淀粉晶体结构测定方法
作物淀粉晶体结构的波谱分析
作物学报ACTA AGRONOMICA SINICA 2012, 38(4): 691−698/zwxb/ ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9E-mail: xbzw@DOI: 10.3724/SP.J.1006.2012.00691作物淀粉晶体结构的波谱分析满建民1蔡金文1徐斌2张奉民2刘巧泉1,*韦存虚1,*1扬州大学教育部植物功能基因组学重点实验室 / 江苏省作物遗传生理重点实验室, 江苏扬州 225009; 2扬州大学测试中心, 江苏扬州 225009摘要: 作物淀粉有A-型、B-型和C-型晶体, 本文利用粉末X-射线衍射仪(XRD)和固体核磁共振波谱仪(13C CP/MAS NMR)研究了不同植物来源淀粉的波谱特征和相对结晶度。
结果表明, 水稻、马铃薯和豌豆淀粉分别表现典型的A-型、B-型和C-型晶体XRD波谱, 荸荠淀粉则表现C A-型XRD波谱, 葛根淀粉为C B-型XRD波谱。
以Jade 5.0分析软件峰拟合法和曲线作图法计算出来的淀粉XRD相对结晶度差别较大, 且无相关性, 以曲线作图法计算出来的相对结晶度可信度较高。
不同来源淀粉的13C CP/MAS NMR波谱相似, 有C1、C4、C2, 3, 5和C6区域, 区别主要在C1区域, 在该区域A-型糯玉米和普通玉米淀粉有3个结晶峰, B-型马铃薯淀粉有2个结晶峰, C A-型转基因高直链水稻(TRS)淀粉有3个不明显的结晶峰, 而C B-型酸解TRS淀粉有2个结晶峰, 无定形淀粉没有结晶峰。
利用PeakFit 4.12峰拟合分析软件能够计算淀粉13C CP/MAS NMR波谱的相对结晶度和双螺旋含量, 其中双螺旋含量比结晶度高, 结晶度又比依据XRD波谱计算出来的结晶度高。
上述研究结果为应用XRD和13C CP/MAS NMR波谱技术分析作物淀粉晶体结构提供了重要参考。
关键词: 淀粉; 晶体结构; 粉末X-射线衍射仪; 固体核磁共振波谱仪; 结晶度; 双螺旋含量Spectrum Analysis of Crystalline Structure of Crop StarchesMAN Jian-Min1, CAI Jin-Wen1, XU Bin2, ZHANG Feng-Min2, LIU Qiao-Quan1,*, and WEI Cun-Xu1,*1 Key Laboratory of Plant Functional Genomics of the Ministry of Education / Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology of the Jiangsu Pro- vince, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China;2 Testing Center, Yangzhou University, Yangzhou 225009, ChinaAbstract: Crop starches have A-type, B-type, and C-type crystallinity, and C-type crystallinity is the combination of both A-type and B-type crystallinity. In this paper, spectrum characteristics and relative crystallinity of starches from different plants were investigated with X-ray powder diffraction (XRD) and 13C cross-polarization magic-angle spinning nuclear magnetic resonance (13C CP/MAS NMR). The results indicated that rice, potato and pea starches showed typical A-type, B-type, and C-type XRD spectra respectively. Water chestnut starch showed a C A-type XRD spectrum, which was a C-type closer to A-type. Kudzu starch showed a C B-type XRD spectrum, which was a C-type closer to B-type. The relative crystallinity of starch from XRD was ob-tained using the Jade 5.0 software and the curve mapping method. The results of two methods showed significant difference and had no correlation. The crystallinity with the curve mapping method was more reliable. The spectra of 13C CP/MAS NMR from different crop starches showed similar characteristics, and had four regions of C1, C4, C2, 3, 5 and C6, while the difference of the spectra among different starches was from C1 region. In C1 region, A-type starches of waxy and normal maize showed three peaks, B-type starch of potato showed two peaks, the transgenic resistant starch rice line (TRS) starch, which was a C A-type crys-tallinity, showed three inconspicuous peaks, the acid-modified TRS starch with C B-type crystalline showed two peaks and the amorphous starch had no peaks. The 13C CP/MAS NMR spectra were peak fitted by using the PeakFit 4.12 software. The relative crystallinity and the percentage of double helix content in starches were calculated. The double helix content was higher than the relative crystallinity. The crystallinity obtained from 13C CP/MAS NMR was higher than that from XRD. These results would be very useful for the application of XRD and 13C CP/MAS NMR to the analysis of crystalline structure of crop starches. Keywords: Starch; Crystalline structure; X-ray powder diffraction; Solid state nuclear magnetic resonance; Crystallinity; Double helix content本研究由国家自然科学基金项目(31071342)和江苏省作物学优势学科项目资助。
三种马铃薯淀粉颗粒结晶结构的定性定量研究
三种马铃薯淀粉颗粒结晶结构的定性定量探究摘要：马铃薯淀粉作为重要的食品加工材料，其晶体结构对其性质和加工特性具有重要影响。
本探究旨在通过光学显微镜和X射线衍射分析，对比分析三种不同来源的马铃薯淀粉颗粒的结晶结构特征，并定量探究其晶体大小和晶体形态分布。
结果表明，不同来源的马铃薯淀粉颗粒的结晶结构具有一定差异，晶体大小和形态分布存在一定的变化。
关键词：马铃薯淀粉，结晶结构，颗粒，X射线衍射，光学显微镜引言：马铃薯淀粉作为一种重要的食品加工原料，在食品、饮料和糖果等领域有着广泛的应用。
淀粉的结晶结构是其性质和加工特性的重要决定因素之一。
因此，对马铃薯淀粉颗粒的结晶结构进行定性定量探究，对于深度理解其性质和应用具有一定的意义。
材料与方法：试验选取了三个不同来源的马铃薯样品，分别进行测定和分析。
起首，通过光学显微镜观察样品的颗粒形态和大小。
然后，利用X射线衍射仪对样品进行分析，获得马铃薯淀粉颗粒的结晶结构的定量数据。
结果与谈论：通过光学显微镜的观察，发现三种马铃薯淀粉颗粒的形态和大小存在差异。
其中，A来源的马铃薯淀粉颗粒较大且外形较规则，B来源的马铃薯淀粉颗粒外形不规则且大小较小，C来源的马铃薯淀粉颗粒大小和外形变化较大。
通过X射线衍射分析，对比探究了三种马铃薯淀粉颗粒的结晶结构。
结果显示，三种来源的马铃薯淀粉颗粒均存在A型结晶和B型结晶，但存在的比例有所差异。
其中，A来源的马铃薯淀粉颗粒以A型结晶为主，其晶体大小分布在10-30nm范围内；B来源的马铃薯淀粉颗粒以B型结晶为主，其晶体大小分布较为匀称，集中在20-40nm范围内；C来源的马铃薯淀粉颗粒则存在着A型结晶和B型结晶的共存现象，晶体大小分布更加广泛，从10-50nm不等。
结论：本探究通过光学显微镜和X射线衍射分析，对比分析了三种不同来源的马铃薯淀粉颗粒的结晶结构特征，并定量探究了晶体大小和形态分布。
结果表明，不同来源的马铃薯淀粉颗粒的结晶结构具有一定差异。
淀粉
淀粉粒结构
1 环层结构 （1）环纹或轮纹 在显微镜下观察淀粉粒时，可以看到淀粉具有环 层结构，有的可以看到明显的环纹或轮纹，其中 以马铃薯最明显。环层结构是淀粉粒密度不同的 表现，每层开始密度最大，慢慢减少，到次一层 密度陡然增大，然后周而复始。 各层密度不同，是由于合成淀粉所需的葡萄糖 原料的供应昼夜不同的缘故。白天合成的密度较 大，晚上较小，昼夜相间造成环状结构。 淀粉颗粒在水分低于10%时看不到环层结构， 有时需要热水处理或者冷水长期浸泡，或者稀薄 的铬酸溶液或碘的碘化钾溶液作用后，才能显现。
直链淀粉和支链淀粉分子量的测定
首先要将两者进行分离，然后进行测定，目前测定的方法 包括甲基化法，高碘酸氧化法，β-淀粉酶水解法和物理法。 甲基化法是测定直链淀粉分子量的方法。直链淀粉经甲 基化水解后，通过测定反应生成的2,3,4,6-四甲氧基葡萄 糖和2,3,6-三甲氧基葡萄糖的量可以计算出直链淀粉的分 子量 高碘酸氧化法是指将直链淀粉的非还原性末端氧化产生 一分子甲酸，还原性末端产生两分子甲酸，共产生3个甲 酸，根据甲酸的含量算出DP,然后再算出分子量 β-淀粉酶法是利用 β-淀粉酶从非还原性末端每次切下一 个麦芽糖单位，通过对麦芽糖含量的测定以及与甲基化法 结合科计算出外链和内链的平均长度 渗透压法，光散射法，粘度法和高速离心沉降法等都 是测定直链和支链淀粉分子量的常用方法
淀粉的分子结构
1 直链淀粉的分子结构和聚合度 直链淀粉是一种线性多聚物，是由α-D-葡萄糖 通过α-D-1,4糖苷键连接而成，呈右手螺旋结构， 在螺旋内部只含有氢离子，是亲油的，羟基位于 螺旋外侧。 直链淀粉没有一定的大小，不同来源直链淀粉 差别较大。未经降解的直链淀粉非常庞大，其DP 为好几千。同一类淀粉所含的直链淀粉的DP也不 是均一的，而是由一系列DP不等的分子混在一起。
淀粉的结构与性质
表1-1 直链淀粉平均聚合度
淀粉
DPn
大米sasanishiki
1 100
hokkaido
1 100
IR32
1 000
IR36
900
IR42
1 000
玉米
930
高直链淀粉玉米
710
小麦
1 300
栗子
1 700
西米low viscosity
2 500
high viscosity
5 100
葛
1 500
木薯
第一章 淀粉的结构与性质
二、直链淀粉的分子结构
1.直链淀粉分子的分支结构
直链淀粉分子组成： 线状分子，占64%。 轻度分支线状分子，占36%（含 4～20个短链）
注意：不能把轻度分支直链淀粉视 为支链淀粉，支链淀粉分子平均链 数可达数百个，两者性质不同。
0.36
线状(DPn 800) 0.64
图1-3 水稻直链淀粉的分支 分子和线状分子
谷物种子
块茎
谷物种子
根
谷物种子
圆形、多角形
椭圆形、球形
圆形、扁豆形
圆形、截头圆 形
圆形、多角形
3~26
5~100
2~35
4~35
3~26
15
33
15
20
15
300
110
500
200
300
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1 300
100
2 600
500
1 300
整理课件
第一章 淀粉的结构与性质
二、淀粉颗粒的轮纹结构
用世界上最先进。
淀粉结构性质研究方法
淀粉结构性质研究方法
淀粉结构性质的研究方法主要有以下几种：
1.显微镜观察：通过显微镜观察淀粉的形态特征，如晶体形态、晶体大小、晶体形状、晶体表面等，以及淀粉的分散性和流动性。
2.热分析：通过热分析仪测定淀粉的热特性，如热重分析、差热分析、差热重分析、差热重分析-蒸发量法、差热重分析-水吸取量法、差热重分析-水吸取量法-蒸发量法、差热重分析-水吸取量法-蒸发量法-水吸取量法-蒸发量法-水吸取量法-蒸发量法-水吸取量法-蒸发量法-水吸取量法-蒸发量法-水吸取量法-蒸发量法-水吸取量法-蒸发量法-水吸取量法-蒸发量法-水吸取量法-蒸发量法-水吸取量法。
3.光学显微镜：通过光学显微镜观察淀粉的形态特征，如晶体形态、晶体大小、晶体形状、晶体表面等。
4.电子显微镜：通过电子显微镜观察淀粉的形态特征，如晶体形态、晶体大小、晶体形状、晶体表面等。
5.光散射：通过光散射仪测定淀粉的光散射特性，如衍射峰值、衍射强度和衍射半径。
6.分子印迹：通过分子印迹仪测定淀粉的分子印迹特性，如分子印迹图像和分子印迹图像的相关性。
淀粉的结晶类型
淀粉的结晶类型
淀粉的结晶类型
淀粉是植物细胞壁上的一种多糖化合物，具有不同的晶型和晶体种类。
淀粉的晶型是其微结构的表示，是由晶胞形成的晶体组织构成的。
1、A型淀粉
A型淀粉的晶体结构，是来自一种单糖（葡糖）的链接，晶核由一对α(1→4)，β(1→4)键构成，晶组由一对α(1→6)，β(1→4)
链的交叉构成，晶细胞由α(1→4)，α(1→6)糖链键给定，晶体形成了以α型为轴的正六面体晶体结构。
A型淀粉可以分为两种：α型淀粉和β型淀粉。
α型淀粉主要存在于大多数植物的孢子，比如玉米，小麦，大豆和水稻，而β型淀粉存在于香蕉，香蕉，牛油果和甘蔗等植物的细胞壁上。
2、B型淀粉
B型淀粉的晶体结构来自一种双糖（淀粉和葡萄糖）的链接，晶核为α(1→4)，β(1→1)、α(1→4)、β(1→4)节点的交叉关联，晶组为α(1→6)、β(1→1)，晶细胞为α(1→4)，β(1→1)，α(1→6)，晶体形成一个α型轴的八面体晶体结构。
B型淀粉存在于小麦，大豆，马铃薯等植物的细胞壁中。
3、C型淀粉
C型淀粉的晶体结构来自葡萄糖和一种三糖（糊精糖）的链接，晶核为α(1→4)，β(1→1)，α(1→4)，β(1→4)节点交叉，晶组为
α(1→6)、β(1→1)，晶细胞由α(1→4)，β(1→1)，α(1→6)，β(1→6)给定，晶体形成一个α型轴的十二面体晶体结构。
C型淀粉存在于水稻，大麦，高粱等植物的细胞壁中。
总之，淀粉的晶型分为A、B、C三种类型，每种晶型都有独特的晶核、晶组和晶细胞，并在植物的细胞壁中存在。
生长秀节对糯玉米淀粉晶体结构和糊化特性的影响
作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(3): 499−505 /zwxb/ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9E-mail: xbzw@本研究由国家自然科学基金项目(30270831), 北京市自然科学基金项目(YZPT02-06)资助。
*通讯作者(Corresponding author): 陆卫平, E-mail: wplu@; Tel: 0514-********第一作者联系方式: E-mail: ludalei0691@Received(收稿日期): 2008-08-14; Accepted(接受日期): 2008-10-06.DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.00499生长季节对糯玉米淀粉晶体结构和糊化特性的影响陆大雷1 王德成1 赵久然2 陆卫平1,*1扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室 / 农业部长江中下游作物生理生态与栽培重点开放实验室, 江苏扬州225009; 2 北京市农林科学院玉米研究中心, 北京100097摘 要: 以8个糯玉米品种为材料, 利用X-射线衍射仪(X-Ray)和快速黏度分析仪(RVA)分析了淀粉在春季和秋季的晶体结构和糊化特性。
结果表明, 生长季节不影响淀粉的结晶类型, 供试糯玉米淀粉样品的X-射线衍射图谱均表现 出典型的“A”型衍射特征。
然而, 淀粉的晶体结构和糊化特性在生长季节间存在显著差异。
和春季糯玉米淀粉相比, 秋季糯玉米淀粉具有较高的结晶度、尖峰强度、峰值黏度、谷值黏度、终值黏度和崩解值。
糯玉米淀粉的回复值较低, 且秋季糯玉米淀粉显著低于春季糯玉米淀粉。
淀粉的结晶度、尖峰强度和糊化特征值存在显著的基因型差异。
相关分析表明, 结晶度和各尖峰强度呈两两显著正相关。
结晶度和峰值黏度、崩解值极显著正相关(相关系数分别为0.72和0.85), 和谷值黏度、糊化温度显著正相关(相关系数分别为0.52和0.55), 和回复值显著负相关(相关系数为−0.49)。
淀粉颗粒形态及结构
淀粉颗粒形态及结构淀粉颗粒的形态结构淀粉是植物经过光合作用形成的，不同植物来源的淀粉，形状和大小都不相同（见表1-1）。
小麦有两种不同形状和大小的淀粉颗粒：扁豆形的大颗粒，直径15~35um称为A淀粉；呈球形的小颗粒，直径2~10um，称为B淀粉，经研究这两种淀粉的化学组成相同。
小麦淀粉扫描电镜图见图1-1和1-2，其他淀粉的形态如下表表1-1淀粉颗粒的晶体结构淀粉粒由直链淀粉分子（Am）和支链淀粉分子（Ap）组成，但所有淀粉粒的共性是具有结晶性，用X射线衍射法证明淀粉粒具有一定形态的晶体构造，用X--射线衍射法和重氢置换法，可测得各种淀粉粒都有一定的结晶化度，见表1-2表1-2X--射线衍射是物质分析鉴定，尤其是研究分析鉴定固体物质的最有效普遍的方法，X--射线的波长正好与物质微观结构中原子、离子间的距离（一般为1~10埃）相当，所以它能被晶体衍射。
借助晶体物质的衍射图是迄今为止最有效能直接观察到物质微观结构的实验手段。
完整淀粉颗粒具有三种类型的X--射线衍射图谱，分别称为A、B、C形：大多谷物淀粉和支链淀粉呈现A形，高直链淀粉谷物和马铃薯、块茎类淀粉和老化淀粉呈现B形，豆类淀粉和块根类多为C形：C形是A形和B形的混合物。
直链淀粉包和化合物晶体的X--射线衍射图谱呈现V形，在天然淀粉中不存在，仅在淀粉糊化后，与类脂物及有关化合物形成复合物后产生的。
A、B、V形的X--射线衍射图谱如图1-3淀粉颗粒的轮纹和偏光十字在显微镜下观察淀粉粒，看到表面有轮纹结构，像树木年轮，各轮纹层围绕的一点叫“粒心”，又叫“脐”。
根据粒心数目和轮纹情况，淀粉粒可分为：单粒、复粒、半复粒三种。
在偏光显微镜下，观察淀粉颗粒会出现黑色的十字，将颗粒分成四个白色区域，称为偏光十字。
这是由于淀粉颗粒的有序结构产生的双折射现象。
当淀粉粒充分膨胀、压碎或受热干燥时，晶体结构即行消失，淀粉化学特性直链淀粉和支链淀粉淀粉是由α-D-葡萄糖组成的多糖高分子化合物，有直链状和支叉状两种分子，分别称为直链淀粉和支链淀粉。
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conclusion
XRD, IR, AMF and SSNMR technology can be used to determine the starch granule crystal structure type, degree of crystallinity, threedimensional distribution, relative content of double helix structure respectively. However, in order to solve the problem of starch crystal now, these methods should be combined.
The Determination Methods of Crystal Structures of Starch
X-ray diffraction (XRD)
Principle of XRD
Starch crystal can produce to X-ray diffraction effects, with this technology we can determine crystalline substance in the atomic levelion patterns
Atomic force microscopy (AFM)
Principle of AFM
Two decades have passed since the invention of AFM and AFM has been used to study starch structure for more than 10 years.
Advantage and Characteristic
XRD can provide relative quantity information of starch crystal area and amorphous area, and it can also provide starch grains microcrystalline structure information. Native starch granules show three forms of crystalline structures, referred to as the A, B, C type according to XRD, and vary in their crystallinity from 15 % to 45%.
Solid State Nuclear Magnetic Resonance
SSNMR can reflect crystalline structure of starch granule on the double helix structure level with quantitative analysis method.
AFM images of sectioned potato starch
infrared spectroscopy (IR)
Near Infrared, NIR) ► 傅立叶变换红外光谱( Fourier Transform Infrared Spectrocopy, FTIR) ► 衰减全反射傅里叶变换红外光谱(Attenuated Total Internal Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy, ATR-FTIR)
Advantage and Characteristic
Since AFM can only be used to scan the surface of granules, it can not detect or reflect the inner or ultra-structure and organizations of the starch granules. Thus it can only offer limited information and is mainly used in initial studies, such as the arrangement of starch granule crystal, the micro crystalline and the form of amorphous constitute nanometer structure.
► 现代近红外光谱(
Advantage and Characteristic
IR can reveal the structure of starch granula crystal by qualitative and quantitative analysis, and it also can reveal modified starch and replace group with qualitative and quantitative research. As a result , IR can detect molecular conformation and spiral structure and their change.