魔芋葡甘聚糖與可得然膠的相互作用

蔣明峰，肖　滿*，倪學(xué)文，嚴(yán)文莉，匡　映，沈　閱，姜發(fā)堂

（湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院，湖北 武漢 430068）

魔芋葡甘聚糖與可得然膠的相互作用

蔣明峰，肖滿*，倪學(xué)文，嚴(yán)文莉，匡映，沈閱，姜發(fā)堂

（湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院，湖北 武漢 430068）

通過分子動(dòng)力學(xué)模擬魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）和可得然膠分子的作用方式；采用旋轉(zhuǎn)流變儀測定25 ℃條件下KGM/可得然膠溶膠黏度、剪切力隨剪切速率變化的規(guī)律；采用透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡觀察KGM/可得然膠共混溶膠在90 ℃條件下的分子形貌。分子模擬表明KGM和可得然膠分子間存在氫鍵相互作用；KGM/可得然膠流變性結(jié)果表明二者分子間存在相互作用，且共混溶膠剪切力協(xié)同指數(shù)由1.43提高到1.97，兩種多糖分子共混具有協(xié)同-增黏作用，可能是兩種多糖分子相互作用的結(jié)果；顯微鏡觀察結(jié)果表明分子間可形成互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（可能由氫鍵相互作用驅(qū)動(dòng)），進(jìn)一步從分子水平上驗(yàn)證KGM和可得然膠存在相互作用以及兩者的作用方式。

魔芋葡甘聚糖；可得然膠；分子動(dòng)力學(xué)模擬；分子形貌；相互作用

天然多糖是自然界中一類重要的生物大分子，在食品工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用［1］。由于單一多糖的功能特性單一，不能滿足食品工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的需要。而兩種或多種多糖在適當(dāng)條件下的共混表現(xiàn)出特殊的黏彈性、凝膠性，使其作為添加劑、增稠劑常被應(yīng)用于食品工業(yè)中［2］。共混多糖分子間相互作用的研究近年來逐漸成為食品研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。例如已經(jīng)有魔芋葡甘聚糖（konjac g1ucomannan，KGM）/黃原膠、KGM/瓜爾豆膠、KGM/結(jié)冷膠、殼聚糖/海藻酸鈉等相互作用的報(bào)道［3-6］，利用這種相互作用得到的凝膠可以拓寬多糖在食品中的應(yīng)用范圍。

KGM由D-葡萄糖和D-甘露糖按物質(zhì)的量比2∶3或1∶1.6，由β-1，4-吡喃糖苷鍵連結(jié)，具有親水性、優(yōu)良的成膜性、生物相容性和可降解性，被廣泛應(yīng)用于食品醫(yī)療領(lǐng)域［7］?？傻萌荒z是一種由糞產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes faecalis）發(fā)酵生成的胞外多糖，由單一的D-葡萄糖在C1和C3位置通過β-1，3-糖苷鍵連接而成［8］?？傻萌荒z是無分支的均一性多糖，將可得然膠的水分散液加熱到55～60 ℃，冷卻能形成熱可逆性的低度膠體；當(dāng)可得然膠的水分散液加熱到約80 ℃以上時(shí)，可形成熱不可逆性的凝膠，因其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，可得然膠作為一種新型食品添加劑已應(yīng)用于掛面、面團(tuán)、方便米線等食品工業(yè)領(lǐng)域［9-12］。

KGM與可得然膠復(fù)配溶膠用于膜的制備，結(jié)果表明KGM/可得然膠共混膜具有良好的相容性、機(jī)械性能和抗?jié)裥阅埽?3］，然而至今鮮見關(guān)于共混溶膠中兩種多糖分子相互作用的報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)通過分子動(dòng)力學(xué)模型，以KGM和可得然膠分子的三維結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，使用旋轉(zhuǎn)流變儀從宏觀上探究KGM和可得然膠分子間相互作用，并結(jié)合透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡對KGM、可得然膠及KGM/可得然膠共混溶膠分子形貌的觀察，在分子水平上分析KGM與可得然膠間相互作用。

1　材料與方法

1.1材料

KGM（精粉） 湖北強(qiáng)森魔芋科技有限公司；可得然膠（食品級） 山東中科生物科技股份有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

AB-50電子分析天平 瑞士Mette公司；SZ-93自動(dòng)雙重純水蒸餾器 上海亞榮生化儀器廠；HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司；JJ-1型增力電動(dòng)攪拌器 江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；HJ-8A磁力攪拌器武漢科爾儀器設(shè)備有限公司；GZX-9030MBE鼓風(fēng)干燥箱上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；Haake Rheostress旋轉(zhuǎn)流變儀美國Thermo Fisher Scientifi c有限公司；JEM-2100F透射電子顯微鏡 日本電子株式會(huì)社；原子力顯微鏡 美國Veeco公司。

1.3方法

1.3.1KGM/可得然膠分子相互作用分子動(dòng)力學(xué)模擬

KGM的三維結(jié)構(gòu)在網(wǎng)站http://glycam.org/中運(yùn)用Carbohydrate Builder構(gòu)建，結(jié)構(gòu)式如圖1所示。從多糖三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中提取可得然膠的三螺旋晶體結(jié)構(gòu)［14-15］，并復(fù)制三股連接到原始結(jié)構(gòu)，獲得可得然膠三螺旋構(gòu)象。同時(shí)模擬兩種KGM和可得然膠共混形式：平行共混與垂直共混。運(yùn)用AMBER 12軟件進(jìn)行分子模擬［16-17］。采用Shake算法［18］限制2 fs時(shí)間段中的氫原子共價(jià)鍵，同時(shí)運(yùn)用Particle-Mesh Ewald方法［19］克服遠(yuǎn)程靜電作用。

圖1　KGM（a）、可得然膠（b）、KGM/可得然膠的兩種共混方式（c，d）Fig.1　Topological structures of KGM （a） （“6A” stands for the acetyl substitution in position six） and curdlan （b）， two solvated complex systems of KGM parallel （c） or perpendicular （d） to curdlan

1.3.2流變性測定

0.05g KGM分散于5 mL蒸餾水中，室溫條件下分散12 h，得到KGM水溶膠。分別稱取0.05、0.10 g 可得然膠粉末分散在5 mL水中，室溫分散12 h，然后在90 ℃水浴鍋內(nèi)磁力攪拌加熱30 min，將上述分散好的KGM水溶膠緩慢加入到90 ℃可得然膠水溶膠中，快速攪拌30 min，使溶膠充分混勻，靜止冷卻至25 ℃。分別配制單一的5 mg/mL KGM、5 mg/mL可得然膠、10 mg/mL可得然膠膠液作對照。

利用HaakeRS6000旋轉(zhuǎn)流變儀對KGM（5 mg/mL）、可得然膠（5、10 mg/mL）及KGM/可得然膠（10 mg/mL（5∶5，V/V）、15 mg/mL（5∶10，V/V））混合溶膠進(jìn)行測定，采用穩(wěn)態(tài)剪切模式，使用錐板鈦合金轉(zhuǎn)子（60 mm、1°、TiL），剪切速率0.01～500 s-1，測量間距0.052 mm，在25 ℃條件下測定溶膠的剪切力及黏度隨剪切速率的變化。其靜態(tài)流體行為可以通過剪切力協(xié)同指數(shù)來表征［20］。

式中：Is為剪切力協(xié)同指數(shù)；τi+j為濃度為ci+cj組分混合剪切力/Pa；τi為濃度為ci組分剪切力/Pa；τj為濃度為cj組分剪切力/Pa；τ為剪切力/Pa；γ2、γ1分別表示最大、最小剪切速率/s-1。

Is的大小反映了不同的增黏作用。如果Is＞1，其混合組分的剪切力比單一組分之和大，則混合體系具有增黏作用即相互作用發(fā)生；如果Is＜1，兩組分被視為相互阻礙。

1.3.3原子力及透射電子顯微鏡觀察

KGM和可得然膠分別配制成0.5 mg/mL的分散液，置于磁力攪拌器上，攪拌12 h后，將溶液稀釋至5 μg/mL，并將稀釋液放置90 ℃水浴鍋內(nèi)攪拌1 h。分別稱取0.005 g KGM和0.005 g 可得然膠分散于10 mL蒸餾水中，室溫下分散12 h，將溶液稀釋至5 μg/mL，并將稀釋液放置90 ℃水浴鍋內(nèi)攪拌1 h后，將KGM和可得然膠溶液迅速混合，置于90 ℃水浴鍋內(nèi)攪拌30 min。吸取30 μL上述配制好后的樣液，分別滴加到事先預(yù)熱的云母片及銅網(wǎng)上，在90 ℃干燥箱內(nèi)干燥，用原子力及透射電子顯微鏡觀察分子形貌。

2　結(jié)果與分析

2.1KGM/可得然膠分子相互作用分子動(dòng)力學(xué)模擬分析

圖2　KGM/可得然膠在100 ns中的分子動(dòng)力模擬快照Fig.2　Snapshots of the KGM/curdlan complex in the 100 ns production-phase MD

由圖2可知，KGM分子鏈的構(gòu)象和取向從初始的自由伸展?fàn)钷D(zhuǎn)變?yōu)槁菪隣睿傻萌荒z分子鏈發(fā)生一定的變形來接受KGM分子鏈的變化，可能是KGM和可得然膠分子間氫鍵的相互作用促進(jìn)了兩種構(gòu)象的轉(zhuǎn)變。進(jìn)一步測量，記錄KGM與可得然膠分子間的氫鍵數(shù)。如圖3所示，隨著模擬的進(jìn)行，氫鍵數(shù)目從5 個(gè)以下急劇增加到15 個(gè)以上。達(dá)到平衡后，氫鍵數(shù)目穩(wěn)定在15 個(gè)，表明KGM和可得然膠相互靠近后的分子形變是由氫鍵相互作用所驅(qū)動(dòng)的。

圖3　兩種KGM/可得然膠系統(tǒng)中KGM與可得然膠間氫鍵數(shù)變化Fig.3　Time-dependent number of H-bonds formed between KGM and curdlan for the 100 ns production-phase MD of the two KGM/curdlan systems

2.2KGM/可得然膠混合溶膠剪切黏度隨剪切速率的變化

由圖4可知，25 ℃條件下，KGM溶膠表現(xiàn)出明顯的剪切稀化現(xiàn)象，即剪切黏度隨剪切速率的增加而顯著減小，說明KGM溶膠具有典型的牛頓（假塑性）流體特性［21］。原因是KGM分子鏈在較低的剪切速率下，相互纏繞在一起表現(xiàn)出一定的黏度，受剪切力影響較小。但是，隨著剪切速率的進(jìn)一步增加，KGM分子鏈隨著剪切力的方向定向排列，解纏結(jié)，流動(dòng)阻力降低，黏度降低。可得然膠溶膠表現(xiàn)出更加明顯的剪切稀化現(xiàn)象，黏度隨剪切速率增加而迅速下降，在剪切速率為500 s-1時(shí)趨向于0 Pa·s。主要是因?yàn)榭傻萌荒z分子鏈間纏結(jié)不夠緊密，較低的剪切速率就能使可得然膠分子鏈間解纏結(jié)，黏度降低。當(dāng)將可得然膠與KGM混合后，KGM/可得然膠混合溶膠與KGM溶膠具有相同的假塑性行為，表明混合溶膠的流變特性主要由KGM所主導(dǎo)?；旌先苣z的剪切黏度隨著可得然膠的加入有顯著提高。剪切黏度的提高隨著可得然膠質(zhì)量濃度的提高而更加明顯。這可能是因?yàn)榭傻萌荒z分子均勻分布在KGM分子鏈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，分子鏈間氫鍵的相互作用，抵抗了剪切力對其黏度的影響。

圖4　KGM、可得然膠、KGM/可得然膠混合溶膠剪切黏度隨剪切速率的變化Fig.4　Steady shear viscosity of KGM， curdlan and KGM/curdlan sols as a function of shear rate

2.3KGM/可得然膠混合溶膠剪切力隨剪切速率的變化

圖5　KGM、可得然膠、KGM/可得然膠混合溶膠穩(wěn)態(tài)剪切力隨剪切速率的變化Fig.5　Steady shear stress of KGM， curdlan and KGM/curdlan sols as a function of shear rate

由圖5可知，單純可得然膠的剪切力隨剪切速率變化不明顯，KGM/可得然膠混合溶膠比單純KGM的剪切力隨剪切速率變化明顯。通過公式（1）、（2）分別計(jì)算出KGM、可得然膠、KGM/可得然膠混合溶膠的剪切力協(xié)同指數(shù)Is，如表1所示，隨著可得然膠質(zhì)量濃度由5 mg/mL增加到10 mg/mL，Is由1.43增加到1.97，兩者之間具有增黏作用，這可能是因?yàn)镵GM分子與可得然膠分子間具有氫鍵相互作用，導(dǎo)致了協(xié)同增效作用的發(fā)生。

表1　KGM、可得然膠、KGM/可得然膠在剪切速率0.01～500 s-1條件下的剪切力及Is（25 ℃）Table1　Shear stress and shear stress synergy index of KGM， curdlan and KGM/curdlan sols （25 ℃） under the shear rate of 0.01 500 s-1

2.4原子力及透射電子顯微鏡觀察KGM、可得然膠、KGM/可得然膠混合溶膠分子形貌

圖6　透射電子顯微鏡及原子力顯微鏡圖Fig.6　TEM and AFM images of KGM/curdlan solutions at 90 ℃

由圖6A2可知，KGM分子呈現(xiàn)伸展的線狀形態(tài)，具有一定的柔性，分子鏈的高度約為0.6～1.0 nm，這與文獻(xiàn)中報(bào)道的KGM分子形態(tài)一致［22］。KGM的透射電子顯微鏡照片（圖6A1）顯示KGM分子間形成了均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這主要依賴于KGM分子間范德華力相互作用以及糖鏈間氫鍵締合，促使KGM分子相互纏繞［23］。圖6B1、B2顯示了可得然膠溶膠在90 ℃加熱處理下的分子形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可得然膠分子鏈?zhǔn)蔷哂幸欢▌傂缘闹辨湻肿?，這是由于可得然膠分子內(nèi)存在氫鍵，導(dǎo)致分子鏈以剛性分子鏈形式存在。據(jù)報(bào)道，可得然膠在二甲基亞砜溶液中以單鏈形式存在，其單鏈的高度為（0.65±0.05） nm［24］。X-ray單晶衍射觀察到可得然膠三股螺旋鏈高度為1.56 nm［25］。本研究中原子力顯微鏡探測到可得然膠分子鏈高度為2.0～3.0 nm，根據(jù)該分子鏈高度判斷，可得然膠在90 ℃條件下，可能以三螺旋鏈形式存在，但是不能排除是單螺旋鏈的可能性。原因是當(dāng)可得然膠的稀溶液滴加到云母片上干燥時(shí)，分子黏附到云母表面，由于分子內(nèi)強(qiáng)的氫鍵作用使得分子鏈剛性很強(qiáng)，分子不能完全黏附到云母表面，當(dāng)探針探測時(shí)，其高度必然大于其在良溶劑（二甲基亞砜）中的線性單分子鏈的高度。透射電子顯微鏡（圖6B1）觀察到剛性的可得然膠分子間在90 ℃下形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可能是分子鏈的物理纏結(jié)，但更為深入的高溫形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)而形成凝膠的分子機(jī)理有待進(jìn)一步研究。當(dāng)KGM與可得然膠在90 ℃條件下混合（圖6C1、C2），柔性的呈線狀的KGM分子鏈穿插分布在三螺旋鏈或單螺旋鏈的可得然膠分子鏈之間，KGM與可得然膠分子表現(xiàn)出相互纏繞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，KGM分子鏈與可得然膠分子鏈之間可能存在氫鍵相互作用，該作用維持著兩種分子形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡圖片（圖6C1、C2）從分子水平上觀察形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，共混溶膠的流變特性從分子宏觀特性上進(jìn)一步證實(shí)了該分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的存在（圖4、5）。另外，通過控制可得然膠分散液的加熱溫度來調(diào)控KGM和可得然膠共混的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將是進(jìn)一步深入研究的方向之一。

3　結(jié) 論

分子模擬表明KGM和可得然膠分子間存在氫鍵相互作用。可得然膠與KGM溶膠之間具有協(xié)同-增黏作用。KGM和可得然膠在90 ℃條件下共混，能夠形成均勻的互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可能是由于二者之間發(fā)生氫鍵相互作用而形成。透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡對KGM、可得然膠及KGM/可得然膠共混溶膠分子形貌的觀察，在分子水平上驗(yàn)證了分子間存在相互作用。

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Interactions between Konjac Glucomannan and Curdlan

JIANG Mingfeng， XIAO Man*， NI Xuewen， YAN Wenli， KUANG Ying， SHEN Yue， JIANG Fatang
（College of Bioengineering and Food Science， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

The interaction between konjac glucomannan （KGM） and curdlan was evaluated by molecular dynamic simulation. The viscosity and shear stress of KGM/curdlan sol were measured as a function of shear rate by a rotational rheometer at 25 ℃. The molecular morphology of KGM and curdlan in water solution were observed by transmission electron microscopy（TEM） and atomic force microscopy （AFM）. The results of molecular dynamic simulation and rheological behavior showed that hydrogen bond interactions existed between KGM and curdlan. The collaborative stress index increased from 1.43 to 1.97，suggesting KGM/curdlan sol has synergistic viscosifi cation due to the interactions between KGM and curdlan. TEM and AFM results showed the formation of interpenetrating network structure between KGM and curdlan， which may be driven by hydrogen bonding interactions， and this interaction was further confi rmed by the microscopic level.

konjac glucomannan； curdlan； molecular simulation； molecular morphology； interaction

10.7506/spkx1002-6630-201619009

TS201.7

A

1002-6630（2016）19-0054-05

蔣明峰， 肖滿， 倪學(xué)文， 等. 魔芋葡甘聚糖與可得然膠的相互作用［J］. 食品科學(xué)， 2016， 37（19）： 54-58. DOI：10.7506/ spkx1002-6630-201619009. http：//www.spkx.net.cn

JIANG Mingfeng， XIAO Man， NI Xuewen， et al. Interactions between konjac glucomannan and curdlan［J］. Food Science，2016， 37（19）： 54-58. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/spkx1002-6630-201619009. http：//www.spkx.net.cn

2016-01-21

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（31301428）；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31271832）

蔣明峰（1990—），男，碩士，研究方向?yàn)槭称诽烊欢嗵?。E-mail：Jiang_MingFeng@163.com

肖滿（1979—），男，講師，博士，研究方向?yàn)樘烊欢嗵欠肿硬牧?。E-mail：15325378@qq.com