趙米雪，包亞莉，劉培玲*

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

根據(jù)現(xiàn)代物質(zhì)科學(xué)的基本理論，一種物質(zhì)的性能與其組成、結(jié)構(gòu)之間存在緊密的內(nèi)在聯(lián)系，充分掌握和分析其微觀組分以及排列結(jié)構(gòu)是深入了解物質(zhì)性能及其應(yīng)用機(jī)理的關(guān)鍵。淀粉是人類攝取能量的主要來源[1]，作為地球上第二大天然高分子物質(zhì)，其產(chǎn)量僅次于纖維素，且來源廣泛、成本低廉、可降解、無污染[2]。淀粉宏觀層次上復(fù)雜的變形力學(xué)響應(yīng)是其細(xì)觀、乃至微觀組成與結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)。因此，只有深入分析淀粉顆粒在不同層次的組成和排列結(jié)構(gòu)的作用與內(nèi)在聯(lián)系，從整體到局部，從宏觀到微觀，才能更清楚地把握淀粉顆粒的宏觀性能[3]。因此對(duì)淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)的研究成為當(dāng)前研究的發(fā)展趨勢。本文綜述了天然高分子淀粉的微觀結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展，尤其對(duì)淀粉的組成、結(jié)構(gòu)及常見淀粉模型進(jìn)行詳細(xì)綜述。研究淀粉分子的微觀結(jié)構(gòu)[4]與改性過程中結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，可促進(jìn)天然高分子改性和加工技術(shù)的發(fā)展、改性方法和理論體系的創(chuàng)新。

1 淀粉組成

淀粉的分子式為（C6H10O5）n，n為不定數(shù)，稱為聚合度（degree of polymerization，DP），一般為690～6 340[5]；大麥的鏈淀粉DP為1 570；玉米淀粉的DP為930～990；小麥淀粉的DP在830～1 570之間[6]。

圖1 直鏈淀粉及支鏈淀粉分子結(jié)構(gòu)[2]Fig. 1 Molecular structures of amylose and amylopectin[2]

C6H10O5為脫水葡萄糖單位，以α-D-1,4-葡萄糖苷鍵或α-D-1,6-糖苷鍵形成葡萄糖鏈，由此形成兩種不同的淀粉分子，即直鏈淀粉和支鏈淀粉（圖1），二者約占淀粉干質(zhì)量的98%～99%，其比例隨不同的淀粉種類有較大的差異。淀粉的性質(zhì)會(huì)因直鏈淀粉和支鏈淀粉的DP及比例差異而有較大不同[7]。同種淀粉中，鏈淀粉含量的不同使淀粉的分子結(jié)構(gòu)和組成有很大變化，產(chǎn)生個(gè)體差異。差異主要表現(xiàn)在顆粒的大小、表觀形態(tài)及性質(zhì)方面。除了直鏈淀粉及支鏈淀粉，淀粉顆粒中還存在少量的其他物質(zhì)，如中間級(jí)分、脂類、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等[8]。

1.1 直鏈淀粉

直鏈淀粉是一種線形多聚物，都是由α-D-葡萄糖通過α-D-1,4-糖苷鍵連接而成的鏈狀分子（圖1），有一個(gè)還原性末端和一個(gè)非還原性末端，呈右手螺旋結(jié)構(gòu)，每6 個(gè)葡萄糖單位組成螺旋的一個(gè)節(jié)距，在螺旋內(nèi)部只含親油的氫原子，羥基位于螺旋外側(cè)。直鏈淀粉的DP為1 000～10 000，分子質(zhì)量約為1×105～2×105Da[8]。除了直鏈淀粉（線形）分子外，還存在一種有分支的直鏈淀粉，摩爾分?jǐn)?shù)為0.1～0.7，其含量一般大于線性直鏈淀粉[9]。分支的直鏈淀粉分支程度一般隨直鏈淀粉分子DP的增加而增大，單個(gè)直鏈平均分支數(shù)為5～21。平均每200～700 個(gè)葡萄糖單位有3～11 個(gè)支鏈，分支點(diǎn)是α-D-1,6-糖苷鍵連接，少于總糖苷鍵數(shù)的0.5%[8]。分支相隔距離通常很遠(yuǎn)，因此其物理性質(zhì)基本和直鏈淀粉相同。

目前直鏈淀粉在顆粒中的位置及狀態(tài)有3 種假說。第1種認(rèn)為直鏈淀粉位于支鏈淀粉徑向位置，此時(shí)直鏈支淀粉的相互作用力最小[10]，但該假說沒有實(shí)驗(yàn)依據(jù)。其他兩種假說認(rèn)為鏈淀粉在主鏈徑向方向，以束狀或單獨(dú)形式隨機(jī)分布在支鏈淀粉簇的半晶區(qū)或無定形區(qū)。已經(jīng)通過玉米淀粉的交聯(lián)反應(yīng)證實(shí)直鏈淀粉彼此不發(fā)生交聯(lián)[11]。從而證明第3種假說正確，即直鏈淀粉單獨(dú)存在，在支鏈淀粉鏈的徑向方向上自由分布，徑向排列，如圖2所示。

圖2 顆粒中直鏈淀粉與支鏈淀粉的相互作用方式及存在位置[12]Fig. 2 Schematic presentation of amylose localization in amylopectin clusters[12]

直鏈淀粉都是朝向顆粒表面[13-14]。顆粒表面找到的直鏈淀粉都比中心找到的鏈長（chain length，CL）短。Boyer[15]、Ring[16]等證明大多數(shù)的直鏈淀粉能夠在低于糊化溫度時(shí)滲出顆粒表面，滲出的直鏈淀粉都是單螺旋狀態(tài)，因此認(rèn)為直鏈淀粉主要是以單螺旋結(jié)構(gòu)存在。90 ℃時(shí)能夠從顆粒中提取出大多數(shù)的直鏈淀粉[17]，仍然沒有滲出的一些較長的鏈淀粉可能參與形成支鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)，或是被纏繞在淀粉顆粒內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中[18]。

1.2 支鏈淀粉

支鏈淀粉是一種高度分支的大分子，從主鏈上再分出各級(jí)支鏈，各葡萄糖單位之間以α-D-1,4-糖苷鍵連接構(gòu)成它的主鏈，支鏈通過α-D-1,6-糖苷鍵與主鏈相連（圖1）。分支點(diǎn)的α-D-1,6-糖苷鍵數(shù)占總糖苷鍵數(shù)的5%～6%[19]，支鏈淀粉的分子質(zhì)量大于2×107Da。

圖3 支鏈淀粉中各種鏈的命名Fig. 3 Basic labeling of chains in amylopectin

為了描述支鏈淀粉鏈，1952年P(guān)eat等[20]建立最基本的歸類方法，如圖3所示。A鏈通過α-D-1,6-糖苷鍵與其他部分相連，屬于外鏈，沒有側(cè)鏈；B鏈與一個(gè)或幾個(gè)其他鏈相連；C鏈連接非還原性末端，因此一個(gè)大分子只包含一個(gè)C鏈。不同來源的淀粉其支鏈淀粉的DP、平均CL、內(nèi)鏈及外鏈的平均長度也不同。Hanashiro[21]、Parker[22]等通過對(duì)還原性末端進(jìn)行熒光染色，計(jì)算DP在10～130范圍內(nèi)，高效排阻色譜（high performance size exclusion chromatography，HPSEC）中的峰值DP為40。

Hizukuri等[5]采用HPSEC法發(fā)現(xiàn)支鏈淀粉的鏈結(jié)構(gòu)具有特征長度片段（CL大約在25～30）并再次把長B鏈細(xì)分為B2鏈（CL約45）、B3鏈（CL為70）。許多淀粉的HPAEC結(jié)果都顯示有較短的長度片段（CL約為12），最短的一組命名為fa，CL為6～12，代表A鏈。但是，目前發(fā)現(xiàn)fa只是代表A鏈的一部分[23]。CL在13～24之間的是fb1，由B1鏈組成。CL在25～36之間的是fb2，CL大于37為fb3。另一種分類方法是由Hanashiro等[21]建立的，與淀粉糊化有關(guān)。fa在晶體融化時(shí)不發(fā)生變化，fb1則發(fā)生變化。說明短鏈不容易形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，反而干擾結(jié)晶結(jié)構(gòu)的組織使顆粒的結(jié)晶層存在缺陷。Bertoft等[23]從玉米支鏈淀粉中分離出中間長度的鏈，認(rèn)為是原來定義B1組的亞組，因此命名為B1b和B1c（對(duì)應(yīng)的fb2），而其中較短的為B1a。支鏈淀粉中CL最短的是6，CL在6～17間的短鏈分布是不同來源支鏈淀粉特征區(qū)域，因此稱為支鏈淀粉“指紋結(jié)構(gòu)”[24]。CL為6～8組成為A鏈亞組，稱之為A鏈指紋結(jié)構(gòu)，記作A。

除了CL到100的分支以外，和直鏈淀粉那樣的長支鏈也有報(bào)道[26]，這一類結(jié)構(gòu)在玉米、小麥、大麥、大米、馬鈴薯及木薯淀粉中可見，用物質(zhì)的量單位衡量，但是含量非常少，甚至一個(gè)高分子僅含有一個(gè)或幾個(gè)。采用質(zhì)量基準(zhǔn)衡量在1%～10%之間。有報(bào)道稱大米淀粉樣品，尤其是indica品種中超長鏈的含量多達(dá)14%～20%，其中結(jié)合態(tài)淀粉合成酶（granule-bound starch synthase，GBSS）（通常含有淀粉酶合成體）是合成超長鏈的主要原因[27]。

支鏈淀粉的簇狀結(jié)構(gòu)建立于酸處理淀粉的研究基礎(chǔ)上。酸處理后驟然出現(xiàn)大量短鏈，從而推斷支鏈淀粉的分支結(jié)構(gòu)以簇狀結(jié)構(gòu)存在，此后簇模型被廣泛接受。簇狀結(jié)構(gòu)大小差別很大，4～34 個(gè)鏈不等[5,28]，一個(gè)DP為10×103～16×103的支鏈淀粉由60～120 個(gè)簇狀結(jié)構(gòu)組成[10]；因此目前仍然無法對(duì)簇狀結(jié)構(gòu)精確定義。

將簇狀結(jié)構(gòu)分離的研究很少。一般認(rèn)為可以用淀粉內(nèi)切酶切斷簇狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的片段（inner chain snippet，IC-S）。Bender等[29]用環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶（cyclodextrin glycosyltransferase，CGT）分離糯玉米和馬鈴薯支鏈淀粉中簇狀結(jié)構(gòu)，得到3 種簇狀組：其中β-LD的DP為40～140（因此，最初包含外鏈的簇狀結(jié)構(gòu)粗略的估算為β-LD DP的兩倍，即80～280）。Finch等[30]用一種麥芽四糖合成酶發(fā)現(xiàn)馬鈴薯及小麥支鏈淀粉中含有相同數(shù)量的簇狀結(jié)構(gòu)，但是馬鈴薯的簇狀結(jié)構(gòu)比小麥的大3 倍左右。Bertoft[31]用α-淀粉酶（也稱為液化酶）及凝膠滲透色譜（gel permeation chromatography，GPC）法研究支鏈淀粉中的簇狀結(jié)構(gòu)尺寸。他們將支鏈淀粉水解率急劇降低作為簇狀結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，分析中間糊精的結(jié)構(gòu)，并定義簇狀結(jié)構(gòu)為一組支鏈結(jié)構(gòu)。對(duì)玉米、大米、莧菜、樹薯及馬鈴薯淀粉支鏈淀粉的研究都反映出長B鏈被α-淀粉酶切除，表明它們參與連接形成簇狀結(jié)構(gòu)[32-35]。

簇狀結(jié)構(gòu)中的分支并非均勻分布，而是分成小群體的分支群，可以通過α-淀粉酶徹底水解分離得到分支群[33-34]。組成簇狀結(jié)構(gòu)的分支群數(shù)量根據(jù)分支群與簇狀結(jié)構(gòu)的尺寸可分為2～7 類，且DP差異很大，從5到40不等。例如莧菜及馬鈴薯中分支群的平均DP為10.7～12.7[34-35]，大米及糯玉米淀粉的DP為12.7～17.1[36-37]。分支群中分支密度一般很高，莧菜14%、馬鈴薯16%～17%，因此內(nèi)鏈長度（in chain length，ICL）很短，莧菜2.8、馬鈴薯2.0。相比而言，簇狀結(jié)構(gòu)的ICL分別為4.4和4.3～6.4，也就是說組間鏈長（in between chain length，IBCL）確實(shí)較長。事實(shí)上，IBCL在莧菜中為6.8，而在馬鈴薯淀粉中是7.1～8.5之間。糯玉米支鏈淀粉簇在結(jié)構(gòu)上可劃分為兩種截然不同的組[37]。一類是擁有DP 10.9的分支群，群密度是7.2，IBCL是7.1，另一類型DP、群密度、IBCL則分別是12.7、5.8和8.5。也發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉存在結(jié)構(gòu)上稍有不同的簇狀區(qū)域。

支鏈淀粉不僅參與結(jié)晶結(jié)構(gòu)，也參與無定形結(jié)構(gòu)。支鏈淀粉最主要的分支及分支間的IC-S也存在于無定形區(qū)。支鏈淀粉中ICL的平均是4～9，因此存在3 種ICS，即簇狀結(jié)構(gòu)之間、簇狀結(jié)構(gòu)內(nèi)分支群之間、分支群內(nèi)。分支群的平均ICL僅有2～3，因此分支群是分支結(jié)構(gòu)高度密集的區(qū)域。對(duì)馬鈴薯分支群的分析發(fā)現(xiàn)有兩種尺寸的分支，一種是DP為2的分支，另一種是DP為3～8的分支。前者代表短A鏈，可能源于支鏈淀粉，也可能是α-淀粉酶水解組間淀粉片段得到。一些DP為3的鏈也屬于A鏈，源于短B鏈或通過α-淀粉酶水解形成。其他DP大于3的分支為氨基酸基本單位Bfp，因此氨基酸基本單位Bfp及3 個(gè)或更多的鏈也代表性地參與了分支群的形成，其中氨基酸基本單位Bfp與另一個(gè)鏈相連，并且攜帶一個(gè)或兩個(gè)鏈于其還原性末端。

圖4是莧菜支淀粉簇f-LD及β-LD的分支群結(jié)構(gòu)模型[34]，該簇狀結(jié)構(gòu)DP為82，組成6 個(gè)分支群，一個(gè)較長的B1b或B2鏈，其余的為B1a或A鏈。莧菜支鏈淀粉簇發(fā)現(xiàn)3 種鏈，組間片段為7，證明這個(gè)鏈參與連接兩個(gè)分支群。B1鏈?zhǔn)?8～22，說明其跨越了3 個(gè)分支群。由于一些簇?fù)碛泻荛L的鏈，如DP達(dá)到45（如同B2鏈），它們可能參與到5 個(gè)分支群的連接。因此該圖的結(jié)構(gòu)暗示鏈中DP為10～12的殘基參與連接分支，這與Hanashiro等[38]的研究結(jié)果相吻合。

圖4 淀粉莧菜支鏈淀粉簇中的A、f-LD、β-LD分支群結(jié)構(gòu)模型[34]Fig. 4 A model of the building block structure of a cluster in amaranth amylopectin as A, f-LD, β-LD[34]

支鏈淀粉溶于水中更穩(wěn)定，形成黏度較低的溶液，形成的薄膜強(qiáng)度也較低。顆粒中的支鏈淀粉有助于提高淀粉的溶脹能力[31]。淀粉糊化過程中，支鏈淀粉主要存在于溶脹的淀粉顆粒中，部分直鏈淀粉游離到顆粒外形成連續(xù)的膠體相[19]。支鏈淀粉需要較長的時(shí)間堆積形成晶體[39-40]。

1.3 中間級(jí)分

不同淀粉種類其中間級(jí)分物質(zhì)的特點(diǎn)也有很大不同，因此很難明確給出其定義。對(duì)中間級(jí)分的分離提取方法不同，所得結(jié)論也不盡不同，因此在中間級(jí)分相關(guān)領(lǐng)域的研究還有很多工作值得進(jìn)一步開展。目前對(duì)中間級(jí)分只能較籠統(tǒng)的定義為：在淀粉粒中存在一類結(jié)構(gòu)和性質(zhì)介于直鏈淀粉和支鏈淀粉的大分子多糖類物質(zhì)，用GPC分離過程中不會(huì)與1-丁醇（支淀粉片段）發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，或者說，可以通過麝香香酚沉淀或用1-丁醇和異戊醇沉淀得到的獨(dú)立組分被稱為中間級(jí)分。

中間級(jí)分主要存在于經(jīng)過生物合成改性的淀粉中，但在原淀粉中也有少量存在。也可按照上述普通支鏈淀粉的分支方法進(jìn)行分類。但是中間級(jí)分長鏈更多，長鏈與短鏈的比例更高。中間級(jí)分的分子質(zhì)量越低，長鏈的比例越高[41]。如Lansky等[42]分離的中間級(jí)分與碘的結(jié)合能力較差，這類分子在高直鏈玉米淀粉（玉米突變體）和具有sugary-2基因的普通玉米淀粉中也有被發(fā)現(xiàn)，其分支的DP最高為52，最低為21，比其支鏈淀粉分支長（DP最高45，最低為19）。另外，在高直鏈玉米淀粉中還發(fā)現(xiàn)一類DP僅有95的線性分子。研究表明，這類中間物質(zhì)的出現(xiàn)是因?yàn)槿鄙俜种窱Ib[43]。豌豆淀粉中間級(jí)分的特點(diǎn)是，所有很短的鏈淀粉有很長的分支，與同等大小的相應(yīng)的簇狀結(jié)構(gòu)中的分支結(jié)構(gòu)相比，分子質(zhì)量更低，長支鏈比例更高。

1.4 脂類和磷脂

脂類是許多谷物淀粉中普遍存在的微量成分，玉米淀粉含有少量的自由脂肪酸和磷脂，普通大米淀粉含有大量的磷脂和微量的自由脂肪酸，而小麥、大麥、燕麥、黑麥含有大量的磷脂和少量的磷酸單酯，磷脂分別占普通小麥和玉米淀粉干質(zhì)量的0.8%～1.2%和0.6%～0.8%[20]。馬鈴薯及豆科的脂質(zhì)含量極低甚至沒有脂質(zhì)[12]。脂類和磷脂可以與淀粉中的直鏈淀粉或支鏈淀粉較長的側(cè)鏈形成穩(wěn)定的復(fù)合物，在形成復(fù)合物時(shí)，磷脂的非極性部分通常位于直鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，而極性部分位于外部，以便使更多的磷脂包裹在雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部，脂質(zhì)在顆粒中呈放射狀分布[19]（圖5）。鏈脂復(fù)合物存在于無定形結(jié)構(gòu)中，也可以通過“韌化”處理成為有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)而形成層紋狀的V-型淀粉。通過X射線微量分析及光電子能譜證明淀粉-脂類復(fù)合物的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性也隨著直鏈淀粉CL的增加而增加，并隨著脂類飽和度的減小而減小[44]。所有普通淀粉的鏈脂含量都有很好的相關(guān)性，已經(jīng)通過魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振法證明并可以量化其中的鏈脂復(fù)合物[12]。例如：在普通大米淀粉中鏈脂復(fù)合物占直鏈結(jié)構(gòu)的43%，在燕麥淀粉中占直鏈結(jié)構(gòu)的33%，含鏈脂復(fù)合物的直鏈淀粉占整個(gè)直鏈淀粉的13%～43%。據(jù)報(bào)道，在低直鏈淀粉含量（糯）大麥及玉米淀粉中，含鏈脂復(fù)合物的直鏈淀粉達(dá)到整個(gè)鏈淀粉的19%～62%[45]。因此只有很少量的直鏈淀粉是和脂質(zhì)形成復(fù)合物。以此類推，并不是所有的脂質(zhì)都和直鏈淀粉形成復(fù)合物，也有的是以游離脂質(zhì)的形式存在。另一種檢驗(yàn)鏈脂復(fù)合物存在的方法是差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）分析，玉米淀粉和小麥淀粉的DSC分析顯示在較高的溫度下另外又多出一個(gè)吸熱峰，當(dāng)?shù)矸劢?jīng)脫脂處理后，該峰即消失，當(dāng)又重新加入脂質(zhì)，該峰又出現(xiàn)[46]，說明該峰的出現(xiàn)歸因于鏈脂復(fù)合物的融化。

圖5 直鏈淀粉-脂類復(fù)合物結(jié)合模型示意圖Fig. 5 Molecular modeling representation of amylose-fatty acid complexes

1.5 蛋白質(zhì)

淀粉顆粒中還存在少量蛋白質(zhì)（0.1%～0.7%）[47]，主要分布于淀粉顆粒表面，將淀粉顆粒包覆，一定程度上能夠限制淀粉顆粒的膨脹[48]。由于蛋白質(zhì)具有較高的水分子結(jié)合能力，因此對(duì)淀粉的理化特性如膨脹度、溶解度等產(chǎn)生顯著的影響，這已在大米淀粉[49]、普通玉米淀粉[50]、小麥淀粉[51]等諸多淀粉中得到了證實(shí)。蛋白的存在還會(huì)影響淀粉的結(jié)晶度，如小麥淀粉脫去蛋白后，其結(jié)晶度會(huì)顯著降低。

一些淀粉顆粒（例如玉米、高粱和小麥）具有小孔道結(jié)構(gòu)，從顆粒表面延伸到顆粒內(nèi)部。高粱淀粉中，外部小孔的開口直徑為0.1～0.3 μm，內(nèi)部為0.07～0.10 μm。在發(fā)芽過程中，這些小孔道是水解酶類的作用點(diǎn)，從而可以消化淀粉顆粒[52]。淀粉顆粒小孔的密度分布及酶的消化性之間存在直接相關(guān)性，Han等[53]發(fā)現(xiàn)孔道中充滿蛋白質(zhì)，其中最主要的蛋白質(zhì)是brittle-1（一種和玉米淀粉中brittle-1基因突變體相關(guān)的蛋白質(zhì)）。

2 淀粉顆粒不同結(jié)構(gòu)水平的組織形式

淀粉顆粒結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)至今尚不明確。為了準(zhǔn)確地研究復(fù)雜的淀粉結(jié)構(gòu)，通常將淀粉顆粒結(jié)構(gòu)從雙螺旋結(jié)構(gòu)（?）、層狀結(jié)構(gòu)（9～10 nm）、超螺旋結(jié)構(gòu)（10～100 nm）、止水塞結(jié)構(gòu)（0.1～1.0 μm）、輪紋結(jié)構(gòu)（1～10 μm）、顆粒（約10 μm）等層次來進(jìn)行描述[54-59]，如圖6所示，以下將從淀粉的不同水平層次來介紹淀粉結(jié)構(gòu)。

圖6 淀粉顆粒由低到高6 個(gè)數(shù)量級(jí)不同結(jié)構(gòu)水平的組織形式Fig. 6 Different levels of structural organization spanning six orders of magnitude of starch granules

2.1 雙螺旋結(jié)構(gòu)

雙螺旋結(jié)構(gòu)主要由支鏈淀粉位于最外端的A鏈和B鏈組成的，一個(gè)支鏈淀粉分子可同時(shí)參與到多個(gè)雙螺旋結(jié)構(gòu)中，且支鏈淀粉和直鏈淀粉也可相互作用形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)平行排列，螺旋每上升10.4～10.5 ?有3 個(gè)D-吡喃葡萄糖單元，沿著單股螺旋軸重復(fù)距離相當(dāng)于6 個(gè)D-吡喃葡萄糖單元（21 ?）[60-61]。

淀粉顆粒中并非全部的短鏈都能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。Gidley[62]的研究認(rèn)為淀粉鏈要形成雙螺旋單體結(jié)構(gòu)，其CL至少要在10 個(gè)單元以上，其中谷類淀粉DP為14～20，塊莖類淀粉的DP為16～22。DP更低的低聚糖如麥芽六糖在長鏈存在的情況下可以聯(lián)合起來。迄今發(fā)現(xiàn)淀粉中最短的支鏈DP為6，6～9 個(gè)單元的支鏈阻滯糊化后淀粉發(fā)生重結(jié)晶。兩條分子鏈通過氫鍵作用以及分子鏈間的范德華力形成雙螺旋結(jié)構(gòu)[13]。螺旋結(jié)構(gòu)的有序程度大于結(jié)晶結(jié)構(gòu)的。多數(shù)的支鏈淀粉以雙螺旋結(jié)構(gòu)形式更多地存在于無定形結(jié)構(gòu)中。計(jì)算機(jī)模型也證實(shí)支鏈淀粉中的雙螺旋結(jié)構(gòu)按照能量最低原則存在于無定形結(jié)構(gòu)中，甚至是1～6分支點(diǎn)（圖7）。利用固態(tài)13C核磁共振法可以測定淀粉顆粒的單雙鏈比例[40]。

圖7 淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)Fig. 7 Double helix structures of starch[62]

單螺旋-單螺旋、雙螺旋-單螺旋、雙螺旋-雙螺旋模型充實(shí)了分支群概念[63]。連接兩個(gè)分支點(diǎn)的單螺旋片段長度具有0～10的規(guī)律性差異。一定的ICL構(gòu)成平行的雙螺旋結(jié)構(gòu)，因此，認(rèn)為ICL決定其結(jié)晶度。按照能量最低原則，雙螺旋結(jié)構(gòu)可以疊加在顆粒結(jié)晶區(qū)或雙螺旋結(jié)構(gòu)上[64]。

直鏈淀粉形成一個(gè)每圈有6 個(gè)葡萄糖單元的單螺旋結(jié)構(gòu)，內(nèi)部疏水、外部親水。一個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)有6～8 個(gè)葡萄糖單元，其中7 個(gè)葡萄糖單元的螺旋結(jié)構(gòu)厚度為10 nm[65-67]，內(nèi)含特定絡(luò)合物[41]。淀粉分子中只有環(huán)狀葡萄糖單元中的3 個(gè)羥基是自由的，可以旋轉(zhuǎn)到分子環(huán)的一側(cè)，使這一側(cè)親水性更強(qiáng)。相反的一側(cè)則因暴露的—CH而顯示微弱的疏水性能。螺旋鏈內(nèi)側(cè)的羥基團(tuán)可與一些乙醇類及芳香復(fù)合物形成左螺旋化合物，如碘、乙醇或脂肪酸等。低濃度的鏈淀粉在二甲基亞砜溶液中呈現(xiàn)剛性、有缺陷的蠕蟲狀，在新鮮分離出來的水溶液中，鏈淀粉的鏈?zhǔn)遣环€(wěn)定的無規(guī)卷曲狀態(tài)[54]。

V-型淀粉中的直鏈淀粉的典型結(jié)構(gòu)是6 個(gè)葡萄糖殘基組成一個(gè)左螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋高度7.92～8.04 ?之間；目前被廣泛接受的V-型淀粉的鏈脂復(fù)合物模型是：脂質(zhì)結(jié)構(gòu)中的脂肪族部分在鏈螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而體積龐大難以進(jìn)入的極性基團(tuán)在螺旋外部。普通玉米和小麥淀粉中鏈結(jié)構(gòu)的22%與脂質(zhì)形成單螺旋結(jié)構(gòu)。

2.2 超螺旋結(jié)構(gòu)

超級(jí)雙螺旋結(jié)構(gòu)可以通過透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）進(jìn)行觀測。選擇分子質(zhì)量小的，未著色的淀粉顆粒片段作為觀測對(duì)象，可發(fā)現(xiàn)“蟲狀”波紋結(jié)構(gòu)。Oostergetel等[68]通過結(jié)合電子斷層攝影術(shù)及低溫電子衍射技術(shù)，在TEM觀察過程中放置一系列斜置的底片，用低通傅里葉濾波器處理，建立了馬鈴薯淀粉的殘余微晶的3D結(jié)構(gòu)。如圖8所示，螺旋結(jié)構(gòu)組成連續(xù)規(guī)則的結(jié)晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，像一個(gè)骨架結(jié)構(gòu)。螺旋之間大約18 nm，節(jié)距大約為10 nm[69]。結(jié)晶區(qū)包含支淀粉大分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的線性片段，形成包含四角排列的左手螺旋結(jié)構(gòu)的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[70]。由于附近的螺旋結(jié)構(gòu)彼此滲透，結(jié)晶層形成一種接近連續(xù)的超螺旋結(jié)構(gòu)。在超螺旋結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)直徑為8 nm的中心凹腔。其螺旋節(jié)距是由支鏈淀粉分支聚集形成的，是不同淀粉來源的特征標(biāo)志，因此可以直接通過支鏈淀粉合成體中分支酶的大小及組織形態(tài)確定[69]。

圖8 馬鈴薯淀粉的超螺旋結(jié)構(gòu)[70]Fig. 8 Super helix structures of potato starch[70]

2.3 止水塞結(jié)構(gòu)

Baldwin等[71]用高分辨率原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)淀粉顆粒表面細(xì)節(jié)：在結(jié)晶區(qū)之間有輪紋結(jié)構(gòu)；支淀粉層存在于顆粒內(nèi)部；顆粒表面具有孔道結(jié)構(gòu)。Bahnassey等[72]首先證明化學(xué)降解的淀粉中存在自然抗性單元止水塞。淀粉顆粒纖維質(zhì)概念與止水塞概念截然不同，當(dāng)時(shí)顯微鏡分辨率還不足以解決這個(gè)爭論。因此，當(dāng)支鏈淀粉簇模型建立后，這兩個(gè)概念也被遺忘了；而現(xiàn)在越來越多的研究發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)概念有一定的根據(jù)。纖維質(zhì)概念強(qiáng)調(diào)直鏈淀粉與支鏈淀粉聚合物的徑向組織形式，而止水塞概念強(qiáng)調(diào)顆粒內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)的高度有序化。

掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）圖提供了清晰可見的淀粉的止水塞結(jié)構(gòu)，如圖9所示，電子顯微鏡和酶降解研究也提供了一些止水塞結(jié)構(gòu)的證據(jù)。止水塞具有顯著的非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，軸比為2∶1或3∶1，在豌豆淀粉粒中最大長度在130～250 nm，馬鈴薯淀粉粒中是20～50 nm[73]，玉米淀粉粒中是10～30 nm[74]。Helbert等[75]用TEM觀察以親水的三聚氰胺甲醛樹脂準(zhǔn)備的超薄淀粉顆粒切片，得到的結(jié)果中止水塞輪廓大約是幾百納米。在玉米淀粉顆粒切片中采用過碘酸-氨基硫脲-銀（PATAg）也可以看到。PATAg這種標(biāo)記物具有滲透性，只突出顆粒結(jié)構(gòu)的無定形區(qū)域，揭示大約橢圓體區(qū)域20～500 nm范圍內(nèi)的止水塞結(jié)構(gòu)。而TEM法不容易滲透，可以揭示整個(gè)顆粒的止水塞結(jié)構(gòu)。而且，由于TEM法分辨率較高，也能觀察到止水塞結(jié)構(gòu)交替出現(xiàn)的結(jié)晶層及無定形層。

圖9 淀粉顆粒的止水塞模型Fig. 9 Spherical blocklet-like structures of starch granules

一般而言，B-型淀粉（如馬鈴薯淀粉）止水塞結(jié)構(gòu)比A-型（如小麥淀粉）大，B-型的止水塞結(jié)構(gòu)的直徑為400～500 nm，而A-型的直徑是25～100 nm。馬鈴薯淀粉大的止水塞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在顆粒表面附近，大約是遠(yuǎn)離中心10 μm左右，小的止水塞結(jié)構(gòu)在顆粒中心附近。在小麥淀粉中，100 nm的止水塞結(jié)構(gòu)是硬的結(jié)晶環(huán)，而不是軟的。因此，當(dāng)顆粒阻抗力與一些相互作用因素有關(guān)時(shí)，止水塞結(jié)構(gòu)的尺寸（結(jié)晶度）將對(duì)顆粒的阻抗性起作用，止水塞結(jié)構(gòu)尺寸因而對(duì)馬鈴薯淀粉外層相對(duì)阻抗力有作用，也對(duì)相對(duì)半晶體和無定形結(jié)構(gòu)的輪紋阻抗性有作用。

Atkin等[78]的研究結(jié)果支持中間止水塞結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)如果粒子表面破裂，小的、橢圓體粒子在淀粉顆粒糊化時(shí)形成并釋放于周圍介質(zhì)中。說明單一粒子（直徑400 nm，可比作止水塞結(jié)構(gòu)）彼此并非共價(jià)相連。止水塞結(jié)構(gòu)群集了單一支鏈淀粉分子，如果是這樣，其也將群集超螺旋結(jié)構(gòu)，而后者，代表單個(gè)支鏈淀粉大分子。此結(jié)構(gòu)的形成通過將兩個(gè)方向的簇模型主鏈結(jié)合成一個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)。然而，超螺旋結(jié)構(gòu)的直徑是18 nm，只相當(dāng)于最小的止水塞結(jié)構(gòu)幾分之一大小，即幾個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)組成一個(gè)最小止水塞結(jié)構(gòu)[77]。顯然，這些結(jié)構(gòu)（止水塞、超級(jí)螺旋和支淀粉大分子）水平之間的關(guān)系還不清楚，需要進(jìn)一步研究。為了更好地結(jié)晶，止水塞中的支鏈淀粉應(yīng)進(jìn)行同向排列。既然上述短鏈的長度（即晶層厚度）、長鏈/短鏈、平均DP、每分子含有鏈數(shù)以及結(jié)晶尺寸等均為客觀的可重復(fù)的數(shù)據(jù)，因此可以基于這些數(shù)據(jù)提出正常止水塞結(jié)構(gòu)的構(gòu)架。止水塞結(jié)構(gòu)將是半結(jié)晶超級(jí)結(jié)構(gòu)，至少在大的止水塞中，一般由一些支鏈淀粉鏈組成。普通止水塞有結(jié)晶層和無定形層組成，它們也是形成支鏈淀粉簇狀結(jié)構(gòu)和支鏈淀粉分子的成分。止水塞中支鏈淀粉的還原性末端朝向顆粒臍點(diǎn)。有兩類構(gòu)型止水塞，即普通和缺陷型，由于有低分支和無分支分子的影響，它們將分別參與多相及同質(zhì)外層的組成[77]。

綜上，不同來源的淀粉止水塞結(jié)構(gòu)形狀相似，但大小不同；同種植物淀粉中止水塞的尺寸盡管不盡相同但基本類似；止水塞在淀粉粒中以連續(xù)狀態(tài)存在；止水塞大小不受顆粒大小、輪紋厚度的影響；在無定形結(jié)構(gòu)中止水塞的排列形成缺陷，排列不緊密；有止水塞復(fù)合體存在；生長紋及無定形紋并不總是連續(xù)的。

2.4 顆粒結(jié)構(gòu)

淀粉顆粒最基本的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由厚度在100～400 nm的無定形層與結(jié)晶層交替組成的天然多晶體系[78]，這樣的結(jié)構(gòu)被稱為輪紋結(jié)構(gòu)（圖10）。通常結(jié)晶區(qū)約為顆粒體積的15%～30%，而無定形區(qū)的構(gòu)造至今還沒有較好的確定方法[79]。結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)間無明確的分界線，變化是漸進(jìn)的。由于可見光偏振取決于可見光的波長順序（100～1 000 nm），因此支鏈淀粉的徑向組織方式被認(rèn)為是造成光偏振的原因。從更高層次的分子排列來看，X射線衍射法研究表明顆粒內(nèi)部存在9～10 nm的片段。該片段可以歸因于顆粒內(nèi)部交替出現(xiàn)的結(jié)晶層與無定形層，并通過側(cè)鏈的簇狀結(jié)構(gòu)形成，從支鏈放射狀的地方分叉。這也是淀粉顆粒共有的特點(diǎn)，與淀粉來源無關(guān)[70,80-81]。不同來源的淀粉顆粒具有相應(yīng)的特征顆粒形貌，如圖11所示，有球形、橢球形、多角形、片狀及不規(guī)則管狀。在偏光顯微鏡下觀察，會(huì)呈現(xiàn)偏光十字或馬耳他十字，這是淀粉粒具有晶體結(jié)構(gòu)的重要標(biāo)志。雙折射性是由于淀粉粒的高度有序性（方向性）所引起的，高度有序的物質(zhì)都有雙折射性。淀粉偏光十字的存在證明了淀粉的球晶結(jié)構(gòu)的存在，表明微晶的主軸是徑向的。而瘦長形顆粒的兩極及中線區(qū)域的偏光十字沒有變化，說明微晶極其微小并呈現(xiàn)多向性[82-83]。十字的交叉點(diǎn)位于粒心，因此可以進(jìn)行粒心的定位。不同種類淀粉粒的偏光十字的位置、形狀和明顯程度不同，可依此鑒別淀粉種類。例如，馬鈴薯和綠豆淀粉的偏光十字比較明顯，而大米淀粉明顯程度稍差（圖12）。鏈淀粉含量與顆粒形態(tài)特征方面存在直接相關(guān)性。鏈淀粉含量越高，玉米淀粉中能找到的長條狀顆粒越多。不同來源的淀粉粒徑不同，一般分布在0.1～200.0 μm之間。

圖10 淀粉輪紋結(jié)構(gòu)中支淀粉的排列方式[81]Fig. 10 Schematic representation of the several levels of ultrastructure of starch[81]

圖11 不同植物來源淀粉顆粒的SEM及偏光顯微鏡圖Fig. 11 SEM and polarized light optical microscopy (insets) images of native starch granules from various cultivars

圖12 幾種支淀粉簇的組織模型Fig. 12 Alternative models of the organization of clusters in amylopectin

3 淀粉晶體結(jié)構(gòu)

淀粉晶體具有假六邊正交晶系的晶格結(jié)構(gòu)，直徑大約為15 nm，其a＝11.9 ?、b＝17.7 ?、c＝10.52 ?，α＝β＝γ＝90o，為右旋。每個(gè)晶胞中雙螺旋結(jié)構(gòu)反向堆積。利用螺旋結(jié)構(gòu)每一全匝包含的單糖單元數(shù)n，及每個(gè)單元沿螺旋軸上升的距離h，研究淀粉晶體的結(jié)構(gòu)，也可得出h＝3.5 ?、n＝6[55]，如圖13所示。

A-型淀粉的單斜晶格a＝2.124 nm、b＝1.172 nm、c＝1.069 nm、g＝123.58o，相當(dāng)于密度為1.48。B-型淀粉的晶格為a＝b＝1.85 nm、c＝1.04 nm、g＝120o，密度為1.41。中心孔道中有36 個(gè)水分子。從這些數(shù)據(jù)看，A-型、B-型淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)的十字區(qū)橫截面面積可以估算為2.1 nm2和3.0 nm2。雙螺旋結(jié)構(gòu)的體積為分別為15 nm3和26 nm3。

由于晶格結(jié)構(gòu)與水分子數(shù)目不同等方面的原因，X射線衍射圖譜顯示3 種不同的特征性X射線衍射，即A-型、B-型、C-型，另外在特定條件下還會(huì)呈現(xiàn)V-型。大多數(shù)谷物淀粉都呈現(xiàn)A-型圖譜，塊莖類淀粉或直鏈淀粉含量較高的淀粉呈現(xiàn)B-型圖譜；C-型圖譜表現(xiàn)出A-型與B-型混合圖譜的特征，存在于大多數(shù)豆類植物淀粉中；V-型圖譜主要存在于直鏈淀粉和脂肪酸的復(fù)合物、磷酸單酯以及糊化后的淀粉。烹飪后，面團(tuán)的X射線衍射圖譜不同于A、B、C-型[84]，于是以德語“Verkleisterter starke”（糊化）命名為V-型。

圖13 A-型、B-型淀粉單位晶格結(jié)晶結(jié)構(gòu)排列的3D結(jié)構(gòu)Fig. 13 Unit cell contents of A- and B-type 3D structures in their crystalline arrangements

A-型和B-型淀粉都是由平行排列的左手雙螺旋構(gòu)成，主要區(qū)別在于雙螺旋的聚集方式上。A-型結(jié)構(gòu)中鏈淀粉與支鏈淀粉相對(duì)獨(dú)立的存在于淀粉中，B-型結(jié)構(gòu)中鏈淀粉與支淀粉纏繞在一起，這種天然的相互纏繞，給分子間相互作用提供了更多的機(jī)會(huì)[84-85]。B-型結(jié)構(gòu)中，左手雙螺旋平行聚集，構(gòu)成六方體形，中心部位充滿36 個(gè)結(jié)構(gòu)水；A-型結(jié)構(gòu)比較緊湊，雙螺旋占據(jù)中心部位，中心僅有8 個(gè)結(jié)構(gòu)水，如圖14所示。固態(tài)13C核磁共振結(jié)果顯示，為A-型C-1峰為三重峰，而B-型則是雙峰，說明A-型結(jié)構(gòu)的重復(fù)單元是麥芽三糖單元，而B-型重復(fù)單元?jiǎng)t是麥芽二糖[86]。

圖14 A-型淀粉和B-型淀粉直鏈淀粉分子連接方式示意圖[19,85]Fig. 14 A- and B-type polymorphs of amylose[19,85]

伴隨著X射線衍射，電子衍射及分子模型[76-77]的應(yīng)用及小分子低聚糖的結(jié)晶研究[87-88]，A-型及B-型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的3D結(jié)構(gòu)已經(jīng)很清楚。A-型淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)又通過對(duì)單個(gè)微米級(jí)單晶同步加速輻射法進(jìn)行微衍射，確定了水分子的位置在A-型結(jié)晶密度為1.622處[89]。

B-型淀粉（如馬鈴薯淀粉）容易在濕冷的條件下形成，A-型淀粉（如谷物類淀粉）則容易在溫暖干燥的條件下形成。DP在10～12之間易形成A-型淀粉，而DP＞12容易形成B-型淀粉，這可能主要由于不同長度的鏈在經(jīng)歷結(jié)晶過程中損失的熵不同造成。原淀粉同質(zhì)異晶的轉(zhuǎn)變及球晶的形成可以通過現(xiàn)場同步加速X射線衍射的方法檢測。C-型淀粉可認(rèn)為是A-型和B-型兩種淀粉類型成分混合形成[19,56]。

4 結(jié) 語

近年來，在不斷進(jìn)步的現(xiàn)代分析儀器和技術(shù)的幫助下，對(duì)淀粉的宏觀及微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)有很大進(jìn)展。淀粉顆粒不同結(jié)構(gòu)水平已大致被掌握，但對(duì)于顆粒3D細(xì)觀結(jié)構(gòu)的了解仍然有限，模型還遠(yuǎn)達(dá)不到僅從結(jié)構(gòu)就可以推測出功能的水平，對(duì)淀粉顆粒結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是將淀粉的宏觀定量方法與顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的必要手段；因此，細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)的基本方法將會(huì)成為今后的重點(diǎn)發(fā)展趨勢。

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