基于小角X射線散射技術(shù)測定淀粉結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

摘要：小角X射線散射技術(shù)在食品領(lǐng)域是一門重要技術(shù)，它可以測試薄膜、塊體、粉體、液體、流體等樣品的結(jié)構(gòu)特征而不改變其形態(tài)。文章淺析了小角X射線散射原理，闡述了其在淀粉結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，通過對數(shù)據(jù)擬合和分析以及相關(guān)參數(shù)表征淀粉粒子形狀、平均界面層厚度、分形維數(shù)等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為采用小角X射線散射技術(shù)測定其他食品結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)及參考。

關(guān)鍵詞：小角X射線散射；淀粉；淀粉結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TS234文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1000-9973（2025）03-0223-04

Research Progress on Determination of Starch Structure Based on

Small Angle X-Ray Scattering Technique

SHI Chang-bo， XU Shuo， LING Yan-dong， YANG Jiang-jiang， JIN Mei-lin， ZHAO Ju-yang^*

（College of Tourism and Cuisine， Harbin University of Commerce， Harbin 150028， China）

Abstract： Small angle X-ray scattering technique is an important technique in the field of food， which can test the structural characteristics of samples such as thin films， bulk， powder， liquid， fluid and so on without changing their morphology. In this paper， the principle of small angle X-ray scattering is briefly analyzed， and its application in starch structure is described. The research progress on data fitting and analysis， the characterization of starch particle shape， average interface layer thickness and fractal dimension by relevant parameters is reviewed， so as to provide theoretical basis and references for the determination of other food structure by small angle X-ray scattering technique.

Key words： small angle X-ray scattering; starch; starch structure

收稿日期：2024-09-10

基金項目：黑龍江省自然科學(xué)博士后基金面上項目（LBH-Z22204）；黑龍江省自然科學(xué)基金（LH2024C068）

作者簡介：石長波（1963—），男，教授，博士，研究方向：烹飪科學(xué)。

*通信作者：趙鉅陽（1987—），女，副教授，博士，研究方向：大豆蛋白加工、烹飪科學(xué)。

1概述

淀粉是食品中的主要成分，廣泛存在于谷類、薯類、豆類等植物性原料中^[1]，為人體提供必要的能量，并作為增稠劑、膠凝劑、填充劑和膠體穩(wěn)定劑廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域^[2]。淀粉通常是由葡萄糖聚合而成的直鏈（直鏈淀粉）和支鏈（支鏈淀粉）化合物，能夠形成線性長鏈、高度分支化的結(jié)構(gòu)^[3-5]。

淀粉顆粒的支鏈結(jié)構(gòu)形成了微晶束，在支鏈之間存在，而直鏈淀粉則以雙螺旋結(jié)構(gòu)的晶體形式有序排列在淀粉顆粒的骨架之間^[6]。一般來說，淀粉顆粒內(nèi)部呈現(xiàn)出結(jié)晶層和無定形層交替，從而導(dǎo)致不同類型的結(jié)晶：A型、B型、C型（A+B型）和V型（直鏈淀粉-脂質(zhì)V型夾雜物）復(fù)合物，其他層次的淀粉結(jié)構(gòu)包括單/雙螺旋、多態(tài)性（晶體）、生長環(huán)和全顆粒^[7]。不同位置的結(jié)構(gòu)略有不同，并在淀粉顆粒內(nèi)提供異質(zhì)區(qū)域^[8]。在淀粉加工和儲存過程中，這些結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同的變化。因此，研究淀粉微觀結(jié)構(gòu)有利于掌握淀粉的宏觀性質(zhì)。

大多數(shù)學(xué)者通常采用常規(guī)方法對淀粉進(jìn)行研究，如淀粉、支/直鏈淀粉含量采用淀粉、支/直鏈淀粉試劑盒測定^[9]，結(jié)構(gòu)使用X射線衍射技術(shù)、紅外光譜技術(shù)、掃描電鏡等儀器測定^[10]。小角X射線散射（small angle X-ray scattering，SAXS）是指X射線穿透試樣后，在入射光束附近2°～5°范圍內(nèi)發(fā)生的散射現(xiàn)象^[11]?？灯疹D、勞厄、布拉格父子、巴克拉、西格班等學(xué)者相繼發(fā)現(xiàn)了X射線在透射過程中微粒附近的連續(xù)散射現(xiàn)象^[12]。隨著SAXS被越來越多地應(yīng)用，國內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn)相較于淀粉結(jié)構(gòu)常規(guī)方法的復(fù)雜操作，SAXS可以很容易地通過硬件和軟件的協(xié)同改進(jìn)實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)收集和散射數(shù)據(jù)的深入分析，因此被廣泛應(yīng)用于淀粉結(jié)構(gòu)的測定中。Wang等^[13]應(yīng)用SAXS研究不同蒸煮模式下的糙米，淀粉結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)之間的密度減小，分形維數(shù)隨著蒸煮時間和溫度的增加而遞減。Li等^[14]通過SAXS研究淀粉結(jié)構(gòu)，得出脈沖電場對不同晶型淀粉的分形維數(shù)的影響不同。本文簡要回顧了SAXS的基本原理，并總結(jié)了SAXS技術(shù)在淀粉結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用的最新進(jìn)展，為食品工業(yè)領(lǐng)域利用SAXS研究食品結(jié)構(gòu)提供了理論指導(dǎo)。

2小角X射線散射基本原理

SAXS能夠高效、準(zhǔn)確地探測物質(zhì)內(nèi)部幾納米至幾百納米范圍的結(jié)構(gòu)。由圖1可知，當(dāng)準(zhǔn)直的單色X射線透過樣品時，樣品內(nèi)部出現(xiàn)不均勻的納米級電子密度區(qū)域，用探測器記錄低角度（0°～5°）散射，由此得到散射體的形態(tài)、尺寸、分布信息等^[15]，樣品各散射峰對應(yīng)的散射矢量的比值q用來表征晶格的類型，由此推測分子的增溶位置、相轉(zhuǎn)變機(jī)制等^[16]。

q=4πλsinθ，sinθ=λ2d，d=2πq。

式中：λ表示X射線的波長（nm）；θ是入射角的1/2。利用Fit2D軟件將散射圖像的像素數(shù)換算為q值，反映波長、像素大小和樣品到探測器之間的距離等參數(shù)^[17]。

用探測器對樣品進(jìn)行相對散射強(qiáng)度的實際測量，通過分析樣品的微分散射截面可以確定其絕對散射強(qiáng)度^[18]。影響相對強(qiáng)度和絕對強(qiáng)度的因素存在輕微差異，其中相對強(qiáng)度主要與樣品和儀器的參數(shù)相關(guān)，而絕對強(qiáng)度僅與樣品相關(guān)。兩者反映出的參數(shù)差別很大，用相對強(qiáng)度可以推導(dǎo)出樣品內(nèi)部散射體形狀、分形維數(shù)、大小以及分布等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)^[19]；而絕對強(qiáng)度導(dǎo)出的參數(shù)皆與分子量、體積分?jǐn)?shù)（如多孔材料的孔隙率）和電子密度差等質(zhì)量密度有關(guān)^[20]。

2.1Guinier定律

在散射體的散射角度接近零的情況下，其散射強(qiáng)度遵循Guinier定律，以此確定未知形態(tài)、未知尺寸粒子的旋轉(zhuǎn)半徑；基于此前提，用Guinier的近似方程描述散射強(qiáng)度與散射角之間的相互聯(lián)系：

I（q）=I（0）e^{－13（qRg）}2^[21]。

式中：Rg表示回轉(zhuǎn)半徑（nm）。對于球形粒子，近似值精確到qRglt;1.3^[22]。對于粒子之間的排斥或吸引作用，方程分別低估或高估了Rg^[23]。

2.2Porod定律

邊界分明的兩相系統(tǒng)中，將長而狹窄的縫隙用于準(zhǔn)直，當(dāng)q趨近于無窮大時，曲線ln[q³I（q）]～q²逐漸趨向于一條直線^[24]，即：

lnq3I（q）=K。

當(dāng)兩相界面模糊并彌散時，Porod定律不適用^[25]。

兩相界面不明銳時，ln[q³I（q）]～q²曲線顯示出對Porod定律的負(fù)偏離^[11]，即：

lnq3I（q）=K－σ2q2。

在兩相界面之間出現(xiàn)畸變和微電子密度的波動（即熱電子密度起伏）的情況下，該體系產(chǎn)生額外的散射效應(yīng)，ln[q³I（q）]～q²曲線將對Porod定律產(chǎn)生正偏離^[26]，即：

lnq3I（q）=K+σ2q2。

式中：q表示波數(shù)（nm^-1），I（q）表示經(jīng)過校正的散射強(qiáng)度（a.u.）^[27]；K表示Porod常數(shù)，該值與無偏離的Porod曲線中高q區(qū)域的直線截距相等；σ表示參數(shù)，通過正偏離Porod曲線在高角區(qū)域的直線特性來確定。

2.3Debye理論

在散射矢量相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，I（q）^-2/3～q²為直線，可應(yīng)用于的兩相體系中的Debye散射，即：

I（q）^－23=C^－23+C^－23Ac2q2。

式中：C表示常數(shù)，Ac表示相關(guān)距離（nm），通過對散射強(qiáng)度的擬合可以確定相關(guān)距離。

當(dāng)兩相間的界面變得模糊時，會出現(xiàn)彌散過渡層（界面層），這是散射強(qiáng)度與Debye理論之間的負(fù)偏離，I（q）^-2/3～q²僅在零散射矢量（散射角）極小范圍內(nèi)呈直線，上式也適用。

在體系中的某一相內(nèi)，當(dāng)存在微電子密度起伏時，散射強(qiáng)度與Debye理論存在明顯正偏離，I（q）^-2/3～q²僅在零散射矢量（散射角）極小范圍內(nèi)呈直線，上式也適用^[28]。

3小角X射線散射在淀粉結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

淀粉的研究一直是食品行業(yè)的熱點，從宏觀角度研究不同淀粉的含量變化對食品品質(zhì)的影響，得出規(guī)律性的變化，缺少對其機(jī)理的探究；而從微觀角度揭示淀粉內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成、排列順序等，不僅可以研究其規(guī)律，而且能更深入理解內(nèi)在變化機(jī)理。小角X射線散射利用不同原理，所得參數(shù)表征各有不同，探究淀粉晶層片狀結(jié)構(gòu)、晶型、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分形結(jié)構(gòu)等對淀粉糊化、老化的影響。

3.1小角X射線散射在平均界面層厚度上的應(yīng)用

淀粉顆粒的螺旋排列導(dǎo)致結(jié)晶片層的形成，該片層與通過分支點團(tuán)簇產(chǎn)生的非晶片層交替形成，結(jié)晶與非晶片層重復(fù)的周期性序列為半結(jié)晶區(qū)，SAXS通過樣品內(nèi)部的電子云密度差異可以得知淀粉晶層的變化情況^[29]。利用線性相關(guān)函數(shù)評價半晶片層、非晶片層和晶態(tài)片層的厚度，線性相關(guān)函數(shù)如下：

f（r）=∫∞0I（q）q2cos（qr）dq∫∞0I（q）q2dq。

式中：r表示實際空間中的距離（nm）^[30]。根據(jù)相關(guān)函數(shù)曲線，淀粉半結(jié)晶片層的厚度（dL，f（r）的第二個最大值的橫坐標(biāo)），半結(jié)晶片層的無定形片層（da，由線性區(qū)和平坦f（r）最小值的溶液獲得）和半結(jié)晶片層的結(jié)晶片層（dc=dL－da）。Chen等^[31]發(fā)現(xiàn)不同淀粉顆粒大小的層狀結(jié)構(gòu)是不同的，小顆粒淀粉的半結(jié)晶片層的厚度最大，為9.254 nm，中間大小淀粉的半結(jié)晶片層的厚度最小，為9.159 nm。郁映濤等^[32]發(fā)現(xiàn)玉米淀粉的晶層厚度隨著超聲溫度的升高而減小，表征超聲波破壞晶體結(jié)構(gòu)，使該淀粉內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形結(jié)構(gòu)；此外，還發(fā)現(xiàn)酶解后的淀粉晶層厚度增大，說明酶水解集中發(fā)生在玉米淀粉顆粒的無定形區(qū)域。Subzwari等^[33]利用SAXS研究水分對結(jié)晶度和結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)高粱淀粉半結(jié)晶片層的厚度為9.6 nm。根據(jù)散射矢量公式計算，也可得到其對應(yīng)層狀結(jié)構(gòu)的厚度，陸萍等^[34]通過線性相關(guān)函數(shù)處理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)對比發(fā)酵大米淀粉，復(fù)合原花青素的該淀粉半結(jié)晶層與結(jié)晶層厚度增大，無定形層厚度減小。蒲華寅^[35]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉和玉米淀粉經(jīng)等離子體處理后，不同作用時間和不同輸入功率下的等離子體處理均未改變淀粉的層狀結(jié)構(gòu)厚度。周中凱等^[36]研究超高壓對玉米淀粉消化的影響，當(dāng)壓力超過800 MPa時，q值不斷減小，該淀粉的半結(jié)晶層厚度增大，此時消化率升高，說明淀粉半結(jié)晶層厚度是影響消化率的重要因素。

利用公式計算、函數(shù)擬合等方法，可得淀粉層狀結(jié)構(gòu)厚度，探究其與食品感官品質(zhì)變化的內(nèi)在聯(lián)系，且通過大量的實驗數(shù)據(jù)堆砌，可知半晶片層、非晶片層和晶片層的厚度分別為9～10 nm、2～5 nm和5～7 nm，即通過晶層厚度可判斷晶層結(jié)構(gòu)。

3.2小角X射線散射在分形結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

淀粉的分形結(jié)構(gòu)反映了其內(nèi)部密度漲落的統(tǒng)計分形特征^[37]，分形維數(shù)D用來量化其不規(guī)則性的參數(shù)^[38]。分形體的小角X射線散射強(qiáng)度可以通過冪律在分形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行描述：

I（q）=I0q^－α[39]。

當(dāng)lnI（q）～lnq曲線存在線性區(qū)域時，斜率記為d，可得到參數(shù)α=－d。－4＜α＜－3時聚集體為表面分形結(jié)構(gòu)，其分形維數(shù)Ds=6＋α；-3＜α＜－1時聚集體為質(zhì)量分形結(jié)構(gòu)，其分形維數(shù)Dm=－α^[40]。淀粉的分形維數(shù)越高，表示其聚集體的物理排列緊密程度越高，結(jié)構(gòu)有序化程度越高^[41]。Ren等^[42]利用散射曲線服從冪律方程，去皮和蒸煮處理的燕麥米具有質(zhì)量分形結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是致密性的一個指標(biāo)，而去皮、去皮和酶失活及去皮、酶失活和蒸煮處理的燕麥米具有表面分形結(jié)構(gòu)，代表了淀粉顆粒的表面粗糙度。Martínez-Sanz等^[43]發(fā)現(xiàn)擠壓膨化后破壞了淀粉的層狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)冪率指數(shù)證實了糊化過程是不可逆的，在回生過程中既沒有恢復(fù)天然淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，也沒有恢復(fù)天然淀粉的層狀結(jié)構(gòu)。Li等^[44]研究高靜水壓處理藜麥和玉米淀粉的超分子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)藜麥淀粉呈表面分形結(jié)構(gòu)，玉米淀粉呈質(zhì)量分形結(jié)構(gòu)，隨著壓力的增加，兩種淀粉的分形維數(shù)逐漸下降。

分形結(jié)構(gòu)與淀粉顆粒的粗糙度顯著相關(guān)，即對食品的口感影響極大；此外，由α值確定淀粉的晶型A型、B型、C型、V型，淀粉晶型與淀粉消化相關(guān)，其中V型結(jié)晶對應(yīng)的淀粉消化率最低，不同晶型淀粉的應(yīng)用領(lǐng)域不同。

3.3小角X射線散射在淀粉粒子形狀上的應(yīng)用

分形物體的冪率指數(shù)也與淀粉納米結(jié)構(gòu)的形狀有關(guān)，即：

I（q）=I0q^－α。

強(qiáng)度I（q）遵循不同的I（q）～q標(biāo)度規(guī)則。α為4代表實心球，α為2代表圓盤和隨機(jī)線圈，α為1代表棒狀構(gòu)象。在實際應(yīng)用中，由于高分子鏈具有自身的剛性和構(gòu)象，納米粒子溶液既具有隨機(jī)線圈的特性，又具有棒狀等幾何結(jié)構(gòu)的特點。為了方便起見，引入持久長度lp，表示聚合物鏈的剛度。如果觀察到的長度rgt;lp，則高分子鏈表現(xiàn)出類似隨機(jī)線圈的柔性行為。然而rlt;lp時，鏈條因剛度增加而呈現(xiàn)棒狀現(xiàn)象。Borah等^[45]利用SAXS證實，隨著葉酸酯化率（20%～40%）的增加，觀察到淀粉的盤狀堆積形成柱狀六角相和柱狀螺旋相，具有剛性特征。此外，Portnaya等^[46]利用Kratky圖解釋了低pH和低離子強(qiáng)度條件下β-酪蛋白的SAXS曲線。根據(jù)Kratky曲線圖，發(fā)現(xiàn)β-酪蛋白在低pH條件下的自組裝是一種結(jié)合球狀和隨機(jī)螺旋結(jié)構(gòu)的中間狀態(tài)。

利用不同的淀粉粒子形狀，可判斷同種原料的不同品種，推進(jìn)開發(fā)新品種植物性食用原料；其次，淀粉粒子形狀直接影響淀粉顆粒的緊密程度和食品的質(zhì)構(gòu)特性。淀粉粒子形狀與其具有相關(guān)性的參數(shù)有待深入研究。

4結(jié)語

淀粉基營養(yǎng)食品的開發(fā)具有巨大應(yīng)用前景，目前SAXS已被用于研究熱、微波、剪切降解、水熱壓力、酶降解和高靜水壓等處理引起的淀粉變化^[44]。

SAXS處理方式簡便、實驗結(jié)論精確，但仍需進(jìn)一步研究：SAXS原理較復(fù)雜，數(shù)據(jù)分析和模型擬合處理后的精確性有待驗證；SAXS儀器較少，使用周期有限；SAXS對淀粉結(jié)構(gòu)的研究占據(jù)大部分，對其他食品組成成分，如膠體、蛋白質(zhì)、多糖等的研究較少，也是未來研究的方向。隨著同步加速器光束被廣泛使用，以及靈敏的內(nèi)部散射儀器已經(jīng)商業(yè)化，期望SAXS在食品行業(yè)中的更廣泛應(yīng)用。

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