Основное направление работ, относящихся к выяснению состава и структуры крахмала, заключалось в установлении типа связи глюкозных единиц в полимерной молекуле крахмала и в определении соотношения и структуры фракций крахмала.

Почти 150 лет прошло с тех пор, как было установлено, что глюкоза образуется из крахмала в результате гидролитической реакции, и более 100 лет — со времени получения мальтозы как промежуточного продукта гидролиза крахмала.

Изучению физико-химических свойств крахмала и, в первую очередь, выяснению структуры этого полимера посвящено большое количество работ, продолжающихся и в настоящее время [1 — 90].

Фракционирование крахмала

Многие свойства высокополимерных соединений, в том числе и крахмала, связаны с их полидисперсностью, причиной которой является, во-первых, наличие молекул различной длины и, во-вторых, агрегатов различного размера.

Исследование полидисперсности высокомолекулярных соединении возможно лишь при их фракционировании. Для фракционирования полимера, в данном случае крахмала, на его составные части — амилозу и амилопектин — могут быть применимы методы, химически не изменяющие крахмальных зерен, т. е. не затрагивающие связи главных валентностей.

Провести тщательное фракционирование крахмала — далеко не простая задача.

Исследователи применяли различные методы фракционирования.

Так, Гатин-Грушевская [12] фракционировала крахмал 1%-ным раствором щелочи, а также обработкой углекислыми солями.

Самец и другие исследователи обрабатывали крахмал водой при температуре 120—140°С; при этом наблюдалось постепенное гомогенное растворение крахмала.

Самец [1] проводил также фракционирование крахмала путем электродиализа 2—3%-ного раствора картофельного крахмала, приготовленного при 120°С в течение 30 минут. В результате электродиализа происходило расслаивание раствора. В верхнем слое (у катода) находилась растворимая фракция—амилоза, а в нижнем (у анода) основная часть крахмала—амилопектин.

Не останавливаясь на других методах фракционирования крахмала, основанных на действии различных химических агентов (щелочи, хлористого цинка, кислот, глицерина), укажем, что эти и другие вещества оказывают деградирующее действие и, следовательно, не могут считаться приемлемыми для полноценного фракционирования крахмала.

Различная растворимость фракций крахмала в воде позволяет проводить фракционирование крахмала путем обработки его при 60°С в течение нескольких часов (метод Мейера). При этом зерна крахмала набухают, но их оболочка не разрушается, вследствие чего происходит изолирование высокополимерной фракции от раствора низкополимерной фракции, которая диффундирует в водорастворимой форме.

Раствор освобождают от набухших зерен осаждением или центрифугированием.

Возможно также фракционирование, основанное на способности амилозы давать нерастворимые комплексы с высшими спиртами. Так, Шох [13] после охлаждения раствора крахмала, разваренного при 109°С, добавлял бутанол или изоамиловый спирт, что приводило к выпадению растворимой фракции из раствора. Бутанол или изоамиловый спирт удалялись этанолом и абсолютным эфиром.

Физико-химические различия двух основных фракций крахмала — амилозы и амилопектина объясняются, как мы увидим далее, различием их структуры.

Основным в изучении химической структуры крахмала является определение средней степени полимеризации основных фракций и выяснение разветвленное цепей молекул крахмала. Рассмотрим основные физико-химические свойства фракций крахмала.

Свойства фракций крахмала

Самец показал, что низкополимерная фракция крахмала — амилоза, в отличие от высокополимерной фракции — амилопектина, не содержит фосфора. Амилоза, в свою очередь, разделима на фракции, обладающие различной растворимостью в воде. Необходимо отметить, что с повышением чистоты фракций уменьшается растворимость их в воде. Амилоза в воде образует лишь разбавленные растворы, так уже 1%-ный раствор ее является насыщенным.

При длительном стоянии раствор амилозы постепенно коагулирует и амилоза выпадает в виде хлопьев. Выпавший осадок может быть снова растворен только в щелочной среде.

Выпадение амилозы из раствора в осадок называется ретроградацией. Керр [14, 49, 158] считает, что явление ретроградации наступает при оптимальной длине цепочек около 150 глюкозных единиц.

Следует также указать, что растворимость амилозы уменьшается при хранении ее во влажном состоянии.

Мейер [4, 15, 27] указывает, что амилоза, находящаяся в крахмале, более растворима, чем выделенная в чистом виде.

Выделенная амилоза растворима гораздо хуже амилопектина, хотя, как известно, и обладает значительно меньшим молекулярным весом. Амилопектин образует растворы 5%-ной и выше концентрации, в то время как амилоза дает растворы, концентрация которых не превышает 1%.

Слабая растворимость амилозы объясняется упорядоченной линейной структурой ее молекул, благодаря чему возможна более компактная упаковка ее цепи, чем разветвленных цепочек амилопектина.

Этим же объясняется лучшая растворимость нефракционированной амилозы по сравнению с фракционированной.

Разветвленность молекулы амилопектина исключает возможность образования прочной, компактной структуры, в связи с чем амилопектин растворим в воде лучше амилозы.

При взаимодействии амилозы со щелочами образуются солеподобные соединения, хорошо растворимые в воде.

Мейер указывает, что в чистой амилозе одна альдегидная группа приходится на 200, а в амилопектине—на 2000 глюкозных остатков.

При изучении химических свойств крахмала и его фракций часто применяется метод метилирования или ацетилирования. Ацетаты крахмала могут быть получены без деградации при действии уксусного ангидрида в пиридине. При этом сравнительно легко могут быть получены триацетаты крахмала и его фракций.

Триацетаты крахмала, и в особенности триацетиламилоза, образуют после удаления растворителей твердые эластичные пленки, весьма похожие на пленки ацетил- или метилпроизводных целлюлозы.

После полного удаления амилозы остается основная часть крахмала (до 95%), которая в зависимости от принятого способа обработки может находиться или в форме сильно набухших зерен, или в виде осадка (при электродиализе).

Исследования молекулярного веса амилозы и амилопектина показали, что молекулярные веса амилопектина, найденные, например, методом измерения осмотического давления, всегда больше, чем определенные по восстановительной способности, в то время как для амилозы оба метода дают одно и то же значение молекулярного веса.

Таким образом, определяя молекулярные веса этими двумя методами — чисто химическим (определение конечных групп) и физическим (определение осмотического давления), мы сможем выяснить различие между фракциями крахмала.

Следует отметить, что полного разделения амилозы и амилопектина весьма трудно достигнуть.

Амилоза, как известно, дает с йодом чистую синюю окраску, а амилопектин — сине-фиолетовую. Амилоза полностью осахаривается амилазой солода, в то время как амилопектин осахаривается до так называемых предельных декстринов.

В настоящее время наиболее правильной признана теория Мейера, который вместе с сотрудниками в ряде работ развил теорию структуры крахмала, основанную на признании химического различия его компонентов. Им были установлены различия в количестве тетраметилглюкозы, получаемой из амилозной и амилопектиновой фракции крахмала. Из первой фракции было получено 0,4% тетраметилглюкозы, а из второй — 3,7%, что указывает на различие в структуре этих фракций. На основе полученных данных Мейер утверждает, что амилоза вовсе не разветвлена и состоит исключительно из остатков мальтозы, связанных 1 — 4 глюкозидной связью.

Это подтверждается, с одной стороны, почти полным превращением ее в мальтозу под действием амилазы, с другой — низким выходом тетраметилглюкозы, полученной после метилирования и гидролиза, что свидетельствует о наличии в молекуле амилозной фракции одной конечной группы.

Проведя экстракцию кукурузного крахмала горячей водой, Мейер на основе данных фракционирования водорастворимой фракции подтвердил высказанную ранее точку зрения о том, что амилоза является смесью серии гомологов. Изучая остаток от водной экстракции, представляющий собой амилопектиновую фракцию крахмала, Мейер нашел, что она при обработке ферментом дает более низкий выход мальтозы и значительно более высокий выход тетраметилглюкозы на молекулу и обладает большим молекулярным весом по сравнению с амилозой.

Все эти данные говорят о том, что разветвленная структура, предположенная для молекулы крахмала многими исследователями, может быть отнесена только к этой фракции, причем разветвление амилопектина проходит через 1 — 6 глюкозидную связь. Дальнейшее фракционирование амилопектиновой фракции дает амилопектины с различным молекулярным весом, но не во всех случаях Мейер предполагает один и хот же тип разветвления.

В противоположность прежнему представлению о том, что молекула амилопектина представляет собой центральную цепь с относительно длинными боковыми ветвями, Мейер предполагает сильно разветвленную структуру амилопектина (рис. 1). По его мнению, в крахмале существует только два структурных типа: разветвленный определенным образом в амилопектине и линейный — для амилозы.

Рис. 1. Структура крахмала:

а — поперечный разрез;

б — расположение кристаллических областей

Касаясь пространственной ориентации молекул крахмальных компонентов, можно отметить, что химические и физические свойства крахмала указывают на изогнутость цепи, которая приводит к спиральной форме молекулы амилозы.

Структура крахмала изображена на рис. 2.

Мейер пришел к выводу, что кристаллические мицеллы амилозы в зерне располагаются в аморфной области, образованной разветвленными цепями амилопектина. Разветвленные цепи связывают кристаллиты амилозы в сетчатую трехмерную структуру. Образующие сетку связи являются связями вторичной валентности, идентичными связям, образующим кристаллическую решетку амилозы.

Такова основная теория структуры крахмала Мейера, признаваемая в настоящее время наиболее вероятной. Однако необходимо отметить, что не все ее положения бесспорны. В последнее время Керр с сотрудниками провел ряд работ, воспользовавшись новым методом, основанным на том, что бутанол действует более избирательно при осаждении амилозной фракции, нежели низшие спирты, употреблявшиеся ранее. Было установлено, что при помощи этого метода можно легко полностью отделить линейные и разветвленные фракции крахмала.

Применяя этот метод, Керр выделил и исследовал кристаллическую амилозу кукурузного и картофельного крахмала. Он нашел, что, хотя та и другая амилозы обладают одинаковой растворимостью, все же между ними есть некоторые отличия. Картофельная амилоза в отличие от кукурузной имеет больший молекулярный вес, более устойчива в водном растворе и ретроградирует из раствора после обработки В-амилазой.

На этом основании Керр допускает, что даже самая простейшая структура в крахмале картофеля не полностью линейна, а содержит небольшое количество разветвлений. Конфигурация ее может быть представлена в виде буквы V или вилообразной единицы с точкой разветвления, близко примыкайющей к альдозной группе.

Рис. 2. Схема структуры крахмала:

а - целлюлоза,

б - крахмал (заштрихованы атомы кислорода)

Керр исследовал также различия между субфракциями компонентов кукурузного крахмала, каждый из которых был фракционирова на 3 части.

На основании измерения вязкости растворов субфракции он прише к заключению, что ни одна из двух главных фракций крахмала (ни амилозная, ни амилопектиновая) не гомогенна в отношении структуры составляющих ее компонентов. Амилозная фракция состоит из неразветвленных молекул, по его мнению, лишь частично. Другая часть этой фракции в некоторой мере разветвлена таким образом, что в не имеются длинные неразветвленные участки. В амилопектиновой фракции встречается, с одной стороны, сложно разветвленная структура с относительно короткими боковыми ветвями, с другой — менее разветвленные, но сильно вытянутые молекулы. Это представление значительно отличается от взгляда Мейера.

Кроме углеводной части, в естественных крахмалах содержится небольшое количество фосфатов, кремния, азотистых и других минеральных веществ и жирных кислот.

Исследователи, определявшие содержание фосфора в картофельном крахмале, нашли, что он неравномерно распределен в компонентах крахмала и в амилопектиновой фракции его содержится гораздо больше, чем в амилозной. В кукурузном крахмале этого не наблюдалось.

Самец, исследуя картофельный крахмал, высказал мнение, что различие между амилопектином и амилозой может быть объяснено наличием в амилопектине этерифицированного фосфата.

Это объяснение он распространил на крахмал пшеницы и другие крахмалы, что не нашло, однако, подтверждения в дальнейших работах. Наоборот, ряд исследований показал, что характер связи фосфата в картофельном крахмале иной, чем в пшеничном.

В последнее время появились работы [55], в которых показано, что молекулы амилозы ряда растений не являются строго линейными, а содержат некоторое количество слабоветвистых молекул.

Степаненко и Афанасьева [23] установили, что даже в кристаллической амилозе картофеля имеются точки ветвления (одна на 2—5 молекул) .

Самец указывает, что в крахмальном зерне имеется и свободная от фосфора часть, представляющая собой углеводный комплекс высшего порядка. Удаление фосфора должно сопровождаться разрушением мицелл крахмала.

Комплекс высокомолекулярного углевода с СОРО₃Н-группами в отличие от полисахаридов, свободных от фосфорной кислоты, обладает также способностью ионной гидратации, что и обусловливает студенистый характер амилопектина.

Назаров [6, 7, 63] считает, что вряд ли фосфор связан только в поверхностном слое (оболочке). Данное утверждение согласуется с мнением Самеца, указывающего, что, введя в амилозу фосфорную кислоту, можно получить амилопектин.

В последнее время были разработаны методы определения альдегидных групп, основанные на окислении полисахаридов солями йодной кислоты.

В результате действия йодной кислоты происходит разрыв цепочки между вторым и третьим углеродными атомами, приводящий к образованию муравьиной кислоты, определение которой не представляет затруднения.

В результате окисления других звеньев образования муравьиной , кислоты не происходит.

Таким образом, в амилозе глюкозные остатки связаны 1 — 4 связью.

После метилирования молекулярный вес амилозы оказался равным 40000, что соответствует 250 глюкозным остаткам (40000:160 = 250).

Так как 4 свободных гидроксила приходятся только на одну из 250 глюкозных единиц и каждая молекула содержит 250 глюкозных единиц, то, следовательно, амилозу нельзя считать разветвленным полисахаридом.

Из структурной формулы амилозы следует, что каждый участок глюкозы содержит три свободных гидроксильных группы: у второго, третьего и шестого углеродных атомов.

Высокий молекулярный вес амилопектина (более 300 000) и его слабая восстановительная способность по отношению к щелочным растворам серебра или меди показывают, что амшюпектин обладает гигантскими разветвленными молекулами, содержащими до 2000 остатков. Метод метилирования показал, что разветвление проходит в среднем через каждые 25 глюкозных единиц.

Необходимо отметить, что амилопектин зерновых крахмалов не содержит химически связанной фосфорной кислоты. Амилопектин картофельного крахмала содержит небольшое количество фосфорной кислоты, связанной у шестого гидроксила в виде фосфорного эфира.

Рентгенографические исследования крахмала

Рентгенографические исследования крахмала показали, что крахмальное зерно состоит из концентрических слоев, представляющих собой радиально расположенные кристаллические мицеллы. Размеры кристаллитов не превышают 100 А (ангстрем).

Цепи главных валентностей крахмала в отдельных местах упорядочены в пространстве путем соединения друг с другом при помощи водородной связи, или с помощью фосфорной кислоты.

Если крахмал максимально (почти на 100%) обезводить, то рентгенограмма кристаллического спектра его приобретет нерезкий характер. После гигроскопического поглощения воды первоначальный спектр восстанавливается. Эти исследования показывают, что крахмал содержит кристаллизационную воду.

Подробные исследования рентгенограмм крахмала проведены Катцом [52].

Полученные им рентгенограммы обладали небольшим количеством дебаевских колец (не более семи) и давали возможность эмпирически классифицировать крахмалы различного происхождения.

В нативных крахмальных зернах обнаружены 2 основных типа кристаллов, получивших обозначения:

А — для зерновых крахмалов,
B — для клубневых.
Промежуточные типы были названы С-модификациями.

При осаждении крахмальных клейстеров спиртами характер рентгенограммы изменяется, молекулы крахмала располагаются более симметрично.

Рентгенограммы крахмала, осажденного спиртом, названы V-модификацией.

Рентгенограммы крахмала видоизменяются в зависимости от его влажности.

При кристаллизации водных крахмальных клейстеров любого крахмала типы кристаллов А, В и С могут быть легко получены в результате изменения температуры.

Бейер [53], исходя из образования трех-четырех интенсивных диф-фракционных максимумов, пришел к выводу, что в А- и В- модифика циях, которые характерны для гранулярного, или ретроградированного крахмала, цепочки расположены линейно, а V-модификация образует спиральную упаковку.

Рентгенограммы йодкрахмального комплекса были весьма похожи на V-модификации. Бейер после работ Шоха [13] показал, что сухой препарат амилозы, осажденной бутанолом, образует диффракционные кольца V-модификации,

Это послужило основанием полагать, что данные модификации присущи исключительно амилозе.

Позднее Шох и Керр получили после осаждения бутанолом настоящие кристаллы амилозы.

Образование отдельных кристаллических участков зависит от содержания амилозы в крахмале, и, следовательно, различие между А-и В-модификациями соответствующих крахмалов объясняется различным содержанием амилозы.

Образование В- и V-модификации амилозы может быть объяснено тем, что амилоза может существовать в состояниях с двумя различными уровнями энергии.

За счет образования водородных мостиков между гидроксилами линейная структура молекулы амилозы обладает способностью к соединению как с другими молекулами амилозы, так и с амилопектином, что приводит к образованию мицелл. Керр считает, что это состояние может быть названо состоянием с внешним насыщением молекулярных сил, а спиральную конфигурацию следует определить как состояние с внутренним молекулярным насыщением.

Клейстеризованный крахмал не образует заметной кристаллической структуры. В процессе ретроградации клейсгсра заметно меняется рентгенограмма. Методом рентгенографии было показано, что пшеничный крахмал ретроградирует значительно медленнее, чем картофельный.

Рентгенографические исследования показали также, что амилозе присуща кристаллическая структура, а амилопектину — аморфная. Следовательно, на основании рентгенографии установлено, что кристаллическая структура крахмала обусловлена амилозой.

Рентгенография крахмала с йодом показала, что амилоза обладает спиральной структурой. Спиральные цепи ее, образующие крахмальное зерно, вероятно, связываются между собой наподобие шнура.

Мейер считает, что кристаллические мицеллы амилозы располагаются в аморфной части, образованной разветвленными цепями амилопектина.

На основании изучения поглощения йода установлено, что клейстеризованный крахмал поглощает 26% его (по весу), что соответствует одной молекуле йода на шесть глюкозных остатков.

Рентгенографические определения внешнего диаметра спирали показали, что он равен 13 А (ангстрем), длина шага 7,5—8 А, т. е. шаг равен ширине глюкозного остатка. Эти исследования подтверждают спиральную структуру цепей комплекса из шести глюкозных остатков на шаг спирали. Рентгенограммы показывают также, что не только комплекс с йодом, но и сухая и влажная амилоза обладают спиральной структурой. Этими же методами исследования показано, что поведение звеньев цепей отличается от поведения цепей или их отдельных участков, т. е. при хаотическом расположении звеньев участки цепей могут быть ориентированы.

Примеси крахмала

Как отмечено выше, амилопектин составляет основную массу крахмала — до 80%.

Соотношение амилозы и амилопектина в крахмале различных культур не одинаково.

Содержание амилозы в %

Рис ....... 17
Кукуруза .... 21
Картофель ... 22
Пшеница .... 24

Пронин [3] указывает на непостоянство и неопределенность соотношения основных компонентов крахмала.

Различное содержание углеводов и качественная особенность крахмала некоторых злаковых культур подтверждаются также тем, что зубовидная кукуруза, имеющая 1% водорастворимых Сахаров, не содержит амилозы, а сахарная кукуруза, обладающая 24% водорастворимых Сахаров, содержит 21% амилозы. Просо, сорта Приморский край также не имеет амилозы, а просо Маньчжурия содержит 13% ее.

Довольно много работ было посвящено вопросу о влиянии примесей крахмала на его физико-химические свойства. Анализы показали, что крахмалы содержат заметное количество фосфатов, жирных кислот, кремния, азотистых веществ.

В картофельном и пшеничном крахмале, по данным Самеца, содержится наибольшее количество фосфатов. В кукурузном крахмале найдены жирные кислоты и аминокислоты. Наличие гидроксильных групп в крахмале не исключает образования эфиров с фосфорной кислотой и аминокислотами. Зерновые крахмалы, помимо полисахаридов, содержат небольшое количество жирных кислот, так, например, в кукурузном крахмале найдены пальмитиновая, олеиновая и линоленовая кислоты. Они не связаны с полисахаридом валентными связями и могут быть выделены соответствующими растворителями, но не исключено, что наличие глицеринфосфорной кислоты приводит к образованию эфиров жирных кислот.

Кроме фосфора и жиров, в крахмале обнаружены незначительные количества кремния и азотистых веществ (табл. 1).

Таблица 1

Компоненты	Картофельный	Пшеничный	Кукурузный	Рисовый
Р5О5	0,176	0,149	0,045	0,015
SiO2	0,287	0,265	—	0,243
СаО	0,058	0,042	0,024	0,014
Жиры	0,113	0,0483	0,61	0,83

Таким образом, в картофельном и пшеничном крахмалах в значительном количестве присутствует фосфор, а в кукурузном и рисовом — жир.

Самец, Керр и другие исследователи пришли к выводу, что кремний является примесью крахмала, так как он удаляется после обработки фтористоводородной кислотой.

Температура клейстеризации крахмалов различного происхождения неодинакова. Правильнее говорить не об определенной температуре клейстеризации, а о некотором температурном интервале, характеризующем это явление.

Так температура клейстеризации картофельного крахмала лежит в интервале 59—64°, ржаного 50—55°, рисового 65—73°, пшеничного 54— 62°, кукурузного 80°.

Работами Назарова и Николаева [89], применившими термографический метод для определения температуры клейстеризации, была точно определена температура клейстеризации различных крахмалов Эти исследования были проведены при помощи саморегистрирующего пирометра Курнакова с точностью 0,02°.

Электролиты оказывают сильное влияние на процесс клейстеризации. Так, 0,1 N раствор КС1 снижает температуру клейстеризации картофельного крахмала с 61,8 до 57,5°, а нормальный раствор - до 56°.

Щелочи оказывают еще большее влияние на понижение температуры клейстеризации.

Самец указывает, что крахмал образует со щелочами гидрофильные комплексы, что облегчает процесс клейстеризации.

Суммируя имеющиеся данные о составе и структуре крахмала, можно отметить следующие признанные в настоящее время положения:

крахмал состоит из глюкопиранозных единиц, соединенных между собой в молекулы разных типов, отличающиеся структурой и формой цепей;
тип структуры и формы молекул крахмала определяют различия между компонентами крахмала — его амилозной и амилопектиновой фракциями;
амилозная фракция крахмала объединяет главным образом линейные структуры, причем не исключена возможность, что часть молекул этой фракции слабо разветвлена в форме буквы V. Можно полагать. что молекулы этой фракции отличаются по длине, образуя серию гомологов;
амилопектиновая фракция крахмала является сильно разветвленной структурой, так что значительная часть молекул состоит из боковых ветвей структуры. Часть молекул этой фракции, возможно, представляет собой менее разветвленные, но сильно вытянутые структуры. Некоторые разветвленные типы молекул, например в картофельном крахмале, дополнительно усложнены присутствием этерифицированного фосфата;
линейные молекулы крахмала имеют относительно низкий молекулярный вес и содержат около 100 — 500 глюкопиранозных единиц. Эта фракция легко растворяется в воде и осаждается из раствора бутанолом. При действии диастаза непроросшего ячменя она полностью переходит в мальтозу;
разветвленные молекулы имеют большой молекулярный вес и могут содержать несколько тысяч глюкопиранозных единиц. Эта фракция нерастворима в холодной и теплой воде; она растворяется в воде лишь при нагреве до 120 — 125° и осаждается низшими спиртами. При действии диастаза непроросшего ячменя в мальтозу переходит на 60 — 65%.

Набухание крахмала и крахмалсодержащего сырья

Основные положения

Набуханием, как известно, называется процесс увеличения первоначального объема твердого высокополимерного соединения.

Продолжение на следующей странице...