淀粉小体结构与性质关系研究

The structure of starch can be divided into four hierarchies: molecule, blocklet, shell (growth ring), and granule structures. Among them the blocklet structure is the key point to reveal the complex architecture of starch, and to ascertain the relationship between structure and property of starch. Although the frame of this hierarchical structure has been built up, the structure of blocklet, which is the building block of shell and granule, remains unkown. Based on the previous work, the protocol for this project is, by appling atomic force microscopic, ultrathin section, high-resolution transmission electron microscopic, and size exclusion chromatographic techniques and so on, potato, corn, and mung bean starches will be used as starting materials and subjected to treatments such as enzyme digestion, modification etc. The 4 core questions in blocklet structure will be investigated: (1) relative of shape and size between blocklet and granule; (2) inter blocklet force; (3) relation between starch molecules and blocklet; (4) impact of modification on blocklet structure. Combined with the investigation on crystalline, pasting, and rheological properties of starches, relationship between blocklet structure and starch properties will be demonstrated. The findings will improve the model of starch structure and theoretically adding to the existing body of knowledge on structure of starch，and have theoretical and practical significance for controlling reaction sites in starch granule, new product development, and producing starch with special structure by directed breeding using genetic engineering technology.

淀粉结构可分为分子、小体、壳层（生长环）和颗粒四个结构层次，其中小体结构是揭示淀粉复杂的空间构造，明确淀粉结构与性质关系的最关键环节。淀粉的这种层次结构框架虽然已经建立起来，但是作为壳层和颗粒构造单元的小体结构尚不明确。在前期研究工作的基础上，本项目的研究思路为：应用原子力显微镜、超薄切片、高分辨率透射电镜、分子筛色谱等技术，以马铃薯、玉米、绿豆淀粉为研究对象，采用酶解、变性等处理方法，对淀粉小体结构中的4个核心问题进行研究：（1）小体形状尺寸与颗粒形状尺寸的相关性；（2）小体之间的相互作用力；（3）淀粉分子与小体间的关系；（4）变性对小体结构的影响。结合淀粉结晶、黏度和流变等性质的测定，分析确定小体结构与淀粉性质的关系。本研究结果将完善淀粉的结构模型，丰富淀粉结构理论体系，并对淀粉的定位变性和新产品开发，以及通过基因工程技术定向培育具有特殊结构的淀粉具有重要的理论和实践意义。

小体是淀粉四个结构层次（分子、小体、壳层和颗粒）中已有信息最少的一个。作为颗粒的组成单元，明确小体的结构与性质是淀粉结构研究的重要基础。本项目以薯类、豆类和谷类淀粉为研究对象，通过建立小体观察和小体分离的方法，进而研究小体的尺寸、形貌、相互作用力、分子组成、性质，以及变性对小体的影响等。建立了观察淀粉颗粒表面小体的有限酶解法。平均粒径为12.9-28.8 μm的不同淀粉的颗粒，用α-淀粉酶在常温下处理后，颗粒表面小体的尺寸为30-73 nm。经分析表明，颗粒表面小体的尺寸与淀粉颗粒的大小没有明显的相关性。.首次建立了分离淀粉小体的方法—不完全糊化法。对薯类、豆类、谷类淀粉的研究结果表明，运用该方法所有淀粉都可以分为上层小体和下层外壳。外壳的耐热、耐剪切能力较好，证明了外壳的小体之间连接作用力强，内部壳层的小体之间连接作用力弱；以此推断外壳小体以共价键连接，内部壳层的小体以氢键连接。还运用该方法，首次从小体层面解释了淀粉糊化过程的机理和串珠状小体的存在。对分离得到的小体进行了分子组成和分子量的分析。上层小体的直链淀粉含量在80%左右，分子量在10^6 g/mol左右，回转半径在40 nm左右；外壳小体的直链淀粉含量在20%左右，分子量在10^7 g/mol左右，回转半径在115 nm左右。小体的分子构成可以分为三种情况，由直链淀粉或支链淀粉分子单独或共同构成。通过对两种乙酰化试剂（乙酸乙烯和乙酸酐）制备的低取代度乙酰化马铃薯淀粉，酶解法研究表明，乙酰化对颗粒表面小体的形态、尺寸并未有明显的影响；不完全糊化法研究表明，分离得到的乙酰化淀粉小体的尺寸大于原淀粉小体的，这是由于乙酰化的小体更易水合和膨胀。对分离的上层和下层小体的性质研究结果表明，小体的相对结晶度都小于原淀粉的。与原淀粉相比，上层小体的水溶性大大降低，无法形成凝胶；下层小体的透明度较低，凝胶形成能力较弱。这些研究结果从小体层面进一步完善了淀粉结构理论体系，对淀粉新产品的开发有重要的理论指导意义。