B型微晶山药淀粉的表征

周晓微 杭书扬 薛梦豪 张家瑞 刘延奇

摘要：为改善山药淀粉的性质，以山药淀粉为原料，在35 ℃条件下经盐酸（2.2 mol/L）水解96 h得酸解山药淀粉，再经溶解、离心和冷冻结晶得到微晶山药淀粉。通過对山药淀粉、酸解山药淀粉和微晶山药淀粉进行结构表征，得到结果：山药淀粉、酸解山药淀粉呈鹅卵石状，粒径约为5～25 μm，微晶山药淀粉是直径3～8 μm的球形颗粒；山药淀粉、酸解山药淀粉晶型为C型，结晶度分别为42.4%和45.1%，而微晶山药淀粉晶型为B型，结晶度提高至45.8%；酸解和结晶化处理未使淀粉引入新的官能团，但其短程有序性得到了进一步提升；与山药原淀粉相比，酸解山药淀粉和B型微晶山药淀粉的起始分解温度越来越低，分解速率最大时温度逐步上升，微晶淀粉的热稳定性提高；在微晶化过程中山药淀粉分子量不断减小，所形成的酸解淀粉和B型微晶淀粉的葡萄糖聚合度分别为123.27和49.55。

关键词：山药淀粉；酸解淀粉；微晶淀粉；结晶度；短程有序性

中图分类号：TS235.2      文献标志码：A     文章编号：1000-9973（2023）08-0168-05

Characterization of B-Type Microcrystalline Yam Starch

ZHOU Xiao-wei1，2，3， HANG Shu-yang1， XUE Meng-hao1， ZHANG Jia-rui1， LIU Yan-qi1，2，3*

（1.College of Food and Biological Engineering， Zhengzhou University of Light Industry，

Zhengzhou 450001， China; 2.Henan Collaborative Innovation Center of Food Production

and Safety， Zhengzhou 450001， China; 3.Henan Key Laboratory of Cold Chain

Food Quality and Safety Control， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： In order to improve the properties of yam starch， yam starch is used as the raw material and is hydrolyzed with hydrochloric acid （2.2 mol/L） at 35 ℃ for 96 h to obtain acid hydrolyzed yam starch. The microcrystalline yam starch is then obtained by dissolution， centrifugation and freezing crystallization. Through the structure characterization of yam starch， acid hydrolyzed yam starch and microcrystalline yam starch， the results are obtained： the shape of yam starch and acid hydrolyzed yam starch is like a cobblestone， with the particle size of 5～25 μm， and microcrystalline yam starch is spherical particle with the diameter of 3～8 μm. The crystal form of yam starch and acid hydrolyzed yam starch is C type， with crystallinity of 42.4% and 45.1% respectively， while the crystal form of microcrystalline yam starch is B type， and the crystallinity increases to 45.8%. Acid hydrolysis and crystallization treatment do not introduce new functional groups into the starch， but its short-range order is further improved. Compared with the original yam starch， the initial decomposition temperature of acid hydrolyzed yam starch and B-type microcrystalline yam starch is lower and lower， and the temperature gradually increases when the decomposition rate reaches its maximum， resulting in the improvement in the thermal stability of microcrystalline starch. During the process of microcrystallization， the molecular weight of yam starch decreases continuously， and the glucose polymerization degrees of the formed acid hydrolyzed starch and B-type microcrystalline starch are 123.27 and 49.55 respectively.

Key words： yam starch; acid hydrolyzed starch; microcrystalline starch; crystallinity; short-range order

收稿日期：2023-02-22

基金項目：河南省自然科学基金项目（222300420580）；河南省科技攻关项目（222102110337）

作者简介：周晓微（1978－），女，河南南阳人，讲师，硕士，研究方向：天然多糖的研究与开发。

通信作者：刘延奇（1964－），男，河南郑州人，教授，博士，研究方向：淀粉及功能性食品。

天然淀粉经过温和酸解，或者经过进一步的结晶化处理得到的具有较高结晶度的淀粉微晶束、片晶或其他晶形的短链直链淀粉的聚集体称为微晶淀粉[1]。虽然微晶体系中可能残余少量的α-1，6-糖苷键，但是绝大多数微晶淀粉的葡萄糖单元仍是通过α-1，4-糖苷键组成。根据淀粉X射线衍射图强衍射峰的不同，微晶淀粉分为A、B、C、V型，A型微晶淀粉强衍射峰位于9.9°、11.2°、15°、17°、18°、23.3°；B型微晶淀粉强衍射峰位于5.6°、15°、17°、22°、24°；C型微晶淀粉结合了A、B两种淀粉，在趋势上更趋向于B型；V型微晶淀粉是人工合成的一种淀粉。不同方法制备的微晶淀粉的晶型结构也不尽相同，一般情况下，温和酸催化水解并不会改变淀粉的晶型结构[2-4]，而经过重结晶制备的微晶淀粉的晶型结构则与制备条件有关。与天然淀粉相比，微晶淀粉有着更高的热稳定性、耐压性和耐剪切性，可弥补天然淀粉在某些理化性质上的不足，因此，近年来被广泛应用于各领域中[5]。

淀粉是山药中主要的有效成分，山药淀粉与普通玉米、小麦、马铃薯淀粉相比有较高的变性温度，但有关山药微晶淀粉的研究却鲜有报道[6]，因此本试验以山药淀粉为原料，经盐酸水解、结晶制成相对结晶度较高的B型微晶山药淀粉，采用扫描电镜（SEM）、X-射线衍射仪（XRD）、傅里叶红外光谱仪（FT-IR）、差示扫描量热分析仪（DSC）、同步热重分析（TG）以及多角度激光散射凝胶渗透色谱等方法，对微晶淀粉、酸解淀粉与山药原淀粉结构和性质上的差异进行分析，为将来更好地应用山药淀粉资源提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试剂

实验试剂表见表1。

1.2 仪器与设备

仪器与设备表见表2。

1.3 方法

1.3.1 制备方法

酸解山药淀粉制备：参考文献[7]的方法并稍加修改。取20 g山药淀粉，用盐酸（2.2 mol/L）配成淀粉悬浮液（30%），在35 ℃恒温条件下用盐酸酸解96 h，抽滤，用去离子水洗涤3次后用NaOH溶液中和至pH值为7，再用无水乙醇洗涤3次，收集固体，室温晾干备用。

B型微晶山药淀粉制备：将得到的酸解山药淀粉配成悬浮液（10%），加热煮沸使其充分溶解，自然冷却到室温，室温下离心（4 000 r/min，10 min），除去不溶物，上层清液在－18 ℃下冷冻12 h。将冷冻样品在室温下缓慢解冻，当残余少量冰晶时，及时抽滤，并用冷水洗涤，然后用无水乙醇洗涤3次，收集滤饼，在室温下晾干即得B型微晶山药淀粉[8]。

1.3.2 扫描电镜（SEM）观察

采用SEM对淀粉样品进行形貌和微观结构研究，用胶带粘取干燥的淀粉均匀涂开，并吹去表面多余的淀粉颗粒，然后在真空环境下进行喷金，图像采集的加速电压为3.0 kV，在放大倍数为1 000倍的条件下进行拍摄[9]。

1.3.3 X-射线衍射仪（XRD）测试

采用XRD，在工作电压、电流和衍射角（2θ）的扫描范围分别为30 kV、20 mA和5°～35°的条件下，得到淀粉样品的XRD谱图。样品结晶度按照文献[10]的方法进行计算。

1.3.4 傅里叶红外光谱仪（FT-IR）测试

参考文献[11]的方法，通过FT-IR光谱仪分析淀粉样品的化学结构，1 mg样品与100 mg溴化钾（烘箱干燥4～6 h）混合、研磨、压片，分辨率设置为0.4 cm-1，光谱记录范围为400～4 000 cm-1。

1.3.5 同步热重分析（TG）测试

根据文献[12]的方法，采用TG方法对淀粉样品的热性能进行测定，升温范围为50～600 ℃，升温速率为10 ℃/min，负载气体为N2。

1.3.6 差示扫描量热仪（DSC）测试

各准确称量3种淀粉样品3.0 mg加入铝盘中，补加纯净水至10 mg，室温下静置过夜。升温范围为20～120 ℃，设定程序，将升温速率控制在10 ℃/min，以不含样品的空铝盘作对照，从而测得3种淀粉样品的吸热变化趋势，同时采用TA软件对数据进行处理。

1.3.7 分子量测定

采用多角度激光散射凝胶渗透色谱法对淀粉样品进行分子量测定，将样品溶解于去离子水中，配制成0.3%（质量和体积比）的水溶液，流动相为50 mmol/L NaNO3和0.02% NaN3的混合溶液，待测样品及流动相经超声、抽滤（0.2 μm抽滤膜）后进行分析测定[13]。

1.4 数据处理

试验数据均重复3次，采用Excel整理数据，用IBM SPSS Statistics 22.0软件程序Duncan检验法进行显著性分析（P<0.05），并以平均值±标准差（x±s）表示，均采用Origin 6.1软件作图。FT-IR数据经OMNIC软件进行短程有序性分析，DSC数据采用TA软件进行分析。

2 结果与讨论

2.1 SEM结果分析

山药淀粉、酸解淀粉和B型微晶淀粉的扫描电子显微镜照片（1 000倍）见图1。

由图1可知，天然的山药淀粉为厚片鹅卵石形状，颗粒分散，表面光滑，粒径约为5～25 μm；经盐酸恒温水解4 d后，淀粉颗粒总体形貌仍为厚片鹅卵石状，颗粒分布、大小也与原淀粉相似，但表面经盐酸作用变得粗糙，光泽下降，甚至部分淀粉出现了颗粒断裂现象；酸解淀粉经溶解、冷冻、结晶形成B型微晶淀粉后，淀粉颗粒外观发生明显的改变，为小球体，粒径约为3～8 μm，颗粒之间发生了粘连现象。

2.2 XRD图谱分析

山药淀粉、酸解淀粉、B型微晶山药淀粉的XRD图谱见图2。

由图2可知，山药淀粉的特征衍射峰分别在2θ为6.07°、15.18°、17.22°、18.09°、23.14°处，兼有A型淀粉和B型淀粉的特征，即山药淀粉是C型淀粉结晶结构，结晶度为42.4%。经酸水解后，淀粉晶型几乎没有发生改变，但相对应特征衍射峰的强度都有所增强，相应的结晶度大（45.1%），这是因为温和酸水解主要发生在天然淀粉的无定形区域，导致淀粉中非结晶区减少。酸解淀粉进一步转化成微晶淀粉后，在2θ为6.07°、17.22°、19.98°、22.33°、24.12°处有特征衍射峰，在15.18°处的衍射峰有分化为两个峰的趋势，6.07°处的峰强度更高，这是B型结晶结构独有的特征衍射峰，此外，在22.33°和24.12°处的这2个峰也印证了微晶淀粉是B型结晶结构[14]，微晶淀粉的结晶度（45.8%）也较酸解淀粉有进一步的提高。

2.3 FT-IR图谱分析

红外光谱能够表现出分子结构间的差异，通常用于研究官能团的组成[15]，3种淀粉样品的FT-IR光谱在500～4 000 cm-1处的结果见图3。

由图3可知，3种淀粉样品的红外光谱上都存在着相同的特征峰，表明微晶淀粉在生产过程中并没有其他的官能团产生。O－H基团的伸缩振动产生在3 430 cm-1附近的较宽的特征峰，在2 930 cm-1附近的特征峰则是由C－H在糖基甲基和亚甲基上的变形振动而产生的[16]。在1 650 cm-1附近的峰值与O－H的变形振动密切相关，与淀粉的不定形区域也相关 [17]。

通过对红外光谱的数据进行处理还可得淀粉的短程有序性，红外中1 047 cm-1和1 022 cm-1处的吸光度值与淀粉的短程有序性呈正相关关系[18]。通过OMNIC软件对淀粉红外图谱在1 200～800 cm-1范围内去卷积化，进一步进行峰拟合，从而得到3种淀粉样品在1 047 cm-1和1 022 cm-1處的吸光度值。山药淀粉、酸解淀粉、B型微晶淀粉的短程有序性分别为0.78±0.08，0.86±0.05，0.96±0.03，表明微晶山药淀粉制备过程中，其短程有序性不断增强，微晶淀粉具有更紧密、有序的结构。

2.4 TG结果分析

3种淀粉的TG和DTG结果见图4～图6。

由图4～图6可知，图形具有相似的曲线形态，可分为3个阶段：第一阶段50～250 ℃，样品的质量略有下降，这一阶段主要涉及样品中水分的蒸发；从第二阶段250～350 ℃可以观察到淀粉的快速失重，这可能是淀粉的热解分解所致；在最后阶段350～600 ℃，由于淀粉完全分解，样品的失重变得缓慢[19]。

3种淀粉对应的热降解数据见表3。

由表3可知，B型微晶淀粉的起始分解温度最低，其在230.86 ℃就开始分解失重，山药淀粉的外延起始温度最高，在272.14 ℃才开始分解，酸解山药淀粉处于二者之间，这是因为外延起始温度与淀粉的分子量有关[20]，在微晶淀粉制备过程中，淀粉的分子量不断减小，从而使得外延起始温度逐步降低。由DTG图可知，山药淀粉、酸解淀粉和B型微晶淀粉分别在308.94，314.53，316.25 ℃达到峰值，此时主要涉及淀粉的分解，B型微晶山药淀粉的峰值温度最高，这可能与其高结晶度指数有关，高结晶度的样品具有较高的热稳定性[21]。

2.5 DSC图谱分析

3种淀粉的DSC图谱见图7。淀粉糊化的实质是充足水分条件下淀粉颗粒内聚集态结构被破坏，由有序向无序的熔融相变过程，而DSC可对淀粉糊化过程中起始温度（T0）、糊化温度（TP）、最终温度（TC）和糊化焓值（ΔH）进行表征。其相对应的热特性参数见表4，微晶淀粉的熔融参数高于原淀粉，但焓值却降低了，上述结果表明经过酸解重结晶处理后，聚合物重新组装形成了更致密的晶体结构，热稳定性提高，这与红外、XRD和TG的分析结果一致。焓值降低可能是酸解使原淀粉中支链淀粉降解形成更多的短链分子，在重结晶过程中，其双螺旋稳定性下降，双螺旋解旋及晶体破坏所需能量相对较小所导致[22]。

2.6 分子量分析

3种不同淀粉的分子量分布见图8，其中横坐标对应的是重均分子量的对数值。

由图8可知，山药淀粉的两个峰分别为104.993 78 =98 578和105.852 18 =711 508，其峰值聚合度分别为608和4 392，重均分子量为405 043，相当于平均聚合度为2 500.27左右；经过盐酸酸解96 h后，酸解淀粉的分子量为104.300 38=19 970，聚合度约为123.27；随后重结晶得到B型微晶淀粉的分子量为103.904 54=8 027，聚合度在49.55左右。在B型微晶淀粉制备过程中淀粉分子的分子量和聚合度不断减小，这可能是因为淀粉分子中大多数分子量较大的长链经过离心分离除去，这也使得B型微晶淀粉热不溶物质减少[20]。

3 结论

山药淀粉为C型晶型结构，经温和酸水解得到酸解山药淀粉，再经溶解、离心和冷冻结晶化处理得到微晶山药淀粉。微晶山药淀粉为直径3～8 μm的球形颗粒，XRD测试显示其为标准的B型微晶结构，结晶度为45.8%；FT-IR检测表明，酸解和结晶化处理未引入新的官能团，但其短程有序性得到进一步的提升；TG、DTG和DSC测试结果表明，与山药原淀粉相比，酸解淀粉和B型微晶淀粉的起始分解温度越来越低，但最大分解速率时的温度则逐步上升，微晶的热稳定性提高；在微晶化过程中山药淀粉分子量不断减小，所形成酸解淀粉和B型微晶淀粉的葡萄糖聚合度分别为123.27和49.55。综上，山药淀粉经微晶化可得到一种结晶度高、短程有序性强、颗粒更小、热稳定性更高、分子量更小的B型微晶淀粉，这为山药淀粉的改性研究及产品开发提供了新的理论依据。

参考文献：

[1]LIU Y Q， XIE H F， SHI M M. Effect of ethanol-water solution on the crystallization of short chain amylose from potato starch[J].Starch-Strke，2016，68（7-8）：683-690.

[2]周亚萍，闫溢哲，史苗苗，等.等离子体对不同浓度微晶淀粉结构的影响[J].食品工业，2019，40（8）：175-179.

[3]HONG J， AN D， ZENG X A， et al. Behaviors of large A-type and small B-type wheat starch granules esterified by conventional and pulsed electric fields assisted methods[J].International Journal of Biological Macromolecules，2020，155：516-523.

[4]SHI M M， LIANG X W， YAN Y Z， et al. Influence of ethanol-water solvent and ultra-high pressure on the stability of amylose-n-octanol complex[J].Food Hydrocolloids，2018，74：315-323.

[5]LIN N， HUANG J， CHANG P R， et al. Effect of polysaccharide nanocrystals on structure， properties， and drug release kinetics of alginate-based microspheres[J].Colloids and Surfaces B： Biointerfaces，2011，85（2）：270-279.

[6]陳佳希，李多伟.山药的功能及有效成分研究进展[J].西北药学杂志，2010，25（5）：398-400.

[7]刘延奇，于九皋，孙秀萍.B-型淀粉球晶的制备及表征[J].精细化工，2004，21（2）：31-34.

[8]刘延奇，杨留枝，于九皋，等.微晶淀粉的制备及影响微晶晶型的因素研究[J].中国粮油学报，2007（1）：56-59.

[9]GAN J P， HUANG Z Y， YU Q， et al. Microwave assisted extraction with three modifications on structural and functional properties of soluble dietary fibers from grapefruit peel[J].Food Hydrocolloids，2020，101：105549.

[10]MA Q Y， MA Z Y， WANG W X， et al. The effects of enzymatic modification on the functional ingredient-dietary fiber extracted from potato residue[J].LWT-Food Science and Technology，2021，153：112511.

[11]WANG K L， LI M， WEN X， et al. Optimization of ultrasound-assisted extraction of okra （Abelmoschus esculentus （L.） Moench） polysaccharides based on response surface methodology and antioxidant activity[J].International Journal of Biological Macromolecules，2018，114：1056-1063.

[12]DU X J， BAI X P， GAO W， et al. Properties of soluble dietary fibre from defatted coconut flour obtained through subcritical water extraction[J].International Journal of Food Science & Technology，2019，54（4）：1390-1404.

[13]JIA M Y， CHEN J F， LIU X Z， et al. Structural characteristics and functional properties of soluble dietary fiber from defatted rice bran obtained through Trichoderma viride fermentation[J].Food Hydrocolloids，2019，94：468-474.

[14]史苗苗，李丹，解慧芳，等.油炸对马铃薯淀粉特性的影响[J].食品工业科技，2018，39（1）：6-10.

[15]GAWKOWSKA D， CYBULSKA J， ZDUNEK A. Structure-related gelling of pectins and linking with other natural compounds： a review[J].Polymers，2018，10（7）：762.

[16]MA M M， MU T H. Modification of deoiled cumin dietary fiber with laccase and cellulase under high hydrostatic pressure[J].Carbohydrate Polymers，2016，136：87-94.

[17]闫溢哲，冯琳琳，周亚萍，等.酸解时间对B型玉米微晶淀粉结构的影响[J].食品工业，2019，40（7）：80-84.

[18]娄雪，杨留枝，史苗苗，等.小麦直链淀粉-单甘酯复合物的制备及表征[J].食品科技，2020，45（11）：243-249.

[19]刘华玲，史苗苗，周亚萍，等.茶多酚对马铃薯淀粉结晶结构的影响[J].食品工业，2019，40（4）：128-132.

[20]刘延奇.酸酶催化水解对淀粉结晶结构与性质的影响研究[D].天津：天津大学，2003.

[21]LUO X L， WANG Q， FANG D Y， et al. Modification of insoluble dietary fibers from bamboo shoot shell： structural characterization and functional properties[J].International Journal of Biological Macromolecules，2018，120：1461-1467.

[22]SHI M M， CHEN Y， YU S J， et al. Preparation and properties of RS Ⅲ from waxy maize starch with pullulanase[J].Food Hydrocolloids，2013，33（1）：19-25.