基于红外光谱技术的淀粉种类的快速鉴别研究

张金亚，李海洋，孟红娟，闫君廉

（洋县食品药品检测检验中心，陕西洋县 712100）

目前，市场上的淀粉原料主要分为禾谷类作物、薯类作物、豆类作物以及其他作物。常见主要有玉米淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉和大米淀粉等，不同种类的淀粉价格差别较大，有的相差高达10 倍以上[1]。在实际生产中上会有不法商家将廉价淀粉掺入高品质淀粉中以次充好，欺骗消费者[2]，但是不同种类淀粉颗粒的外观和普通物化指标差别不明显，无法辨认。

目前真假鉴别方法有感官法和理化鉴别法。感官方法是通过淀粉的触感和口感鉴别；形态法鉴别的依据是根据不同植物的淀粉粒在大小、形态、类型、层纹、脐点位置以及偏光下的形态等方面都各具特征，依据这些特征常可判定其植物来源，主要是根据淀粉粒的特殊结构在正交偏光下呈现消光十字的特征；在国内有利用红外和SVM 相结合的方法准确将淀粉进行真假与种类鉴别：利用短波近红外光谱技术对淀粉种类进行鉴别，分别采用马氏距离判别法、C-支持向量机（C-SVM）、ν-支持向量机（ν-SVM）建立淀粉种类鉴别的短波近红外光谱模型[3]。国外用SDS-PAGE 分析淀粉中的蛋白质来鉴别不同种类的淀粉[4]，也可以用液相做淀粉鉴别[5]。但这些方法比较复杂。因此，需要一种快速、简单的方法来鉴别各种淀粉。淀粉种类鉴别的研究将会规范淀粉市场，减少以次充好或以劣冒优的不法行为，使消费者的利益得到保障。

1 材料与方法

1.1 材料、实验仪器及试剂

1.1.1 材料：玉米淀粉、小麦淀粉、大米淀粉、豌豆淀粉、红苕淀粉、土豆淀粉、木薯淀粉、蕨根淀粉，冷冻干燥、粉碎、过筛（120 目），然后密封于玻璃瓶内，置冰箱中备用。

1.1.2 试剂：葡萄糖分析纯，中国医药公司北京采购供应站经销；直链淀粉标准品，上海源叶生物科技有限公司；支链淀粉标准品，上海源叶生物科技有限公司；无水乙醇、碘化钾、碘、石油醚、碱性蛋白酶、氢氧化钠、氢氧化钾、浓盐酸、浓硫酸、蒽酮、高氯酸，天津天力。

1.1.3 仪器：紫外分光光度计，日立U-2900；Nicolet6700红外光谱仪，美国Thermo 公司；FA2004N 分析天平、离心机，科大创新股份有限公司；水浴锅，上海安亭；烘箱、电炉，北京科伟。

1.2 方法

1.2.1 淀粉的纯化。称取淀粉100g，通过石油醚浸泡和碱性蛋白酶水解得到脱脂脱蛋白的淀粉。

1.2.2 透明度测定。在620nm 波长下测定淀粉糊的透光率。

1.2.3 双波长测直支比。①取1mg/mL 直链淀粉标准溶液，在紫外可见分光光度计上进行400～960nm 光谱扫描，绘制出直链淀粉吸收曲线[4]。制备浓度为0、4、12、20、28、36μg/mL 的标准溶液系列。②取1mg/mL 支链淀粉标准液，操作同直链淀粉。在同一坐标内获得支链淀粉可见光波段吸收曲线，并制备浓度为0、60、100、140、180、220μg/mL 的标准溶液系列。③样品处理：精确称取脱脂脱糖样品0.100g，在50mL 烧杯中加入1mL 无水乙醇润湿，加0.5mol/L KOH 溶液10mL，在80（±1）℃水浴中分散溶解10min，加双蒸水定容至50.00mL，混匀。吸取样品液2.50mL，加20～30mL 双蒸水，用0.1mol/L HCL 调pH 值至3.0，加0.5mL 碘试剂，定容至50.00mL，混匀，静置20min[5]。④样品测定及结果计算。分别以双蒸水和加入0.1mol/L HCL 和碘试剂的双蒸水为空白，用1cm 比色杯，测定吸光度值。再根据回归方程分别求出样品溶液中直链淀粉浓度Y 直（μg/mL）和支链淀粉浓度Y 支（μg/mL），计算试验原料中直链淀粉、支链淀粉和总淀粉的含量：

直链淀粉（%）=Y直×50×50/（2.5×0.1000×1000000）；支链淀粉（%）=Y支×50×50/（2.5×0.1000×1000000）；淀粉含量（%）=直链淀粉+支链淀粉；回收率（%）=（混和后测定量-原料样品中的直或支链淀粉含量）/淀粉标准品加入量×100。

1.2.4 红外光谱扫描。淀粉样品不作任何处理直接进行红外光谱采集。测量时将样品装入样品杯，采用漫反射光谱法，扫描范围4000～9999cm-1，分束器CaF2，分辨率8cm-1，扫描次数为64 次。每个样品重复扫描3 次，取平均值[6]。

2 试验结果分析

2.1 透明度测定

在620nm 波长下测定淀粉糊的透光率，以蒸馏水为空白，设蒸馏水的透光率为100%。

表1 淀粉的透光率

淀粉糊透明度的差异是由于当一束光碰到淀粉粒子时，粒子对光线的反射、折射以及透射程度不同引起的。各种淀粉的透光率见表1。直链淀粉含量少可以使得淀粉的透明度好[7]，由表可以看出透光率最大的淀粉是玉米淀粉，透光率最小的是蕨根淀粉。

淀粉的透明度影响因素有以下2 点：一是直链淀粉含量影响透光率。直链淀粉分子量小，易相互缔合使淀粉回生，光线发生反射，透明度下降。二是淀粉粒的大小：大的淀粉颗粒较易吸水膨胀，糊化后所形成的糊液比较透明。三是淀粉中磷的含量：较高的含磷量使淀粉分子带同种电荷，导致分子之间相互排斥而增大光线的穿透力，糊液的透明度因而得以提高[8]。蕨根透光率低的原因可能有2 点：一是其原本颜色为黑褐色，不利于透光；二是由于其难溶，造成其含量过低。

2.2 双波长测直支比

双波长法扣除了两类淀粉吸收背景的相互影响，消除了这两者引起的误差，克服了单波长法的局限性，能大幅度提高测定的灵敏度、选择性和准确度，可以同时测定直、支链淀粉的含量，进而计算总淀粉含量[9]。在实验采用0.5 mol/L 的KOH 溶液通过沸水浴来溶解淀粉，溶解过程中，淀粉颗粒吸水溶胀，直链淀粉和支链淀粉之间的氢键被打断，2 种淀粉相互分散开。

2.2.1 吸收光谱图及测定波长的选择。将直链淀粉和直链淀粉的扫描液在紫外可见分光光度计上进行400～960 nm 光谱扫描，分别得到直链淀粉和支链淀粉的吸收曲线。直链淀粉和支链淀粉的最大吸收波长分别是647.5nm 和534nm。

2.2.2 标准曲线的制备。用紫外分光光度计在测定波长647.5nm，参比波长707nm 处分别测定直链淀粉的吸光度值。以吸光度差对直链淀粉标准液的浓度进行一元线性回归，得到直链淀粉的回归方程：y=0.0139x+2.7E-5（y 的单位为ug/mL），相关系数R2=0.9997。以直链淀粉的浓度为横坐标，以吸光度差为纵坐标绘制标准曲线。

2.2.3 支链淀粉标准曲线的制备。用紫外分光光度计在测定波长534nm，参比波长494nm 处分别测定支链淀粉的吸光度值。以吸光度差对支链淀粉标准液的浓度进行一元线性回归，得到支链淀粉的回归方程：y=0.0024x+0.0056（y 的单位为ug/mL），相关系数R2=0.9994。以支链淀粉的浓度为横坐标，以吸光度差为纵坐标绘制标准曲线。

2.2.4 直链淀粉和支链淀粉的含量。根据样品测得的ΔA 直和ΔA 支分别计算出样品中直链淀粉和支链淀粉的含量以及支直比。

表2 淀粉的支直比

2.3 红外测各种淀粉

图1 各种淀粉样品的红外光谱

红外吸收峰的位置与强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴别未知物的化学基团；由上图可以看出，由于都是淀粉，所以出峰几乎一样，很难辨别。但是蕨根淀粉在1083cm-1左右处没有峰，由这点可以将蕨根淀粉与其他淀粉区分出来。有实验结果表明：对淀粉的光谱图进行处理，得到红外光谱数据，在SVM 工具包可以对样品进行准确的鉴别[10]。

3 结论与讨论

本试验结果表明：透光率在1 以下的是蕨根淀粉；透光率在1～5 之间的是土豆淀粉、木薯淀粉和红苕淀粉；透光率在14～15 之间的是大米淀粉和小麦淀粉，其中透光率在15 左右的是小麦淀粉；透光率在20～30 之间的是玉米淀粉和豌豆淀粉，相对较大的是玉米淀粉。直链与支链淀粉比值进一步判断，直链淀粉含量在20%左右的是红苕淀粉；在15%左右的是土豆淀粉；支直比在6～7 之间的是木薯淀粉。各种淀粉的红外图谱基本接近，只能区别出蕨根淀粉，其它淀粉需要用SVM 数模才能进行区别。

本试验中未知的单一淀粉可以根据其透光率和直支比相结合做出鉴别。但是，在对于混合淀粉的鉴别目前还没有快速有效的方法，还需更深入细致的研究和探讨。