淀粉工艺学

**章淀粉的结构与性质 　　对淀粉的分子而言，结构是功能的基础。淀粉的结构包括化学结构、空间结构、分子构象和淀粉颗粒的微结晶结构。在淀粉分子结构中，化学结构是基本的结构，化学结构决定高级结构，空间结构决定淀粉的性质。不同植物来源的淀粉分子因其结构的差异而具有各自不同的特性。只有掌握淀粉的结构知识，才能对淀粉的特征、性能作出充分的解释。在工业生产中，淀粉的结构和性质是确定制取工艺的依据。同时，有关淀粉分子结构的理论也可为淀粉的物理和化学变性、酶降解及在发酵工业中的应用，进行深度加工，提供可靠的信息。 　　**节淀粉的构成单位和组分 　　一、淀粉的基本构成单位 　　淀粉是高分子碳水化合物，是由单一类型的糖单元组成的多糖。淀粉的基本构成单位为a-D-毗喃葡萄糖，葡萄糖脱去水分子后经由糖昔键连接在一起所形成的共价聚合物就是淀粉分子。淀粉属于多聚葡萄糖，游离葡萄糖的分子式以C6H1Z06表示，脱水后葡萄糖单位则为C6HlQ05，因此，淀粉分子可写成CC6H1005λ，或者写成[~H70ZCOH)3Jn、[C6H7COH)30ZJn，n为不定数。组成淀粉分子的结构单体(脱水葡萄糖单位)的数量称为聚合度，以DP表示。 　　葡萄糖的开链结构有5个是基，C4和C5上的起基可与醒基形成环状半缩醒结构，分别形成五环和六环两种结构存在，1，5-氧环为毗喃糖环，1，4-氧环为映喃糖环，淀粉中的脱水葡萄糖单位是以毗喃环存在的。 　　淀粉是经由α-1，4-糖昔键连接组成的。其后，人们把淀粉分离为直链分子和支链分子(图1-1、图1-2)，直链分子是D-六环葡萄糖经α-1，4-糖昔键组成，支链分子的分支位置为α1，6糖昔键，其余为α1，4糖昔键。酶法水解淀粉产生麦芽糖，产率可达70%~80%，说明麦芽糖是淀粉分子的组成部分，淀粉分子中糖昔键应与麦芽糖分子中的糖昔键相同，麦芽糖是2个D六环葡萄糖经由α1，4糖昔键组成的二糖，所以淀粉分子中也应是α1，4糖昔键。而淀粉水解产物中同时还有少量的异麦芽糖存在，是经由α1，6糖昔键组成，这表明除α1，4糖昔键外，还有一定量的α-1，6-糖昔键在淀粉中存在。 　　虽然淀粉的化学组成比较简单，但对其进行结构分析并不容易。多糖至少由两种碳水化合物组成，但对淀粉组分和其他葡聚糖来讲，很难将单一类型的碳水化合物组成有意义的次序。因此，需要利用特殊参数来描述淀粉组分的特性。在支链淀粉中短链聚集成束，这些束结构通过长链相互连接。支链淀粉结构中不同类型的链、链段见图1-3。 　　根据Peat等提出的经典命名法，A链被定义为不可替代链，而B链则可被其他链替代。大分子支链淀粉还含有一个C链，其具有唯一的还原末端。实验表明，C链无法同B链区分开。也可根据链的长短来描述链的特性，但对链长无确切的定义。而且，对链长的定义，直链淀粉与支链淀粉差别很大。不同的链进一步被分成特征性的片段，外链指从*外面的分支点延伸到非还原端的部分。这样，所有的A链都是外链，而部分B链也属于外链。其他的B链称作总内链，包括所有分支点上的葡萄糖残基。另一种定义是核心链，其不包含*外分支点上的残基。*后，内链被定义为分支点之间的B链片段，其不包含分支点上的葡萄糖残基。为了应用方便，一般认为分子还原末端的片段也属于内链。采用淀粉酶对淀粉成分进行限制性水解，可很方便地获得上述链段。 　　二、直链淀粉和支链淀粉 　　在高等植物中，淀粉存在于质体内，并以淀粉粒的形态存在。1940年K.H.Meyer将淀粉团粒完全分散于热的水榕液中，发现淀粉颗粒可分为两部分，其中形成结晶沉淀析出的部分称为直链淀粉(amylose)，留存在母液中的部分称为支链淀粉(amylopectin)。那些两者尚没有被分开的淀粉通常以"全淀粉"相称。 　　直链淀粉实质是α-D-毗喃葡萄糖基单位通过1.4-糖昔键连接的线型聚合物，而支链淀粉是α-D-P比喃葡萄糖基单位通过1，4-糖昔键及1，6-糖昔键连接的高支化聚合物。淀粉颗位一般都由直链淀粉和支链淀粉组成，此外，还存在一个数量平刷、的中间级分，官由低度支化的支链淀粉和带有少量a-D-(1，6)-糖昔键的短支链的直链淀粉组成.玉米淀精中的中间级组分占4%~9%。 　　淀粉颗粒如何由数目众多的直链淀柑和支链淀粉分子组成复杂的结构，还没能够充分予以了解。但可以青定的是，在淀粉颗粒中直链淀柑分子和支链淀粉分子不是机械地混合在一起的。支链淀粉量多分子又大，是构成淀柑颗粒的骨架，支链淀粉分子的侧链与直链淀粉分子间可通过氢键结合，在某些区域形成排列具有一定规律的"束网"结构，有些区域分子排列杂乱，成"无定形"结构，每个直链淀粉分子和支链淀粉分子都可能穿过几个不同区域的"柬网"结构和"无定形"结构。 　　(一)直链淀粉 　　1.平均聚合度(DP)和分子质量 　　在天然淀粉中有20%~30%的淀粉为直链淀粉分子。直链淀粉一般由一条形状为线状的长链分子构成，其链由数百个以上D-葡萄糖单位通过a-1.4-糖昔键相连接。长链的两端，一端是还原末端基，另一端为非还原未端基。即便是同一种天然淀粉颗粒，其中所含的直链分子大小也不可能一致，而是由一系列聚合度不等的分子混合在一起构成，故直链淀粉分子的聚合度通常都以平均聚合度表示，并把聚合度的变化范围称为表现聚合度分布。表1-1列出一些直链淀粉分子的平均聚合度。 　　2.直链淀粉分子的分支掏造 　　β-淀粉酶能够从直链淀粉的非还原末端开始水解相隔的α-1，4-糖昔键，生成β-麦芽糖，由于直链淀粉中各葡萄糖单位均是由α-1，4-糖昔键连接起来的。所以，水解产物理应100%为麦芽糖。早期实验结果确实如此。后来用精制的R淀粉酶水解直链淀粉却得到不同结果，实际水解率只有73%~95%，这表明在直链淀粉中还可能有微量的a-1，4-.糖昔键以外的其他键存在。进一步研究发现，早期用的。-淀粉酶为粗酶，其中含有一种与r淀粉酶相似的z-酶，它能使自-淀粉酶越过淀粉分子中的非a-1，4-糖昔键，继续水解。 　　为了探明这些非α-1，4-糖苦键的性质，在用自-淀粉酶水解直链淀粉时，同时加人异淀粉酶和支链淀粉酶，则？-淀粉酶的水解度明显上升。异淀粉酶和支链淀粉酶主要水解淀粉分子中构成分支的α-1，6-;糖昔键，因此，可以推测某些直链淀粉分子具有分支结构.将直链淀粉甲基化并用Smith法分解，得到微量1-0-甲基-D-葡萄糖，进一步说明直链淀粉中存在a-1.6-糖昔键。用R←淀粉酶水解线状直链淀粉分子时，能够完全水解:水解带分支的直链淀粉分子时，因为α-1，6-糖昔键的分支存在，只能有部分水解，水解后所剩下的未被水解部分称为伊淀粉酶极限糊精。可根据庐山的构造推测带分支直链淀粉分子的构造。 　　直链淀粉中轻度分支分子的结构可通过酶解法给出。轻度分支分子的链数为4~20。直链淀粉每个分子的平均链数=轻度分支分子的平均链数×分支分子所占百分比十直链线状分子的链数×直链线状分子所占百分比，总的直链淀粉的平均链数为2~13。相当于每1000个葡萄糖单位含有2~4条链。通常带分支的直链淀粉分子大小是直链线状分子的1.5~3.0倍(表1-2)。 　　图1-4是稻米直链淀粉分子构造模型示意图。线状不带分支的直链分子占64%，带分支的直链淀粉分子占36%;不带分支的直链分子DP为800，带分支的直链分子DP为1400，因为有分支侧链存在，聚合度明显增加。每个带分支分子平均含7个短的支侧链，平均链长200，|3-I.D占39%。大麦直链淀粉中，轻度分支直链分子占27%，平均有3.3个分支，侧链长度为1～60，平均链长为17.4，主链DP为1070，分支分子的平均链长360。 　　不能把轻度分支直链淀粉分子视为混入直链淀粉中的支链淀粉分子，两者还是有明显区别的。例如，支链淀粉的分子质量要比轻度分化直链淀粉分子大得多，前者的平均链数可达数百个，后者则只有几个或十几个。轻度分支直链淀粉因分支少，侧链短，β一淀粉酶的分解极限只有40%左右，比支链淀粉的55%～60%要低。淀粉颗粒随处理温度升高，逐渐有分子溶出，*先溶出的是线状直链分子，之后是轻度分支直链淀粉分子，支链淀粉则在*后被溶出。不过，由于带分支的直链淀粉所具有的短侧链与支链淀粉分子链长为20左右的短侧链相似，也有人推测带分支的直链淀粉分子可能是支链淀粉成长过程中的中间分子。 　　3．直链淀粉分子的螺旋结构 　　直链淀粉分子的立体结构信息主要是依靠X衍射技术获得的。与蛋白质和核酸相此，淀粉空间结构测定有很大难度，由于制备合适样品存在困难，一直得不到理想的X射线衍射图。尽管早在20世纪30年代就有淀粉X射线衍射的研究报道，但对其结晶性排列至今尚未得到一个肯定的结果，只是提出若干种模型。 　　直链淀粉为螺旋型，每一螺旋周期包含6个“-D-吡喃葡萄糖基（图1-5），这种螺旋极可能形成的是左手螺旋。一个“-D-吡喃葡萄糖单元C-2位上的羟基和相连的另一个糖单元的C。上起基之间形成氢键，使左手螺旋更加稳定。Kainurna和French(1972)指出直链淀粉是双螺旋结构，螺旋结构每一螺旋所包含的单糖单元数n=6，每个单体单元沿螺旋轴上升的距离h二3.5XlO-10m，双螺旋很稳定，构成双螺旋的分子是同一方向或相反方向都有可能。因为这两条链紧密地配合在一起，相对单体单元的疏水区紧密接触，各起基则位于链间产生氢键。Sarko(1980)根据*佳纤维衍射记录提出天然淀粉以右旋各股平行的双螺旋结构存在，螺旋每上升(10.4~10.5)X10一10m，有3个D-~比喃葡萄糖单元，在螺旋轴上有一个对称轴，因此，沿单股螺旋的重复距离相当于6个D-~比喃葡萄糖单元(21X10-lOm)。双螺旋虽然是平行合股的，却是反向堆积的，一股单螺旋是向上的，另一股是向下的。 　　现在被人们所接受的模型是从X射线衍射研究得到的模型(图1-的。两者均为反平行堆积右手双螺旋结构，每股螺旋每圈为6个葡萄糖残基，即螺旋分子具有六重螺旋轴对称性，重复周期为2.08μm，但是两个模型中的双螺旋在晶胞中堆积方式有相当大的差别，淀粉的分子结构以及它们的堆积方式的研究仍在继续进行着，对一些问题还有争议。 　　有关直链淀粉螺旋结构的证明都来自制备的晶体样品，在溶液状态下，直链淀粉的结构又会发生怎样的变化呢?直链淀粉在稀溶液中的空间构象有三种(图1-7):①元规则线团(randomcoil)，呈弯曲'性非常大的完全随机的线团状态;②间断式螺旋(interruptedhelix)，螺旋链段和链段之间曲线连接;③螺旋形(deformedhelix)状态存在，具有刚性棒状结构。在中性溶液中，直链淀粉呈现出无规线团状态，其中带有松散缠绕的螺旋形短段。但当溶液中含有与淀粉分子形成络合物的配合剂时，直链淀粉多以螺旋形存在。 　　(二)支链淀粉 　　1.支链淀粉的分子结构模型 　　*早由Haworth(1937)等提出层叠式结构，Staudinger等(1937)提出梳子模型，随后Meyer(1940)提出树枝状模型，其后Whelan(1970)对Meyer的模型进行了修正(图1-8)。 　　近期提出的众多模型中，有代表性的是French(1972)、Robin(1974)以及Manners和Matheson(1981)等提出的"束簇"支链淀粉模型，以及由Hizukuri(1986)修正后的"束簇"模型，用自-淀粉酶和脱支酶对支链淀粉进行酶解，对酶解产物分析结果表明Manners和Matheson的支链淀粉结构模式比较符合支链淀粉实际的结构(图1-9)。