玉米淀粉在DMSO/水體系中溶解性與精細(xì)結(jié)構(gòu)變化

王 瑞田耀旗 謝正軍

(1. 江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；2. 江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

玉米淀粉在DMSO/水體系中溶解性與精細(xì)結(jié)構(gòu)變化

王 瑞1,2田耀旗1,2謝正軍1,2

WANG Rui1,2TIANYao-qi1,2XIEZheng-jun1,2

(1. 江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；2. 江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

二甲亞砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)是淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)分析中溶解淀粉的關(guān)鍵試劑。以普通玉米淀粉為原料，研究其在DMSO/水體系中的溶解性與精細(xì)結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明，當(dāng)溶解時(shí)間達(dá)到12 h后，普通玉米淀粉在90% DMSO溶液中溶解性達(dá)到最大值97.15%；隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，溶解性無(wú)顯著變化。掃描電鏡(SEM)結(jié)果表明，90%的DMSO對(duì)淀粉顆粒結(jié)構(gòu)破環(huán)最大，證明90% DMSO是淀粉的最佳溶劑。然而進(jìn)一步通過(guò)高效液相體積排阻色譜聯(lián)用系統(tǒng)(HPSEC)、陰離子色譜(HPAEC)等技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，淀粉溶于90% DMSO后，隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，其分子量和回旋半徑逐漸下降，在溶解過(guò)程中淀粉分子發(fā)生了降解，主要降解部分為支鏈淀粉的B2、B3鏈，而B(niǎo)1鏈相對(duì)穩(wěn)定。

二甲亞砜；分子量；側(cè)鏈分布

淀粉是綠色植物中重要的儲(chǔ)能物質(zhì)，其精細(xì)結(jié)構(gòu)的表征是淀粉資源開(kāi)發(fā)利用的必要基礎(chǔ)[1]。在淀粉分子結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中需破壞淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)，分散其分子鏈從而使淀粉充分溶解。常用的淀粉溶劑包括DMSO和堿液。然而淀粉在低濃度堿液中溶解不佳，高濃度又易發(fā)生降解，導(dǎo)致淀粉的結(jié)構(gòu)分析不準(zhǔn)確[2]。有機(jī)溶劑DMSO能夠充分分散、溶解淀粉分子，是目前淀粉溶解、精細(xì)結(jié)構(gòu)分析中使用最普遍的有效溶劑。研究[3]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DMSO溶解淀粉時(shí)，淀粉易發(fā)生快速溶脹，形成表面凝膠層，阻止DMSO穿透淀粉顆粒，影響溶解效果，因此需要加入水以阻止淀粉顆粒的快速溶脹。例如，Sang-Ho Yoo[4]選用90% DMSO溶解淀粉研究不同植物來(lái)源淀粉的分子特征；Ju Hun Lee等[5]用50%，70%，90% DMSO溶液溶解淀粉研究支鏈淀粉的分子構(gòu)象。然而，在何DMSO/水體系條件下淀粉溶解性最佳，在最佳體系中淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)如何變化均需要深入研究。

本試驗(yàn)以普通玉米淀粉為原料，研究其在不同DMSO/水體系中溶解性及顆粒形貌變化，并研究DMSO/水體系是否會(huì)對(duì)淀粉分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，為獲得溶解淀粉的最佳溶劑提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

普通玉米淀粉：天津頂峰淀粉有限公司；

異淀粉酶：1 000 U/mL，愛(ài)爾蘭Megazyme公司；

二甲亞砜、無(wú)水乙醇、苯酚、濃硫酸等：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

掃描電子顯微鏡：Quanta-200型，荷蘭FEI公司；

高效液相排阻色譜柱：Shodex OHpak SB-804 HQ與Shodex OHpak SB-806串聯(lián)，日本昭和電工科學(xué)儀器有限公司；

輸送泵：Binary HPLC Pump Waters 1525型，美國(guó)Waters公司；

多角度激光檢測(cè)儀：DAWN HELEOSⅡ型，美國(guó)Wyatt公司；

示差折光檢測(cè)器：2414型，美國(guó)Waters公司；

高效陰離子交換色譜(配有脈沖電流檢測(cè)器)：ICS-5000型，美國(guó)Dionex公司；

陰離子交換柱：250 mm × 4 mm，美國(guó)Spectra-Physics公司；

高速離心機(jī)：RG-TDL-50A型，無(wú)錫瑞江分析儀器有限公司；

雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：TU-1901型，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 DMSO溶解普通玉米淀粉樣品的制備 準(zhǔn)確稱取普通玉米淀粉0.5 g于3組100 mL錐形瓶中，分別加入20 mL 90% DMSO溶液。一組不加熱，直接放入50 ℃恒溫震蕩水浴鍋中，一組加熱煮沸30 min后放入，第三組加熱煮沸60 min 中放入，分別震蕩0，4，8，12，24，36 h后取出，加入5倍體積無(wú)水乙醇靜置30 min，離心(5 000 r/min，10 min)，洗滌3次后烘干，研磨過(guò)篩備用。

1.2.2 普通玉米淀粉在不同濃度DMSO溶液中溶解性測(cè)定

稱取普通玉米淀粉樣品(200.0±0.1) mg若干于25 mL具塞試管中，分別加入100%，90%，80%，70% DMSO溶液10 mL，然后將試管放入水浴鍋中分別在50 ℃下恒溫震蕩0，4，8，12，24，36 h。然后將樣品離心(5 000 r/min，10 min)。準(zhǔn)確吸取1.0 mL離心后的上清液用苯酚-硫酸法[2]測(cè)定其總糖含量，將測(cè)定得到的葡萄糖含量換算成淀粉含量。根據(jù)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線方程y=3.310 7x+0.000 02，淀粉溶解性指數(shù)(Solubility Index，SI)按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

SI——淀粉溶解性指數(shù)，%；

A490——樣品在490 nm處的吸光值；

k——溶液的稀釋倍數(shù)；

m——玉米淀粉的質(zhì)量，mg；

0.9——葡萄糖與淀粉的質(zhì)量換算系數(shù)；

10——溶劑為10 mL。

1.2.3 普通玉米淀粉顆粒形貌分析 將100%，90%，80%，70% DMSO溶液50 ℃恒溫震蕩4 h后的樣品醇沉、洗滌、烘干、研磨、過(guò)篩，分別固定在樣品臺(tái)上，鍍金(10 nm)處理后在加速電壓下用掃描電鏡觀察，并拍下掃描圖片。

1.2.4 分子結(jié)構(gòu)測(cè)定

(1) 分子量測(cè)定：稱取適量1.2.1制備樣品，溶解于0.1 mol/L 的NaNO3溶液(含0.02%的NaN3)中，配成適宜濃度的溶液。樣品經(jīng)充分溶解后過(guò)0.45 μm微孔濾膜，采用HPSEC-MALLS-RI系統(tǒng)分析。

色譜條件：流動(dòng)相為0.1 mol/L NaNO3溶液(含0.02% NaN3)，流速為0.6 mL/min，柱溫為50 ℃，色譜柱Shodex OHpak SB-806 HQ與Shodex OHpak SB-804 HQ串聯(lián)。氖氣和氦氣為多角度光散射儀的光源氣體，波長(zhǎng)設(shè)定為632.8 nm。使用Astra數(shù)據(jù)分析軟件處理所得數(shù)據(jù)。

(2) 鏈長(zhǎng)分布測(cè)定：分別稱取5 mg 1.2.1制備樣品和原玉米淀粉，分散于5 mL檸檬酸鈉緩沖液(0.1 mol/L，pH 3.5)中，沸水浴加熱糊化30 min，冷卻至室溫，加入50 μL稀釋后的異淀粉酶(1 000 U/mL)，37 ℃恒溫震蕩反應(yīng)12 h后置于沸水浴中煮沸15 min，滅酶，離心(5 000 r/min，10 min)，取上清液過(guò)0.45 μm微濾膜，采用HPAEC-PAD檢測(cè)樣品側(cè)鏈分布。

檢測(cè)條件：GP40型梯度泵與ED40型脈沖安培檢測(cè)器，CarboPacPA200色譜柱；進(jìn)樣量25 μL；流動(dòng)相A：150 mmol/L NaOH，流動(dòng)相B：含500 mmol/L NaAc的NaOH(150 mmol/L)溶液；流速為1 mL/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 普通玉米淀粉在不同濃度DMSO溶液中處理不同時(shí)間的溶解性

由圖1可見(jiàn)，隨著溶解時(shí)間的增加，淀粉的溶解性逐漸增加，不同DMSO/水體系中淀粉的最大溶解性分別為91.5%(100% DMSO)，97.15(90% DMSO)，68.97%(80% DMSO)，2.35%(70% DMSO)，根據(jù)文獻(xiàn)[6]報(bào)道，為了提高淀粉在DMSO中的溶解性，使用DMSO溶解淀粉時(shí)需加入少量的水抑制淀粉顆粒凝膠層的形成，因?yàn)槟z層會(huì)阻止DMSO穿透整個(gè)淀粉顆粒，但是過(guò)量的水亦會(huì)阻止淀粉溶解。普通玉米淀粉在90% DMSO/水體系中溶解性最大，當(dāng)溶解時(shí)間達(dá)到12 h后，隨著溶解時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，溶解性緩慢增加，因此為了有效溶解淀粉，應(yīng)選擇90% DMSO/水體系溶解來(lái)達(dá)到最大溶解性。

2.2 普通玉米淀粉在不同濃度DMSO溶液中顆粒形貌變化

對(duì)用不同濃度DMSO溶液溶解的淀粉顆粒形貌(見(jiàn)圖2)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)分散在70% DMSO溶液中時(shí)，有些淀粉顆粒表面孔洞變多，淀粉亦出現(xiàn)淺的凹陷。當(dāng)DMSO濃度為80%時(shí)，顆粒表面有明顯的裂痕和凹陷。當(dāng)DMSO濃度達(dá)到90%時(shí)，整個(gè)淀粉顆粒結(jié)構(gòu)被侵蝕，無(wú)完整顆粒存在。在100% DMSO中，可以看到淀粉顆粒表面也逐漸被破壞，淀粉由一個(gè)個(gè)小圓球聚集成為較大的一整塊，逐漸形成淀粉糊，同時(shí)可以觀察到部分顆粒表面形成了凝膠層，證明使用DMSO溶解淀粉時(shí)需加入水，與文獻(xiàn)[6]報(bào)道一致。淀粉顆粒形貌的變化進(jìn)一步說(shuō)明普通玉米淀粉在不同DMSO/水體系中的溶解性不同，在90% DMSO中溶解性最大。上述結(jié)果與2.1中溶解性測(cè)定結(jié)果相一致：淀粉在90% DMSO中溶解性最大，其顆粒完全被破壞。

2.3 普通玉米淀粉經(jīng)90% DMSO不同條件溶解后的分子量分布

圖3和表1顯示了普通玉米淀粉經(jīng)不同條件溶解后的重均分子質(zhì)量(Weight-average molecular weight，Mw)和分子旋轉(zhuǎn)半徑(Z-average radius of gyration，Rz)分布。結(jié)果顯示，當(dāng)樣品不加熱，置于恒溫震蕩水浴鍋中溶解4 h時(shí)，所測(cè)得分子量為1.045E+08 g/mol，這是由于不完全的溶解導(dǎo)致淀粉顆粒殘留物或未溶解的支鏈簇發(fā)生聚集，從而使測(cè)得的分子量偏大，隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉分子之間逐漸分離，淀粉充分溶解，導(dǎo)致Mw和Rz下降，達(dá)到24 h后，淀粉分子的Mw和Rz顯著下降，分別為4.672E+07 g/mol和179.3 nm，推測(cè)此時(shí)淀粉分子發(fā)生降解。當(dāng)樣品加熱30 min，溶解4 h后，所測(cè)得分子量為8.008E+07 g/mol，低于未經(jīng)加熱處理的，說(shuō)明加熱促進(jìn)了淀粉溶解，當(dāng)溶解時(shí)間達(dá)到24 h時(shí)亦觀察到Mw和Rz顯著下降，測(cè)得數(shù)值同不加熱溶解的相近。進(jìn)一步延長(zhǎng)加熱時(shí)間至60 min，將樣品溶解4～36 h，發(fā)現(xiàn)溶解8 h后，樣品的Mw和Rz分別為5.213E+07 g/mol和178.5 nm，說(shuō)明此時(shí)淀粉分子已經(jīng)開(kāi)始有所降解。表1中PI(Polydispersity，PI)是淀粉的多分散指數(shù)，PI越接近1表明樣品組分越單一，越大說(shuō)明分子量分布越寬[7]，當(dāng)樣品煮沸60 min，溶解36 h后，分子量達(dá)到最低，此時(shí)PI值為1.855顯著大于其他樣品所測(cè)得PI值，推測(cè)此時(shí)淀粉分子已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重降解。綜上，使用90% DMSO溶解淀粉時(shí)，隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉分子的Mw和Rz逐漸下降，表明淀粉在溶解過(guò)程中由顆粒溶解為單獨(dú)的分子甚至發(fā)生了降解。

? 括號(hào)中的百分?jǐn)?shù)為試驗(yàn)誤差，由軟件統(tǒng)計(jì)得出。

2.4 普通玉米淀粉經(jīng)90% DMSO不同條件溶解后的側(cè)鏈分布

選取2.2.1中用90% DMSO加熱煮沸30 min，溶解4～36 h的樣品，采用HPAEC-PAD對(duì)其鏈長(zhǎng)分布進(jìn)行分析(表2)。根據(jù)鏈長(zhǎng)的聚合度(DP)淀粉分支分為4種類型，鏈上不再有分支的為A鏈，B鏈有多個(gè)分支點(diǎn)，根據(jù)其DP值的大小可細(xì)分為B1、B2和B3鏈，其中A、B1、B2和B3的鏈長(zhǎng)分布分別為6～12，13～24，25～36，>37[8-9]。

經(jīng)90% DMSO加熱30 min，震蕩不同時(shí)間后樣品支鏈鏈長(zhǎng)分布見(jiàn)圖4。結(jié)合圖4和表2表明，與原淀粉比較，所有樣品的鏈長(zhǎng)分布均發(fā)生了變化，尤其是A鏈和B2、B3鏈變化較顯著，A鏈顯著增多，峰面積約為原淀粉的1.7～2.4倍，而B(niǎo)2、B3減少，說(shuō)明DMSO對(duì)B2、B3降解較嚴(yán)重，當(dāng)溶解時(shí)間達(dá)36 h后，B1鏈亦出現(xiàn)明顯下降，說(shuō)明DMSO亦對(duì)B1鏈降解，綜上所述，采用90% DMSO溶解淀粉時(shí)，DMSO對(duì)B1、B2和B3鏈均有一定程度的降解，而降解B1所需的時(shí)間比降解B2、B3的時(shí)間長(zhǎng)，因此在溶解過(guò)程中B1鏈?zhǔn)侵ф湹矸壑邢鄬?duì)穩(wěn)定的鏈。上述結(jié)果表明，當(dāng)?shù)矸墼?0% DMSO/水體系中溶解性最大時(shí)，淀粉分子發(fā)生了降解。

3 結(jié)論

DMSO濃度對(duì)玉米淀粉溶解有很大影響，當(dāng)DMSO濃度為90%時(shí)，玉米淀粉溶解性最大，掃描電鏡結(jié)果亦表明90% DMSO溶液對(duì)玉米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的破壞最嚴(yán)重。此外，研究表明90% DMSO溶液對(duì)淀粉分子具有降解作用：隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉分子的分子量和回旋半徑逐漸下降；DMSO對(duì)B2、B3降解較嚴(yán)重，而B(niǎo)1鏈相對(duì)穩(wěn)定。綜上，雖然90% DMSO為溶解淀粉的最佳溶劑，但是對(duì)淀粉分子結(jié)構(gòu)亦有破壞作用。因此需找適合溶解淀粉的溶劑仍是食品領(lǐng)域一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

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Solubility and structural changes of corn starch in DMSO / water system

(1.StateKeyLaboratoryofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.SchoolofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Dimethyl sulfoxide (DMSO) is the key reagent to dissolve starch in the starch structural analysis. In this paper, solubility and structural changes of corn starch in DMSO/water system were studied. Corn starch achieved maximum solubility of 97.15% in 90% DMSO solution when the dissolution time reaches 12 h. With the excessive dissolution, no significant change in solubility was detected. Scanning electron microscopy (SEM) analysis showed that starch granules structure were the largest damaged in 90% DMSO, which confirmed that 90% DMSO was the best solvent for starch. High performance size exclusion chromatography (HPSEC) and high performance anion-exchange chromatography (HPAEC) found that the molecular weight and radius of gyration of starch dissolved in 90% DMSO gradually decreased with the extension of the dissolution time, which indicated that starch molecules were degraded. Furthermore, theB2and B3chains of amylopectin were more easily to degrade, and the B1chains were relatively stable.

dimethyl sulfoxide; molecular weight; chain-length distribution

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)創(chuàng)項(xiàng)目(編號(hào)：BY2016022-06)；江蘇省優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目(編號(hào)：BK20160052)

王瑞，女，江南大學(xué)在讀碩士研究生。

謝正軍(1964—)，男，江南大學(xué)副教授，博士。 E-mail: xiezj@jiangnan.edu.cn

2016—08—12

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.006