谷物工程教学课件：第一章 淀粉结构与性质.ppt

1、第一章 淀粉结构与性质 孙庆杰 2014年 2月 第一节 淀粉的分子结构 一、淀粉分子的基本构成单位 淀粉是高分子碳水化合物，同聚多糖，基本构成 单位为-D-吡喃葡萄糖，分子式C6H12O6。 相邻分子脱去一个水分子形成糖苷键，将葡萄糖 残基连接在一起即形成淀粉分子。 分子式（ C6H10O5 ）n。 聚合度：组成淀粉分子葡萄糖残基的数量称为淀 粉分子的聚合度，用DP表示； 第一节 淀粉的分子结构 淀粉分子的分类 直链分子（Amylose)和支链分子(Amylopectin)， 称为直链淀粉和支链淀粉； 中间级分(Intermediate Component)：数量很少， 由低度支化的支链淀粉

2、和带少量短支链的直链淀 粉组成； 第一节 淀粉的分子结构 还原末端：在淀粉分子聚合链中，末端葡萄糖单 位的C1碳原子含有游离-羟基，具有还原性； 非还原末端：不含有游离-羟基的不具有还原性； 第一节 淀粉的分子结构 二、直链淀粉的分 子结构 1.直链淀粉的分子量 51042105，聚 合度：7005000 谷类：1000； 马铃薯：4900 第一节 淀粉的分子结构 2.直链淀粉分子的螺旋结构 天然固态直链淀粉代表性结论： （1）淀粉存在A、B、C三种结晶形态。B型直链 淀粉为左手螺旋型，每一周期包含6个葡萄糖残基， 每个残基呈椅式构象，C2位羟基与相邻C3上羟基 形成氢键； （2）直链淀粉是双

3、螺旋结构，链平行右旋反方向 排列，每股螺旋每圈6个葡萄糖残基，螺距为 2.0810-9m。 第一节 淀粉的分子结构 在稀溶液中直链淀粉的空间构象 （1）无规线团 （2）间断螺旋形 （3）螺旋形 在中性溶液中，呈现无规线团状态，但当溶液中 含有与淀粉分子形成络合物的试剂时，直链淀粉 多以螺旋形式存在。 Structure studies of amylose-V complexes and retrograded amylose by action of alpha amylases, and a new method for preparing amylodextrins 第一节 淀粉的分子结

4、构 三、支链淀粉的分子 结构 1.支链淀粉的分子量 平均DP400040000， 大部分在500013000； 相对分子质量在 21056106； 第一节 淀粉的分子结构 2.支链淀粉的分子结构 束簇状结构模型 A链：不再接枝的侧链；B链：上面接枝的侧链； C链：具有还原末端的主链；B链上连接A链的数目称为支链淀粉的分支化度， 其值大小为A链总数和B链总数的比值。 第一节 淀粉的分子结构 外链：从非还原末端到最近支叉位置的一段链； 内链：任意两个相邻的-1，6糖苷键之间的一段 链。 第一节 淀粉的分子结构 第二节 淀粉颗粒 淀粉分子在植物中是以颗粒的形式存在。 颗粒是多个淀粉分子的集聚体，白色

5、，固体。 一、淀粉颗粒的形状 一般含水量高、蛋白质少的颗粒比较大，形状整 齐，多呈圆形和椭圆型，如马铃薯； 相反则颗粒较小，形状大多呈多角形，如稻米淀 粉； 生长部位、生长期不同而影响。 第二节 淀粉颗粒 淀粉颗粒大小用长轴长度来表示。 不同种类大小存在很大差别，同一种淀粉颗粒也 不均匀。 第二节 淀粉颗粒 二、淀粉颗粒的轮纹结构 轮纹结构：表面呈若干环状细纹，与树木年轮相 似。 粒心或脐（hilum）：各轮纹围绕的一点。 中心轮纹，偏心轮纹。 单粒 复粒 半复粒 假复粒 Alpha amylase on wheat starch enzyme solution way Starch Gran

6、ules (SG) Amylopectin- responsible for semi-crystalline growth ring SG contain growth rings of alternating amorphous and semi-crystalline layers 第二节 淀粉颗粒 三、淀粉颗粒的偏光十字 淀粉颗粒表面呈现黑色的十字，将淀粉颗粒分为4 个白色的区域，称为偏光十字； 产生源于球晶结构，呈现双折射特性，产生偏振 光； 马铃薯淀粉最明显。 Rice starch corn starch bean starch potato starch 第二节 淀粉颗粒 四、

7、淀粉颗粒的微结晶结构 1.微结晶结构 淀粉颗粒由结晶区和无定形区组成； 微晶束结构 第二节 淀粉颗粒 2.淀粉颗粒的结晶度 结晶部分占整个颗粒的百分比； 天然淀粉颗粒结晶度最高约为40%，多数在15- 35%； 聚合度在10-20的短直链易形成结晶； 直链淀粉在颗粒中难形成结晶，是由于线状链过 长难于平行取向。 第三节 淀粉的理化性质 一、淀粉的吸附性质 1.对极性有机溶剂的吸附 直链淀粉：与极性有机化合物如正 丁醇等，氢键，形成螺旋状结晶性 复合体，沉淀； 螺旋状直链淀粉与脂肪酸生产络合 物； 谷类淀粉络合物较多； 支链淀粉：分支结构不易； 第三节 淀粉的理化性质 2.对碘的吸附 淀粉遇碘呈

8、色反应，是物理吸附作用； 直链淀粉：每6个葡萄糖残基形成1个螺旋圈，可 容纳1个碘分子； 1g纯直链淀粉能吸附约200mg碘，即20%； 第三节 淀粉的理化性质 支链淀粉吸附碘量很少，不到1%; 可用电位滴定法测定样品中直链淀粉含量； 不同聚合度直链淀粉与碘复合物色泽不同： DP12-15：棕色； DP20-30：红色； DP35-40：紫色； DP45以上：蓝色； 第三节 淀粉的理化性质 支链淀粉与碘呈色： 与分支度和外链的链长有关； 分支度提高和外链链长变短： 紫红色红色碘本色（棕色） 第三节 淀粉的理化性质 二、淀粉的溶解度 是指一定温度下，在水中加热30min，淀粉样品 分子溶解的质量

9、分数。 第三节 淀粉的理化性质 三、淀粉的润胀 淀粉在冷水中，水分子可进入到淀粉颗粒的非结 晶部分，与游离的亲水基结合，产生有限的膨胀， 称为润胀； 可逆的，经干燥处理后可恢复原有状态； 受损伤的淀粉和某些改性淀粉，吸水后的淀粉颗 粒晶体变成了无序状态，经干燥处理后不能恢复 原来的状态，是一种不可逆润胀。 Food Carbohydrate4 Starch Properties 第三节 淀粉的理化性质 四、淀粉的糊化 1.糊化的概念 将淀粉悬浮液加热，淀粉颗粒开始吸水膨胀，达 到一定温度后，淀粉颗粒突然迅速膨胀，继续升 温，体积可达原来的几十倍甚至数百倍，悬浮液 变成半透明的黏稠状胶体溶液，这

10、种现象，称为 糊化。 Unheated starch granule Heated starch granule 第三节 淀粉的理化性质 糊化温度：开始糊 化温度、峰值糊化 温度、终了糊化温 度； 糊化开始与终了约 差10度； 不同品种淀粉的糊 化温度 第三节 淀粉的理化性质 2.糊化过程和糊化实质 三个阶段： 第一是可逆溶胀阶段，即在淀粉乳温度没有达到 糊化温度前，水分进入到淀粉颗粒的无定形区， 晶体结构没有发生改变，体积膨胀很小，干燥后 可恢复原来的性质； 第二是有形溶胀阶段，水温达到糊化温度后，淀 粉颗粒大量吸水，体积迅速膨胀，黏度迅速增加， 水分子进入结晶束，拆散了淀粉分子之间的氢键，

11、 结晶结构被破坏，偏光十字消失。 第三节 淀粉的理化性质 淀粉颗粒中的分子仍然维持着一个蓬松的网状整 体，但有形膨胀达到了极限，为不可逆溶胀； 第三是颗粒支解成离散分子阶段，即溶胀后继续 加热，膨胀到极限的淀粉颗粒开始破碎支解，最 终变成胶体体系，糊黏度也升至最高值。 Raw, uncooked starch granules heated in water Swelling is evident Notice loss of amylose from the granules Gelatinization and pasting are complete Some granules have

12、 collapsed. Now we start to cool. Gelation Notice areas of association. These are called junction zones. This picture is not yet complete as we havent accounted for the water in the system. water water water water water water This is a starch gel Effect of continuous heating in excess water Results

13、in formation of starch paste due to: further granule swelling beyond reversible point additional leaching of soluble compounds total disruption of granules 第三节 淀粉的理化性质 实质：湿、热作用，破坏氢键，结晶，水与淀粉 形成氢键。 第三节 淀粉的理化性质 3.淀粉糊化的测定方法 （1）偏光十字法 淀粉糊化后，颗粒的偏光十字消失，测定偏光十 字消失的温度即糊化温度。 第三节 淀粉的理化性质 （2）黏度测定法 淀粉糊化程度与黏度存在一定对应

14、关系。 布拉班德黏度测量仪 RVA快速黏度测定仪 第三节 淀粉的理化性质 4.影响淀粉糊化的因素 (1)晶体结构 淀粉分子间缔合程度越大，微晶束的密度越大， 消耗能量越高，淀粉可以越不易糊化； 反之亦然； 较小的淀粉颗粒比较大的淀粉颗粒内部结构紧密， 糊化温度高些； 直链淀粉分子间结合力强，高直链淀粉糊化温度 高。 第三节 淀粉的理化性质 （2）水分含量 水分含量低于30%加热，淀粉颗粒不糊化； 淀粉的韧化（湿热处理）：部分微晶发生熔融， 重排，糊化温度升高； 第三节 淀粉的理化性质 （3）脂质 抑制润胀； 直链淀粉脂质复合物，抑制糊化，糊化温度升高； 第三节 淀粉的理化性质 （4）碱和盐类

15、强碱常温可使淀粉颗粒糊化； 破坏氢键的尿素、盐酸胍、二甲亚砜室温使淀粉 糊化； 第三节 淀粉的理化性质 （5）糖类 葡萄糖、果糖和蔗糖抑制淀粉颗粒溶胀； 糊化温度升高； 蔗糖葡萄糖果糖 第三节 淀粉的理化性质 五、淀粉的回生 1. 回生的概念与本质 糊化的淀粉在稀糊状态下放置一定时间，逐渐变 浑浊，最终产生不溶性的白色沉淀； 在浓糊状态下，形成有弹性的胶体； 称为淀粉的回生、老化或凝沉； 实质：糊化的淀粉分子链由无序状态重新平行取 向，靠氢键结合在一起，形成不溶于水的晶体结 构。 第三节 淀粉的理化性质 2.回生机理 当糊化的淀粉溶液温度降低到一定程度后，分子 热运动能量降低，分子链间借氢键吸

16、引到一起， 重新有序排列形成结晶； 实质是分子链间有序排列的结果； Factors relating to retrogradation include: Temperature 4 Moisture content 20-60% Amount of branching High amylopectin starches - e.g., waxy maize shows no retrogradation when frozen Hydrogenbonding between OH groups in amylose in gelatinised starches during cooling

17、 Water forced out of gel structure (syneresis) & Starch insolubilized. Amylopectin also plays a role in retrogradation over time. Short-term retrogradation is largely associated with amylose (which reaches a limit in 2 days), whereas long-term retrogradation is thought to involved amylopectin (reach

18、ing a limit is 40 days) Factors relating to retrogradation include: 第三节 淀粉的理化性质 （1）直链淀粉回生 线性结构，易于平行取向，分子间靠的近，结合 的氢键多，结晶化程度高（可达65%），晶体结 构紧密； 在稀溶液中，形成沉淀； 在浓分散液中，形成胶体。 第三节 淀粉的理化性质 （2）支链淀粉回生 与直链淀粉相比，不易回生； 分子高度分叉，分子链平行取向困难，不易形成 分子链间氢键； 通常在分子内侧链间回生，DP15左右； DP9以下的短链不能回生； 直链分子存在促进支链淀粉回生，提供晶种。 第三节 淀粉的理化性质 3.

19、各种淀粉的回生速率 普通谷类淀粉比块茎和块根类淀粉回生快； 蜡质淀粉回生速率最慢； 玉米淀粉回生快； 马铃薯淀粉回生居中。 第三节 淀粉的理化性质 4.影响淀粉回生的因素 淀粉的种类、直链和支链的比例、分子大小、溶 液浓度、pH值、温度和盐类。 （1）分子结构的影响 直链淀粉，线性，易于取向，易回生； 支链淀粉分支，空间障碍大，不易回生； 第三节 淀粉的理化性质 （2）分子大小的影响 对于直链淀粉，分子量大的取向困难，分子量小 的易于扩散，分子量适中DP100-200易于回生； 对于支链淀粉，侧支链小，长度均一，支化点少， 回升率高。 第三节 淀粉的理化性质 （3）溶液浓度的影响 浓度大，碰撞

20、机会多，易凝沉，反之不易； 浓度为30%-60%溶液最易发生回生作用； 水分在10%一下的干燥状态难以回生。 第三节 淀粉的理化性质 （4）pH及无机盐影响 pH值5-7回生最快； pH值10不回生； pH值2回生慢； 阴离子盐降低淀粉回生作用，顺序： CN-SPO43-CO32-I-NO3-Br-Cl- 阳离子盐降低淀粉回生作用，顺序： Ba2+Sr2+Ca2+K+Na+ 通常用硝酸钙和尿素抑制淀粉回生。 第三节 淀粉的理化性质 （5）温度的影响 温度显著影响直链淀粉回生； 5-45，随温度提高，回生速率降低；45 只有 较少的小分子回生沉淀； 缓慢冷却可加重回生程度； 迅速冷却抑制回生。

21、第三节 淀粉的理化性质 （6）脂类的影响 包括脂肪酸、乳化剂与油脂； 能与直链淀粉形成复合物，抑制回生； 支链淀粉与脂类的相互作用尚未揭示清楚。 第三节 淀粉的理化性质 （7）糖类的影响 果糖促进淀粉老化； 葡萄糖可轻微提高老化； 蔗糖对老化作用很弱； 取决于糖分子与水分子的相容性； 相容性好，糖分子类似于水，对淀粉分子有一定 的稀释作用，降低回生； 相反，加速回生。 第三节 淀粉的理化性质 （8）淀粉变性的影响 化学改性在分子上引进亲水基团，减弱或阻止回 生； 酸解淀粉易于回生。 第三节 淀粉的理化性质 六、淀粉颗粒的膨胀能力和临界浓度 1.膨胀能力 加热淀粉乳，淀粉颗粒膨胀； 淀粉乳在一定

22、温度加热30min，离心，沉淀称重， 与原来干淀粉重量之比即膨胀能力； 50-90。 第三节 淀粉的理化性质 2.临界浓度 指淀粉在95膨胀后正好将100ml水全部吸收， 无游离水遗留的干基重量。 临界浓度，淀粉形成膨胀的连续相，全部自由水 都被截留； 临界浓度，有游离水分存在； 工业用的淀粉糊浓度远高于临界浓度。 第三节 淀粉的理化性质 七、淀粉的化学性质 应用淀粉化学性质可生产两大类深加工产品： 淀粉的水解产品：糊精、低聚糖、麦芽糖、葡萄 糖等； 变性淀粉：氧化、酯化、醚化烷基化、交联等。 第四节 直链淀粉和支链淀粉的分离 一、原淀粉中直链、支链淀粉含量 多数谷物类淀粉含直链20-30%；

23、 根类淀粉17-20%； 糯玉米、糯高粱和糯米不含直链淀粉； 皱皮豌豆含66%的直链淀粉； 高直链玉米淀粉可达80%。 第四节 直链淀粉和支链淀粉的分离 二、直链淀粉和支链淀粉的分离 方法：水浸法、络合结晶法、分步沉淀法、凝沉 法等。 1.水浸法 利用直链淀粉较易溶于水的性质，加热使淀粉糊 化而不破裂，离心，上清液即直链淀粉和少量支 链淀粉； 用乙醇沉淀，可得较纯的直链淀粉； 一般需要脱脂。 第四节 直链淀粉和支链淀粉的分离 2.醇络合结晶法 丁醇、异戊醇等与糊化后的直链淀粉形成络合物 沉淀，支链淀粉留在溶液中； 对沉淀再溶解，与醇类形成复合物，离心，重复5 次，可得较纯的直链淀粉； 上清液离心，真空干燥，得纯支链淀粉。 甲醇 戊醇 第四节 直链淀粉和支链淀粉的分离 3.硫酸镁分步沉淀法 简称盐析法； 将淀粉溶解在硫酸镁热溶液中； 160降低到80 ，直链淀粉先沉淀，分离得较 纯的直链淀粉； 母液再经冷却，析出支链淀粉。