波谱分析技术在淀粉研究中的应用

122　2010V o l 136N o 11(T o ta l 265)波谱分析技术在淀粉研究中的应用3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,淀粉第一作者:博士,副教授。

3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(2004AF QXJ036)收稿日期:2009-08-25 淀粉结构和性质研究的传统方法包括X 2射线衍射(x 2ray diffracti on,XRD )、扫描电子显微镜(scan 2ning electr on m icr oscope,SE M )、差示扫描量热法(dif 2ferential scanning cal ori m etry,DSC )等,随着淀粉科学研究的深入,傅里叶红外变换光谱(fourier transf or minfrared,FTI R )、核磁共振(nuclear magnetic res o 2nance,NMR )、紫外2可见光谱(ultravi olet 2visible s pec 2tru m ,UV /V is )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。

FTI R 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 /V is 可用于分析淀粉经过处理后直链淀粉含量的变化。

1　FTI R 分析技术在淀粉研究中的应用111　FT I R 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。

112　FT I R 在淀粉结晶结构分析的应用1995年,van Soest 等[1]得出,淀粉在1047c m-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1022c m -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FTI R 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。

S m its 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(ATR 2FTI R )研究了在淀粉膜中淀粉结晶度的变化。

研究显示,在1047/1032吸收峰的比例增加,表明淀粉膜中淀粉的结晶度增加。

L iu 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1020c m -1处出现一个新峰。

在1020c m -1处的峰是C —O —H 键,它和无定形区、结晶区的变化有关。

1020c m -1和1640c m -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FTI R 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。

113　FT I R 在变性淀粉研究中的应用在FTI R 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FTI R 也就发生相应的变化。

利用FTI R 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FTI R 来推测淀粉经过了哪类变性。

Is mael E R iver o 等[6]用FTI R2010年第36卷第1期(总第265期)123　研究了淀粉经过辛烯基琥珀酸酐变性(OS A )后的变化。

变性淀粉光谱出现了2个新峰,其中在1571c m -1处的不对称峰是—COO 基团,而在1724c m -1处的峰是羰基的拉伸。

说明这2个峰是OS A 变性淀粉的特征。

Pomp ilia Is pas -Szabo 等[7]利用FTI R 研究短程高交联直链淀粉分子的结构,在FTI R 图谱中1047、1022和1000c m -1处的峰是由交联所致。

Zhang 等[8]用该技术研究淀粉2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FTI R 图谱和主成分分析傅里叶变换红外光谱(PCA 2FTI R )。

4种淀粉的主要结构相同,故其FTI R 图谱相似,不易区分,而这4种淀粉在PCA 2FT 2I R 图中的位置不同,可将其各自分开。

FTI R 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FTI R 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900-1300c m -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。

114　FT I R 在淀粉酶解过程研究中的应用利用FTI R 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FTI R 研究不同酶对淀粉水解的途径和部位。

Schindler 等[12]用FTI R 研究α2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FTI R 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FTI R 图谱,由图谱可以看出,马铃薯和玉米原淀粉的FTI R 图谱与经过酸水解的FTI R 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[14]用FTI R 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211　N M R 的基本原理原子核带电,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 ×H 0,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。

212　N M R 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。

Fl orence Janvier 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C 1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。

213　N M R 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。

W ang 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 /MAS 13C 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。

Saiyavit Varavinit 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。

Anthony Dona 等[20]用NMR124　2010V o l 136N o 11(T o ta l 265)研究了淀粉在二甲基亚砜(DMS O )中分解的机制。

通过NMR 图谱分析得出淀粉在无水DMS O 中比在有一定水分的DMS O 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 2S O 中含有的水分对淀粉分解机制有很大的影响。

214　N M R 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。

MattiEl omaa [21]采用酸水解法和1H NMR 方法测定了乙酰化淀粉的DS 。

1H NMR 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α2D 2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)。