阅读说明：本技术 一种基于顺磁掺杂的利用固体核磁共振技术检测淀粉有序结构的方法 (Method for detecting ordered structure of starch by using solid nuclear magnetic resonance technology based on paramagnetic doping ) 是由 吴迪 马红 汤晓智 于 2020-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及淀粉结构检测技术领域,尤其涉及一种基于顺磁掺杂的利用固体核磁共振技术检测淀粉有序结构的方法。本发明的方法包括以下步骤：将顺磁性铜盐水溶液与待测淀粉混合,得到淀粉分散液；将所述淀粉分散液进行真空冷冻干燥,得到顺磁掺杂的待测淀粉样品；利用<Sup>13</Sup>C交叉极化或<Sup>13</Sup>C直接激发魔角旋转固体核磁共振技术对所述顺磁掺杂的待测淀粉样品进行表征,得到待测淀粉的有序结构。采用本发明的方法可以降低淀粉样品的弛豫时间,进而大幅缩短谱图采集时间,更加直接、快速、定量地获取淀粉样品有序结构信息。(The invention relates to the technical field of starch structure detection, in particular to a method for detecting an ordered structure of starch by using a solid nuclear magnetic resonance technology based on paramagnetic doping. The method of the invention comprises the following steps: mixing a paramagnetic copper salt aqueous solution with starch to be detected to obtain a starch dispersion liquid; carrying out vacuum freeze drying on the starch dispersion liquid to obtain a paramagnetic doped starch sample to be detected; by using 13 C cross-polarized or 13 And C, directly exciting a magic angle rotating solid nuclear magnetic resonance technology to characterize the paramagnetic doped starch sample to be detected, so as to obtain the ordered structure of the starch to be detected. The method can reduce the relaxation time of the starch sample, further greatly shorten the spectrogram acquisition time, and more directly, quickly and quantitatively acquire the ordered structure information of the starch sample.)

一种基于顺磁掺杂的利用固体核磁共振技术检测淀粉有序结 构的方法

技术领域

本发明涉及淀粉结构检测技术领域，尤其涉及一种基于顺磁掺杂的利用固体核磁共振技术检测淀粉有序结构的方法。

背景技术

深入了解淀粉有序结构对于淀粉的物理化学性质以及淀粉基食品的加工和消化特性非常重要。

目前针对淀粉有序结构的表征手段非常有限，过去常采用的方法包括差示热分析和傅里叶变换红外光谱。采用差示热分析，由于淀粉熔化焓的存在导致淀粉在熔化、塑化、膨胀、溶解等复杂过程条件下无法定量获取样品结晶度信息；傅里叶变换红外信号对短程有序或者结晶度敏感度不足，因此目前主要采用X射线衍射和¹³C交叉极化魔角旋转固体核磁共振谱学这两种公认比较准确和可靠的表征手段来区分淀粉颗粒的结构信息。其中，针对短程有序结构研究的固体核磁共振技术已被证明是表征淀粉基材料分子有序结构的最佳手段。利用¹³C的交叉极化固体核磁共振技术定性、定量研究淀粉螺旋有序结构已经成为一种典型方法。该方法利用对弛豫时间较短的¹H进行观测，通过¹H和¹³C的交叉极化现象实现了对¹³C核化学环境的间接观测。但该方法在定量分析淀粉有序结构比例时，存在对于6种不同化学环境下碳核的极化转移效率的近似，并不能完全定量表征6种碳核的真实比例；若采用¹³C直接激发序列测试淀粉有序结构比例，又由于淀粉中¹³C核的弛豫时间极长，导致¹³C直接激发谱图的采集时间过长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于顺磁掺杂的利用固体核磁共振技术检测淀粉有序结构的方法，采用本发明的方法可以降低淀粉样品的弛豫时间，进而大幅缩短谱图采集时间，更加直接、快速、定量地获取淀粉样品有序结构信息。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于顺磁掺杂的利用固体核磁共振技术检测淀粉有序结构的方法，包括以下步骤：

将顺磁性铜盐水溶液与待测淀粉混合，得到淀粉分散液；

将所述淀粉分散液进行真空冷冻干燥，得到顺磁掺杂的待测淀粉样品；

利用¹³C交叉极化或¹³C直接激发魔角旋转固体核磁共振技术对所述顺磁掺杂的待测淀粉样品进行表征，得到待测淀粉的有序结构。

优选的，所述待测淀粉包括大米淀粉、玉米淀粉或马铃薯淀粉。

优选的，所述顺磁性铜盐水溶液中的顺磁性铜盐为硫酸铜或氯化铜。

优选的，所述顺磁性铜盐水溶液中铜离子的浓度为10mmol/L；所述待测淀粉与顺磁性铜盐水溶液的用量比为1g:(10～50)mL。

优选的，所述真空冷冻干燥的时间为24～72h。

优选的，所述真空冷冻干燥前，还包括将所述淀粉分散液采用液氮进行速冻。

优选的，所述速冻的时间为20s～2min。

优选的，所述混合在旋转混匀仪中进行，所述混合的时间为2～5h。

本发明提供了一种基于顺磁掺杂的利用固体核磁共振技术检测淀粉有序结构的方法，包括以下步骤：将顺磁性铜盐水溶液与待测淀粉混合，得到淀粉分散液；将所述淀粉分散液进行真空冷冻干燥，得到顺磁掺杂的待测淀粉样品；利用¹³C交叉极化或¹³C直接激发魔角旋转固体核磁共振技术对所述顺磁掺杂的待测淀粉样品进行表征，得到待测淀粉的有序结构。

本发明通过在淀粉样品中掺入顺磁性铜盐，在不破坏淀粉结构的前提下通过建立顺磁性铜盐与待测淀粉之间的自旋扩散，达到降低待测淀粉¹H和¹³C核纵向弛豫时间的目的，进而大幅缩短固体核磁共振谱图的采样时间，实现对待测淀粉有序结构的快速、定性、定量和无损检测。

采用本发明的方法将大幅降低¹³C直接激发魔角旋转固体核磁技术的采谱时间，在解决对碳氢极化转移效率的近似问题的前提下，极大程度上降低了样品的测试成本；本发明的方法还可将¹³C交叉极化魔角旋转固体核磁共振技术的采谱时间进一步缩短，上述采谱时间的缩短使得后续复杂核磁共振实验序列的应用成为可能。

附图说明

图1为直接激发方式下实施例1玉米淀粉顺磁掺杂前后¹³C固体核磁共振谱图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于顺磁掺杂的利用固体核磁共振技术检测淀粉有序结构的方法，包括以下步骤：

将顺磁性铜盐水溶液与待测淀粉混合，得到淀粉分散液；

将所述淀粉分散液进行真空冷冻干燥，得到顺磁掺杂的待测淀粉样品；

利用¹³C交叉极化或¹³C直接激发魔角旋转固体核磁共振技术对所述顺磁掺杂的待测淀粉样品进行表征，得到待测淀粉的有序结构。

本发明将顺磁性铜盐水溶液与待测淀粉混合，得到淀粉分散液。

在本发明中，所述顺磁性铜盐水溶液优选由顺磁性铜盐溶于去离子水得到。在本发明中，所述顺磁性铜盐优选为硫酸铜或氯化铜，当所述顺磁性铜盐存在结晶水合物时，本发明所述的顺磁性铜盐还包括其对应的水合物。在本发明中，所述顺磁性铜盐水溶液中铜离子的浓度优选为10mmol/L。

本发明对所述待测淀粉的种类没有特殊要求，本领域熟知的淀粉均可。在本发明中，所述待测淀粉优选包括小麦淀粉、玉米淀粉和马铃薯淀粉。

在本发明中，所述待测淀粉与顺磁性铜盐水溶液的用量比优选为1g:(10～50)mL，更优选为1g:(20～40)mL。

在本发明中，所述混合优选在旋转混匀仪中进行；所述混合的时间优选为2～5h，更优选为2.5～4h；所述混合的转速优选为50rpm。

得到淀粉分散液后，本发明将所述淀粉分散液进行真空冷冻干燥，得到顺磁掺杂的待测淀粉样品。

进行所述真空冷冻干燥前，本发明优选先将所述淀粉分散液采用液氮进行速冻。在本发明中，所述速冻的时间优选为20s～2min，更优选为30s～1.5min。速冻冻实后，本发明优选将冻实后的样品放到冰箱中-20℃进行存放，以备后续使用。

在本发明中，所述真空冷冻干燥时间优选为24～72h，更优选为30～70h，最优选为40～60h。本发明对所示真空冷冻干燥的温度没有特殊要求，采用本领域熟知的真空冷冻干燥温度即可。本发明利用真空冷冻干燥去除顺磁掺杂的待测淀粉样品中的水分而不破坏淀粉结构，保持淀粉分子处于玻璃态。

得到顺磁掺杂的待测淀粉样品后，本发明利用¹³C交叉极化或¹³C直接激发魔角旋转固体核磁共振技术对所述顺磁掺杂的待测淀粉样品进行表征，得到待测淀粉的有序结构。

本发明对¹³C交叉极化魔角旋转固体核磁共振技术以及13C直接激发魔角旋转固体核磁共振技术的表征过程没有特殊要求，采用本领域熟知的表征过程和表征条件即可，具体的可参考(A Method for Estimating the Nature a nd Relative Proportions ofAmorphous,Single,and Double-Helical Compon ents in Starch Granules by ¹³C CP/MAS NMR,Tan et al,Biomacromolecu les,2007,8,885-8)。在本发明的实施例中，所述表征的条件具体为：顺磁掺杂的待测淀粉样品经K₂CO₃过饱和溶液平衡水分含量后，装入4毫米氧化锆转子，测定样品¹H和¹³C核纵向驰豫时间(T1)，并用¹³C的交叉极化或¹³C直接激发魔角旋转序列对其有序结构进行分析(转速8kHz)。采集淀粉糊化后无定形模型的¹³C谱图，以84ppm处C4峰为参考“0”点调整谱图比例，随后通过对待测淀粉与其无定形样品进行差谱获取样品有序结构谱图，有序谱图中C1区域可以代表样品的双螺旋构象。通过对有序谱、无定形谱中C1区域峰面积的计算可以定量获取样品中螺旋有序结构之间的比例及结晶度。

本发明通过在淀粉样品中掺入顺磁性铜盐，在不破坏淀粉结构的前提下通过建立顺磁性铜盐与待测淀粉之间的自旋扩散，达到降低待测淀粉纵向弛豫时间的目的，进而大幅缩短固体核磁共振谱图的采样时间，实现对待测淀粉有序结构的快速、定性、定量和无损检测。

下面结合实施例对本发明提供的基于顺磁掺杂的利用固体核磁共振技术检测淀粉有序结构的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

精确称取五水硫酸铜固体0.025g，充分溶于10mL去离子水中，制成硫酸铜水溶液(浓度为10mmol/L)；

称取1.0g玉米淀粉样品，加入10mL硫酸铜水溶液，置于旋转混匀仪中旋转5h(转速为50rpm)，液氮速冻30s，然后放入-20℃冰箱冷冻3h，真空冷冻干燥37h，得到顺磁掺杂的待测淀粉样品；

利用魔角旋转固体核磁共振技术对所述顺磁掺杂的待测淀粉样品进行表征(表征条件为上述样品经K₂CO₃过饱和溶液平衡水分含量后，装入4毫米氧化锆转子，测定样品¹H和¹³C核纵向驰豫时间(T1)，并分别用¹³C的交叉极化和¹³C直接激发魔角旋转序列对其有序结构进行分析(转速8kHz)。采集淀粉糊化后无定形模型的¹³C谱图，以84ppm处C4峰为参考“0”点调整谱图比例，随后通过对待测淀粉与其无定形样品进行差谱获取样品有序结构谱图(见图1)，有序谱图中C1区域可以代表样品的双螺旋构象。通过对有序谱、无定形谱中C1区域峰面积的计算可以定量获取样品中螺旋有序结构之间的比例及结晶度)，得到待测淀粉的有序结构。

实施例2

精确二水氯化铜固体0.017g，充分溶于10mL去离子水中，制成氯化铜水溶液(浓度为10mmol/L)；

称取1.0g大米淀粉样品，加入20mL氯化铜水溶液，置于旋转混匀仪中旋转4.5h(转速为50rpm)，液氮速冻25s，然后放入-20℃冰箱冷冻2h，真空冷冻干燥38h，得到顺磁掺杂的待测淀粉样品；

利用魔角旋转固体核磁共振技术对所述顺磁掺杂的待测淀粉样品进行表征(表征条件同实施例1)，得到待测淀粉的有序结构。

实施例3

精确称取五水硫酸铜固体0.025g，充分溶于10mL去离子水中，制成硫酸铜水溶液(浓度为10mmol/L)；

称取1.0g马铃薯淀粉样品，加入50mL硫酸铜水溶液，置于旋转混匀仪中旋转6h(转速为50rpm)，液氮速冻20s，然后放入-20℃冰箱冷冻2.5h，真空冷冻干燥40h，得到顺磁掺杂的待测淀粉样品；

利用魔角旋转固体核磁共振技术对所述顺磁掺杂的待测淀粉样品进行表征(表征条件同实施例1)，得到待测淀粉的有序结构。

对比例1～3

与实施例1～3的区别仅在于不对三种淀粉进行掺杂，具体步骤为：直接将待测淀粉平衡水分后，装入4毫米氧化锆转子，测定样品¹H和¹³C核纵向驰豫时间(T1)，并分别用¹³C的交叉极化和¹³C直接激发魔角旋转序列对其有序结构进行分析(转速8kHz)。

实施例1～3及对比例1～3的循环等待时间(约5T1)见表1。

表1 ¹³C交叉极化和¹³C直接激发方式下，顺磁掺杂前后待测淀粉的循环等待时间变化

淀粉品种	交叉极化(<sup>1</sup>H)	顺磁掺杂后	直接激发(<sup>13</sup>C)	顺磁掺杂后
					玉米淀粉	5秒	1秒	50秒	5秒
大米淀粉	5秒	2秒	80秒	10秒
					马铃薯淀粉	3秒	1秒	100秒	20秒

由以上实施例和对比例可知，本发明提供了一种基于顺磁掺杂的利用固体核磁共振技术检测淀粉有序结构的方法，采用本发明的方法可以降低淀粉样品的弛豫时间，进而大幅缩短谱图采集时间，更加直接、快速、定量地获取淀粉样品有序结构信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。