全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2012, 38(4): 691−698 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(31071342)和江苏省作物学优势学科项目资助。
* 通讯作者(Corresponding authors): 刘巧泉, E-mail: qqliu@yzu.edu.cn; 韦存虚, E-mail: cxwei@yzu.edu.cn
Received(收稿日期): 2011-08-29; Accepted(接受日期): 2011-12-19; Published online(网络出版日期): 2012-02-13.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20120213.1106.011.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2012.00691
作物淀粉晶体结构的波谱分析
满建民 1 蔡金文 1 徐 斌 2 张奉民 2 刘巧泉 1,* 韦存虚 1,*
1 扬州大学教育部植物功能基因组学重点实验室 / 江苏省作物遗传生理重点实验室, 江苏扬州 225009; 2 扬州大学测试中心, 江苏
扬州 225009
摘 要: 作物淀粉有A-型、B-型和 C-型晶体, 本文利用粉末X-射线衍射仪(XRD)和固体核磁共振波谱仪(13C CP/MAS
NMR)研究了不同植物来源淀粉的波谱特征和相对结晶度。结果表明, 水稻、马铃薯和豌豆淀粉分别表现典型的 A-
型、B-型和 C-型晶体 XRD波谱, 荸荠淀粉则表现 CA-型 XRD波谱, 葛根淀粉为 CB-型 XRD波谱。以 Jade 5.0分析
软件峰拟合法和曲线作图法计算出来的淀粉 XRD相对结晶度差别较大, 且无相关性, 以曲线作图法计算出来的相对
结晶度可信度较高。不同来源淀粉的 13C CP/MAS NMR波谱相似, 有 C1、C4、C2, 3, 5和 C6区域, 区别主要在 C1
区域, 在该区域 A-型糯玉米和普通玉米淀粉有 3个结晶峰, B-型马铃薯淀粉有 2个结晶峰, CA-型转基因高直链水稻
(TRS)淀粉有 3个不明显的结晶峰, 而 CB-型酸解 TRS淀粉有 2个结晶峰, 无定形淀粉没有结晶峰。利用 PeakFit 4.12
峰拟合分析软件能够计算淀粉 13C CP/MAS NMR波谱的相对结晶度和双螺旋含量, 其中双螺旋含量比结晶度高, 结
晶度又比依据 XRD波谱计算出来的结晶度高。上述研究结果为应用 XRD和 13C CP/MAS NMR波谱技术分析作物淀
粉晶体结构提供了重要参考。
关键词: 淀粉; 晶体结构; 粉末 X-射线衍射仪; 固体核磁共振波谱仪; 结晶度; 双螺旋含量
Spectrum Analysis of Crystalline Structure of Crop Starches
MAN Jian-Min1, CAI Jin-Wen1, XU Bin2, ZHANG Feng-Min2, LIU Qiao-Quan1,*, and WEI Cun-Xu1,*
1 Key Laboratory of Plant Functional Genomics of the Ministry of Education / Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology of the Jiangsu Pro-
vince, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China; 2 Testing Center, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China
Abstract: Crop starches have A-type, B-type, and C-type crystallinity, and C-type crystallinity is the combination of both A-type
and B-type crystallinity. In this paper, spectrum characteristics and relative crystallinity of starches from different plants were
investigated with X-ray powder diffraction (XRD) and 13C cross-polarization magic-angle spinning nuclear magnetic resonance
(13C CP/MAS NMR). The results indicated that rice, potato and pea starches showed typical A-type, B-type, and C-type XRD
spectra respectively. Water chestnut starch showed a CA-type XRD spectrum, which was a C-type closer to A-type. Kudzu starch
showed a CB-type XRD spectrum, which was a C-type closer to B-type. The relative crystallinity of starch from XRD was ob-
tained using the Jade 5.0 software and the curve mapping method. The results of two methods showed significant difference and
had no correlation. The crystallinity with the curve mapping method was more reliable. The spectra of 13C CP/MAS NMR from
different crop starches showed similar characteristics, and had four regions of C1, C4, C2, 3, 5 and C6, while the difference of the
spectra among different starches was from C1 region. In C1 region, A-type starches of waxy and normal maize showed three
peaks, B-type starch of potato showed two peaks, the transgenic resistant starch rice line (TRS) starch, which was a CA-type crys-
tallinity, showed three inconspicuous peaks, the acid-modified TRS starch with CB-type crystalline showed two peaks and the
amorphous starch had no peaks. The 13C CP/MAS NMR spectra were peak fitted by using the PeakFit 4.12 software. The relative
crystallinity and the percentage of double helix content in starches were calculated. The double helix content was higher than the
relative crystallinity. The crystallinity obtained from 13C CP/MAS NMR was higher than that from XRD. These results would be
very useful for the application of XRD and 13C CP/MAS NMR to the analysis of crystalline structure of crop starches.
Keywords: Starch; Crystalline structure; X-ray powder diffraction; Solid state nuclear magnetic resonance; Crystallinity; Double
helix content
692 作 物 学 报 第 38卷

淀粉是植物主要的能量贮藏物质, 也是重要的
食品来源和工业原料。植物淀粉以半晶态的颗粒形
式存在于自然界, 具有结晶和无定形两种结构成分,
主要由直链淀粉和支链淀粉组成[1]。淀粉分子中的
直链淀粉和支链淀粉中的短链部分形成双螺旋结构,
这些双螺旋分子链通过分子间的相互作用力以一定
的空间点阵在淀粉颗粒的某些区域形成不同的多晶
形态[1-2]。依据粉末 X-射线衍射(X-ray powder dif-
fraction, XRD)波谱, 可将淀粉结晶结构分为 A-型、
B-型和 C-型 3种, 其中 A-型晶体主要存在于禾谷类
作物种子中, B-型晶体主要存在于植物块茎中和高
直链作物种子中, C-型晶体由 A-型晶体和 B-型晶体
共同组成, 主要存在于豆类作物种子和薯蓣类根状
茎中[2]。C-型晶体中的 A-型和 B-型晶体含量不同,
其波谱也不同, 可进一步分为 C-型、CA-型(以 A-型
晶体为主)和 CB-型(以 B-型晶体为主)[2-3]。
目前研究淀粉晶体结构最常用的方法是 XRD
技术[2]。由于淀粉晶体类型的划分依据是 XRD波谱,
因此对于A-型和 B-型晶体波谱的识别较为简单, 但
由于 C-型晶体由 A-型和 B-型晶体组成, 其波谱兼
有A-型和 B-型波谱的部分特征, 有些研究者将一些
C-型晶体淀粉误认为是 A-型或 B-型晶体[4]。另外,
由于淀粉是多晶体系, 用XRD波谱计算淀粉结晶度
存在一定的困难。虽然 XRD有配套的分析软件, 但
由于淀粉的XRD波谱信噪比低, 这些软件在分析淀
粉结晶度时误差较大, 甚至无法分析。国外研究者
在分析淀粉 XRD 结晶度时大多采用计算机辅助曲
线作图法[4-5], 但国内大多数研究者用软件来分析。
13C CP/MAS NMR 固体核磁共振技术 (13C cross-
polarization magic-angle spinning nuclear magnetic
resonance)也可用于淀粉晶体的研究[6-7]。与 XRD相
比, 13C CP/MAS NMR不仅能够精确计算淀粉的相
对结晶度, 而且也能计算淀粉的双螺旋含量, 被广
泛用于淀粉晶体结构的研究中[6-7], 但国内这方面的
研究报道较少。
本文分析了不同类型晶体淀粉的波谱特征, 并
探讨了相对结晶度和双螺旋含量的计算方法, 研究
结果可为应用 XRD和 13C CP/MAS NMR波谱技术
分析作物淀粉晶体结构提供重要的参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
根据文献和本实验室的前期工作, 选取 A-型晶
体糯玉米 (waxy maize, Zea mays L.)、普通玉米
(normal maize, Zea mays L.)和水稻(Oryza sativa L.)
淀粉, B-型晶体马铃薯(Solanum tuberosum L.)淀粉
和 C-型晶体豌豆(Pisum sativum L.)、葛根(Pueraria
lobata)和荸荠 (Eleocharis tuberosa)淀粉为试验材
料。糯玉米和普通玉米淀粉由美国堪萨斯州立大学
史永成教授提供, 水稻品种特青及其来源的高直链
转基因水稻(TRS)[8]成熟籽粒采收于扬州大学转基
因封闭实验田, 葛根由扬州大学生物科学与技术学
院植物资源研究室淮虎银教授提供, 马铃薯、豌豆
和荸荠采购于扬州市农贸市场。
1.2 天然淀粉粒的分离
参考 Wei 等方法分离天然淀粉粒[8]。水稻、豌
豆种子和葛根用 ddH2O 浸泡过夜, 马铃薯和荸荠去
皮切成薄片。研钵中充分研磨, 加水搅拌, 用 4层纱
布过滤, 然后将滤液分别过 100、200、300 和 400
目筛, 将滤液在 3 000×g离心 10 min, 获得沉淀。沉
淀经 ddH2O 悬浮, 再离心。反复几次, 直到上清液
澄清为止。沉淀用无水乙醇脱水 2次, 40℃干燥 2 d,
研磨成粉末, 过 100目筛, −20℃保存备用。
1.3 无定形淀粉的制备
参考 Wei 等方法制备无定形淀粉[3]。6% (W/V)
的淀粉水溶液以 1.5℃ min−1的升温速度从 25℃加热
到 95℃, 在 95℃停留 15 min, 然后再以 1.5℃ min−1
的降温速度冷却到 50℃, 最后将淀粉浆在培养皿中
铺展成一薄层, 于 60℃烘箱过夜。将无定形淀粉薄
层在研钵中充分研磨, 过 100目筛, −20℃保存备用。
1.4 TRS酸解淀粉的制备
参考 Wei 等方法制备 TRS 酸解淀粉[8]。2 g 淀
粉加 100 mL 2.2 mol L−1的 HCl溶液, 35℃酸水解 1 d,
期间摇匀淀粉沉淀 2 次。淀粉盐酸溶液 3 000×g 离
心 10 min, 沉淀用 ddH2O悬浮, 再离心, 重复 3次。
最后用无水乙醇脱水 2次, 40℃干燥 2 d, 研磨成粉
末, 过 100目筛, −20℃保存备用。
1.5 淀粉 XRD分析和结晶度计算
参考Wei等方法分析淀粉 XRD和计算结晶度[3]。
淀粉粒粉末在盛有饱和的氯化钠水溶液的密闭容器
中吸水 1周, 然后用 Bruker D8型 XRD分析。测试
条件为电压 40 kV、电流 200 mA、衍射角(2θ)的旋
转范围 3°~40°、扫描速度 1.2° min−1、步长 0.02°, 每
个样品扫描约 30 min。用 XRD 附带分析软件 Jade
5.0 分析结晶峰的位置和相对结晶度。参考 Nara 和
Komiya 的方法 [5], 用曲线作图法计算相对结晶度,
第 4期 满建民等: 作物淀粉晶体结构的波谱分析 693


具体方法如图 1所示, 首先在 4°~30°间画一条直线,
沿着非结晶峰波谱的基线和各结晶峰底部画一条平
滑的曲线, 平滑曲线上方各峰的面积表示淀粉的结
晶成分(Ac), 平滑曲线和 4°~30°间的直线所包围的
面积表示淀粉非结晶成分 (Aa)。然后用江苏捷达
JD801 形态学图像分析软件计算 Aa 和 Ac 面积, 求
出相对结晶度[Ac/(Ac+Aa)×100]。

图 1 XRD相对结晶度的计算
Fig. 1 Calculation of relative crystallinity from XRD
Aa: 无定形面积; Ac: 结晶峰面积。
Aa: the amorphous area; Ac: the crystallized area.

1.6 淀粉 13C CP/MAS NMR分析
参考Wei等方法分析淀粉 13C CP/MAS NMR[8]。
淀粉粒粉末在盛有饱和的氯化钠水溶液的密闭容器
中吸水 1 周, 然后在 Bruker AVANCE III 400 WB
NMR波谱仪上检测。采用 7 mm内径的样品管, 旋
转角 54.7°, 转速 6 kHz, 13C 核磁共振频率 100.6
MHz。CP接触时间 1.2 ms, 驰豫延迟时间 2 s, 累加
次数 8 000~12 000, 化学位移以 tetramethylsilane
(TMS)的化学位移(0×10–6)为参考。
1.7 淀粉 13C CP/MAS NMR波谱拟合, 结晶度
和双螺旋含量计算
利用 PeakFit 4.12 分析软件拟合淀粉 13C
CP/MAS NMR 波谱。参考 Bogracheva 等方法计算
淀粉双螺旋含量[9], 相对双螺旋含量(%) =100 – (待
测淀粉的 PPA/无定形淀粉的 PPA)×100, 其中 PPA
为波谱拟合 C4峰的面积与波谱总面积的比值。参考
Paris 等方法计算相对结晶度[10], 波谱拟合 C1 结晶
峰(三峰或双峰)的面积占 C1 峰的总面积(包括结晶
峰和 C1无定形峰)的百分比即为相对结晶度。
2 结果与分析
2.1 不同类型淀粉的 XRD波谱
水稻无定形淀粉和不同植物来源的天然淀粉的
XRD波谱见图 2, 各衍射峰的波谱数据见表 1。水稻
淀粉在 2θ 15°、17°、18°和 23°附近有强的衍射峰, 其
中 17°和 18°附近的衍射峰为相连的双峰, 在 2θ 20°
附近有弱的衍射峰, 这是 A-型晶体淀粉的 XRD 波
谱特征, 与其他禾谷类作物种子淀粉的波谱相同[2]。
马铃薯淀粉在 2θ 5.6°、17°、22°和 24°附近有较强的
衍射峰, 在 2θ 15°和 20°附近有较弱的衍射峰, 这是
B-型晶体淀粉的 XRD波谱特征。豌豆淀粉是公认的
C-型晶体的代表, 在 2θ 5.6°附近有 B-型晶体的特征
峰, 在 2θ 23°附近表现为 A-型晶体的单峰。荸荠淀
粉 XRD波谱虽然与水稻淀粉相似, 在 2θ 18°附近有
明显的衍射峰, 但在 2θ 5.6°附近有一弱的衍射峰,
这是 B-型晶体的特征峰, 表明荸荠淀粉为 C-型淀粉,
但其中的 A-型晶体含量较高, 为 CA-型淀粉。葛根
淀粉 XRD 波谱虽然与马铃薯淀粉相似, 在 2θ 5.6°
有 B-型晶体的特征峰, 但在 2θ 22~24°附近为一宽
的衍射峰, 该衍射峰在 2θ 22°和 24°附近有两个肩峰,
表明葛根淀粉仍为 C-型晶体, 但其中的 B-型晶体含
量较多, 为 CB-型淀粉。无定形淀粉表现为弥散的宽
峰, 其峰值在 2θ 20°附近。淀粉 XRD波谱的 2θ 20°
附近的峰为直链淀粉与脂的无定形峰 [2], 该峰在水
稻、马铃薯、豌豆、荸荠和葛根淀粉中都存在, 但
峰强度变化较大, 反映直链淀粉和脂在不同淀粉中
含量不同。
2.2 淀粉的结晶度
应用 Jade 5.0 分析软件, 对不同植物来源的淀
粉结晶度的计算见表 1。按照图 1 所示的 Nara 和
Komiya 建立的曲线作图方法计算出来的相对结晶

图 2 淀粉 XRD波谱
Fig. 2 XRD spectra of starches
Amorphous: 无定形; Kudzu: 葛根; Pea: 豌豆; Potato: 马铃薯;
Rice: 水稻; Water chesnut: 荸荠。
694 作 物 学 报 第 38卷

表 1 淀粉 XRD波谱数据和相对结晶度
Table 1 XRD data and relative crystallinity of starches
结晶峰衍射角 Diffraction peaks at 2θ value (°) 相对结晶度 Relative crystallinity试验材料
Plant material 5.6 15 17 18 20 22 23 24
晶体类型
Crystal pattern A (%) a) B (%) b)
水稻 Rice – 15.1 17.1 18.1 19.9 – 23.1 – A–type 50.6 23.3
荸荠 Water chestnut 5.6 15.0 17.0 17.9 19.9 – 22.9 – CA–type 38.9 29.2
豌豆 Pea 5.6 15.1 17.1 – 20.0 – 23.0 – C–type 42.6 20.0
葛根 Kudzu 5.6 15.1 17.0 – 19.6 22.3 c) 23.1 23.9 c) CB–type 34.4 29.8
马铃薯 Potato 5.5 14.8 17.0 – 19.6 22.0 – 24.0 B–type 53.6 25.6
a) Jade 5.0软件分析的相对结晶度; b) 曲线作图方法计算的相对结晶度; c) 肩峰的 2θ值
a) Relative crystallinity obtained from Jade 5.0; b) Relative crystallinity obtained from the curve mapping method; c) the 2θ value of the
shoulder peak

度见表 1。比较这两种方法计算出来的结晶度, Jade
5.0 分析软件计算出来的结晶度显著大于曲线作图
法计算出来的结果, 两者相差较大, 并且没有相关
性。
2.3 不同类型淀粉的 13C CP/MAS NMR波谱
无定形淀粉和不同植物来源的淀粉的 13C
CP/MAS NMR波谱见图 3, 它们的化学位移见表 2。
淀粉的NMR图谱轮廓存在相似之处, 都产生 4个主
要的信号强度区域, 分别为 C1、C4、C2, 3, 5和 C6
区域, 它们的主要区别在C1区域。无定形淀粉的 13C
CP/MAS NMR 波谱在 103.0×10–6附近有 1 个波峰,
这是葡萄糖 C1 区域的无定形峰, 与直链淀粉和脂
含量有关。糯玉米淀粉在 C1 区域的 99.5×10–6、
100.4×10–6和 101.5×10–6处有 3个典型的结晶峰, 在
102.6×10–6处有一弱的肩峰(无定形峰)。普通玉米淀
粉在 C1 区域的 99.4、100.4 和 101.5×10–6处也有 3
个典型的结晶峰, 但 102.9×10–6 处的无定形峰变得
非常明显, 表明此峰与淀粉中直链淀粉含量有一定
的关系。马铃薯淀粉在 C1 区域的 100.0×10–6 和
100.9×10–6处有 2个典型的结晶峰, 在 102.6×10–6处
有一个无定形峰。高直链抗性淀粉转基因水稻 TRS
淀粉在 C1 区域的 100.0×10–6、 100.8×10–6 和
101.4×10–6 处有 3 个不明显的结晶峰 , 而在
102.9×10–6处有一个显著的无定形峰。酸水解 1 d的
TRS淀粉在 C1区域的 100.0×10–6和 101.0×10–6处有
2个典型的结晶峰, 在 102.9×10–6处有一个无定形峰,
但此峰的强度比天然的 TRS淀粉显著降低。
2.4 淀粉 13C CP/MAS NMR波谱拟合和结晶度
与双螺旋含量的计算
利用 PeakFit 4.12 分析软件对水稻无定形淀粉
和酸解 1 d的 TRS淀粉的 13C CP/MAS NMR波谱进
行峰拟合, 结果见图 4。利用拟合的波谱图中各峰的
面积 , 计算淀粉的相对结晶度和双螺旋含量。13C
CP/MAS NMR 波谱计算出来的酸解淀粉的相对双
螺旋含量为 43.5%, 结晶度为 39.8%, 而 XRD 波谱
曲线作图方法计算出来的结晶度却只有 29.5%。

表 2 淀粉 13C CP/MAS NMR波谱化学位移
Table 2 13C CP/MAS NMR chemical shifts of starches
化学位移 Chemical shifts (×10–6) 试验材料
Plant material C1 C4 C2, 3, 5 C6
糯玉米
Waxy maize
102.6 a)
101.5
100.4
99.5
82.2 75.9
72.5
62.1
普通玉米
Normal maize
102.9 a)
101.5
100.4
99.4
81.9 72.4 62.0
高直链水稻
High-amylose rice
(TRS)
102.9 a)
101.4
100.8
100.0
81.8 72.4 61.8
酸水解高直链水稻
Acid-modified TRS
102.9 a)
101.0
100.0
81.8 75.3
72.4
61.9
马铃薯
Potato
102.6 a)
100.9
100.0
82.1 72.5 61.9
无定形淀粉
Amorphous
(gelatinized)
103.1 a) 82.1 72.5 61.5
a): C1无定形淀粉峰。
a): the peak could arise from the amorphous domains for C1.

3 讨论
A-型晶体淀粉的 XRD 波谱特征峰在 2θ 15°、
17°、18°和 23°附近有强的衍射峰, 其中 17°和 18°
附近的衍射峰为相连的双峰; B-型晶体淀粉在 2θ
5.6°、17°、22°和 24°附近有较强的衍射峰[2]。C-型
淀粉被认为由 A-型和 B-型晶体组成, 显示了 A-型
和 B-型晶体的综合, 与 A-型晶体相比, 在 2θ 5.6°附
近有一个中强峰; 与 B-型晶体相比, 在 2θ 23°附近
第 4期 满建民等: 作物淀粉晶体结构的波谱分析 695



图 3 淀粉 13C CP/MAS NMR波谱
Fig. 3 13C CP/MAS NMR spectra of starches
Acid-modified TRS: 酸解 TRS; Amorphous: 无定形; Normal maize: 普通玉米; Potato: 马铃薯;
TRS (transgenic resistant starch rice line): 转基因高直链抗性淀粉水稻; Waxy maize: 糯玉米。


图 4 无定形淀粉和酸解 1 d的 TRS淀粉的 13C CP/MAS NMR
波谱拟合峰图
Fig. 4 Fitted peak profiles to the 13C CP/MAS NMR spectra
for amorphous starch and acid-modified TRS starches for 1 d
Acid-modified TRS: 酸解 TRS; amorphous: 无定形; TRS (trans-
genic resistant starch rice line): 转基因高直链抗性淀粉水稻。
显示的是一个单峰, 取代 22°和 24°附近的两个衍射
峰[2-3]。由于 C-型淀粉中 A-型和 B-型晶体含量的差
异, 有些 C-型淀粉 XRD波谱更类似于 A-型或 B-型
淀粉, 分别被称为 CA-型和 CB-型淀粉[3]。人们对 A-
型和 B-型淀粉研究得较多, 而对 C-型晶体淀粉研究
的相对较少, 尤其是 CA-型和 CB-型晶体淀粉报道较
少。本文对不同晶体类型的淀粉进行XRD波谱比较,
作为禾谷类作物的代表水稻淀粉表现典型的 A-型
晶体, 块根类作物的代表马铃薯淀粉表现为典型的
B-型晶体, 而豌豆淀粉是 C-型晶体的代表, 它们的
波谱特征与前人报道相一致[2]。荸荠淀粉在 2θ 18°
附近有明显的衍射峰, 而在 2θ 5.6°附近也有弱的 B-
型晶体的特征峰, 表明荸荠淀粉为 C-型淀粉, 以 A-
型晶体为主, 与尹志华等[11]报道的结果相一致。葛
根淀粉在 2θ 5.6°附近有 B-型晶体的特征峰, 在 2θ
22°~24°区域有一宽峰 , 该宽峰有两个明显的肩峰 ,
表明该淀粉为 C-型淀粉, 但以 B-型晶体为主。Hung
和 Morita[12]报道不同来源地的葛根淀粉晶体类型不
同, 分别有 A-型、CA-型、C-型和 CB-型。淀粉 XRD
696 作 物 学 报 第 38卷

波谱 2θ 20°附近的峰为直链淀粉与脂的无定形峰,
本文的无定形淀粉的峰值在 2θ 20°附近, 其余区域
没有明显的衍射峰, 也说明了此峰为无定形峰。不
同来源的淀粉在 2θ 20°附近的峰强度差异较大, 说
明淀粉植物来源不同, 其直链淀粉和脂的含量也不
同。根据 2θ 20°附近的峰强度, 可以推测本文所测试
的豌豆和荸荠淀粉直链淀粉和脂含量较低, 而马铃
薯和葛根淀粉直链淀粉和脂含量较高。
天然淀粉 13C CP/MAS NMR波谱基本相似, 包
括 C1、C4、C2, 3, 5 和 C6 区域, 区别主要表现在
C1区域[6-8]。A-型淀粉在 C1区域表现为特有的 3个
结晶峰特征, 这主要是其螺旋对称排列中的 3 个葡
萄糖残基所致; B-型淀粉则由于其对称排列中的 2
个葡萄糖残基形成了特有的 2个结晶峰特征。C-型
淀粉因其含有的A-型和B-型晶体不同, C1区域可以
表现为双峰结晶峰, 也可以表现为 3 峰结晶峰。如
果 A-型晶体含量较多, C1 区域表现为 3 峰结晶峰;
如果 B-型晶体含量较多, C1区域则表现为双峰结晶
峰[6-8]。本文的糯玉米和普通玉米淀粉为典型的 A-
型晶体, C1区域表现为 3个结晶峰; 而马铃薯为 B-
型晶体, C1 区域表现为双峰结晶峰, 这与文献报道
相一致[6-8]。TRS来源于水稻品种特青, 通过双反义
RNA 技术抑制淀粉分支酶获得的转基因水稻, 其籽
粒富含高直链淀粉和抗性淀粉, 分离的 TRS 淀粉表
现为 C-型晶体[8,13]。本文的结果表明, TRS淀粉 13C
CP/MAS NMR波谱 C1区域表现不明显的 3峰结晶
峰特征, 表明 TRS C-型淀粉中以 A-型晶体为主。酸
水解 TRS 淀粉, C-型淀粉经 CB-型转变为 B-型晶
体[3,8]。本文的结果表明, 酸解 CB-型晶体 C1区域为
双峰结晶峰。无定形淀粉在 C1区域没有结晶峰, 而
在 103×10–6附近有峰, 该峰为 C1 区域的无定形峰,
该峰的强弱与直链淀粉含量有一定的关系[7]。如糯
玉米淀粉无定形峰强度较弱, 而普通玉米和马铃薯
淀粉 C1 区域的无定形峰强度明显增加。TRS 淀粉
C1区域的无定形峰强度比结晶峰高, 而酸解的 TRS
淀粉无定形峰强度降低, 这与酸水解首先降解直链
淀粉相一致。
淀粉结晶度是表征淀粉颗粒结晶性质的一个重
要参数 , 其大小直接影响着淀粉的理化性质和应
用。目前文献报道, XRD 是测定淀粉颗粒结晶度最
常用的方法之一[2]。Jade 5.0软件是 XRD配套的分
析软件, 该软件可对 XRD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, 但主要应用范围一般是
无机物, 而对于有机物, 尤其像淀粉类的多晶体系,
该软件分析结果可靠性较差。尽管如此, 国内许多
研究者仍利用此软件来分析淀粉的结晶度。国外文
献一般采用 Nara和 Komiya提出的曲线作图法来计
算结晶度(图 1)。本文应用 Jade分析软件和 Nara和
Komiya 曲线作图法分别计算了不同来源的淀粉相
对结晶度, 两种方法计算出来的结果不仅差别较大,
而且没有相关性。Jade 5.0软件采用峰拟合法, 软件
对淀粉无定形峰和结晶峰进行多次拟合, 直到拟合
峰图不再改变。尽管峰拟合曲线通过XRD波谱基线,
表面上看峰拟合效果较好, 但无定形峰曲线并未通
过结晶峰的底部, 而是明显低于结晶峰的底部, 这
样就造成结晶区的面积增加 , 导致结晶度显著增
加。虽然利用 Jade分析软件计算淀粉结晶度较简单
方便, 但软件拟合的无定形峰明显与淀粉结晶度规
定的无定形峰(通过结晶峰的底部和非结晶峰的基
线)不一致, 此方法不适合测定淀粉 XRD 波谱的结
晶度。与 Jade 5.0软件相比, 曲线作图法虽然比较复
杂, 但计算出来的结晶度结果较好, 被国外研究者
广泛采用[4-5,14-15]。利用 13C CP/MAS NMR波谱也能
计算结晶度, 与 XRD相比, 13C CP/MAS NMR测定
的是淀粉的短程有序, 而XRD测定的是淀粉的长程
有序, 部分短程有序能被 13C CP/MAS NMR 测定,
而XRD不能测定, 因此 13C CP/MAS NMR测定的结
晶度比 XRD高[7], 本文的结果也支持这一结论。13C
CP/MAS NMR 波谱也能计算淀粉双螺旋含量。
Bogracheva 等[9]提出了计算淀粉双螺旋含量的定量
分析方法, 即 C4-PPA法。这种方法首先假设天然淀
粉的 NMR 图谱是由无定形区与淀粉双螺旋排列形
成的结晶区构成的, 制备无定形淀粉并得到无定形
淀粉的 NMR图谱, 在天然淀粉的 NMR图谱中减去
无定形区得到结晶区, 通过无定形区、结晶区相对
于天然淀粉的面积比例, 进而计算双螺旋结构的相
对含量。由于直链淀粉也能相互形成双螺旋, 因此
用这种方法计算出来的双螺旋含量比结晶度高。本
文对酸解 TRS淀粉双螺旋含量、结晶度等的测定结
果与文献报道相一致[7]。
淀粉是由直链淀粉和支链淀粉组成的半晶体结
构, 其中直链淀粉和支链淀粉所占比例及支链淀粉
的精细结构决定淀粉特性, 进而决定淀粉的品质和
用途[16]。支链淀粉分子的分支形式影响淀粉的结晶
和晶体形式, 支链淀粉平均链长与淀粉晶体类型密
第 4期 满建民等: 作物淀粉晶体结构的波谱分析 697


切相关, 短链(20 个葡萄糖单位)形成 A-型晶体, 长
链(35个葡萄糖单位)形成 B-型晶体, 中等长度链(25
个葡萄糖单位)形成 C-型晶体[1-2]。直链淀粉含量与
淀粉结晶度呈负相关性, 淀粉分子中的直链淀粉和
支链淀粉中的短链部分形成双螺旋结构 [1-2]。XRD
和 13C CP/MAS NMR波谱分析技术不仅可以定性鉴
别淀粉的晶体类型, 而且还可以定量研究淀粉的结
晶度和双螺旋含量, 为作物品质改良的育种工作提
供重要的淀粉品质分析手段。淀粉在加工过程中经
常涉及淀粉的水解和糊化 , XRD 和 13C CP/MAS
NMR 波谱分析技术被广泛应用于淀粉加工过程研
究。如 Wang 等 [17]研究天然淀粉和酸水解淀粉的
XRD和 13C CP/MAS NMR波谱表明, 无定形区比结
晶区更容易水解, 在 C-型淀粉粒水解过程中 B-型晶
体的含量比 A-型晶体下降得 玥快。李 等[18]利用 XRD
测定大米糊化过程各个阶段的结晶度, 进一步验证
了淀粉的结晶结构在糊化过程中的损失。Wei 等[19]
利用 XRD研究高直链淀粉水稻 TRS C-型淀粉在糊
化过程中的晶体变化发现, 随着温度的升高, C-型
淀粉逐渐转变为 B-型淀粉, 在 95℃变成无定形淀
粉。因此, XRD和 13C CP/MAS NMR波谱分析技术
也可以研究淀粉在加工过程中的结晶度、双螺旋结
构和晶体的变化, 为淀粉的加工利用提供重要的参
考。
4 结论
利用 XRD和 13C CP/MAS NMR比较了不同来
源淀粉的波谱特征和相对结晶度。水稻、马铃薯和
豌豆淀粉分别表现典型的 A-型、B-型和 C-型 XRD
波谱, 荸荠淀粉则表现 CA-型波谱, 葛根淀粉为 CB-
型波谱。曲线作图法和 Jade 5.0 分析软件计算出来
的淀粉相对结晶度相差较大, 前者可信度较高。不
同来源淀粉的 13C CP/MAS NMR波谱相似, 区别主
要在 C1区域, A-型糯玉米和普通玉米淀粉 C1区域
有 3个结晶峰, B-型马铃薯淀粉 C1区域有 2个结晶
峰, CA-型 TRS淀粉 C1区域有不明显的 3个结晶峰,
而 CB-型酸解 TRS淀粉 C1区域有 2个结晶峰, 无定
形淀粉在 C1区域没有结晶峰。根据 NMR波谱, 利
用 PeakFit 4.12 峰拟合分析软件计算淀粉的相对双
螺旋含量比相对结晶度高, 依据 NMR 波谱计算的
结晶度比依据 XRD波谱计算的结晶度高。这些结果
为应用 XRD和 13C CP/MAS NMR技术分析作物淀
粉晶体结构提供了重要参考。
References
[1] Gallant D J, Bouchet B, Baldwin P M. Microscopy of starch:
evidence of a new level of granule organization. Carbohydr Po-
lym, 1997, 32: 177−191
[2] Cheetham N W H, Tao L. Variation in crystalline type with amy-
lose content in maize starch granules: an X-ray powder diffrac-
tion study. Carbohydr Polym, 1998, 36: 277−284
[3] Wei C X, Qin F L, Zhou W D, Yu H G, Xu B, Chen C, Zhu L J,
Wang Y P, Gu M H, Liu Q Q. Granule structure and distribution
of allomorphs in C-type high-amylose rice starch granule modi-
fied by antisense RNA inhibition of starch branching enzyme. J
Agric Food Chem, 2010, 58: 11946−11954
[4] Kang H J, Hwang I K, Kim K S, Choi H C. Comparative struc-
ture and physicochemical properties of Ilpumbyeo, a high-quality
japonica rice, and its mutant, Suweon 464. J Agric Food Chem,
2003, 51: 6598−6603
[5] Nara S, Komiya T. Studies on the relationship between wa-
ter-saturated state and crystallinity by the diffraction method for
moistened potato starch. Starch, 1983, 35: 407−410
[6] Cheetham N W H, Tao L. Solid state NMR studies on the struc-
tural and conformational properties of natural maize starches.
Carbohydr Polym, 1998, 36: 285−292
[7] Atichokudomchai N, Varavinit S, Chinachoti P. A study of
ordered structure in acid-modified tapioca starch by 13C CP/MAS
solid-state NMR. Carbohydr Polym, 2004, 58: 383−389
[8] Wei C X, Xu B, Qin F L, Yu H G, Chen C, Meng X L, Zhu L J,
Wang Y P, Gu M H, Liu Q Q. C-type starch from high-amylose
rice resistant starch granules modified by antisense RNA inhibi-
tion of starch branching enzyme. J Agric Food Chem, 2010, 58:
7383−7388
[9] Bogracheva T Y, Wang Y L, Hedley C L. The effect of water
content on the ordered/disordered structures in starches. Bio-
polymers, 2001, 58: 247−259
[10] Paris M, Bizot H, Emery J, Buzaré J Y, Buléon A. Crystallinity
and structuring role of water in native and recrystallized starches
by 13C CP-MAS NMR spectroscopy: 1. Spectral decomposition.
Carbohydr Polym, 1999, 39: 327−339
[11] Yin Z-H(尹志华), Wang L(汪兰), Tian B-Q(田斌强), Wu J(吴
佳), Xie B-J(谢笔钧). Physicochemical properties of Chinese
water chestnut starch. J Chin Cereal Oil Assoc (中国粮油学报),
2008, 23: 66−70 (in Chinese with English abstract)
[12] Hung P V, Morita N. Chemical compositions, fine structure and
physicochemical properties of kudzu (Pueraria labata) starches
from different regions. Food Chem, 2007, 105: 749−755
698 作 物 学 报 第 38卷

[13] Wei C X, Qin F L, Zhu L J, Zhou W D, Chen Y F, Wang Y P, Gu
M H, Liu Q Q. Microstructure and ultrastructure of high-amylose
rice resistant starch granules modified by antisense RNA inhibi-
tion of starch branching enzyme. J Agric Food Chem, 2010, 58:
1224−1232
[14] Sandhu K S, Lim S T. Structural characteristics and in vitro di-
gestibility of Mango kernel starches (Mangifera indica L.). Food
Chem, 2008, 107: 92−97
[15] Hughes T, Hoover R, Liu Q, Donner E, Chibbar R, Jaiswal S.
Composition, morphology, molecular structure, and physico-
chemical properties of starches from newly released chickpea
(Cicer arietinum L.) cultivars grown in Canada. Food Res Int,
2009, 42: 627−635
[16] Tian Z X, Qian Q, Liu Q Q, Yan M X, Liu X F, Yan C J, Liu G F,
Gao Z Y, Tang S Z, Zeng D L, Wang Y H, Yu J M, Gu M H, Li J
Y. Allelic diversities in rice starch biosynthesis lead to a diverse
array of rice eating and cooking qualities. Proc Natl Acad Sci
USA, 2009, 106: 21760−21765
[17] Wang S J, Yu J L, Zhu Q H, Yu J G, Jin F M. Granule structure
and allomorph position in C-type Chinese yam starch granule re-
vealed by SEM, 13C CP/MAS NMR and XRD. Food Hydrocol-
loid, 2009, 23: 426−433
[18] Li Y( 玥李 ), Zhong F(钟芳), Ma J-G(麻建国), Gu X-H(顾小红).
Spectra analysis on rice starches from different varieties during
pasting. Acta Polymer Sin (高分子学报), 2008, (7): 720−725 (in
Chinese with English abstract)
[19] Wei C X, Qin F L, Zhou W D, Xu B, Chen C, Chen Y F, Wang Y P,
Gu M H, Liu Q Q. Comparison of the crystalline properties and
structural changes of starches from high-amylose transgenic rice and
its its wild type during heating. Food Chem, 2011, 128: 645−652