无定形淀粉的分子构象及其与宏观特性关系的研究

The amorphous state is larger than the crystalline state in native starch granules. During the processing and in the end product of starchy food, the amorphous is also the major aggregation structure of starch. In our preliminary study, the amorphous starch was found to show different shapes, like granule, bead-like, and gel. The macroscopic characteristics changed accordingly. The molecular structure did not change, while the molecular conformation was different. Little is known about the relationship between the molecular conformation and the macroscopic characteristics of amorphous starch. In this project, the amorphous starch samples will be prepared from tuber, legume, and cereal starches by using water-thermal, chemical, and high pressure methods. The amorphous structure will be qualitative and quantitative analyzed by applying X-ray diffraction (XRD) and differential scanning calorimetry (DSC). The water absorption, swelling, rheology, texture, film forming properties will be tested under different pH, ionic strength, concentration and temperature. The molecular conformation will be investigated by using atomic force microscopy (AFM), solid state nuclear magnetic resonance (SS-NMR) spectroscopy, laser light scattering (LLS), small angle X-ray scattering (SAXS), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and fourier transform raman spectroscopy (FTRS). Together with the analysis of molecular structure, and comparison among normal, high-amylose and waxy starch samples, the relationship between the molecular conformation and the macroscopic characteristics of amorphous starch will be built up. The findings will provide the basis for revealing the changing law of microstructure and macroscopic characteristics of starch under different conditions.

无定形（非晶态）不仅在原淀粉颗粒中的比例高于结晶态，在淀粉类食品加工过程和终产品中也是淀粉的主要聚集态结构。前期研究发现无定形淀粉可呈现颗粒、串珠、凝胶等形状，宏观特性随之改变；这些情况下分子结构没有变化，只因为分子构象不同，但无定形淀粉分子构象与宏观特性的关系尚未建立。本课题的基本思路为：以水热、化学和高压糊化法制备的薯类、豆类和谷类无定形淀粉为研究对象；应用X-射线衍射和差示扫描量热技术进行无定形结构的定性和定量分析；在不同pH、离子强度、浓度和温度下对无定形淀粉的吸水、膨胀、流变、质构和成膜特性进行测试；同时运用原子力显微镜、固体核磁共振、激光光散射、小角X-射线散射、红外光谱和拉曼光谱等技术进行分子构象的研究；结合淀粉分子结构的解析，以及普通、高直链和蜡质淀粉的对比，构建无定形淀粉分子构象与宏观特性的关系。研究结果将为揭示不同条件下淀粉微观结构与宏观特性变化的规律提供理论基础。

无定形淀粉对淀粉应用过程和终产品都非常重要，其宏观特性易变且难以控制是实践中的难点。本课题组前期研究发现了淀粉分子构象是决定因素，但其变化规律尚不清楚。针对这一瓶颈问题，本项目以谷薯豆类淀粉为研究对象，通过超高压、电镜、拉曼、流变、分子动力学模拟等技术研究了无定形淀粉的特性及分子构象变化规律。.发现了超高压下淀粉分子构象的变化规律：颗粒由内向外发生变化，分子链间距离、可及溶剂表面积、分子势能、自由能和运动强度降低，分子的静电相互作用力增强；分子内氢键减少，分子水化能力增强。.发现了高浓度盐条件下淀粉分子构象的变化规律：颗粒内外同时发生变化，葡萄糖残基4C1椅型构象比例、螺距、链间距离、回转半径和可及溶剂表面积降低；静电引力和淀粉分子的水化能力大大提高。.发现了高温对淀粉分子构象的影响与超高压和高浓度盐相反，高温使淀粉分子内氢键数量上升，淀粉与水分子形成氢键减少；分子链间距离、分子势能、自由能显著增大。高温对淀粉分子构象的改变速度最快，形成无定形淀粉约需3-10min；超高压和高浓度盐在常温下分别需要30-60min和3-6h。还发现不仅单链、支链，双螺旋淀粉分子也能与甘油三酯形成复合物；且仅一圈葡萄糖残基（8个残基）足以牢固地结合1个甘油三酯分子。.发现了形状和分子构象对无定形淀粉特性的影响。无定形淀粉的分子量大小为：凝胶状>颗粒状>串珠状，链构象分别为：无规线团、球状、棒状；颗粒状的冷水溶解度、吸水率、吸油率和酶解率均最高。与原淀粉相比，颗粒状无定形淀粉的平均粒径、吸水率和吸油率提高1-2倍，比表面积提高1-9倍，常温酶解率提高3-6倍。.无定形淀粉分子构象可以通过压力、温度、盐和脂质等进行调控，从而改变宏观特性。研究成果不仅对其他天然食品大分子的构象研究具有借鉴意义，对淀粉类产品的品质控制也具有重要的实践指导价值。发现的新型颗粒状无定形淀粉，同时具备良好的吸附、水溶、酶解和分散性，在特殊膳食用食品中具有无可替代的应用潜力。