掃描電子顯微鏡原位觀察可食用淀粉顆粒的超微形貌

王紹清，范文浩，王琳琳，曹 紅，曹寶森

(國(guó)家食品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100094)

掃描電子顯微鏡原位觀察可食用淀粉顆粒的超微形貌

王紹清，范文浩，王琳琳，曹 紅，曹寶森

(國(guó)家食品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100094)

通過(guò)掃描電子顯微鏡，對(duì)25種可食用淀粉顆粒的超微形貌進(jìn)行原位觀察，與經(jīng)典工藝提純的淀粉顆粒形貌對(duì)比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典淀粉提純工藝對(duì)淀粉顆粒的超微形貌幾乎沒有影響。另外，根據(jù)對(duì)各淀粉的生長(zhǎng)環(huán)境的觀察，發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)空間對(duì)成熟谷物(小麥除外)淀粉顆粒形貌形成過(guò)程中有較大影響，而對(duì)豆類和根莖類食品原料沒有影響。

可食用淀粉；原位觀察；超微形貌；掃描電子顯微鏡(SEM)；空間影響

到目前為止，所有國(guó)內(nèi)外關(guān)于淀粉顆粒的研究，多是對(duì)通過(guò)經(jīng)典工藝提純的淀粉顆粒進(jìn)行研究，如超微形貌觀察[1-4]、結(jié)晶程度測(cè)定與熔點(diǎn)測(cè)試[5-9]等。這些研究采用經(jīng)典淀粉提純工藝包括原料洗滌、粉碎、過(guò)濾、沉降、除蛋白、重復(fù)洗滌、沉降、烘干等處理操作[10-11]。但對(duì)于這些提純工藝是否會(huì)對(duì)淀粉顆粒的形貌產(chǎn)生影響，研究較少。在本課題研究中，也對(duì)通過(guò)經(jīng)典淀粉提純工藝提純的25種可食用淀粉顆粒的超微形貌特征進(jìn)行了詳細(xì)觀察[12-13]，但對(duì)提純工藝是否會(huì)影響淀粉顆粒的形貌，也未進(jìn)行分析。雖然在掃描電子顯微鏡(SEM)下，不同種類的淀粉顆粒顯現(xiàn)出形態(tài)各異的超微形貌特征，但這些特征是否與淀粉顆粒原始形貌特征一致，仍需研究驗(yàn)證。因此本研究，在對(duì)25種農(nóng)作物經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的生物固定化處理后，對(duì)其中的可食用淀粉顆粒的超微形貌，通過(guò)SEM進(jìn)行原位觀察。

另外就前期研究[13]中提到的淀粉顆粒超微形貌特征形成機(jī)理問題，經(jīng)對(duì)25種不同類別農(nóng)作物中的淀粉顆粒超微形貌進(jìn)行原位觀察和分析，發(fā)現(xiàn)一定的淀粉顆粒形貌特征規(guī)律。因此通過(guò)此項(xiàng)研究，不僅可以了解淀粉顆粒的原始形貌特征，而且在對(duì)不同種類淀粉顆粒在食品原料中堆積結(jié)構(gòu)的特征分析中，探討淀粉顆粒形貌與成長(zhǎng)環(huán)境相互作用機(jī)理的新觀點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

所用淀粉提取原料采購(gòu)于北京各大超市，淀粉樣品為本實(shí)驗(yàn)室自行提取。

所用化學(xué)試劑均為分析純，購(gòu)自北京化工試劑公司。

1.2 儀器與設(shè)備

S3400N型掃描電子顯微鏡 日本日立高新技術(shù)有限公司；Rotofix 32A離心機(jī) 德國(guó)Hettich公司；GZX-9140 MBE鼓風(fēng)干燥箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.3 方法

1.3.1 淀粉原料樣品處理

對(duì)于含水量較高的塊莖類淀粉原料，切取25g左右塊莖，并切成2mm厚的薄片，依次置于30%、50%、75%、95%的乙醇中進(jìn)行梯度脫水，最終樣品在烘箱中40℃條件下烘干過(guò)夜。對(duì)于含水量較低，淀粉含量較高的谷物類淀粉，如大麥、玉米、大米、小麥、豆類等，可以通過(guò)錘擊或擠壓等方式直接破碎樣品，碎塊可直接用于電鏡觀察。

1.3.2 淀粉提取

稱取50g原料(馬鈴薯塊莖或干玉米顆粒)，經(jīng)去離子水洗滌干凈后，室溫條件下于100mL 1g/100mL的亞硫酸氫鈉溶液中浸泡過(guò)夜。樣品粉碎后，漿液過(guò)100目標(biāo)準(zhǔn)篩，篩下的淀粉懸濁液經(jīng)4000r/min離心20min，分離得淀粉沉淀。所得淀粉沉淀用超純水反復(fù)洗滌、離心3次后，分散于0.2%的氫氧化鈉溶液中放置3～5h。再在同樣離心條件下分離出淀粉，并用去離子子水反復(fù)清洗、離心3遍，最后所得沉淀再分散于去離子水中，靜置沉降，倒掉上清液后，除去上面有顏色部分，將剩余的淀粉置于烘箱中，40℃條件下烘干過(guò)夜。

1.3.3 掃描電子顯微鏡制樣和觀察

對(duì)于大米、小麥、玉米及豆類等干燥的淀粉含量高的種子，采用直接破碎法，將碎塊的斷裂面朝上，通過(guò)導(dǎo)電膠帶固定到樣品臺(tái)上，然后噴金制樣。對(duì)經(jīng)過(guò)逐級(jí)脫水的根莖類樣品，將干燥好的樣品片掰成碎塊，斷裂面朝上，通過(guò)導(dǎo)電膠帶黏附在樣品臺(tái)上表面上，然后噴金制樣。制好的電子顯微鏡樣品置于電子顯微鏡樣品倉(cāng)中，在高真空度條件下，對(duì)樣品各個(gè)部位，在不同倍率下分別進(jìn)行觀察拍照。

2 結(jié)果與分析

2.1 可食用淀粉顆粒的原位觀察

由圖1可知，多數(shù)谷物種子里的淀粉顆粒緊密堆積，相互擠壓，構(gòu)成致密的或長(zhǎng)或方的多面體結(jié)構(gòu)體，外面由一層膜包裹著。這些包裹著的長(zhǎng)條形簇在種子里有序緊密排列，構(gòu)成種子的淀粉儲(chǔ)藏單元。但在大米和紫米的斷面里，由于其淀粉顆粒尺寸較小，很難看出有序排列的淀粉顆粒堆積結(jié)構(gòu)。在鐵餅形A型小麥淀粉顆粒的間隙里，填充著大量無(wú)定形的蛋白組織，在這些蛋白組織里又夾雜著尺寸較小的圓球形B型小麥淀粉顆粒。這種結(jié)構(gòu)類似于圖2中的豆類淀粉顆粒排列結(jié)構(gòu)。

圖1可食用谷物淀粉顆粒超微形貌原位觀察Fig.1 in situ Ultrastructural morphology of starch granules in cereal grains

圖 2 可食用豆類淀粉顆粒超微形貌原位觀察Fig.2in situ Ultrastructural morphology of starch granules in edible legumes

由圖2可知，所有的豆類淀粉顆粒的間隙里，都填充著大量的無(wú)定形蛋白組織。在周圍包裹著的蛋白組織里，不僅可以看到成熟的大的豆類淀粉顆粒，而且還有些小的、不成熟的球形豆類淀粉顆粒。而且大量大大小小的豆類淀粉顆粒與大量間隙組織包裹在一個(gè)細(xì)胞中。蓮子淀粉顆粒的堆積結(jié)構(gòu)與豆類淀粉類似，只是堆積結(jié)構(gòu)單元之間空隙更大一些，這可能與蓮子含水量多有關(guān)。

由圖3可知，經(jīng)過(guò)生物固定干燥處理的根莖類食物塊莖的斷裂面照片中，斷裂面呈蜂窩狀，淀粉顆粒自由游離于各個(gè)巢穴中，因?yàn)樵诟稍镏埃矸垲w粒周圍充滿著水。淀粉顆粒表面附著的絲狀物是充斥于淀粉顆粒間隙的細(xì)胞間質(zhì)的水分在充分干燥后殘留的部分物質(zhì)。

圖 3 可食用根莖類淀粉顆粒超微形貌的原位觀察Fig.3in situ Ultrastructural morphology of starch granules in root crops

2.2 經(jīng)典淀粉提純工藝對(duì)淀粉顆粒超微形貌的影響

通過(guò)對(duì)比使用經(jīng)典工藝提純的淀粉顆粒的超微形貌與其在原料中原位觀察的相貌，可以得出經(jīng)典淀粉提純工藝對(duì)淀粉顆粒超微形貌的影響。由圖1～3可以清楚看到淀粉原料中的一顆顆淀粉顆粒，或游離或被其他成分包圍，或緊密排列成規(guī)則的結(jié)構(gòu)。但這些淀粉顆粒的超微形貌都與前面采用經(jīng)典工藝提純的可食用淀粉顆粒的超微形貌一致[12-13]，如塊莖型的馬鈴薯淀粉顆粒，有棱角的多面體型玉米淀粉顆粒，棱角圓滑的糯玉米淀粉顆粒，鐵餅型的A型小麥淀粉顆粒，棒槌型的蓮藕淀粉顆粒，半球或碎球塊形的紅薯和木薯淀粉顆粒，腎形的豆類淀粉顆粒等。這說(shuō)明淀粉顆粒在經(jīng)過(guò)經(jīng)典提純工藝過(guò)程處理后，其形貌并沒有發(fā)生改變，即淀粉提純的經(jīng)典工藝不會(huì)對(duì)淀粉顆粒的超微形貌特征產(chǎn)生影響。

2.3 可食用淀粉顆粒的超微形貌與生長(zhǎng)環(huán)境的相互作用

根據(jù)圖1～3所給出的25種可食用淀粉顆粒的生長(zhǎng)環(huán)境及排列結(jié)構(gòu)的差異，可以看出，在影響淀粉顆粒的不同超微形貌特征的各種因素中，除了物種的決定因素外，淀粉顆粒的生長(zhǎng)環(huán)境也對(duì)淀粉顆粒的形貌產(chǎn)生了一定的影響。如谷物種子中極高的淀粉含量使得每個(gè)淀粉顆粒的成長(zhǎng)空間是有限的，最終淀粉顆粒之間的相互擠壓作用使得淀粉顆粒形貌發(fā)生改變，呈現(xiàn)具有尖銳或鈍化棱角的多面體結(jié)構(gòu)。但小麥淀粉是一特例，其淀粉顆粒生長(zhǎng)環(huán)境與豆類淀粉類似。被大量蛋白組織包裹著的豆類淀粉顆粒有著相對(duì)充足的成長(zhǎng)空間，其超微形貌充分表達(dá)了豆類物種的基本特征[1,4,6,14-16]，如所有豆類淀粉顆粒都呈與其種子的形貌相似的腎形，而且不同種類的豆類淀粉，顆粒尺寸、表面結(jié)構(gòu)等略有不同，如表面疙疙瘩瘩的蠶豆淀粉顆粒等。根莖類農(nóng)作物由于含水量高，充斥于淀粉顆粒之間的水為淀粉顆粒提供了更加充足的成長(zhǎng)空間，所以此類淀粉顆粒的最終形貌，也能充分表達(dá)物種的基本特征，如馬鈴薯塊莖形的馬鈴薯淀粉顆粒，形似蓮藕節(jié)的棒狀蓮藕淀粉顆粒等。

總而言之，充足的生長(zhǎng)空間環(huán)境可以使淀粉顆粒在充分表達(dá)物種特征的前提下自由生長(zhǎng)，如豆類和根莖類淀粉顆粒。而狹隘的淀粉顆粒生長(zhǎng)環(huán)境，造成淀粉顆粒之間的相互擠壓作用，從而使得成熟淀粉顆粒，在具有相同的內(nèi)部基本構(gòu)造[14,17]的同時(shí)呈現(xiàn)出不規(guī)則的多面體形貌，尤其是谷物淀粉顆粒。

3 結(jié) 論

經(jīng)典提純工藝過(guò)程不會(huì)對(duì)淀粉顆粒的超微形貌特征產(chǎn)生影響，同時(shí)除了決定淀粉顆?；窘Y(jié)構(gòu)的物種因素外，生長(zhǎng)環(huán)境空間是否充足也會(huì)對(duì)淀粉顆粒的形貌產(chǎn)生一定的影響。

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in situ SEM Observation of Ultrastructural Morphology of Edible Starch Granules

WANG Shao-qing，F(xiàn)AN Wen-hao，WANG Lin-lin，CAO Hong，CAO Bao-sen
(China National Food Quality and Safety Supervision and Inspection Center, Beijing 100094, China)

In this study, the ultrastructural morphology of starch granules from 25 kinds of crops was in situ observed by scanning electron microscopy (SEM) and compared with starch granules extracted from potato and corn by the classical method. The classic extraction procedure had hardly any effect on the ultrastructural morphology of starch granules. In addition, spatial effects played a vital role in the morphological formation of starch granules in mature cereal grains with the exception of wheat, but had no impact on beans and root crops.

food starch；in situ observation；microscopy morphology；scanning electron microscopy (SEM)；spatial effect

TS210.1

A

1002-6630(2013)01-0061-04

2011-11-09

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2008QK28)

王紹清(1972ü)，男，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)槭称贩治龊蛽郊勹b別。E-mail：wwwshq@yahoo.cn