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華中農(nóng)業(yè)大學食品科技學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)象中參與了細胞的多種活動，目前成為國際熱門課題而引起人們極大的興趣與關注。在對多糖及其綴合物的研究中，探討結構與功能的關系，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、鏈的構象、分子尺寸、分子形態(tài)、相轉變及其它分子特性；另一方面是從多糖分子溶液性質(zhì)的變化預測多糖鏈構象的轉變，為獲得最佳活性多糖作理論基礎。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)的相互作用介導細胞的專一性識別和調(diào)控生命過程。糖脂的糖鏈不僅是蛋白質(zhì)受體的配體，其本身也是信號傳導分子。糖與糖的相互作用介導細胞-細胞相互作用也被證實，新近又發(fā)現(xiàn)整合數(shù)α5β1介導的內(nèi)皮細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別和介導作用。天然多糖的溶液行為

多糖分子的內(nèi)部基團相互作用，因其不同氫鍵等的形成而構成特定的高級結構。（1）無規(guī)線團鏈，即多糖分子在溶液中呈現(xiàn)線團狀(雜多糖)。（2）單股螺旋鏈，主要由分子內(nèi)氫鍵支撐其螺旋結構,如赤靈芝孢子粉葡聚糖LB-NB在水及低濃度NaOH溶液中呈單螺旋構象。（3）雙股螺旋鏈，主要由分子內(nèi)氫鍵維持其螺旋結構，而分子間氫鍵維持其雙股鏈結構(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應用于多糖溶液行為的表征技術主要有粘度法（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象的特征反應，如剛果紅絡合反應及碘-碘化鉀反應等。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象多糖的簇集與空間構象多糖分子的自卷曲多糖的場效應多糖的場環(huán)境多糖與溶劑的相互作用溶劑的結構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，為1ps，在230K時為180ps。分子間相互作用（氫鍵、離子鍵、疏水相互作用）局部有序結構從分子到宏觀結構的過渡C60水分子網(wǎng)絡水分子簇與糖水分子簇水分子簇簡介四個水分子形成小分子簇可以聚合形成雙環(huán)－八聚體。此平衡是因為水分子間勢能存在兩個極低值。極值（a）是因為非鍵作用，（b）是因為氫鍵作用。就分子的空間排布而言，（a）要比（b）緊密，而（b）因為氫鍵作用，是一種高度有序的結構。因此，在相對低的溫度和壓力下，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)狀十聚體等相對穩(wěn)定的結構。(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)生結構變化.

(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個水分子組成的分子簇。在動力學上存在開放的低密度結構和緊密結構。這種結構于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)了這種結構。通過氫鍵的彎曲，水的簇團結構可以在低密度態(tài)和高密度態(tài)之間相互轉變。隨溫度的升高，分子簇的大小、完整性和低密度態(tài)的比例都會下降。這種由280個水分子組成的分子簇由12個正五邊形、20個正三角形和30個矩形組成。其組成比較復雜，但可以簡單的認為它完全由下圖所示的八聚體組成。Waterclusterequilibria

水分子的這種結構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)交替組成的結構，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構，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證實肌糖是與水相互作用最強的單糖。水分子與糖極性因素（離子因素）Na+、K+、Ca2+、Mg2+分別能結合4、2、12、13個水分子，a-D-galacturonicacid(半乳糖醛酸）的鹽溶液的水合主要取決于這些離子。氫鍵的強弱（空間因素）較強的氫鍵需要同一個水分子的氧原子和氫原子與多糖分子形成兩個氫鍵，而這受到糖分子立體結構的影響。分子的疏水性有些多糖如纖維素等，在氫鍵的邊緣有兩個疏水面，從而阻止了強氫鍵的形成。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半徑與相對分子質(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。α值小于0.5，說明茶多糖鏈是半柔順鏈，且多糖分子的支化度（分支度）很高。與高碘酸氧化的結果一致。λmax＝461nm，565nm無最大吸收，說明具有較長側鏈和較多分枝，與M-H模型吻合。TPS4-1/碘試劑反應的紫外掃描光譜圖剛果紅實驗

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

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.空間手性效應溫度效應321（1—20℃,2—60℃,3—100℃）（1—20℃，2—60℃，3—100℃)T↑，TPS4-1峰值↓，260nm峰紅移。具有很少有序構象，T↑，向無規(guī)線團轉變。（程序升溫：1—35℃，2—55℃，3—75℃，4—95℃）溫度效應12431132pH效應（1—pH6,2—pH2,3—pH12）（1—pH6,2—pH2,3—pH12）-3080050180350200250300CDWavelength[nm]Ca2+對TPS4-1構象的影響

綠茶多糖可與Ca2+發(fā)生配合反應，使手性減小。

12（1—TPS4-1,2—TPS4-1andCaCl2,3—CaCl2）（1—TPS4-1,2—TPS4-1andCaCl2）配位效應絡合物對茶多糖構象的影響

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

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

綠茶多糖與硼酸產(chǎn)生較弱的絡合，但構象未突變。（1—TPS4-1,2—TPS4-1andH3BO4）（1—TPS4-1,2—TPS4-1andH3BO4）12配位效應結晶性能

綠茶多糖為無定型形態(tài)，與多糖復雜的一級結構和三元糖綴有關。溶液行為及小尺寸效應烏龍茶多糖濃度對OTPS2-1園二色譜的影響-416051015180300200250CDWavelength[nm]酸堿度對OTPS2-1園二色譜的影響鈣和銅離子對OTPS2-1園二色譜的影響EDTA對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空間構象及尺寸效應魔芋葡甘聚糖微細化淀粉小尺寸效應

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

原淀粉和微細化淀粉偏光顯微鏡照片

淀粉光學顯微鏡照片原淀粉微細化淀粉

掃描電鏡照片

原淀粉不同粒度微細化淀粉原淀粉和微細化淀粉的X-射線衍射圖

原淀粉微細化淀粉Amylopectin;IntermatialFra