原子力显微镜在膳食纤维研究中的应用

膳食纤维(DietaryFiber,DF)是人类膳食中一类糖类物质，主要包括纤维素、木质素、果胶、树胶等，它广泛存在于谷类、豆类、蔬菜、水果中。它不能在人胃肠道内消化，但能被大肠内的微生物酵解和利用。研究表明，许多疾病如动脉粥样硬化、高血压、冠心病、糖尿病等都与膳食纤维的摄入量不足有关。国际营养学界已将膳食纤维的含量作为衡量食品优劣的一个重要标志。膳食纤维的生理保健功能是营养学研究的热门课题，但近年来的研究重点已深入到膳食纤维生理功能差异及作用机理的研究。

原子力显微镜(atomicforcemicroscope,AFM)是利用其探针与样品间的作用力来研究物质属性的显微工具，在研究物质超微精细结构机特性上具有其他研究手段无法比拟的优势：AFM可样品表面形貌进行纳米级表征，并分析研究与作用力相应的各种表面性质如样品的硬度和弹性等；也能产生和测量电化学反应，并可对活性样品进行观察；另外还可对原子和分子进行纳米级操纵与加工。利用原子力显微镜从物质结构上去分析、理解DF的功能是很新颖的且很有价值。本文就原子力显微镜在膳食纤维研究中的应用进行综述。

纤维素(Cellulose)是地球上最丰富的有机物质，它是由D-葡萄糖以β-1,4-苷键相联结而成。它是由直链状的大分子、高结晶的基本构成单元、微小的结构单元逐级聚合而成的。Gralen等首先以超离心法测得纤维素的分子量，接着Hermans提出了纤维素的弯曲模型，Jones等则用现代模拟方法证实了纤维素I和纤维素II都符合这种模型。为了深入研究纤维素巨分子的聚集态结构，许多科学家做了大量的研究工作。张耀鹏等用AFM测定了几种纤维素膜的表面形貌，通过分析膜表面的孔径大小和分布，较好地解释了纤维素膜性能的变化：随着聚合物粘度的提高，大分子链段之间缠结越厉害，高分子链之间相互作用也随之增加，这样不论是聚合物胶束聚集体之间的空间还是胶束聚集体内聚合物网络的空隙均变小了，这样就阻碍了溶剂向沉淀物的扩散，同时也减慢了凝固剂向制膜液的渗透，因而膜凝固相转变之后形成的孔隙率下降、孔径变小，导致膜性能变化。Hulta等用AFM观察了在30个大气压下培养的细菌AJ12868中纤维素的新生形态。细菌在高压下不仅能生存还能够制造出纤维素且高气压下出现的多带结构同受控培养基中产生的多带结构有相似的晶型，只是聚集的纤维尺寸大一些。
Nigmatullin等用胶体修饰后的AFM研究了纤维素界面间的相互作用及其与纤维素连接区域(CBD)的作用。在与CBD修饰的纤维素界面间的作用力下，多肽能够特异地联结于纤维素上。在电解质的水溶液中，纤维素表面间的作用大小主要依赖于电解质浓度。AFM图像显示出吸附在纤维素表面的CBD的团聚；尽管CBD联结于纤维素表面会导致表面电荷的增加，但图像显示此力的参与并没有引起相应的排斥作用。这些变化主要归功于蛋白质表面结构的不规则性和纤维素表面修饰电荷分布的不均匀性。考虑到单CBD修饰的纤维素的分离曲线结果，杂合蛋白在纤维素上的连接导致收缩粘滞力的产生很可能是纤维素表面间交联结构的形成引起的Lesniewsk等用AFM研究了葡萄藤细胞壁的修饰物，研究发现在未受紫外线处理时由于纤维素的存在能使细胞表现出很好的弹性，进而从物理角度揭示了细胞壁加强植物防御机能的原理。Andrew等分别在丙醇和水中研究了天然Valonia纤维素I微晶的表面性质，并讨论了晶胞和表面的关系：由于二次折叠螺旋的对称性使得葡萄糖单元沿纤维素链的分布不具有结构对称性，且第一次发现了单斜和三斜的晶型差别是由于纤维素链绕主轴以π/2为周期旋转运动而产生的。Khulbe等研究了水处理的乙酸纤维素(CA)膜表面，发现水处理会引起CA膜的形态变化，且会导致表面粗糙度的增加；但在室温下对膜进行烘干处理却不曾发现逆反现象，这可能是CA膜上的网孔在反渗透过程中对盐的的排斥作用引起的。Zeng等用AFM研究了乙酸纤维素膜上对称结状结构的形成机理，并以动力学和热力学为基础描述了影响结状结构形成的因素：结状结构在胶体态消失，而影响膜形成结状结构的热力学因子为温度。同时，AFM研究显示，结状结构的形成还依赖于片状结构的重组；而溶液环境的变化是影响片状结构重组和结状结构形成的主要动力学因子。