烤煙中支鏈與直鏈淀粉比例對淀粉結構形態的影響

吳 俊，羅 丹，全學軍，戴 亞，馬擴彥

(1.重慶理工大學 化學化工學院， 重慶 400054; 2.重慶中煙工業有限公司， 重慶 400062)

烤煙中支鏈與直鏈淀粉比例對淀粉結構形態的影響

吳 俊1，羅 丹1，全學軍1，戴 亞2，馬擴彥2

(1.重慶理工大學 化學化工學院， 重慶 400054; 2.重慶中煙工業有限公司， 重慶 400062)

為深入認識烤煙中淀粉結構形態，研究了淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例對其晶相結構和形態的影響。結果表明：烤煙淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例一般在1∶1～3∶1之間變化；支鏈/直鏈淀粉比例對其晶相結構幾乎沒有影響，且烤煙淀粉的相對結晶度與晶粒尺寸隨支鏈淀粉含量的增加變化不明顯；隨著淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例的升高，出現圓球狀淀粉顆粒的數量逐漸減少，菱形狀淀粉顆粒的數量逐漸增多，并且顆粒表面上出現各向異性平面的現象。

烤煙淀粉; 組成結構; 淀粉晶相; 顆粒形態

淀粉是煙葉中重要的碳水化合物。在煙葉烘烤過程中，淀粉逐漸降解、轉化為其他物質，對煙草的色、香、味產生影響。淀粉含量的高低決定著煙葉內在品質和外觀等級質量的優劣[1-3]。目前，我國烤煙中淀粉含量為4%～6%，是國外優質烤煙淀粉含量的2～3倍[4]。相比之下，我國烤煙淀粉含量以及內在協調性等方面還存在著較大差異?？竞鬅熑~淀粉殘留量過高已成為制約中國煙葉質量提高的重要因素之一[5-6]。為降低烤后煙葉淀粉含量，研究人員進行了相關的實驗探索。目前，比較成熟的技術是在烘烤過程中外加淀粉類酶來降低烤后煙葉中的淀粉含量[7-8]。為進一步合理調控淀粉含量，研究人員對煙葉的淀粉顆粒結構特征、透光率、晶體特性等微觀結構進行了研究[9-12]。當前，關于淀粉結構形態以及降低淀粉含量的研究較多，但對支鏈/直鏈淀粉比例與煙草淀粉結構形態之間的關系研究較少。因此，本文對此進行了探討，這對于采取措施降低煙草淀粉含量、提高煙草制品的質量具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 烤煙樣本的選取

為了研究烤煙淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例與其結構形態的關系，首先選取不同的煙草樣品以獲得不同的支鏈/直鏈淀粉比例，并從中選取具有代表性比例的淀粉樣本進行形態和結構分析。為此，選取了紅花大金元、粵煙97、中煙100、云煙97、云煙87等10多種烤煙品種(重慶中煙工業有限責任公司提供)。

1.2 試劑與分析測定方法

支鏈淀粉和直鏈淀粉標準樣品(美國Sigma公司出品)；無水乙醇、氯化鈉、高氯酸、氫氧化鈉、碘、碘化鉀(AR，成都市科龍化工試劑廠出品)。

TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司生產)；HFP-200型高速多功能粉碎機(永康市紅太陽機電有限公司生產)；JJ-2組織搗碎勻漿機(常州國華電器有限公司生產)；離心機TDZ4-WS臺式低速離心機(湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司生產)；JSM-6460LV掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社生產);XRD-7000型X射線衍射儀(日本島津公司生產)。

1.2.1 測定淀粉含量

烤煙淀粉含量的測定參照文獻[13-14]進行。實驗流程：煙草粉粹→過篩(40～100目)→除雜(飽和NaCl-乙醇溶液)→過濾(取濾渣)→提取(高氯酸溶液)→過濾(取濾液)→顯色反應(I2/KI溶液)→測吸光度。最后，根據對應波長所測定吸光度，計算支鏈淀粉和直鏈淀粉的含量。

直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的計算方法如下：

a1表示以試樣計的直鏈淀粉含量比值，由式(1)計算。

(1)

a2表示以試樣計的支鏈淀粉含量比值，由式(2)計算。

(2)

式(1)～(2)中：C1為樣品溶液中直鏈淀粉的測定值(mg·mL-1)；C2為樣品溶液中支鏈淀粉的測定值(mg·mL-1)；V為待測溶液的定容體積(mL)；m為試樣的質量(g)；N為提取液測定時的稀釋倍數。

1.2.2 淀粉晶體特性

烤煙淀粉采取堿式提取，參照文獻[15-16]進行，將煙葉粉碎后使用0.3%的NaOH浸泡提取淀粉，過濾，離心后用50%乙醇洗滌，然后于30 ℃條件下烘干。采用日本XRD-7000型X射線衍射儀，衍射條件：CuKα輻射，管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描速度2(°)/min，掃描范圍10°～55°，步寬0.02°。用MDI Jade 6.0 分析軟件計算結晶度以及晶粒尺寸[17-18]。

平均晶粒尺寸根據謝樂(Scherrer)公式計算[19-20]：

(3)

式中：K為系數，取值0.89；β為最強衍射峰的半峰寬(rad)；λ為輻射波長(nm)；θ為衍射峰位的布拉格(Bragg)角(°)。

1.2.3 淀粉顆粒形態結構

采用日本JSM-6460LV掃描電子顯微鏡，選取合適淀粉樣品，將其均勻平鋪于附有導電膠的載樣臺上，使用SBC12型離子濺射儀進行噴金處理，將噴金后的樣品直接放入掃描電鏡樣品室進行觀察。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2003和MDI Jade 6.0 進行數據處理，借助Microcal Origin 8.0對相關數據進行繪圖。

2 結果與分析

2.1烤煙樣本中淀粉含量及其支鏈/直鏈淀粉比例

烤煙中淀粉含量是評判煙草品質的重要依據[4]，表1是烤煙樣本中的淀粉含量及其支鏈/直鏈淀粉比例的測定結果。由表1可以看出：烤煙總淀粉含量在3.48%～8.44%之間，支鏈/直鏈淀粉比例在1.14∶1～3.03∶1之間，比例接近2∶1的樣品占多數。

表1 烤煙樣本中淀粉含量及其支鏈/直鏈淀粉比例測定結果

為了考察淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例與其結構形態的關系，從中選取具有代表性比例的淀粉樣本進行形態和結構分析，即紅花大金元、粵煙97、中煙100、云煙97、云煙87五個品種作為具有不同支鏈/直鏈淀粉比例的樣品，其值分別為 1.14∶1、2.15∶1、2.09∶1、2.03∶1、3.03∶1。

2.2烤煙淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例對其XRD的影響

煙葉中的淀粉顆粒有結晶和無定形兩種結構，由支鏈淀粉和直鏈淀粉組成[21]。結晶區主要由支鏈淀粉分子以雙螺旋結構形成，結構較為致密；無定形區主要由直鏈淀粉分子以松散的結構形成[22-24]。根據XRD圖譜，淀粉結晶結構可分為“A”、“B”和“C”3種類型。其中， A-型XRD波譜特征主要表現為2θ分別在15°、17°、18°、23°處有強的衍射峰，在20°有弱的衍射峰；B-型XRD波譜特征主要表現為2θ在5.6°、17°、22°、24°處有強的衍射峰，在15°、20°有弱的衍射峰；C-型由A-型和B-型組成[25-27]。紅花大金元、粵煙97、中煙100、云煙97、云煙87五個品種的烤煙淀粉的XRD圖譜，如圖1所示。5種不同支鏈/直鏈淀粉比例的XRD衍射峰出現位置基本一致，判斷5種淀粉具有相同的晶型結構，也就是說淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例對其晶相結構沒有明顯的影響。5個樣品XRD的2θ分別在15°和23～24°之間有強衍射峰。因此，烤煙淀粉的晶型應該具有A-型淀粉晶體結構的特征。

圖1 支鏈/直鏈淀粉比例對XRD衍射圖譜的影響

2.3烤煙淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例對其結晶度及晶粒尺寸的影響

利用MDI Jade 6.0對不同支鏈/直鏈淀粉比例的XRD圖譜進行相對結晶度以及晶粒尺寸分析，結果如表2所示。由此可以看出：當烤煙淀粉樣品中的支鏈/直鏈淀粉比例相同時(如比例約為2∶1時)，樣品的相對結晶度在19.58%～25.54%之間波動，變化不太大。晶粒尺寸在51.5～60.06 nm之間波動。當樣品中的支鏈/直鏈淀粉比例由1.14∶1升高至3.03∶1時，相對結晶度和晶粒尺寸分別在19.58%～30.81% 和51.5～61.92 nm之間波動。隨著樣品中支鏈淀粉比例的提高，烤煙淀粉的相對結晶度與晶粒尺寸隨支鏈淀粉含量的增加在一定范圍內波動，但不明顯。徐斌等[17]對不同直鏈淀粉含量的稻米淀粉的相對結晶度分析，表明相對結晶度與直鏈淀粉含量呈線性負相關。本文研究結果表明：烤煙淀粉的結晶度并未出現類似明顯情況。

2.4烤煙淀粉中支鏈/直鏈比例對淀粉顆粒形態的影響

采用SEM對不同支鏈/直鏈比例的烤煙淀粉顆粒進行觀察，結果如圖2所示。通過電鏡標尺估測，烤煙煙葉淀粉顆粒粒徑大小為1.14～7.73 μm不等，主要集中在3.33～4.07 μm，結果與賀帆等[9,23]測得的結果相似。通過對比觀察分析可知：不同支鏈/直鏈比例的烤煙淀粉表現出的顆粒形貌特征不同，見表3?？傮w趨勢是：隨著支鏈/直鏈淀粉比例的增大，圓球狀淀粉顆粒數量逐漸減少，而表面平整光滑的菱形狀淀粉顆粒數量逐漸增多，顆粒上出現各向異性平面。從圖2(b)～(d)中可以看出：在淀粉中支鏈/直鏈比例接近時，淀粉結晶度提高，菱形狀淀粉顆粒數量也逐漸增多。

表2 支鏈/直鏈淀粉比例對結晶度、晶粒尺寸的影響

圖2 不同支鏈與直鏈比例的淀粉顆粒SEM圖

規格煙葉等級支鏈/直鏈粒徑/μm形貌特征紅花大金元C3F1.14∶11.59～5.91圓球狀和長圓柱狀淀粉顆粒較多,表面光滑,個別呈現含有棱角的不規則形狀,飽滿度較高粵煙97C3F2.15∶11.29～6.48圓球狀和長圓柱狀淀粉顆粒較多,表面光滑,少數顆粒出現層狀結構和孔洞中煙100C3F2.09∶11.36～6.82圓球狀淀粉顆粒減少,大部分顆粒出現孔洞以及裂口,淀粉顆粒呈現不規則形狀且所占比例較大云煙97C3F2.03∶11.14～7.73棱形狀淀粉顆粒占主要部分,圓球狀淀粉顆粒少且出現孔洞,邊緣殘缺云煙87C3F3.03∶11.36～6.36棱形狀以及不規則的淀粉顆粒占主要,圓球狀淀粉顆粒很少且出現孔洞及裂口

3 結論

烤煙的主要化合物含量和性質的變化對煙葉品質有決定性作用，其中支鏈/直鏈淀粉比例的微弱變化可能導致品質的不同[28]。采用XRD、SEM研究了支鏈/直鏈淀粉比例對淀粉晶相結構和形態的影響。結果表明：烤煙淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例一般在1∶1～3∶1之間變化；支鏈/直鏈淀粉的比例對其晶相結構幾乎沒有影響，且烤煙淀粉的相對結晶度與晶粒尺寸隨支鏈淀粉含量的增加變化不明顯,但隨著淀粉中支鏈/直鏈淀粉比例的升高，出現圓球狀淀粉顆粒的數量逐漸減少，菱形狀淀粉顆粒的數量逐漸增多，并且顆粒表面上出現各向異性平面的現象。

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(責任編輯林 芳)

EffectofAmylpectin/AmylaseRatioinFlue-CuredTobaccoonCrystalPhaseandMorphologyofTobaccoStarch

WU Jun1, LUO Dan1, QUAN Xuejun1, DAI Ya2, MA Kuoyan2

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China；2.Chongqing China Tobacco Industry Co., LTD., Chongqing 400062, China)

In order to understand the structure of starch in flue-cured tobacco, the effects of different ratios of amylopectin/amylose on the phase structure and morphology of flue-cured tobaccos were investigated. Research results showed that the amylpectin/amylase ratio of flue-cured tobacco starch varied from 1∶1 to 3∶1 and the ratio of amylopectin/amylose has little effect on the crystalline structure of the flue-cured tobacco starch. With the increase of amylopectin/amylose ratio, the crystallinity and crystal size of the flue-cured tobacco starch were not obviously changed, but spherical starch particles gradually were converted into diamond ones with smooth flat surfaces.

clue-cured tobacco starch; composition; starch crystal phase; particle morphology

2017-05-20

重慶中煙工業有限責任公司科技項目“煙草中淀粉的存在形態及其分析方法研究”(hx201314)

吳俊(1991—)，女，四川遂寧人，碩士研究生，主要從事資源化工及納米材料研究，E-mail：wujun0210cq@163.com； 通訊作者 全學軍(1963—)，男，重慶潼南人，博士，教授，主要從事資源化工及納米材料研究，E-mail：hengjunq@cqut.edu.cn。

吳俊，羅丹，全學軍，等.烤煙中支鏈與直鏈淀粉比例對淀粉結構形態的影響[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(10):122-127，157.

formatWU Jun, LUO Dan, QUAN Xuejun,et al.Effect of Amylpectin/Amylase Ratio in Flue-Cured Tobacco on Crystal Phase and Morphology of Tobacco Starch[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):122-127，157.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.020

TS411.1

A

1674-8425(2017)10-0122-06