趙米雪，包亞莉，劉培玲*

（內蒙古工業(yè)大學化工學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

根據現代物質科學的基本理論，一種物質的性能與其組成、結構之間存在緊密的內在聯系，充分掌握和分析其微觀組分以及排列結構是深入了解物質性能及其應用機理的關鍵。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，其產量僅次于纖維素，且來源廣泛、成本低廉、可降解、無污染[2]。淀粉宏觀層次上復雜的變形力學響應是其細觀、乃至微觀組成與結構的體現。因此，只有深入分析淀粉顆粒在不同層次的組成和排列結構的作用與內在聯系，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]。因此對淀粉顆粒微觀結構的研究成為當前研究的發(fā)展趨勢。本文綜述了天然高分子淀粉的微觀結構的最新研究進展，尤其對淀粉的組成、結構及常見淀粉模型進行詳細綜述。研究淀粉分子的微觀結構[4]與改性過程中結構之間的關系，可促進天然高分子改性和加工技術的發(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，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構[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。淀粉的性質會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構和組成有很大變化，產生個體差異。差異主要表現在顆粒的大小、表觀形態(tài)及性質方面。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，如中間級分、脂類、蛋白質、礦物質等[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），有一個還原性末端和一個非還原性末端，呈右手螺旋結構，每6 個葡萄糖單位組成螺旋的一個節(jié)距，在螺旋內部只含親油的氫原子，羥基位于螺旋外側。直鏈淀粉的DP為1 000～10 000，分子質量約為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，摩爾分數為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，單個直鏈平均分支數為5～21。平均每200～700 個葡萄糖單位有3～11 個支鏈，分支點是α-D-1,6-糖苷鍵連接，少于總糖苷鍵數的0.5%[8]。分支相隔距離通常很遠，因此其物理性質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種認為直鏈淀粉位于支鏈淀粉徑向位置，此時直鏈支淀粉的相互作用力最小[10]，但該假說沒有實驗依據。其他兩種假說認為鏈淀粉在主鏈徑向方向，以束狀或單獨形式隨機分布在支鏈淀粉簇的半晶區(qū)或無定形區(qū)。已經通過玉米淀粉的交聯反應證實直鏈淀粉彼此不發(fā)生交聯[11]。從而證明第3種假說正確，即直鏈淀粉單獨存在，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]等證明大多數的直鏈淀粉能夠在低于糊化溫度時滲出顆粒表面，滲出的直鏈淀粉都是單螺旋狀態(tài)，因此認為直鏈淀粉主要是以單螺旋結構存在。90 ℃時能夠從顆粒中提取出大多數的直鏈淀粉[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構，或是被纏繞在淀粉顆粒內部錯綜復雜的結構中[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支鏈，各葡萄糖單位之間以α-D-1,4-糖苷鍵連接構成它的主鏈，支鏈通過α-D-1,6-糖苷鍵與主鏈相連（圖1）。分支點的α-D-1,6-糖苷鍵數占總糖苷鍵數的5%～6%[19]，支鏈淀粉的分子質量大于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Peat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，沒有側鏈；B鏈與一個或幾個其他鏈相連；C鏈連接非還原性末端，因此一個大分子只包含一個C鏈。不同來源的淀粉其支鏈淀粉的DP、平均CL、內鏈及外鏈的平均長度也不同。Hanashiro[21]、Parker[22]等通過對還原性末端進行熒光染色，計算DP在10～130范圍內，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)現支鏈淀粉的鏈結構具有特征長度片段（CL大約在25～30）并再次把長B鏈細分為B2鏈（CL約45）、B3鏈（CL為70）。許多淀粉的HPAEC結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。fa在晶體融化時不發(fā)生變化，fb1則發(fā)生變化。說明短鏈不容易形成雙螺旋結構，反而干擾結晶結構的組織使顆粒的結晶層存在缺陷。Bertoft等[23]從玉米支鏈淀粉中分離出中間長度的鏈，認為是原來定義B1組的亞組，因此命名為B1b和B1c（對應的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“指紋結構”[24]。CL為6～8組成為A鏈亞組，稱之為A鏈指紋結構，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道[26]，這一類結構在玉米、小麥、大麥、大米、馬鈴薯及木薯淀粉中可見，用物質的量單位衡量，但是含量非常少，甚至一個高分子僅含有一個或幾個。采用質量基準衡量在1%～10%之間。有報道稱大米淀粉樣品，尤其是indica品種中超長鏈的含量多達14%～20%，其中結合態(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]。

支鏈淀粉的簇狀結構建立于酸處理淀粉的研究基礎上。酸處理后驟然出現大量短鏈，從而推斷支鏈淀粉的分支結構以簇狀結構存在，此后簇模型被廣泛接受。簇狀結構大小差別很大，4～34 個鏈不等[5,28]，一個DP為10×103～16×103的支鏈淀粉由60～120 個簇狀結構組成[10]；因此目前仍然無法對簇狀結構精確定義。

將簇狀結構分離的研究很少。一般認為可以用淀粉內切酶切斷簇狀結構內部的片段（inner chain snippet，IC-S）。Bender等[29]用環(huán)糊精葡萄糖基轉移酶（cyclodextrin glycosyltransferase，CGT）分離糯玉米和馬鈴薯支鏈淀粉中簇狀結構，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構粗略的估算為β-LD DP的兩倍，即80～280）。Finch等[30]用一種麥芽四糖合成酶發(fā)現馬鈴薯及小麥支鏈淀粉中含有相同數量的簇狀結構，但是馬鈴薯的簇狀結構比小麥的大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構尺寸。他們將支鏈淀粉水解率急劇降低作為簇狀結構的標準，分析中間糊精的結構，并定義簇狀結構為一組支鏈結構。對玉米、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構[32-35]。

簇狀結構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]。組成簇狀結構的分支群數量根據分支群與簇狀結構的尺寸可分為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，簇狀結構的ICL分別為4.4和4.3～6.4，也就是說組間鏈長（in between chain length，IBCL）確實較長。事實上，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構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)現馬鈴薯淀粉存在結構上稍有不同的簇狀區(qū)域。

支鏈淀粉不僅參與結晶結構，也參與無定形結構。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，即簇狀結構之間、簇狀結構內分支群之間、分支群內。分支群的平均ICL僅有2～3，因此分支群是分支結構高度密集的區(qū)域。對馬鈴薯分支群的分析發(fā)現有兩種尺寸的分支，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與另一個鏈相連，并且攜帶一個或兩個鏈于其還原性末端。

圖4是莧菜支淀粉簇f-LD及β-LD的分支群結構模型[34]，該簇狀結構DP為82，組成6 個分支群，一個較長的B1b或B2鏈，其余的為B1a或A鏈。莧菜支鏈淀粉簇發(fā)現3 種鏈，組間片段為7，證明這個鏈參與連接兩個分支群。B1鏈是18～22，說明其跨越了3 個分支群。由于一些簇擁有很長的鏈，如DP達到45（如同B2鏈），它們可能參與到5 個分支群的連接。因此該圖的結構暗示鏈中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分支群結構模型[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間堆積形成晶體[39-40]。

1.3 中間級分

不同淀粉種類其中間級分物質的特點也有很大不同，因此很難明確給出其定義。對中間級分的分離提取方法不同，所得結論也不盡不同，因此在中間級分相關領域的研究還有很多工作值得進一步開展。目前對中間級分只能較籠統的定義為：在淀粉粒中存在一類結構和性質介于直鏈淀粉和支鏈淀粉的大分子多糖類物質，用GPC分離過程中不會與1-丁醇（支淀粉片段）發(fā)生絡合反應，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立組分被稱為中間級分。

中間級分主要存在于經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行分類。但是中間級分長鏈更多，長鏈與短鏈的比例更高。中間級分的分子質量越低，長鏈的比例越高[41]。如Lansky等[42]分離的中間級分與碘的結合能力較差，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，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)現一類DP僅有95的線性分子。研究表明，這類中間物質的出現是因為缺少分支酶IIb[43]。豌豆淀粉中間級分的特點是，所有很短的鏈淀粉有很長的分支，與同等大小的相應的簇狀結構中的分支結構相比，分子質量更低，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量的0.8%～1.2%和0.6%～0.8%[20]。馬鈴薯及豆科的脂質含量極低甚至沒有脂質[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鏈形成穩(wěn)定的復合物，在形成復合物時，磷脂的非極性部分通常位于直鏈淀粉雙螺旋結構的內部，而極性部分位于外部，以便使更多的磷脂包裹在雙螺旋結構內部，脂質在顆粒中呈放射狀分布[19]（圖5）。鏈脂復合物存在于無定形結構中，也可以通過“韌化”處理成為有序的結晶結構而形成層紋狀的V-型淀粉。通過X射線微量分析及光電子能譜證明淀粉-脂類復合物的結晶度和熱穩(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性，已經通過魔角旋轉核磁共振法證明并可以量化其中的鏈脂復合物[12]。例如：在普通大米淀粉中鏈脂復合物占直鏈結構的43%，在燕麥淀粉中占直鏈結構的33%，含鏈脂復合物的直鏈淀粉占整個直鏈淀粉的13%～43%。據報道，在低直鏈淀粉含量（糯）大麥及玉米淀粉中，含鏈脂復合物的直鏈淀粉達到整個鏈淀粉的19%～62%[45]。因此只有很少量的直鏈淀粉是和脂質形成復合物。以此類推，并不是所有的脂質都和直鏈淀粉形成復合物，也有的是以游離脂質的形式存在。另一種檢驗鏈脂復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吸熱峰，當淀粉經脫脂處理后，該峰即消失，當又重新加入脂質，該峰又出現[46]，說明該峰的出現歸因于鏈脂復合物的融化。

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

1.5 蛋白質

淀粉顆粒中還存在少量蛋白質（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]。由于蛋白質具有較高的水分子結合能力，因此對淀粉的理化特性如膨脹度、溶解度等產生顯著的影響，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。蛋白的存在還會影響淀粉的結晶度，如小麥淀粉脫去蛋白后，其結晶度會顯著降低。

一些淀粉顆粒（例如玉米、高粱和小麥）具有小孔道結構，從顆粒表面延伸到顆粒內部。高粱淀粉中，外部小孔的開口直徑為0.1～0.3 μm，內部為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，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性，Han等[53]發(fā)現孔道中充滿蛋白質，其中最主要的蛋白質是brittle-1（一種和玉米淀粉中brittle-1基因突變體相關的蛋白質）。

2 淀粉顆粒不同結構水平的組織形式

淀粉顆粒結構較為復雜，其內部的精細結構至今尚不明確。為了準確地研究復雜的淀粉結構，通常將淀粉顆粒結構從雙螺旋結構（?）、層狀結構（9～10 nm）、超螺旋結構（10～100 nm）、止水塞結構（0.1～1.0 μm）、輪紋結構（1～10 μm）、顆粒（約10 μm）等層次來進行描述[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構。

圖6 淀粉顆粒由低到高6 個數量級不同結構水平的組織形式Fig. 6 Different levels of structural organization spanning six orders of magnitude of starch granules

2.1 雙螺旋結構

雙螺旋結構主要由支鏈淀粉位于最外端的A鏈和B鏈組成的，一個支鏈淀粉分子可同時參與到多個雙螺旋結構中，且支鏈淀粉和直鏈淀粉也可相互作用形成雙螺旋結構。雙螺旋結構平行排列，螺旋每上升10.4～10.5 ?有3 個D-吡喃葡萄糖單元，沿著單股螺旋軸重復距離相當于6 個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構。Gidley[62]的研究認為淀粉鏈要形成雙螺旋單體結構，其CL至少要在10 個單元以上，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合起來。迄今發(fā)現淀粉中最短的支鏈DP為6，6～9 個單元的支鏈阻滯糊化后淀粉發(fā)生重結晶。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構[13]。螺旋結構的有序程度大于結晶結構的。多數的支鏈淀粉以雙螺旋結構形式更多地存在于無定形結構中。計算機模型也證實支鏈淀粉中的雙螺旋結構按照能量最低原則存在于無定形結構中，甚至是1～6分支點（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 淀粉雙螺旋結構Fig. 7 Double helix structures of starch[62]

單螺旋-單螺旋、雙螺旋-單螺旋、雙螺旋-雙螺旋模型充實了分支群概念[63]。連接兩個分支點的單螺旋片段長度具有0～10的規(guī)律性差異。一定的ICL構成平行的雙螺旋結構，因此，認為ICL決定其結晶度。按照能量最低原則，雙螺旋結構可以疊加在顆粒結晶區(qū)或雙螺旋結構上[64]。

直鏈淀粉形成一個每圈有6 個葡萄糖單元的單螺旋結構，內部疏水、外部親水。一個螺旋結構有6～8 個葡萄糖單元，其中7 個葡萄糖單元的螺旋結構厚度為10 nm[65-67]，內含特定絡合物[41]。淀粉分子中只有環(huán)狀葡萄糖單元中的3 個羥基是自由的，可以旋轉到分子環(huán)的一側，使這一側親水性更強。相反的一側則因暴露的—CH而顯示微弱的疏水性能。螺旋鏈內側的羥基團可與一些乙醇類及芳香復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，鏈淀粉的鏈是不穩(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構是6 個葡萄糖殘基組成一個左螺旋結構。螺旋高度7.92～8.04 ?之間；目前被廣泛接受的V-型淀粉的鏈脂復合物模型是：脂質結構中的脂肪族部分在鏈螺旋結構內部，而體積龐大難以進入的極性基團在螺旋外部。普通玉米和小麥淀粉中鏈結構的22%與脂質形成單螺旋結構。

2.2 超螺旋結構

超級雙螺旋結構可以通過透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）進行觀測。選擇分子質量小的，未著色的淀粉顆粒片段作為觀測對象，可發(fā)現“蟲狀”波紋結構。Oostergetel等[68]通過結合電子斷層攝影術及低溫電子衍射技術，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結構。如圖8所示，螺旋結構組成連續(xù)規(guī)則的結晶網狀結構，像一個骨架結構。螺旋之間大約18 nm，節(jié)距大約為10 nm[69]。結晶區(qū)包含支淀粉大分子雙螺旋結構的線性片段，形成包含四角排列的左手螺旋結構的連續(xù)網狀結構[70]。由于附近的螺旋結構彼此滲透，結晶層形成一種接近連續(xù)的超螺旋結構。在超螺旋結構中含有一個直徑為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構[70]Fig. 8 Super helix structures of potato starch[70]

2.3 止水塞結構

Baldwin等[71]用高分辨率原子力顯微鏡發(fā)現淀粉顆粒表面細節(jié)：在結晶區(qū)之間有輪紋結構；支淀粉層存在于顆粒內部；顆粒表面具有孔道結構。Bahnassey等[72]首先證明化學降解的淀粉中存在自然抗性單元止水塞。淀粉顆粒纖維質概念與止水塞概念截然不同，當時顯微鏡分辨率還不足以解決這個爭論。因此，當支鏈淀粉簇模型建立后，這兩個概念也被遺忘了；而現在越來越多的研究發(fā)現這兩個概念有一定的根據。纖維質概念強調直鏈淀粉與支鏈淀粉聚合物的徑向組織形式，而止水塞概念強調顆粒內部結晶結構的高度有序化。

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構，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構的證據。止水塞具有顯著的非對稱性結構，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備的超薄淀粉顆粒切片，得到的結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這種標記物具有滲透性，只突出顆粒結構的無定形區(qū)域，揭示大約橢圓體區(qū)域20～500 nm范圍內的止水塞結構。而TEM法不容易滲透，可以揭示整個顆粒的止水塞結構。而且，由于TEM法分辨率較高，也能觀察到止水塞結構交替出現的結晶層及無定形層。

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）止水塞結構比A-型（如小麥淀粉）大，B-型的止水塞結構的直徑為400～500 nm，而A-型的直徑是25～100 nm。馬鈴薯淀粉大的止水塞結構出現在顆粒表面附近，大約是遠離中心10 μm左右，小的止水塞結構在顆粒中心附近。在小麥淀粉中，100 nm的止水塞結構是硬的結晶環(huán)，而不是軟的。因此，當顆粒阻抗力與一些相互作用因素有關時，止水塞結構的尺寸（結晶度）將對顆粒的阻抗性起作用，止水塞結構尺寸因而對馬鈴薯淀粉外層相對阻抗力有作用，也對相對半晶體和無定形結構的輪紋阻抗性有作用。

Atkin等[78]的研究結果支持中間止水塞結構，他們發(fā)現如果粒子表面破裂，小的、橢圓體粒子在淀粉顆粒糊化時形成并釋放于周圍介質中。說明單一粒子（直徑400 nm，可比作止水塞結構）彼此并非共價相連。止水塞結構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構，而后者，代表單個支鏈淀粉大分子。此結構的形成通過將兩個方向的簇模型主鏈結合成一個螺旋結構。然而，超螺旋結構的直徑是18 nm，只相當于最小的止水塞結構幾分之一大小，即幾個螺旋結構組成一個最小止水塞結構[77]。顯然，這些結構（止水塞、超級螺旋和支淀粉大分子）水平之間的關系還不清楚，需要進一步研究。為了更好地結晶，止水塞中的支鏈淀粉應進行同向排列。既然上述短鏈的長度（即晶層厚度）、長鏈/短鏈、平均DP、每分子含有鏈數以及結晶尺寸等均為客觀的可重復的數據，因此可以基于這些數據提出正常止水塞結構的構架。止水塞結構將是半結晶超級結構，至少在大的止水塞中，一般由一些支鏈淀粉鏈組成。普通止水塞有結晶層和無定形層組成，它們也是形成支鏈淀粉簇狀結構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。有兩類構型止水塞，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外層的組成[77]。

綜上，不同來源的淀粉止水塞結構形狀相似，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；在無定形結構中止水塞的排列形成缺陷，排列不緊密；有止水塞復合體存在；生長紋及無定形紋并不總是連續(xù)的。

2.4 顆粒結構

淀粉顆粒最基本的結構特點是由厚度在100～400 nm的無定形層與結晶層交替組成的天然多晶體系[78]，這樣的結構被稱為輪紋結構（圖10）。通常結晶區(qū)約為顆粒體積的15%～30%，而無定形區(qū)的構造至今還沒有較好的確定方法[79]。結晶區(qū)和無定形區(qū)間無明確的分界線，變化是漸進的。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部存在9～10 nm的片段。該片段可以歸因于顆粒內部交替出現的結晶層與無定形層，并通過側鏈的簇狀結構形成，從支鏈放射狀的地方分叉。這也是淀粉顆粒共有的特點，與淀粉來源無關[70,80-81]。不同來源的淀粉顆粒具有相應的特征顆粒形貌，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，會呈現偏光十字或馬耳他十字，這是淀粉粒具有晶體結構的重要標志。雙折射性是由于淀粉粒的高度有序性（方向性）所引起的，高度有序的物質都有雙折射性。淀粉偏光十字的存在證明了淀粉的球晶結構的存在，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多向性[82-83]。十字的交叉點位于粒心，因此可以進行粒心的定位。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 淀粉輪紋結構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 淀粉晶體結構

淀粉晶體具有假六邊正交晶系的晶格結構，直徑大約為15 nm，其a＝11.9 ?、b＝17.7 ?、c＝10.52 ?，α＝β＝γ＝90o，為右旋。每個晶胞中雙螺旋結構反向堆積。利用螺旋結構每一全匝包含的單糖單元數n，及每個單元沿螺旋軸上升的距離h，研究淀粉晶體的結構，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 個水分子。從這些數據看，A-型、B-型淀粉雙螺旋結構的十字區(qū)橫截面面積可以估算為2.1 nm2和3.0 nm2。雙螺旋結構的體積為分別為15 nm3和26 nm3。

由于晶格結構與水分子數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呈現V-型。大多數谷物淀粉都呈現A-型圖譜，塊莖類淀粉或直鏈淀粉含量較高的淀粉呈現B-型圖譜；C-型圖譜表現出A-型與B-型混合圖譜的特征，存在于大多數豆類植物淀粉中；V-型圖譜主要存在于直鏈淀粉和脂肪酸的復合物、磷酸單酯以及糊化后的淀粉。烹飪后，面團的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-型淀粉單位晶格結晶結構排列的3D結構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成，主要區(qū)別在于雙螺旋的聚集方式上。A-型結構中鏈淀粉與支鏈淀粉相對獨立的存在于淀粉中，B-型結構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會[84-85]。B-型結構中，左手雙螺旋平行聚集，構成六方體形，中心部位充滿36 個結構水；A-型結構比較緊湊，雙螺旋占據中心部位，中心僅有8 個結構水，如圖14所示。固態(tài)13C核磁共振結果顯示，為A-型C-1峰為三重峰，而B-型則是雙峰，說明A-型結構的重復單元是麥芽三糖單元，而B-型重復單元則是麥芽二糖[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]的應用及小分子低聚糖的結晶研究[87-88]，A-型及B-型結晶結構的3D結構已經很清楚。A-型淀粉的結晶結構又通過對單個微米級單晶同步加速輻射法進行微衍射，確定了水分子的位置在A-型結晶密度為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歷結晶過程中損失的熵不同造成。原淀粉同質異晶的轉變及球晶的形成可以通過現場同步加速X射線衍射的方法檢測。C-型淀粉可認為是A-型和B-型兩種淀粉類型成分混合形成[19,56]。

4 結 語

近年來，在不斷進步的現代分析儀器和技術的幫助下，對淀粉的宏觀及微觀結構已經有很大進展。淀粉顆粒不同結構水平已大致被掌握，但對于顆粒3D細觀結構的了解仍然有限，模型還遠達不到僅從結構就可以推測出功能的水平，對淀粉顆粒結構在計算機輔助下進行結構優(yōu)化設計是將淀粉的宏觀定量方法與顆粒細觀結構設計相結合的必要手段；因此，細觀結構進行計算機模擬設計的基本方法將會成為今后的重點發(fā)展趨勢。

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