本科毕业设计-淀粉颗粒结构研究进展.doc

本科生毕业论文 毕业论文题目淀粉颗粒结构研究进展学 生 姓 名袁康宁所 在 学 院生物科学与技术学院专业及班级生物制药13级指 导 教 师韦存虚完 成 日 期2015 年1月23日扬州大学本科生毕业设计（论文）目 录摘要11 淀粉颗粒的概念12 淀粉颗粒的形状和大小13 淀粉颗粒的结构层次13.1 淀粉颗粒的分子结构23.2 淀粉颗粒的层次结构和微孔结构23.3 直链淀粉与淀粉颗粒结构33.4 支链淀粉与淀粉颗粒结构34 淀粉颗粒的形貌与结构34.1 马铃薯淀粉淀粉颗粒的形貌与结构34.2 木薯淀粉颗粒的形貌与结构34.3 玉米淀粉颗粒的形貌与结构44.4 银杏淀粉颗粒的形貌与结构44.5 小麦淀粉颗粒的形貌与结构45 植物淀粉颗粒的特性研究55.1 银杏淀粉颗粒的特性研究55.2 玉米多孔淀粉颗粒的特性研究56 淀粉颗粒特性影响的研究进展56.1 淀粉颗粒结构对酶水解的影响56.2 超高压对玉米淀粉的影响67 淀粉颗粒的利用价值与发展前景77.1 利用价值77.2 发展前景7结语7致谢7参考文献8淀粉颗粒结构研究进展生物制药13级 袁康宁指导老师：韦存虚摘要：淀粉是植物体内贮藏的高分子碳水化合物，它可以分解成葡萄糖、麦芽糖等成分。本文主要综述了淀粉颗粒的概念、淀粉颗粒的结构层次、淀粉颗粒的特性、淀粉颗粒的利用价值和发展前景等方面的研究进展。关键词：淀粉颗粒，结构层次，颗粒特性，利用价值，发展前景淀粉颗粒是由直链淀粉和支链淀粉组成。淀粉颗粒不溶于水，但参与植物能量的新陈代谢。淀粉可以食用，在工业上也有广泛的应用前景，可以用于制葡萄糖，麦芽糖，酒精等。本文综述了淀粉颗粒的概念、淀粉颗粒的结构特性、淀粉颗粒的特性、淀粉颗粒的利用价值和发展前景等方面的研究进展。1淀粉颗粒的概念淀粉存在于许多绿色植物中，主要贮存于植物的叶、根、芽、果实、谷粒和茎等组织和器官中，是生物圈中最丰富的碳水化合物之一。在所有碳水化合物中，淀粉的独一无二之处在于天然且以微小颗粒形式存在。颗粒是一种紧凑的半结晶结构，存贮的能量密度最大而空间最小，这使淀粉符合植物能量贮存物质的要求1。2淀粉颗粒的形状和大小淀粉颗粒由于品种的不同，其形状和大小均各具特征。稻米淀粉颗粒是有菱角的不规则形，颗粒较小，平均在5m，玉米淀粉大部分是呈压碎的状的六角形，但它的角不象稻米淀粉那样尖锐，而是稍带圆的，平均大小为15m。小麦和大麦之类的淀粉是接近球状的椭球体，颗粒有大的和小的两种，中等大小的很少。马铃薯淀粉是近卵形的，颗粒较大，平均为33m2。3淀粉颗粒的结构层次淀粉是一种均聚物，水解时只生成葡萄糖，所以被称为葡聚糖，但其空间结构并不简单。为了更清楚地表示淀粉的复杂构造，可以将淀粉分为4个结构层次。第个层次为分子结构，指的是构成淀粉的两种主要的聚合物，基本为线性的直链淀粉分子和高度支化的支链淀粉分子，由葡萄糖构成的共价链的基本特征，包括聚合度或分子量、连接键、分支程度和分支方式等。支链淀粉的分子量是直链淀粉分子平均分子量的100到1000倍。由4%5%的-1,6糖苷键将以-1,4糖苷键相连的葡萄糖短链连接起来短链排列成簇并通过长链相连。第2个层次为二级结构，指的是葡萄糖链借助氢键排列成的沿一维方向具有周期性结构的构象，如直链淀粉分子形成的左手单螺旋结构，每圈螺旋含有个葡萄糖残基，螺旋内径约为0.5 nm，螺距约为0.805 nm；在支链淀粉分子的一个簇中，两条相邻侧链缠绕形成左手双螺旋结构，螺旋内径约为8 nm，外径约为18 nm，螺距约为9nm；双螺旋的线性排列形成微晶。第3个层次为壳层（生长环）结构，指的是围绕着颗粒脐心规则地交替排列的同心环状空间结构，壳层的厚度约在120400 nm。第4个层次为颗粒结构，指的是直链淀粉和支链淀粉分子在空间上的排列形成的在一定尺寸范围内具有特定形状的几何体的多维构造。颗粒具有半结晶性质，相对结晶度为15%40%；大小一般为1100 m；形状有卵形，球形，切端形，多角形，扁豆形，不定形等1。3.1 淀粉颗粒的分子结构直链淀粉随机或呈螺旋结构而存在，这取决于颗粒中的脂类物质，因为大多数谷类淀粉存在着这类物质。结晶区是由连续的超分子螺旋结构的支链淀粉组成，螺旋结构中有许多空隙，可以容纳直链淀粉分子。一般认为，直链淀粉单链也容易形成双螺旋结构，这些双螺旋又通过氢键和范德华力得到稳定。最后形成A型或B型结构，它取决于键长和水分含量。尽管支链淀粉的分支有时出现在无定形区，但支链之间极易形成双螺旋结构1。3.2 淀粉颗粒的层状结构和微孔结构用光学显微镜观察淀粉颗粒，大多情况下可以看到层状结构，在它的中心有脐点。淀粉颗粒是以脐点为中心由球晶按一定规则排列成放射状而构成。而层状结构是由于淀粉颗粒内部折射率之差，或是由于淀粉颗粒中淀粉分子的装填方法、装填密度之差而产生的。科学家通过实验提出淀粉颗粒的结构示意图：在淀粉颗粒的中心（A区）有不同形状星形的空洞；在B区淀粉颗粒边缘是线形的空洞，直到颗粒的中心；而C区分别是遍布颗粒表面的孔点、交错通道的或通向中心的微孔1。3.3 直链淀粉与淀粉颗粒结构 直链淀粉有一些分支，其分支数与淀粉的分子大小以及淀粉的来源有关。直链淀粉是无定形的结构，构成淀粉颗粒的疏松层，支链淀粉是结晶状的结构，构成致密层。直链淀粉分子和支链淀粉分子在合成时也是并行的。直链淀粉由颗粒结合型淀粉合酶催化合成，支链淀粉则由可溶性淀粉合酶催化合成。支链淀粉的形成的分支常与其它分支结合成双螺旋的晶体结构。淀粉颗粒中直链淀粉分子延长-1,4糖苷键连接的线性葡聚糖链，保持其无定形的形态。直链淀粉相对集中于淀粉颗粒的外围，形成一层致密的网状结构。直链淀粉的含量，随着种子的成熟与淀粉颗粒的增大而增加。直链淀粉在普通淀粉颗粒外周的聚集，可能对直链淀粉与支链淀粉的结合以及二者的相互作用有利3。3.4 支链淀粉与淀粉颗粒结构支链淀粉是淀粉颗粒的主要成分，一般普通淀粉中支链淀粉占总量的70%80%，直链淀粉仅占20%30%。在糯稻米、糯玉米淀粉中支链淀粉含量几乎达100%，在高直链淀粉的玉米淀粉中支链淀粉约占60%。支链淀粉的分支是以“簇”为结构单位的，簇状结构中的分支有A链、B链和C链三种类型。A链是最外层的侧链，淀粉颗粒外部的支链淀粉由平均链长31.6 DP的B链组成，比淀粉颗粒核心部分支链淀粉的B链链长（35.4 DP)短。同时，小颗粒淀粉的支链淀粉链长大于大颗粒淀粉的支链淀粉的链长。支链淀粉的分支结构和淀粉颗粒结构的多态性相关。支链淀粉构成淀粉颗粒结构的晶体部分，淀粉颗粒中晶体结构占15%45%3。4淀粉颗粒的形貌与结构4.1 马铃薯淀粉颗粒的形貌与结构与玉米和木薯淀粉颗粒相比，马铃薯淀粉颗粒较大，透明性好，其轮纹和脐点等形貌和结构特征非常明显，在放大200倍的光学显微镜下可以清楚地观察到其基本的颗粒结构和形貌。马铃薯淀粉在常温水分散体系中的颗粒形貌见。从整体上看，其淀粉颗粒形状为椭球形，颗粒的脐点不是位于颗粒的中心，而是偏于椭球形的一端4。4.2 木薯淀粉颗粒的形貌与结构木薯淀粉的颗粒粒度较小，颗粒形状规范性差，颗粒的透明度也较马铃薯淀粉颗粒低，因此，对木薯淀粉颗粒基本结构的研究也较困难，关于原木薯淀粉颗粒基本结构的报道也不十分统一。目前普遍认为，木薯淀粉颗粒为球形，颗粒本身无脐点和轮纹结构特征4。4.3 玉米淀粉颗粒的形貌与结构玉米淀粉的颗粒外形为多角形，颗粒表面具有多个平面和棱角，无法像木薯、马铃薯淀粉的颗粒那样明确地定义颗粒的首端和尾端，但还是可以比较清楚地观察到，多数淀粉颗粒的中心处都有一个黑色斑点，这也如同木薯淀粉颗粒和较小的马铃薯淀粉颗粒一样，是玉米淀粉颗粒的脐点所在，即玉米淀粉颗粒也具有脐点，而且位于淀粉颗粒的中心处，不仅如此，在个别玉米淀粉颗粒上观察到存在的轮纹，而且是以颗粒脐点为中心向颗粒的四周逐渐扩散4。4.4 银杏淀粉颗粒的形貌与结构银杏淀粉颗粒表面光滑完整, 基本呈圆形或卵圆形，可以观察到单粒淀粉的脐点位于淀粉颗粒的一端。银杏淀粉颗粒的粒径范围为520m，小于已报道的颗粒范围3.545.9 m，这可能是由于采用的银杏品种不同造成的5。4.5 小麦淀粉颗粒的形貌与结构小麦淀粉以颗粒状态存于小麦胚乳中，淀粉粒在质体中形成。颗粒按其直径大小一般分为A型（1040m)、B型(110m)和C 型（1m），是个三模型结构，但通常将C 型归入B型。A型淀粉是在小麦开花后4 d左右的时间内开始生长的，B型则第11 d才开始生长。两者的理化性质之间存在着较大的差异。A型淀粉在工业中的应用价值要远大于B型淀粉。但是B型淀粉在小麦成长过程中起到了一定的作用，而且质量几乎占整体的一半6。小麦淀粉颗粒大小一般为双模型结构，即颗粒较大的A型与颗粒较小的B型。A型淀粉主要为扁球形、椭圆性和圆形，而且直径越大其形状越扁，越圆。B型淀粉形状较多样化，甚至包括A型淀粉的破损部分，其不完整程度和边缘破损程度均较A型高。B型表面上的凹面较多且深，而A型表面较光滑。A型淀粉表面有明显的“赤道槽”，而B型则没有明显的“赤道槽”。而当呈扁球状时，其B型厚度比A型大。观察发现：从形状来看，A型淀粉较B型是各向异性，B型是各向同性的。B型淀粉有团聚的现象，且颗粒较大的B型淀粉与颗粒较小的各自聚集。B型淀粉在数量上明显的多于A型6。5植物淀粉颗粒特性的研究天然淀粉为部分结晶，淀粉颗粒由无定形区和结晶区组成，结晶区约为颗粒体积 25%50%，主要是由支链淀粉结构元素所形成，其余为无定形区。结晶区和无定形区并无明确界线，变化是渐进的。在块根和块茎类淀粉中，结晶区仅由支链淀粉组成，而直连淀粉存在于无定形区；谷物淀粉结晶区中支链淀粉仍是最重要组分，但直链淀粉与脂复合形成较弱结晶结构7。5.1 银杏淀粉颗粒的特性研究银杏淀粉银杏淀粉初始透光率为33.4，接近木薯淀粉36，高于玉米淀粉7.9，透明性好。在静置于室温25时，随时间的延长，淀粉糊的透明度呈降低趋势。银杏淀粉的凝沉稳定性差，易沉降。银杏淀粉在低温冻融的过程中，淀粉分子间较淀粉分子与水之间能发生较强的相互作用，而且这种作用相对稳定，使水分子能很好的固定在其网络结构中，从而使银杏淀粉显示很好的冻融稳定性。在一定温度下，银杏淀粉中双螺旋有序结构消失迅速5。5.2 玉米多孔淀粉颗粒的特性研究多孔淀粉是一种新型的变性淀粉，与天然淀粉相比具有较大的比孔容、比表面积、低的堆积密度、颗粒密度及良好的吸水、吸油、分散等优良性能，可作为吸附剂应用到食品、医药、环境、化工等工业领域8。多孔淀粉和原淀粉两种淀粉吸附时和脱附时等温线不重合，分别在分压段出现对应的滞后环。多孔淀粉的滞后环要相对大于原淀粉滞后环。环越大表示孔径越大，可见经过酶解处理后得到多孔淀粉的孔径相对要大。多孔淀粉形成后颗粒呈蜂窝状，表面孔的数目较多，孔密度均一，孔径不大，孔深适中，同时比表面积增大，对各类液体物质吸附能力增强，因此可以用吸水率、吸油率的大小来判断淀粉形成多孔的情况。玉米淀粉的糊化温度变化不大，多孔淀粉的糊化性能与原淀粉基本一致，但它的糊化温度范围变小，即多孔淀粉的糊化温度相对较窄，原淀粉的糊化温度较宽，这说明多孔淀粉的结晶度均一性优于原淀粉8。6淀粉颗粒特性影响的研究进展6.1 淀粉颗粒结构对酶水解的影响有研究表明，小颗粒淀粉相对于大颗粒淀粉更容易被酶降解。实验研究-淀粉酶淀粉酶对不同植物淀粉的水解情况，结果表明淀粉水解速率和水解程度的排序由大至小依次为: 小麦、玉米、豌豆、马铃薯(这些淀粉颗粒直径是逐渐增大的) 9。不同大小淀粉颗粒的酶解速率存在差异的原因主要有两个，一方面，颗粒的比表面积 (表面积/体积)不同，小颗粒淀粉具有更大的比表面积，比表面积的增加将会增加酶与底物的接触，因此小颗粒的谷物淀粉比大颗粒的薯类淀粉具有更高的酶解性。另一方面，有些不同大小淀粉颗粒的组成成分内部结构也略有差异，小颗粒淀粉与大颗粒淀粉相比，长链型支链淀粉含量较少，结晶度低，使淀粉更容易被酶解对于不同的酶、不同品种的淀粉，淀粉颗粒大小对酶解性能的影响略有不同。大颗粒能形成多孔结构，而小颗粒只在表面腐蚀，不能形成孔9。尽管淀粉多数为球体颗粒或近似球体，但也存在很大差别，形状从标准的球形到不规则形不等，这种颗粒形状的差异也会影响淀粉的酶解。因为同样体积的淀粉颗粒，形状不同其比表面积是不同的，立方体的淀粉有更大的比表面积，与酶有更多的接触机会，相对球形淀粉就会有更好的酶解性能9。6.2 超高压对玉米淀粉的影响对玉米淀粉超高压处理压力不同其显微镜照片和偏光显微镜照片均有较大差别。随着压力的不断增大，淀粉颗粒的吸水溶胀程度也越来越大。经400 MPa压力处理后的样品，其颗粒形貌变化不大，500 MPa时，部分颗粒已经开始吸水膨胀，至600 MPa时，大部分淀粉颗粒均已充分吸水膨胀，淀粉颗粒也变得较为透明。经400 MPa压力处理5 min后，淀粉颗粒的偏光十字几乎保持不变，表明该压力处理对玉米淀粉影响不大；经500 MPa压力处理5 min后，部分淀粉颗粒开始溶胀，其偏光十字也从中心部位开始变得模糊起来，淀粉核心部位开始出现少量裂缝；600 MPa处理后，已经看不到有偏光十字存在，表明此时玉米淀粉颗粒已经充分吸水溶胀，淀粉颗粒内部的结晶结构被完全破坏，虽然颗粒内部结晶结构被破坏，但是大部分淀粉仍能保持颗粒形态，颗粒之间的界限还比较清楚" 这说明玉米淀粉于600 MPa 压力处理后，淀粉还没有达到完全糊化状态，同时也表明淀粉颗粒内部结晶的破坏压力大约在550 MPa10。与天然玉米淀粉，经过400 MPa和500 MPa压力处理后，玉米淀粉颗粒仍保持原来的形态，但是淀粉颗粒的棱角明显被腐蚀或被破坏，淀粉颗粒变得比较圆滑，这说明淀粉颗粒在高压下处理时，水分子对淀粉颗粒的浸润作用首先发生在淀粉颗粒的棱角部位，个别较大的颗粒表面会出现较均匀的坑凹，这可能是由于这些淀粉颗粒内部的结构不均匀所致。经600 MPa压力处理后，淀粉颗粒被溶胀后又经过脱水处理，淀粉颗粒出现表面塌陷状况，说明淀粉颗粒在干燥之前，其体积较大，内部部分直链淀粉会从颗粒内部渗出，在干燥过程中，由于脱水过程的不均匀性，导致了这些被溶胀的颗粒表面不能恢复到原来的状态，出现了塌陷现象10。7淀粉颗粒的利用价值与发展前景7.1 利用价值对淀粉颗粒结构的了解有利于根据淀粉颗粒内部精细结构推断淀粉的功能性质；有利于变性淀粉定位改性技术的研究与新产品开发；有利于通过基因工程技术改变富含淀粉作物的基因组成，从而培育出优良的淀粉作物新品种，生产出具有特殊结构或性质的原淀粉，对提高淀粉的经济价值有重要意义1。7.2 发展前景淀粉是高等植物储藏的主要能源物质，人类利用的淀粉主要来源于植物的籽粒、块根和块茎，每年产生于籽粒的淀粉约20.5亿t，玉米、水稻、小麦、马铃薯等是生产淀粉的主要作物。淀粉作为营养物质是人类食物和动物饲料的主要碳水化合物成分，提供了60%80%的热量，同时淀粉也广泛应用于食品工业及非食品工业。淀粉和改性淀粉在食品生产中已用作增稠剂、粘结剂和稳定剂等而改变食品的物理特性和风味。改性淀粉应用于造纸业可改善纸张质量。在纺织业中淀粉常被用作上浆剂、整理剂、增色剂以获得高质量的布料。在药品中和化妆品生产中可用作粘结剂、增量剂和乳化剂、定型剂等。此外，淀粉还可用于生产可生物降解的塑料、生物聚合体塑料等。随着科技的快速发展，淀粉用途将越来越广泛，对淀粉品质的要求也将越来越高，因此，对于淀粉的结构、结构与品质的关系以及淀粉品质形成机制的研究受到人们的高度重视3。结语在前辈们的不断研究，不断创新中，人们对淀粉颗粒的结构已经有了一个基本认识。随着科学技术的不断发展，淀粉颗粒结构的研究仍有巨大的发展潜力。致谢转眼间，我的大学学习生活即将结束，在这里我要感谢老师们的关心与帮助，谢谢你们的教导，使我的校园生活更加充实，让我对未来更加充满信心。在论文即将完成之际，我要感谢我的指导老师，从论文的选题，设计到最终完成，都离不开导师的帮助和细心指导。在此，我想对导师说声，老师，您辛苦了，谢谢您！此外，也要感谢生物科学与技术学院给我提供了这次毕业论文的机会和良好的学习环境。最后，再一次向所有一直以来为我提供帮助和支持的老师，同学们表达诚挚的谢意。参考文献1 黄峻榕, 付良绅. 淀粉颗粒结构的研究方法. 食品与机械, 2010, 26(6): 5.2 黄强, 罗发兴, 杨连生. 淀粉颗粒结构的研究进展. 高分子材料科学与工程, 2004, 20(5): 19-22.3 周琳, 刘晓萌, 陈龙. 植物淀粉颗粒结构研究进展. 种子, 2009, 28(1): 55-56.4 张本山, 梁勇, 高大维, 耿子欢. 淀粉颗粒形貌与结构研究. 中国粮油学报, 2002, 3(17): 47-49.5 汪兰, 邓乾春, 张芸, 尹志华, 谢笔钧. 银杏淀粉颗粒结构及物化特性的研究. 中国粮油学报, 2007, 22(4): 66-69.6 朱帆, 徐广文, 姚历, 丁文平. 小麦淀粉颗粒的微观结构研究. 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