波谱分析技术在淀粉研究中的应用
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淀粉的退化结晶和自由的支链双螺旋结构的结晶 , 水 解的第 2个阶段双螺旋结构和结晶度都没有太大的 差别说明在酸水解第 1个阶段残余的双螺旋结构没 有水解也没有形成结晶 。 ＡｎｔｈｏｎｙＤｏｎａ等 [ 20] 用 ＮＭＲ
2010年第 36卷第 1期 (总第 265期 ) 123
食品与发酵工业 ＦＯＯＤＡＮＤＦＥＲＭＥＮＴＡＴＩＯＮＩＮＤＵＳＴＲＩＥＳ
加磁场作用 , 产生 2Ｉ+1个能级 (其中的 Ｉ为核自旋 量子 数 ), 称为 核磁能级 , 能 级间的差 值一定 , 都是
■Ｅ=ｔ×ｈ×Ｈ0 , 当外加电磁波 Ｅ=■Ｅ时 , 就产生核 的跃 迁 , 称为 ＮＭＲ。 ＮＭＲ实际上 也是一 种吸收 光 谱 , 其来源于原子核能级间的跃迁 。 ＮＭＲ按其测定 对象可分为碳谱和氢谱等 。 因为 ＮＭＲ信号 是发射 出的电磁射线的物理现象 , 与核的密度成一 定的比 例 。因此 , 可以利用 ＮＭＲ信号来反映样品的化学结 构 、分子或原子的扩散系数 、反应速率 、化学变化以及 其他性质 。 2.2 ＮＭＲ在淀粉颗粒结构研究中的应用
1995年 , ｖａｎＳｏｅｓｔ等 [ 1] 得出 , 淀粉在 1 047 ｃｍ-1 的红外吸收是淀粉结晶区的结构特征 , 代表了短程分
第一作者 :博士 , 副教授 。 ＊黑龙江省教育厅科技项目 (11411093);哈尔 滨市科技 局青年 基金项目 (2004ＡＦＱＸＪ036) 收稿日期 :2009 -08 -25
食品与发酵工业 ＦＯＯＤＡＮＤＦＥＲＭＥＮＴＡＴＩＯＮＩＮＤＵＳＴＲＩＥＳ
波谱分析技术在淀粉研究中的应用＊
赵凯 , 高惠梅 , 丁文明
(哈尔滨商业大学食品工程学院 , 食品科学与工程省级重点实验室 , 黑龙江 哈尔滨 , 150076)
摘 要 近年来随着对淀粉 研究的深入 , 波谱分析技术在淀粉研究中的使用日益 广泛 。文 中综述了近年来 红外 傅里叶光谱 、核磁共振和紫外可见光谱 这些波 谱分析技 术在淀 粉研究 中的 应用 。 着 重阐 述了其 在淀 粉颗粒 结 构 、糊化过程 、水解程度及变性过程分 析等方面的应用 , 为淀粉及其衍生物在不同领域的应 用提供相关的信息 。 关键词 波谱分析 , 红外傅里叶光谱 , 核磁共振 , 紫外 -可见光谱 , 淀粉
区域和 Ｖ型单螺旋结构 。 ＮＭＲ可以检测到纳米级的 结构 , 因此用 ＮＭＲ可以更准确的测定淀粉双螺旋结 构的含量 。 Ｂｏｇｒａｃｈｅｖａ等 [ 16] 研究了在不同水分含量 情况下 , 淀粉结晶区和无定形区的比值 。 研究结果 , 显示当淀粉的无定形区域在玻璃态时才会产生 ＮＭＲ
图谱 , 并且温度和水分含量影响无定形区域在 ＮＭＲ 图谱的位置及峰的面积和宽度 。 因此在用无定形区 的 ＮＭＲ图谱计算结晶区和无定形区的比值时 , 这 2 个因素很重要 。 2.3 ＮＭＲ在淀粉水解过程中的应用
ＮＭＲ用于淀粉颗粒结构研究的主要原理是淀粉
颗粒的结晶区 、无定形区和结晶类型在 ＮＭＲ图谱上 的化学位移和弛豫时间不同 。 核磁技术还可用于分 析淀粉 的分子 结构 。 ＦｌｏｒｅｎｃｅＪａｎｖｉｅｒ等 [ 15] 用 ＮＭＲ 观察了干燥和含水状态 下高交联直链淀粉 (ＣＨＡＳ) 的 ＮＭＲ图谱 。 在 Ｃ1 处的 ＮＭＲ图谱能够显 示淀粉 的结晶结构以及双螺旋结构的信息 , 因此分析 ＣＨＡＳ 的 ＮＭＲ图谱得出干燥和水合的 ＣＨＡＳ都含有非结晶
利用 ＦＴＩＲ可以研究 淀粉酶水解的过 程和酶解
后淀粉化学结构的变化 。 从而可以 利用 ＦＴＩＲ研究 不同酶对淀粉水解的途径和部位 。Ｓｃｈｉｎｄｌｅｒ等 [ 12] 用 ＦＴＩＲ研究 α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶这 2种酶的反应 活力和不同的反应途径 。 通过对 ＦＴＩＲ图 谱研究表 明 , 这 2种酶的反 应途径不同 , 但同时进 行 。 Ｆａｒｈａｔ 等[ 13] 研究了马铃薯和小麦等淀粉酸水解的 ＦＴＩＲ图 谱 , 由图谱可以 看出 , 马铃 薯和玉米原淀 粉的 ＦＴＩＲ 图谱与经过酸水解的 ＦＴＩＲ图谱的相似性 高于其他
综述与 专题评论
研究了淀粉经过辛烯基琥珀酸酐变性 (ＯＳＡ)后的变 化 。 变性淀粉光 谱出 现了 2个 新峰 , 其 中在 1 571 ｃｍ-1处的不对称峰是 —ＣＯＯ基团 , 而在 1 724 ｃｍ-1 处的峰是羰基的拉伸 。 说明这 2个峰是 ＯＳＡ变性淀 粉的特征 。ＰｏｍｐｉｌｉａＩｓｐａｓ-Ｓｚａｂｏ等 [ 7] 利用 ＦＴＩＲ研 究短程高交联直链淀粉分子的结构 , 在 ＦＴＩＲ图谱中 1 047、1 022 和 1 000 ｃｍ-1处 的 峰是 由交 联所 致 。 Ｚｈａｎｇ等[ 8] 用该技术研究淀粉 -丙烯酰胺共聚物接枝 反应机理和形态学变化 。Ｄｕｐｕｙａ等 [ 9] 研究了 4种类 型淀粉 (原淀粉 、冷水膨胀淀粉 、羟丙基化淀粉 、乙酰 化淀粉 )的 ＦＴＩＲ图谱和主成分分析傅里叶变换红外 光谱 (ＰＣＡ-ＦＴＩＲ)。 4种淀粉的 主要结构相同 , 故其 ＦＴＩＲ图谱相似 , 不易区分 , 而这 4种淀粉在 ＰＣＡ-ＦＴＩＲ图中的位置不同 , 可将其各自分开 。
化过程中结晶结构的变化 。结果表明 , 直链淀粉含量 越低 , 淀粉颗粒的结晶结构 在糊化过程中损 失得越 多。 1.3 ＦＴＩＲ在变性淀Hale Waihona Puke Baidu研究中的应用
在 ＦＴＩＲ中 , 不同的波数对应不同的化学键 。 当
所测物质的化学键发生变化时 ＦＴＩＲ也就发 生相应 的变化 。利用 ＦＴＩＲ可以研究 淀粉化学变性 过程和 变性后化学键的变化 。 用时也可利用 ＦＴＩＲ来推测 淀粉经过了哪类变性 。ＩｓｍａｅｌＥＲｉｖｅｒｏ等 [ 6] 用 ＦＴＩＲ
淀粉结构和性质研究的传统方法包括 Ｘ-射线衍 射 (ｘ-ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ, ＸＲＤ)、扫描 电子显 微镜 (ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ, ＳＥＭ)、差示扫描量热法 (ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｃａｎｎｉｎｇｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ, ＤＳＣ)等 , 随着淀粉科学 研究的深入 , 傅里叶红外变 换光谱 (ｆｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｉｎｆｒａｒｅｄ, ＦＴＩＲ)、核 磁 共 振 (ｎｕｃｌｅａｒｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅ, ＮＭＲ)、紫外 -可见光谱 (ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ-ｖｉｓｉｂｌｅｓｐｅｃｔｒｕｍ, ＵＶ/Ｖｉｓ)这些 波谱分 析技术在 淀粉的颗 粒结 构 、老化 、糊化 、变 性分析 等方面 的应用 日益 广泛 。 ＦＴＩＲ主要用于分析淀粉经过处理后结晶区 、无定形 区以及化学键的变化 ;ＮＭＲ主要用于研究淀粉经过 处理后结晶类型和双螺旋结构的变化及变性后取代 度 (ＤＳ)的测定和糊化程度的测定 ;ＵＶ/Ｖｉｓ可用于分 析淀粉经过处理后直链淀粉含量的变化 。
淀粉 。这就说明了马铃薯和玉米淀粉粒表面边缘有 序程度较其他淀粉高 。Ｇｏｒｄｏｎ等 [ 14] 用 ＦＴＩＲ研究酶 对不溶性玉米淀粉粒的催化 。研究结果表明 , 当玉米 淀粉粒中无定形区域的直链淀粉比结晶区水解速度
快时 , 玉米淀粉粒对酶的抵抗力增强 。
2 ＮＭＲ技术在淀粉研究中的应用
2.1 ＮＭＲ的基本原理 原子核带电 , 运动产生磁力矩 , 由于磁力矩与外
ＮＭＲ技术可以研究淀粉在水解过程中结 晶度 、 双螺旋结构和晶型的变化 。 Ｗａｎｇ等[ 17] 研究了原淀 粉和酸水解淀粉的 ＮＭＲ图谱 , 通过分析图谱可以得 出 , 无定形区比结晶区更容易水解 ;在 Ｃ型淀粉粒水 解过程中 Ｂ型结晶的含量比 Ａ型结晶下降的快 。 Ｙｕ 等[ 18] 用 ＣＰ/ＭＡＳ13ＣＮＭＲ研究 Ｃ型淀粉在水解中的 结构特性 。 研究表明 , 淀粉粒的无定形区域首先被水 解 , 而且只要水解时间足够充分 , 无定形区域会被完 全水解 。ＳａｉｙａｖｉｔＶａｒａｖｉｎｉｔ等[ 19] 用 ＮＭＲ研究酸水解 木薯淀粉颗粒有序性的变化 。 由 ＮＭＲ测得 在酸水 解中相应的双螺旋结构增加是由于无定形区的破坏 。 在酸水解的开始阶段相应的结晶度增加是因为直链
研究了淀粉在 二甲基亚 砜 (ＤＭＳＯ)中 分解的 机制 。 通过 ＮＭＲ图谱分析得出淀粉在无水 ＤＭＳＯ中比在
有一定水分的 ＤＭＳＯ中更易分解 , 特别是在高温下 。 这就显示了淀粉不同的分解途径 。 说明了在分解过 程中不仅仅是结晶减少还有其他重要的过程 。 ＤＭＳＯ中含有的水分对淀粉分解机制有很大的影响 。 2.4 ＮＭＲ在化学变性淀粉研究中的应用
ＮＭＲ可以测定变性淀粉的 ＤＳ, 同时提供了变性 淀粉的结构信息 。ＮＭＲ测定变性淀粉的 ＤＳ主要是 基于不同化学取代 基团在 ＮＭＲ的特 征波峰 。 Ｍａｔｔｉ Ｅｌｏｍａａ[ 21] 采用酸水解法和 1ＨＮＭＲ方法测定了乙酰 化淀粉的 ＤＳ。1ＨＮＭＲ对 ＤＳ的定量测定是通过计算 乙酰基团上甲基质子的信号和 α-Ｄ-葡萄糖聚合体上 质子的信号 (除去葡萄糖上面羟基的质子信号 )。 由 于 α-Ｄ-葡萄糖单位上 具有 7个 质子 (除去 —ＯＨ质 子 ), 乙酰基团 上具有 3个质子 , 那么乙酰化淀粉的 ＤＳ可以通过方程 ＤＳ=7Ａａｃｅ/3Ａａｑｕ计算得出 (其中 Ａａｃｅ是甲基信号的面积 , Ａａｑｕ是葡萄糖单元上质子 信号的面积 )。 ＡｎｉｔａＴｅｌｅｍａｎ等 [ 22] 用 ＮＭＲ研究次氯 酸盐氧化淀粉分离出来的低聚糖的羧基结构 , 次氯酸 盐氧化主要发生在葡聚糖单位中的 Ｃ2 、Ｃ3 位置 。 氧 化产生的羧基使环在 Ｃ2、Ｃ3 处发生断裂 , 氧化后两边 的糖苷键完整说 明氧化并 没导致 解聚 。 ＹｉｊｕｎＳａｎｇ 等[ 23] 用 31ＰＮＭＲ研究了磷酸化交联抗性淀粉反应过
122 2010Ｖｏｌ.36 Ｎｏ.1 (Ｔｏｔａｌ265)
子内的有序结构 ;而在 1 022ｃｍ-1的红外吸收则是淀 粉非结晶区的结构特征 , 两者的比值可用来表示淀粉 颗粒在短程范围内的结晶 程度 。 利用 ＦＴＩＲ可以研 究温度 、湿度 、储藏时间 、水分含量等对淀粉结晶结构 的影响 。Ｓｍｉｔｓ等 [ 2] 研究了储藏时间和水分含量对淀 粉结晶的影响 , 研究表明 , 随着储藏时间和相对湿度 的增加 淀粉 的 结晶 区域 增 加而 无 定 形区 域 减 少 。 Ｓｔｅｐｈａｎ等 [ 3] 用衰 减全反 射傅 里叶 红外光 谱 (ＡＴＲＦＴＩＲ)研究了在淀粉膜中淀粉结晶度的变化 。 研究 显示 , 在 1 047 /1 032吸收峰的比例增加 , 表明淀粉膜 中淀粉的结晶度增加 。 Ｌｉｕ等[ 4] 研究了在淀 粉和水 两项体系中 , 淀粉形成凝胶过程中结晶结构的变化 。 在 65℃以下红外吸收没有大的变化 。 表明淀粉的结 晶结构和无定形结构没有变化 , 并且淀粉和水分子之 间没有相互的影响 。随着温度的增加在结晶处聚合 的 1 -4糖苷键中的氢键和氢氧根中的氢键都会被破 坏 。同样在 1 020 ｃｍ-1处 出现 一个 新峰 。 在 1 020 ｃｍ-1处的峰是 Ｃ—Ｏ—Ｈ键 , 它和无定形区 、结晶区 的变化有关 。 1 020ｃｍ-1和 1 640ｃｍ-1的变化说明了 淀粉的凝胶首先是一个水解过程 。在 71℃这 2个峰 强度进一步减弱 , 说明了淀粉之间的氢键和氢氧根的 破裂加剧 。 这两个键的破裂导致了淀粉的水解 。 李 钟芳等 [ 5] 用 ＦＴＩＲ研究了不同种类的大米淀粉在糊
ＦＴＩＲ还可以研究淀粉经过物理变 性后 , 淀粉形 态和结构上的变化 。 Ｊｏｓｅｐｈ等 [ 10] 用 ＦＴＩＲ研究 γ射 线对淀粉的影响 。 在一定剂量射线辐射下 , 淀粉粒的 表面结晶结构没有被 破坏 。 Ｒｕｂｅｎｓ等[ 11] 用 红外研 究 6种不同类型淀粉凝胶的压力感应 。 淀粉在超高 压下 900 -1 300 ｃｍ-1处的红外吸收强度迅速增加而 且峰位置发生变化 。 Ｂ型淀粉的抗压能力大于 Ａ、Ｃ 型 , 淀粉粒的水合作用发生在凝胶结晶之前 。 1.4 ＦＴＩＲ在淀粉酶解过程研究中的应用
1 ＦＴＩＲ分析技术在淀粉研究中的应用
1.1 ＦＴＩＲ的原理 传统的光谱分析获得图谱的方法是扫描物质的
波长或与之对应的频率 。 它有 2个缺点 , 一是扫描全 谱的过程要花费相当长时间 ;二是为获得单一波长有 些信号会无偿的丢失 。 采用光谱的 时间域信息 (图 谱的横坐标用时间表示 )能 克服以上的缺点 。 而时 间域信息和频率域 信息 (图 谱的横坐标用与频率相 关的数据表示 )之间存在着 傅里叶变换的关 系 。 将 时间域信号经傅里叶变换后就是常见的频率域光谱 。 1.2 ＦＴＩＲ在淀粉结晶结构分析的应用
2010年第 36卷第 1期 (总第 265期 ) 123
食品与发酵工业 ＦＯＯＤＡＮＤＦＥＲＭＥＮＴＡＴＩＯＮＩＮＤＵＳＴＲＩＥＳ
加磁场作用 , 产生 2Ｉ+1个能级 (其中的 Ｉ为核自旋 量子 数 ), 称为 核磁能级 , 能 级间的差 值一定 , 都是
■Ｅ=ｔ×ｈ×Ｈ0 , 当外加电磁波 Ｅ=■Ｅ时 , 就产生核 的跃 迁 , 称为 ＮＭＲ。 ＮＭＲ实际上 也是一 种吸收 光 谱 , 其来源于原子核能级间的跃迁 。 ＮＭＲ按其测定 对象可分为碳谱和氢谱等 。 因为 ＮＭＲ信号 是发射 出的电磁射线的物理现象 , 与核的密度成一 定的比 例 。因此 , 可以利用 ＮＭＲ信号来反映样品的化学结 构 、分子或原子的扩散系数 、反应速率 、化学变化以及 其他性质 。 2.2 ＮＭＲ在淀粉颗粒结构研究中的应用
1995年 , ｖａｎＳｏｅｓｔ等 [ 1] 得出 , 淀粉在 1 047 ｃｍ-1 的红外吸收是淀粉结晶区的结构特征 , 代表了短程分
第一作者 :博士 , 副教授 。 ＊黑龙江省教育厅科技项目 (11411093);哈尔 滨市科技 局青年 基金项目 (2004ＡＦＱＸＪ036) 收稿日期 :2009 -08 -25
食品与发酵工业 ＦＯＯＤＡＮＤＦＥＲＭＥＮＴＡＴＩＯＮＩＮＤＵＳＴＲＩＥＳ
波谱分析技术在淀粉研究中的应用＊
赵凯 , 高惠梅 , 丁文明
(哈尔滨商业大学食品工程学院 , 食品科学与工程省级重点实验室 , 黑龙江 哈尔滨 , 150076)
摘 要 近年来随着对淀粉 研究的深入 , 波谱分析技术在淀粉研究中的使用日益 广泛 。文 中综述了近年来 红外 傅里叶光谱 、核磁共振和紫外可见光谱 这些波 谱分析技 术在淀 粉研究 中的 应用 。 着 重阐 述了其 在淀 粉颗粒 结 构 、糊化过程 、水解程度及变性过程分 析等方面的应用 , 为淀粉及其衍生物在不同领域的应 用提供相关的信息 。 关键词 波谱分析 , 红外傅里叶光谱 , 核磁共振 , 紫外 -可见光谱 , 淀粉
区域和 Ｖ型单螺旋结构 。 ＮＭＲ可以检测到纳米级的 结构 , 因此用 ＮＭＲ可以更准确的测定淀粉双螺旋结 构的含量 。 Ｂｏｇｒａｃｈｅｖａ等 [ 16] 研究了在不同水分含量 情况下 , 淀粉结晶区和无定形区的比值 。 研究结果 , 显示当淀粉的无定形区域在玻璃态时才会产生 ＮＭＲ
图谱 , 并且温度和水分含量影响无定形区域在 ＮＭＲ 图谱的位置及峰的面积和宽度 。 因此在用无定形区 的 ＮＭＲ图谱计算结晶区和无定形区的比值时 , 这 2 个因素很重要 。 2.3 ＮＭＲ在淀粉水解过程中的应用
ＮＭＲ用于淀粉颗粒结构研究的主要原理是淀粉
颗粒的结晶区 、无定形区和结晶类型在 ＮＭＲ图谱上 的化学位移和弛豫时间不同 。 核磁技术还可用于分 析淀粉 的分子 结构 。 ＦｌｏｒｅｎｃｅＪａｎｖｉｅｒ等 [ 15] 用 ＮＭＲ 观察了干燥和含水状态 下高交联直链淀粉 (ＣＨＡＳ) 的 ＮＭＲ图谱 。 在 Ｃ1 处的 ＮＭＲ图谱能够显 示淀粉 的结晶结构以及双螺旋结构的信息 , 因此分析 ＣＨＡＳ 的 ＮＭＲ图谱得出干燥和水合的 ＣＨＡＳ都含有非结晶
利用 ＦＴＩＲ可以研究 淀粉酶水解的过 程和酶解
后淀粉化学结构的变化 。 从而可以 利用 ＦＴＩＲ研究 不同酶对淀粉水解的途径和部位 。Ｓｃｈｉｎｄｌｅｒ等 [ 12] 用 ＦＴＩＲ研究 α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶这 2种酶的反应 活力和不同的反应途径 。 通过对 ＦＴＩＲ图 谱研究表 明 , 这 2种酶的反 应途径不同 , 但同时进 行 。 Ｆａｒｈａｔ 等[ 13] 研究了马铃薯和小麦等淀粉酸水解的 ＦＴＩＲ图 谱 , 由图谱可以 看出 , 马铃 薯和玉米原淀 粉的 ＦＴＩＲ 图谱与经过酸水解的 ＦＴＩＲ图谱的相似性 高于其他
综述与 专题评论
研究了淀粉经过辛烯基琥珀酸酐变性 (ＯＳＡ)后的变 化 。 变性淀粉光 谱出 现了 2个 新峰 , 其 中在 1 571 ｃｍ-1处的不对称峰是 —ＣＯＯ基团 , 而在 1 724 ｃｍ-1 处的峰是羰基的拉伸 。 说明这 2个峰是 ＯＳＡ变性淀 粉的特征 。ＰｏｍｐｉｌｉａＩｓｐａｓ-Ｓｚａｂｏ等 [ 7] 利用 ＦＴＩＲ研 究短程高交联直链淀粉分子的结构 , 在 ＦＴＩＲ图谱中 1 047、1 022 和 1 000 ｃｍ-1处 的 峰是 由交 联所 致 。 Ｚｈａｎｇ等[ 8] 用该技术研究淀粉 -丙烯酰胺共聚物接枝 反应机理和形态学变化 。Ｄｕｐｕｙａ等 [ 9] 研究了 4种类 型淀粉 (原淀粉 、冷水膨胀淀粉 、羟丙基化淀粉 、乙酰 化淀粉 )的 ＦＴＩＲ图谱和主成分分析傅里叶变换红外 光谱 (ＰＣＡ-ＦＴＩＲ)。 4种淀粉的 主要结构相同 , 故其 ＦＴＩＲ图谱相似 , 不易区分 , 而这 4种淀粉在 ＰＣＡ-ＦＴＩＲ图中的位置不同 , 可将其各自分开 。
化过程中结晶结构的变化 。结果表明 , 直链淀粉含量 越低 , 淀粉颗粒的结晶结构 在糊化过程中损 失得越 多。 1.3 ＦＴＩＲ在变性淀Hale Waihona Puke Baidu研究中的应用
在 ＦＴＩＲ中 , 不同的波数对应不同的化学键 。 当
所测物质的化学键发生变化时 ＦＴＩＲ也就发 生相应 的变化 。利用 ＦＴＩＲ可以研究 淀粉化学变性 过程和 变性后化学键的变化 。 用时也可利用 ＦＴＩＲ来推测 淀粉经过了哪类变性 。ＩｓｍａｅｌＥＲｉｖｅｒｏ等 [ 6] 用 ＦＴＩＲ
淀粉结构和性质研究的传统方法包括 Ｘ-射线衍 射 (ｘ-ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ, ＸＲＤ)、扫描 电子显 微镜 (ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ, ＳＥＭ)、差示扫描量热法 (ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｃａｎｎｉｎｇｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ, ＤＳＣ)等 , 随着淀粉科学 研究的深入 , 傅里叶红外变 换光谱 (ｆｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｉｎｆｒａｒｅｄ, ＦＴＩＲ)、核 磁 共 振 (ｎｕｃｌｅａｒｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅ, ＮＭＲ)、紫外 -可见光谱 (ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ-ｖｉｓｉｂｌｅｓｐｅｃｔｒｕｍ, ＵＶ/Ｖｉｓ)这些 波谱分 析技术在 淀粉的颗 粒结 构 、老化 、糊化 、变 性分析 等方面 的应用 日益 广泛 。 ＦＴＩＲ主要用于分析淀粉经过处理后结晶区 、无定形 区以及化学键的变化 ;ＮＭＲ主要用于研究淀粉经过 处理后结晶类型和双螺旋结构的变化及变性后取代 度 (ＤＳ)的测定和糊化程度的测定 ;ＵＶ/Ｖｉｓ可用于分 析淀粉经过处理后直链淀粉含量的变化 。
淀粉 。这就说明了马铃薯和玉米淀粉粒表面边缘有 序程度较其他淀粉高 。Ｇｏｒｄｏｎ等 [ 14] 用 ＦＴＩＲ研究酶 对不溶性玉米淀粉粒的催化 。研究结果表明 , 当玉米 淀粉粒中无定形区域的直链淀粉比结晶区水解速度
快时 , 玉米淀粉粒对酶的抵抗力增强 。
2 ＮＭＲ技术在淀粉研究中的应用
2.1 ＮＭＲ的基本原理 原子核带电 , 运动产生磁力矩 , 由于磁力矩与外
ＮＭＲ技术可以研究淀粉在水解过程中结 晶度 、 双螺旋结构和晶型的变化 。 Ｗａｎｇ等[ 17] 研究了原淀 粉和酸水解淀粉的 ＮＭＲ图谱 , 通过分析图谱可以得 出 , 无定形区比结晶区更容易水解 ;在 Ｃ型淀粉粒水 解过程中 Ｂ型结晶的含量比 Ａ型结晶下降的快 。 Ｙｕ 等[ 18] 用 ＣＰ/ＭＡＳ13ＣＮＭＲ研究 Ｃ型淀粉在水解中的 结构特性 。 研究表明 , 淀粉粒的无定形区域首先被水 解 , 而且只要水解时间足够充分 , 无定形区域会被完 全水解 。ＳａｉｙａｖｉｔＶａｒａｖｉｎｉｔ等[ 19] 用 ＮＭＲ研究酸水解 木薯淀粉颗粒有序性的变化 。 由 ＮＭＲ测得 在酸水 解中相应的双螺旋结构增加是由于无定形区的破坏 。 在酸水解的开始阶段相应的结晶度增加是因为直链
研究了淀粉在 二甲基亚 砜 (ＤＭＳＯ)中 分解的 机制 。 通过 ＮＭＲ图谱分析得出淀粉在无水 ＤＭＳＯ中比在
有一定水分的 ＤＭＳＯ中更易分解 , 特别是在高温下 。 这就显示了淀粉不同的分解途径 。 说明了在分解过 程中不仅仅是结晶减少还有其他重要的过程 。 ＤＭＳＯ中含有的水分对淀粉分解机制有很大的影响 。 2.4 ＮＭＲ在化学变性淀粉研究中的应用
ＮＭＲ可以测定变性淀粉的 ＤＳ, 同时提供了变性 淀粉的结构信息 。ＮＭＲ测定变性淀粉的 ＤＳ主要是 基于不同化学取代 基团在 ＮＭＲ的特 征波峰 。 Ｍａｔｔｉ Ｅｌｏｍａａ[ 21] 采用酸水解法和 1ＨＮＭＲ方法测定了乙酰 化淀粉的 ＤＳ。1ＨＮＭＲ对 ＤＳ的定量测定是通过计算 乙酰基团上甲基质子的信号和 α-Ｄ-葡萄糖聚合体上 质子的信号 (除去葡萄糖上面羟基的质子信号 )。 由 于 α-Ｄ-葡萄糖单位上 具有 7个 质子 (除去 —ＯＨ质 子 ), 乙酰基团 上具有 3个质子 , 那么乙酰化淀粉的 ＤＳ可以通过方程 ＤＳ=7Ａａｃｅ/3Ａａｑｕ计算得出 (其中 Ａａｃｅ是甲基信号的面积 , Ａａｑｕ是葡萄糖单元上质子 信号的面积 )。 ＡｎｉｔａＴｅｌｅｍａｎ等 [ 22] 用 ＮＭＲ研究次氯 酸盐氧化淀粉分离出来的低聚糖的羧基结构 , 次氯酸 盐氧化主要发生在葡聚糖单位中的 Ｃ2 、Ｃ3 位置 。 氧 化产生的羧基使环在 Ｃ2、Ｃ3 处发生断裂 , 氧化后两边 的糖苷键完整说 明氧化并 没导致 解聚 。 ＹｉｊｕｎＳａｎｇ 等[ 23] 用 31ＰＮＭＲ研究了磷酸化交联抗性淀粉反应过
122 2010Ｖｏｌ.36 Ｎｏ.1 (Ｔｏｔａｌ265)
子内的有序结构 ;而在 1 022ｃｍ-1的红外吸收则是淀 粉非结晶区的结构特征 , 两者的比值可用来表示淀粉 颗粒在短程范围内的结晶 程度 。 利用 ＦＴＩＲ可以研 究温度 、湿度 、储藏时间 、水分含量等对淀粉结晶结构 的影响 。Ｓｍｉｔｓ等 [ 2] 研究了储藏时间和水分含量对淀 粉结晶的影响 , 研究表明 , 随着储藏时间和相对湿度 的增加 淀粉 的 结晶 区域 增 加而 无 定 形区 域 减 少 。 Ｓｔｅｐｈａｎ等 [ 3] 用衰 减全反 射傅 里叶 红外光 谱 (ＡＴＲＦＴＩＲ)研究了在淀粉膜中淀粉结晶度的变化 。 研究 显示 , 在 1 047 /1 032吸收峰的比例增加 , 表明淀粉膜 中淀粉的结晶度增加 。 Ｌｉｕ等[ 4] 研究了在淀 粉和水 两项体系中 , 淀粉形成凝胶过程中结晶结构的变化 。 在 65℃以下红外吸收没有大的变化 。 表明淀粉的结 晶结构和无定形结构没有变化 , 并且淀粉和水分子之 间没有相互的影响 。随着温度的增加在结晶处聚合 的 1 -4糖苷键中的氢键和氢氧根中的氢键都会被破 坏 。同样在 1 020 ｃｍ-1处 出现 一个 新峰 。 在 1 020 ｃｍ-1处的峰是 Ｃ—Ｏ—Ｈ键 , 它和无定形区 、结晶区 的变化有关 。 1 020ｃｍ-1和 1 640ｃｍ-1的变化说明了 淀粉的凝胶首先是一个水解过程 。在 71℃这 2个峰 强度进一步减弱 , 说明了淀粉之间的氢键和氢氧根的 破裂加剧 。 这两个键的破裂导致了淀粉的水解 。 李 钟芳等 [ 5] 用 ＦＴＩＲ研究了不同种类的大米淀粉在糊
ＦＴＩＲ还可以研究淀粉经过物理变 性后 , 淀粉形 态和结构上的变化 。 Ｊｏｓｅｐｈ等 [ 10] 用 ＦＴＩＲ研究 γ射 线对淀粉的影响 。 在一定剂量射线辐射下 , 淀粉粒的 表面结晶结构没有被 破坏 。 Ｒｕｂｅｎｓ等[ 11] 用 红外研 究 6种不同类型淀粉凝胶的压力感应 。 淀粉在超高 压下 900 -1 300 ｃｍ-1处的红外吸收强度迅速增加而 且峰位置发生变化 。 Ｂ型淀粉的抗压能力大于 Ａ、Ｃ 型 , 淀粉粒的水合作用发生在凝胶结晶之前 。 1.4 ＦＴＩＲ在淀粉酶解过程研究中的应用
1 ＦＴＩＲ分析技术在淀粉研究中的应用
1.1 ＦＴＩＲ的原理 传统的光谱分析获得图谱的方法是扫描物质的
波长或与之对应的频率 。 它有 2个缺点 , 一是扫描全 谱的过程要花费相当长时间 ;二是为获得单一波长有 些信号会无偿的丢失 。 采用光谱的 时间域信息 (图 谱的横坐标用时间表示 )能 克服以上的缺点 。 而时 间域信息和频率域 信息 (图 谱的横坐标用与频率相 关的数据表示 )之间存在着 傅里叶变换的关 系 。 将 时间域信号经傅里叶变换后就是常见的频率域光谱 。 1.2 ＦＴＩＲ在淀粉结晶结构分析的应用