（有机化学专业论文）谷物淀粉纳米结构的研究.pdf

摘要 摘要 天然淀粉是由a d 葡萄糖以q 1 、4 糖苷键( 直链) ，或以q 1 、6 糖苷键 ( 支链) 结合而成的聚合物，是植物固定太阳能的主要物质和可再生性资源，是 自然界碳循环过程的一个中间环节，其性质稳定、价格低廉，是重要的工业原料。 已有的淀粉研究确认，淀粉的天然形态是微米级的球状、多角状颗粒；高分辨率 的电子显微镜发现了谷物淀粉颗粒的酶解样品具有明暗相交替的层状结构和 b l o c k l e t s ；在偏振光显微镜下，谷物淀粉的颗粒显示出内部为各向异性结构；x 射线分析揭示了谷物淀粉颗粒中的多晶性和半结晶性结构。上述的研究不但确定 了淀粉颗粒的天然形态、聚集态和组成，也预示出天然淀粉颗粒应该具有更基本 的结构单元。 本论文阐述了利用扫描电子显微镜( s e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 、电喷 雾质谱( e s i m s ) 等现代分析手段，对淀粉颗粒的纳米级结构单元进行较为系 统地分析，完成了以下未见文献报道的研究内容： 以天然淀粉和变性淀粉为研究对象，使用显微镜成像技术，发现了淀粉颗粒 在糊化前形态的变化特性；解释了淀粉糊化前的黏度曲线的特征，使得对淀粉颗 粒糊化过程中的科学描述更为准确；这一研究内容使得淀粉颗粒在糊化前是“刚 体”的传统观念得以修正。 利用具有在纳米空间尺度成像能力的物质拓扑形态分析仪器：原子力显微镜 ( a f m ) ，将对于淀粉结构的研究深入到纳米层次。通过糊化或酶解天然谷物如： 玉米、水稻、谷子( 粟) 、高粱、小麦的淀粉颗粒，采用与微波相结合的分子操纵 与修饰技术，使得淀粉中的纳米结构单元得以分离，以稳定的、直观的形式展现 出来，得到了天然淀粉在纳米层次存在独立结构单元的直接证据；得到了天然淀 粉中独立的链、环和粒子等各种形态的纳米结构单元图像；由此确认了淀粉的纳 米结构单元比天然谷物淀粉具有更加复杂多样的形态特征，并且在自然环境中可 稳定存在。同时本研究内容也扩展到了薯类( 马铃薯、甘薯、魔芋) 淀粉，得到 了同样的结果，这一研究内容使得淀粉颗粒中存在更基本的结构单元的推测得到 证实。 摘要 在获得淀粉纳米结构单元的直观证据后，选择电喷雾质谱作为种对淀粉纳 米单元进行分子结构解析的方法，测定了纳米结构单元的分子量范围、多糖组成。 本研究将各种淀粉纳米结构单元经过分离，得到在电喷雾质谱仪有效测定范围内 的样品，使对淀粉纳米结构单元的分子量范围、多糖组成的测定得以实现，由此 建立了以下谷物淀粉的分析方法：谷物原淀粉提纯、分离淀粉纳米结 构单元一定分子量范围的质谱解析。 通过对以上内容的研究，本论文得到以下结论： 1 淀粉颗粒在糊化前其形态是随温度变化的，属于软物质； 2 确定了谷物淀粉的纳米结构单元是一种可以独立存在、可分离的结构单 元，并用图象证实了这种结构单元的复杂多样性； 3 利用电喷雾质谱对谷物淀粉的纳米结构单元进行结构解析是可行的。 对以上问题的研究，在一定程度上充实了淀粉科学的基础理论内容和实验方 法，可以指导淀粉d n - r _ ，促进谷物产品利用，引发新的产业，开发新的产品，提 高淀粉资源的社会、经济效益。 关键词：淀粉纳米结构电喷雾质谱 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h en a t u r a ls t a r c hg r a n u l e sa r ct h ep o l y m e rt h a ti sc o m p o s e do f ( 1 _ 4 ) - l i n k e da n d ( 1 - 6 ) 一l i n k e dq d - g l u c o p y r a n o s y lu n i t s i t i si n t h i sk i n do fs u b s t a n c et h a tp l a n t s s t o r a g ee n e r g yf r o ms o l a rp o w e r s i n c es t a r c hi st h em e d i ai nt h ec i r c l eo fc a r b o n ，i ti s ak i n do fr e n e w a b l er e s o u r c e sa n da l s ob e c a u s eo fi t sg o o dp r o p e r t ya n dl o wp r i c e ，i t i sa ni m p o r t a n tm a t e r i a li ni n d u s t r y i nt h er e s e a r c ho fs t a r c hg r a n u l e s ，i th a sk n o w n t h a tt h en a t u r a ls h a p eo fs t a r c hg r a n u l e si sg l o b o s i t yo rp o l y h e d r o n b ye l e c t r o n m i c r o s c o p ew i t hh i g hr e s o l v i n gp o w e r , i ts h o w e dt h a tt h e r ee x i s tt h eb l o c k l e t sa n d l a y e ra l t e r n a t i o no fl i g h ta n ds h a d ei ns t a r c hg r a n u l e su n d e rt h ee n z y m o l y s i s b y p o l a r i z i n gm i c r o s c o p e ，i ts h o w e dt h a tt h e r ee x i s tt h ea e o l o t r o p i s mi nt h ei n s i d eo f s t a r c h g r a n u l e s b yx - r a ya n a l y s i s ，i t o b s e r v e dt h e p o l y c r y s t a l l i n i t y a n d h y p o c r y s t a l l i n ei ns t a r c hg r a n u l e s t h e s er e s u l t sh a v en o to n l ya s c e r t a i n e dt h es h a p e ， a g g r e g a t i o na n dc o m p o s i t i o no fs t a r c hg r a n u l e s ，b u ta l s oi n d i c a t e dt h es u b - s t r u c t u r a l u n i t si nn a t u r a ls t a r c hg r a n u l e s i nt l l i sr e s e a r c h ，i tu t i l i z e dt h em o d e r na n a l y t i ci n s t r u m e n t st os t u d yt h e n a n o - s t r u c t u r a lu n i t so fs t a r c hg r a n u l e ss y s t e m a t i c a l l y , s u c ha ss c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) ，e l e c t r o s p r a yi o n i z a t i o nm a s s s p e c t r o m e t r y ( e s i - m s ) a n ds oo n t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ： i nt h i sr e s e a r c h ，i tu t i l i z e ds e mt oo b s e r v et h en a t u r a ls t a r c hg r a n u l e sa n d d e n a t u r e ds t a r c hg r a n u l e sa tt h ed i f f e r e n tp e r i o do f t i m eb e f o r eg e l a t i n i z a t i o n i tf o u n d t h a tt h es h a p eo fa l ls t a r c hg r a n u l e si nt h ep r o c e s so fg e l a t i n i z a t i o nb e c a m ec h a n g e s t h e s er e s u l t s e x p l a i n e d t h e a p p r e c i a b l y r i s ei nt h e v i s c o s i t y c u r v eb e f o r e g e l a t i n i z a t i o na n dd e s c r i b e dt h ep r o c e s so fg e l a t i n i z a t i o nm o r ee x a c t l y s oi ta m e n d e d t h et r a d i t i o n a l c o n c e p t i o n t h a tt h e s t a r c h g r a n u l e sa r e “r i g i db o d y ”b e f o r e g e l a t i n i z a t i o n i nt h i sr e s e a r c h ，i tu t i l i z e da f mt oo b s e r v et h en a n o - s t r u c t u r a lu n i t so fs t a r c h g r a n u l e s i to b t a i n e dl o t so ff i g u r e sa b o u tt h es u b s t a n t i v ea n ds t a b l en a n o s t r u c t u r a l a b s t r a c t c h a i n sb yt h ep r o c e s so fg e l a t i n i z a t i o no re n z y m o l y s i st os e v e r a lk i n d so fs t a r c h ，s u c h a s 蛐s t a r c h ( m a i z e ，r i c e ，m i l l e t ，s o r g h u ma n dw h e a t ) a n dt u b e rs t a r c h ( p o t a t o ， s w e e tp o t a t oa n dk o n j a k u ) ，w h i c hw e r ea l s ou n d e rt h et e c h n o l o g yo fm o l e c u l e m a n i p u l a t i o na n dm o d i f i c a t i o na s s i s t e db ym i c r o w a v e t h e s ef i g u r e sw e r et h ed i r e c t p r o o fa b o u tt h ee x i s t e n c eo f n a n o - s t r u c t u r a lu n i t sa n di l l u s t r a t e dt h ed i v e r s i t yo ft h e s e u n i t s ，s u c ha sc h a i n s ，l o o p s ，p a r t i c l e s ，s t i c k sa n db r a n c h e s s oi tc a nb e c o n c l u d e dt h a t t h e r ea r es u b s t a n t i v en a n o s t r u c t u r a lu n i t si nt h es t a r c hg r a n u l e sa n dt h e yh a v et h e m o r ec o m p l e xc o n f o r m a t i o n st h a nn a t u r a ls t a r c hg r a n u l e s i nt h i sr e s e a r c h ，i tu t i l i z e de s i - m st oa n a l y s i st h er a n g eo fm o l e c u l a rw e i g h ta n d t h ed e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o no fn a n o - s t r u c t u r a lu n i t s f i r s t l y , t h en a n o - u n i t sw e r e f i l t e r e dt h r o u g hd i f f e r e n tm i l l i p o r em e m b r a n e st oo b t a i nt h es a m p l ew i t hp r o p e rs i z e i nt h et e s t i n gr a n g eo fe s i - m s t h e n ，i ta n a l y z e dt h es p e c t r at og e tt h em o l e c u l a r s t r u c t u r eo fn a n o u n i t s s oi te s t a b l i s h e st h en e wm e t h o dt oa n a l y s i ss t a r c hg r a n u l e s ： n a t u r a ls t a r c hg r a n u l e s 一p u r i f i c a t i o n g e l a t i n i z a t i o no re n z y m o l y s i s - s t a r c h n a n o s t r u c t u r a lu n i t s - e s i m sa n a l y s i s u n d e rt h es t u d i e sa b o v e ，i ta c h i e v e dt h et h r e eg o a l s ：1 d i s c o v e r i n gt h ep r o p e r t i e s o fs h a p ec h a n g i n gb e f o r et h eg e l a t i n i z a t i o no fs t a r c hg r a n u l e s ；2 p r o v i n gt h e n a n o - s t r u c t u r a lu n i t sa r es u b s t a n t i v ei nt h es t a r c hg r a n u l e s ；3 a n a l y z i n gt h er a n g eo f m o l e c u l a rw e i g h ta n dt h ed e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o no fn a n o s t r u c t u r a lu n i t sb y e s i m s t h er e s u l t s i nt h i sr e s e a r c hh a v ee n r i c h e dt h eb a s i ct h e o r ya n de x p e r i m e n t a l m e t h o d so fs t a r c hs c i e n c ea n dc a na l s og u i d et h ep r o d u c t i o no fs t a r c h k e yw o r d s ：s t a r c hg r a n u l e s ；n a n o - s t r u c t u r a lu n i t s ；e s i - m s 厦门大学学位论文原创性声明 本人的学位论文是在导师赵玉芬院士的指导下独立撰写并完成 的，学位论文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为， 否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任和后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名)刘钟栋 2 0 0 5 年1 2 月1 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 4 ) ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名：刘钟栋 导师签名：赵玉芬 日期：2 0 0 5 年1 2 月1 日 日期：2 0 0 5 年1 2 月1 日 谷物淀粉纳米结构的研究 1 1 本课题研究的目的和意义 第一章前言 淀粉是完全性可再生资源，是绿色植物积累能量和贮存碳水化合物的普遍形式，作 为物质与能量的结合体，是自然界物质循环和能量循环的一个中间环节，并在生物界食 物链的传递中起到关键的作用。淀粉除了可以作为食物的主要成分外，还具有价格低廉， 可被生物降解，无污染的优点，目前燃料乙醇的生产已证实，天然淀粉可能最终可替代 日渐枯渴的石油、天然气等有限资源( 目前探明地球石油储存量8 6 9 5 亿桶) i l l ，淀粉也 大量用于化学合成、制药、食品领域，在工业上也有着广阔的应用【2 】因此，研究淀粉 的结构对其应用与发展以及对于揭示生命的过程和现象有着重要的意义 天然淀粉是一种微米级的粉末，发明显微镜后，人类才对淀粉的形态有所研究：化学 科学建立之后，人类才对淀粉的分子组成进行了探索，目前形态学和化学结构方面的研 究都在同时进行，人们对淀粉的认识不仅在化学分析方面要获得分子结构的信息，在淀 粉和淀粉的构成方面也要得到形态学方面的图像信息，这两方面对于建立淀粉科学的基 础都同样重要。 目前在化学方面的研究已完成了组成淀粉的分子结构分析的：组成淀粉的基本分子 是单糖，主要是葡萄糖；同时生化方面的研究确定了单糖之间的键合。由于目前人类还 看不到单糖分子，所以对于单糖是如何组成淀粉颗粒的，目前只有推测；因此，当前淀 粉科学方面也期盼着在淀粉形态学方面的突破。目前在形态学方面对淀粉的研究处于原 淀粉颗粒的微米级空间尺度，而再将微米级的淀粉进行剖析，得到更基本的结构单元， 是非常困难的。在本研究之前，淀粉科学界还没有获得这些基本结构的形态图像信息。 因此，本课题的切入点为；构成淀粉颗粒的基本单元的结构，这一基本单元不是葡萄糖 等单糖和简单多糖，而是人类目前未知的和曾经推测过但未获得图像等直接证据和相关 的解析内容。 本课题“谷物淀粉纳米结构”的定义是指通过形态学和化学的试验方法，揭示淀粉 颗粒的更基本的组成结构单元。我们推测，这一结构单元如果存在，应该是纳米空f b j 尺 度的物质。由于在天然谷物淀粉到葡萄糖等单糖和简单多糖之间的过渡，目前的文献报 道主要是推断，没有实物和图像等直观证据，本研究将填补这一重要的环节。在这一环 节上，本研究将首要目标定为图像信息，因为。一张图像顶万言”，在淀粉科学理论上， 淀粉的“链”是推测了几十年仍未发现直接图像证据的结构，天然淀粉基本“粒”、 “b l o e k l e t s ”也是仅几十年来的推测，所以本研究在形态学方面首先进行了切入和突破。 谷物淀粉纳米结构的研究 其次，本研究将研究内容称为。纳米结构”的起因也是要与已承担并已完成的国家自然 科学基金项目一致，目前在这一领域中还的研究还没有形成公认的科学定义和描述。 天然谷物淀粉是微米空间尺度的颗粒，他们的形态特征已有大量的研究和图形实 证。在本研究之前，没有在纳米空间尺度的天然谷物淀粉和天然淀粉的构成单元的公开 图像文献，淀粉颗粒的具体结构至今仍然是一个有待揭示的内容。从整个淀粉结构研究 的历史来看，酶解、酸解及其他一些生化、化学方法都是研究淀粉组成结构的有效手段； 但是酶解和酸解破坏了淀粉颗粒的本原结构，用生物、化学方法的特征是分解淀粉结构 后，从分解所获得的产物、分解过程中不同阶段的淀粉残留物来推测淀粉的构成的。由 于显微技术和分析仪器的功能限制，一直以来，用图像获得天然淀粉构成的研究，只深 入到天然淀粉的空间尺度：微米级。用酶解、酸解分析所获得的淀粉结构信息是分子级 的，目前还不能直接用图像获得淀粉彻底水解后的简单分子组成信息，但是目前现代仪 器和分析方法的发展已可以对更小的空间尺度对揭示淀粉颗粒的内部结构起作用，透射 电子显微镜( t e m ) 和扫描电子显微镜( s e m ) ，尤其高分辨率原子力显微镜( a f m ) 的发展， 已达到能够直接观测到淀粉颗粒的内部结构尺度空间的水平，进而成为深入研究淀粉构 成和验证有关淀粉颗粒结构推测是否成立的必要手段，本研究通过大量的探索工作，引 入现代的分析仪器。与此同时，质谱分析技术( m s ) 也发展到了一个新的水平，可用于解 析某一分子量范围中淀粉颗粒结构单元。因此本课题的目的为：探索新的现代的仪器对 淀粉进行深入的解析，在纳米空间尺度建立新淀粉分析方法。组成淀粉的内部结构单元 是本课题的研究对象，前人已有对淀粉颗粒的图像信息和分子组成是本课题的基础。 1 1 1 本课题所涉及的空间尺度 世界是物质的，物质的结构是有层次的。划分物质结构层次的主要标准是空间尺度， 通常大致分为字观、宏观、细观、纳观、微观。当代物质科学的前沿主要涉及对微观世 界和宇观世界的探索【3 1 。然而由微观原子向大块宏观物质的过渡状态( 介于原子，分子 与宏观物体之间的物质结构层次) ，尤其是尺寸处于零点几纳米到几十纳米之间的由几 个到几千个原子、分子或离子组成的相对独立的物质结构单元，又称原子团簇，是宏观 物质的“量子化”结果，有着独特的物理、化学性质【4 】。天然淀粉在宏观上呈现微米尺 度颗粒形状，在微观上是以葡萄糖为基本单元的有机分子。而在分子水平的微观到具有 一定形状的宏观水平之间，淀粉粒也必然有着一些独特的结构层次。这些处于纳观和细 观尺度的层次是什么形态? 其各自的物理、生物特性如何? 本课题的研究目的就是对处 于这一空间尺度问题进行探索。在纳米空b j 尺度进行研究，目前有电子显微镜和原子力 显微镜等形态研究技术，考虑到本研究要获得尽可能不受到系统操作影响的淀粉组成结 构单元的图像，所以研究的手段主要是使用高分辨率的原子力显微镜，对于在纳米空间 尺度所发现的淀粉结构单元，利用质谱在一定的分子量范围内进行解析。 2 谷物淀粉纳米结构的研究 1 2 关于谷物淀粉颗粒形态与组成研究情况的概述 天然谷物淀粉形态学研究。始终伴随着一系列的化学分析手段和解析手段的发展， 淀粉颗粒的构成较为有效的解析方法就是将其具有不同特性的部分破坏、腐蚀掉，进行 破损淀粉颗粒的形态分析，发现淀粉颗粒的内部构成单元 1 2 1 谷物淀粉颗粒的形态学研究、化学组成及物理特性概述 1 2 1 1 谷物淀粉颗粒的化学组成 天然植物的淀粉以光合作用产生后是以单糖分子为最基本单元，形成颗粒的形态存 在于自然界中的形态学研究是淀粉科学知识体系中的重要组成，因为人类获得淀粉颗 粒后，首先是用光学、电子显微仪器分析了淀粉颗粒的视觉信息，从而推测淀粉内部的 构成和淀粉形态与特性关系，使淀粉成为重要的工业原料。在形态学知识的基础上，一 系列的分析研究相继展开，形成了丰富的淀粉科学知识体系。目前淀粉形态学研究仍然 是淀粉分析的基础工作。本研究中将进行目前仍是未知的谷物淀粉组成结构单元的形态 学研究，验证前人的推测，发现新的科学知识。 对谷物淀粉颗粒的结构研究由来已久，从一个世纪以前，物理学家和化学家们就开 始对谷物淀粉进行研究随着分析手段的发展人们对淀粉的认识逐渐深入。大量的关 于淀粉颗粒结构的研究工作通过化学、生物、物理化学的方法展开后1 5 1 。人们已经认识 到淀粉颗粒是在植物细胞质体中合成的，它普遍存在于高等植物中【6 l 。是一种重要的绿 色植物贮能形式和有机供能物质l ”。淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉组成，而直链淀粉 和支链淀粉均是葡萄塘聚合物1 6 i s 1 9 1 1 0 i i i l l 2 1 3 1 。 在分子结构上，谷物淀粉的水解产物为单糖。目前的研究推测，谷物淀粉基本上由 a - d 葡糖聚合物( 即直链淀粉和支链淀粉) 和少量的脂类、蛋白质、已糖、戊聚糖，磷、 硅r t ql i e 等共生成分组成。所有的这些微量共生成分对淀粉的物理化学特性和流变学特 性、淀粉的合成与分解以及直链与支链淀粉的数量等都有很大影响，本研究中也涉及谷 物淀粉共生物的相关问题 1 2 1 2 谷物淀粉颗粒的形态 在淀粉化学成分的分析中，发现淀粉是大量单糖、简单多糖组成的。在自然界。淀 粉的大分子聚合，构成了淀粉的宏观存在状态。高等植物中所贮藏的淀粉，主要以球状 和不规则球状的形态存在，形态学研究是分析淀粉来源、特性、研究淀粉应用的重要方 法。随植物品种的不同而不同，其形态和大小各具特征，用高倍光学显微镜和扫描电镜 可以将其来源清楚地加以区分：稻米的淀粉是有棱角的不规则形，颗粒较小：玉米淀粉 大部分是呈压碎状的六角形，它的角不像稻米那样尖锐而是带有弧形的；小麦和大麦之 类的淀粉是接近球状的椭球体，颗粒有大的和小的两种，中等大小的很少；马铃薯淀粉 谷物淀粉纳米结构的研究 是接近卵形的，也有类似薯形的；另外在高直链玉米淀粉中还可以看到不规则的细长淀 粉颗粒。淀粉颗粒的大小是多种多样的，但从粒径的分布来看，中等程度最多，大于和 小于平均粒径者逐渐减少。马铃薯淀粉是从大到小连续存在的，粒径的分布呈现一个峰； 而大麦、小麦淀粉的粒径分布均呈现有大颗粒( 平均直径约为2 5 u r n ) 和小颗粒( 平均直径 约为5 u r n ) - - 个峰，中等大小的颗粒极少【1 6 1 。根据淀粉的粒径和形态，可以将淀粉用于 食品、造纸、纺织工业等不同的领域中，同时谷物淀粉颗粒的形态和粒径参数是工业化 生产淀粉中工艺设计的重要参数，没有形态学参数甚至无法进行最基本的淀粉提取工 艺。 1 2 1 3 谷物淀粉颗粒结构特征概述 用不同的研究方法研究谷物淀粉的形态，可以从各个侧面反映淀粉颗粒的构成特 征，产生对淀粉颗粒组成的推测是首先在光学显微镜下观察淀粉颗粒时，观察到了明暗 相互交替的层状结构，这种轮纹结构被认为淀粉颗粒的生长环，是淀粉基本结构单元一 一结晶层与无定形层( 不是单糖与简单多糖) 的交替形成的【1 7 】f 1 8 】【1 9 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 1 。在偏振光 显微镜下观察到天然淀粉颗粒有黑色“十”字，被形态学家们认为淀粉粒是扭曲了的球 晶圆。原淀粉的结晶度为1 5 - 4 5 2 2 1 。淀粉是由结晶壳层与半结晶壳层交替而成，这些 壳层的厚度介于1 2 0 n m - 4 0 0 n m 之蝌2 4 】【擒。 ”cn m r ( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) 研究表明，淀粉粒内的多糖大分子螺旋程 度远大于结晶程度，因此在半结晶区的支链淀粉虽然不是晶体，却是双螺旋结构。k a t z 首先提出淀粉粒为半结晶性质【2 6 】，根据x 粉末衍射图像可以将普通天然淀粉粒分为三类 【2 7 l ；a 型( 单斜晶形) ，b 型( 六方晶型) ，介于a 型与b 型之间的c 型，糊化后的淀 粉为v 型。 电子显微镜和生化研究观察到的淀粉粒结构存在的事实及5 n m - 1 0 n m 的周期使人们 推测，这种信息反映了支链淀粉无定形区与结晶区的交替分布，作为证实，s t e r l i n g 报道 用小角度x 射线散射观察到淀粉颗粒的9 n m 1 0 n m 的规则的重复周期1 2 3 1 ，与此相一致， 小角度中子散射( s a n s ) 也显示出淀粉粒9 n m - 1 0 n m 的结晶结构周期 2 9 1 。m a n n e r 3 0 1 估计 支链淀粉有9 0 参与形成结晶( 支链团簇) ，有1 0 的链参与形成团簇间的联结。 1 2 2 谷物淀粉颗粒中的内部结构 在淀粉形态研究中，淀粉颗粒的内部结构是重要的未知内容。因为淀粉显然不是类 似于白砂糖一样小分子的结晶与聚集。对于微米级的谷物淀粉颗粒，如何“解剖”并尽 量保持淀粉颗粒内部结构的形态不受试验过程、方法的影响，获得淀粉颗粒内部结构的 图像，一直是淀粉科学中的研究重点，目前已有以下的发现。 1 2 2 1 谷物淀粉颗粒中的层状结构 对淀粉进行酶解和酸解后再进行显微观察和化学分析是揭示淀粉颗粒内部结构的 4 谷物淀粉纳米结构的研究 比较常用的办法。近几十年来使用扫描电子显微镜对淀粉的研究，曾集中于对淀粉被酶 水解的形态学观察【3 1 d 2 1 酶对淀粉粒的作用效果在一定程度上反映了淀粉粒的构成椭球形小麦淀粉、大麦 淀粉和裸麦淀粉有一个特殊的区域，被酶水解时以点状很快下陷，并逐渐扩大，形成一 个通道进入淀粉粒内部；然后再在表面随机地形成下陷，如图1 - 1 所示。而酶对玉米、 大米淀粉颗粒则呈现出广泛性腐蚀，在表面上随机形成下陷，并逐渐扩大至贯穿下一层 由偏振光显微镜可观察到脐点处的双折射消失，即酶先攻击淀粉的脐点，脐点所代表的 结构组成似乎是整个淀粉粒对酶最敏感的部位。由透射电子显微镜对细菌q 淀粉酶解淀 粉的切片观察，可以看到酶对明暗相交替的“层”，其所代表的结构组成反映了淀粉颗 粒中的不同“结晶”和结构的“软”、“硬”，酶作用过的部位呈锯齿状，如图l - 2 所示。 a 淀粉酶对小麦原淀粉的酶解是首先形成孔，但是细菌n 淀粉酶对马铃薯淀粉的作用 不是在表面形成孔，而是在表面缓慢渐进地腐蚀【3 3 】。 图1 1a 淀粉酶对小麦淀粉的酶解方式。a 为小麦淀粉赤道沟附近形成的孔。b 为a 淀粉酶对小麦 淀粉粒水解剖面图，可见在脐点处易受酶的攻击。( s a r g e a n t ) p ” 图1 - 2t e m 对玉米淀粉酶解前后对照观察，经酶解后呈锯齿状分布显示了不同结晶层对酶解的敏感 性不同【3 4 】。 谷物淀粉纳米结构的研究 酸对淀粉作用和酶的作用相似，都是对淀粉聚合物中化学键的水解。在水解的过程 中，半结晶区( 软层) 易于水解，并且被水解的速度很快【3 5 】。从透射电子显微镜对酸水 解淀粉颗粒切片的观察中，可以发现酸对淀粉颗粒中结晶性强弱不同的区域作用不同， 如图l _ 3 。从图1 4 、图1 5 中也可以很清楚地观察到淀粉颗粒中的层状结构。然而结晶 与淀粉颗粒对酶和酸的敏感性的关系是否仍与其他因素有关尚需进一步研究。由于酸分 子与酶相比本身很小，它能在更精细的尺度上对淀粉进行作用。如果延长酸的作用时间， 它能切除a 1 ，6 - 键。 通过透射电子显微镜和扫描电子显微镜对酶解和酸解淀粉的形态观察，揭示了谷物 淀粉中有通道的存在，且部分淀粉颗粒表面有“孔”的存在。这些孔和通道可能是淀粉 颗粒糊化时，直链淀粉溶出的通道，或者说是淀粉颗粒内部对外开放的门户；也可能是 酶解和酸解时，酶和酸进入淀粉颗粒内部的通道。这些通道可能是属于淀粉颗粒的天然 特征，并在淀粉颗粒抗酶解和酸解的过程中发挥着作用1 3 6 】。 以上的研究反映出，淀粉中的“通道”、“层”和“孔”可能是组成淀粉颗粒的单元， 是否能将其分离并用图像证实它们，是淀粉科学研究的重要内容。几十年来科学研究的 进展表明这是一项艰巨的工作。 图l - 3s e m 对化淀粉酶解模式的观察。a 为酸处理样品经a 一淀粉酶水解后的锯齿状结构，b 为糊精， 显示出淀粉中心脐点处的酸解情况i 卅。 图1 4 扫描电镜卜观察剑的芽孢杆卤细小a _ 淀粉酶侵蚀后的马铃薯淀粉颗粒。a 为锥状的孔洞 6 谷物淀粉纳米结构的研究 和带有小坑的表面；b 为颗粒中心被深度腐蚀，表面相对被浅腐蚀川 图1 5a 为小麦淀粉颗粒在发芽其间所观察到的受到侵蚀后的图像；b 为被黑麦a - 淀粉酶攻击后的黑 麦淀粉颗粒图像阁 1 2 2 2 关于谷物淀粉颗粒内部结构的推测模型 以上研究说明谷物淀粉颗粒是有一定的结构单元的，酸解、酶解是将淀粉组成不同 结构单元降解，而且酶作用的对象、位点比较单一，正是由于实验手段的限制和淀粉内 部结构的复杂性，使谷物淀粉的构成一直处于各种模型的推测中 1 2 2 2 1 淀粉颗粒结构示意图 天然淀粉是微米尺度的颗粒，在当时的分析方法条件下，精确的剥离淀粉或打开淀粉 颗粒的方法有限，因此，酸解、酶解由于既可以得到淀粉的单分子水解产物，得到水解到 某一程度的淀粉样品，同时可以配合形态分析方法进行研究，所以酸解、酶解的样品分析， 使人们获得了许多淀粉结构的推测，建立了天然淀粉模型的示意图。 1 2 221 1 以支链淀粉和直链淀粉单元构成淀粉颗粒 以传统的支链淀粉和直链淀粉结构单元组成一个层状的淀粉单元，可以首先推测的 天然淀粉颗粒结构，图1 - 6 是一个淀粉颗粒结构示意i g l 3 叼：这些生长环在周期性光合作 用过程中形成。每一个半结晶壳层由几个到1 6 个交替的无定形片层( 2 n m 5 r i m ) 和结晶 片层( 5 n m 6 n m ) 组成( 可参考图1 5 b ) ；半结晶层的厚度介于1 2 0 n m - 4 0 0 n m 密度较小的 无定形层含有更多水份，无定形层至少和半结晶层一样厚。用小角度x 衍射和中子散射， 发现了在各种来源的谷物淀粉颗粒中存在9 n m 1 l m 的周期，这是由无定形片层和结晶 片层的交替引起的。结晶片层是由支链淀粉的双螺旋形成的，支链淀粉的支点部分处于 无定形区( 参照图1 6 b 和1 6 c ) 。因此谷物淀粉颗粒中的结晶是主要由支链淀粉的双螺 旋形成的，而不是直链淀粉。这与淀粉的1 3 cc p m a s 特征图谱与此相一致。但上述结 7 谷物淀粉纳米结构的研究 构只是根据实验结果推导出来的理论模型，并没有得到直接证据。 图l - 6 淀粉颗粒结构示意图例。a 为淀粉颗粒的生长环示意图，由交替的无定形层和半结晶层构成： b 为生长环中半结晶层的放大图，半结晶层由无定形层和结晶层交替组成；c 为生长环中半结晶层中 的支链淀粉簇状结构。 1 2 2 2 1 2 淀粉颗粒的结晶构造模型 结晶层与无定形层的具体构成是淀粉微结构的重要研究内容。淀粉颗粒的形态研究 中，推测了淀粉颗粒的构造中有结晶部分，此后结晶部分被研究得最为广泛，因此，认 识也最为深刻：淀粉颗粒的结晶度约为1 5 - 4 5 4 0 4 1 1 ，具有三种衍射类型( a 。b ，c ) ， 这是由支链淀粉侧链簇双螺旋叠加方式的不同而引起的。图1 7 是另一种淀粉颗粒的构 造模型图：结晶区主要位于硬的壳层( 1 2 0 n m - - 4 0 0 n m ) 中( 相对于图1 - 6 中的半结晶层) 它主要由位于淀粉颗粒中的形成淀粉颗粒骨架的结晶片层构成。结晶片层并不总是平 直、平行或厚度一致，它平均厚度大约为9 n m - l o n m 。由支链淀粉中的支链形成的有序 的双螺旋形成的晶簇构成的结晶片层和由支链淀粉支点区域构成的无定形片层交替构 成 4 2 1 ( 可参照图i - 6 c ) 。在硬结晶片层中的侧链簇具有不同的大小，但其平均宽度为l o n m ， 平均长度为9 r i m 1 0 n m ( 平均长度代表片层的厚度) 。透射电镜图像表明在结晶层之间， 存在有无定形区。因此，结晶层区并不是连续的。对酶降解的淀粉用扫描电镜观察 ( g a l l a n t ，1 9 9 2 ) m 】发现对于抗性淀粉如马铃薯淀粉、直链玉米淀粉与抗性较小的淀粉相 比较具有较大的b l o c k l e t s ( 5 0 n m 5 0 0 n m ) 。b l o c k l c t 的形态似乎是影响淀粉颗粒抗性的一个 重要的因素。 淀粉颗粒中的大量物质并不是晶体物质( 超过5 0 8 5 ，这取决于淀粉类型) ，在 淀粉颗粒结晶壳层中的无定形形态的部分可能有以下作用：( 1 ) 支链淀粉支点区( 参 照图i - 6 中的c ) 形成的无定形形态的部分可能起到对结晶片层之间联结的作用。( 2 ) 谷物淀粉纳米结构的研究 在支链淀粉侧链簇之间的的淀粉内部无定形区域可以使得结晶片层本身具有一些弹性 ( 3 ) 在硬结晶壳层和软结晶壳中的b l o c k l e t s 周围的无定形区可能对整个淀粉颗粒的弹 性具有重要的作用由于吸收和释放水分，无定形部分因此控制着淀粉颗粒体积的变化 弹性较差的结晶部分在某种程度上限制淀粉颗粒的膨胀( m o r r i s o n ，1 9 9 4 ) 4 7 。( 4 ) 在淀 粉颗粒中的半结晶和无定形部分被认为是淀粉颗粒中的通道的最主要组成部分通过这 些存在的通道( 以及相关的表面的孔) ，在糊化时，直链淀粉可以释放出来。这些孔洞 可能很容易被酶侵蚀，同时这些孔洞可能决定淀粉颗粒的抗性( 与其它因素一起) 图l - 7 淀粉颗粒的构造模型图删左上角的图示意了淀粉颗粒结晶壳层( 硬) 和半结晶壳层( 软) ( 分别为黑色和白色) 。壳层越剑外越薄( 这是因为淀粉颗粒的生长速率恒定，而表面却越来越大) ， 中间是脐点。中间的图示意了在更高层次上淀粉颗粒中的b l o c k l e t 的结构，同时也示意淀粉颗粒中的 旱辐射状的通道。b l o c k l e t 的左图示意了片层中的支链淀粉聚合物。在左下角示意了在支链淀粉形成 结构中的直链淀粉与脂质( 蛋白质) 的图像1 4 6 1 ( g a l l a n t ，1 9 9 2 ) 1 2 2 2 2 谷物淀粉中的微粒子( b l o e k l e t ) 在淀粉粒中无定形层与结晶层的交替说明了淀粉是有序结构与无序结构单元相并 存而且相互交替，在有序与无序之甸也必然有着某种过度，即半结晶层。在1 9 世纪三 9 谷物淀粉纳米结构的研究 十年代末，b a d e n h u i z h e n 鹋 在用光学显微镜观察操纵子对淀粉的化学降解时指出淀粉有 天然抗性结构单元的存在，他以“b l o c k l e t ”来描述。扫描电镜、透射电镜、酶降解以及 近年出现的原子力显微的研究表明，支链淀粉的无定形片层和结晶层形成较大的，或多 或少类似于球状的结构，被称之为“b l o c l d e t s ”。然而1 9 6 8 年s t e r l i n g 【4 9 谰扫描电子显微 镜发现的淀粉中有纤维性组分的存在，进而用这种观点来驳斥b l o c k l e t 的观点，而使得 这一观点被人所遗忘。在1 9 世纪7 0 年代g a l l a n t 由扫描电子显微镜观察淀粉发现软( 无 定形) 硬( 结晶) 两层存在大小不同的颗粒 3 0 1 。后来他用高倍的扫描电子显微镜来观 察n 淀粉酶降解淀粉时，发现残留有或多或少的球状颗粒的互相堆积【5 l l ，这与 b a d e n h u i z h e n 在早年描述的b l o c k i e r 相似。2 0 世纪末，e m b a l d w i n 捌等人用高分辨率 的原子力显微镜观察到小麦淀粉的表面有1 0 n m - 5 0 n m 的突起，推测这些突起就是淀粉中 存在的微粒子，是淀粉的纳观结构的一种构成形式，如图1 8 a 所示。后来，t o s h i oo h t a n i i s 3 等用a f m 观测了破碎淀粉粒，得到破碎淀粉粒断面上有直径为3 0 r i m 左右的淀粉微粒 子的存在，如图1 8 b 所示。k r o kf 等人也观察到了类似的现象【s q 。 图1 - 8a 为r i b a n d 小麦淀粉颗粒表面的典型的a f m 图像，扫描范围为1 0 0 0 n m 2 , 高度差z 为4 1 9 n m ； b 为a f m 观测破损小麦淀粉断面，发现直径为3 0 n m 的颗粒存在( t o s h i o o h t a n i ) 。 1 2 2 2 3 谷物淀粉颗粒中的直链淀粉和支链淀粉 用生物化学方法对淀粉进行降解，根据降解所发生的化学键，发现淀粉颗粒的结构 单位中应具有直链淀粉和支链淀粉的形态结构单元。直链淀粉和支链淀粉都是由葡萄糖 单位组成的葡聚糖链，m e y e r 等人研究证明，直链淀粉是由很长的线性链构成，而支淀 粉存在大量的支链。至此，已经可以肯定淀粉是由直链淀粉和支淀粉组成。其中直链淀 粉基本上为线性的d 1 ，4 d 一葡糖链，支链淀粉是在a 1 ，4 d 葡糖链上由q 1 ，6 d 葡糖苷键连接起来的形成支链。每种组分的分子量、链的聚合度，随其在淀粉颗粒内所 处的位置而不同，且不同植物来源的淀粉在理化性质方面上存在差异。m o r r i s o n 和 k a r k a l a s 的研究表明【5 5 】：a 1 ，4 糖