淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法及檢測

鄭州輕工業(yè)學院劉延奇二〇一七年七月淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法及檢測報告內(nèi)容淀粉的基本結(jié)構(gòu)概述1支鏈淀粉結(jié)構(gòu)模型2淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法3淀粉復合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)構(gòu)建45淀粉結(jié)構(gòu)檢測方法一、淀粉的基本結(jié)構(gòu)概述A型淀粉谷類淀粉B型淀粉塊莖類淀粉C型淀粉香蕉淀粉和多數(shù)豆類淀粉V型淀粉直鏈淀粉與脂肪等的混合物天然淀粉玉米淀粉小米淀粉大黃米淀粉馬鈴薯淀粉黑豆淀粉紅豆淀粉綠豆淀粉小麥淀粉102030Diffractionangle(2theta)

圖1.不同晶型淀粉的X-射線衍射圖BCV塊莖塊莖和種子螺旋直鏈淀粉配合物谷類A一、淀粉的基本結(jié)構(gòu)概述15o，17o，18o和23o6o，17o，18o，22o，24o6o，17o，18o和23o8o，12o，19o和22o

淀粉顆粒的精細結(jié)構(gòu)不同淀粉顆粒的外貌淀粉顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一、淀粉的基本結(jié)構(gòu)概述直鏈淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)支鏈淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)直鏈淀粉的鏈結(jié)構(gòu)支鏈淀粉的鏈結(jié)構(gòu)淀粉顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)淀粉顆粒的內(nèi)部是實心的還是空心的？淀粉顆粒的內(nèi)部是均勻的還是不均勻的？淀粉顆粒有無核心？淀粉顆粒能不能進行剝層（皮）？淀粉顆粒是結(jié)晶的還是無定型的？淀粉顆粒內(nèi)部的淀粉分子是怎樣排列和分布的？天然淀粉顆粒作為植物能量的儲存形式，在生長過程中按照其自身的規(guī)律和植物基因的控制形成一定的形狀，這些我們都可以根據(jù)掃描電鏡觀測的結(jié)果來了解。但是淀粉顆粒內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)卻需要將顆粒切開或掰開后才能觀測到。圖2A-e馬鈴薯淀粉加熱處理f再用酶a大顆粒淀粉酶處理bc小顆粒Tamaki等人用干燥加熱和葡萄糖淀粉酶共同處理馬鈴薯淀粉，然后用SEM觀測，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉顆粒外層降解后露出了內(nèi)部的同樣的淀粉球形顆粒結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒是層狀結(jié)構(gòu)組成的，當?shù)矸郾幌?0%以上時，其X-射線衍射圖形不發(fā)生任何變化。圖3酶催化水解玉米淀粉產(chǎn)生的多孔淀粉及其斷面結(jié)構(gòu)圖3-1玉米淀粉顆粒的生長環(huán)結(jié)構(gòu)圖3-2玉米淀粉顆粒的核心結(jié)構(gòu)酸解馬鈴薯淀粉酸解玉米淀粉圖4酸解淀粉顆粒淀粉鑲嵌到樹脂中后，將樹脂切開，在樹脂的斷面上發(fā)現(xiàn)的部分淀粉分子的橫斷面，用酸處理后再用醇清洗后的掃描電子顯微鏡照片圖5天然淀粉顆粒切面生長環(huán)結(jié)構(gòu)AFM圖象中的力學性能的相的圖象、力調(diào)制形態(tài)和振幅圖象和LFM形態(tài)以及摩擦力圖象中均可以觀測到10–30nm大小的塊狀特征，Lintner化的淀粉顆粒切片的力學性能影像。(a)和(b)分別是出渣模式的形態(tài)和相的圖象。在相的圖象中可以觀測到10–30nm大小的塊狀特征。(c)和(d)分別是來自于與(a)和(b)同一區(qū)域的力調(diào)制形態(tài)和振幅圖象，在振幅圖象中，通過比較可以觀測到同樣的較大的塊狀特征。(e)和(f)分別是LFM形態(tài)和摩擦力圖象，這里的塊也很明顯。圖6淀粉切面AFM圖7顆粒切面所顯示的在結(jié)晶片層中的支鏈淀粉雙螺旋的定向性

Waigh等人于1997年用X射線微焦衍射對淀粉顆粒的天然結(jié)構(gòu)進行分析，所顯示的顆粒切面在結(jié)晶片層中的支鏈淀粉雙螺旋的定向性。大部分直鏈淀粉是以無規(guī)線團形式存在的。顆粒中的直鏈淀粉自身一般不形成結(jié)晶區(qū)域；少部分直鏈淀粉也可能參與了結(jié)晶片層的形成，它影響著晶粒的大?。坏矸垲w粒中的結(jié)晶區(qū)是由支鏈淀粉的側(cè)鏈所形成的。二、支鏈淀粉結(jié)構(gòu)模型1、支鏈淀粉的樹枝狀模型圖8193719371940圖9支鏈淀粉的束狀模型。1969100~~300；19722、支鏈淀粉的束狀模型支鏈淀粉的束狀片層模型197450~~601974年，Robin等人提出了馬鈴薯支鏈淀粉的可能的結(jié)構(gòu)模型，并將其分為緊密排列的區(qū)域（微晶區(qū)域）和非緊密排列的區(qū)域。酸水解后再進行進一步的結(jié)構(gòu)分析，得出淀粉微晶區(qū)域是由鏈長度為15個葡萄糖單元的淀粉鏈的緊密排列而形成的。根據(jù)每個葡萄糖單元的高度為4?，從而可以計算出DP為15的緊密排列的鏈在沿著鏈軸方向的厚度為60?。

圖104、雙螺旋結(jié)構(gòu)模型WuandSarko于1978年提出了直鏈淀粉鏈雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。他們認為不論是在A型中還是在B型結(jié)構(gòu)中，晶體結(jié)構(gòu)中的淀粉鏈均以雙螺旋方式存在。在A型結(jié)構(gòu)中，淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)以左旋平行扭曲的方式被包裹在空間基團B2單元中。在B型結(jié)構(gòu)中，雙螺旋結(jié)構(gòu)被包裹在具有P61空間排列的六重單元內(nèi)。5、支鏈淀粉的生長環(huán)模型1980年Kainuma根據(jù)雙螺旋結(jié)構(gòu)的排列結(jié)論并結(jié)合生長周期，提出了支鏈淀粉的生長環(huán)結(jié)構(gòu)模型。一個單層的厚度大約在1200到4000?之間，圖中顯示出了支鏈淀粉在一個生長環(huán)內(nèi)的示意圖。在一個生長環(huán)內(nèi)部，其中支鏈淀粉的結(jié)晶片層厚66.5?，無定型片層（支化點結(jié)構(gòu)）的厚度為20?。每個生長環(huán)需要大概16個這樣的片層重復結(jié)構(gòu)，每個片層中的結(jié)晶的“簇”相互鄰近形成了密實的高結(jié)晶區(qū)域，其中的“簇”是由支鏈淀粉的短鏈形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)堆積而成。

圖11支鏈淀粉生長環(huán)模型圖12日本學者Tamaki則認為在這種支鏈淀粉的片層結(jié)構(gòu)中，還穿插著直鏈淀粉鏈，直鏈淀粉的部分鏈段也可能參與到結(jié)晶片層中了。

圖132000tako圖14Kozhevnikov等人提出在同一層面上的支鏈淀粉的雙螺旋鏈相互之間形成結(jié)晶片層，在顆粒處于開始生長的初期的乳狀狀態(tài)時，根據(jù)其焓變計算出其具有6.3nm厚的結(jié)晶片層，直鏈淀粉穿插在其間（圖a）。對于成熟的淀粉，Jenkin和Donald認為直鏈淀粉鏈和支鏈淀粉鏈之間形成了雙螺旋結(jié)構(gòu)，共同參與到結(jié)晶區(qū)域中，微晶片層厚度為7.2nm。Kozhevnikov等人認為可能是直鏈淀粉本身首先形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，然后再與支鏈淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)一起組成結(jié)晶片層，并計算出其片層厚度為8.1nm。結(jié)晶片層厚度的增加可能是由于在顆粒中的“tie”鏈處于臨界成熟的狀態(tài)時，直鏈淀粉“tie”鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的原因。直鏈淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)長度要比由支鏈淀粉形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)長度長很多。6、側(cè)鏈液晶聚合物模型Waigh等人于2000年提出了支鏈淀粉的側(cè)鏈液晶聚合物（Side-ChainLiquid-CrystallinePolymer(SCLCP)）模型。所有的干樣品（小于5%水份）都處于玻璃態(tài)的向列型狀態(tài)。多余的水使得側(cè)鏈和主鏈被塑化，它們的流動性增加導致片層的自組裝。小角X射線散射實驗、DSC單放熱轉(zhuǎn)變均證明了支鏈淀粉雙螺旋并排排成直線形成近晶狀液晶形態(tài)。純甘油被用作支鏈淀粉螺旋進入片層的自組裝促進劑，但需要額外的加熱。圖15支鏈淀粉生長環(huán)模型Pitchoflamellarhelices(P=9nm)SidePlanAxisofamylopectinhelices(z)TopPlanAmylopectindoublehelixOuterdiameter(18nm)Innerdiameter(8nm)圖16雙螺旋平面圖三、淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法直鏈淀粉分子結(jié)構(gòu)長鏈淀粉不易形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，只能相互之間凝沉、或絮凝，（其中部分鏈段之間形成緊密排列結(jié)構(gòu)）專業(yè)上稱為老化；短鏈淀粉（聚合度為15-25）之間易于形成雙螺旋結(jié)構(gòu);time（d）0248121635crystallinity（%）36.748.352.254.257.863.775.3yield（%）10087.177.561.250.739.928.2隨著水解程度的加深，收率下降，但是淀粉的結(jié)晶度不斷提高。表明：（1）淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)晶區(qū)域比較耐酸水解；（2）通過水解可以得到能夠形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)的短鏈直鏈淀粉。圖17B-型微晶淀粉

衍射峰強度從天然淀粉的200—300增大至1400cps;衍射峰有7個30淀粉的結(jié)晶化及復合物構(gòu)建

圖18A-型微晶淀粉衍射峰位置分別處于15o、17o、18o和23o；球型結(jié)晶，粒徑3—5μmB-型微晶淀粉在較高濃度和較高溫度下結(jié)晶時，得到A-型微晶淀粉。32四、淀粉復合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建復合物構(gòu)建方法：

水溶液中高溫復合，低溫結(jié)晶法；混合溶劑中高溫復合，低溫結(jié)晶法（控制溶劑的極性）；淀粉和配體在不同溶劑分別溶解，再進行混合復合的方法油酸棕櫚酸硬脂酸圖19短鏈直鏈淀粉-羧酸復合物正己醇正丁醇正辛醇圖20短鏈直鏈淀粉-醇類復合物圖21V型直鏈淀粉-醇類復合物ABCDA、B、C、D分別代表V乙醇、V正丁醇、V正己醇、V正辛醇1單甘酯、硬脂酰乳酸鈉、蔗糖酯圖3V型直鏈淀粉-酯類復合物圖22短鏈直鏈淀粉-脂類復合物圖23淀粉-正辛醇復合物不同因素對復合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響表

淀粉濃度與產(chǎn)品的結(jié)晶度淀粉濃度%7.4o(cps)12.9o(cps)19.8o(cps)相對總峰面積衍射峰面積相對結(jié)晶度%2122.84460.43498.422168.881277.8958.914140.28489.59514.812281.681390.6260.94684.14343.66387.842057.311134.4455.60888.23352.28350.341952.71998.3051.12乙醇濃度對復合物結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響淀粉濃度（%）7.4o(cps)12.9o(cps)19.8o(cps)相對總峰面積衍射峰面積相對結(jié)晶度%3281.31300.10311.641817.80950.3152.2734108.57407.94416.252097.041269.2060.093693.59360.26384.712150.971158.6153.863887.48334.54331.142009.011056.7452.06表

乙醇濃度與產(chǎn)品的結(jié)晶度圖24直鏈淀粉螺旋結(jié)構(gòu)圖25不同來源淀粉的拉曼光譜振動特性五、拉曼光譜在淀粉結(jié)構(gòu)表征中的應用馬鈴薯淀粉Wavenumber（cm-1）Assignment2909.55CH的對稱和反對稱伸縮振動1458.54CH2彎曲振動、CH和COH的變形振動1378.49CH和COH的彎曲振動1338.11CO的伸縮振動和COH變形振動1259.61側(cè)鏈CH2OH的相關(guān)振動1124.54CO伸縮和COH彎曲振動1079.68COH彎曲振動938.974COC變形振動863.969CCH變形振動、COC變形振動475.602CCC骨架變形振動圖26馬鈴薯淀粉與酸解淀粉拉曼光譜對比分析拉曼光譜在淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)研究中的應用圖27不同晶體類型的X-RD圖，及拉曼光譜圖馬鈴薯原淀粉Wavenumber（cm-1）B型淀粉Wavenumber（cm-1）V型淀粉Wavenumber（cm-1）Assignment1458.541458.541457.59CH2彎曲振動、CH和COH的變形振動1378.491377.541382.33CH和COH的彎曲振動1338.111338.111333.29CO的伸縮振動和COH變形振動1259.611262.461260.51側(cè)鏈CH2OH的相關(guān)振動1124.541122.551122.55CO伸縮和COH彎曲振動1079.681079.611079.61COH彎曲振動938.974938.974946.125COC變形振動863.969863.969861.903CCH變形振動、COC變形振動475.602476.692478.871CCC骨架變形振動表

拉曼圖譜分析2.四種不同結(jié)構(gòu)淀粉拉曼光譜圖圖28a-天然玉米淀粉;b-酸解玉米淀粉;c-B型玉米淀粉;d-無定型淀粉圖中為四種不同結(jié)構(gòu)玉米淀粉樣品的拉曼光譜圖，圖中清晰地顯示出了散射峰的強弱及其他一些特征。其中，無定型淀粉樣品的散射峰很弱，在低波數(shù)區(qū)間的散射峰幾乎消失。直觀地對比各散射峰強度也能發(fā)現(xiàn)，天然玉米淀粉和酸解玉米淀粉的散射峰強度較大（2908cm-1，475.6cm-1），而B型微晶淀粉的散射峰強度稍小，這可能對應的是樣品中結(jié)晶區(qū)域的大小和尺寸。50表

不同結(jié)構(gòu)玉米淀粉樣品的拉曼特征振動對比原淀粉(cm-1)酸解淀粉(cm-1)B型淀粉(cm-1)無定型淀粉(cm-1)對應基團結(jié)構(gòu)2910.32908.82908.82910.3CH對稱和反對稱伸縮振動1458.61458.61457.7——CH、CH2、COH的彎曲振動1376.71377.61377.6——COH的彎曲振動1337.21337.21337.2——CO的伸縮振動