淀粉结构及相关性质综述

淀粉结构及相关性质综述摘要：淀粉是高等植物中常见的组分，是碳水化合物储藏的主要形式。

淀粉在生活、生产中都具有广泛应用，淀粉的深层研究对人们的生活和新产品的研制都有重要意义。

本文介绍了淀粉的相关知识，包括淀粉的结构与性质、阳离子淀粉、淀粉酶及淀粉的酸解等，并对淀粉的发展进行了展望。

关键词：结构性质阳离子淀粉酸解淀粉酶一．淀粉的结构及物理化学性质1.淀粉的分子结构淀粉是葡萄糖的高聚体，在餐饮业又称芡粉，通式是(C6H10O5)n，水解到二糖阶段为麦芽糖，化学式是（C12H22O11），完全水解后得到葡萄糖，化学式是（C6H12O6 ）。

淀粉颗粒含有微量的非碳水化合物，如蛋白质、脂肪、无机盐等，其中除脂肪酸被直链淀粉分子吸附，磷酸与支链淀粉分子呈酯化结合之外，其他物质都是混杂在一起。

淀粉分子是由许多α―D―吡喃葡萄糖基单元通过糖苷键连接而成的高分子化合物。

淀粉的基本组成单位是α―D―吡喃葡萄糖（稳定的椅式构象）。

淀粉有直链淀粉和支链淀粉之分，另外在许多淀粉中还存在第三种成分，即中间级分---轻度支化的直链淀粉。

1.1直链淀粉1.1.1直链淀粉的分子结构及聚合度一般的研究认为直链淀粉是一种线形多聚物，都是由α―D―吡喃葡萄糖通过α―D―1,4糖苷键连接而成的链状分子，呈右手螺旋结构，每六个葡萄糖单位组成螺旋的一个节距，在螺旋内部只含氢原子，是亲油的，羟基位于螺旋外侧。

螺旋上重复单元之间的距离为10.6×10﹣¹º，每个α―D―吡喃葡萄糖基环呈椅式构象。

直链淀粉没有一定大小，不同来源的直链淀粉差别很大。

一般文献报道，禾谷类直链淀粉的DP为300~1200，平均800；薯类直链淀粉的DP为1000~6000，平均3000。

1.1.2直链淀粉与碘和脂肪酸的反应呈螺旋状态的直链淀粉分子能够吸附碘形成螺旋包合物，从而使淀粉遇碘显蓝色。

吸附碘的颜色反应与直链分子大小有关，聚合度12以下的短链遇碘不显色；聚合度12~15呈棕色；聚合度20~30呈红色；聚合度35~40呈紫色；聚合度45以上呈蓝色。

支链淀粉吸收碘量不到1%，故支链淀粉遇碘不显蓝色。

谷类淀粉中含有少量脂肪酸，它们也可以和直链淀粉分子结合生成螺旋包合物，但会引起一系列不利影响。

（玉米、小麦含量较多，薯类含量少。

）1.2支链淀粉1.2.1支链淀粉的分子结构与聚合度支链淀粉是一种高度分支的大分子，主链上分出支链，各葡萄糖单位之间以α﹣1,4糖苷键链接构成它的主链，支链通过α﹣1,6糖苷键与主链相连，分支点的α﹣1,6糖苷键占总糖苷键的4%~5%。

支链淀粉含有还原端的为C链（主链），C链具有很多侧链，称为B链（内链），B链又具有侧链，与其他的B链或A链相连，A链（外链）没有侧链。

不同来源的淀粉其支链淀粉的聚合度不同，平均链长、内练及外链的平均长度也不同。

1.2.2支链淀粉与磷酸结合的反应磷酸与支链淀粉分子中葡萄糖单位的C6碳原子呈酯化结合存在，磷酸65%在A链和B 链的外部链存在，35%在B链的内部链存在。

这种结合不易被酸分解，在酸水解淀粉的产物中发现有葡萄糖﹣6﹣磷酸酯。

（马铃薯淀粉含磷量最高）1.3直链淀粉与支链淀粉的含量（1）直链淀粉与碘生成纯蓝色，支链淀粉与碘作用依其分支与聚合度不同，生成紫-红-棕色（聚合度由大到小）。

（2）不同来源的淀粉，直链淀粉含量不同。

一般和谷类淀粉中直链淀粉的含量约为25%；薯类约为20%；豆类约为30%~35%；糯性粮食淀粉则几乎为零，只含支链淀粉。

（3）同一种粮食中，直链淀粉的含量与类型、品种和成熟度有关。

籼米的直链淀粉含量一般比粳米高；成熟的玉米为28%左右，未成熟的只有5%~7%.（4）直链淀粉含量与颗粒大小有关。

2.淀粉的颗粒结构2.1淀粉粒的形态淀粉在胚乳细胞中以颗粒状存在，故可称为淀粉粒。

不同来源的淀粉粒其形状、大小和构造各不相同，可借助显微镜鉴别其来源和种类。

2.1.1淀粉颗粒形状不同种类的淀粉粒具有各自特殊的形状，一般淀粉粒的形状为圆形（或球形）、卵形（或椭圆形）和多角形（或不规则形），这取决于淀粉的来源。

如小麦、黑麦、粉质玉米淀粉颗粒为圆形，马铃薯和木薯为卵形，大米和燕麦为多角形。

同一种来源淀粉粒也有差异。

如马铃薯淀粉颗粒大的为卵形，小的为圆形。

2.1.2淀粉颗粒大小不同来源的淀粉颗粒大小相差很大，一般以颗粒的长轴的长度表示淀粉粒的大小，介于2~120µm之间。

商业淀粉中一般以马铃薯淀粉颗粒为最大（15~120µm），大米淀粉颗粒最小（2~10µm）。

另外，同一种淀粉其大小也不相同。

淀粉颗粒的形状、大小常常受种子生长条件、成熟度、直链淀粉含量及胚乳结构等影响。

如马铃薯在温暖多雨条件下生长，其淀粉颗粒小于在干燥条件下生长的淀粉颗粒。

小麦淀粉颗粒有大小之分，大的称为A淀粉，尺寸为5~30µm，占颗粒总数的65%；小的称为B淀粉，尺寸5µm以下，占35%。

2.2淀粉颗粒的结构2.2.1淀粉颗粒的轮纹结构（环层结构）在显微镜下，可以看到有些淀粉颗粒呈现若干细纹，称轮纹结构。

轮纹结构是淀粉内部密度不同的表现，白天光合作用强，转移到胚乳细胞中的葡萄糖多，合成的淀粉密度大，夜间则较小，昼夜相间便造成轮纹结构。

但马铃薯在一定条件下连续照射培养，仍有环层结构，这对上述说法提出质疑。

所以轮纹结构形成的真正原因，目前还不能做出适当说明。

淀粉颗粒水分低于10%是看不到环层结构，有时需要用热水处理或冷水长期浸泡，或用稀薄的铬酸溶液或碘的碘化钾溶液慢慢作用后，会表现出环层结构。

各环层共同围绕的一点称为粒心或脐。

粒心位于中央，称“中心轮纹”，如禾谷类淀粉；粒心偏于一端，称“偏心轮纹”，如马铃薯淀粉。

粒心部分含水较多，比较柔软，故在加热干燥时常常造成裂纹，根据裂纹的形状，可辨别淀粉粒的来源与种类，如玉米淀粉为星状裂纹。

淀粉粒依其本身构造（如淀粉的数目和环层的排列不同）又可分为单粒、复粒、半复粒三种。

单粒只有一个粒心，如玉米、小麦；复粒由几个单粒组成，具有几个粒心，在外围形成统一的轮廓，如大米、燕麦；半复粒的内部有两个或更多单粒，各有各的粒心和环层，但是最外围的几个环轮则是共同的，从而构成一个整粒。

2.2.2淀粉的晶体构造（1）双折射性与偏光十字双折射性是由于淀粉粒的高度有序性（方向性）所引起的，高度有序的物质都有双折射性。

淀粉粒配成1%的淀粉乳，在偏光显微镜下观察，呈现黑色的十字，将颗粒分为四个白色的区域，称为偏光十字或马其他十字。

这是淀粉粒为球晶体的重要标志。

十字的交叉点位于粒心，可用来对粒心定位。

当淀粉颗粒充分膨胀、压碎或受热干燥时，晶体结构即行消失，分子排列变成无定形，就观察不到偏光十字了。

（2）淀粉颗粒的结晶形态淀粉颗粒不是一种淀粉分子，而是由许多直链和支链淀粉分子构成的聚合体，这种聚合体不是无规律的，它是由两部分组成，即有序的结晶区和无序的无定形区（非结晶区）。

结晶区的构造可通过Χ射线衍射确定，从而分辨出三种晶体结构，即A型（热稳定性较好）、B型、C型。

其中A型多为禾谷类淀粉；B型多为马铃薯等块茎淀粉、高直链玉米和回升淀粉；C型多为竹芋、甘薯等快根、某些豆类淀粉。

此外，淀粉与脂类物质形成的复合物则为E型，直链淀粉同各种有机极性分子形成的复合物为V型，叠加在A型或B型上。

淀粉颗粒中水分参与结晶结构。

干燥淀粉时，随水分含量的降低，Χ射线衍图样线条的明显程度降低，再将干燥淀粉于空气中吸收水分，图样线条的明显程度恢复。

结晶态部分占整个颗粒的百分比，称为结晶化度。

淀粉结晶部分不是依靠线状的直链淀粉分子，而主要是支链淀粉分子，淀粉颗粒的结晶部分主要来自支链淀粉分子的非还原性末端附近（N端）。

直链淀粉在颗粒中难结晶，是因为其分子线状过长，聚合度在10~20之间的短直链就能很好结晶。

因此可认为，支链淀粉容易结晶是因为其分子每个末端基的聚合度小的适宜，能够符合形成结晶的条件。

淀粉颗粒由许多微晶束构成，这些微晶束排列成放射状，垂直于颗粒表面，构成一个同心环状结构。

结晶性的微胶束之间由非结晶的的无定形区分隔，结晶区经过一个弱结晶区的过度，转变为非结晶区，这是一个逐渐转变的过程。

3.淀粉的物理性质3.1淀粉的润胀天然淀粉中含有相当高得水分，但淀粉仍呈粉状，是因为淀粉分子中存在的羟基与水分子相互作用形成氢键的缘故。

淀粉颗粒不溶于冷水，但将干燥的天然淀粉置于冷水中，它们会吸水，并经历一个有限的可逆润胀。

此时，水分子进入淀粉颗粒的非结晶部分，与游离的亲水基相结合，淀粉颗粒慢慢吸收少量水分，产生极限的膨胀，淀粉颗粒保持原有的特征与晶体的双折射。

若在冷水中不加以搅拌，淀粉颗粒因密度大而沉淀，将其分离干燥仍可恢复成原来的淀粉颗粒。

3.2淀粉的糊化将淀粉乳加热，则颗粒可逆的吸水膨胀，而后加热至某一温度时，颗粒突然膨胀，晶体结构消失，最后变成粘稠的糊，虽停止搅拌，也不会很快下沉，这种现象称为淀粉的糊化。

糊化后的淀粉颗粒称为糊化淀粉（又称为α-化淀粉）。

糊化的本质是高能量的热和水破坏了淀粉分子内部彼此间氢键的结合，使分子混乱度增大，成为亲水性的胶体溶液，糊化后的淀粉-水体系的行为直接表现为黏度增加。

3.2.1 糊化过程可分为三个阶段：（1）可逆的吸水阶段：水分子进入淀粉的微晶束的间隙中，与无定形部分的游离羟基相结合，淀粉颗粒慢慢吸收少量水分，产生有限的膨胀，黏度及淀粉粒外形未变，淀粉颗粒保持原有的特征与晶体的双折射。

（发生可逆润胀）（2）不可逆吸水阶段： 进一步加热到糊化温度，淀粉颗粒周边迅速伸长，大量吸水，结晶区域非结晶区域偏光十字开始在脐点处变暗，淀粉分子间的氢键破坏，从无定形区扩展到有秩序的辐射状胶束组织区，结晶区氢键开始裂解，分子结构开始发生伸展，双螺旋伸展形成分离状态，其后颗粒继续扩展至巨大的膨胀性网状结构（突然膨胀），偏光十字彻底消失，这一过程属不可逆润胀。

比较小的直链淀粉从颗粒中渗出，淀粉分子间的缔合状态被破坏，黏度大为增加，成为黏稠的糊状液体（胶体体系），透明度增加，冷却后淀粉粒外形已变，不能恢复原来的晶体状态。

（3）高温阶段：淀粉糊化后，继续加热，膨胀到极限的淀粉粒开始破碎支解。

分子间作用力变弱，淀粉粒全部失去原形，微晶束解体，变成碎片，最后只剩下一个环层，最终淀粉全部溶解，形成胶状分散物，黏度升至最高。

淀粉粘度测定原理：转子在淀粉糊中转动，由于淀粉糊的阻力产生扭矩，形成的扭矩通过指针指示出来。

多采用布拉班德连续粘度计测的黏度曲线。

3.2.2影响淀粉糊化的因素（1）淀粉颗粒晶体结构的影响。

一般来说分子间的缔合程度大，分子排列紧密，那么拆散分子间的聚合、拆开微晶束就要消耗更多的能量这样的淀粉颗粒就不容易糊化。

一般较小的淀粉颗粒因内部结构比较紧密，所以糊化温度比大粒较高。