Skrobia: strukturalna tajemnica

Weź garść makaronu spaghetti i wrzuć do gotującej wody. Sztywne pałeczki szybko zmiękną i łagodnie się zakrzywią w miarę pęcznienia. Przyjmujemy to zachowanie makaronu w gorącej wodzie za oczywiste, ale co dokładnie dzieje się z precyzyjna strukturą spaghetti by skutkować taką dramatyczną metamorfozą?

Po pierwsze makaron – podobnie jak ryż, ziemniaki czy chleb – zawiera duże ilości skrobi. Ale co to jest skrobia? Granule skrobi, produkowane w roślinach poprzez absorbcję dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy, są zbudowane z polimerów glukozy i służą jako magazyn energii. Pod koniec sezonu wegetacyjnego, skrobia gromadzi się w gałązkach drzew, w okolicy pąków. Jest także obecna w owocach, nasionach, kłączach i bulwach. Granule skrobi są bardzo odpowiednie do długo-terminowego przechowywania, z uwagi na ich upakowanie, względną suchość i wysoką stabilność.

Jednak, to niezbędne źródło energii stało się dostępne dla człowieka dopiero, kiedy ujarzmił ogień, ponieważ surowa skrobia jest tak gęsta, że jest trudna do strawienia. Aby zwiększyć jej strawność, skrobia musi być gotowana, tylko po podgrzaniu staje się rozpuszczalna w wodzie i jadalna.
Przemiana surowej skrobi w gorącej wodzie nazywa się żelowaniem: granulki pęcznieją i pękają tworząc pastę. Podczas chłodzenia albo długotrwałego przechowywania, skrobiowa pasta często gęstnieje ze względu na zjawisko zwane retrogradacją. Żelowanie i retrogradacja, które odpowiadają za strukturalne przekształcenia granulek, mają wpływ na systemy zawierające skrobię.

A zatem skrobia jest idealna do modyfikowania struktury wielu przetworzonych i gotowanych w domu produktów żywnościowych (na przykład mąka albo mąka kukurydziana do zagęszczania sosów), i była także przez stulecia wykorzystywana do innych celów, między innymi produkcji papieru, klejów czy usztywniaczy tkanin. Dzisiaj, ujawniają się nowe zastosowania skrobi, łącznie z dietetycznym błonnikiem, biodegradowalnymi materiałami do pakowania, cienkimi filmami czy materiałami termoplastycznymi.

Nauka: krok po kroku

Skrobia jest wiec szeroko wykorzystywana w przemyśle – tak jak przez tysiące lat. Naukowe badania skrobi rozpoczęły się w 1833 roku, kiedy to francuski chemik Anselme Payen określił, że skrobia zbudowana jest z jednostek glukozy. Jednak, nawet dzisiaj jej biochemia i szczegółowa struktura nie są jeszcze dobrze zrozumiane. Na poziomie molekularnym, wiemy, że natywna skrobia (czyli taka jaka występuje naturalnie) jest zbudowana z osobnych składników: amylozy i amylopektyny, które mogą być wyizolowane poprzez frakcjonowanie i badane oddzielnie.

Obie składowe zawierają łańcuchy będące polimerami jednostek glukozy, ale łańcuchy te są powiązane w różny sposób. Amyloza jest linearna (jednostki glukozy łączą się wiązaniami (1-4)) (rycina 1a), a amylopektyna jest mocno rozgałęziona i posiada gęsto upakowaną strukturę, ze względu na obecność wiązań (1-6) (rycina 1b). Amylopektyna może zawierać nawet do stu tysięcy reszt glukozy i jest największą znaną cząsteczką biologiczną.

Granule natywnej glukozy różnią się znacznie w kształcie i wielkości (od 0,1 do 200 mm), ale wszystkie mają wspólną cechę: pod mikroskopem i oświetlone światłem spolaryzowanym, ziarna skrobi wybarwione jodyną ukazują się jako charakterystyczny „krzyż maltański” (pokazane na pomarańczowo na rycinie 2b), wskazując na obecność jakiegoś wspólnego wewnętrznego uporządkowania. Kiedy granulki są podgrzewane w nadmiarze wody (jak spaghetti w trakcie gotowania), krzyż polaryzacyjny zaczyna znikać, dowodząc, że ta struktura molekularna zostaje zaburzona.

Fizyczne właściwości skrobi – jej stabilność i przejścia fazowe, na przykład z granulek skrobi do żelu, albo z łamliwego surowego makaronu do miękkiego ugotowanego – są wprost powiązane ze strukturą molekularną. Jednak, zrozumienie szczegółowej struktury skrobi wymaga bardzo zaawansowanych narzędzi badawczych i technik, takich jak krystalografia rentgenowska, mikroskopia elektronowa, magnetyczny rezonans jądrowy i modelowanie komputerowe.

Prze pomocy tych narzędzi, naukowcy powoli zaczynają budować obraz tego jak skrobia – coś powszechnie znanego nam wszystkim – jest zbudowana.

Zaczynając od nanoskali: podwójne helisy, blaszki i superhelisy

Badania przy pomocy dyfrakcji rentgenowskiej na poziomie nanoskali wykazały iż:

• Skrobia składa się z cienkich blaszkowatych domen (około 4,5 nm grubości),
• Każda blaszka jest zbudowana z około 100 podwójnych helis, każdej składającej się z około 20 jednostek glukozy (rycina 3),
• Podwójne helisy są bardzo gęsto upakowane, o wysokim stopniu regularności, tak jak w krysztale (patrz słowniczek dla wszystkich terminów zaznaczonych kursywą).

(Po wyjaśnienie jak dyfrakcja rentgenowska jest wykorzystywana do analizy struktur krystalicznych, zobacz Cornuéjols, 2009.)

Studia przy użyciu promieni rentgenowskich potwierdzają analizy biochemiczne cząsteczek amylopektyny, które pokazały, że ta olbrzymia cząsteczka jest zorganizowana w krystaliczne klastry podwójnych helis: blaszki uwidocznione przy pomocy dyfrakcji rentgenowskiej składają się z klasterów podwójnych helis pokazanych w studiach biochemicznych. W tym modelu, miejsca rozgałęzienia (wiązania (1-6)) w cząsteczkach amylopektyny znajdują się w mniej zorganizowanych (albo bardziej amorficznych) regionach pomiędzy klastrami. Amyloza jest poprzeplatana z amylopektyną (Rycina 4b), ale jak na razie nikt nie wie w jaki sposób.

Dodatkowe badania przy pomocy promieni rentgena, wykorzystując techniki rozpraszania (scattering) pod małym-kątem (small-angel) i szerokim kątem (wide-angel) (SAXS i WAXS) do analizy nawodnionej skrobi, pokazują, że blaszki podwójnych helis są prawdopodobnie zorganizowane w heliakalną super strukturę albo superhelisę (rycina 5). (Po wyjaśnienie SAXS, zobacz Stanley, 2009.)

DMikroskala: pierścienie wzrostu i bloczki

Blaszki i struktury superhelikalne amylopektyny to jednak tylko mała części całego obrazka. Na większej (mikroskopowej) skali, wiadomo, że granulki skrobi składają się z naprzemiennych amorficznych i półkrystalicznych powłok, o grubości od 100 do 8000 nm. Te struktury są nazywane pierścieniami wzrostu.

Prawie nic nie wiemy o amorficznych częściach pierścieni wzrostu. Bardziej krystaliczne regiony mogą być jednak badane przy pomocy dyfrakcji rentgenowskiej. Niedawne eksperymenty wykorzysujące niezwykle zogniskowane wiązki promieniowania X w synchrotronie (patrz ramka) wykazały, że w obrębie regionów półkrystalicznych, nanoskopowe blaszki są równoległe do powierzchni granulki skrobi (rycina 7). To pozwoliło naukowcom powiązać małe (mikroskala np. granulki skrobi) i bardzo, bardzo małe (nanoskala np. blaszki) – powiązanie, które jest wyjątkowo trudne do uzyskania w takich badaniach strukturalnych.

Kolejne niedawne badania, przy wykorzystaniu mikroskopii sił atomowych, aby spojrzeć na powierzchnię granulek skrobi, wykazały obecność bloczków w obrębie pierścieni wzrostu. Te bloczki są mniej lub bardziej sferyczne i mają wielkość od 20 do 100 nm. Jednak jak dotąd nic więcej o nich nie wiadomo.

Podsumowując wszystkie te badania, możemy być dość pewni struktury na poziomie nanoskali (podwójne helisy tworzące blaszki) i pierścienie wzrostu (naprzemienne powłoki amorficzne i półkrystaliczne), jednak dowody na struktury pośrednie (superhelisy i bloczki) są mniej solidne. Ponadto w dalszym ciągu nie wiadomo jak superhelisy, bloczki i pierścienie wzrostu mają się do siebie. Rycina 8 podsumowuje różne poziomy strukturalne (jednostki glukozy, helisy, blaszki, superhelisy, bloczki i pierścienie wzrostu) od poziomu molekularnego (10-9 m) do mikroskopowego (10-5 m).

Już w 1858 roku, szwajcarski botanik Carl von Nägeli wykazał się genialną intuicją mówiąc, że „Ziarno skrobi… otwiera drzwi do ustanowienia nowej dziedziny… mechaniki molekularnej ciał zorganizowanych”. Bez wątpienia byłby zdumiony, że ponad 150 lat później dalej zmagamy się ze zrozumieniem skomplikowanej architektury granulek skrobi.