淀粉中間級分的研究進展

韓文芳，林親錄，趙思明，梅冬旭，楊琪琪，李江濤,

（1.稻米及副產物深加工國家工程實驗室，中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.華中農業大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070）

作為多用途、可再生的天然生物聚合物，淀粉不只是許多食物的宏觀成分及重要的功能性組分，亦是諸多非食品工業的重要商業原料。目前較為廣泛的認識是，淀粉由α-(1,4)和α-(1,6)-糖苷鍵連接的D-吡喃葡萄糖單元所構成，含有兩種主要組分，即高度分支的支鏈淀粉（amylopectin，AP）和基本線性的直鏈淀粉（amylose，AM）。AM和AP的比例及其精細結構已被認為是淀粉物化性質與功能特性的重要決定因素，因此對淀粉的加工特性以及淀粉質食品的質地、消化特性或營養價值等具有統計學的指導意義[1-3]。除AM和AP外，前期研究中發現，某些特殊基因或品種類型淀粉（尤其是高直鏈玉米）中存在部分異常AM和異常AP，其分子特性介于完全線性AM與高度分支AP之間，進而提出淀粉中間級分（intermediate material，IM）這一理論[4-5]。了解淀粉的組分組成對于理解淀粉的結構及功能特性具有非常重要的意義。IM作為淀粉中可能存在的重要組分，其結構及功能特性將直接影響淀粉本身的特性，本文就淀粉中IM的相關研究進展進行了綜述，以期為未來淀粉組分組成及組分結構及功能特性方面研究提供參考。

1 IM的提出

隨著各種測試儀器和表征手段的快速發展，國內外學者對不同來源、不同類型的天然淀粉的分子結構、顆粒內組織排列以及理化性質、功能特性等進行了諸多研究。在對淀粉結構循序漸進、不斷完善、從未間斷的認識過程中，學者們深刻意識到僅用以前普遍認可的AP和AM相關理論已不足以解釋研究中遇到的眾多實際問題。例如，采用碘顯色法等測試手段所得到某些淀粉的AM含量偏高[6-9]；AM含量相近的不同品種淀粉其顆粒形態以及溶脹、結晶、糊化、老化等物化性質差異明顯[10-12]；AM含量相近的不同品種大米淀粉其自身品質以及大米的食用品質、加工品質差異明顯[13]；某些淀粉（尤其是高直鏈淀粉）存在分子特性異常的AP、AM[14-16]；全淀粉與其級分AP的分子結構（尤其是構造單元組成）存在較大的差異[17]。在這些研究的基礎上，早期學者們所提出淀粉不能單純地分為AP和AM的理論逐漸得到認可[18-19]。由此，學術界認為淀粉的分子鏈不完全是由AM、AP這兩種完全不同的極端結構所構成，而是連續地從一種狀態過渡到另一種狀態[4,20]。

1943年，Kerr等首次指出玉米、馬鈴薯和木薯淀粉中存在著既不符合AP定義又不符合AM定義的第3種組分，并建議將其命名為IM[21]。1949年，Lansky等采用沉淀法分級時發現與正丁醇重結晶分級相比，戊醇重結晶獲得的沉淀組分（可認為是AM）量更多，且其亞級的碘親和力顯著更高，而非沉淀組分（可認為是AP）的碘親和力更低，并將這些異常現象歸因于淀粉中所存在的小部分介于嚴格線性和高分支之間的中間物質。以碘親和力這一間接證據首次假定IM是過渡類型的物質，可能從有長外鏈分支的分支化分子逐漸過渡到有相對較少分支鏈的長鏈線性分子，這種物質能夠被戊醇沉淀，而不能被正丁醇沉淀。該研究立足于IM與正丁醇、戊醇的結合性質基礎，可認為玉米淀粉含質量分數5%～7%的IM，并推測IM可能能夠通過戊醇與正丁醇相結合的重結晶方法獲得[7]。Lansky等還指出在當時所認可的雙酶法合成淀粉的理念下，這種有著輕微分支的中間性質淀粉組分的存在是合理的，只是難以將其與線性鏈分子明確區分[7]。雖然IM概念的提出被認為能夠解釋某些淀粉及其級分AP、AM性質的異常，然而淀粉級分的分離方法會影響IM的組成，特別是與AM或AP一起被分離出來時影響更大。此外，IM與AP、AM在結構上的密切聯系可能導致研究人員并不知道它的存在，而其他級分的分析也在無意中受到了未知影響[5,22]。正是淀粉級分組成的這種復雜性在根本上決定了IM在結構上或性質上很難得到實質性定義，其本質仍未得到明確的闡述。

2 淀粉中IM的結構特點

不少學者在分離提取AP、AM以及對二者性質進行研究時常發現一些看似偶然的異常現象，并由此推測淀粉中存在著這樣一些輕度分支的AM、輕度分支的AP、鏈長較長的AP和鏈長極短的AM，并將其稱之為異常AP或異常AM。大量研究指出，這種異常AP或異常AM在普通玉米、高直鏈玉米、燕麥、大麥、小麥、黑麥、馬鈴薯、菜豆籽粒和皺皮豌豆等淀粉中廣泛存在[23-27]。

玉米淀粉（尤其是ae突變株的高直鏈玉米）中AP的分子結構一直存在爭議，關于異常AP或異常AM的報道極為普遍。Montgomery等發現高直鏈玉米AP的大部分組成分子有著比正常AP更長的內部鏈和外部鏈，并提出ae突變株AP的不尋常性質是由比普通AP更長的線性聚合物和介于AM、AP之間的中間結構所決定的，高直鏈玉米淀粉中AP的分支程度比正常AP低[28]。Klucinec等對比脫支IM、AP的高效空間排阻色譜（high performance size exclusion chromatography，HPSEC）圖譜發現普通玉米IM的分支鏈類型與AP極為相似，但含有ae基因的高直鏈玉米IM鏈段組成與AP差異明顯，具體表現在其含有大量的長鏈，分支鏈平均鏈長更長。該研究認為IM與AP有類似的結構，二者均為支化淀粉分子的亞級，各自的物化性質可能更依賴于其分支結構而非分子尺寸[29]。Whistler等從普通、高直鏈玉米淀粉獲得了一種結構接近于AP，但分支程度更低（AP的64%）、平均鏈長更長、分支尺寸可能更小（黏度更低），與碘結合呈淺藍色的IM，含量為4.5%～8.7%[30]。Erlander等用麝香草酚沉淀玉米AM并離心去除AP后在上清液中回收得到一種低分子質量的成分，該成分分支程度與AP類似[31]。Baba等在采用化學方法和酶法分析高直鏈玉米淀粉時，發現其AP平均鏈長較蠟質玉米AP長，且外鏈分支度更小[32-33]。Boyer等也指出ae/wx雙突變玉米淀粉中存在與ae淀粉類似的異常AP，內鏈長為52 個葡萄糖單元或外鏈較少、較長，分支較為松散[24]。盡管高直鏈玉米淀粉異常AP的精確結構尚不完全清楚，但其存在已被認為是ae突變玉米淀粉高AM含量（可達85%）的原因，即長外鏈分支成分的存在會導致碘親和能力增強使得AM含量被過高估算[24-25]。

另有報道指出異常AP是含有短鏈的AM，而AM的異常會影響淀粉的結構與性質。例如，AM的含量會因短鏈AM的出現而被低估[23,34-35]。Banks等曾指出盡管不同淀粉IM之間的差異顯著，但玉米淀粉中IM的類型和數量主要由淀粉AM的比例決定[34]。Adkins等用正丁醇沉淀法制備玉米淀粉AM時從上清液（理論上是AP）分離出一種能與碘絡合的葡聚糖，該組分具有特征性的短鏈，被認為是鏈長較短的AM，其平均鏈長為58，所占比例隨著AM含量增加而增多[23]。Takeda等對玉米AM級分在正丁醇溶液中進一步分離，發現有少量高分子質量的分支成分仍在上清液中，該物質被認為是含有一部分分支短鏈的AM亞級組分，它們可能形成較小的、不完全的簇結構[35]。

Baba等指出高直鏈玉米淀粉中除AP外還存在另一種不能與正丁醇形成復合物的組分，其平均聚合度為250～300 個葡萄糖單位，有4～5 條平均鏈長為50 個葡萄糖單位的分支鏈連接在有著100～150 個葡萄糖單位的主鏈上，與前人所指出的高AM中存在異常葡聚糖IM的提議一致。該研究將高直鏈玉米IM認為是分子質量較小、分支少但分支平均鏈長較長的葡聚糖[32-33]。Yun等發現ae/wx雙突變玉米淀粉有小部分不能被伴刀豆球蛋白A所沉淀的組分，其特性是分支度和平均鏈長介于AP和AM之間的低分子質量葡聚糖[36]。Wang等也發現IM與AP一起存在于正丁醇沉淀AM后的上清液中，對其采用凝膠滲透色譜（gel permeation chromatography，GPC）分級發現IM為一分支組分，與碘的絡合特性上區別于AP和AM，分子尺寸比AP小，具有與AP相似的鏈的類型，但分支程度比AP低、鏈長比AP更長，不同鏈的比例與突變株的種類有關。其中脫支IM、AP的HPSEC圖譜表明二者的分支鏈段組成存在明顯差異，IM的高分子組成鏈段更長且更多，即IM較AP分支程度更低、平均鏈長更長。除了IM比AP有更多短鏈，AP比IM有更多聚合度為16～30的鏈以外，二者的分子結構相似。該研究還指出ae基因存在時會導致AP和IM的分支程度均減少，且對IM分支程度的影響比AP大[37]。

Bertoft等發現在兩倍體和三倍體突變株玉米淀粉中含有較高含量的IM。與AP相比，IM分支鏈的分布有一些改變，抗α-淀粉酶水解的能力明顯增強，在甲醇溶液中α-糊精的性質也有所差別。該研究認為IM具有較規律性的分支結構，能夠抵抗α-淀粉酶的水解，會引起淀粉分子整體性質發生改變[38]。Waduge等研究發現，在小麥胚乳發育過程中存在IM，認為IM可能對于我們理解一些突變株植物的淀粉合成有非常重要的意義[27]。

皺皮豌豆淀粉也是一個AM含量增加的典型，其IM被描述為極短的線性AM鏈與長分支鏈AP的混合物[18,24,39]。Colonna等從皺皮豌豆淀粉中分離得到了一種分子質量很低且具有分支的成分，與AP鏈的類型相似，但其碘藍值較高，短鏈與長鏈兩者數量的比例較低，且長鏈比例隨分子質量的降低而增加[39]。Biliaderis報道了皺皮豌豆淀粉中存在長鏈的IM結構[40]。Matheson等發現皺皮豌豆淀粉中的IM外鏈和內鏈較光滑豌豆淀粉AP長[41]。然而，學者們對于皺皮豌豆淀粉IM的本質觀點也并不相同，Bertoft等認為IM是分子尺寸與簇相當的分支物質，具有高比例的長鏈，其分子結構與AP的簇結構相似。一般認為簇是由更小的類似簇的結構組成，其間通過長鏈連接，這樣就增加了長鏈的比例[42]。

Banks等在分級燕麥、小麥淀粉時，從AP組分中分離出一種AM-百里香酚的復合物，將此復合物在丁醇溶液中沉淀，分離出沉淀（異常AM）和另一種可溶性組分（異常AP）。異常AP占淀粉的4%～5%，碘親和力為0.2～2.6，性質基本與普通AP相似，比AP分支更少、鏈長更長、β-極限水解值更大；異常AM占淀粉的2%～4.5%，碘親和力為8.5～12.5，與普通AM相比，其β-極限水解值更小，（β+α）-極限水解值約95%，這表明該組分帶有分支，但分支點之間的距離較正常AP要大得多。該研究還指出黑麥、大麥淀粉也含有異常AP，但不含異常AM[14]。Hizukuri等也報道了小麥淀粉帶分支的異常AM分子，其分子尺寸比線性AM大1.5～3.0 倍，β-極限糊精也與線性AM具有非常相似的特性，可見其分支鏈大部分是短鏈[43]。Wang等發現燕麥淀粉中存在一些對碘具有異常親和力的中間性質物質，IM在結構上接近于AP，但經脫支后測得各分支組分的鏈長均較AP更長[37]。Gomand等研究不同品種黑麥淀粉時，采用GPC分析發現IM中大分子質量組分性質類似AP但分支鏈更長，而小分子質量組分的性質類似于AM，但分子質量更大[44]。

Geddes等發現馬鈴薯淀粉中存在能夠與碘絡合的異常AP（1%～5%），其β-水解性質、鏈長與AP的降解產物相似[45]。Schwall等發現淀粉分支酶活力受抑制會導致馬鈴薯AM含量增加，AP單元鏈長增加、分支鏈延長[46]。Yoon等在密度梯度離心分級AP、AM時發現普通玉米、高直鏈玉米、普通大米、馬鈴薯和木薯淀粉中存在沉降系數小于AP且大于AM的中間物質，其浮力密度、碘結合性質介于AP、AM之間，所占比例為5.55%～13.53%。在糯玉米、糯米中并未發現此類IM的存在[47]。

楊澤敏分離IM、AP、AM后，經掃描電子顯微鏡放大觀察發現，AM由較小的疏松顆粒堆積而成，顆粒間的間隙較小，似面包屑；AP為極細小的微粒組成的玻璃狀物質，橫斷面可見極細的裂紋；IM似薄膜狀，處于二者的過渡狀態，與AP和AM的形態特征均有明顯差異，在薄膜的下層隱約可見似AM的顆粒，其上層似乎偏向AP，但其質地較AP粗糙、微粒較大，但這種狀態看來并非AM、AP的簡單混合，它的成分自成一體、過渡自然，IM的橫切面可見較大的裂紋[48]。Ma等探討了IM、AP和AM和對淀粉球晶形成及其微觀結構的影響，結果表明每個淀粉級分所占的比例以及各自的結構都極大地影響了淀粉級分及其混合物的球狀結晶，樣品中線性分子與分支分子的比例越高，其形成的球晶數量越多且熱穩定性越高。除了分支的存在，球狀結晶的內部結構和熱特性也受分支度、鏈長和鏈長分布等其他因素的影響[49]。

由此可見，不同淀粉中IM的結構存在差異，鮮有學者對其進行明確的定義和闡述。ae突變株玉米的IM最為人所熟知，這類IM據報道是分子質量介于AM、AP之間，由與AP類似的鏈組成的分支聚合物，與AP的主要區別在于長鏈更長、長鏈與短鏈兩者數量的比值更大。一個復雜的事實是存在IM的淀粉其所含正常AP組分的結構通常也發生了變化，有多少分支結構應該被認定為中間范疇的IM可能難以確定。而IM作為一個單獨的第3組分從淀粉中被分離時，因實驗室分離方法與操作的差異也會極大地影響IM的結構[50]，也可能因為人為因素而將AP或AM的結構描述為IM[51]。

3 IM的分離方法及性質

目前，學術界普遍認可天然淀粉主要由AP、IM、AM組成，其連續性的結構是由高度分支的大分子連續過渡到小分子質量的線性分子所組成，即AP、AM可能是通過IM逐漸過渡變成彼此。而IM則被定義為結構介于AM和AP之間的過渡性葡聚糖，是分支度較低、鏈長較長的淀粉級分[4-5,39,52]。盡管IM的提出為淀粉理論領域提供了新的研究視角，但其針對性的研究一直極為欠缺，這主要是受限于淀粉這種高分子葡萄糖聚合物本身極為復雜的分子結構。由于IM的分子特性介于AP和AM之間，其物化性質也與AM、AP都頗為相似。因此，將處于兩種完全不同結構的線性AM與高度分支AP分離容易，而能夠較好地將AP、AM與分子結構、性質均處于過渡狀態的IM進行明確分離的相關報道仍然很少。IM的分離、結構及性質等總結見表1。

表1 IM的分離方法、結構及性質Table 1 Currently available methods for separation of IM as well as its structure and properties

Yoon等采用密度梯度離心分析淀粉級分性質時發現IM在高直鏈玉米（13.5%）中的比例較普通玉米（11.4%）更高，在普通大米、馬鈴薯和木薯淀粉中所占比例依次為5.8%、8%、5.6%，其碘結合吸收值與AP相近，浮力密度介于AP、AM之間[47]。Wang等經正丁醇沉淀法分級得到的燕麥IM與碘結合呈深藍色，與AM-碘顯色相近但顏色更淺，且碘親和力、碘藍值、特性黏度等特征值均略大于AP[37]。Klucinec等采用正丁醇-異戊醇從4 種不同類型玉米淀粉分離IM的得率為6.8%～7.9%，碘藍值為0.21～0.63（AP 0.12～0.49、AM 1.17～1.30），最大吸收波長λmax為588～597 nm（AP 559～583 nm、AM 643～655 nm）[29]。Gomand等發現不同品種黑麥淀粉其IM的含量、性質、結構均有差異。其中，IM所占比例為3.2%～6.2%，碘藍值0.57～0.71（AP 0.06～0.08、AM 1.11～1.17），λmax為646～655 nm（AP 523～538 nm、AM 654～671 nm）[44]。

國內學者楊澤敏采用正丁醇-百里酚相結合的分步沉淀方法對稻米淀粉進行分級，其基本原理如下：二甲基亞砜是淀粉的最佳溶劑，稻米粉在其中的不溶物也可稱作非淀粉成分；正丁醇不會與帶分支的成分形成復合物，對AM有專一性；百里酚能沉淀AM，但同時也可與稍帶分支的成分（IM）形成復合物；乙醇可使溶液中的淀粉沉淀[48]。實驗發現不同稻米品種IM在淀粉中所占比例差異明顯（1.30%～6.07%），這種差異可能與大米品質有一定關系。研究人員認為IM與AP、AM性質之間的差異可能為揭示稻米品質差異提供新的研究方向。然而，該研究也指出這種化學分級方法難免會造成分離過程中不同成分的損失，甚至AP分子鏈段的降解[54-55]。金麗晨等采用GPC收集了并分析了稻米淀粉的3 種組分，認為稻米的食味品質是淀粉各組分鏈長結構的綜合表現，其中AP的鏈結構起主要的決定作用，IM、AM有一定的影響，且三者的長鏈含量均與食味品質呈極顯著負相關。該研究還提出不同品種淀粉3 種組分的長鏈分布差異，特別是IM長鏈含量及比例也許是造成其表觀AM含量相近，但食味品質差異較大的主要原因[56]。曾紅華、吳平等采用差示掃描量熱分析錐栗原淀粉及3 個組分的熱力學性質，發現在冰晶熔化、糊化、熔融裂解等糊化過程中糊化溫度、吸熱焓等參數值與各自的結晶程度保持一致，依次為原淀粉＞AM＞IM＞AP。研究還指出不同濕熱處理溫度對原淀粉、AP、AM的回生性質有較大的影響，但對IM幾乎沒有影響，可能的原因是熱能對輕度分支型分子（IM）的脫支作用有限，這些分支鏈的存在會阻礙冷藏過程中重結晶乃至雙螺旋堆積晶體的形成[57-58]。

淀粉的分級方法會影響級分的組成，特別是IM與AP或AM一起被分離出時影響更大。Tziotis等曾指出GPC或醇沉淀法分離不同類型玉米淀粉級分都不能實現明確分級，而不同來源淀粉IM經HPAEC獲得的分支鏈長分布狀況取決于如何定義IM[5]。曾紅華[57]、梅其明[59]等則指出即使采用差別不大的多步沉淀法所獲得玉米、錐栗淀粉AM、IM和AP的微觀結構、碘結合性質、結晶性質以及聚合度、平均鏈長和平均鏈數也存在較大的差異。雖然IM作為淀粉的重要組成級分已日漸進入淀粉領域的研究視線，但學術界對IM仍缺乏足夠的重視，其分子結構與理化性質尚無明確的描述，根本原因在于淀粉結構的復雜導致明確分級的難以實現。

4 結 語

雖然學術界認可IM在淀粉中廣泛存在，認為其含量與結構對其功能特性起到了重要的作用，并有助于幫助了解淀粉的合成過程；但IM自身的分子結構、在淀粉顆粒結構中與AP和AM的結合狀態、在淀粉多層次結構中的作用及對淀粉的理化性質的影響尚未得到明確的闡述。目前對于IM的研究難點主要在于IM級分的分離與純化、準確且可信的定義及明顯區別于AM和AP的分子結構特點等，理清這些難點將對IM的研究將起到至關重要的作用，也對研究淀粉中普遍存在的一些異常現象有更加清晰的解釋和理解，有助于促進淀粉科學的發展。