分离方法对玉米淀粉分离组分结构特性的影响

曾红华,胡 蝶,吴 平,左 健,谢 涛

(湖南工程学院化学化工学院,湘潭411104)

直链淀粉与支链淀粉的分离方法有很多,常用的有选择沥滤法、完全分散法、盐析法、凝沉分离法、酶脱支法、电泳法和纤维素柱色谱分离法等[1,2].采用不同方法分离所到的直链淀粉、中间成分和支链淀粉的比例、支链长度、支化度及分子量分布等结构特性也会发生很大的变化,而这些结构特性直接影响直链淀粉和支链淀粉的物化特性及其在工业上的应用[3～5].因此,本文将以玉米淀粉为原料,选用三种方法分离得到玉米直链淀粉、中间成分和支链淀粉,并通过扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射技术对其结构变化进行表征.

1 材料与方法

1.1 原料

精制玉米淀粉(市售,直链与支链淀粉含量分别为26.75%、65.39%).

1.2 直链、支链淀粉分离

方法一(杨泽敏法[6]):①称10 g淀粉,加入到300 mL二甲基亚砜(AR)中缓缓搅动24 h后2000 g离心15 min.上清液用于分离3种淀粉成分,沉淀为非淀粉成分,加无水乙醇(AR)洗涤除去DMSO,烘干称重,称作DMSO不溶物.②将上清液注入2倍量的正丁醇(AR)中,不搅拌,静止24 h后4000 g离心.沉淀用无水乙醇洗涤数次除去DMSO后转入到1000 mL蒸馏水中,加热使其连续沸腾1 h,冷却至60℃时加1 g百里酚(AR),搅拌均匀,室温下放置3天.③2000 g离心15 min分离沉淀I,上清在0～4℃预冷1 h后加入适量乙醚,剧烈振荡后静置片刻,萃取百里酚,重复3次后加入过量酒精,放置24 h.④4000 g离心15 min,沉淀烘干称重即为支链淀粉.⑤将沉淀I转入700 mL蒸馏水中,加热使之连续沸腾45 min,冷却后加入10mL正丁醇,搅拌均匀,放置 24 h.⑥2000 g离心分离沉淀 II,上清在0～4℃下预冷1 h后加入适量乙醚,振荡后静置片刻,萃取百里酚,重复3次后加过量酒精,放置24 h.⑦4000 g离心15 min,沉淀烘干称重即为中间成分;沉淀II用酒精洗涤除去正丁醇,烘干即为直链淀粉.

方法二:在方法一基础上略做改动,只将方法一②中的“2倍量的正丁醇”改成“过量的无水乙醇”,③和⑥中的“上清在0～4℃预冷1 h后加入适量乙醚,剧烈振荡后静置片刻,萃取百里酚,重复3次后加入过量酒精”改为“先在0℃冰冻、然后室温自然溶解分层,倾出上层清液,下层用乙醚萃取,最后再用无水乙醇沉淀”,其余不变.

方法三:正丁醇法,参考文献[7].

1.3 测定方法

扫描电子显微镜(SEM)分析:将干燥样品充分混合随机取样,再将样品粒子均匀撒在贴有双面胶的样品台上,用离子溅射仪喷金固定8 min,在日立S-570型扫描电子显微镜(日本)观察摄像.

X-射线衍射分析:采用TTRAX3型X-射线衍射仪(美国),分析条件:特征射线CuKa,石墨单色器 ,管压 40 k V,电流25 mA,测量角度 2θ=10°～60°,步长 0.02 °/步,扫描速度 2 °/min.按参考文献[8,9]的方法计算结晶度.碘亲和力的测定:按Schoch法[10]测定,并按式

本文试验均重复三次,实验数据取平均值.

2 结果与分析

淀粉-碘复合物最大吸收波长测定:按参考文献[12]的方法测定.

平均聚合度(DP)、平均链长(CL)和摩尔平均链数(NC)的测定:按Hizukuri和Suzuki等人[13-15]的方法测定,并按算.

2.1 分离方法对玉米淀粉分离组分微观结构的影响

图1 为三种方法分离得到的玉米淀粉组分的电子显微图像.由方法一得到的玉米直链淀粉聚集成比较致密的单层块状(图1B11),表面布满裂缝(图1B12);中间成分呈块状(图1C11),块状物由大小比较均匀的片状物层层堆积而成(图1C12);支链淀粉则聚集成团(图1D11、图1D12).由方法二得到的玉米直链淀粉同样堆积成单层块状(图1E21、图1E22),中间成分形成结构比较疏松的层状物(图1F21～图1F23),支链淀粉絮凝成团(图1G21、图1G22).由方法三得到的玉米直链淀粉呈椭球状(图1H31),由片状物堆积而成(图1H32、图1H33),而支链淀粉则形成疏松多孔的团块(图1I31～图1I33).

图1 分离方法对玉米淀粉分离组分微观结构的影响

2.2 分离方法对玉米淀粉分离组分结晶结构的影响

图2 不同分离方法得到玉米淀粉分离组分的X-射线衍射图谱

图2 为不同方法分离得到的玉米淀粉分离组分的X-射线衍射图谱,其具体计算结果见表1.玉米原淀粉为典型的A-型晶体,在其X-衍射图谱上15.3°、17.1°、18.2°和 23.5°衍射角处分别存在比较强的吸收峰.由图2可看出,分离方法对玉米原淀粉组成成分的影响很大,玉米直链淀粉、中间成分和支链淀粉结晶相的晶型均转变为C-型.与玉米原淀粉相比,分离方法主要导致玉米直链淀粉、中间成分和支链淀粉的微晶相比例下降,非晶相比例稍有增加,因而它们的结晶度也有所降低(表1).

表1 分离方法对玉米淀粉分离组分结晶度的影响

2.3 分离方法对玉米淀粉分离组分分子结构的影响

碘亲和力通常用来确定淀粉中直链淀粉的含量及评定直链淀粉纯度,用碘电位滴定法测定各种直链淀粉的碘亲和力如小麦直链淀粉为19.9%、马铃薯直链淀粉19.9%、木薯直链淀粉18.6%和银杏直链淀粉19.2%,而支链淀粉的碘亲和力一般在0.5%～1.0%以下.蓝值是表示淀粉碘结合性能的一个指标,直链淀粉由于其线性聚合度很高(800～1200个葡萄糖单元),故其蓝值很大,一般为0.8～1.2;支链淀粉由于其侧链链长只有20～30个葡萄糖基,蓝值仅在0.08～0.22之间.三种分离方法对玉米淀粉分离组分碘亲和力、蓝值、平均聚合度和平均链长等分子结构参数的影响见表2.由表2可看出,分离方法对玉米直链淀粉、中间成分和支链淀粉与碘形成复合物的λmax有影响,方法一和方法二的λmax相同,而方法三的λmax则相差较大.就碘亲和力和蓝值来说,方法三分离得到的玉米直链淀粉和支链淀粉的最大,方法二分离得到的玉米直链淀粉和支链淀粉的最小;但玉米淀粉中间成分的碘亲和力和蓝值,方法一分离得到的比方法二分离得到的要低.无论选用哪种分离方法,直链淀粉的聚合度均要低于支链淀粉的聚合度,相反直链淀粉的分子链长度比支链淀粉的要长.

表2 玉米淀粉分离组分的分子结构

3 结 论

(1)分离方法对玉米直链淀粉、中间成分和支链淀粉微观结构影响较大,特别地由方法三得到的玉米支链淀粉形成内部疏松多孔的团块.

(2)分离方法使玉米直链淀粉、中间成分和支链淀粉结晶相由A型转变为C型,并降低它们的微晶相比例和结晶度.

(3)分离方法对玉米直链淀粉、中间成分和支链淀粉碘亲和力、蓝值、平均聚合度、平均链长和摩尔平均链数的影响较大,而对它们与碘形成复合物的λmax影响较大的是方法三.

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