基于原子力顯微鏡和流變學特性的葛仙米多糖構象分析

莫開菊，程 超，莊 洋，陳美林，趙 娜

（1.湖北民族學院生物科學與技術學院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族學院 生物資源保護與利用湖北省重點實驗室，湖北 恩施 445000）

基于原子力顯微鏡和流變學特性的葛仙米多糖構象分析

莫開菊1,2，程 超1，莊 洋1，陳美林1，趙 娜1

（1.湖北民族學院生物科學與技術學院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族學院 生物資源保護與利用湖北省重點實驗室，湖北 恩施 445000）

通過原子力顯微鏡觀察葛仙米多糖的單分子形態，發現葛仙米多糖包括柔性分支鏈和剛性分支鏈，主要以帶分支的柔性長鏈、無分支或分支較少的剛性分支鏈、3 條鏈纏繞而成的發散結構等形態存在，同時觀察到部分分支鏈的單螺旋結構。葛仙米多糖主要以豐富分支的狀態存在，可見螺旋結構，分支長度一般在200～600 nm，單分子直徑在1.0 nm以內，在多鏈纏繞處高度為1.3～2.3 nm左右。流變學特性分析表明，葛仙米多糖能形成弱凝膠體系，說明多糖分子間能夠交聯，但交聯度不高，證實葛仙米多糖具有柔性的多分支結構。

原子力顯微鏡；葛仙米；多糖；流變學；鏈構象

葛仙米（Nostoc sphaeroides Kütz.）是一種藥食同源的單細胞藍藻，含有豐富的多糖[1-2]。大量研究表明，許多植物多糖具有多種抗腫瘤、抗癌、抗氧化、提高機體免疫力的功能[3-5]。葛仙米多糖也具有生物活性，莫開菊等[2]研究了葛仙米多糖的抗腫瘤效果，發現葛仙米多糖具有明顯的抑瘤作用；彭常安等[1]研究證實葛仙米多糖對人體結腸直腸癌細胞有突出的抑制作用；常向東等[6]對葛仙米多糖的抗菌性進行了分析，結果表明葛仙米多糖對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、霉菌、綠膿桿菌等均有抑制作用。

多糖的生物活性與其化學結構關系密切，尤其是多糖的高級結構對多糖活性有更大的影響[7]。多糖的螺旋構型是最具生物活性的空間結構[8-9]。Surenjav等[10]研究了香菇多糖的構效關系，發現香菇多糖中的三股螺旋結構與抗腫瘤活性相關；Bao Xingfeng等[11]研究證明多糖的生物活性與單螺旋結構相關，單螺旋結構能促進T細胞增殖，提高機體免疫力；Yang Yi等[12]研究發現龍眼果肉多糖的單螺旋結構有助于激活淋巴細胞和自然殺傷細胞，提高機體免疫能力。呂金順[13]從多糖構型中提煉出凹形結構的概念，指出多糖的凹形結構機制影響多糖的抗腫瘤及免疫活性，螺旋構象是一種典型的凹形結構。由此可見，探求多糖的生物活性機理須明確多糖的高級結構，尤其是鏈構象。

多糖的空間結構因其組成和構象的復雜性而難以完全解析，而原子力顯微鏡（atomic force microscopy，AFM）為觀察多糖表面結構形貌提供了一種新的手段，具有制樣簡單、測定環境要求低、分辨率高、適用面廣等優點[14]。通過AFM，可以對多糖樣品在納米尺度上高分辨成像，在觀察多糖分子表面形貌的同時，還能獲取鏈的長度、直徑等量化信息，進而分析多糖分子的表面鏈構象。孫潤廣等[15]利用AFM觀察到了甘草多糖鏈多股緊密的螺旋結構；Yang Hongshun等[16]對桃子中的果膠進行AFM觀察，發現果膠分支鏈由長度為11.719、15.625、19.531、35.156 nm的4種鏈長結構單元組成，隨著貯存時間的延長，果膠分子的聚集程度逐步加深。Gunning等[17]利用AFM研究了結冷膠等微生物多糖，觀察到結冷膠呈纖維網狀結構。

多糖的流變學特性是多糖溶液宏觀動力特征，是體系結構的表征，能間接反映多糖在溶液中的鏈構象和構象轉變[18]。多糖分子的鏈結構、多重構象對多糖溶液的黏彈性有重要影響[19]，Rief等[20]利用AFM研究了多糖分子中葡聚糖，結果表明，改變分子構型，分子彈性明顯增加。此外，有報道部分多糖如車前子多糖的生理活性與其流變學（高黏度或成膠性）特性相關[21]。因此，多糖的流變學特性有助于輔助證明多糖的結構及生理活性。

本實驗以葛仙米多糖為研究對象，利用AFM對葛仙米多糖分子的表面形貌進行觀察分析，并以葛仙米多糖分子的流變學特性來驗證AFM觀察結果的準確性，擬初步探尋葛仙米多糖分子構型與生物活性的關系，以期為葛仙米多糖分子結構的深入研究、生物活性的進一步開發提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葛仙米 鶴峰縣走馬鄉；葛仙米多糖：采用熱水提取，Sevag法反復多次除蛋白質，乙醇沉淀，冷凍干燥，純度達到80%，凝膠滲透色譜法分析結果表明，其是分子質量分布很寬、不含氮和硫元素的酸性多糖，其重均分子質量為9.564×106D、數均分子質量為5.634×106D、多分子分散系數d為1.698。

檸檬酸（分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

AutoProbc CP Research型AFM 美國Thermo儀器公司；5500 ILM型AFM 美國安捷倫科技公司；AR2000ex型動態流變儀 美國TA儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 葛仙米多糖的分離純化

葛仙米多糖提取：稱取一定量的葛仙米，清洗、脫色、粉碎、脫脂后，按料水比為1∶90（m/V），于90 ℃水浴鍋中提取6 h[22]，旋蒸去掉水分后，采用Sevag法脫蛋白，先用60%乙醇沉淀冷凍干燥得到葛仙米多糖樣品S1。S1復溶后再用32%乙醇進一步醇沉純化后，再冷凍干燥得到樣品S2[2]。

1.3.2 AFM觀察

用質量分數0.05%的檸檬酸水溶液配制成1.00、0.05 μg/mL的葛仙米多糖溶液，充分溶解后，移取葛仙米多糖溶液滴在新鮮剝離的云母表面。

AFM參數：100 pm掃描器，硅探針，針尖曲率半徑10 nm，力常數約為2.8 N/m，輕敲模式。室溫測試，空氣濕度60%。

1.3.3 流變學特性測定

用純水配制質量濃度為10、15、20、30 mg/mL的S1溶液，pH 6.0。

測定條件：振蕩模式，strain＝2%，平板Ф＝40 mm，高度1 000 μm，溫度為25 ℃。進行溫度掃描時在平板周圍涂上輕質硅油，防止樣品水分揮發，掃描溫度范圍為0～90 ℃，升溫程序為5 ℃/min。

1.4 數據統計分析

采用了Origin 8.0軟件對數據進行了作圖，并用Nanoscope V530R3SR3和Picoscan軟件處理AFM圖。

2 結果與分析

2.1 葛仙米多糖的AFM分析

2.1.1 不同質量濃度對葛仙米多糖微觀結構的影響

糖鏈的密度與葛仙米多糖溶液的初始質量濃度相關。當1.0 μg/mL時，單位區域分支鏈密度高（圖1A中高亮區域），這是由于在氫鍵和范德華力的作用下，鏈間作用點增多、作用力增強，使多糖分子形成聚集體。當0.05 μg/mL時，糖鏈密度降低，分支鏈間纏繞聚集減少，獲得了分支鏈較分散的單分子圖譜（圖1B）。由此可見，樣品質量濃度對單分子的微觀結構影響較大，當降低到合適的狀態才易于獲得分散的分支鏈。

圖1 1.0 μg/mL（A）和0.05 μg/mL（B）葛仙米多糖的AFM圖Fig. 1 AFM images of N. sphaeroides Kütz. polysaccharide at different concentrations

2.1.2 葛仙米多糖S1分支鏈的AFM分析

圖2 葛仙米多糖S1的分支鏈Fig. 2 Branched chains of N. sphaeroides Kütz. polysaccharide S1

從圖2可以看出，葛仙米多糖分子得到很好的分散，沒有大的聚集體，可以看出整體呈多分支的樹枝狀，既包括剛性的線性分支鏈，又包括帶分支結構的柔性分支鏈，還有部分聚集體；葛仙米多糖帶多分支的略微卷曲的柔性分支鏈，如a、c、d、e鏈，鏈長分別為1 565.1、440.9、188.9、342.4 nm，其最長鏈a上有長短不一的分支，其中b鏈分支長約122.0 nm；剛性分支鏈，呈棒狀結構，最長的一條剛性分支鏈f長約657.6 nm。此外，分支鏈a存在多個分支，其中一個分支處呈現環狀，這既可能是分支鏈未完全分散聚集而成，也有可能是鏈內氫鍵連接卷曲而成；3 條分支鏈（c、d、e）的一端纏繞而成的發散型的分支結構，其纏繞部分鏈長約245.3 nm。

圖3 葛仙米多糖S1的分支鏈直徑Fig. 3 Molecular diameter of branched chain of N. sphaeroides Kütz.polysaccharide S1

圖3顯示了葛仙米多糖S1的分支鏈直徑。在AFM圖中，分支鏈直徑通常以分支鏈高度表示，而不是以分支鏈寬度表示，這是由于AFM針尖的尺寸偏大容易導致“增寬效應”，使測定的寬度值偏大，而分支鏈高度不受“增寬效應”的影響。一般多糖分支鏈直徑為0.5～1.2 nm[23-25]。圖3中g、h、j處的高度分別為0.97、0.73、0.90 nm，而z處高度為1.5 nm，i處高度為7.7 nm。結合圖中各處形態，判斷g、h、j所處鏈呈單分支狀態，推測z處可能是2 條分支鏈纏繞，i處是未分散開的聚集態，由多條分支鏈通過分子間氫鍵或范德華力纏繞而成。

綜合AFM觀察，葛仙米多糖S1分子是呈樹枝狀的多分支結構，并發現了以下幾種構型：帶分支的柔性分支鏈、由3 條柔性分支鏈組成的分散結構、呈棒狀的剛性分支鏈、分支鏈未分散的小聚集體，其部分結構呈單螺旋構象。

2.1.3 葛仙米多糖S2及其分支鏈的AFM分析

圖4 葛仙米多糖S2的AFM圖Fig. 4 AFM images of N. sphaeroides Kütz. polysaccharide S2

利用AFM觀察S2如圖4所示。圖4A中，葛仙米多糖分支鏈得到較好的分散，均勻分布在視野中，呈分支狀，但在分支處可見許多凸起的小結點；將圖4A中分散較好的部分放大得到圖4B，其中以柔性分支鏈為主，分支較多，大多以2 條或3 條分支鏈以發散形態纏繞并以此種結構不斷延伸；將圖4B中鏈段放大得到圖4C，依稀可見螺旋結構。

圖5 葛仙米多糖S2的分支鏈的AFM圖Fig. 5 Branched chains of N. sphaeroides Kütz. polysaccharide S2

S2的分支鏈長度見圖5。分支鏈n、k、l、m、o、y長度分別為199、337、331、392、321、645 nm，可見葛仙米多糖S2分支鏈長度基本均勻，鏈間通常由結點連接為更長的分子鏈，其最長的鏈跨越整個掃描區域，大于4 μm。

S2的分支鏈直徑見圖6。v點、p點、s點、t點的高度分別為1.2、0.9、1.0、0.8 nm，均在多糖單分子直徑的范圍內，而u點、q點、r點的高度分別為1.3、2.2、2.27 nm，均為結點高度，可以認為是2 條或者3 條分支鏈連接點。

將圖3、圖4～6進行比較分析發現，S1含有分支鏈大小、結構不同的多種組分，S2分支鏈多，彼此交聯度高，在整個視野中看不到分離開的、獨立的鏈。但是S1和S2兩者中多糖分子的結構是極其相似的，分支長度一般在200～600 nm左右，單分支鏈高度大多在1.0 nm以內，在多鏈纏繞處高度為1.3～2.3 nm左右。這說明S2就是S1組分中分支鏈較大的部分，說明采用不同體積分數乙醇沉淀能達到純化效果。

圖6 葛仙米多糖S2的分支鏈直徑Fig. 6 Molecular diameter of N. sphaeroides Kütz. polysaccharide S2

2.2 葛仙米多糖的動態流變學特性

多糖的流變學特性與其分子結構密切相關，小幅振蕩實驗通過測定彈性模量（G’）、黏性模量（G’’）和損耗角（δ）來評價樣品的黏彈性，微觀上主要測量分子鏈的柔順性，進而獲得樣品的內部信息。其中，G’代表彈性部分，G’’代表黏性部分，當G’’＞G’時，多糖溶液表現出流體性質，被認為是溶膠特性；當G’＞G’’時，多糖溶液表現出固體性質，被認為是凝膠特性。此外，損耗角δ是由G’、G’’計算出來的，其關系式為tan δ＝G’/G’’。一般認為0°＜δ＜90°為黏彈性體，δ＞45°表現為溶膠特性，δ＜45°表現為凝膠特性。

2.2.1 不同質量濃度葛仙米多糖溶液的動態黏彈性

分別對質量濃度為10、15、20、30 mg/mL的葛仙米多糖水溶液在角頻率0.5～50.0 rad/s的范圍內進行掃描。如圖7A所示，隨著角頻率的升高，溶液彈性模量緩慢增大；多糖質量濃度越高，溶液彈性模量越大。當葛仙米多糖質量濃度為10 mg/mL時，溶液的G’和G’’最低，當為30 mg/mL時，溶液的G’和G’’最高。這是由于隨著多糖質量濃度的增加，單位區域的多糖分子增加，鏈段密度增大，分子間氫鍵、范德華力增強，對流動產生阻力，從而表現出黏性增強，同時分子間的相互作用力導致網絡結構增強，相應地表現出彈性增加。

由圖7可知，當葛仙米多糖質量濃度為10 mg/mL時，G’’＞G’，δ＞45°，體系主要表現為溶膠特性，但從15～30 mg/mL時，G’＞G’’，δ＜45°表現為凝膠特性。通常當δ＜6°時，才能形成真凝膠，因此葛仙米多糖在15～30 mg/mL的水溶液體系中，可形成弱凝膠，表現出彈性增加。

圖7 不同質量濃度的葛仙米多糖溶液的流變學特性Fig. 7 Viscoelasticity of N. sphaeroides Kütz. polysaccharides at different concentrations

2.2.2 不同溫度葛仙米多糖膠的動態黏彈性

圖8 不同溫度條件下葛仙米多糖膠的流變學特性Fig. 8 Viscoelasticity of N. sphaeroides Kütz. polysaccharides at different temperatures

溫度會影響多糖在形變和流動過程中的黏彈性。從圖8A可見，在25 ℃條件下葛仙米多糖膠的彈性模量明顯大于70 ℃時的多糖膠，而且25 ℃時，G’＞G’’，多糖膠表現出彈性，分支鏈形成穩定的網絡結構，具備凝膠特征；但70℃時，G’’＞G’，多糖膠表現出黏性，呈溶膠狀態。圖8B中，在70 ℃時，δ＞45°，表現溶膠的黏性；在25 ℃時，δ＜45°，表現為凝膠的彈性。這是由于隨著溫度的升高，分子運動活化能增加，分子間氫鍵被削弱，鏈間的聯結點減少，流動性增強，體系黏度降低，分支鏈間穩定的網絡結構難以維持。

3 討 論

本研究利用AFM觀察發現葛仙米多糖呈樹枝分散狀，由剛性分支鏈和柔性分支鏈以及小的聚集體組成；大部分以柔性分支鏈組成，分支鏈間相互聯結并不斷延伸，可見螺旋結構。S1是采用60%乙醇沉淀提取的葛仙米多糖，經柱層析和凝膠色譜分析，被認為是性質相似的純度較高的多糖，但是在進行AFM觀察時，看到了2 種結構。因此將S1再次經水溶解，采用逐步增加乙醇體積分數，逐級分離多糖，當乙醇體積分數到達32%后，獲得大量的長絮狀沉淀物S2，剩余物再用更高體積分數的乙醇沉淀，當體積分數達到60%后，得到極少量短絮狀物。由于后者量太少，因此第二次AFM觀察時只用了32%乙醇沉淀物。兩次觀察結果說明，S1中含有的大量成分即S2，對S2的觀察只發現了具有多分支的柔性鏈狀分支，說明通過不同體積分數乙醇分級沉淀，能將葛仙米多糖適度分級純化。

本研究中還觀察到了葛仙米多糖的螺旋結構。螺旋結構對多糖生物活性表達非常重要，從而間接證明了葛仙米多糖抗腫瘤的生物活性[2]。此外還有些鏈構型可能與多糖的生物活性相關，有研究表明多糖線性分支鏈上的側鏈能調節多糖結構與活性的不平衡[26]，對多糖的生物活性有一定影響，同時，這種帶多分支的分支鏈也符合呂金順[13]的凹形結構學說，該分支鏈的支鏈均較短，短的支鏈可能對多糖活性也有貢獻[27]。葛仙米多糖分子同樣具有這樣的結構特征，這也從側面反映了葛仙米多糖可能具有良好的生物活性。葛仙米多糖中葡萄糖醛酸的物質的量比例高達13.5%[28]，有報道稱含糖醛酸的酸性多糖具有較強的免疫促進作用[29]。以上結構研究均從不同角度揭示了葛仙米多糖具有一定的生物活性。因此深入研究葛仙米多糖結構與生物活性的構效關系，將成為另一有意義的研究方向。

通過對不同質量濃度葛仙米多糖膠的流變學特性分析表明，葛仙米多糖溶液質量濃度為10 mg/mL時主要以溶膠形式存在，15～30 mg/mL時能形成弱凝膠體系，說明葛仙米多糖分子間能夠交聯，但交聯度不高。這間接證實葛仙米多糖具有柔性的多分支結構，多分支的存在既能增強溶膠體系的黏度，又會降低凝膠體系的強度。這表現在當葛仙米多糖質量濃度較高時，分支鏈密度增大，鏈間聯結點多、相互作用力強，形成穩定的網絡結構，使體系呈現凝膠特性，但是，由于多分支結構的存在，又妨礙了分支鏈間氫鍵的形成及交聯的緊密性，從而影響凝膠強度；當質量濃度較低時，分子間作用力減弱，分支鏈充分伸展，穩定的網絡結構難以維系，體系呈現出溶膠特性，但是由于有較多分支，使多糖分子質量巨大，溶膠的黏度增加。此外，較低的溫度有助于穩定多糖的網絡結構，形成凝膠；而較高溫度時，多糖分支鏈間氫鍵作用減弱，網絡結構松弛，分支鏈伸展，流動性增強，使體系表現出溶膠特性。因此，通過流變學特性研究，證實了葛仙米多糖分子具有多分支結構。

葛仙米多糖的分子結構及流變學特性與黃原膠的十分相似。Liang Hao等[30]采用AFM技術觀察到黃原膠在固態或水溶液中呈現半柔順的雙螺旋結構；有資料表明黃原膠只有在大于1 g/100 g的水溶液中才能形成弱凝膠，在較低支鏈濃度條件下以溶膠狀態存在[31]，而且在0.1 g/100 g的低質量濃度條件下，葛仙米多糖和黃原膠溶液的黏度非常接近[32]。眾所周知，黃原膠作為增稠劑、穩定劑、乳化劑、抗冰晶融化劑、抗淀粉老化劑等被廣泛用于食品。因此葛仙米多糖的食品功能性質值得廣泛而深入的研究，為其作為食品添加劑和食品功能因子提供理論依據。

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Conformational Analysis of Polysaccharide from Nostoc sphaeroides Kütz. Based on Atomic Force Microscope and Rheological Properties

MO Kaiju1,2, CHENG Chao1, ZHUANG Yang1, CHEN Meilin1, ZHAO Na1
(1. School of Biological Science and Technology, Hubei University for Nationalities, Enshi 445000, China; 2. Hubei Key Laboratory of Biological Resource Conservation and Utilization, Hubei University for Nationalities, Enshi 445000, China)

In this paper, the single-molecule morphology of polysaccharides extracted from Nostoc sphaeroides Kütz. was studied by atomic force microscopy. As a result, the polysaccharides were found to consist of flexible and rigid molecular chains and mainly exist in the form of flexible long chain with multi-branches, rigid chains with less or without branches and a divergent structure composed of three intertwined chains. Besides, a single helix for some of the branch chains was also found. The polysaccharides mainly existed in the conformation with abundant branches whose length was generally about 200-600 nm, the diameter of single molecules was within 1.0 nm, and the height of intertwined chains was about 1.3-2.3 nm.The rheological properties showed that the polysaccharides could form a weak gel, indicating that the polysaccharide molecules could be only slightly crosslinked. All rheological properties confirmed that the polysaccharides had multiple flexible branches.

atomic force microscopy; Nostoc sphaeroides Kütz.; polysaccharide; rheological properties; chain conformation

10.7506/spkx1002-6630-201721008

TS201.2

A

1002-6630（2017）21-0049-06

莫開菊, 程超, 莊洋, 等. 基于原子力顯微鏡和流變學特性的葛仙米多糖構象分析[J]. 食品科學, 2017, 38(21): 49-54.

10.7506/spkx1002-6630-201721008. http://www.spkx.net.cn

MO Kaiju, CHENG Chao, ZHUANG Yang, et al. Conformational analysis of polysaccharide from Nostoc sphaeroides Kütz. based on atomic force microscope and rheological properties[J]. Food Science, 2017, 38(21): 49-54. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201721008. http://www.spkx.net.cn

2017-05-05

國家自然科學基金面上項目（31171670）

莫開菊（1965—），女，教授，博士，研究方向為食品加工及食品化學。E-mail：hbmymkj@163.com