淀粉顆粒超微形貌特征研究

作為自然界植物儲存能量和養分的主要形式，淀粉作為植物傳遞能量的主要支撐。研究者通過多種手段對淀粉的含量、糊化、結晶結構以及顆粒超微形貌等性質進行了研究,以揭示淀粉的組成結構與其內在性質和功能的關系。隨著掃描電鏡技術的普及和應用,通過掃描電鏡對淀粉顆粒超微形貌進行觀察,已經成為對淀粉顆粒的性質進行全面研究時必不可少的一種輔助考察手段。但迄今為止,運用掃描電鏡對大量植物淀粉顆粒的超微形貌展開對比研究的事例卻很稀少。只有美國愛荷華州立大學的Jane等研究人員通過掃描電子顯微鏡對50多種市售或其他實驗室制備的不同植物來源的淀粉顆粒進行了詳細的超微形貌觀察和總結。但由于技術限制,資料中給出的大部分淀粉顆粒的掃描電鏡照片都不夠清晰,關于每種淀粉顆粒的表述也過于簡約,部分淀粉顆粒形貌的描述不夠準確,因此資料中所給出的研究成果只能作為科學研究的參考,很難用于淀粉質量鑒別檢驗。近年來伴隨國內淀粉生產加工貿易的發展,市場上食用淀粉摻假現象越來越嚴重。雖然國家已出臺多項標準方法,以加強國內淀粉產品質量監管,但針對市場上新出現的價格差異較大的不同種類淀粉之間的摻假現象,尚無可行鑒別方法,也無國家標準方法可依。因為無論是普通感官檢驗還是理化分析指標上,不同種類的淀粉之間的差別都很小,難以作為鑒別依據。本研究充分運用掃描電鏡高分辨、高放大倍率、景深大、立體感強等特點,開發依據常見可食用淀粉顆粒的超微形貌特征進行鑒別的檢驗方法。根據不同種類的淀粉顆粒之間在超微形貌上的明顯差異,不同種類淀粉之間的摻假現象在掃描電鏡下昭然若揭。運用掃描電鏡對不同種類淀粉之間摻假行為進行鑒別的方法的開發,將彌補國家標準檢驗方法的缺陷,為打擊市場上用廉價淀粉向高價淀粉摻假行為提供技術支持。1材料和方法1.1原料及原料來源所用淀粉為本實驗室從可食用原料中自行提取;所用原料除蕎麥、豌豆和高粱外,均購于北京農貿市場;蕎麥、豌豆和高粱原料來自于國家糧食局科學研究院。所用化學試劑均為分析純北京化工試劑公司。1.2離子一、實驗方法S3400N型掃描電子顯微鏡、E-1045型離子濺射儀日本日立高新技術有限公司;GZX-9140MBE鼓風干燥箱上海博迅實業有限公司醫療設備廠。1.3方法1.3.1淀粉沉淀分離稱取50g原料,經去離子水洗滌干凈后,于100mL1g/100mL的亞硫酸氫鈉溶液中浸泡過夜。樣品粉碎后,漿液過100目標準篩,篩下的淀粉懸濁液經4000r/min離心20min,分離得淀粉沉淀。所得淀粉沉淀用超純水反復洗滌、離心3次后,分散于0.2g/100mL的氫氧化鈉溶液中放置3~5h。在同樣離心條件下分離出淀粉,并用去離子水反復清洗、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℃烘干過夜。1.3.2離子液體高壓噴射法稱取5mg淀粉樣品于1mL50%乙醇溶液中,超聲勻化成淀粉懸濁液。將潔凈的鋁箔片粘附在樣品臺上,將上述淀粉懸濁液滴于潔凈鋁箔片上,在紅外燈下烘干液體后,置于E-1045型離子濺射儀的樣品艙中,在15mA的電流下噴金90s。樣品取出后,裝入S-3400N掃描電鏡觀察室,進行觀察。2結果與分析2.1淀粉顆粒超微形貌與普通光學顯微鏡相比,掃描電子顯微鏡(掃描電鏡,SEM)具有更高的放大倍率和分辨率。肉眼難以辨別的不同種類的淀粉顆粒在掃描電鏡下不僅可以分辨每一個淀粉顆粒,而且不同種類淀粉在顆粒超微形貌上的差別也清晰可鑒。為了清晰展示每一種淀粉顆粒在超微形貌上的特征,圖1中針對每種淀粉顆粒,給出了不同放大倍數下的掃描電鏡照片,同時也給出了每種淀粉顆粒的典型形貌特寫。2.2淀粉顆粒超微形貌的特征如上所述,不同植物來源的淀粉顆粒,在顆粒大小和超微形貌上,有著不同的特征。從顆粒形態上看,有球形、半球形、橢球形、棒形、腎形和多面體形等,從顆粒大小來看,小的只有幾微米,大的有100μm,從顆粒結構來看,有單粒的、有復粒的,但綜合分析本項目中考察的所有淀粉顆粒的超微形貌特征,可以發現以下規律。2.2.1與其他種子形貌相似的種類在所考察的淀粉中,馬鈴薯淀粉與馬鈴薯塊莖相似,棒狀的蓮藕淀粉與藕節相似,多數豆類淀粉,如綠豆、紅豆、花蕓豆和大白豆、綠豌豆和蠶豆等都與相應的種子形貌相似等。這與Jane等的研究結果一致。目前,研究者正試圖從淀粉顆粒的生物合成途徑上研究這種自然界中的微觀子體與宏觀母體在形貌上的一致性。研究證明淀粉顆粒的超微形貌是由植物生理學和葉綠體及淀粉質粒的生物化學過程決定的。2.2.2顆粒形狀和尺寸最典型的例子就是豆類淀粉、米類淀粉及谷物類的玉米與糯玉米淀粉、高梁與糯高粱淀粉及甜蕎麥與苦蕎麥淀粉等。綠豆、紅豆、花蕓豆、大白豆、綠豌豆和蠶豆的淀粉顆粒的基本形狀都像腎形,與其種子形貌相似。蠶豆淀粉顆粒表面裂紋較多,與凹凸不平的蠶豆顆粒表面很像。玉米與糯玉米、高粱與糯高粱及苦蕎麥與甜蕎麥的淀粉顆粒都屬于棱角圓滑的多面體顆粒,每個多邊形面都呈凹凸不平現象,并且表面有細孔,相應糯性種類的淀粉顆粒的棱角更加圓滑,顆粒表面更加凹凸不平。這可能是因為糯性種類支鏈淀粉含量高的原因。米類淀粉,如大米、糯米、紫米等淀粉顆粒都具有棱角尖銳的多面體形,顆粒尺寸極小,只有幾微米。這與其米類淀粉中的直鏈淀粉含量高有關。2.2.3藻類淀粉顆粒及政策如以上觀察,未成熟馬鈴薯淀粉顆粒、B型小麥淀粉顆粒及小的豆類淀粉顆粒和藕粉中的小顆粒等都呈球形或不完全球形。這可能與淀粉顆粒在生物合成初期,在物理結晶結構上主要以支鏈淀粉構成的無定形結構為主有關。2.2.4淀粉顆粒超微形貌的特征部分種類的淀粉顆粒在超微形貌上具有獨特的特征。如馬鈴薯塊莖狀的馬鈴薯淀粉、棒形的蓮藕淀粉、鐵餅形的A型小麥淀粉等。根據這些淀粉顆粒的獨特超微形貌特征,可以通過掃描電鏡進行確切的淀粉種類鑒定。但同科屬的不同種類淀粉顆粒之間,多具有部分相似的超微形貌特征,但不同科屬的淀粉顆粒之間,在超微形貌上卻具有明顯的差異,如豆類、米類、玉米類和薯類淀粉,同科屬的顆粒形貌具有一定的相似性,但不同科屬之間,在淀粉顆粒超微形貌上又具有明顯的差別,分別呈腎形、棱角尖銳多面體形、棱角圓滑的多面體形和不規則球體碎塊狀顆粒等特征。據此可以判定所檢驗淀粉種類的科屬類別。對于來源于同一科屬的形貌相似的不同種類淀粉顆粒之間,仔細觀察和比較,也可以找出它們的差別。如紅薯淀粉與木薯淀粉顆粒,從超微形貌上看,二者都具有半球形、大半球形、球形碎塊樣的顆粒和非球面表面中心凹陷的特征。但在紅薯類淀粉中,半球形的淀粉顆粒的數量相對多一些,而木薯淀粉中,底面是多梯形側面組成的梯形凸起的大半個球形狀顆粒的數量相對多一些。不同種類的豆類淀粉顆粒都具有腎形的基本形狀,但不同種類的淀粉顆粒卻具有不同特征,如蠶豆和豌豆淀粉顆粒就具有不同于其他豆類淀粉顆粒的多道折痕(“裂紋”)特征,而且多道“裂紋”將淀粉顆粒表面分成多個凸包。豌豆淀粉顆粒的凸包表面光滑,而蠶豆淀粉顆粒的凸包表面卻凹凸不平,象石灰脫落的墻面。3淀粉顆粒的鑒定綜上所述,本研究運用掃描電鏡對多種常見可食用淀粉顆粒的超微形貌進行觀察發現,根據淀粉顆粒與植物根莖或種子的形貌相似性、同科屬淀粉顆粒形貌的類似特征、不同科屬淀粉顆粒之間的形貌差別及同屬不同種類淀粉顆粒之間的形貌特征差別,可以通過掃描電鏡成功鑒別不同種類的淀粉顆粒。這一方法的開發,將彌補國家標準檢驗方法的缺陷,為打擊市場上用廉