多糖溶液行為縮略版

幾種食物多糖的溶液行為及小尺寸效應(yīng)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院謝筆鈞教授多糖及其綴合物因具有多種多樣的生物功能，在生命現(xiàn)象中參與了細(xì)胞的多種活動(dòng)，目前成為國際熱門課題而引起人們極大的興趣與關(guān)注。在對(duì)多糖及其綴合物的研究中，探討結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，多糖溶液行為的研究有極其重要的理論意義。多糖在溶液中呈現(xiàn)不同形態(tài)，即鏈構(gòu)象，賦予多糖各種不同的性能、功能及生物活性。多糖作為一種高分子，其溶液行為的研究主要有兩方面，一是利用溶液理論方法測定多糖分子的重要參數(shù)，包括分子量、鏈的支化度、鏈的構(gòu)象、分子尺寸、分子形態(tài)、相轉(zhuǎn)變及其它分子特性；另一方面是從多糖分子溶液性質(zhì)的變化預(yù)測多糖鏈構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，為獲得最佳活性多糖作理論基礎(chǔ)。在分子內(nèi)，糖蛋白鏈影響蛋白質(zhì)的折疊、溶解度、半衰期、抗原性及生物活性等；在分子間，通過糖綴合物糖鏈與蛋白質(zhì)的相互作用介導(dǎo)細(xì)胞的專一性識(shí)別和調(diào)控生命過程。糖脂的糖鏈不僅是蛋白質(zhì)受體的配體，其本身也是信號(hào)傳導(dǎo)分子。糖與糖的相互作用介導(dǎo)細(xì)胞-細(xì)胞相互作用也被證實(shí)，新近又發(fā)現(xiàn)整合數(shù)α5β1介導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞與層粘連蛋白間的黏附也是由糖鏈和糖鏈間的相互作用調(diào)控的。糖鏈在這些生命和疾病過程中起特異性的識(shí)別和介導(dǎo)作用。天然多糖的溶液行為

多糖分子的內(nèi)部基團(tuán)相互作用，因其不同氫鍵等的形成而構(gòu)成特定的高級(jí)結(jié)構(gòu)。（1）無規(guī)線團(tuán)鏈，即多糖分子在溶液中呈現(xiàn)線團(tuán)狀(雜多糖)。（2）單股螺旋鏈，主要由分子內(nèi)氫鍵支撐其螺旋結(jié)構(gòu),如赤靈芝孢子粉葡聚糖LB-NB在水及低濃度NaOH溶液中呈單螺旋構(gòu)象。（3）雙股螺旋鏈，主要由分子內(nèi)氫鍵維持其螺旋結(jié)構(gòu)，而分子間氫鍵維持其雙股鏈結(jié)構(gòu)(黃原膠)。（4）三股螺旋鏈，由三條螺旋鏈平行締合組成。（云芝多糖、樹舌多糖、裂褶菌多糖、香菇多糖等均為三股螺旋鏈）。（5）半柔性鏈，分子鏈的柔順性處于螺旋鏈和無規(guī)線團(tuán)之間。（6）聚集體，在溶液中兩條以上高分子鏈集合在一起形成無規(guī)松散的聚集體。但多糖溶液行為的研究比較困難，因此常選擇一些較典型較特殊的多糖。天然多糖溶液行為的表征技術(shù)應(yīng)用于多糖溶液行為的表征技術(shù)主要有粘度法（Vis）、光散射法(LS)、中子散射法、電子顯微鏡(包括SEM&TEM)及原子力顯微鏡(AFM)、核磁共振法(NMR)、旋光色散法(ORD)和圓二色譜法(CD)、拉曼光譜（RS）及紫外光譜法(UV)等。另外還有多糖特定構(gòu)象的特征反應(yīng)，如剛果紅絡(luò)合反應(yīng)及碘-碘化鉀反應(yīng)等。而研究多糖與其它生物大分子的相互作用，主要方法包括中子散射法（NS）、光散射法(LS)、電子顯微鏡（EM）及多維核磁共振波譜法（NMR）、激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）。影響多糖溶液行為的因素多糖的鏈構(gòu)象多糖的簇集與空間構(gòu)象多糖分子的自卷曲多糖的場效應(yīng)多糖的場環(huán)境多糖與溶劑的相互作用溶劑的結(jié)構(gòu)與簇集多糖溶液行為研究最重要的溶劑水

長程氫鍵的壽命（τ>2ns）,其它氫鍵壽命較短如在300K時(shí)，為1ps，在230K時(shí)為180ps。分子間相互作用（氫鍵、離子鍵、疏水相互作用）局部有序結(jié)構(gòu)從分子到宏觀結(jié)構(gòu)的過渡C60水分子網(wǎng)絡(luò)水分子簇與糖水分子簇水分子簇簡介四個(gè)水分子形成小分子簇可以聚合形成雙環(huán)－八聚體。此平衡是因?yàn)樗肿娱g勢能存在兩個(gè)極低值。極值（a）是因?yàn)榉擎I作用，（b）是因?yàn)闅滏I作用。就分子的空間排布而言，（a）要比（b）緊密，而（b）因?yàn)闅滏I作用，是一種高度有序的結(jié)構(gòu)。因此，在相對(duì)低的溫度和壓力下，水分子簇傾向于以形式（b）存在。圖1圖2（a）（b）除了四聚體和八聚體之外，小的水分子簇還有五聚體和三元環(huán)狀十聚體等相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。(H2O)20十二面體是二十面體水分子簇核心,(H2O)20十二面體能以多種方式發(fā)生結(jié)構(gòu)變化.

(下圖,黃色小球代表崩塌的氧原子,其數(shù)目分別是8(b),4(c)or6(d),且分別產(chǎn)生立方體,四面體,八面體空腔)Waterclusterequilibria由以上一系列小的水分子簇通過相互作用可以形成較大的由280個(gè)水分子組成的分子簇。在動(dòng)力學(xué)上存在開放的低密度結(jié)構(gòu)和緊密結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)于1998年首次提出，并在2001年通過x射線衍射在納米水滴中發(fā)現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)。通過氫鍵的彎曲，水的簇團(tuán)結(jié)構(gòu)可以在低密度態(tài)和高密度態(tài)之間相互轉(zhuǎn)變。隨溫度的升高，分子簇的大小、完整性和低密度態(tài)的比例都會(huì)下降。這種由280個(gè)水分子組成的分子簇由12個(gè)正五邊形、20個(gè)正三角形和30個(gè)矩形組成。其組成比較復(fù)雜，但可以簡單的認(rèn)為它完全由下圖所示的八聚體組成。Waterclusterequilibria

水分子的這種結(jié)構(gòu)可以解釋水的許多奇特的性質(zhì)。如水的溫度密度和壓力黏度行為，徑向分布模式，由五元環(huán)和六元環(huán)交替組成的結(jié)構(gòu)，超冷水的特殊性質(zhì)，離子、疏水分子、碳水化合物、高分子的溶劑化和水合作用。有些糖類分子能夠適合水分子簇的二十面體結(jié)構(gòu)，并通過氫鍵代替椅式的六元水環(huán)。糖環(huán)中處于e鍵上的羥基能與臨近的水分子形成氫鍵，即作為氫鍵的受體又作為氫鍵的供體。17OSpinlatticerelaxationtimes證實(shí)肌糖是與水相互作用最強(qiáng)的單糖。水分子與糖極性因素（離子因素）Na+、K+、Ca2+、Mg2+分別能結(jié)合4、2、12、13個(gè)水分子，a-D-galacturonicacid(半乳糖醛酸）的鹽溶液的水合主要取決于這些離子。氫鍵的強(qiáng)弱（空間因素）較強(qiáng)的氫鍵需要同一個(gè)水分子的氧原子和氫原子與多糖分子形成兩個(gè)氫鍵，而這受到糖分子立體結(jié)構(gòu)的影響。分子的疏水性有些多糖如纖維素等，在氫鍵的邊緣有兩個(gè)疏水面，從而阻止了強(qiáng)氫鍵的形成。多糖水合的影響因素溶液行為綠茶多糖1.分子鏈形態(tài)

綠茶多糖的均方根旋轉(zhuǎn)半徑與相對(duì)分子質(zhì)量：

<S2>1/2=0.25Mw0.45

[η]=0.0416Mw0.49cm3g-1β=0.45，說明綠茶多糖分子為半柔順性無規(guī)線團(tuán)。α值小于0.5，說明茶多糖鏈?zhǔn)前肴犴樻?，且多糖分子的支化度（分支度）很高。與高碘酸氧化的結(jié)果一致。λmax＝461nm，565nm無最大吸收，說明具有較長側(cè)鏈和較多分枝，與M-H模型吻合。TPS4-1/碘試劑反應(yīng)的紫外掃描光譜圖剛果紅實(shí)驗(yàn)

綠茶多糖與剛果紅絡(luò)合物隨著NaOH濃度增高，λmax減小，說明不具三股螺旋結(jié)構(gòu)。1.0×10-3mg/mL聚集成球狀1.0×10-4mg/mL形成無規(guī)線團(tuán)和島嶼狀1.0×10-5mg／mL相互纏繞的分子。與糖醛酸含量高有關(guān)2.粒度分布溫度效應(yīng)

有效直徑:520nm→1260nm分散度：0.365→0.005條件：綠茶多糖稀溶液(1.0×10-5mg/ml)煮沸30min,冷卻至室溫。3.空間手性效應(yīng)溫度效應(yīng)321（1—20℃,2—60℃,3—100℃）（1—20℃，2—60℃，3—100℃)T↑，TPS4-1峰值↓，260nm峰紅移。具有很少有序構(gòu)象，T↑，向無規(guī)線團(tuán)轉(zhuǎn)變。（程序升溫：1—35℃，2—55℃，3—75℃，4—95℃）溫度效應(yīng)12431132pH效應(yīng)（1—pH6,2—pH2,3—pH12）（1—pH6,2—pH2,3—pH12）-3080050180350200250300CDWavelength[nm]Ca2+對(duì)TPS4-1構(gòu)象的影響

綠茶多糖可與Ca2+發(fā)生配合反應(yīng)，使手性減小。

12（1—TPS4-1,2—TPS4-1andCaCl2,3—CaCl2）（1—TPS4-1,2—TPS4-1andCaCl2）配位效應(yīng)絡(luò)合物對(duì)茶多糖構(gòu)象的影響

綠茶多糖TPS4-1可與剛果紅產(chǎn)生較弱的絡(luò)合反應(yīng)，但不存在多股螺旋構(gòu)象。

（1—TPS4-1,2—TPS4-1andCongo,3—Congo）（1—TPS4-1,2—TPS4-1andCongo,3—Congo）123配位效應(yīng)

綠茶多糖與硼酸產(chǎn)生較弱的絡(luò)合，但構(gòu)象未突變。（1—TPS4-1,2—TPS4-1andH3BO4）（1—TPS4-1,2—TPS4-1andH3BO4）12配位效應(yīng)結(jié)晶性能

綠茶多糖為無定型形態(tài)，與多糖復(fù)雜的一級(jí)結(jié)構(gòu)和三元糖綴有關(guān)。溶液行為及小尺寸效應(yīng)烏龍茶多糖濃度對(duì)OTPS2-1園二色譜的影響-416051015180300200250CDWavelength[nm]酸堿度對(duì)OTPS2-1園二色譜的影響鈣和銅離子對(duì)OTPS2-1園二色譜的影響EDTA對(duì)OTPS2-1園二色譜的影響AFM圖(pH6.5)三維AFM圖(pH6.5)AFM圖(pH2.0)三維AFM圖(pH2.0)AFM圖(pH12.0)三維AFM圖(pH12.0)烏龍茶多糖激光共聚焦顯微圖

pH12pH6.5pH2.0空間構(gòu)象及尺寸效應(yīng)魔芋葡甘聚糖微細(xì)化淀粉小尺寸效應(yīng)

微細(xì)化淀粉粒度分布SampleMST-1MST-2MST-3MST-4d50（nm）7120456031703030Distribution0.0390.0330.0430.046（a）MST(×300)原淀粉(b)MST(×600)微細(xì)化后(c)MST-4(×1000)微細(xì)化后

原淀粉和微細(xì)化淀粉偏光顯微鏡照片

淀粉光學(xué)顯微鏡照片原淀粉微細(xì)化淀粉

掃描電鏡照片

原淀粉不同粒度微細(xì)化淀粉原淀粉和微細(xì)化淀粉的X-射線衍射圖

原淀粉微細(xì)化淀粉Amylopectin;IntermatialFra