郑盛璇，方毅辉，王 林，张 辉，庞 杰

（1.福建农林大学 食品科学学院，福建 福州 350007；2.武夷山市食品卫生监督检验中心，福建 南平 354300 3.清华大学 航天航空学院，北京 100084；4.浙江大学 生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州 518060）

0 引言

分子链在凝固转变过程中形成结晶，使分子被组织成一个高度有序的结构（见图1）[1]。当前，在研究魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM） 的前体-魔芋的加工时发现，采用低温、深冷、高速气流、静态高压预处理等新型技术对异细胞进行表面破碎，使KGM“释放”出来，得到粒度和纯度更高级别的KGM[2]。然而，以现有的加工方法得到的KGM，无论从质量稳定性还是环保安全性上都不能满足后续深加工的需要，其主成分KGM 的性质也发生了改变，影响进一步的研究[3-7]。鉴于晶体的稳定特性，若能获得具有类似稳定晶区的链状空间结构的天然KGM，可得到结构更稳定、性能更优的KGM，有利于攻克因KGM 复杂和独特的结构而限制对其结构性质及加工过程中变化机制探讨的相关领域深入研究的瓶颈。晶体研究的关键在于晶体的形成与获得。然而，人工培养获得多糖大分子晶体极其困难，基于KGM 的特性也难以形成晶体，仅可通过形成类与晶态结构相近的链状空间结构对KGM 的性能进行调控[8]。影响链状空间结构的因素也很多，如温度、pH 值、KGM 螺旋构象的稳定等，这些因素会导致分子链的分布、缠结、排列方式等的变化，进而影响网络结构的交联情况、力学性能和稳定性，同时影响后续工程（如纯化、制药等） 的质量、经济性及生物可利用性[9]。因此，从魔芋植株体内直接分离的具有链状空间结构的天然KGM 作为研究对象有助于认识KGM 的原生态结构。KGM 的链状空间结构对KGM 加工过程的稳定性产生重大的影响。

研究发现，KGM 链状空间结构的稳定性可能与KGM 分子链的排列、交缠有关，其分子链以某种折叠方式（如二折螺旋） 形成链状空间结构区。同时，在对KGM 微观构象研究时也发现，其链状网络结构与性质、功能有密切关系[10-11]。因此，对天然KGM的微观结构做进一步研究，重点探讨链状空间结构稳定构象与功能性质的相关性，可以深入认识并揭示KGM 纯化的微观机制。

对KGM 链状空间结构的研究进展进行综述，通过探讨KGM 类似晶区结构的链状空间结构的稳定性及聚合物表征的研究现状，揭示KGM 链状空间结构的内在联系，探索安全环保的KGM 加工新方法，将有助于创新切合实际、行之有效的技术手段促进魔芋深加工，扩大KGM 在食品加工、药品制备等领域的创新应用范围。

1 KGM 链状空间结构及存在形式研究进展

1.1 KGM 的结构表征的研究

KGM 是天南星科芋属魔芋（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 主链D -甘露糖与D - 葡萄糖通过β-1,4 糖苷键链接而成，甘露糖与葡萄糖分子比为1.5∶1 或1.6∶1（花魔芋） 或1.69∶1（白魔芋，A altbus）[12]。在某些糖残基C3 位上存在由β-1,3 糖苷键链接的支链，每条支链由几个至几十个葡萄糖与甘露糖残基构成，大约每19 个糖残基就有1 个以酯键结合的乙酰基。加工过程可能导致KGM 分子链的断裂，糖链的断裂有可能形成单一含有葡萄糖或者甘露糖的重复性片段，有可能与淀粉、纤维素和壳聚糖类似，具有类似的分子链排布机理或相近的稳定性调控机制。

KGM 化学结构示意图[13]见图1。

图1 KGM 化学结构示意图

1.2 块茎内天然KGM 的链状空间结构研究

含晶细胞在植物体中广泛存在，结晶形状和尺寸的复杂性及优势分布和空间位置，引发并产生了多种关于植物细胞内结晶功能的假设。但其晶体的形成机理及其功能是一个亟待解决的问题[14-16]。

有研究表明，KGM 以无定型等形式存在于魔芋球茎异细胞中，KGM 球茎细胞具有体积巨大、形似含针晶体等特征[17-19]。

魔芋球茎异细胞与普通细胞的差异见表1。

表1 魔芋球茎异细胞与普通细胞的差异

有研究表明，在魔芋的新鲜球茎中，可以明显观察到许多无色明亮的晶形微粒，而且很容易从组织球茎中分离出来[19]。但是，这些研究仅限于对外观形态的观测，关于这些天然KGM 的具体形成过程及其机制，目前尚不清楚。在对同一来源的天然KGM研究发现，天然KGM 是由放射状排列的胶束组成，其链状空间结构有甘露糖I 型和甘露糖II 型2 种[20]。高分子量、低温或极性介质的存在有利于甘露糖II型KGM 的形成；反之，低分子量、高温或非极性或少极性介质的存在（如丙酮） 则有利于甘露糖I 型KGM 的形成[21]。

然而，上述研究仅限于同一来源的不同链状空间结构KGM 的比较，获得的KGM 结构与性质的数据相对有限。在植物的生长发育过程中，不同科、属的组织中的结晶体，其形态、大小、分布等均有一定的差异。在魔芋中也是如此，不同魔芋属种中，KGM 的结构和性质会存在较大的差异[17]。因此，对不同来源的KGM 链状空间结构及其形成的差异性进行比较，能够获得对其结构与功能性质相关性的更为确切的具体数据。国内外在此方面的文献报道仅有Chanzy H D 等人[10]对不同来源的KGM 的重结晶行为进行了研究。KGM 类晶态结构即链状空间结构机制的研究仍需进一步深入。

2 KGM 链状空间结构稳定性的调控方式研究

目前，关于理化条件下研究天然KGM 的文献报道相对较少，但其他多糖的文献报道已能充分证明通过调控理化条件来研究结晶的可行性。一些多糖的特性很大程度上决定了其结晶度。例如，角质聚酯的酯化程度会影响纤维素的结晶度[22-27]。研究不同pH 值条件对扁桃胶晶体特性的影响规律时，发现pH 值的改变不仅能够使非晶体的扁桃胶表现出晶体特性，而且对晶相也有极显著的影响，在pH 值1～3时，晶体结构与多糖的微纤维化有关，而在pH 值11～13 时，晶态结构与多糖的结构有关[24]。同时，采用NaOH 处理植物纤维素时也发现，经NaOH 处理后纤维素明显得到润胀，纤维素结晶指数降低，纤维素结晶区受到破坏。这些研究均为KGM 类晶态结构（链状空间结构） 与稳定性关系研究提供了可行性参考。进一步综述了KGM 的影响结构比较，验证KGM 的链状空间结构构象与类结晶性质的相关性。

KGM 分子链能与水分子通过氢键、分子偶极等次级键键合作用力在水中形成高度结合、连续的网络。随着浓度的增加，KGM 分子链之间发生覆盖、穿越、交叠，局部相邻分子链段接近平行堆砌，形成物理交联点。当KGM 高分子链从杂乱缠绕，可相互滑动，分子间相互作用不强的状态转变成高分子链完整排列成晶格结构，有熔点，不随意滑动，分子链间有强的相互作用力时，就完成了非晶区向类晶区转换（变）。链缠结程度是影响立构复合区的重要因素，揭示链缠结是制约高分子量聚合物立构复合区的关键。

研究发现在物理机械力处理条件下，KGM 发生断链，出现大量自由基，KGM 的链状空间结构受到部分破坏[28]。研究机械力粉碎处理KGM 时，发现随着粉碎程度的提高，KGM 局部存在的链状空间结构不断无定型化，分子链尺寸不断减小，整体结晶度不断下降[29]。采用溶剂处理KGM 后，其结晶度增加约18%，KGM 分子发生不均一的断裂[30]。同时，一些加工特性、功能活性等也随之发生改变。由此可见，通过物理机械力及化学溶剂处理KGM，研究其结构与性质的变化情况，也可验证KGM 的微观构象与功能性质之间存在一定的相关性。

除此之外，对不同溶液中KGM 的螺旋稳定构象变化情况进行研究时也有不少发现，如水溶液中KGM 与硼酸根离子形成稳定的螺旋复合物[8]，特别是超高静压、高压脉冲电场处理对KGM 微观构象与颗粒形状的影响，发现这些不稳定因素对其结构和性质都有一定程度的影响，其螺旋构象稳定性的变化密切影响着KGM 性质和功能。有研究表明，晶体生长时，分子链以某种折叠方式（如二折螺旋） 排入晶体[8]。基于此，初步认为相对于基本结构因素，KGM 的螺旋构象稳定性与其功能性质之间的相关性更为紧密，因为在理化处理过程中，外场会直接影响多糖分子链之间相互作用力模式，进而影响相应的功能性质。这为研究不同理化处理条件下，KGM螺旋构象稳定性及功能性质变化相关性研究奠定了基础。

3 KGM 链状空间结构聚合物表征研究现状

糖类分子结构的微观构造及与环境（如水、离子等） 的复杂体系，以及与生物分子的复杂相互作用过程是无法直接用科学或试验手段进行探索的，而计算机分子建模方法则能够克服试验之不足，并可以对有关现实原形中的各种观察试验结果进行科学预言与解析。

目前，存在基于天然KGM 内部结构的成核过程预测方法，也提出了一些考虑形成天然KGM 环境因素的模型，但至今还没有足够完善的模型[31-32]。国外学者在研究大分子化合物的内部结构、分子功能设计、化学反应途径预测及机制时，通常引入了分子动力学等的模拟方法，以发挥其功效。用分子模拟技术优化了KGM 分子重复单元，找到了其最稳定构象。作为一种新的研究手段，近年来分子模拟技术克服了传统观测实验的局限性，已成功地应用于其他多糖、蛋白质等高分子的微观构象研究[1]。在对高分子形成晶体的研究方面，利用分子模拟技术可以很直接地观察到晶体的结晶表面的分子间排布，及其形态生长规律等。目前，已经可以成熟地运用于在模拟晶体中物质的相互转换，模拟溶液或添加剂分子对晶体成核与生长的影响，以及与X-衍射图谱相结合获得晶体结构[23]。

孙玉敬[33]从模拟的不同聚合度KGM 的结构图（见图2），通过模拟推断所有葡甘聚糖大分子链都呈无规卷曲状态。KGM 单链的形态与稳定性都受聚集度的直接影响，在较高聚集度时，KGM 分子链显示出无规卷缩状况，因此稳定性降低；在整个动态运动过程中，KGM 链在脱乙酰基团前均显示出了无规卷缩状况，而且其伸长和卷曲都是呈现周期性变化规律，表明了乙酰基团并非直接危害链形态的最主要原因。KGM 结构的复杂性和传统光谱研究手段的局限，使得单支链对葡甘聚糖链微观的动态结构的影响研究步入了瓶颈。

不同聚合度KGM 的结构图见图2。

图2 不同聚合度KGM 的结构图

在上述研究KGM 的结构性质表征之后，得到链状空间结构区的基本信息，然后通过不同的理化处理诱导构象变化，进一步揭示KGM 螺旋构象稳定机制及相应的构象稳定性。在大自然中，很多的自然生物学大分子结构中都存在螺杆构造或多螺杆构造。Jian W J 等人[34]利用分子力学方法计算了(1,3) β-D-葡聚糖二糖最低能量构象，其能量最低构象为单螺旋结构并且其亲水性基团（多羟基） 位于螺旋体的表面，其研究证明了模拟手段可用于探讨糖分子螺旋结构。

KGM 稳定螺旋构象图[34]见图3。

图3 KGM 稳定螺旋构象图

KGM 单链的形态与稳定性都受聚集度的直接影响，在较高聚集度时，KGM 分子链显示出无规卷缩状况，因此稳定性降低；从前期研究模拟结果的构象分析，其构象呈现规则的α 螺线构造，分别由左螺旋结构与右螺旋结构组成。其中，左螺旋由44 个糖残基构成，右螺旋则由88 个糖残基构成，据此推断整个葡甘聚糖大分子链结构是由局部的、大小不一的左螺旋和右螺旋所构成，但并非完整的左螺旋或右螺旋，而且其伸长和卷曲都是呈现周期性变化规律的，表明乙酰基团并非产生影响链形态的最主要原因。

也有研究认为，脱支链KGM 分子链的螺旋结构主要是由局部的褶皱片断所组合而成，并发现分子链脱除支链后随着聚合度的增加，分子构象开始呈现规则的螺旋状态，这进一步揭示了支链可能是影响KGM 螺旋构象特征的重要基团。Li B 等人[35]通过分子形貌观察，Jian W J 等人[34]进行分子模拟，均表明了乙酰基是保持KGM 螺旋结构的关键基团，而研究支链中可以利用β 折叠影响KGM 螺旋结构，则更进一步丰富了对KGM 分子链螺旋结构研究的理论结果。

KGM 分子链的高级螺旋构象是KGM 链状空间结构研究中的热点与难点[36]。Yui T 等人[37]利用X-射线衍射等光谱分析方法发现固体粉末的KGM 具有二折螺旋结构，但这仅局限于天然KGM 中的构像，并非都会产生二折螺旋结构。例如，多糖在生成有机溶胶后，各种力学性质将引起内部结构的改变，二折螺旋构造可能不再适用于水溶液中的构象。

4 结语

由于中国的魔芋加工行业稳步发展、生产设备及工艺技术日益完善，已经得到了葡甘聚糖含量最高的精粉。因此，中国魔芋已获得了全球市场的广泛认可。同时，基于KGM 的大量蕴藏量与结构独特多样性，对KGM 分子链状结构的基础研究也具有很大的科研价值。但目前深入的基础研究成果还非常少，在通过上述研究对KGM 的结构特性表征后，可以获取链状空间结构区的基础信息，并利用不同的理化条件处理诱导构像变化，可以深入阐明KGM 螺旋结构稳定机理和相应的结构稳定性及其特性。对KGM 的更高级螺旋结构的基础研究将是KGM 链状空间结构研究中的未来趋势。

除了进一步研究KGM 链状空间结构形成的因素和稳定构象等基本问题外，还存在一些挑战，如关于KGM 链状空间结构区中的小分子链及折叠方法尚不清楚，无法深入了解KGM 链状空间结构的生成机理等。综上所述，深入认识并揭示链状空间结构形成的机制，突破现有研究对此科学问题认识的局限性，有望揭示KGM 分子链稳定性机理，为后续在加工过程中对KGM 高分子解聚调控以扩大食品、新材料等领域的研究应用奠定理论基础。