淀粉结晶度计算的新方法.pdf

2011,Vol.32,No.09食品科学基础研究68淀粉结晶度计算的新方法陈翠兰，张本山，陈福泉(华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 510640)摘 要：分析X射线衍射仪的不同衍射角范围、步长及扫描速率等测试因素对淀粉的 X射线衍射图谱的影响；使用 MDI Jade 软件采用两种方法实现淀粉结晶度的计算。结果表明：当设置衍射角范围为 460，步长为 0.02，扫描速率为 10/min 时，分析测试结果较好；测试衍射角范围取 430 之间时，计算结晶度的主观性因素影响相对减小，可快速、简便、可靠的计算结晶度大小，测得玉米、马铃薯、木薯淀粉相对结晶度分别为 26.7%、18.4%和 265%。关键词：淀粉；结晶度；MDI Jade 软件；计算；新方法A Novel Method for Calculating Starch CrystallinityCHEN Cui-lan，ZHANG Ben-shan，CHEN Fu-quan(College of Light Industry and Food Sciences,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)Abstract：In this work,we study the effect of some instrumental parameters such as diffraction angle,step-length and scanningrate on the X-ray diffraction(XRD)analysis of starch.Meanwhile,the calculation of starch crystallinity was achieved usingMDI Jade software by two different methods.Under the following conditions:diffraction angle of 4 to 60,step-length of0.02 and scanning rate of 10/min,satisfying test results were attained.The subjective factors affecting the calculation of starchcrystallinit could be attenuated by selecting a diffraction angle between 4 and 30.As a result,the calculation of starchcrystallinity will be characterized by simplicity,rapidity and reliability.The relative starch crystallinity of corn,potato,andcassava was determined as 26.7%,18.4%and 26.5%,respectively.Key words：starch；crystallinity；MDI Jade software；calculation；novel method中图分类号：TS231 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2011)09-0068-04收稿日期：2010-07-14基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD27B04)；广东省科技厅科技计划项目(2008A08040300；2008A08040301)作者简介：陈翠兰(1984)，女，硕士研究生，研究方向为功能碳水化合物化学。E-mail：*通信作者：张本山(1964)，男，副教授，博士，研究方向为淀粉材料及污水处理。E-mail：淀粉结晶度是表征淀粉颗粒结晶性质的一个重要参数，也是表征淀粉材料类产品性质的重要参数，其大小直接影响着淀粉产品的应用性能、淀粉材料的物理和机械性能。淀粉经物理、化学及生物等方法处理之后，其结晶度的变化在一定程度上反映了淀粉颗粒内部结晶区和非晶区的变化。因此，淀粉及淀粉衍生物结晶度的快速、简便、可靠测定方法的研究近年来倍受国内外研究者的关注。目前文献报道，X 射线衍射法(X-raydiffraction，XRD)是测定淀粉颗粒结晶度最常用的方法之一1-11。而 X 射线衍射仪的设置条件选择，以及不同条件下对淀粉的衍射图谱影响，国内外尚未见有文献报道。MDI Jade 软件是X 射线衍射仪配套的分析软件。该软件可对物料的X 射线衍射图谱进行平滑、扣背底、寻峰、峰型拟合、结晶度分析计算、物相鉴定、宏观应力、晶体结构分析等。以上除了平滑、扣背底、寻峰等简单的功能外，其他功能的针对范围一般是无机物，例如金属、合金、硅氧化物、硅酸盐等12-14，而用于有机物，如纤维素、淀粉等结晶体的分析，目前尚未见有文献报道。随着淀粉结晶结构与性质的研究越来越深入，用 MDI Jade 软件快速、简便、可靠分析淀粉的结晶度大小，已是许多淀粉行业研究者们的迫切要求。笔者利用 MDI Jade 软件，在张本山等8测定淀粉颗粒结晶度的原理基础上，实现了快速、简便、可靠的分析计算淀粉的结晶度。69基础研究食品科学2011,Vol.32,No.091材料与方法1.1材料与仪器玉米淀粉 长春黄龙食品工业有限公司；马铃薯淀粉 广西荣桂粮油贸易发展公司；木薯淀粉 广西南宁银麦粉业公司。D/max 2200 VPC 粉末X 射线衍射仪 日本理学公司；MDI Jade 5.0 分析软件 中山大学化学与化工学院检测中心。1.2方法X 射线衍射仪测试条件为：C u-K辐射，管压40kV，Ni片滤波，波长为1.540610-10m，管流30mA，发射及防反射狭缝1，接受狭缝0.2mm。分析不同衍射角范围、步长及扫描速率等测试条件因素对分析结果的影响 8。2结果与分析2.1衍射角范围对 XRD 分析结果的影响对同一玉米淀粉样品，设定衍射角范围分别为 360 和 460，而其他测试条件相同的条件下进行X 射线衍射分析，见图1。衍射角范围为460 的衍射图谱与衍射角范围为 360 的衍射图谱在460 段并没有重合。具体表现为出峰位置相同，但出峰强度不同，衍射角范围为 460 衍射图谱中峰强度明显大于相同峰位置衍射角范围为360 衍射图谱，从而造成计算出的结晶度差距明显。这可能是由于出峰强度与测试衍射角范围有关。所以在分析测试比较系列样品时，衍射角范围应该固定在同一范围内。中的波折线较密时，平滑时参考的波折线较多，真实性好，误差小；当图谱中波折线较稀疏时，平滑时参考的波折线少，真实性差，误差大，见图 3、4。步长 0.04 时，图谱急剧上升或者下降部位较为光滑，而步长 0.02 时，图谱在上述位置上不光滑，存在小的波折线。因此，XRD 测试分析淀粉时，步长 0.02 和 0.04都可以选用，但为了提高测定结果的精确度，在比较分析时，一定要选同一个步长条件，步长选用 0.02 误差相对小，可优先选用。2.3扫描速率对XRD 分析结果的影响对同一玉米淀粉样品，在扫描速率分别为 10/min和 12/min，而其他测试条件相同的条件下进行 X 射线衍射分析。由于原谱图波折线较密，两图谱区别不明显，因此将其平滑一次之后得到图5。当衍射角为22 时，扫描速率不同，衍射峰强度不同，扫描速率为10/min 时图1 衍射角范围对X射线衍射图谱的影响Fig.1 Effect of diffraction angle on the XRD pattern of corn starch4602/()20015010050强度0102030405060360图3 步长为0.04的XRD图谱平滑后效果图Fig.3 Change in the XRD pattern of corn starch at the step-length of0.04 after smooth processing平滑前2/()200150100500强度102030405060平滑后图4 步长为0.02的XRD图谱平滑后效果图Fig.4 Change in the XRD pattern of corn starch at the step-length of0.02 after smooth processing平滑前2/()1251007550250强度102030405060平滑后2.2步长对 XRD 分析结果的影响对同一玉米淀粉样品，在设定步长分别为 0.02 和0.04，而其他测试条件相同的条件下进行 X 射线衍射分析，见图 2。步长为0.04 的衍射图谱的每个衍射峰强度均比步长为 0.02 的衍射图谱中要高，但曲线上的波折频率线，相对于步长为 0.02 的衍射图谱稀疏，特别是图谱在急剧上升或者下降部位波折线稀疏程度更大。一般分析计算结晶度时，需要先将图谱进行同等程度平滑，而平滑的真实性与图谱的波折线稀疏密切相关。当图谱图2 步长对X射线衍射图谱的影响Fig.2 Effect of step-length on the XRD pattern of corn starch步长：0.042/()200150100500强度102030405060360步长：0.02 2011,Vol.32,No.09食品科学基础研究70出峰强度明显大于扫描速率为12/min 相应的衍射峰强度；衍射角在 1719 范围内，不同扫描速率，衍射峰形状也不同；衍射角在 1213 范围内，不同扫描速率，衍射峰半高宽不同。2.5MDI Jade 软件分析计算淀粉结晶度(方法二)在2.4 节中，MDI Jade 软件分析计算淀粉结晶度是完全按照张本山等15的原理进行的，得到的结晶度是绝对结晶度。但是该方法具有非晶区分割线的划分时主观能动性影响大，以及在图谱上的描点位置随意性大等缺点。为了解决上述问题，着重从上述问题的根源上去寻找解决方法。为了避免上述问题的出现，可以考虑将衍射角 30 以后的“馒头”峰去除，主要考虑衍射角为 430 范围内的峰值，得到的结晶度为相对结晶度，这对于一系列同类淀粉样品结晶度比较时，仍具有可参考的价值。再者，在一系列同类淀粉样品在相同的水分含量下，衍射角在3060 范围内上的衍射图谱基本上是重合的，不同样品 XRD 图谱，主要区别在于430 范围内的峰值位置和强度等。通过上述两个原因分析，可确定衍射角范围为430 具有一定的合理性和参考性。为了解决图谱上描点位置随意性大的问题，可将图谱光滑多次或者将光滑程度设置为高，光滑次数可减少，直至谱图曲线相对光滑。图5 不同扫描速率对X射线衍射分析结果(经平滑)的影响Fig.5 Effect of different scanning rate on the XRD pattern of cornstarch(after smooth processing)扫描速率10/min2/()200150100500强度102030405060扫描速率12/min图6 设置基线Fig.6 Baseline setting200150100500强度2/()1020304050602.4MDI Jade 软件分析计算淀粉结晶度(方法一)以玉米淀粉 XRD 衍射图谱为例，依据张本山等8测定淀粉颗粒结晶度的原理，分析计算玉米淀粉颗粒的结晶度。张本山等测定淀粉颗粒结晶度一般步骤为：背底衍射区的确定，非晶衍射区、结晶衍射区以及亚结晶衍射区的确定，计算各晶区衍射区面积，最后由晶区面积与总面积(各晶区面积总和)之比得到淀粉的结晶度。而用 MDI Jade 软件分析测定淀粉结晶度如下所述：利用MDI Jade软件打开玉米淀粉样品的X射线衍射图谱，平滑一次，调整基线使与谱线两边位相切，见图 6。样品衍射曲线与阶梯基线之间的面积为 64949；根据基线去除图 7 中的背底，在样品的XRD 图谱上点击左键，描出非晶区分割线，如图 7 所示，记录样品衍射曲线与非晶区分割线之间的面积为25395；玉米淀粉的结晶度可以从软件直接读出也可以算出X=25395/64949100%=39.1%；同理，马铃薯淀粉和木薯淀粉的结晶度分别为31.3%和37.7%，与文献9报道的数据相近。该方法具有一定的不完善性，主要体现在非晶区分割线的划分时主观能动性影响大，以及在图谱上的描点位置随意性大等。图8 取衍射角460 范围内图谱Fig.8 The XRD pattern at the diffraction angle range from 4 to 60200150100500强度2/()102030405060图7 描出非晶区分割线Fig.7 The dividing line for amorphous areas200150100500强度2/()102030405060图9 描出微晶区分割线Fig9 The dividing line for microcrysta areas200150100500强度2/()10203040506071基础研究食品科学2011,Vol.32,No.09参 考 文 献：1MULLER C M O,LAURINDO J B,YAMASHITA F.Effect ofcellulose fibers on the crystallinity and mechanical properties of starch-based films at different relative humidity valuesJ.Carbohydrate Polymers,2009,77(2):293-299.2KUBO A,YUGUCHI Y,KITAMURA S,et al.The use of microbeamX-ray diffraction for the characterization of starch crystal structure in ricemutant kernels of waxy,amylose extender,and 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18.4%和木薯淀粉结晶度为 26.5%，实现了快速、简便、可靠的分析淀粉的结晶度。.