研究,食品加工中多采用天然淀粉,天然淀粉是由直链淀粉、支链淀粉及中间级分组成的混合体系。本文拟在前人对纯直链淀粉或支链淀粉结构和特征粘度研究的基础上,研究直链淀粉、支链淀粉及中间级分混合体系的分子量分布,通过特征粘度反映该体系的分子结构信息,以便更深入地了解影响淀粉物化特性的本质。【拟解决的关键问题】采用凝胶色谱法研究大米淀粉的级分组成、分子量分布等,用乌式粘度计测定大米淀粉的特征粘度,探讨大米淀粉分子结构与特征粘度的关系,建立基于天然淀粉的特征粘度与分子量分布关系的数学模型,为天然淀粉或直链淀粉和支链淀粉混合体系的研究提供理论基础。1材料和方法1.1试验材料6种大米(2003年产)的品种类型及生产厂家见表1。1.2大米淀粉的制备采用碱浸法提取大米淀粉。称取适量的大米,用0.4%(w/w)的NaOH溶液于室温下浸泡24h后,用胶体磨粉碎,用0.4%(w/w)NaOH的碱液反复浸泡7~8次后,水洗5次,用盐酸将浆液的pH调到6.5~7.0,再水洗2次,将水洗后的淀粉浆液于4000r/min的转速下离心10min(TDL-5-A型低速离心机,上海安亭科学仪器厂),取下层沉淀物,自然干燥即得大米淀粉,粉碎过80目筛备用。用酸水解、DNS定糖法测得不同品种淀粉含量为92%~98%(以干基计)。1.3测试方法1.3.1剂量分布1.3.2dmso溶剂的吸收时间取适量的过80目筛的淀粉,配制成0.1%~0.4%(w/w)的淀粉DMSO溶液。用0.4mm乌氏粘度计(浙江椒江市玻璃仪器厂)于25±0.1℃下测定不同浓度(c)下的流出时间(t),以及DMSO溶剂的流出时间(t0)。然后计算增比粘度(ηsp)、相对粘度(ηr),以c为横坐标,ηsp/c和ηr/c为纵坐标作图,得两条曲线,采用二次多项式回归后,求出两曲线在纵轴上截距的平均值,作为特性粘度[η]。2结果与分析2.1支链淀粉分子量以泰国香米为例,其淀粉的分子量分布如图1所示,6种大米淀粉的分子量分布图相似,不同品种大米支链淀粉、中间级分和直链淀粉的分子量分布的特征值归纳于表2、表3和表4中。除糯米外,大米淀粉主要由支链淀粉、中间级分和直链淀粉组成,其中直链淀粉的分子量一般约在几万到几百万之间,支链淀粉的分子量约在几百万到几亿之间。将GPC图谱(图1)分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个主要部分,由于支链淀粉的分子量最大,所以首先被洗脱出来,GPC图谱中Ⅰ应为支链淀粉。直链淀粉的分子量最小,GPC图谱中Ⅲ应为直链淀粉。介于支链淀粉和直链淀粉之间的Ⅱ为中间级分,中间级分的分子量分布较宽,主要由轻度分支的直链淀粉和分支较少而外链较长的支链淀粉组成。由GPC图谱可知,中间级分可能由4~6个亚级分组成。天然小麦淀粉和玉米淀粉与大米淀粉的GPC图谱类似,含有支链淀粉、中间级分和直链淀粉3个主要级分,而马铃薯淀粉含支链淀粉和直链淀粉两个主要级分。由表2可知,大米支链淀粉的出峰范围为36~72ml,顶峰位置为44~52ml,半高宽为5~9ml,摩尔比为14.46%~35.55%,平均相对分子质量为0.90×108~15.60×108g·mol-1,平均聚合度为0.55×106~9.63×106。其中,小站米支链淀粉的平均相对分子质量或平均聚合度最大,分别为15.60×108g·mol-1或9.63×106,其次是东北粳米、丝苗米和泰国香米,分别为3.52×108g·mol-1或2.17×106,金优207和培优29的平均相对分子质量或平均聚合度最小,分别为0.90×108g·mol-1或0.55×106。6种大米支链淀粉中,培优29的半高宽最小(5ml),表明其支链淀粉的分子量分布最集中,分子量分布范围最窄。丝苗米和泰国香米的半高宽较大(9ml),表明其支链淀粉分子的分子量分布范围较宽。籼米和粳米淀粉中支链淀粉的摩尔比比糯米小(糯米淀粉中支链淀粉的摩尔比为84.9%)。除小站米外,其它几种大米支链淀粉的平均相对分子质量比玉米支链淀粉(4.90×108g·mol-1)和小麦(3.10×108g·mol-1)小,除金优207和培优29外,大米淀粉支链淀粉的平均相对分子质量比大麦(1.30×108g·mol-1)和马铃薯(1.70×108g·mol-1)支链淀粉大。大米支链淀粉的分子量分布范围比小麦淀粉、玉米淀粉和马铃薯淀粉窄。由表3可知,大米淀粉中间级分的出峰范围为56~116ml。摩尔比为28.75%~53.87%。小麦淀粉、玉米淀粉和马铃薯淀粉中间级分所占比例比大米淀粉小,其中小麦淀粉和玉米淀粉中间级分为5%~7%,马铃薯淀粉中间级分为4%。由表4可知,大米直链淀粉的出峰范围为104~152ml,顶峰位置为116~132ml,半高宽为18~29ml,摩尔比为30.36%~40.77%,平均相对分子质量为4.06×106~6.58×106g·mol-1,平均聚合度为2.51×104~4.06×104。其中,小站米直链淀粉的平均相对分子质量或平均聚合度最大,分别为6.58×106g·mol-1或4.06×104,其次是东北粳米、金优207、培优29和泰国香米,分别为5.32×106g·mol-1或3.28×104,丝苗米的平均相对分子质量或平均聚合度最小,分别为4.06×106g·mol-1或2.51×104。6种大米直链淀粉中,小站米、金优207和泰国香米直链淀粉的半高宽较小,分别为18ml、19ml和19ml,表明其分子量分布范围较窄。东北粳米的半高宽相对较大,为29ml,表明其分子的分子量分布范围较宽。大米直链淀粉的平均相对分子质量比小麦直链淀粉(1.7×106g·mol-1)、大麦直链淀粉(0.7×106g·mol-1)、玉米直链淀粉(1.2×106g·mol-1)和马铃薯直链淀粉(3.0×106g·mol-1)的大。与小麦、玉米和马铃薯直链淀粉相比,大米淀粉直链淀粉含量[大于30%(摩尔比)]较高,而小麦、玉米和马铃薯直链淀粉的含量均小于30%(摩尔比)。比较表2和表4知,大米支链淀粉的出峰范围比直链淀粉的出峰范围小,其半高宽比直链淀粉的半高宽小很多,表明支链淀粉分子的分子量分布范围较直链淀粉的窄。不同品种大米淀粉的分子特性也有差异,以小站米淀粉的平均相对分子质量较高,且分子量分布范围较窄,其中支链淀粉的平均相对分子质量为其它大米的4倍以上。2.2特性粘度的测定6种大米淀粉在DMSO溶液中的关系图的变化趋势相似,以泰国香米为例,其关系图如图2所示。采用二次多项式:经非线性回归后,求出两曲线在纵轴上截距的平均值,作为特性粘度。式中,[η]为特征粘度,c为淀粉溶液的浓度,ηsp、ηr为增比粘度和相对粘度,a1、a2、b1、b2为回归系数。求出的6种大米淀粉在DMSO溶液中的特征粘度见表5。由表5可知,大米淀粉的特征粘度范围为77.65~237.53g·g-1,小站米的特性粘度较大、培优29和金优207特性粘度较小。2.3特征粘度的计算采用数学模型描述大米淀粉平均相对分子质量和摩尔比与特征粘度的关系(图3):式中,[η]为特征粘度,M1、M3分别为支链淀粉和直链淀粉的平均相对分子质量,R1、R3分别为支链淀粉和直链淀粉的摩尔比,a和b为回归系数。经非线性回归,得回归方程:回归方程的相关指数为R2=0.984,表明用(4)式的分子量分布的指数模型来描述大米淀粉特征粘度的大小达到了较高的拟合精度。由方程(4)可知,支链淀粉的平均相对分子质量和摩尔比越大,淀粉的特征粘度越大,而直链淀粉的平均相对分子质量和摩尔比较大时,淀粉的特征粘度减小。高分子物质的特征粘度与其平均相对分子质量、分子尺寸、分子链在溶液中的形态等因素有关。分离纯化后的大米支链淀粉和直链淀粉在DMSO溶液中的特征粘度分别为430~930ml·g-1(相当于390.20~843.92g·g-1)和75~108ml·g-1(相当于68.06~98.00g·g-1),且以平均相对分子质量较大的糯米支链淀粉的特征粘度最大。天然淀粉由支链淀粉、直链淀粉等级分组成,其特征粘度受支链淀粉和直链淀粉分子结构及其相互作用的影响。支链淀粉的平均相对分子质量较大,在DMSO溶液中分子链充分伸展,呈球形或星形,分子尺寸较大,导致特征粘度较大。当直链淀粉的平均相对分子质量较大时,其链长较长,易与支链淀粉分子相互缠绕,使得支链淀粉的伸展受到限制,导致淀粉的特征粘度下降。3讨论3.1平均相对分子质量本文采用凝胶色谱法得到大米淀粉中含有3个级分,与重结晶法得到的结果一致,所测的大米支链淀粉和直链淀粉的平均相对分子质量与Wong和Ong使用HPSEC-MALLS-RI测得的淀粉的平均相对分子质量相近。3.2次曲线回归一般高分子的比浓粘度或比浓对数粘度与浓度为直线关系。本文所测的大米淀粉的比浓粘度或比浓对数粘度与浓度的关系在较低浓度时发生弯曲,可能是由于大米淀粉的平均相对分子质量较大的原因,用二次曲线回归时精度较高。通常纯物质或单个级分的高聚物的特征粘度与其平均相对分子质量的关系用Mark-Houwink方程描述可以达到较高的拟合精度。天然淀粉是由直链淀粉、支链淀粉及中间级分组成的混合体系,在已有研究的基础上(赵思明等建立了支链淀粉平均相对分子质量与特征粘度之间的关系模型),本文考虑了天然淀粉中直链淀粉和支链淀粉的影响和相互作用,建立了天然淀粉中直链淀粉和支链淀粉的平均相对分子质量、摩尔比与其特征粘度关系的指数模型,该模型可为定量描述天然淀粉或直链淀粉和支链淀粉的混合体系的粘度与其分子结构的关系提供一种方法。3.3大米淀粉中间级分的研究进展中间级分的平均相对分子质量介于直链淀粉和支链淀粉之间,在大米淀粉中的摩尔比较高,约占29%~54%,对淀粉的分子特性和物化特性等会有较大的影响,目前国内外对中间级分的研究较少,在今后的研究中应该给予足够的重视。4平均相对分子质量和摩尔比大米淀粉主要由支链淀粉、中间级分和直链淀粉组成,大米支链淀粉的平均相对分子质量约为0.90×108~1