温成荣, 傅丽群, 谢丙清, 丛 爽, 庞 杰,*

(1.大连工业大学食品学院,辽宁大连 116034;2.国家海洋食品工程技术研究中心,辽宁大连 116034;3.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002)

基于稳定体系的魔芋葡甘聚糖与卡拉胶作用位点的研究

温成荣1,2, 傅丽群3, 谢丙清3, 丛 爽1,2, 庞 杰3,*

(1.大连工业大学食品学院,辽宁大连 116034;
2.国家海洋食品工程技术研究中心,辽宁大连 116034;
3.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002)

魔芋葡甘聚糖与κ型卡拉胶的协同增效作用是多糖相互作用的重要研究内容,研究二者的作用位点有利于揭示体系的许多本质,对稳定体系的网络构建及应用等具有重要的参考价值.研究了微波和热处理下3种配比的魔芋葡甘聚糖与κ型卡拉胶复合物的流变性变化,并通过分子动力学模拟研究二者之间的作用力位点.结果显示,微波处理后,魔芋葡聚糖与κ型卡拉胶相互作用发生变化,κ型卡拉胶浓度越高,二者复合效果越好;κ型卡拉胶分子中的OSO3基团与魔芋葡聚糖分子之间形成的氢键是维持二者复合体系稳定的主要作用力,即OSO3基团是κ型卡拉胶与魔芋葡聚糖的主要作用位点.这些结果表明,κ型卡拉胶在魔芋葡聚糖与κ型卡拉胶复合体系中起着主导作用.

魔芋葡甘聚糖;卡拉胶;流变;分子动力学模拟

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)是一种水溶性、非离子中性杂多糖.KGM主链由D-葡萄糖单元和D-甘露糖单元按摩尔比1∶1.5或1∶1.6通过β-1,4-糖苷键链接而成[1-3],甘露糖残基上有少量的β-1,3-糖苷键连接的侧链,分子的乙酰度大约为5%～10%.KGM具有高黏度、良好的生物相容性和生物降解性以及特殊的凝胶性等.当KGM与淀粉、蛋白质、卡拉胶、黄原胶和可德兰胶等共混时具有协同增效作用,形成特殊的质构性质[4-5],如KGM与黄原胶皆为非凝胶多糖,但是当二者共混

卡拉胶(carrageenan)是一类从红藻中提取出来的水溶性多糖硫酸酯的钙、钾、钠、铵盐.根据硫酸酯结合的形态不同,可分为 κ型(kappa)、ι型(iota)、λ型(lambda).不同型号具有不同的性质,其中ι型卡拉胶在Ca2+、Rb+和Cs+的诱导下可形成具有晶体结构的凝胶[10-11],而κ型卡拉胶(KC) 在K+诱导下形成凝胶[12-13],λ型卡拉胶在Fe3+诱导下形成凝胶[14].目前普遍认为卡拉胶中只有KC 与KGM具有协同增效作用[15],并被广泛应用于果冻等产品.文献对KC与KGM的相互作用有不同的报道,Cairns等[16]认为KGM不会改变KC结晶区,而有些报道却指出KGM与KC混合后的DSC曲线有两个峰[17],暗示晶体改变.可见,研究KGM与KC的相互作用具有重要的理论和实践意义.

热处理是物质间相互作用的最重要方法之一,不同的热处理方式产生不同的作用和产物.前期研究中发现,KGM与KC的共混溶液经过微波处理后流变性发生明显变化,因此,本研究分别制备了不同配比下加热和微波处理的KGM与KC复合样品,对比二者的动态流变性,并结合分子动力学模拟分析了二者的相互作用位点,以期为多糖分子间相互作用的研究提供方法借鉴.

1 材料与方法

1.1 材料

魔芋粉(食品级),云南昭通市三艾有机魔芋发展有限责任公司;κ型卡拉胶(食品级),烟台协力海洋生物制品有限公司;异丙醇(分析纯),Sigma-Aldrich有限公司.

1.2 仪器设备

P70F20CL-DG型微波炉,格兰仕集团;MYP11-2型恒温磁力搅拌器,上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司;ARES-G2型流变仪,TA仪器设备有限公司; HAD-VORTEX-5型漩涡振荡器,北京恒奥德仪器仪表有限公司.

1.3 实验方法

1.3.1 KGM/KC复合物的制备

将100mg的KC和KGM分别溶于200mL的双蒸水中,90℃下恒温搅拌60min,搅拌过程中每20 min补充双蒸水至200 m L,最终保持200 mL的溶液.将溶好的KGM溶液缓缓加入到KC溶液中(不断搅拌),其中加热处理组在磁力搅拌下加热90℃,搅拌约1 h,至溶液为50m L,得到KGM/KC(KK)混合溶液,KGM与KC质量比分别为2∶1,1∶1,1∶2,并分别记为A1、A2、A3;微波处理组为将溶胀好的KGM溶液缓缓加入到KC溶液中,不断搅拌5 min后在微波炉中加热5 min,取出搅拌2 min后继续微波处理,不断重复微波搅拌过程至溶液为50mL,微波的输出功率为750W,频率为2 450MHz,KGM与KC质量比分别为2∶1,1∶1,1∶2,并分别记为B1、B2、B3.将预冷好的200m L异丙醇溶液倒入所得的混合溶液中,得到絮状物沉淀,将絮状物沉淀在55℃真空干燥箱中干燥,得到不同的KK复合物.

1.3.2 流变测定

称取0.1 g的KK加入到10mL双蒸水中,放置12 h以保证复配物充分分散,再在90℃下加热,期间不断取出在漩涡振荡器中振荡1 min,制备成KK溶胶,冷却静置备用.采用40 mm,0.05 rad锥角的锥板,测量距离为55μm,进行振荡扫描测定.在锥板凹槽中滴入少量的水并盖上保温盖,以防止水分挥发.应变扫描:温度5℃,频率1Hz,应变0.1%～20%,以得到最佳的线性黏弹区,最终选择应变为1%进行频率和温度扫描实验.频率扫描:温度为45,25,5 ℃,频率0.1～100 Hz,应变1%.温度扫描:温度5～80℃,频率1 Hz,应变1%[18].

1.3.3 分子动力学模拟

运用分子模拟软件Material Studio中的Visualizer模块,搭建β-1,4-糖苷键链接的KGM分子基本单元D-葡萄糖(G)与D-甘露糖(M)以及乙酰基(AC)、β-1,3糖苷键链接的G-M-AC支链.搭建好各个分子模型后,选择PCFF力场估算每个模拟体系的势能.选用Discover模块中的smartminimize方法对分子模型进行5 000步的优化.参数设置中,精度等级取Fine,选用COMPASS力场,其中能量收敛公差0.42 J/mol,力收敛公差为2.1 J/mol,偏转收敛公差为5×10-3pm,采用Atom-based cutoffs技术进行优化.经分子力学优化计算后分别得到各个基本单元的能量最低的3D结构模型.

2 结果与分析

2.1 频率依赖性分析

图1是1.0%的KK溶胶在不同温度下(45,25, 5℃)对频率的依赖性研究结果,分别从储能模量G＇和tan(δ)对频率的双对数关系进行分析.

图1 KK复合物在不同的温度下的频率依赖性Fig.1 Frequency dependence of KK at different temperature

从图1(a)、(b)、(c)的lg G＇-lg f曲线可以看出,在45℃和25℃时,KK复合体系的lg G＇-lg f曲线上升速度较快,而5℃时则相对缓和,说明随着温度的升高,体系对频率的稳定性降低.图1(d)、(e)、(f)的lgtan(δ)-lg f曲线也说明了这一点.对于普通加热的A1至A3组,在较高温度下,复合体系被破坏,各组之间的储能模量G＇和tan(δ)大小没有明显的规律,而在5℃时,G＇的大小依次为A2、A3、A1,tan(δ)相反,这与文献报道的KGM与KC共混的最佳比例为5.5∶4.5基本符合[15,19];微波处理的B1至B3发生了变化,G＇主要的趋势由大到小是B3、B2、B1,tan(δ)则相反.对微波处理与加热处理组进行对比可知,B1的G＇总体低于A1,但在45℃和25℃时,B1的tan(δ)也低于A1;B2的G＇总体低于A2、B2的tan(δ)也高于A2;B3的G＇总体大于A3,tan(δ)也低于A3.可见随着KC比例的增高,微波处理的KK流变性增强,有利于KK体系性能的提高,如在25℃,与A3不同,B3的tan(δ)＜1,表明体系趋于形成凝胶态.这可能是因为微波引起卡拉胶降解,硫酸基脱离[20-21],使部分的KGM与KC分子形成螺旋结构被破坏,体系流变性降低,而当KC浓度提高后,与KGM形成螺旋结构的KC分子数量增加,并逐渐达到二者最佳复合比例,因此复合体系的凝胶性能增强.暗示了KGM与KC分子间的相互作用的主要位点是KC分子中的OSO3,KC分子通过硫酸基与KGM分子形成螺旋结构,进一步形成空间凝胶网络结构体系.

2.2 温度模量分析

图2是KK溶胶在频率1 Hz,应变1%时对温度依赖性的研究结果,升温范围为5～80℃.

从图2可以看出,经微波处理后的B3组在低温时具有最高的G＇(图2(a)),且tan(δ)值也与A2相近(图2(b)),除此之外,经微波处理的B1和B2组的流变性都不如普通加热的A1和A2.各实验组的G＇在30℃左右降低到最低,而tan(δ)出现拐点的温度却有所不同,B3、A3和A2的拐点温度相对较高;虽然B3的tan(δ)在30～40℃有个缓和阶段,但在35℃之前就已经大于1,只有A2的tan(δ)在40℃后才大于1.可见A2的体系的热稳定最好,分子间相互作用强;而B3可能受KC分子降解的影响,使KGM与KC之间存在一定的间隙,故对温度稳定性降低.

图2 KK对温度的依赖性Fig.2 Temperature dependence of KK

2.3 KK在水溶液中的氢键分布

葡甘聚糖的水溶液体系主要形成KGM与H2O之间的分子间氢键,主要发生在O(6)位置以及糖苷键的O上[22],此外还有M(3)上的O(2)与乙酰基之间通过水形成了氢键,葡甘聚糖分子之间未形成氢键;而卡拉胶的水溶液体系形成的分子间氢键为:O(6)—O(2)、O(6)—O(3,6-内醚键)、O(2)—H2O、O(6)—H2O、H2O—OSO3(硫酸基);分子内氢键为:S—H2O—OSO3(硫酸基)、O(2)—OSO3(硫酸基).KGM和KC复合体系在水溶液中形成氢键的情况见图3.由图3可以看出,葡甘聚糖与卡拉胶共混时形成的分子间氢键数明显增多,主要形成的是分子间氢键,这种分子间氢键多通过OSO3来实现.因此,当KC被降解,OSO3含量降低时,KGM与KC之间的相互作用位点减少,相互作用减弱,体系流变性受到破坏.孙玉敬[23]通过分子动力学模拟研究结果表明,κ型卡拉胶分子与KGM分子链间的非键合作用力依次为氢键、静电势和范德华力.

图3 KGM和KC复合物在水溶液中的氢键分布Fig.3 Distribution of hydrogen bonds of KGM and KC blends in water solution

通过介观形态动态模拟研究KGM与KC相互作用时的水分子的状态.KGM和KC复配形成的凝胶中含有两种状态的水分子,部分水分子和高分子链耦合缠结在凝胶的内部,但是仍有相当部分的水分子以自由水的形式游离于凝胶的表面,这说明了KGM、KC与水分子的相互作用主要是—OH之间形成的弱氢键,以及KGM和KC形成的空间网络结构对水分子的包埋吸附作用,这可能是KGM和卡拉胶复合体系对剪切和温度不稳定的原因.

3 结 论

魔芋葡甘聚糖与κ型卡拉胶的协同增效作用在食品工业中,尤其是在果冻、冰淇淋等食品行业中有广泛应用,但二者作用的分子机理尚未明确.我们通过理化实验和分子动力学模拟相结合研究KGM与KC相互作用的位点.考虑到微波会引起KC的OSO3脱离,对比OSO3的有无对KGM与KC复合体系的影响,间接揭示二者的作用位点.

在实验采用的3个配比中,通过微波处理KGM 与KC复合物,得到具有最佳流变性的KGM与KC配比为1∶2,而普通加热处理的最佳配比为1∶1,说明微波对KC的降解影响了KC与KGM之间的协同增效作用,OSO3是二者相互作用的重要位点.分子动力学模拟表明,KC与KGM相互作用是通过分子间的氢键作用,且以KC分子中的OSO3基团形成的氢键最为稳定,在二者相互作用中起决定性作用,这暗示了KC可能是KGM与KC复合中的主导部分.

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Studies on Konjac G lucomannan and Carrageenan Interaction Sites Based on Stable System

WEN Chengrong1,2, FU Liqun3, XIE Bingqing3, CONG Suang1,2, PANG Jie3,*
(1.College of Food,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China;
2.National Engineering Research Center ofSeafood,Dalian 116034,China;
3.College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China)

The synergy effect of konjac glucomannan(KGM)andκ-Carrageenan(KC)is one of an important research fields of polysaccharide interactions.The study of their interaction site can help to reveal many essentialproblem of the system,and italso plays a key role in the building and application of stable network system.The changes of KGM and KC blends rheological property in three ratios with microwave and heating process were studied,and their action sites were alsomeasured through rheometer and molecular dynamics simulation,respectively.The results showed that the interaction between KGM and KC was changed aftermicrowave treatment.The higher was the KC concentration,the better of their interaction.The hydrogen bonds between OSO3of KC and KGM molecular were themain forces tomaintain the complex system stable,which indicated that the OSO3residue was the main KC and KGM interaction site.These results suggested that KC played a dominant role in KGM and KC composite system.

konjac glucomannan;carrageenan;rheology;molecular dynamics simulation

叶红波)

TS202

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.05.005

2095-6002(2014)05-0021-06

温成荣,傅丽群,谢丙清,等.基于稳定体系的魔芋葡甘聚糖与卡拉胶作用位点的研究.食品科学技术学报,2014, 32(5):21-26. WEN Chengrong,FU Liqun,XIE Bingqing,et al.Studies on konjac glucomannan and carrageenan interaction sites based on stable system.Journal of Food Science and Technology,2014,32(5):21-26.后,可形成凝胶[6].KGM已经作为食品原料或添加剂广泛应用于面制品、果酱、仿生食品等食品行业中[7-9].

2014-08-30

国家自然科学基金资助项目(31271837);科技部专项研究基金(2012GA7200022);福建省高校产学研重大专项(2013N5003).

温成荣,男,博士,主要从事多糖结构与性能方面的研究;*庞 杰,男,研究员,博士,主要从事天然产物化学与应用方面的研究.通讯作者.