魔芋葡甘聚糖分子鏈空間結(jié)構(gòu)的研究

鄭盛璇，方毅輝，王 林，張 輝，龐 杰

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007；2.武夷山市食品衛(wèi)生監(jiān)督檢驗(yàn)中心，福建 南平 354300 3.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084；4.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 518060）

0 引言

分子鏈在凝固轉(zhuǎn)變過(guò)程中形成結(jié)晶，使分子被組織成一個(gè)高度有序的結(jié)構(gòu)（見圖1）[1]。當(dāng)前，在研究魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM） 的前體-魔芋的加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用低溫、深冷、高速氣流、靜態(tài)高壓預(yù)處理等新型技術(shù)對(duì)異細(xì)胞進(jìn)行表面破碎，使KGM“釋放”出來(lái)，得到粒度和純度更高級(jí)別的KGM[2]。然而，以現(xiàn)有的加工方法得到的KGM，無(wú)論從質(zhì)量穩(wěn)定性還是環(huán)保安全性上都不能滿足后續(xù)深加工的需要，其主成分KGM 的性質(zhì)也發(fā)生了改變，影響進(jìn)一步的研究[3-7]。鑒于晶體的穩(wěn)定特性，若能獲得具有類似穩(wěn)定晶區(qū)的鏈狀空間結(jié)構(gòu)的天然KGM，可得到結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、性能更優(yōu)的KGM，有利于攻克因KGM 復(fù)雜和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)而限制對(duì)其結(jié)構(gòu)性質(zhì)及加工過(guò)程中變化機(jī)制探討的相關(guān)領(lǐng)域深入研究的瓶頸。晶體研究的關(guān)鍵在于晶體的形成與獲得。然而，人工培養(yǎng)獲得多糖大分子晶體極其困難，基于KGM 的特性也難以形成晶體，僅可通過(guò)形成類與晶態(tài)結(jié)構(gòu)相近的鏈狀空間結(jié)構(gòu)對(duì)KGM 的性能進(jìn)行調(diào)控[8]。影響鏈狀空間結(jié)構(gòu)的因素也很多，如溫度、pH 值、KGM 螺旋構(gòu)象的穩(wěn)定等，這些因素會(huì)導(dǎo)致分子鏈的分布、纏結(jié)、排列方式等的變化，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)情況、力學(xué)性能和穩(wěn)定性，同時(shí)影響后續(xù)工程（如純化、制藥等） 的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性及生物可利用性[9]。因此，從魔芋植株體內(nèi)直接分離的具有鏈狀空間結(jié)構(gòu)的天然KGM 作為研究對(duì)象有助于認(rèn)識(shí)KGM 的原生態(tài)結(jié)構(gòu)。KGM 的鏈狀空間結(jié)構(gòu)對(duì)KGM 加工過(guò)程的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大的影響。

研究發(fā)現(xiàn)，KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可能與KGM 分子鏈的排列、交纏有關(guān)，其分子鏈以某種折疊方式（如二折螺旋） 形成鏈狀空間結(jié)構(gòu)區(qū)。同時(shí)，在對(duì)KGM 微觀構(gòu)象研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)，其鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、功能有密切關(guān)系[10-11]。因此，對(duì)天然KGM的微觀結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步研究，重點(diǎn)探討鏈狀空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定構(gòu)象與功能性質(zhì)的相關(guān)性，可以深入認(rèn)識(shí)并揭示KGM 純化的微觀機(jī)制。

對(duì)KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，通過(guò)探討KGM 類似晶區(qū)結(jié)構(gòu)的鏈狀空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及聚合物表征的研究現(xiàn)狀，揭示KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，探索安全環(huán)保的KGM 加工新方法，將有助于創(chuàng)新切合實(shí)際、行之有效的技術(shù)手段促進(jìn)魔芋深加工，擴(kuò)大KGM 在食品加工、藥品制備等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用范圍。

1 KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)及存在形式研究進(jìn)展

1.1 KGM 的結(jié)構(gòu)表征的研究

KGM 是天南星科芋屬魔芋（Amurp-hophallus konjac） 的主要特征性成分，是自然界黏度最高的天然多糖之一[6]。KGM 主鏈D -甘露糖與D - 葡萄糖通過(guò)β-1,4 糖苷鍵鏈接而成，甘露糖與葡萄糖分子比為1.5∶1 或1.6∶1（花魔芋） 或1.69∶1（白魔芋，A altbus）[12]。在某些糖殘基C3 位上存在由β-1,3 糖苷鍵鏈接的支鏈，每條支鏈由幾個(gè)至幾十個(gè)葡萄糖與甘露糖殘基構(gòu)成，大約每19 個(gè)糖殘基就有1 個(gè)以酯鍵結(jié)合的乙酰基。加工過(guò)程可能導(dǎo)致KGM 分子鏈的斷裂，糖鏈的斷裂有可能形成單一含有葡萄糖或者甘露糖的重復(fù)性片段，有可能與淀粉、纖維素和殼聚糖類似，具有類似的分子鏈排布機(jī)理或相近的穩(wěn)定性調(diào)控機(jī)制。

KGM 化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖[13]見圖1。

圖1 KGM 化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 塊莖內(nèi)天然KGM 的鏈狀空間結(jié)構(gòu)研究

含晶細(xì)胞在植物體中廣泛存在，結(jié)晶形狀和尺寸的復(fù)雜性及優(yōu)勢(shì)分布和空間位置，引發(fā)并產(chǎn)生了多種關(guān)于植物細(xì)胞內(nèi)結(jié)晶功能的假設(shè)。但其晶體的形成機(jī)理及其功能是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[14-16]。

有研究表明，KGM 以無(wú)定型等形式存在于魔芋球莖異細(xì)胞中，KGM 球莖細(xì)胞具有體積巨大、形似含針晶體等特征[17-19]。

魔芋球莖異細(xì)胞與普通細(xì)胞的差異見表1。

表1 魔芋球莖異細(xì)胞與普通細(xì)胞的差異

有研究表明，在魔芋的新鮮球莖中，可以明顯觀察到許多無(wú)色明亮的晶形微粒，而且很容易從組織球莖中分離出來(lái)[19]。但是，這些研究?jī)H限于對(duì)外觀形態(tài)的觀測(cè)，關(guān)于這些天然KGM 的具體形成過(guò)程及其機(jī)制，目前尚不清楚。在對(duì)同一來(lái)源的天然KGM研究發(fā)現(xiàn)，天然KGM 是由放射狀排列的膠束組成，其鏈狀空間結(jié)構(gòu)有甘露糖I 型和甘露糖II 型2 種[20]。高分子量、低溫或極性介質(zhì)的存在有利于甘露糖II型KGM 的形成；反之，低分子量、高溫或非極性或少極性介質(zhì)的存在（如丙酮） 則有利于甘露糖I 型KGM 的形成[21]。

然而，上述研究?jī)H限于同一來(lái)源的不同鏈狀空間結(jié)構(gòu)KGM 的比較，獲得的KGM 結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的數(shù)據(jù)相對(duì)有限。在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，不同科、屬的組織中的結(jié)晶體，其形態(tài)、大小、分布等均有一定的差異。在魔芋中也是如此，不同魔芋屬種中，KGM 的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會(huì)存在較大的差異[17]。因此，對(duì)不同來(lái)源的KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)及其形成的差異性進(jìn)行比較，能夠獲得對(duì)其結(jié)構(gòu)與功能性質(zhì)相關(guān)性的更為確切的具體數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)外在此方面的文獻(xiàn)報(bào)道僅有Chanzy H D 等人[10]對(duì)不同來(lái)源的KGM 的重結(jié)晶行為進(jìn)行了研究。KGM 類晶態(tài)結(jié)構(gòu)即鏈狀空間結(jié)構(gòu)機(jī)制的研究仍需進(jìn)一步深入。

2 KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的調(diào)控方式研究

目前，關(guān)于理化條件下研究天然KGM 的文獻(xiàn)報(bào)道相對(duì)較少，但其他多糖的文獻(xiàn)報(bào)道已能充分證明通過(guò)調(diào)控理化條件來(lái)研究結(jié)晶的可行性。一些多糖的特性很大程度上決定了其結(jié)晶度。例如，角質(zhì)聚酯的酯化程度會(huì)影響纖維素的結(jié)晶度[22-27]。研究不同pH 值條件對(duì)扁桃膠晶體特性的影響規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)pH 值的改變不僅能夠使非晶體的扁桃膠表現(xiàn)出晶體特性，而且對(duì)晶相也有極顯著的影響，在pH 值1～3時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)與多糖的微纖維化有關(guān)，而在pH 值11～13 時(shí)，晶態(tài)結(jié)構(gòu)與多糖的結(jié)構(gòu)有關(guān)[24]。同時(shí)，采用NaOH 處理植物纖維素時(shí)也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)NaOH 處理后纖維素明顯得到潤(rùn)脹，纖維素結(jié)晶指數(shù)降低，纖維素結(jié)晶區(qū)受到破壞。這些研究均為KGM 類晶態(tài)結(jié)構(gòu)（鏈狀空間結(jié)構(gòu)） 與穩(wěn)定性關(guān)系研究提供了可行性參考。進(jìn)一步綜述了KGM 的影響結(jié)構(gòu)比較，驗(yàn)證KGM 的鏈狀空間結(jié)構(gòu)構(gòu)象與類結(jié)晶性質(zhì)的相關(guān)性。

KGM 分子鏈能與水分子通過(guò)氫鍵、分子偶極等次級(jí)鍵鍵合作用力在水中形成高度結(jié)合、連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)。隨著濃度的增加，KGM 分子鏈之間發(fā)生覆蓋、穿越、交疊，局部相鄰分子鏈段接近平行堆砌，形成物理交聯(lián)點(diǎn)。當(dāng)KGM 高分子鏈從雜亂纏繞，可相互滑動(dòng)，分子間相互作用不強(qiáng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成高分子鏈完整排列成晶格結(jié)構(gòu)，有熔點(diǎn)，不隨意滑動(dòng)，分子鏈間有強(qiáng)的相互作用力時(shí)，就完成了非晶區(qū)向類晶區(qū)轉(zhuǎn)換（變）。鏈纏結(jié)程度是影響立構(gòu)復(fù)合區(qū)的重要因素，揭示鏈纏結(jié)是制約高分子量聚合物立構(gòu)復(fù)合區(qū)的關(guān)鍵。

研究發(fā)現(xiàn)在物理機(jī)械力處理?xiàng)l件下，KGM 發(fā)生斷鏈，出現(xiàn)大量自由基，KGM 的鏈狀空間結(jié)構(gòu)受到部分破壞[28]。研究機(jī)械力粉碎處理KGM 時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著粉碎程度的提高，KGM 局部存在的鏈狀空間結(jié)構(gòu)不斷無(wú)定型化，分子鏈尺寸不斷減小，整體結(jié)晶度不斷下降[29]。采用溶劑處理KGM 后，其結(jié)晶度增加約18%，KGM 分子發(fā)生不均一的斷裂[30]。同時(shí)，一些加工特性、功能活性等也隨之發(fā)生改變。由此可見，通過(guò)物理機(jī)械力及化學(xué)溶劑處理KGM，研究其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的變化情況，也可驗(yàn)證KGM 的微觀構(gòu)象與功能性質(zhì)之間存在一定的相關(guān)性。

除此之外，對(duì)不同溶液中KGM 的螺旋穩(wěn)定構(gòu)象變化情況進(jìn)行研究時(shí)也有不少發(fā)現(xiàn)，如水溶液中KGM 與硼酸根離子形成穩(wěn)定的螺旋復(fù)合物[8]，特別是超高靜壓、高壓脈沖電場(chǎng)處理對(duì)KGM 微觀構(gòu)象與顆粒形狀的影響，發(fā)現(xiàn)這些不穩(wěn)定因素對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都有一定程度的影響，其螺旋構(gòu)象穩(wěn)定性的變化密切影響著KGM 性質(zhì)和功能。有研究表明，晶體生長(zhǎng)時(shí)，分子鏈以某種折疊方式（如二折螺旋） 排入晶體[8]。基于此，初步認(rèn)為相對(duì)于基本結(jié)構(gòu)因素，KGM 的螺旋構(gòu)象穩(wěn)定性與其功能性質(zhì)之間的相關(guān)性更為緊密，因?yàn)樵诶砘幚磉^(guò)程中，外場(chǎng)會(huì)直接影響多糖分子鏈之間相互作用力模式，進(jìn)而影響相應(yīng)的功能性質(zhì)。這為研究不同理化處理?xiàng)l件下，KGM螺旋構(gòu)象穩(wěn)定性及功能性質(zhì)變化相關(guān)性研究奠定了基礎(chǔ)。

3 KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)聚合物表征研究現(xiàn)狀

糖類分子結(jié)構(gòu)的微觀構(gòu)造及與環(huán)境（如水、離子等） 的復(fù)雜體系，以及與生物分子的復(fù)雜相互作用過(guò)程是無(wú)法直接用科學(xué)或試驗(yàn)手段進(jìn)行探索的，而計(jì)算機(jī)分子建模方法則能夠克服試驗(yàn)之不足，并可以對(duì)有關(guān)現(xiàn)實(shí)原形中的各種觀察試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)預(yù)言與解析。

目前，存在基于天然KGM 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成核過(guò)程預(yù)測(cè)方法，也提出了一些考慮形成天然KGM 環(huán)境因素的模型，但至今還沒有足夠完善的模型[31-32]。國(guó)外學(xué)者在研究大分子化合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、分子功能設(shè)計(jì)、化學(xué)反應(yīng)途徑預(yù)測(cè)及機(jī)制時(shí)，通常引入了分子動(dòng)力學(xué)等的模擬方法，以發(fā)揮其功效。用分子模擬技術(shù)優(yōu)化了KGM 分子重復(fù)單元，找到了其最穩(wěn)定構(gòu)象。作為一種新的研究手段，近年來(lái)分子模擬技術(shù)克服了傳統(tǒng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的局限性，已成功地應(yīng)用于其他多糖、蛋白質(zhì)等高分子的微觀構(gòu)象研究[1]。在對(duì)高分子形成晶體的研究方面，利用分子模擬技術(shù)可以很直接地觀察到晶體的結(jié)晶表面的分子間排布，及其形態(tài)生長(zhǎng)規(guī)律等。目前，已經(jīng)可以成熟地運(yùn)用于在模擬晶體中物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)換，模擬溶液或添加劑分子對(duì)晶體成核與生長(zhǎng)的影響，以及與X-衍射圖譜相結(jié)合獲得晶體結(jié)構(gòu)[23]。

孫玉敬[33]從模擬的不同聚合度KGM 的結(jié)構(gòu)圖（見圖2），通過(guò)模擬推斷所有葡甘聚糖大分子鏈都呈無(wú)規(guī)卷曲狀態(tài)。KGM 單鏈的形態(tài)與穩(wěn)定性都受聚集度的直接影響，在較高聚集度時(shí)，KGM 分子鏈顯示出無(wú)規(guī)卷縮狀況，因此穩(wěn)定性降低；在整個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，KGM 鏈在脫乙?；鶊F(tuán)前均顯示出了無(wú)規(guī)卷縮狀況，而且其伸長(zhǎng)和卷曲都是呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，表明了乙?；鶊F(tuán)并非直接危害鏈形態(tài)的最主要原因。KGM 結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和傳統(tǒng)光譜研究手段的局限，使得單支鏈對(duì)葡甘聚糖鏈微觀的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的影響研究步入了瓶頸。

不同聚合度KGM 的結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 不同聚合度KGM 的結(jié)構(gòu)圖

在上述研究KGM 的結(jié)構(gòu)性質(zhì)表征之后，得到鏈狀空間結(jié)構(gòu)區(qū)的基本信息，然后通過(guò)不同的理化處理誘導(dǎo)構(gòu)象變化，進(jìn)一步揭示KGM 螺旋構(gòu)象穩(wěn)定機(jī)制及相應(yīng)的構(gòu)象穩(wěn)定性。在大自然中，很多的自然生物學(xué)大分子結(jié)構(gòu)中都存在螺桿構(gòu)造或多螺桿構(gòu)造。Jian W J 等人[34]利用分子力學(xué)方法計(jì)算了(1,3) β-D-葡聚糖二糖最低能量構(gòu)象，其能量最低構(gòu)象為單螺旋結(jié)構(gòu)并且其親水性基團(tuán)（多羥基） 位于螺旋體的表面，其研究證明了模擬手段可用于探討糖分子螺旋結(jié)構(gòu)。

KGM 穩(wěn)定螺旋構(gòu)象圖[34]見圖3。

圖3 KGM 穩(wěn)定螺旋構(gòu)象圖

KGM 單鏈的形態(tài)與穩(wěn)定性都受聚集度的直接影響，在較高聚集度時(shí)，KGM 分子鏈顯示出無(wú)規(guī)卷縮狀況，因此穩(wěn)定性降低；從前期研究模擬結(jié)果的構(gòu)象分析，其構(gòu)象呈現(xiàn)規(guī)則的α 螺線構(gòu)造，分別由左螺旋結(jié)構(gòu)與右螺旋結(jié)構(gòu)組成。其中，左螺旋由44 個(gè)糖殘基構(gòu)成，右螺旋則由88 個(gè)糖殘基構(gòu)成，據(jù)此推斷整個(gè)葡甘聚糖大分子鏈結(jié)構(gòu)是由局部的、大小不一的左螺旋和右螺旋所構(gòu)成，但并非完整的左螺旋或右螺旋，而且其伸長(zhǎng)和卷曲都是呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律的，表明乙酰基團(tuán)并非產(chǎn)生影響鏈形態(tài)的最主要原因。

也有研究認(rèn)為，脫支鏈KGM 分子鏈的螺旋結(jié)構(gòu)主要是由局部的褶皺片斷所組合而成，并發(fā)現(xiàn)分子鏈脫除支鏈后隨著聚合度的增加，分子構(gòu)象開始呈現(xiàn)規(guī)則的螺旋狀態(tài)，這進(jìn)一步揭示了支鏈可能是影響KGM 螺旋構(gòu)象特征的重要基團(tuán)。Li B 等人[35]通過(guò)分子形貌觀察，Jian W J 等人[34]進(jìn)行分子模擬，均表明了乙?；潜３諯GM 螺旋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵基團(tuán)，而研究支鏈中可以利用β 折疊影響KGM 螺旋結(jié)構(gòu)，則更進(jìn)一步豐富了對(duì)KGM 分子鏈螺旋結(jié)構(gòu)研究的理論結(jié)果。

KGM 分子鏈的高級(jí)螺旋構(gòu)象是KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)研究中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[36]。Yui T 等人[37]利用X-射線衍射等光譜分析方法發(fā)現(xiàn)固體粉末的KGM 具有二折螺旋結(jié)構(gòu)，但這僅局限于天然KGM 中的構(gòu)像，并非都會(huì)產(chǎn)生二折螺旋結(jié)構(gòu)。例如，多糖在生成有機(jī)溶膠后，各種力學(xué)性質(zhì)將引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，二折螺旋構(gòu)造可能不再適用于水溶液中的構(gòu)象。

4 結(jié)語(yǔ)

由于中國(guó)的魔芋加工行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展、生產(chǎn)設(shè)備及工藝技術(shù)日益完善，已經(jīng)得到了葡甘聚糖含量最高的精粉。因此，中國(guó)魔芋已獲得了全球市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。同時(shí)，基于KGM 的大量蘊(yùn)藏量與結(jié)構(gòu)獨(dú)特多樣性，對(duì)KGM 分子鏈狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究也具有很大的科研價(jià)值。但目前深入的基礎(chǔ)研究成果還非常少，在通過(guò)上述研究對(duì)KGM 的結(jié)構(gòu)特性表征后，可以獲取鏈狀空間結(jié)構(gòu)區(qū)的基礎(chǔ)信息，并利用不同的理化條件處理誘導(dǎo)構(gòu)像變化，可以深入闡明KGM 螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定機(jī)理和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其特性。對(duì)KGM 的更高級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究將是KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)研究中的未來(lái)趨勢(shì)。

除了進(jìn)一步研究KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)形成的因素和穩(wěn)定構(gòu)象等基本問(wèn)題外，還存在一些挑戰(zhàn)，如關(guān)于KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)區(qū)中的小分子鏈及折疊方法尚不清楚，無(wú)法深入了解KGM 鏈狀空間結(jié)構(gòu)的生成機(jī)理等。綜上所述，深入認(rèn)識(shí)并揭示鏈狀空間結(jié)構(gòu)形成的機(jī)制，突破現(xiàn)有研究對(duì)此科學(xué)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的局限性，有望揭示KGM 分子鏈穩(wěn)定性機(jī)理，為后續(xù)在加工過(guò)程中對(duì)KGM 高分子解聚調(diào)控以擴(kuò)大食品、新材料等領(lǐng)域的研究應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。