黄峻榕， 白 芸， 马 芸， 郭 瑾， 蒲华寅*

(陕西科技大学 食品与生物工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

淀粉颗粒外壳，指包裹着内部淀粉聚合物的颗粒最外层的硬壳层结构，其与内部壳层结构有所不同，早期研究者将其描述为“空心囊”，用来指颗粒膨胀到最大极限破裂，释放内部淀粉分子后残留的外壳[1,2].

通过高温、低浓度、长时间、无(低)搅拌处理使颗粒逐渐糊化完全，可得到残留的淀粉颗粒外壳.Obanni等[1]将0.2%的淀粉乳在121 ℃、140 MPa条件下糊化处理45 min，通过光学显微镜观察到了马铃薯、绿豆和谷物类淀粉的外壳；Zhang等[3]将0.5%淀粉乳在95℃下糊化处理30 min，环境扫描电镜下观察到普通和蜡质玉米淀粉、小麦淀粉和马铃薯淀粉的颗粒外壳.

现有研究主要对颗粒外壳形貌进行了观察，其分离方法及分子结构与其他性质方面鲜有报道.颗粒外壳决定淀粉的膨胀性能和黏度特性[4]，因此，本研究结果能进一步完善淀粉颗粒结构与性质关系的基础理论.在课题组的前期研究中，对薯类、谷类及豆类淀粉进行不完全糊化处理后，发现薯类淀粉颗粒外壳韧性较好，完整度较高，便于分离观察[5]；利用快速黏度分析仪，不完全糊化处理2%的马铃薯淀粉乳，观察到了较为完整的马铃薯淀粉颗粒外壳的存在[2].本研究以三种薯类(马铃薯、红薯、木薯)淀粉为原料，利用不完全糊化法探究淀粉颗粒外壳的分离条件，并对颗粒外壳的性质与分子结构进行研究.

1 实验部分

1.1 材料与仪器

1.1.1 主要材料

马铃薯淀粉，青海威思顿薯业集团有限责任公司；红薯淀粉，北京德众嘉鑫经贸有限公司；木薯淀粉，上海禾煜贸易有限公司第一分公司.

1.1.2 主要仪器

RVA-TecMast型快速黏度分析仪，波通瑞华科学仪器(北京)有限公司；FEIQ45型环境扫描电子显微镜，日本日立集团；D8 Advance型X-射线衍射仪，德国布鲁克公司；Series 1500型GPC色谱泵，美国Wyatt科技公司；DAWN HELEOS Ⅱ型多角度激光散射检测器，美国Wyatt科技公司；Optilab Trex型示差折光检测器，美国Wyatt科技公司；ICS5000型高效阴离子交换色谱仪，美国Dionex公司.

1.2 实验方法

1.2.1 淀粉颗粒外壳的分离方法

(1)淀粉颗粒外壳分离条件的确定

参照Huang等[6]的分离方法，利用快速黏度仪(RVA)标准程序(最高处理温度95℃)测定5%浓度淀粉乳的糊化温度，图1所示.在此程序基础上降低最高处理温度及淀粉乳浓度，使淀粉颗粒不完全糊化.将处理后的淀粉乳在室温下静置1 h，待分层后收集下层沉淀进行冷冻干燥，通过环境扫描电子显微镜观察，根据形貌确定分离不同淀粉颗粒外壳的最佳条件.

图1 快速黏度仪在标准程序下 的糊化特性曲线

(2)环境扫描电镜观察

取少量样品粘在贴有导电胶的专用样品台上，真空条件下喷金处理，使用环境扫描电镜进行观察，选择高真空模式下的二次电子成像，观测电压为25～30 kV.

(3)糊化程度测定

淀粉乳经RVA设定程序处理后，转移至50 mL离心管中，用10 mL蒸馏水将残留样品冲洗干净倒入离心管中，静置待温度冷却至室温，离心15 min(4 000 r/min).分离上层清液并记录体积，计算得到淀粉在设定的最高处理温度下的膨胀体积.以相同浓度的淀粉乳在标准程序处理下的膨胀体积为最大膨胀体积，设定为100%，从而得出糊化程度.

V1=28-(V2-10)

(1)

A=V1/m

(2)

B=At/A95 ℃×100%

(3)

式(1)～(3)中：V1,沉淀体积，mL；V2,上清液体积，mL；A,膨胀体积，mL/g；m,淀粉干基质量，g；B,糊化程度；At,一定温度下的膨胀体积，mL/g；A95 ℃，95 ℃下的膨胀体积，mL/g.

1.2.2 淀粉颗粒外壳的表征方法

(1)直链淀粉含量测定

参照GB/T 15683-2008中的碘吸光光度法测定直链淀粉含量.

(2)结晶性质测定

将淀粉样品平铺于X-射线衍射仪(XRD)样品池中，采用波长为0.154 2 nm的单色Cu-Kα射线，测定条件为：管压40 kV，管流40 mA，扫描区域2θ选择4 °～30 °，步长为0.02 °，扫描速率为6 °/min.利用Jade 6.0软件对图谱进行分析得出结晶度.

(3)分子量测定

取10 mg淀粉样品，加入1 mL 90%二甲基亚砜(DMSO)，100 ℃溶解过夜后，加3 mL无水乙醇，离心(12 000 rpm，10 min)去除上清，沉淀用无水乙醇洗两遍，吹干后加3 mL 0.1 mol/L NaNO3(含0.02% NaN3)，在121 ℃下持续加热20 min以保证样品完全溶解后，12 000 rpm离心10 min，取上清进样100μL于高效分子筛色谱、多角度激光散射分析仪和示差折光检测仪串联系统(HPSEC-MALLS-RI)进行分析.样品数据用Astra软件(Version 6.1，Wyatt Technology)进行处理.

(4)支链淀粉链长分布测定

称取已纯化淀粉样品2 mg，先用500μL 95%乙醇重悬，再加4.5 mL去离子水，沸水浴60 min，间断涡旋混匀，取2.5 mL糊化样品，加入异淀粉酶脱分支.将样品分装成600μL每管，在室温下真空干燥.用去离子水溶解后进样25μL于高效阴离子色谱-脉冲安培检测器系统(HPAEC-PAD)测定分析.色谱柱温为30 ℃，流动相为NaOH/NaAc，洗脱速度0.5 mL/min.不同链长所对应的峰面积用PeakNet软件(Dionex，CA，USA)进行处理.

2 结果与讨论

2.1 淀粉颗粒外壳的分离方法

2.1.1 淀粉颗粒外壳分离条件的确定

RVA标准程序(最高处理温度95 ℃)测得5%浓度淀粉乳的糊化温度，得到马铃薯、红薯、木薯淀粉的糊化温度分别为70 ℃、74 ℃和72 ℃.通过研究发现，淀粉乳浓度由2%、1%、0.5%逐渐降低，观察到颗粒外壳完整度逐渐增加；最高处理温度在低于糊化温度10 ℃到高于糊化温度5℃的范围内进行试验，观察到设定温度较低时仍有较为完整的颗粒存在，过高时则颗粒外壳破坏严重，呈碎片状态.最后确定淀粉乳浓度为0.5%，马铃薯、红薯和木薯淀粉的最高处理温度分别为低于糊化温度5 ℃、2 ℃和5 ℃时，环镜扫描电镜下观察到淀粉颗粒外壳完整度较高，且便于分离.

2.1.2 环境扫描电镜观察结果

图2为三种薯类淀粉原淀粉及所分离颗粒外壳的扫描电镜图.三种薯类原淀粉颗粒表面光滑，无微孔或突出棱角.马铃薯原淀粉颗粒呈椭球形，红薯原淀粉与木薯原淀粉颗粒一端呈椭球形，另一端则由多边形组成凹陷的封闭端面.在水中逐渐加热时，颗粒吸水膨胀，达到一定限度后在最薄弱处发生破裂，内部淀粉聚合物由破裂处溢出与颗粒外壳分离.观察到的淀粉颗粒外壳的尺寸膨胀为原淀粉颗粒的5～10倍.三种薯类淀粉颗粒外壳均呈现口袋状，表面有孔洞和褶皱.Atkin等[7]在研究中也观察到，淀粉颗粒在糊化过程中膨胀的淀粉颗粒外壳破裂释放出内部聚合物，成为空心囊结构.

(a)马铃薯原淀粉 (b)马铃薯淀粉颗粒外壳

(c)红薯原淀粉 (d)红薯淀粉颗粒外壳

(e)木薯原淀粉 (f)木薯淀粉颗粒外壳图2 马铃薯、红薯和木薯原淀粉及 颗粒外壳的环境扫描电镜照片

2.1.3 糊化程度测定结果

表1为三种薯类淀粉颗粒的糊化程度.马铃薯淀粉适宜的最高处理温度最低，其次是木薯和红薯淀粉.在适宜的最高处理温度下，马铃薯、红薯和木薯淀粉颗粒的糊化程度均低于100%，发生了不完全糊化.其中，马铃薯淀粉颗粒的糊化程度最低，红薯和木薯淀粉颗粒的糊化程度相近.淀粉颗粒的糊化程度与其膨胀难易密切相关.在水中加热糊化的过程中，马铃薯淀粉颗粒最易膨胀，在95 ℃时的膨胀体积远大于红薯和木薯淀粉颗粒的.膨胀后，淀粉颗粒外壳与内部淀粉聚合物较易分离.

表1 三种淀粉颗粒外壳分离的 最佳条件及糊化程度

2.2 淀粉颗粒外壳的表征方法

2.2.1 直链淀粉含量测定结果

研究表明，直链淀粉与支链淀粉相互缠绕维持淀粉颗粒的完整性[8,9].表2中可见三种薯类淀粉原淀粉及颗粒外壳的直链淀粉含量.其中，马铃薯原淀粉的直链淀粉含量最高，与原淀粉相比，淀粉颗粒外壳的直链淀粉含量较低，说明外壳主要由支链淀粉构成.Zhang等[3]通过对淀粉酶分解限度的测定，发现淀粉颗粒外壳的直链淀粉(6.7±0.4%)含量低于原淀粉的(18.3±0.4%).Jane等[10]对马铃薯淀粉颗粒外围进行不同程度的化学糊化处理，分别测定糊化部分和残存颗粒的直链淀粉含量，发现颗粒外围的直链淀粉高于颗粒内部.分析可能是由于颗粒外围富集了一部分游离的直链淀粉，在颗粒膨胀时溢出.李玥等[11]表明，直链淀粉在一定的温度下(起糊温度到峰值温度范围之间)可以从淀粉颗粒中游离出来.

表2 三种原淀粉及颗粒外壳的直链 淀粉含量及相对结晶度

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

2.2.2 结晶性质测定结果

图3为三种薯类淀粉原淀粉和颗粒外壳样品的XRD图谱.原淀粉的结晶结构呈现高强度的尖峰衍射特征，无定形区为弥散峰衍射特征[12].马铃薯淀粉的结晶结构为典型的B型，在2θ为5.6 °、15.1 °、17.2 °、22.3 °、24.0 °出现衍射峰；红薯、木薯淀粉在2θ为15.1 °、17.2 °、18.1 °、23.1 °出现衍射峰，属于A型结晶[13].三种薯类淀粉颗粒外壳的XRD图谱峰形与原淀粉的有明显区别，尖峰消失，呈现出近乎无定形状态的馒头峰.Prentice等[14]通过广角X射线衍射分析玉米淀粉和A型大麦淀粉的空心囊的结晶情况，其衍射图谱也呈现无定形状态.

(a)马铃薯原淀粉及颗粒外壳

(b)红薯原淀粉及颗粒外壳

(c)木薯原淀粉及颗粒外壳谱图3 三种原淀粉及颗粒外壳的 X-射线衍射图谱

由表2还可知，颗粒外壳的相对结晶度较原淀粉均明显降低，说明淀粉颗粒外壳的有序结构遭到破坏.这是因为RVA测定的糊化温度高于差示扫描量热仪(DSC)测定的糊化温度，DSC测定的是结晶开始熔融的温度，RVA测定的是起糊温度，即体系黏度开始出现明显增加的温度，淀粉糊化过程中结晶结构的破坏发生在体系黏度快速增加之前，三种薯类淀粉选定的最高处理温度均高于DSC测定的糊化温度(马铃薯57.6 ℃、红薯64 ℃和木薯64.6 ℃[15])，因此，颗粒外壳的结晶结构被严重破坏，相对结晶度大幅下降.

2.2.3 分子量测定结果

表3、表4为分峰处理后三种薯类原淀粉及颗粒外壳的重均分子量及平均旋转半径.三种薯类淀粉分子量相近，Peak1为支链淀粉的峰，其分子量最大，Peak2和Peak3则分别为中间级分和直链淀粉的峰.马铃薯原淀粉含支链淀粉和直链淀粉两个主要组分，而红薯和木薯原淀粉均含有支链淀粉、中间级分和直链淀粉三个主要组分.同种淀粉的分子间Rz值与分子量的变化趋势相反，分子量越大的级分，其Rz值越小.不同种类淀粉的分子量与旋转半径之间并不存在相关性.Rz为平均旋转半径，表示淀粉分子的尺寸，其与支链淀粉的分子结构有关[16].三种薯类淀粉颗粒外壳样品均存在支链淀粉、中间级分和直链淀粉三个组分.淀粉颗粒外壳的分子量与原淀粉的相近，但外壳中淀粉分子的Rz值均明显大于原淀粉的，这可能是由于颗粒外壳的分子构象及直/支链淀粉比与原淀粉的不同.

表3 三种原淀粉及颗粒外壳的重均分子量

表4 三种原淀粉及颗粒外壳的平均旋转半径

2.2.4 支链淀粉链长分布测定结果

图4、图5是三种薯类原淀粉和颗粒外壳经普鲁兰酶处理以后的高效阴离子色谱(HPAEC)图及支链淀粉链长分布图.最短链为DP 6被认为是目前已知的所有支链淀粉的共同特征[17].结果表明，在测定条件下原淀粉与颗粒外壳基线相对平稳，不同聚合度的分离度较好，支链淀粉的最短链都为DP 6.根据聚合度的不同将六种淀粉的支链淀粉链长分为A链(DP 6-12)，B1链(DP 13-24)，B2链(DP 25-36)，B3链(DP >37)四部分.

(a)马铃薯原淀粉及颗粒外壳

(b)红薯原淀粉及颗粒外壳

(c)木薯原淀粉及颗粒外壳图4 三种原淀粉及颗粒外壳经普鲁兰酶 处理后的高效阴离子色谱图

(a)马铃薯原淀粉及颗粒外壳

(b)红薯原淀粉及颗粒外壳

(c)木薯原淀粉及颗粒外壳图5 三种原淀粉及颗粒外壳的 支链淀粉链长分布图

由表5可以看出，三种原淀粉在DP 13-24所占比例最大，即B1链含量最多；其次是B3链含量较多，A链和B2链含量相对较少.外壳的四部分链段整体分布趋势与原淀粉相同，但B2、B3链的含量有所增加，说明具有较长侧链的支链淀粉参与了颗粒外壳分子结构的组成.于轩等[18]测试了不同来源淀粉的平均链长，其中马铃薯淀粉的平均链长最长.

表5 三种原淀粉及颗粒外壳的支链 淀粉链长分布

注：DP为聚合度；CL为平均链长

3 结论

建立了不完全糊化法分离淀粉颗粒外壳的条件：淀粉乳浓度0.5%，马铃薯、红薯和木薯淀粉最高处理温度分别为低于糊化温度5 ℃、2 ℃、5 ℃.三种薯类淀粉颗粒外壳主要由支链淀粉组成，且其中包含具有较长侧链(DP>25)的支链淀粉.相较于原淀粉，淀粉颗粒外壳的分子量相近(4.4×107～5.2×107g/moL)，相对结晶度较低，有序结构遭到破坏.