淀粉研究中的波谱分析

淀粉研究中的波谱分析

淀粉是植物主要的能量贮藏物质，也是重要的食品来源和工业原料。植物淀粉以半晶态的颗粒形式存在于自然界，包含结晶区和无定形区2种结构成分，主要由直链淀粉和支链淀粉组成。淀粉分子中的直链淀粉和支链淀粉中的短链部分形成了双螺旋结构，又称为短程有序结构(short-range ordered structure)，这些双螺旋分子链通过分子间的相互作用力以一定的空间点阵在淀粉颗粒的某些区域形成不同的多晶形，即晶体，又称为长程有序结构(long-range ordered structure)。依据粉末X-射线衍射波谱，可将淀粉结晶结构分为A-型、B-型和C-型3 种类型，其中A-型晶体主要存在于禾谷类作物种子中，B-型晶体主要存在于植物块茎中和高直链作物种子中，C-型晶体由A-型晶体和B-型晶体共同组成，主要存在于豆类作物种子和薯蓣类根状茎中。

淀粉结构和性质研究的传统方法包括X-射线衍射( x-ray diffraction, XRD) 、扫描电子显微镜( scanning electron microscope, SEM) 、差示扫描量热法( differential scanning calorimetry, DSC)等，随着淀粉科学研究的深入，傅里叶红外变换光谱( fourier transforminfrared, FTIR ) 、核磁共振( nuclear magnetic resonance, NMR) 、紫外-可见光谱( ultraviolet-visible spectrum, 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。

1. UV /Vis分析技术在淀粉研究中应用

在UV /Vis中，紫外区域有强吸收的通常是带有共轭烯烃及芳香族基团的化合物，对一些变性淀粉官能团的鉴别有一定的价值，何海建等研究淀粉悬浮液在紫外激励下产生的荧光光谱及其特性，可对淀粉接枝共聚反应中自由基的产生、发光和消失的特点及机理的探索提供理论和实验上的参考。另外紫外可见光谱可通过碘和直链淀粉形成各种有色复合物来研究淀粉中直链淀粉的含量、链长。夏慧玲等用紫外可见光扫描图谱证实原淀粉脱脂、除蛋白后进行浸提，可以大大提高产物的纯度。

2. FTIR分析技术在淀粉研究中的应用

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。

2.1 FTIR在淀粉结晶结构分析的应用

1995年, van Soest等得出，淀粉在1 047 cm-1的红外吸收是淀粉结晶区的结构特征，代表了短程分子内的有序结构；而在1 022 cm-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等用衰减全反射傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)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 020cm-1处的峰是C—O—H键，它和无定形区、结晶区的变化有关。1 020 cm-1和1 640 cm-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。李钟芳等用FTIR研究了不同种类的大米淀粉在糊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。

2.2 FTIR在淀粉酶解过程研究中的应用

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。

3. NMR分析技术在淀粉研究中的应用

原子核带电，运动产生磁力矩，由于磁力矩与外加磁场作用，产生2 I + 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。

3.1 NMR在淀粉颗粒结构研究中的应用

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。Florence Janvier等用NMR观察了干燥和含水状态下高交联直链淀粉(CHAS)的NMR图谱。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。

3.2 NMR在淀粉水解过程中的应用

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等用CP /MAS C NMR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等用NMR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。DM-SO中含有的水分对淀粉分解机制有很大的影响。