玉米淀粉在DMSO/水体系中溶解性与精细结构变化

王 瑞田耀旗 谢正军

(1. 江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡 214122；2. 江南大学食品学院，江苏 无锡 214122)

玉米淀粉在DMSO/水体系中溶解性与精细结构变化

王 瑞1,2田耀旗1,2谢正军1,2

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

(1. 江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡 214122；2. 江南大学食品学院，江苏 无锡 214122)

二甲亚砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)是淀粉精细结构分析中溶解淀粉的关键试剂。以普通玉米淀粉为原料，研究其在DMSO/水体系中的溶解性与精细结构变化。结果表明，当溶解时间达到12 h后，普通玉米淀粉在90% DMSO溶液中溶解性达到最大值97.15%；随着溶解时间的延长，溶解性无显著变化。扫描电镜(SEM)结果表明，90%的DMSO对淀粉颗粒结构破环最大，证明90% DMSO是淀粉的最佳溶剂。然而进一步通过高效液相体积排阻色谱联用系统(HPSEC)、阴离子色谱(HPAEC)等技术研究发现，淀粉溶于90% DMSO后，随着溶解时间的延长，其分子量和回旋半径逐渐下降，在溶解过程中淀粉分子发生了降解，主要降解部分为支链淀粉的B2、B3链，而B1链相对稳定。

二甲亚砜；分子量；侧链分布

淀粉是绿色植物中重要的储能物质，其精细结构的表征是淀粉资源开发利用的必要基础[1]。在淀粉分子结构分析过程中需破坏淀粉的颗粒结构，分散其分子链从而使淀粉充分溶解。常用的淀粉溶剂包括DMSO和碱液。然而淀粉在低浓度碱液中溶解不佳，高浓度又易发生降解，导致淀粉的结构分析不准确[2]。有机溶剂DMSO能够充分分散、溶解淀粉分子，是目前淀粉溶解、精细结构分析中使用最普遍的有效溶剂。研究[3]发现，当DMSO溶解淀粉时，淀粉易发生快速溶胀，形成表面凝胶层，阻止DMSO穿透淀粉颗粒，影响溶解效果，因此需要加入水以阻止淀粉颗粒的快速溶胀。例如，Sang-Ho Yoo[4]选用90% DMSO溶解淀粉研究不同植物来源淀粉的分子特征；Ju Hun Lee等[5]用50%，70%，90% DMSO溶液溶解淀粉研究支链淀粉的分子构象。然而，在何DMSO/水体系条件下淀粉溶解性最佳，在最佳体系中淀粉精细结构如何变化均需要深入研究。

本试验以普通玉米淀粉为原料，研究其在不同DMSO/水体系中溶解性及颗粒形貌变化，并研究DMSO/水体系是否会对淀粉分子结构产生影响，为获得溶解淀粉的最佳溶剂提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

普通玉米淀粉：天津顶峰淀粉有限公司；

异淀粉酶：1 000 U/mL，爱尔兰Megazyme公司；

二甲亚砜、无水乙醇、苯酚、浓硫酸等：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

扫描电子显微镜：Quanta-200型，荷兰FEI公司；

高效液相排阻色谱柱：Shodex OHpak SB-804 HQ与Shodex OHpak SB-806串联，日本昭和电工科学仪器有限公司；

输送泵：Binary HPLC Pump Waters 1525型，美国Waters公司；

多角度激光检测仪：DAWN HELEOSⅡ型，美国Wyatt公司；

示差折光检测器：2414型，美国Waters公司；

高效阴离子交换色谱(配有脉冲电流检测器)：ICS-5000型，美国Dionex公司；

阴离子交换柱：250 mm × 4 mm，美国Spectra-Physics公司；

高速离心机：RG-TDL-50A型，无锡瑞江分析仪器有限公司；

双光束紫外可见分光光度计：TU-1901型，北京普析通用仪器有限责任公司。

1.2 试验方法

1.2.1 DMSO溶解普通玉米淀粉样品的制备 准确称取普通玉米淀粉0.5 g于3组100 mL锥形瓶中，分别加入20 mL 90% DMSO溶液。一组不加热，直接放入50 ℃恒温震荡水浴锅中，一组加热煮沸30 min后放入，第三组加热煮沸60 min 中放入，分别震荡0，4，8，12，24，36 h后取出，加入5倍体积无水乙醇静置30 min，离心(5 000 r/min，10 min)，洗涤3次后烘干，研磨过筛备用。

1.2.2 普通玉米淀粉在不同浓度DMSO溶液中溶解性测定

称取普通玉米淀粉样品(200.0±0.1) mg若干于25 mL具塞试管中，分别加入100%，90%，80%，70% DMSO溶液10 mL，然后将试管放入水浴锅中分别在50 ℃下恒温震荡0，4，8，12，24，36 h。然后将样品离心(5 000 r/min，10 min)。准确吸取1.0 mL离心后的上清液用苯酚-硫酸法[2]测定其总糖含量，将测定得到的葡萄糖含量换算成淀粉含量。根据葡萄糖标准曲线方程y=3.310 7x+0.000 02，淀粉溶解性指数(Solubility Index，SI)按式(1)计算：

(1)

式中：

SI——淀粉溶解性指数，%；

A490——样品在490 nm处的吸光值；

k——溶液的稀释倍数；

m——玉米淀粉的质量，mg；

0.9——葡萄糖与淀粉的质量换算系数；

10——溶剂为10 mL。

1.2.3 普通玉米淀粉颗粒形貌分析 将100%，90%，80%，70% DMSO溶液50 ℃恒温震荡4 h后的样品醇沉、洗涤、烘干、研磨、过筛，分别固定在样品台上，镀金(10 nm)处理后在加速电压下用扫描电镜观察，并拍下扫描图片。

1.2.4 分子结构测定

(1) 分子量测定：称取适量1.2.1制备样品，溶解于0.1 mol/L 的NaNO3溶液(含0.02%的NaN3)中，配成适宜浓度的溶液。样品经充分溶解后过0.45 μm微孔滤膜，采用HPSEC-MALLS-RI系统分析。

色谱条件：流动相为0.1 mol/L NaNO3溶液(含0.02% NaN3)，流速为0.6 mL/min，柱温为50 ℃，色谱柱Shodex OHpak SB-806 HQ与Shodex OHpak SB-804 HQ串联。氖气和氦气为多角度光散射仪的光源气体，波长设定为632.8 nm。使用Astra数据分析软件处理所得数据。

(2) 链长分布测定：分别称取5 mg 1.2.1制备样品和原玉米淀粉，分散于5 mL柠檬酸钠缓冲液(0.1 mol/L，pH 3.5)中，沸水浴加热糊化30 min，冷却至室温，加入50 μL稀释后的异淀粉酶(1 000 U/mL)，37 ℃恒温震荡反应12 h后置于沸水浴中煮沸15 min，灭酶，离心(5 000 r/min，10 min)，取上清液过0.45 μm微滤膜，采用HPAEC-PAD检测样品侧链分布。

检测条件：GP40型梯度泵与ED40型脉冲安培检测器，CarboPacPA200色谱柱；进样量25 μL；流动相A：150 mmol/L NaOH，流动相B：含500 mmol/L NaAc的NaOH(150 mmol/L)溶液；流速为1 mL/min。

2 结果与分析

2.1 普通玉米淀粉在不同浓度DMSO溶液中处理不同时间的溶解性

由图1可见，随着溶解时间的增加，淀粉的溶解性逐渐增加，不同DMSO/水体系中淀粉的最大溶解性分别为91.5%(100% DMSO)，97.15(90% DMSO)，68.97%(80% DMSO)，2.35%(70% DMSO)，根据文献[6]报道，为了提高淀粉在DMSO中的溶解性，使用DMSO溶解淀粉时需加入少量的水抑制淀粉颗粒凝胶层的形成，因为凝胶层会阻止DMSO穿透整个淀粉颗粒，但是过量的水亦会阻止淀粉溶解。普通玉米淀粉在90% DMSO/水体系中溶解性最大，当溶解时间达到12 h后，随着溶解时间进一步延长，溶解性缓慢增加，因此为了有效溶解淀粉，应选择90% DMSO/水体系溶解来达到最大溶解性。

2.2 普通玉米淀粉在不同浓度DMSO溶液中颗粒形貌变化

对用不同浓度DMSO溶液溶解的淀粉颗粒形貌(见图2)进行分析，可以发现当分散在70% DMSO溶液中时，有些淀粉颗粒表面孔洞变多，淀粉亦出现浅的凹陷。当DMSO浓度为80%时，颗粒表面有明显的裂痕和凹陷。当DMSO浓度达到90%时，整个淀粉颗粒结构被侵蚀，无完整颗粒存在。在100% DMSO中，可以看到淀粉颗粒表面也逐渐被破坏，淀粉由一个个小圆球聚集成为较大的一整块，逐渐形成淀粉糊，同时可以观察到部分颗粒表面形成了凝胶层，证明使用DMSO溶解淀粉时需加入水，与文献[6]报道一致。淀粉颗粒形貌的变化进一步说明普通玉米淀粉在不同DMSO/水体系中的溶解性不同，在90% DMSO中溶解性最大。上述结果与2.1中溶解性测定结果相一致：淀粉在90% DMSO中溶解性最大，其颗粒完全被破坏。

2.3 普通玉米淀粉经90% DMSO不同条件溶解后的分子量分布

图3和表1显示了普通玉米淀粉经不同条件溶解后的重均分子质量(Weight-average molecular weight，Mw)和分子旋转半径(Z-average radius of gyration，Rz)分布。结果显示，当样品不加热，置于恒温震荡水浴锅中溶解4 h时，所测得分子量为1.045E+08 g/mol，这是由于不完全的溶解导致淀粉颗粒残留物或未溶解的支链簇发生聚集，从而使测得的分子量偏大，随着溶解时间的延长，淀粉分子之间逐渐分离，淀粉充分溶解，导致Mw和Rz下降，达到24 h后，淀粉分子的Mw和Rz显著下降，分别为4.672E+07 g/mol和179.3 nm，推测此时淀粉分子发生降解。当样品加热30 min，溶解4 h后，所测得分子量为8.008E+07 g/mol，低于未经加热处理的，说明加热促进了淀粉溶解，当溶解时间达到24 h时亦观察到Mw和Rz显著下降，测得数值同不加热溶解的相近。进一步延长加热时间至60 min，将样品溶解4～36 h，发现溶解8 h后，样品的Mw和Rz分别为5.213E+07 g/mol和178.5 nm，说明此时淀粉分子已经开始有所降解。表1中PI(Polydispersity，PI)是淀粉的多分散指数，PI越接近1表明样品组分越单一，越大说明分子量分布越宽[7]，当样品煮沸60 min，溶解36 h后，分子量达到最低，此时PI值为1.855显著大于其他样品所测得PI值，推测此时淀粉分子已经发生了严重降解。综上，使用90% DMSO溶解淀粉时，随着溶解时间的延长，淀粉分子的Mw和Rz逐渐下降，表明淀粉在溶解过程中由颗粒溶解为单独的分子甚至发生了降解。

† 括号中的百分数为试验误差，由软件统计得出。

2.4 普通玉米淀粉经90% DMSO不同条件溶解后的侧链分布

选取2.2.1中用90% DMSO加热煮沸30 min，溶解4～36 h的样品，采用HPAEC-PAD对其链长分布进行分析(表2)。根据链长的聚合度(DP)淀粉分支分为4种类型，链上不再有分支的为A链，B链有多个分支点，根据其DP值的大小可细分为B1、B2和B3链，其中A、B1、B2和B3的链长分布分别为6～12，13～24，25～36，>37[8-9]。

经90% DMSO加热30 min，震荡不同时间后样品支链链长分布见图4。结合图4和表2表明，与原淀粉比较，所有样品的链长分布均发生了变化，尤其是A链和B2、B3链变化较显著，A链显著增多，峰面积约为原淀粉的1.7～2.4倍，而B2、B3减少，说明DMSO对B2、B3降解较严重，当溶解时间达36 h后，B1链亦出现明显下降，说明DMSO亦对B1链降解，综上所述，采用90% DMSO溶解淀粉时，DMSO对B1、B2和B3链均有一定程度的降解，而降解B1所需的时间比降解B2、B3的时间长，因此在溶解过程中B1链是支链淀粉中相对稳定的链。上述结果表明，当淀粉在90% DMSO/水体系中溶解性最大时，淀粉分子发生了降解。

3 结论

DMSO浓度对玉米淀粉溶解有很大影响，当DMSO浓度为90%时，玉米淀粉溶解性最大，扫描电镜结果亦表明90% DMSO溶液对玉米淀粉颗粒结构的破坏最严重。此外，研究表明90% DMSO溶液对淀粉分子具有降解作用：随着溶解时间的延长，淀粉分子的分子量和回旋半径逐渐下降；DMSO对B2、B3降解较严重，而B1链相对稳定。综上，虽然90% DMSO为溶解淀粉的最佳溶剂，但是对淀粉分子结构亦有破坏作用。因此需找适合溶解淀粉的溶剂仍是食品领域一项艰巨的任务。

[1] 赵冰, 庞宇辰, 梁焕秋, 等. 淀粉结构研究技术进展[C]// “食品工业新技术与新进展”学术研讨会暨2014年广东省食品学会年会论文集. 广州: 广东省食品学会, 2014: 4.

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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

江苏省产学研前瞻性联创项目(编号：BY2016022-06)；江苏省优秀青年基金项目(编号：BK20160052)

王瑞，女，江南大学在读硕士研究生。

谢正军(1964—)，男，江南大学副教授，博士。 E-mail: xiezj@jiangnan.edu.cn

2016—08—12

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.006