细胞壁生物聚合物的原位成像：通过多模态显微镜技术解析马铃薯中纤维素、半纤维素和果胶之间的天然相互作用

《Food Structure》：In Situ Mapping of Cell Wall Biopolymers: Resolving Native Interactions Between Cellulose, Hemicellulose, and Pectin in Potato Through Multimodal Microscopy

　　

陈晓宇|张慧|史晓伟|肖建辉|朱玲

国家功能性食品工程技术研究中心，江苏省食品安全与质量控制协同创新中心，江南大学食品科学与技术学院，无锡214122，中国

摘要

淀粉质植物细胞壁作为物理屏障，阻碍了酶与淀粉之间的相互作用，从而降低了淀粉的消化率。本研究旨在揭示成熟马铃薯细胞壁的多尺度微观结构特征。通过使用多种特异性染料，确定了果胶基质与纤维素/半纤维素骨架的共定位关系。利用高分辨率扫描电子显微镜观察了细胞壁纳米孔，并通过氮气吸附-解吸法测定了孔径（0.5~30纳米）和孔体积（0.003242立方厘米/克）。进一步的超微结构观察表明，果胶在初生壁的内层比在中层更为密集。同时，在层状细胞壁中观察到了密集排列的孔洞，这可能意味着整个细胞壁中存在连续的孔隙网络。原子力显微镜观察到，纤维素微纤维通过半纤维素连接，并共同嵌入到果胶基质中，形成羽毛状的高度聚集结构。最后，构建了一个改进的细胞壁模型，该模型包含不规则的纤维素微纤维核心和多层的纳米孔果胶基质。这些发现将为阐明成熟马铃薯细胞壁的结构-活性关系提供理论基础。

引言

马铃薯是全球重要的主食作物，但其淀粉消化速度较快且血糖生成指数较高（Ek等人，2012年）。马铃薯细胞壁紧密包裹着淀粉颗粒，研究表明，由于阻碍了淀粉酶的扩散，马铃薯细胞壁显著降低了淀粉的消化率（Gómez-Maqueo等人，2023年）。在细胞壁中，果胶、半纤维素和纤维素交联形成了一个多孔且高度异质的网络（Li等人，2021年），这意味着淀粉酶需要穿过复杂的路径才能穿过细胞壁进入细胞内部。因此，细胞壁的微观结构特征（包括组成、孔隙率和密度）都可能影响其阻碍淀粉酶扩散的能力（Edwards等人，2021年）。尽管一些研究探讨了马铃薯细胞壁的化学组成与淀粉消化参数之间的相关性（Frost等人，2016年；Do等人，2020年），但对可能控制淀粉酶扩散的马铃薯细胞壁内在复杂微观结构的系统研究仍较为缺乏。

据推测，植物细胞壁中的孔洞是消化酶进入细胞的关键通道（Chen等人，2025年），但马铃薯细胞壁的孔隙特性尚未得到有效评估。人们尝试使用间接探针渗透法来表征细胞壁的孔隙率，即通过将已知分子尺寸的葡聚糖探针扩散到分离出的植物细胞中（Li等人，2019年）。然而，这种方法可能会受到淀粉-蛋白质基质的干扰。由于细胞壁孔洞的尺寸极小，直接观察也非常具有挑战性。马铃薯细胞壁中纤维素纤维之间的间距约为26.2纳米（Kirby等人，2006年），因此需要高分辨率显微镜来观察纳米级的孔洞。此外，马铃薯细胞壁孔洞的比表面积和尺寸分布很少被分析，而氮气吸附-解吸技术可以通过物理吸附等温线精确测定这些参数（Yang等人，2023年）。该技术已被用于表征分离出的竹子细胞，实现了对细胞壁孔洞的精确量化（Ren等人，2023年）。因此，将高分辨率显微镜与氮气吸附-解吸分析相结合，将能够直接观察并定量表征成熟马铃薯细胞壁中的孔隙结构。

细胞壁的密度受果胶分布和纤维素排列的影响，也决定了淀粉酶穿过细胞壁的传输速率。研究表明，分支鼠李糖半乳聚糖I的含量较高且分布紧密时，会提高果胶密度，从而通过限制淀粉酶在细胞壁中的传输来降低消化率（Frost等人，2016年）。同样，纤维素微纤维在细胞壁内以高度有序且紧密排列的方式存在，限制了酶向细胞壁内的扩散（Arantes & Saddler，2010年）。此外，通过固态核磁共振光谱证实的广泛果胶-纤维素物理接触可能增强了细胞壁的整体结构密度（Fernando等人，2023年；Kirui等人，2021年）。然而，这些研究大多集中在分子水平上的多糖相互作用，依赖于体外结合实验或顺序化学提取。因此，成熟马铃薯块茎富含淀粉的薄壁组织中果胶的原位空间分布和纤维素微纤维的天然排列尚未得到充分描述。

在这项研究中，我们系统地研究了成熟马铃薯块茎细胞壁生物聚合物的多尺度微观结构特征。采用了结合高分辨率扫描电子显微镜（SEM）、共聚焦激光显微镜（CLSM）、透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）的多模态显微镜系统，原位探究了马铃薯细胞壁的成分分布、层次结构、网络结构和纳米结构。氮气吸附-解吸法用于确定分离出的马铃薯细胞壁的孔类型、孔体积和孔径。总体而言，这项研究可能为确定细胞壁的结构特性提供了一种有效的分析方法。

章节摘录

材料

新鲜马铃薯购自京东商城。淀粉酶（50 U/mg）、Viscozyme?L（≥ 100 FBGU/g）和钌红购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。中性蛋白酶（100 U/mg）、果胶酶（≥ 30,000 U/mL）、半纤维素酶（20 U/mg）、过碘酸-希夫试剂（PAS）、荧光素异硫氰酸酯（FITC）和calcofluor white M2R购自源叶生物技术有限公司（中国上海）。

马铃薯块茎切片的制备

去皮后的马铃薯块茎切成约3毫米的立方体，并浸泡在

细胞的形态和分布

图1显示了用PAS染色的马铃薯块茎的横截面和纵截面，该方法基于纤维素和果胶中乙二醇含量的差异来初步评估细胞壁结构的异质性（Coffigniez等人，2019年）。含有大量乙二醇基团的纤维素和淀粉被染成深紫色-红色；而含有相对较少乙二醇的果胶分子则被染成较浅的颜色。如图1 A1所示

结论

本研究探讨了成熟马铃薯细胞壁的多尺度微观结构。通过使用具有不同选择性和特异性的多种多糖染料，观察到果胶基质与纤维素/半纤维素骨架的共定位，以及果胶在细胞壁内侧的积累。高倍率扫描电子显微镜观察到了细胞壁的纳米级孔洞，并通过氮气吸附-解吸法确定其具有多层裂隙结构

CRediT作者贡献声明

朱玲：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、项目协调、资金争取。肖建辉：软件开发、项目协调。史晓伟：数据验证、实验研究。张慧：软件开发、项目协调。陈晓宇：初稿撰写、软件开发、实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1000602）、中国山东省重点研发计划（2024CXGC010918、2025CXGC010805）以及江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX25_2764）的财政支持。