hfbHealth, Food & BiotechnologyHealth, Food & Biotechnology2712-7648РОСБИОТЕХ10.36107/hfb.2022.i1.s131hfb-131Research ArticleБИОТЕХНОЛОГИИBIOTECHNOLOGYX-ray дифракция для выявления фальсификатов крахмала и определения степени кристалличности полиморфных модификацийX-ray Diffraction for Detecting Starch Adulteration and Measuring the Crystallinity Indices of the Polymorphic Modifications of Starchhttps://orcid.org/0000-0002-0029-2168ПодгорбунскихЕкатерина МихайловнаPodgorbunskikhEkaterina M.

с.н.с. ИХТТМ СО РАН. 

https://orcid.org/0000-0002-0029-2168

Cand. Chem. Sci.

podgorbunskikh@solid.nsc.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9975-4387ДомеКарина ВикторовнаDomeKarina V.domekarina@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4808-9692БухтояровВладимир АлександровичBukhtoyarovVladimirbuh@solid.nsc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8951-5005БычковАлексей ЛеонидовичBychkovAleksey L.

Dr. Chem. Sci.

bychkov.a.l@gmail.comИнститут химии твердого тела и механохимии СО РАН, НовосибирскРоссияInstitute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, RussiaRussian Federation202218052022416270Copyright © Подгорбунских Е.М., Доме К.В., Бухтояров В.А., Бычков А.Л., 20222022Подгорбунских Е.М., Доме К.В., Бухтояров В.А., Бычков А.Л.Podgorbunskikh E.M., Dome K.V., Bukhtoyarov V., Bychkov A.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.hfb-journal.ru/jour/article/view/131Введение

Введение: Крахмал широко применяется в пищевой промышленности и биотехнологии, в том числе для изготовления упаковочных материалов для пищевых продуктов. Нативный крахмал из различных источников существует в виде трёх полиморфные модификаций (A-, B- и С-тип) с различной организацией кристаллической структуры, что непосредственно влияет на их физико-химические и технологические свойства.

Цель

Цель: Для корректного и эффективного использования крахмала как сырья для биотехнологии требуется предварительное определение полиморфной модификации и степени кристалличности, выявление и отбраковка фальсификатов или некондиционного сырья. Предполагается, что метод рентгеновской дифракции является экспрессным и точным для решения обозначенных задач.

Методы

Методы: В данной работе свойства коммерчески доступного крахмала из различных растительных источников (кукуруза, рис, пшеница, картофель, горох, тапиока) были исследованы с помощью X-ray дифракции и сканирующей электронной микроскопии.

Результаты и их применение: Показано, что некоторые торговые марки являются фальсификатом, подменяющим более дорогой картофельный крахмал дешевым кукурузным. Для всех отобранных образцов были определены степени кристалличности, наибольшей упорядоченностью кристаллической структуры обладает кукурузный крахмал. Напротив, наименьшей упорядоченностью кристаллической структуры обладает гороховый, относящиеся к С-типу. Результаты исследования указывают на необходимость проведения предварительной идентификации источника крахмала для установления полиморфной модификации и физико-химических свойств методом X-ray дифракции. Полученная информация будет необходима для разработки новых типов функциональных пищевых продуктов и воспроизводстве уже реализуемых биотехнологий.

Introduction

Introduction: Starch is widely used in the food industry and biotechnology, including for manufacturing food packaging materials. Native starches from various sources exist in the form of three polymorphic modifications (A-, B- and C-types) differing in their crystal structure, which has an indirect effect on their physicochemical and technological properties.

Purpose

Purpose: To properly and efficiently use starch as a raw material for biotechnology, one needs to preliminarily identify its polymorphic modification and crystallinity, as well as detect and discard adulterants or substandard raw materials. X-ray diffraction is suggested to be a rapid and accurate method for solving the outlined problems.

Methods

Methods: In this study, properties of commercial starch from various plant sources (corn, rice, wheat, potatoes, peas, and tapioca) were analyzed by X-ray diffraction and scanning electron microscopy.

Results and conclusion

Results and conclusion: Starch of some brands was shown to be adulterated: the more expensive potato starch was replaced with cheaper corn starch. The crystallinity indices were determined for all the selected samples; the crystal structure of corn starch was found to be most highly ordered. Contrariwise, the C-type pea starch was characterized by the lowest degree of crystal structure ordering. The findings obtained in this study show that it is necessary to preliminarily determine the source of starch in order to identify its polymorphic modification, as well as physical and chemical properties by X-ray diffraction. This information will be demanded for developing the new types of functional foods and reproducing the currently used biotechnologies.

крахмалкристаллическая структураполиморфные модификациистепень кристалличностиX-ray дифракциясъедобная упаковкаидентификацияфальсификатstarchcrystal structurepolymorphic modificationscrystallinity indexX-ray diffractionedible packagingidentificationadulterated foodСовет по грантам Президента Российской ФедерацииReferencesAgarwal, S., Singhal, S., Godiya, C. B., Kumar, S. (2021). International Journal of Environmental Analytical Chemistry, 1963717. https://doi.org/10.1080/03067319.2021.1963717Agarwal, S., Singhal, S., Godiya, C. B., Kumar, S. (2021). International Journal of Environmental Analytical Chemistry, 1963717. https://doi.org/10.1080/03067319.2021.1963717Alay, S. C. A., & Meireles, M. A. A. (2015). Food Science and Technology (Campinas), 35, 215-236. https://doi.org/10.1590/1678-457X.6749Alay, S. C. A., & Meireles, M. A. A. (2015). Food Science and Technology (Campinas), 35, 215-236. https://doi.org/10.1590/1678-457X.6749Bajer, D., Kaczmarek, H., & Bajer, K. (2013). Carbohydrate Polymers, 98, 477-482. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.05.090Bajer, D., Kaczmarek, H., & Bajer, K. (2013). Carbohydrate Polymers, 98, 477-482. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.05.090Ballesteros-Martinez, L., Perez-Cervera, C., & Andrade-Pizzaro, R. (2020). NFS Journal, 20, 1-9. https://doi.org/10.1016/j.nfs.2020.06.002Ballesteros-Martinez, L., Perez-Cervera, C., & Andrade-Pizzaro, R. (2020). NFS Journal, 20, 1-9. https://doi.org/10.1016/j.nfs.2020.06.002Chavez-Salazar, A., Bello-Perez, L. A., Agama, E., Castellanos-Galeano, F. J., & Alvarez-Barreto, C. I. (2017). International Journal of Biological Macromolecules, 98, 240-246. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.01.024Chavez-Salazar, A., Bello-Perez, L. A., Agama, E., Castellanos-Galeano, F. J., & Alvarez-Barreto, C. I. (2017). International Journal of Biological Macromolecules, 98, 240-246. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.01.024Chevigny, C., Foucat, L., Rolland-Sabate, A., Buleon, A., & Lourdin D. (2016). Carbohydrate Polymers, 146, 411-419. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.03.065Chevigny, C., Foucat, L., Rolland-Sabate, A., Buleon, A., & Lourdin D. (2016). Carbohydrate Polymers, 146, 411-419. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.03.065Dome, K., Podgorbunskikh, E., Bychkov, A., & Lomovsky, O. (2020). Polymers, 12, 641. https://doi.org/10.3390/polym12030641Dome, K., Podgorbunskikh, E., Bychkov, A., & Lomovsky, O. (2020). Polymers, 12, 641. https://doi.org/10.3390/polym12030641Dome, K., Podgorbunskikh, E., Bychkov, A., & Lomovsky, O. (2022). AIP Conference Proceedings, 2390(1), # 030013. https://doi.org/10.1063/5.0069197Dome, K., Podgorbunskikh, E., Bychkov, A., & Lomovsky, O. (2022). AIP Conference Proceedings, 2390(1), # 030013. https://doi.org/10.1063/5.0069197Espino-Pérez, E., Gilbert, R.G., Domenek, S., Brochier-Salon, M.C., Belgacem, M.N., & Bras, J. (2016). Carbohydrate Polymers, 135, 256-266. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015.09.005Espino-Pérez, E., Gilbert, R.G., Domenek, S., Brochier-Salon, M.C., Belgacem, M.N., & Bras, J. (2016). Carbohydrate Polymers, 135, 256-266. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015.09.005Ferreira, A. R. V., Alves, V. D., & Colehoso, I. M. (2016). Membranes, 6, 1-17. https://doi.org/10.3390/membranes6020022Ferreira, A. R. V., Alves, V. D., & Colehoso, I. M. (2016). Membranes, 6, 1-17. https://doi.org/10.3390/membranes6020022Firdaus, J., Sulistyani, E., & Subagio, A. (2018). Asian Journal of Clinical Nutrition, 10, 32-36. https://doi.org/10.3923/ajcn.2018.32.36Firdaus, J., Sulistyani, E., & Subagio, A. (2018). Asian Journal of Clinical Nutrition, 10, 32-36. https://doi.org/10.3923/ajcn.2018.32.36Frost, K., Kaminski, D., Kirwan, G., Lascaris, E., & Shanks, R. (2009). Carbohydrate Polymers, 78, 543-548. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2009.05.018Frost, K., Kaminski, D., Kirwan, G., Lascaris, E., & Shanks, R. (2009). Carbohydrate Polymers, 78, 543-548. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2009.05.018Garcia, N. L., Ribba, L., Dufresne, A., Aranguren, M. I., & Goyanes, S. (2009). Macromolecular Materials and Engineering, 294, 169-177. https://doi.org/10.1002/mame.200800271Garcia, N. L., Ribba, L., Dufresne, A., Aranguren, M. I., & Goyanes, S. (2009). Macromolecular Materials and Engineering, 294, 169-177. https://doi.org/10.1002/mame.200800271Ghosal, G., & Kaushal, K. (2019). Legume Science, 2, 17. https://doi.org/10.1002/leg3.17Ghosal, G., & Kaushal, K. (2019). Legume Science, 2, 17. https://doi.org/10.1002/leg3.17Jadhav, H., Jadhav, A., Takkalkar, P., Hossain, N., Nizammudin, S., Zahoor, M., Jamal, M., Mubarak, N. M., Griffin, G., & Kao, N. (2020). Journal of Polymer Research, 27, 330. https://doi.org/10.1007/s10965-020-02287-yJadhav, H., Jadhav, A., Takkalkar, P., Hossain, N., Nizammudin, S., Zahoor, M., Jamal, M., Mubarak, N. M., Griffin, G., & Kao, N. (2020). Journal of Polymer Research, 27, 330. https://doi.org/10.1007/s10965-020-02287-yJiang, F., Du, C., Jiang, W., Wang, L., & Du, S. (2020). International Journal of Biological Macromolecules, 150, 1155-1161. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.10.124Jiang, F., Du, C., Jiang, W., Wang, L., & Du, S. (2020). International Journal of Biological Macromolecules, 150, 1155-1161. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.10.124Katsumi, N., Okazaki, M., Yonebayashi, K., Kawashima, F., Nishiyama, S., & Nishi, T. (2015). Sago Palm, 22, 25–30. https://doi.org/10.12691/jfnr-8-11-4Katsumi, N., Okazaki, M., Yonebayashi, K., Kawashima, F., Nishiyama, S., & Nishi, T. (2015). Sago Palm, 22, 25–30. https://doi.org/10.12691/jfnr-8-11-4Kim, H. R., Choi, S. J., Choi, H., Park, C., & Moon, T. W. (2020). Food chemistry, 318, 126490. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.126490Kim, H. R., Choi, S. J., Choi, H., Park, C., & Moon, T. W. (2020). Food chemistry, 318, 126490. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.126490Lemos, P. V. F., Barbosa, L. S., Ramos, I. G., Coelho, R. E., & Druzian J. I. (2018). Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 131, 2555–2567. https://doi.org/10.1007/s10973-017-6834-yLemos, P. V. F., Barbosa, L. S., Ramos, I. G., Coelho, R. E., & Druzian J. I. (2018). Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 131, 2555–2567. https://doi.org/10.1007/s10973-017-6834-yLi, C., Sheng, L., Sun, G., & Wang, L. (2020). Lwt - Food Science and Technology, 131, 109791. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.109791Li, C., Sheng, L., Sun, G., & Wang, L. (2020). Lwt - Food Science and Technology, 131, 109791. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.109791Litvyak, V., Sysa, A., Batyan, A., & Kravchenko, V. (2019). Ukrainian Food Journal, 8, 597-619. https://doi.org/10.24263/2304-974X-2019-8-3-15Litvyak, V., Sysa, A., Batyan, A., & Kravchenko, V. (2019). Ukrainian Food Journal, 8, 597-619. https://doi.org/10.24263/2304-974X-2019-8-3-15Lorente-Ayza, S. M. M. M., Orts, M. J., & Pérez-Herranz, V. (2015). Journal of the European Ceramic Society, 35, 2333–2341. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.02.026Lorente-Ayza, S. M. M. M., Orts, M. J., & Pérez-Herranz, V. (2015). Journal of the European Ceramic Society, 35, 2333–2341. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.02.026Luchese, C. I., Spada, J. C., & Tessaro, I. C. (2017). Industrial Crops and Products, 109, 619-626. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.09.020Luchese, C. I., Spada, J. C., & Tessaro, I. C. (2017). Industrial Crops and Products, 109, 619-626. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.09.020Munoz, L. A., Pedreschi, F., Leiva, A., & Aguilera, J. M. (2015). Journal of Food Engineering, 152, 65-71. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2014.11.017Munoz, L. A., Pedreschi, F., Leiva, A., & Aguilera, J. M. (2015). Journal of Food Engineering, 152, 65-71. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2014.11.017Nara, S., Mori, A., & Komiya, T. (1978). Starch, 4, 111-114. https://doi.org/10.1002/star.19780300403Nara, S., Mori, A., & Komiya, T. (1978). Starch, 4, 111-114. https://doi.org/10.1002/star.19780300403Pogorelov, A. G., Kuznetsov, A. L., Pogorelova, V. N., Suvorov, O. A., Panait, A. I., & Pogorelova M. A. (2019). Biophysics, 64, 583-587. https://doi.org/10.1134/S000635091904016XPogorelov, A. G., Kuznetsov, A. L., Pogorelova, V. N., Suvorov, O. A., Panait, A. I., & Pogorelova M. A. (2019). Biophysics, 64, 583-587. https://doi.org/10.1134/S000635091904016XPozo, C., Rodriguez-Llamazares, S., Bouza, R., Barral, L., Castano, J., Muller, N., & Restrepo, I. (2018). Journal of Polymer Research, 25, 266. https://doi.org/10.1007/s10965-018-1651-yPozo, C., Rodriguez-Llamazares, S., Bouza, R., Barral, L., Castano, J., Muller, N., & Restrepo, I. (2018). Journal of Polymer Research, 25, 266. https://doi.org/10.1007/s10965-018-1651-yPurohit, S., Jayachandran, L. E., Raj, A. S., Nayak, D., & Rao, P. S. (2019). X-ray-diffraction for food quality evaluation, In J. Zhong, X. Wang (Eds.), Evaluation Technologies for Food Quality, 1st ed. (914 p.); Publisher: Woodhead Publishing, China, 2019.Purohit, S., Jayachandran, L. E., Raj, A. S., Nayak, D., & Rao, P. S. (2019). X-ray-diffraction for food quality evaluation, In J. Zhong, X. Wang (Eds.), Evaluation Technologies for Food Quality, 1st ed. (914 p.); Publisher: Woodhead Publishing, China, 2019.Sarko, A., & Wu, C. H. (1978). Starch, 30, 73-78. https://doi.org/10.1002/star.19780300302Sarko, A., & Wu, C. H. (1978). Starch, 30, 73-78. https://doi.org/10.1002/star.19780300302Rastogi, H., & Bhatia, S. (2019). Future prospectives for enzyme technologies in the food industry. In M. Kuddus (Ed.), Enzymes in food biotechnology. Academic Press.Rastogi, H., & Bhatia, S. (2019). Future prospectives for enzyme technologies in the food industry. In M. Kuddus (Ed.), Enzymes in food biotechnology. Academic Press.Rodrigues, S. C. S., da Silva, A. S., de Carvalho, L. H., Alves, T. S., & Barbosa, R. (2020). Journal of Materials Research and Technology, 9, 15670-15678. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.11.030Rodrigues, S. C. S., da Silva, A. S., de Carvalho, L. H., Alves, T. S., & Barbosa, R. (2020). Journal of Materials Research and Technology, 9, 15670-15678. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.11.030Shi, M., Jing, Y., Yang, L., Huang, X., Wang, H., Yan, Y., & Liu, Y. (2019). Polymers, 11, 1523. https://doi.org/10.3390/polym11091523Shi, M., Jing, Y., Yang, L., Huang, X., Wang, H., Yan, Y., & Liu, Y. (2019). Polymers, 11, 1523. https://doi.org/10.3390/polym11091523Shusaku, N., Horiuchi, S., Ikehata, A., & Ogawa, Y. (2021). Carbohydrate Polymers, 262, 117928. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.117928Shusaku, N., Horiuchi, S., Ikehata, A., & Ogawa, Y. (2021). Carbohydrate Polymers, 262, 117928. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.117928Singh, V., Ali, S. Z., Somashekar, R. & Mukherjee, P. S. (2006). International Journal of Food Properties, 9, 845-854. https://doi.org/10.1080/10942910600698922Singh, V., Ali, S. Z., Somashekar, R. & Mukherjee, P. S. (2006). International Journal of Food Properties, 9, 845-854. https://doi.org/10.1080/10942910600698922Thakur, R., Pristijono, P., Scarlett, C. J., Bowyer, M., Singh, S. P., & Vuong, Q. V. (2019). International Journal of Biological Macromolecules, 132, 1079-1089. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.03.190Thakur, R., Pristijono, P., Scarlett, C. J., Bowyer, M., Singh, S. P., & Vuong, Q. V. (2019). International Journal of Biological Macromolecules, 132, 1079-1089. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.03.190Vamadevan, V., & Bertfort, E. (2020). Food Hydrocolloids, 103, 105663. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2020.105663Vamadevan, V., & Bertfort, E. (2020). Food Hydrocolloids, 103, 105663. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2020.105663Zhang, D., Chen, L., Dong, Q., Din, Z., Hu, Z., Wang, G., Ding, W., He, J., & Cheng, S. (2021). Food Chemistry, 360, 129922. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129922.Zhang, D., Chen, L., Dong, Q., Din, Z., Hu, Z., Wang, G., Ding, W., He, J., & Cheng, S. (2021). Food Chemistry, 360, 129922. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129922.Zhu, X., He, Q., Hu, Y., Huang, R., Shao, N., & Gao, Y. (2018). Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 132, 927-935. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7030-4Zhu, X., He, Q., Hu, Y., Huang, R., Shao, N., & Gao, Y. (2018). Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 132, 927-935. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7030-4Zobel, H. F. (1988). Starch, 40. 1-7. https://doi.org/10.1002/star.19880400102Zobel, H. F. (1988). Starch, 40. 1-7. https://doi.org/10.1002/star.19880400102Żołek-Tryznowska, Z., & Holica, J. (2020). Journal of Cleaner Production, 276, 124265. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124265Żołek-Tryznowska, Z., & Holica, J. (2020). Journal of Cleaner Production, 276, 124265. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124265

The authors declare that there are no conflicts of interest present.