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FH|一作解读：不同温度下玉米淀粉颗粒结构的变化

花匠小妙招
2025-05-18 12:03

【研究背景】

淀粉是绿色植物通过光合作用产生的有机物，可用于长期的能量储存。它是一种可分级且广泛使用的多糖分子，存在于绿色植物的茎、根、谷物和水果的小颗粒。淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉组成，其中直链淀粉由1,4糖苷键组成，支链淀粉由α-(1,4)糖苷键的糖苷链和α-(1,6)糖苷键的分支组成。玉米淀粉是应用最广泛的淀粉类型。

淀粉的结构比传统的聚合物要复杂得多。目前，对淀粉微观结构的研究较少。淀粉基聚合物的加工涉及多种化学和物理反应，包括水的扩散，凝胶化，熔化和结晶。最重要的加工方式是淀粉的糊化作用。2021年3月18日，齐鲁工业大学食品科学与工程学院崔波课题组在Food Hydrocolloids（IF=9.147）杂志上在线发表了“Structural changes in corn starch granules treated at different temperatures”的研究论文。对不同温度处理的玉米淀粉进行了冻干处理，并对其不同结构层进行研究，有助于人们更好地理解淀粉颗粒在热加工过程中的结构。三黍生物提供了部分淀粉性质测定服务。

【文章思路】

【研究结果】

本研究通过测定制备样品的X射线衍射，扫描电镜，热偏振光显微镜，凝胶渗透色谱，激光共聚焦显微镜，红外光谱观察不同温度处理的样品的淀粉颗粒、结晶区、生长环等结构。

1 扫描电镜(SEM)分析

利用扫描电镜(SEM)分析了不同温度下处理的玉米淀粉的微观结构。从图1中的三组数据(对照、50°C和60°C)中可以明显看出，随着温度的升高，玉米淀粉颗粒吸收水分的速度缓慢。膨胀主要发生在60°C。由此可以看出淀粉颗粒在糊化开始时开始膨胀。从70°C、80°C、90°C三组数据可以看出，淀粉颗粒破碎。随着温度的升高，玉米淀粉颗粒的破裂程度不断增加。原因是当淀粉的温度在70-90℃范围内时，随着温度的不断升高，氢键被打破，水分子与淀粉分子的羟基结合。这一过程导致淀粉晶体的溶解和淀粉颗粒的破坏。在这一阶段，支链淀粉的双螺旋结构被解离破坏。

图1 玉米淀粉的扫描电镜图像

2 激光共聚焦实验（CLSM）分析

图二显示淀粉颗粒生长环随着温度的升高逐渐消失。结果表明，高温条件下淀粉生长环被破坏，与SEM结果相似。SEM分析表明，随着温度的升高，玉米淀粉颗粒被破坏。玉米淀粉颗粒的破坏可能导致玉米生长环结构的丢失。从图2的对照组和50°C的图像来看，糊化过程从淀粉中心开始，迅速向外围扩散。由此可以推断，糊化作用始于玉米淀粉颗粒的中心。在此过程中，大部分直链淀粉从颗粒中渗出，形成糊化溶液。

图2 不同温度下处理玉米淀粉样品的CLSM光学切片

3 XRD和热台偏振光显微镜分析

从表1(0-60℃)可以看出，随着温度的不断升高，玉米淀粉的结晶度从30%下降到13%。从图4可以看出，在对照、50℃和60℃处理中，淀粉的极十字偏光现象仍然存在。这个温度范围称为初始糊化温度、淀粉颗粒与水分子的可逆结合和颗粒膨胀。但在范德华力和氢键作用下，玉米淀粉颗粒的结构保持稳定，颗粒保持完整。同时，淀粉在偏振光作用下保持双折射。由表1、图3、图4可知，在70、80、90℃处理时，淀粉的偏光十字逐渐减小，结晶度下降，说明淀粉的晶体结构被破坏。研究表明，在高温(70-90℃)下，玉米淀粉颗粒的晶体结构被破坏。特别是玉米淀粉颗粒中的氢键被破坏，水与游离羟基相结合。在此过程中，玉米淀粉颗粒中的支链淀粉双螺旋完全打开，晶体结构完全消除，玉米淀粉的双折射消失。

表1 不同温度下处理玉米淀粉的ATR-FTIR光谱和结晶度。

图3 不同温度处理玉米淀粉的x射线衍射。

图4 玉米淀粉的热偏光显微镜图像

4 ATR-FTIR光谱分析

图5为不同温度处理玉米淀粉的ATR-FTIR光谱图。通过ATR-FTIR，我们可以确定玉米淀粉短程分子顺序的变化，特别是双螺旋结构的变化。从表1中我们发现，不同温度处理的玉米淀粉具有相同的ATR-FTIR光谱。宽带在3381cm-1对应直链淀粉和支链淀粉羟基的拉伸振动。从图1的ATR-FTIR光谱可以看出3381 cm-1的峰值强度随温度升高而减小，说明温度处理可以减少玉米淀粉双螺旋间的氢键相互作用，且玉米淀粉双螺旋间的氢键相互作用随温度升高而减小。文献证明，995 cm-1和1047 cm-1处的特征峰代表玉米淀粉的结晶度和有序结构，1015 cm-1处的吸光度代表非晶态区域的结构。双螺旋的有序度(DO)和双螺旋度(DD)可以通过计算得到。由表1可以看出，玉米淀粉的DO随着温度的升高而降低，XRD结果也呈现出相同的趋势。随着温度的升高，玉米淀粉的结晶区被破坏，导致结晶度降低甚至消失。由表1可知，玉米淀粉的DD随着温度的升高而降低。这是因为随着温度的升高，玉米淀粉的凝胶化导致了双螺旋含量的降低。实验得出糊化作用导致淀粉结晶区破坏，导致淀粉结晶度降低的结论。

图5 不同温度处理玉米淀粉的ATR-FTIR光谱。

5 凝胶渗透色谱（GPC）分析

由表2可知，随着温度的逐渐升高，淀粉的分子量分布广度指数D逐渐增大，表明分子量分布随着温度的升高而变宽，多分散度增加。在淀粉加热和糊化过程中，直链淀粉从淀粉颗粒中解脱出来，支链淀粉双螺旋解开，导致淀粉分子量发生变化，同时发现支链淀粉的双螺旋结构被解开，在高温淀粉糊化过程中直链淀粉被释放。本实验的样品预处理在磁搅拌器(800 rpm/min)下进行。由此可以推断，磁力搅拌器对玉米淀粉支链淀粉的撕裂导致玉米淀粉分子量的变化，导致分子量分布广度指数D的增加。

表2 不同温度下处理的玉米淀粉样品的结构特性。

【项目总结】

随着温度的升高，玉米淀粉颗粒不断膨胀直至破裂。这一现象也发生在玉米淀粉结晶区，随着温度的升高，结晶区逐渐减少并消失。热台显微镜实验证实了这一观察结果。利用激光共聚焦显微镜(CLSM)对玉米淀粉的生长环进行观察，发现随着温度的升高，玉米淀粉的生长环逐渐从中心断裂并向全粒扩散。GPC测试帮助测定玉米淀粉在不同温度下的分子量。随着温度的升高，玉米淀粉宽度指数分布逐渐增大，直链淀粉和支链淀粉呈破碎状态。

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