木薯直链和支链淀粉分离

2021年2月26日发(作者：老打嗝是怎么回事)
.
第一章

绪论

1.1
淀粉

淀粉在自然界中广泛分布，
常见于高等植物，
是碳水化合物存在的主要形式，
主要存 在于高等植物的根、
茎、叶、果实、花粉中。淀粉是多糖的一种，是通过光合作用把
CO
2
和
H
2
O
以葡萄糖的形式固定下来在经
过聚合等反应形 成以淀粉形式。因为这种储存能量的功能，这些淀粉亦被称为储藏性多糖。

淀粉
（分 子式为
（
C
6
H
10
O
5
)
n< br>，
严格分子式为
C
6
H
12
O
6
( C
6
H
10
O
5
)
n
）
的基本组 成单位是葡萄糖
（
C
6
H
12
O
6
)（见
图
1-1
），由
D-
葡萄糖经α
-1,4
糖甙键和α
-1,6
糖甙键组成，分子链中有还原尾端和非还原尾端。分子量
一般为
800
～
3000DP
。

1940
年， 瑞士

和

发现淀粉是由两种不同的淀粉分子：直链淀粉和支链淀粉。此外，现在的研究发现，在许多淀粉颗粒中还存在第三种成分
[1]
。




















图
1-1
淀粉分子简式

Fig 1-1 Simple starch molecules

1.2
木薯淀粉

木薯属亚 热带或热带薯类农作物，国内主要产于广东、广西、海南岛，福建部分地区；
国外泰国、越南等东南亚国 家和地区，巴西、委内瑞拉等南美国家和地区，尼日利亚等非
洲国家。木薯作为一种富含淀粉的块根作物 ，与马铃薯、红薯并列为世界三大薯类作物，
目前全世界有
70
多个国家种植木薯。我 国种植木薯的省份有广西、海南、广东、福建和云
南等省区，其中广西是我国种植木薯的最大省份，种植 面积和产量均占全国的
60%
以上
[2]
。
木薯收获后，其块根主要 用于制造木薯淀粉。木薯淀粉不是单一物质，而是由直链淀粉和
支链淀粉构成的混合物
[3]< br>。木薯淀粉中直链和支链淀粉含量因木薯品种不同及种植地区不
同而有所差别，决定着木薯淀粉的 品质，并影响着木薯淀粉的贮藏与加工，所以，以木薯
淀粉为原料，研究其直链淀粉和支链淀粉的分离方 法具有广阔的应用前景。

1.2.1
支链淀粉

支链淀粉的分子量比直链淀粉的大
,
分子量在
10
～
100
万范围内
,
相当于分子中 由
600
～
6000
个葡萄糖
单元构成。支链淀粉分子中葡萄糖单元 有由
a-1,4
糖苷键连成的链
,
还有由
1.6
糖苷键连接成的分支
,
分支
上又有由
1,6
糖苷键连接成的分支
,
形如树枝状。分子中小分支的数目在
50
个以上
,
每一个小分支平均约含
有
20
～
30
个葡萄糖单元。小分支中的这
20
～
30
个葡萄糖单元也通过分子内氢键的相互作用卷曲 成螺旋形的
.
构象（见图
1-2
）部分原淀粉的支链淀粉含量如表
1-1
所示。

支链淀粉以分支端的葡萄糖链平行排列
,
彼此以氢链缔合成束状
,
形成微晶束结构。所以支链淀粉中结
晶区域小
,
晶体结构不太紧密
,
淀粉颗粒大。
支链淀粉的分子大
,
各支链的空间阻碍作用使分子间的作用力减
小。
而且由于支链的作用
,
使水分子容易进人支链淀粉的微晶束内
,
阻碍了支链淀粉分子的凝聚
,
使支链淀粉
不易凝沉
[4]
。

表
1-1
部分原淀粉的支链淀粉含量

Table 1-1 Part of the amylopectin content of native starch
淀粉来源

玉米


糯玉米

高直链玉米

高粱

蜡质高粱

稻米



支链淀粉含量
/%
73
100
30
73
100
81
淀粉来源

支链淀粉含量
/%
糯米

小麦



马铃薯

木薯

甘薯


100
73
80
83
82

图
1-2
支链淀粉的分子结构

Fig 1-2 The molecular structure of amylopectin


1.2.2
直链淀粉

一般的研究认为直链淀粉是一种线形多聚物，都是由

ɑ
-D-
葡萄糖经过ɑ
-D-1
，
4
糖苷键连接 而成的链状
分子（见图
1-3
），呈右手螺旋结构（见图
1-4
）， 每六个葡萄糖单位组成螺旋的每一个结局，在螺旋内部只
含有氢原子，羟基位于螺旋外侧。现在研究证明 ，除了直链淀粉（线形）分子之外，还有一种在长链上带有
非常有限的分枝的分子，分支点是ɑ
-D-1
，
6
糖苷键连接，平均每
180
～
320
葡萄糖单位有一个之间，分支点ɑ
-D-1
，
6
糖苷键占总糖苷键的
0.3%
～
0.5%.
含支链的直链淀粉分子中的支链有的很长，有的很短，但是支点
隔开很远，因此它的物理性质基本上和直链淀粉分子相同。直链淀粉没有一定的大小，不同来源的直链淀 粉
含量差别很大，见表
1-2
。未经降解的直链淀粉非常庞大，其
DP
为几千。不同种类的
DP
差别很大
[1]
。

.
直链淀粉和支链淀粉的分离在这些年来引起了较多的关注，但取得的成功却是很少。在之，用凝沉法探
究谷物淀粉样品的研究表明：直链淀粉的沉降系数约为
4
～
10 s
，支链淀粉的沉降系数约为
100
～
400 s
。同
时也表明了淀粉组成的沉降系数与浓度是紧密相关的
[5]
。

直链淀粉的颗粒小，分子链与分子链间的缔合程度较大，形成的微晶束晶体结构紧密，结晶区域较大。< br>直链淀粉由于分子排列较规整，分子容易相互靠拢重新排列。所以在冷的水溶液中
,
直链 淀粉有很强的凝聚
沉淀性能。工业上正是利用直链淀粉与支链淀粉的凝沉性的差异
,
将直链淀粉与支链淀粉分离
。

[4]

表
1-2
各种粮食淀粉中直链淀粉的含量

Table 1-1 The amylose content of

variety starch

淀粉种类

大米

糯米

玉米（普通种）

甜玉米

糯玉米（蜡质种）

高粱

糯高粱

含量
/%
17
0
26
70
0
27
0
淀粉种类

小麦

燕麦

豌豆（光滑）

豌豆（皱皮）

甘薯

马铃薯

木薯

含量
/%
24
24
30
75
20
22
17




图
1-3
直链淀粉的分子结构

Fig 1-3 Molecular structure of amylose


.

图
1-4
支链淀粉的螺旋结构

Fig 1-4 The spiral structure of amylose


1.3
国内外研究现状和发展动态

淀粉主要是由直链淀粉和支链 淀粉组成，因为两者的分子结构、分子构型状态各有不同，所以使得不同
来源的淀粉有各自的应用表现。 已有研究表明，淀粉中二者的比例和含量对淀粉的产品储存、加工、物化特
性研究等有着直接或者间接的 影响。同时，直链淀粉和支链淀粉本身也有着不同的性能和用途。

1.3.1
直链淀粉的国内外研究现状和发展动态

由于直链淀粉具有近似纤 维的性能，所以，工业上直链淀粉的用途较多。直链淀粉具有良好的成模性、
质构调整、
凝胶性 及促进营养素吸收等功能，
比如高直链淀粉食品是糖尿病患者理想食品
,
国外许多营养 研究
机构进行许多实验
,
证实直链淀粉功能作用。另外，直链淀粉还是胆结石及高血压 病人理想食品
,
具有防止胆
结石形成及降低胆固醇作用。直链淀粉与人体内其它营养元 素吸收也相互影响
,
尤其是一些重要微量元素
,
如
Zn
、< br>Fe
、
Ca
、
P
等。试验结果表明
,
饲喂直 链淀粉配方和支链淀粉配方食谱
7
～
10
天，饲喂直链淀粉配方的
小 猪肠道内
Fe
、
Ca
吸收率均比饲喂支链淀粉配方的高；
Zn
、
P
吸收率差异统计上不显著
,
即所用试验群体
(12
头 小猪
)Zn
、
P
吸收率不受淀粉种类影响
[6]
。

直链淀粉具有凝结成块、
易形成结构稳定凝胶物性
,
可作为强韧食品包装薄膜 ，
这种薄膜对氧和油脂有良
好隔绝性
,
又因涂布展开性好
,
故适于作为产品保护层。其乙酸衍生物又可作为纺织纤维
,
还用于浆纱、纤维上
光及作 为胶粘剂、包扎材料等。此外
,
利用其粘合无毒、水溶性
,
还用于药剂、绷带 、缝合线等医疗品中
[7]
。

直链淀粉能制成强度高、
柔软性好的 纤维和薄膜，
而支链淀粉不能。
目前
,
利用直链淀粉作为塑料增量剂
和某些类型塑料完全代用品是可行的。美国用直链淀粉制成一种名为“
Ecofoam
”新型包 装充填物
,
类似于聚
苯乙烯泡沫塑料“塑料花生”
,
体轻而松软,
广泛用于包装工业。因其成分
95%
是直链淀粉
,
能在很短 时间内
分解，因此，可解决聚苯乙烯对环境污染问题
[6]
。


表
1-3
直链淀粉及衍生物的应用

Table 1-3

Application of amylose and its derivatives
品名


薄膜

应用

食品包装

特性

无毒、不透油、

普通包装与覆盖层

不透气、耐水、可食

.


食品添加剂



医疗用品


油田用品


纺织浆料




建筑材料



药品及糖果类包装

面包

糕点面团

番茄酱

果胶与胶质蜜饯

药剂

绷带、缝合线

钻井泥浆

印花浆料


纺织浆料


吸声贴片

瓦楞板

混凝土

铸件芯

生物可降解性

改善质量、抗陈化性

降低湿稀、减少收缩

增稠

降低明胶化时间

粘合

无毒、水溶性

高粘度

高粘度与所需求的

不黏着的短稠度

提高润滑性

和耐磨性

粘合

高度保水性成膜性

粘合

粘合

1.3.2
支链淀粉的国内外研究现状和发展动态

支链淀粉具有抗老化特性 、
改善冻融稳定性、
增稠作用、
高膨胀性及吸水性
,
因而被广泛应用 于食品加工、
包装材料的制造、水溶性及生物可降解膜、医药和建筑工业等领域
[8-9]。

为了加深理解木薯淀粉物性与其所含直链淀粉、支链淀粉含量的关系，提高直链和支链 淀粉应用价值，
必须对直链、支链淀粉进行有效分离与检测。但由于直链淀粉分子与支链淀粉分子交织缠 绕在一起，分子内
与分子间存在着强大的氢键结合力
[10]
，
因此较难分离 ，
目前我国尚少有木薯直链淀粉与支链淀粉的纯品出售。

在过去的几十年间，淀粉结 构研究已取得很大进展，尤其是对淀粉颗粒结构的研究方面，更是如此。这
些进展一方面是由于出现了新 的显微技术，另一方面是由于固体的核磁和结晶技术的进步，使得我们能够分
析颗粒内部支链淀粉的构造
[11,12]
。我们甚至可以检查淀粉颗粒的不同部分
[13]
。由于早在 六十多年前就了解了
淀粉是由两种大分子物质组成，
人们早就期望尽快建立淀粉组分的结构模式
[14]
。
虽然由于支链淀粉的束结构
已经取得一致认同，但关于该结构的深 入了解还很不够。为了最终了解淀粉颗粒的结构以及淀粉的功能性，
人们仍在细致研究其束结构
[15]
。

1.4
淀粉组分分离

由上文可知，直链淀粉 和支链淀粉无论是在结构、性质还是用途上都有一定的区别，而且直链淀粉和支
链淀粉的组成百分数的差 异，对木薯淀粉的品质、储藏和加工产生重要的影响。所以研究直链淀粉和支链淀
粉的分离方法具有重大 的意义。分离的原则：一是不能使淀粉的性质发生变化，二是淀粉不能发生降解。

.
1.4.1.
温水浸出法

原理是直链淀粉易溶于热水，从团粒中渗透出来， 并形成粘度很低的溶液，而支链淀粉只能在加热加压
的情况下才能溶解于水。将脱脂的淀粉水悬浮液保持 在糊化温度或稍高于糊化温度下搅拌，之后离心浓缩即
可得到直链淀粉。温度是影响该方法效率的主要因 素。一般提取的温度稍高于淀粉的糊化温度即可
[16]
。

Baum
、
Gilbel
[17]
将淀粉粒在氮气流下用
0.5 mol/L NaOH
溶液悬浮
30 min,
然后用
40000 rpm
离心
2 h,
上
部清液经过中和、浓缩、脱水后得直链淀粉。此方法 中温度影响淀粉的抽提效率。若太高，支链淀粉也溶解
导致纯度较差；相反温度太低，直链淀粉得率较低 。

1.4.2
配合剂法

配合剂分离法中以
Schoch
的丁醇法最为有名。该法是往淀粉糊液中加入正丁醇进行冷却
,
使直链淀粉
-
正丁醇复合物沉淀出来。

直链淀粉分子在较高温度 下分子较为伸展
,
极性基因外露
,
很容易与一些极性有机物
,
如醇类、
脂肪酸作用。
而支链淀粉分子中
,
由于支链呈树枝状
,< br>在空间上起到阻碍作用
,
所以与极性试剂进行反应较慢，不易与这些化
合物形成 复合物沉淀
[4]
。可应用此原理进行直链淀粉和直链淀粉的分离操作。具体操作过程：首先经 过一定
的预处理包括高压加热、碱液增溶等方法将淀粉分散成溶液，然后加入适当的有机溶剂，使直链淀 粉成为一
种不溶性的复合物沉淀，进行离心，沉淀即为直链淀粉，而支链淀粉留于母液中，经过减压蒸馏 ，再用无水
乙醇进行沉淀，将其析出。该方法是目前实验室制备少量样品的常用方法。敖自华等采用正丁 醇分离了银杏
的两淀粉，并用凝胶渗透色谱法进行了纯度鉴定，表明通过该法可得到纯度较高的淀粉组分 。孙忠伟等人对
芋头淀粉进行了分离纯化，并采用高效液相色谱进行了鉴定
[18]
。

1.4.3
盐类分离法

同系高聚物的溶解度随分子量的增加而降 低。将非溶剂加入高聚物溶液中将会引起分子离析和沉淀
,
开
始析出和沉淀的是分子量较高的级分。
在两种聚合物的混合物中
,
当其中一种结晶趋势较小时
,
加入非溶剂将
会沉淀或盐析出具有较多的全同立构结构
,
形成有较高结晶倾向的另一聚合物
[19]
。盐类分离法就是利用直链< br>和支链淀粉在盐的浓度相同的条件下盐析的温度不同而将其分离。常用的无机盐有硫酸镁、硫酸铵和硫酸钠
等。

支链淀粉和直链淀粉在室温下能从
13%
硫酸镁溶液中沉淀，但在
80 ℃只有直链淀粉能沉淀。利用这种
性质，工业上分离直链淀粉和支链淀粉的方法为：
10%
马铃薯淀粉用
SO
2
和
MgO
调
PH
值至
6.5
～
7.0
，为了
防止淀粉降解，加入
13%
硫酸镁，
160
℃加压加热使淀粉溶解。冷却至
80
℃，高速离心，直链淀粉沉淀。
母液继续冷却至
20
℃，离心分离，沉淀为支链淀粉沉淀
[1]
。

1.4.4
控制结晶分离法

淀粉溶液或淀粉糊在低温静置条件下
,
直链淀粉分子就缓慢渗出
,
如果适当地降低温度
,
则此类分子将产
生定向并从溶液中结晶出来。这种迅速结晶的现 象是结构有规律的全同立构α
-D-1.4
键键合的线性直链淀粉
分子的特征。
如果浓度太高或温度太低
,
直链分子的渗出减慢而结晶受阻
,
结果取而代 之的是一种三维凝胶网
络
,
即淀粉的凝沉现象。如果支链淀粉的线性外支链也参与凝胶的形成
,
那么直链和支链淀粉分离困难或成
.
为不可能。

Etherid ge
等通过控制结晶过程分离出了纯度相当高的直链淀粉。
Hoffman. Starkfa rbriken
应用以凝胶作用
为基础的流体力学法分离出马铃薯直链淀粉和支链淀粉
[16]
。

1.4.5
电泳法

马铃薯中支链淀粉含有少 量磷酸，具有负电荷，可利用电泳将直链淀粉和支链淀粉分离。将马铃薯淀粉
溶液置于电场中，支链淀粉 移向阳极，沉淀下来，直链淀粉仍留在溶液中。玉米淀粉不含磷酸酯，但直链淀
粉吸附有脂肪酸，具有负 电荷，置于电场中，直链淀粉向阳极移动沉淀下来，而支链淀粉仍留在溶液中。

1.4.6
纤维吸附法

利用直链淀粉能被纤维素吸附而支链淀粉不被吸附的 性质可将它们分离。
将冷淀粉溶液通过脱脂棉花柱
,
直链淀粉被吸附在棉花上
,
支链淀粉流过
,
直链淀粉再用热水洗涤出来。用此方法可制得高纯度的支链淀粉
[1]
。

1.4.7
色谱法

由于直链淀粉和支链淀粉的分子结构和分子量的不同< br>,
使得采用凝胶过滤层析分离成为可能。
当淀粉溶液
通过层析柱时
,< br>分子直径比凝胶孔大的支链淀粉分子只经过凝胶颗粒之间的空隙
,
随洗脱液一起移动,
先流出柱
外；而分子直径比凝胶孔小的直链淀粉分子
,
能够进入凝胶相 内
,
不能和洗脱液一样向前移动
,
移动的速度必
然要落后于支链淀粉分子。

但由于此方法所用的上样量较少
,
所以多用于对已分离的直链淀粉和支链淀粉进行纯度检验
[17]
。

1.4.8
伴刀豆蛋白
A
法

Matheson
和
Welsh
[20]
提出了另一种淀粉级分分离的方法，不沉淀直链淀粉，而是讲支 链淀粉与外援凝
集伴刀豆球蛋白
A
形成复合物，然后将其沉淀出来，再用蛋白酶将外源 凝集素（一种蛋白质）水解去除
[21]
。
虽然该方法可获得较纯的支链淀粉，但是如 果原淀粉样品中含有分支状的中间级分，则也会随支链淀粉沉淀
析出
[20,22]
。 伴刀豆球蛋白
A
与支链淀粉的结合力与外源凝集素浓度和多糖结构有关
[15]
。

1.5
本课题的提出、研究内容和意义

淀粉既可供食用也可 作为工业原料，其价格低廉且来源十分丰富，是一种重要的化工原料之一，淀粉分
为直链淀粉和支链淀粉 ，两者具有不同的结构及其应用特性。本项目利用亚热带木薯淀粉为原料，研究直链
淀粉和支链淀粉的较 佳分离方案，并探究其最佳的分离条件。为建立以木薯淀粉为原料分离直链淀粉和支链
淀粉的工业化生产 平台提供技术支持，同时对提高广西木薯淀粉深加工产品档次和质量、拓宽淀粉深加工产
品应用功能和应 用领域都具有十分重要的理论与现实意义。

研究的主要内容是：

(1)
研究制备木薯直链淀粉和支链淀粉的产品工艺方法；

(2)
通过单因素实 验来考察原淀粉液的浓度、糊化温度等因素的影响，做出单因素影响曲线以确定最佳
工艺条件；

.
(3)
通过紫外
-
可见分光光度计对显色后的淀粉进行扫描， 确定淀粉中的直链及支链被分离。

此研究可以有效的利用广西十分丰富的木薯淀粉资源，提高 木薯淀粉的深加工工艺水平，拓宽木薯淀粉
深加工产品品种及其应用功能，对广西的木薯产业具有一定的 指导意义及参考价值。顺应科学发展观的经济
体制，可以为日益紧张的工业提供新的原料来源，减少对石 油工业的依赖。

.
附录一

英文文献翻译原文


.

.
.