基于原子力顯微鏡技術(shù)的食品科學(xué)研究進(jìn)展

郭云昌，劉鐘棟

1.儀凰(無(wú)錫)光譜測(cè)控有限公司，江蘇 無(wú)錫 214446

2.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscopy，STM)[1]的問(wèn)世，使物質(zhì)二維表面上的單個(gè)原子及其排列狀態(tài)能直接被觀察到，STM對(duì)涉及表面物理學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域有重要意義[2-3]。但是，由于STM的應(yīng)用局限于導(dǎo)體，不能對(duì)絕緣樣品進(jìn)行檢測(cè)和力學(xué)操縱，所以很快發(fā)展出可以檢測(cè)絕緣體和半導(dǎo)體的原子力顯微鏡(atomic force microscopy，AFM)[4]。STM的發(fā)明和AFM各種模式的發(fā)展，逐漸形成一類(lèi)基于探針掃描的顯微鏡(scanning probe microscopy，SPM)，更廣泛應(yīng)用于包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體材料在內(nèi)的形貌學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等物理學(xué)性能表征[5-9]。本文就原子力顯微鏡的原理、優(yōu)勢(shì)及其在食品科學(xué)領(lǐng)域中的淀粉、蛋白、脂類(lèi)以及其他方面的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 原子力顯微鏡的工作原理

原子力顯微鏡的工作原理如圖1所示。一個(gè)長(zhǎng)度約為100 μm的力學(xué)敏感的微懸臂，其末端具有納米級(jí)曲率半徑的針尖。特定波長(zhǎng)的激光照射到微懸臂背面的反射層，反射到探測(cè)器(PSPD)上。針尖在樣品表面掃描時(shí)，針尖和樣品表面之間的相互作用力隨著樣品形貌變化或物理性質(zhì)的不同而發(fā)生變化，這種變化引起了微懸臂的偏折，激光檢測(cè)微懸臂的偏折就可以得到所掃描樣品表面的形貌學(xué)信息，獲得圖像、力學(xué)數(shù)據(jù)。原子力顯微鏡以相互作用力作為反饋信號(hào)，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不局限于樣品是否導(dǎo)電，也不局限于工作環(huán)境是否真空，從而大大拓寬了研究對(duì)象，它可以在大氣、真空和溶液等環(huán)境下對(duì)導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體等物質(zhì)表面特征進(jìn)行測(cè)量，還可以進(jìn)行原位、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)研究顯微成像，表征樣品表面的微結(jié)構(gòu)(原子、分子級(jí)別)信息，如形貌學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等綜合物理信息。實(shí)驗(yàn)中，原子級(jí)曲率半徑的針尖的獲得，使原子級(jí)的成像分辨率得以實(shí)現(xiàn)。AFM的表征能力已經(jīng)強(qiáng)大到可以表征單個(gè)原子、單個(gè)分子；AFM作為一種“力”顯微鏡，除了可以利用原子間力外，還可以利用針尖給樣品施加縱向和橫向的作用力，結(jié)合AFM的不同工作模式，對(duì)樣品進(jìn)行定位納米操縱。AFM能夠最大程度保證試樣在觀察時(shí)不會(huì)因?yàn)楦稍?、抽真空、?dǎo)電或染色處理而被破壞，并能實(shí)現(xiàn)原位實(shí)時(shí)分析和定位納米操縱。食品科學(xué)的基礎(chǔ)研究就是要保證研究樣品保持一個(gè)初始的自然狀態(tài)，因此，AFM在物理、化學(xué)、生物、食品等科學(xué)中的應(yīng)用就越來(lái)越廣泛。

圖1 原子力顯微鏡工作原理

2 原子力顯微鏡技術(shù)在食品科學(xué)中的應(yīng)用

2.1 淀粉

淀粉是一類(lèi)重要的碳水化合物，是由葡萄糖單元構(gòu)成的多糖，淀粉按照性質(zhì)是否穩(wěn)定，是否易于分解，可以分為難以分解的直鏈淀粉和易于分解的支鏈淀粉2類(lèi)[10]。近日，中國(guó)科學(xué)家[11]首次在實(shí)驗(yàn)室成功“種”出淀粉。淀粉的微觀結(jié)構(gòu)一直是科學(xué)家感興趣的研究對(duì)象。淀粉作為一種重要的生物多糖類(lèi)大分子，其結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)經(jīng)歷了100多年的發(fā)展。偏光顯微鏡、掃描電鏡等[12-15]在研究淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)和顆粒大小方面取得了一定的成果。20世紀(jì)80年代，由于原子力顯微鏡具有可以在生理?xiàng)l件下研究樣品三維形貌的優(yōu)點(diǎn)，迅速地被應(yīng)用于研究淀粉[16-18]。在原子力顯微鏡下，淀粉的微觀結(jié)構(gòu)研究又有了新的進(jìn)展。Thomson等[16]利用AFM研究淀粉顆粒表面酶的使用效果，淀粉顆粒逐漸被酶的作用從外到內(nèi)打開(kāi)了一個(gè)通道。1998年法國(guó)的Baldwin等[17]用AFM也觀察到淀粉顆粒表面的拓?fù)湫蚊?。但是他們的研究與電鏡下淀粉的研究一樣，還停留在顆粒(granule)的基礎(chǔ)上。

淀粉的結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但是在從微觀到納觀層次方面的研究進(jìn)展還是不夠順利。近些年，原子力顯微鏡技術(shù)和制樣技術(shù)的發(fā)展，有力地推動(dòng)了淀粉納觀層次結(jié)構(gòu)的研究。劉鐘棟課題組[19-20]利用原子力顯微鏡對(duì)淀粉在納觀層次的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，利用納米操縱技術(shù)作為淀粉結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)新起點(diǎn)，首次獲得原子層面的淀粉“鏈”的圖像證據(jù)。借助于“分子梳”操縱技術(shù)[21-22]，利用AFM對(duì)沉積在新解離的云母上的天然淀粉、變性淀粉以及酶解淀粉進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果顯示，鏈淀粉中存在線性的長(zhǎng)鏈，它是葡萄糖單鏈有規(guī)律的纏繞，長(zhǎng)度為1～2 μm，鏈徑為10～20 nm，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了更細(xì)的鏈，鏈徑在1.5 nm左右。圖2A展示了一根似乎正在從淀粉顆粒中往外“逃逸”的淀粉直鏈。直鏈淀粉在水溶液中的無(wú)規(guī)則線團(tuán)構(gòu)型在圖2B中被直接觀察到;支鏈淀粉在溶液中呈現(xiàn)出糜狀和菊花狀的構(gòu)型，這從圖2C中也得到了印證；進(jìn)一步地研究發(fā)現(xiàn)天然淀粉顆粒中穩(wěn)定存在20 nm左右直徑的納米級(jí)微粒子(圖2D)[20]，它可能是目前人們未知的淀粉在納米層次的形態(tài)豐富多樣的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元。受到分辨率的限制，此前，人類(lèi)一直只能在微米尺度觀察淀粉形貌，在更小的介觀尺度，都是以酶解淀粉后的單糖數(shù)據(jù)“猜想”淀粉的鏈結(jié)構(gòu)。因此，在淀粉領(lǐng)域的研究說(shuō)明：AFM儀器的技術(shù)進(jìn)展，使形態(tài)科學(xué)在分辨率方面提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，可以揭示許多難以想象的介觀結(jié)構(gòu)。

A 顯示一根正在往顆粒外游離的直鏈淀粉； B為淀粉的無(wú)規(guī)則線團(tuán)構(gòu)型; C為支鏈淀粉的糜狀結(jié)構(gòu)； D為淀粉納米粒子

2.2 蛋白類(lèi)

食品工業(yè)中蛋白種類(lèi)繁多，AFM也廣泛應(yīng)用于各類(lèi)蛋白的表面形貌和物理特性研究，比如麥谷蛋白[23]、面筋[24]、玉米醇溶蛋白[25-26]、乳清蛋白[27]、膠原蛋白[28]、酪蛋白[29-32]、大豆蛋白[33-34]等。選取2種極具代表性的蛋白進(jìn)行舉例說(shuō)明AFM在食品蛋白中的應(yīng)用。玉米醇溶蛋白具有很強(qiáng)的疏水性，水溶性差，可以溶于乙醇，疏水氨基酸和含硫氨基酸占有很高的比例，蛋白質(zhì)分子間以較強(qiáng)的二硫鍵、疏水鍵相連[35]，這也是玉米醇溶蛋白的成膜基礎(chǔ)。玉米醇溶蛋白可作為生物可降解塑料、涂膜劑、黏結(jié)劑、藥物緩釋材料和營(yíng)養(yǎng)輔料等。玉米醇溶蛋白的這些特性不僅僅與它的氨基酸種類(lèi)和比例緊密相關(guān)，還依賴于它的單體聚集程度和結(jié)構(gòu)。一直以來(lái)，人們研究玉米醇溶蛋白的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)時(shí)，基本的研究手段都是像X射線散射、超濾、雙折射以及圓二色譜等這樣的常規(guī)的物理手段。Tatham等[36]通過(guò)小角X射線散射和黏度分析表明，玉米醇溶蛋白的分子不對(duì)稱，主要為α-螺旋構(gòu)象。但是，人們很少直接觀察到更精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)。在原子力顯微鏡下，Guo等[37]研究了玉米醇溶蛋白更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。在70%乙醇溶液里，玉米醇溶蛋白是以一定聚集態(tài)存在，呈現(xiàn)出大小集中在15～50 nm之間的小球，如圖3A所示。前面已經(jīng)了解到玉米醇溶蛋白容易成膜[38]。借助于改進(jìn)的“分子梳”制樣技術(shù)[19-20]，進(jìn)一步研究玉米醇溶蛋白的成膜特性[25]，在實(shí)驗(yàn)中觀察到直徑約為8 nm的短棒(圖3B)，這些彎曲的短棒結(jié)構(gòu)相互交織成一張均勻大網(wǎng)，在大網(wǎng)的縫隙中，還存在為數(shù)不少的游離狀態(tài)的顆粒，這也許是制樣過(guò)程造成的或者本身就存在這種更小的納米級(jí)顆粒，這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)玉米醇溶蛋白成膜特性給予了支持。當(dāng)樣品表面濕度降低時(shí)，同時(shí)降低作用在樣品表面的作用力時(shí)，“網(wǎng)眼”顯得更密，尺寸在50～100 nm之間(圖3C)，這也證明了玉米醇溶蛋白膜具備優(yōu)良的防水透氣特性。

A為醇溶蛋白納米小球； B為醇溶蛋白棒狀、環(huán)狀結(jié)構(gòu)和游離顆粒； C為醇溶蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

膠原蛋白是動(dòng)物體內(nèi)最豐富的蛋白質(zhì)，存在于大多數(shù)組織中。它的纖維特性意味著膠原蛋白為組織增加了結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和彈性。因膠原蛋白在生物相容性、可降解性以及生物活性方面的良好性能，其廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域[39-42]。膠原蛋白可分為很多種類(lèi)，其中I型成纖維膠原應(yīng)用較廣，直徑約1.5 nm，由3條多肽鏈以超螺旋的方式相互纏繞，組成4～5 nm的膠原纖維，分子長(zhǎng)度可達(dá)300 nm，呈現(xiàn)出棒狀結(jié)構(gòu)[43]。膠原蛋白的自組裝過(guò)程(與組織培養(yǎng)、改性、加工密切相關(guān)，如人造肉)目前不是完全清楚。因此，確定I型成纖維膠原形成的實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)研究對(duì)于更好地理解I型膠原的結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要，但在分子尺度上可視化I型膠原的動(dòng)態(tài)自組裝過(guò)程需要提供高時(shí)空分辨率的成像技術(shù)?？焖賿呙柙恿︼@微鏡提供了在接近生理?xiàng)l件下以秒為時(shí)間尺度研究這些過(guò)程的手段。Stamov等[44-45]用超快速原子力顯微鏡實(shí)時(shí)研究了I型膠原蛋白原纖維生長(zhǎng)，研究了在30 μg/mL的總膠原單體濃度下I型膠原原纖維在50 mmol/L的甘氨酸緩沖液(含200 mmol/L KCl，pH 9.2)中卷曲狀原纖維4 h內(nèi)的形成過(guò)程[44]。原子力顯微鏡下明顯觀察到一個(gè)纖維的形成過(guò)程，表明在前述條件下，纖維排列和取向變化隨時(shí)間而變化，4 h后纖維幾乎覆蓋整個(gè)表面。Cisneros等[46]用原子力顯微鏡研究了如何控制I型膠原原纖維在納米基質(zhì)上組裝成不同的花樣。這些超薄(～3 nm)基質(zhì)中的膠原原纖維保持了體內(nèi)觀察到的天然結(jié)構(gòu)。這為利用膠原結(jié)合蛋白或與膠原結(jié)合域融合的蛋白質(zhì)創(chuàng)建可編程生物功能化基質(zhì)開(kāi)辟了可能性；應(yīng)用于真核細(xì)胞，這些納米結(jié)構(gòu)的基質(zhì)可以引導(dǎo)細(xì)胞過(guò)程，如黏附、定向和遷移等。

對(duì)于生物來(lái)講，DNA和蛋白質(zhì)的相互作用是至關(guān)重要的，根據(jù)中心法則[47]，遺傳信息從DNA經(jīng)RNA傳遞給蛋白質(zhì)，即完成遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程。原子力顯微鏡在DNA或RNA方面的研究已經(jīng)比較深入了。Lv等[48]、Hu等[49]利用原子力顯微鏡的探針對(duì)DNA進(jìn)行“分子手術(shù)”，對(duì)DNA分子進(jìn)行精準(zhǔn)定位、切割、移動(dòng)、折疊等納米操縱，接著對(duì)感興趣的部分進(jìn)行拾取，然后進(jìn)行PCR擴(kuò)增，得到目標(biāo)DNA片段的堿基序列，這是基于原子力顯微鏡的物理手段(DNA的單分子納米操縱)與生化分析相結(jié)合的新研究手段。Hu等[49]以改性的云母為襯底，用“分子梳”方法制樣，AFM探針作為“手術(shù)刀”對(duì)云母片上的DNA分子進(jìn)行“分子手術(shù)”后，書(shū)寫(xiě)“D”“N”“A”3個(gè)字母。

2.3 脂類(lèi)

脂類(lèi)包括脂肪和類(lèi)脂，是人體重要的營(yíng)養(yǎng)成分?？茖W(xué)家們已經(jīng)利用AFM對(duì)脂類(lèi)與納米乳液體系的關(guān)系和影響進(jìn)行了表征[50-52]。納米乳液是由2種互不混溶液體組成的各向同性分散系統(tǒng)，通常由分散在水系統(tǒng)中的油系統(tǒng)或分散在油系統(tǒng)中的水系統(tǒng)組成，形成納米尺寸的液滴或油相，一般在1～100 nm。研究人員用AFM研究了脂類(lèi)的結(jié)構(gòu)、表面形貌以及對(duì)其他成分的結(jié)構(gòu)和功能性的影響[51,53-55]。Lupi等[51]研究了在制備有機(jī)凝膠時(shí)，溶劑特性對(duì)有機(jī)凝膠流變性和物理化學(xué)性質(zhì)的影響，并比較了葵花油有機(jī)凝膠、米油有機(jī)凝膠、石蠟油有機(jī)凝膠、蓖麻油有機(jī)凝膠的表面形貌，AFM顯示這幾種有機(jī)凝膠表面形貌差異較大。Tai等[56]用AFM研究了甾醇衍生物對(duì)大豆和蛋黃卵磷脂脂質(zhì)體的影響，研究表明，與空白脂質(zhì)體相比，甾醇的加入增加了囊泡的尺寸。

Drolle等[57]研究了膽固醇對(duì)人工磷脂膜與淀粉樣蛋白B肽(Aβ)相互作用的影響。通過(guò)原子力顯微鏡，證明了Aβ與富含20%膽固醇的DOPC雙層的結(jié)合，導(dǎo)致了一個(gè)有趣的非均勻小島的形成。他們將這種效應(yīng)歸因于DOPC雙層中膽固醇誘導(dǎo)的納米級(jí)靜電疇的存在。AFM家族中的調(diào)頻開(kāi)爾文探針顯微鏡能夠分辨出DOPC單層中的這些納米級(jí)靜電疇。這些發(fā)現(xiàn)直接影響了人們對(duì)膽固醇的存在如何誘導(dǎo)淀粉樣沉積與生物膜的靶向結(jié)合的理解。Drolle等[57]研究了純DOPC單層和含20%膽固醇的DOPC單層的AFM形貌圖像與表面電位分布的對(duì)應(yīng)FM-KPFM圖像。研究發(fā)現(xiàn)，富含膽固醇的區(qū)域在形貌上較高，但電位較低。純DOPC脂質(zhì)單層光滑且具有均勻的無(wú)特征表面電位，而含有20%膽固醇的DOPC脂質(zhì)單層在形貌和表面電位中顯示疇結(jié)構(gòu)。在KPFM圖像中這些疇結(jié)構(gòu)的表面電位差為(61±8) mV?？紤]到Aβ的帶電性質(zhì)，由膽固醇在DOPC類(lèi)脂膜中產(chǎn)生的靜電疇會(huì)吸引Aβ肽，從而導(dǎo)致非均質(zhì)島或密集堆積淀粉樣沉積物的微觀區(qū)域。因此，可以改變帶電或極性生物分子與脂膜表面的相互作用。這項(xiàng)工作證明了膽固醇的靜電效應(yīng)可能是淀粉樣蛋白與脂膜結(jié)合的驅(qū)動(dòng)力，從而支持膽固醇參與淀粉樣蛋白毒性機(jī)制的假設(shè)。

An等[58]用AFM的力體積曲線譜研究了膽固醇對(duì)脂閥門(mén)的力學(xué)性質(zhì)的影響。在由DOPC/DOPS組成的雙層磷脂膜中，在加入鞘磷脂(SM)后形成脂閥，DOPC/DOPS/SM為1∶ 1∶ 2，然后混入10%的膽固醇，形成含膽固醇的脂閥。AFM力體積曲線譜一方面可以對(duì)表面成像，獲得表面形貌，另一方面又可以用來(lái)對(duì)表面做力學(xué)性質(zhì)研究。這樣可以將某個(gè)特定位置的力學(xué)性質(zhì)與表面形貌對(duì)應(yīng)起來(lái)。結(jié)果表明，不含膽固醇的磷脂雙層在富含鞘磷脂的區(qū)域剛性大于不含鞘磷脂的區(qū)域。在加入膽固醇后，表面形貌顯示區(qū)域界線變得模糊，黏附力沒(méi)有差別，但是剛性變小，在富含鞘磷脂的區(qū)域剛性小于不含膽固醇的值，但是大于DOPC/DOPS磷脂雙層。這項(xiàng)研究表明膽固醇在介導(dǎo)細(xì)胞膜表面有力學(xué)性質(zhì)的作用。由于其在磷脂雙層中處于一種可移動(dòng)的狀態(tài)，可以動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)脂閥與蛋白質(zhì)以及其他大分子的相互作用。

2.4 其他應(yīng)用

除了以上提到的三大類(lèi)應(yīng)用，AFM還在食品科學(xué)的其他領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Yang等[59-60]利用AFM研究不同儲(chǔ)藏條件對(duì)果蔬表皮粗糙度的影響。他們的研究表明，儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的升高會(huì)造成果蔬表面粗糙度的線性上升，并能有效表征不同儲(chǔ)藏階段果蔬的失水程度。Yang等[61-63]還利用AFM研究了不同儲(chǔ)藏條件下黃桃果膠的鏈降解情況，調(diào)整冷藏條件可以抑制黃桃中果膠的降解。Xin等[64]研究殼聚糖涂膜對(duì)甜櫻桃非等溫貯藏過(guò)程中軟化和碳酸鈉可溶果膠(SSP)生成的抑制作用時(shí)，原子力顯微鏡圖像顯示，包衣甜櫻桃含有更多的鏈接、分支和長(zhǎng)SSP鏈，并保持果膠主鏈的寬度(N140 nm)。這些結(jié)果表明，殼聚糖涂膜在非等溫條件下保存采后水果是可行的。這些研究是AFM技術(shù)直接用于指導(dǎo)果蔬的儲(chǔ)藏，甚至加工工藝。

Xin等[65]研究了雞皮明膠(CG)、商品豬皮明膠(PG)和羅非魚(yú)皮明膠(FG)的凝膠性質(zhì)和納米結(jié)構(gòu)，原子力顯微鏡結(jié)果顯示，CG含有比PG和FG(直徑分別為334、224 nm)更大的球形聚集體(直徑為483 nm)，而缺少可以形成致密剛性凝膠的鏈狀和環(huán)狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果表明，分子內(nèi)氫鍵和聚集行為是3種來(lái)源的明膠凝膠性質(zhì)不同的基本原因。該項(xiàng)研究為雞皮明膠作為商業(yè)明膠替代品的應(yīng)用提供了指導(dǎo)，也為雞皮明膠的改性提供了理論依據(jù)。Zhao等[66]研究了魚(yú)明膠(FG)與葡萄籽提取物(GSE)在冷藏羅非魚(yú)魚(yú)片上的作用，原子力顯微鏡研究顯示FG-GSE涂層通過(guò)保持其長(zhǎng)度、寬度和高度來(lái)維持肌原纖維納米結(jié)構(gòu)，他們發(fā)展了一種用真空浸漬結(jié)合FG和GSE的協(xié)同效應(yīng)的方法保存魚(yú)片的方法。Chen等[67]在研究微熱處理和乳酸及其組合對(duì)大腸桿菌的滅活效果時(shí)，AFM結(jié)果表明，濕熱處理導(dǎo)致的外膜破壞導(dǎo)致大腸桿菌失活使細(xì)胞表面更加光滑，并導(dǎo)致外膜損傷。本文認(rèn)為濕熱處理和低濃度乳酸的組合可能是一種潛在的抗菌方法。

中國(guó)釀酒文化歷史悠久，僅白酒種類(lèi)就數(shù)不勝數(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)白酒的風(fēng)味、口味鑒別長(zhǎng)期以來(lái)依賴于人們的感官來(lái)判斷，主觀性大。有科學(xué)家嘗試用物理方法來(lái)研究白酒的納米圖譜。鄧少平[68]、趙金松等[69]用原子力顯微鏡研究了不同品牌白酒，發(fā)現(xiàn)了中國(guó)白酒微觀非均相分布現(xiàn)象；在原力顯微鏡的微觀世界里，不同風(fēng)味的各類(lèi)白酒，均存在有一定規(guī)律形態(tài)和尺寸大小的納米顆粒，但是在假酒里面，要么顆粒大小毫無(wú)規(guī)律，要么幾乎不存在納米顆粒。白酒AFM納米圖譜的發(fā)現(xiàn)和圖譜庫(kù)建立，為白酒風(fēng)味的鑒別、真假白酒的鑒別提供了一個(gè)新的研究方向。如果繼續(xù)深入研究原材料、溫度、生產(chǎn)工藝對(duì)納米圖譜形狀和大小的相互關(guān)系，對(duì)白酒品質(zhì)的提高無(wú)疑可以提供另外一種脫離人工主觀評(píng)斷的新方法。

3 展望

原子力顯微鏡發(fā)明至今，在許多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用，在食品科學(xué)中的表征和動(dòng)力學(xué)研究只是其中很少的一部分?，F(xiàn)在的應(yīng)用也主要集中在原子力顯微鏡眾多物理探測(cè)手段中的成像功能，還可以考慮廣泛引入原子顯微鏡力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)測(cè)量等功能在食品科學(xué)中的應(yīng)用。比如利用原子力顯微鏡的力學(xué)功能，可以研究膠原蛋白在針尖的力學(xué)作用下，緩沖溶液中改變或干擾結(jié)晶的重要過(guò)程；針尖誘導(dǎo)DNA在緩沖溶液中形成不同的花樣等；前述提到膽固醇對(duì)脂閥門(mén)的力學(xué)性質(zhì)影響，同樣也可以利用原子顯微鏡的電學(xué)功能，改變膽固醇的電位，研究?jī)烧咧g在電流或者靜電力作用下的相互影響。生物微磁與人類(lèi)健康息息相關(guān)，原子力顯微鏡已經(jīng)發(fā)展到可以無(wú)侵?jǐn)_地研究樣品表面的自旋分布圖像，利用該功能研究細(xì)胞內(nèi)部的鐵蛋白，無(wú)疑會(huì)大大拓展食品科學(xué)在疾病機(jī)理研究和診斷中的應(yīng)用。原子力顯微鏡畢竟是一種物理的探測(cè)手段，還不能探明物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)信息?，F(xiàn)在原子力顯微鏡與激光拉曼光譜儀已經(jīng)開(kāi)始聯(lián)用，利用基于原子力顯微鏡的針尖對(duì)激光拉曼光譜儀的電磁場(chǎng)增強(qiáng)作用——針尖增強(qiáng)拉曼光譜(tip-enhanced raman scattering，TERS)，它不僅可以同時(shí)獲得物質(zhì)的物理信息，也可以獲得物質(zhì)表面的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)信息，而且將拉曼光譜儀的空間分辨率從亞微米級(jí)別提高到單分子水平。在研究醇溶蛋白的成膜機(jī)制時(shí)，如果在表征醇溶蛋白的物理特性的同時(shí)將拉曼表征引入，就能更好地分析這種成膜的化學(xué)特性：與蛋白里面的氫鍵、二硫鍵等的密切聯(lián)系，這可能是一個(gè)非常有趣的研究方向。同樣在研究果蔬的儲(chǔ)藏變化時(shí)，引入拉曼光譜儀，就可以原位實(shí)時(shí)知道是某一組分的變化導(dǎo)致果膠以及失水率的變化。在研究白酒納米圖譜時(shí)，實(shí)時(shí)用TERS技術(shù)，可以原位了解是何種不同成分或水-乙醇分子團(tuán)導(dǎo)致的納米圖譜的形狀和大小不一樣。作為一種直接的光學(xué)傳感技術(shù)，TERS有可能成為DNA/RNA以及其他重要生物聚合物(如多糖、多肽，甚至糖肽結(jié)合物)的下一代測(cè)序方法?；谠恿︼@微鏡的眾多技術(shù)，特別是納米拉曼光譜技術(shù)，應(yīng)用在食品科學(xué)研究中，必將對(duì)食品科學(xué)的幾何-化學(xué)鍵基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究起到極大的推動(dòng)，甚至在食品開(kāi)發(fā)、工藝過(guò)程改善、產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面都會(huì)發(fā)揮更大的作用。