烤烟中支链与直链淀粉比例对淀粉结构形态的影响

吴 俊，罗 丹，全学军，戴 亚，马扩彦

(1.重庆理工大学 化学化工学院， 重庆 400054; 2.重庆中烟工业有限公司， 重庆 400062)

烤烟中支链与直链淀粉比例对淀粉结构形态的影响

吴 俊1，罗 丹1，全学军1，戴 亚2，马扩彦2

(1.重庆理工大学 化学化工学院， 重庆 400054; 2.重庆中烟工业有限公司， 重庆 400062)

为深入认识烤烟中淀粉结构形态，研究了淀粉中支链/直链淀粉比例对其晶相结构和形态的影响。结果表明：烤烟淀粉中支链/直链淀粉比例一般在1∶1～3∶1之间变化；支链/直链淀粉比例对其晶相结构几乎没有影响，且烤烟淀粉的相对结晶度与晶粒尺寸随支链淀粉含量的增加变化不明显；随着淀粉中支链/直链淀粉比例的升高，出现圆球状淀粉颗粒的数量逐渐减少，菱形状淀粉颗粒的数量逐渐增多，并且颗粒表面上出现各向异性平面的现象。

烤烟淀粉; 组成结构; 淀粉晶相; 颗粒形态

淀粉是烟叶中重要的碳水化合物。在烟叶烘烤过程中，淀粉逐渐降解、转化为其他物质，对烟草的色、香、味产生影响。淀粉含量的高低决定着烟叶内在品质和外观等级质量的优劣[1-3]。目前，我国烤烟中淀粉含量为4%～6%，是国外优质烤烟淀粉含量的2～3倍[4]。相比之下，我国烤烟淀粉含量以及内在协调性等方面还存在着较大差异。烤后烟叶淀粉残留量过高已成为制约中国烟叶质量提高的重要因素之一[5-6]。为降低烤后烟叶淀粉含量，研究人员进行了相关的实验探索。目前，比较成熟的技术是在烘烤过程中外加淀粉类酶来降低烤后烟叶中的淀粉含量[7-8]。为进一步合理调控淀粉含量，研究人员对烟叶的淀粉颗粒结构特征、透光率、晶体特性等微观结构进行了研究[9-12]。当前，关于淀粉结构形态以及降低淀粉含量的研究较多，但对支链/直链淀粉比例与烟草淀粉结构形态之间的关系研究较少。因此，本文对此进行了探讨，这对于采取措施降低烟草淀粉含量、提高烟草制品的质量具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 烤烟样本的选取

为了研究烤烟淀粉中支链/直链淀粉比例与其结构形态的关系，首先选取不同的烟草样品以获得不同的支链/直链淀粉比例，并从中选取具有代表性比例的淀粉样本进行形态和结构分析。为此，选取了红花大金元、粤烟97、中烟100、云烟97、云烟87等10多种烤烟品种(重庆中烟工业有限责任公司提供)。

1.2 试剂与分析测定方法

支链淀粉和直链淀粉标准样品(美国Sigma公司出品)；无水乙醇、氯化钠、高氯酸、氢氧化钠、碘、碘化钾(AR，成都市科龙化工试剂厂出品)。

TU-1901双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司生产)；HFP-200型高速多功能粉碎机(永康市红太阳机电有限公司生产)；JJ-2组织捣碎匀浆机(常州国华电器有限公司生产)；离心机TDZ4-WS台式低速离心机(湖南湘仪实验室仪器开发有限公司生产)；JSM-6460LV扫描电子显微镜(日本电子株式会社生产);XRD-7000型X射线衍射仪(日本岛津公司生产)。

1.2.1 测定淀粉含量

烤烟淀粉含量的测定参照文献[13-14]进行。实验流程：烟草粉粹→过筛(40～100目)→除杂(饱和NaCl-乙醇溶液)→过滤(取滤渣)→提取(高氯酸溶液)→过滤(取滤液)→显色反应(I2/KI溶液)→测吸光度。最后，根据对应波长所测定吸光度，计算支链淀粉和直链淀粉的含量。

直链淀粉和支链淀粉含量的计算方法如下：

a1表示以试样计的直链淀粉含量比值，由式(1)计算。

(1)

a2表示以试样计的支链淀粉含量比值，由式(2)计算。

(2)

式(1)～(2)中：C1为样品溶液中直链淀粉的测定值(mg·mL-1)；C2为样品溶液中支链淀粉的测定值(mg·mL-1)；V为待测溶液的定容体积(mL)；m为试样的质量(g)；N为提取液测定时的稀释倍数。

1.2.2 淀粉晶体特性

烤烟淀粉采取碱式提取，参照文献[15-16]进行，将烟叶粉碎后使用0.3%的NaOH浸泡提取淀粉，过滤，离心后用50%乙醇洗涤，然后于30 ℃条件下烘干。采用日本XRD-7000型X射线衍射仪，衍射条件：CuKα辐射，管电压40 kV，管电流40 mA，扫描速度2(°)/min，扫描范围10°～55°，步宽0.02°。用MDI Jade 6.0 分析软件计算结晶度以及晶粒尺寸[17-18]。

平均晶粒尺寸根据谢乐(Scherrer)公式计算[19-20]：

(3)

式中：K为系数，取值0.89；β为最强衍射峰的半峰宽(rad)；λ为辐射波长(nm)；θ为衍射峰位的布拉格(Bragg)角(°)。

1.2.3 淀粉颗粒形态结构

采用日本JSM-6460LV扫描电子显微镜，选取合适淀粉样品，将其均匀平铺于附有导电胶的载样台上，使用SBC12型离子溅射仪进行喷金处理，将喷金后的样品直接放入扫描电镜样品室进行观察。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和MDI Jade 6.0 进行数据处理，借助Microcal Origin 8.0对相关数据进行绘图。

2 结果与分析

2.1烤烟样本中淀粉含量及其支链/直链淀粉比例

烤烟中淀粉含量是评判烟草品质的重要依据[4]，表1是烤烟样本中的淀粉含量及其支链/直链淀粉比例的测定结果。由表1可以看出：烤烟总淀粉含量在3.48%～8.44%之间，支链/直链淀粉比例在1.14∶1～3.03∶1之间，比例接近2∶1的样品占多数。

表1 烤烟样本中淀粉含量及其支链/直链淀粉比例测定结果

为了考察淀粉中支链/直链淀粉比例与其结构形态的关系，从中选取具有代表性比例的淀粉样本进行形态和结构分析，即红花大金元、粤烟97、中烟100、云烟97、云烟87五个品种作为具有不同支链/直链淀粉比例的样品，其值分别为 1.14∶1、2.15∶1、2.09∶1、2.03∶1、3.03∶1。

2.2烤烟淀粉中支链/直链淀粉比例对其XRD的影响

烟叶中的淀粉颗粒有结晶和无定形两种结构，由支链淀粉和直链淀粉组成[21]。结晶区主要由支链淀粉分子以双螺旋结构形成，结构较为致密；无定形区主要由直链淀粉分子以松散的结构形成[22-24]。根据XRD图谱，淀粉结晶结构可分为“A”、“B”和“C”3种类型。其中， A-型XRD波谱特征主要表现为2θ分别在15°、17°、18°、23°处有强的衍射峰，在20°有弱的衍射峰；B-型XRD波谱特征主要表现为2θ在5.6°、17°、22°、24°处有强的衍射峰，在15°、20°有弱的衍射峰；C-型由A-型和B-型组成[25-27]。红花大金元、粤烟97、中烟100、云烟97、云烟87五个品种的烤烟淀粉的XRD图谱，如图1所示。5种不同支链/直链淀粉比例的XRD衍射峰出现位置基本一致，判断5种淀粉具有相同的晶型结构，也就是说淀粉中支链/直链淀粉比例对其晶相结构没有明显的影响。5个样品XRD的2θ分别在15°和23～24°之间有强衍射峰。因此，烤烟淀粉的晶型应该具有A-型淀粉晶体结构的特征。

图1 支链/直链淀粉比例对XRD衍射图谱的影响

2.3烤烟淀粉中支链/直链淀粉比例对其结晶度及晶粒尺寸的影响

利用MDI Jade 6.0对不同支链/直链淀粉比例的XRD图谱进行相对结晶度以及晶粒尺寸分析，结果如表2所示。由此可以看出：当烤烟淀粉样品中的支链/直链淀粉比例相同时(如比例约为2∶1时)，样品的相对结晶度在19.58%～25.54%之间波动，变化不太大。晶粒尺寸在51.5～60.06 nm之间波动。当样品中的支链/直链淀粉比例由1.14∶1升高至3.03∶1时，相对结晶度和晶粒尺寸分别在19.58%～30.81% 和51.5～61.92 nm之间波动。随着样品中支链淀粉比例的提高，烤烟淀粉的相对结晶度与晶粒尺寸随支链淀粉含量的增加在一定范围内波动，但不明显。徐斌等[17]对不同直链淀粉含量的稻米淀粉的相对结晶度分析，表明相对结晶度与直链淀粉含量呈线性负相关。本文研究结果表明：烤烟淀粉的结晶度并未出现类似明显情况。

2.4烤烟淀粉中支链/直链比例对淀粉颗粒形态的影响

采用SEM对不同支链/直链比例的烤烟淀粉颗粒进行观察，结果如图2所示。通过电镜标尺估测，烤烟烟叶淀粉颗粒粒径大小为1.14～7.73 μm不等，主要集中在3.33～4.07 μm，结果与贺帆等[9,23]测得的结果相似。通过对比观察分析可知：不同支链/直链比例的烤烟淀粉表现出的颗粒形貌特征不同，见表3。总体趋势是：随着支链/直链淀粉比例的增大，圆球状淀粉颗粒数量逐渐减少，而表面平整光滑的菱形状淀粉颗粒数量逐渐增多，颗粒上出现各向异性平面。从图2(b)～(d)中可以看出：在淀粉中支链/直链比例接近时，淀粉结晶度提高，菱形状淀粉颗粒数量也逐渐增多。

表2 支链/直链淀粉比例对结晶度、晶粒尺寸的影响

图2 不同支链与直链比例的淀粉颗粒SEM图

规格烟叶等级支链/直链粒径/μm形貌特征红花大金元C3F1.14∶11.59～5.91圆球状和长圆柱状淀粉颗粒较多,表面光滑,个别呈现含有棱角的不规则形状,饱满度较高粤烟97C3F2.15∶11.29～6.48圆球状和长圆柱状淀粉颗粒较多,表面光滑,少数颗粒出现层状结构和孔洞中烟100C3F2.09∶11.36～6.82圆球状淀粉颗粒减少,大部分颗粒出现孔洞以及裂口,淀粉颗粒呈现不规则形状且所占比例较大云烟97C3F2.03∶11.14～7.73棱形状淀粉颗粒占主要部分,圆球状淀粉颗粒少且出现孔洞,边缘残缺云烟87C3F3.03∶11.36～6.36棱形状以及不规则的淀粉颗粒占主要,圆球状淀粉颗粒很少且出现孔洞及裂口

3 结论

烤烟的主要化合物含量和性质的变化对烟叶品质有决定性作用，其中支链/直链淀粉比例的微弱变化可能导致品质的不同[28]。采用XRD、SEM研究了支链/直链淀粉比例对淀粉晶相结构和形态的影响。结果表明：烤烟淀粉中支链/直链淀粉比例一般在1∶1～3∶1之间变化；支链/直链淀粉的比例对其晶相结构几乎没有影响，且烤烟淀粉的相对结晶度与晶粒尺寸随支链淀粉含量的增加变化不明显,但随着淀粉中支链/直链淀粉比例的升高，出现圆球状淀粉颗粒的数量逐渐减少，菱形状淀粉颗粒的数量逐渐增多，并且颗粒表面上出现各向异性平面的现象。

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(责任编辑林 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

重庆中烟工业有限责任公司科技项目“烟草中淀粉的存在形态及其分析方法研究”(hx201314)

吴俊(1991—)，女，四川遂宁人，硕士研究生，主要从事资源化工及纳米材料研究，E-mail：wujun0210cq@163.com； 通讯作者 全学军(1963—)，男，重庆潼南人，博士，教授，主要从事资源化工及纳米材料研究，E-mail：hengjunq@cqut.edu.cn。

吴俊，罗丹，全学军，等.烤烟中支链与直链淀粉比例对淀粉结构形态的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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